一種過閘船舶自動化測量系統(tǒng)及船舶外形測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于自動測量領(lǐng)域，具體涉及一種用于自動測量運河上過閘船舶外形的過閘船舶自動化測量系統(tǒng)及船舶外形測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，運河上通過船閘的船舶過閘費以總噸為收費依據(jù)，各船閘設(shè)有遠(yuǎn)調(diào)站對船舶進行調(diào)度管理和噸位核載，對船舶總噸的核定是采取人工現(xiàn)場測量船舶和參照航行簿提供的總噸相結(jié)合的方式。受利益驅(qū)使，船型不規(guī)范、一船多簿、大船小簿、假簿、嚴(yán)重超載等違章現(xiàn)象時有發(fā)生，造成航道安全隱患、過閘效率低下。船舶長、寬、型深、海水量通過人工量取的方法，人工量取方法浪費了大量的人力、物力、船民的過閘時間，不便于對船舶信息的匯總管理，而且這些船閘每天承擔(dān)著數(shù)以百計船只的通行任務(wù)，工作量大、任務(wù)繁重、手續(xù)復(fù)雜，現(xiàn)有的收費和管理系統(tǒng)已明顯不能滿足形勢發(fā)展的要求。
[0003]國內(nèi)外對于過閘船舶的收費模式多種多樣，但是都需要了解過閘船舶的外形尺寸。目前，對于過閘船舶尺寸和載重量的檢查主要是依賴船舶的檔案，重要外形尺寸的量測要依賴人工的方式。受到船舶檔案可靠性和人工測量效率的制約，過閘收費的準(zhǔn)確性和科學(xué)性均亟待提高。因此，為了解決船舶在過閘時船舶總噸的核定方法中存在的問題，研宄一種高效、自動、快速的過閘船舶自動化測量系統(tǒng)，提高船閘的服務(wù)效率已經(jīng)成為一項重要任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種過閘船舶自動化測量系統(tǒng)及船舶外形測量方法，目的是通過系統(tǒng)集成對船舶外形參數(shù)進行綜合測量，實現(xiàn)船舶外形數(shù)據(jù)的自動化采集，計算船舶的長、寬、型深、吃水深度等實際尺寸，自動生成船舶三維模型及總噸、排水量等船舶關(guān)鍵參數(shù)，為船舶過閘時管理部門收取船舶過閘費提供依據(jù)，提高了船閘管理部門的工作效率以及船舶的過閘效率。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種過閘船舶自動化測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以及與其相連的水上橫截面測量子系統(tǒng)、水下橫截面測量子系統(tǒng)、船舶長度測量子系統(tǒng)和水位測量子系統(tǒng)，所述水上橫截面測量子系統(tǒng)包括:
[0007]第一激光掃描儀、第二激光掃描儀，分別安裝在河道兩岸，用于掃描船舶水上部分?jǐn)嗝?，并將掃描到的船舶水上的外形?shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；
[0008]所述水下橫截面測量子系統(tǒng)采用聲納掃面的測量方式，包括:
[0009]兩組聲納傳感器，分別安裝于河道兩側(cè)水底，用于發(fā)射和接收聲納信號；
[0010]聲納控制器，用于控制聲納傳感器的發(fā)射和接收，并將采集到的船舶水下外形數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；
[0011]所述船舶長度測量子系統(tǒng)包括:
[0012]光電開關(guān)，安裝于河道兩側(cè)的閘墻上，用于檢測船舶到達(dá)以及離開所在光電開關(guān)位置時的時間；
[0013]PLC控制器，用于采集光電開關(guān)和水位測量子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并傳送至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。
[0014]該系統(tǒng)對于船舶外形參數(shù)的測量是逐段對船舶進行斷面掃描，由掃描數(shù)據(jù)組成船舶斷面的外形，在船舶運行中測量船舶的長度或速度，根據(jù)船舶的斷面的外形及船舶的長度合成為整個船舶的外形。對于船舶水上部分的斷面掃描，采用激光掃描的測量方式，對于水下部分的斷面掃描，采用聲納掃描的測量方式，聲納傳感器通過向水底發(fā)射某一頻率的聲波信號，聲波在水中以1500m/s的聲速到達(dá)水底或密度大于水底的介面時，部分聲波的能量反射回來通過回波信號可進行測量。當(dāng)船舶通過指定的測量斷面區(qū)域后，該系統(tǒng)通過水上第一激光掃描儀、第二激光掃描儀、聲納傳感器對船舶斷面測量，測量出所過船舶每個斷面的外形，同時結(jié)合光電開關(guān)對船舶速度進行測量，計算出船舶的長度。當(dāng)船舶正常行駛時，將船舶的長度按斷面掃描的時間間隔分割成每個掃描段所對應(yīng)的船舶位移，從而形成船舶的三維測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)對測得的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、分析和存儲，根據(jù)所測得的三維數(shù)據(jù)建立船舶模型，計算出長度、寬度、干舷高度、吃水深度、船舶的總噸和載重噸，并將測量數(shù)據(jù)自動保存。遠(yuǎn)調(diào)站根據(jù)測量數(shù)據(jù)結(jié)合聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)準(zhǔn)確計算出過閘時應(yīng)收取的過閘費用，自動生成相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
[0015]在船舶測量區(qū)域，該系統(tǒng)能自動測量經(jīng)過船舶的外部形狀，自動提取船舶的長度、寬度、干舷高度、吃水深度，界定船舶吃水深度是否符合航道等級要求，船舶的干舷高度是否在法定的范圍內(nèi)，并將測量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。各級船閘可以通過調(diào)取數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地計算出過閘時應(yīng)收取的過閘費用和過閘船只的最優(yōu)排列方案等，方便各級船閘的管理。
[0016]所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括主控計算機以及與主控計算機相連的數(shù)據(jù)處理計算機，各測量傳感器的安裝位置及角度，要由精密測量儀器精確測量，相關(guān)參數(shù)輸入主控計算機，主控計算機實時采集測量數(shù)據(jù)，并將每一斷面測量數(shù)據(jù)打包發(fā)送至數(shù)據(jù)處理計算機，由數(shù)據(jù)處理計算機分析數(shù)據(jù)并合成測量數(shù)據(jù)最終顯示測量出被檢船舶的外形。
[0017]所述第一激光掃描儀和第二激光掃描儀通過網(wǎng)絡(luò)交換機與主控計算機連接，激光掃描儀儀器內(nèi)的激光發(fā)射器發(fā)送激光，激光經(jīng)障礙物反射后，返回激光掃描儀，根據(jù)記錄的激光往返時間，計算出激光掃描儀和反射物之間的幾何距離，激光掃描儀測得的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)交換機傳輸給主控計算機。
[0018]所述第一激光掃描儀和第二激光掃描儀的掃描角度至少為90度，第一激光掃描儀的安裝高度為距水面2-4米，第二激光掃描儀的安裝高度為距水面6-8米；第一激光掃描儀和第二激光掃描儀分別安裝在船閘進閘處河道兩側(cè)的固定建筑上，該位置剛過船舶?？康兀耙蜻M閘先后依次分開，易于檢測，為保證在進閘的船舶在河道任一位置都可被掃到，掃描儀的掃描角度要足夠大，因此，第一激光掃描儀和第二激光掃描儀的掃描角度至少為90度，才可覆蓋河道，無測量死角，第一激光掃描儀的安裝高度為距水面2-4米，第二激光掃描儀的安裝高度為距水面6-8米，這樣設(shè)計為保證船舶的截面全被掃描到，同時最大限度提高干舷高度的測量準(zhǔn)確性，掃描儀安裝位置高，掃描范圍大；安裝位置低，干舷高度的測量準(zhǔn)確。
[0019]所述聲納傳感器通過聲納控制器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機與主控計算機連接；聲納傳感器分兩組，分別安裝在河道兩側(cè)水底，同激光掃描儀在同一平面，聲納傳感器線纜接入聲納控制器，由聲納控制器控制聲納傳感器的發(fā)射及接收，形成對船舶水下部分的測量，聲納控制器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機連接至主控計算機網(wǎng)絡(luò)接口 ；聲納傳感器向船舶發(fā)射某一頻率的聲波信號，聲波在水中以1500m/s左右的速度傳播，當(dāng)聲波到達(dá)船舶表面時，部分聲波的能量反射回來，當(dāng)反射聲波到達(dá)聲納傳感器表面時，聲納傳感器將聲波信號轉(zhuǎn)換成電波信號，通過信號放大和數(shù)據(jù)處理，將信號變換成船舶到聲納傳感器的直線距離，然后根據(jù)聲納傳感器的指向性確定船舶某點的坐標(biāo)，由多個不同指向的聲納傳感器可確定船舶的外形輪廓，從而計算出船舶的水下外形、寬度、吃水深度。
[0020]所述光電開關(guān)垂直于河道，距河道水面0.3-0.9米處安裝，并通過PLC控制器與主控計算機連接。
[0021]所述光電開關(guān)為對射式光電開關(guān)，包括一個激光發(fā)射器和一個激光接收器，且光電開關(guān)的數(shù)量至少為6個；光電開關(guān)沿河道安裝在閘墻上，安裝高度一致，距水面0.5米，各光電開關(guān)間距均分，且安置在掃描斷面之前，在掃描斷面處安裝最后一個光電開關(guān)，光電開關(guān)分別檢測船舶到達(dá)及離開所在光電開關(guān)位置時的時間，由PLC控制器記錄并通過串口傳送至主控計算機，通過運動學(xué)時間，位移關(guān)系解算出船舶通過測量斷面的位移。
[0022]所述水位測量子系統(tǒng)包括消波裝置、固定在消波裝置內(nèi)部且放置在河底的壓力傳感器、以及與壓力傳感器連接的A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器通過PLC控制器與主控計算機連接；壓力傳感器測量河水水面的變化，消波裝置用于消除河水波動帶來的測量擾動，A/D轉(zhuǎn)換器將壓力傳感器測量的模擬電壓信號轉(zhuǎn)為測量系統(tǒng)可接收的數(shù)字信號，PLC控制器將測量信號采集分析計算，并通過PLC控制器的串行通訊口傳遞給主控計算機，壓力傳感器的測量精度可達(dá)毫米級，可保證系統(tǒng)要求的測量要求。
[0023]所述消波裝置為不銹鋼消波管，消波管豎直向下固