基于無人機(jī)技術(shù)的全天候水尺計(jì)量的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周化兵，高 偉

（馬鋼設(shè)備管理部，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼公司大宗原燃料運(yùn)輸分為水運(yùn)、汽運(yùn)及鐵運(yùn)等三種模式，其中水運(yùn)方式計(jì)重的每年約2 000萬t 以上，占運(yùn)輸總量的三分之二，水尺計(jì)量結(jié)果是貿(mào)易結(jié)算、購銷計(jì)重索賠、船舶運(yùn)費(fèi)等的依據(jù)。所以實(shí)現(xiàn)水尺計(jì)量的全過程受控，規(guī)避人為操作失誤帶來的風(fēng)險(xiǎn)及公平、高效計(jì)量，對公司生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義［1］。

水尺計(jì)量是根據(jù)流體靜力學(xué)中的浮力原理，以貨運(yùn)船舶作為計(jì)量工具（計(jì)量載體），對船載貨物進(jìn)行稱重計(jì)量的一種方法。用于貨運(yùn)的船舶須通過船級社認(rèn)可，船體上標(biāo)有清晰的吃水標(biāo)高。通過船舶重載和空載的吃水深度以及貨運(yùn)船舶的生活淡水、壓艙水、船運(yùn)燃油等物料液位，依據(jù)船舶的相關(guān)水尺資料和圖表，計(jì)算得出船舶裝載貨物凈重，該種計(jì)量方法適用于價(jià)值不高或不易用皮帶秤等常用衡器計(jì)重的水運(yùn)散裝固態(tài)商品的計(jì)重［2］。

1 水尺計(jì)量管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

為使水尺計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化，最大可能地消除人為誤差，也使水檢員從繁雜的手工計(jì)算工作中解放出來，提高工作效率，開發(fā)了一套船舶水尺計(jì)量管理系統(tǒng)，主要功能包含：水尺數(shù)據(jù)集、水尺數(shù)據(jù)詳單、圖片信息、影像信息、水尺表、計(jì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查詢、日報(bào)、水尺影像復(fù)核、復(fù)核數(shù)據(jù)超差自動提示報(bào)警、影像轉(zhuǎn)換自動上傳、水尺表數(shù)據(jù)導(dǎo)入、水檢員管理、工具庫管理等，涵蓋了水尺計(jì)量的所有信息資料，并與公司物流信息系統(tǒng)對接，使整個水檢流程實(shí)現(xiàn)信息化管理，水尺計(jì)量系統(tǒng)功能示意圖見圖1。

圖1 水尺計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

船舶水尺計(jì)量管理系統(tǒng)集中統(tǒng)一管理貨運(yùn)船舶水尺基本數(shù)據(jù)及視頻圖像數(shù)據(jù)，對船舶水尺計(jì)量資料能夠進(jìn)行長期跟蹤管理，杜絕船舶違規(guī)變更，數(shù)據(jù)造假，并實(shí)現(xiàn)自動快速檢索水尺噸位，減少人為誤差，提高了計(jì)量稱重精確度，通過攝錄相關(guān)視頻上傳，建立了水尺數(shù)據(jù)、視頻及圖片的數(shù)據(jù)庫，方便了數(shù)據(jù)溯源及復(fù)查。對計(jì)量業(yè)務(wù)、系統(tǒng)狀況實(shí)行監(jiān)控，統(tǒng)一管理，有效避免人為違規(guī)違紀(jì)。

1.2 水尺計(jì)量流程

貨運(yùn)船舶左右兩側(cè)的船首、船中及船尾都標(biāo)有吃水深度標(biāo)尺。水尺計(jì)量就是通過船舶重載及卸貨后的空載所測的吃水深度的6 組數(shù)據(jù)，根據(jù)載重表尺或靜水力曲線圖分別得出重載及空載的排水量，同時考慮船舶在卸貨后到空載水尺計(jì)量工作完成前的船上燃油、水等物資變化量，將重載及空載的排水量的差值減去或加上物資變化量，從而得出了船舶運(yùn)輸貨物的凈重［3］。

常規(guī)的水尺作業(yè)流程為江船或海船分別抵達(dá)江船或海船錨地，拋錨，等待水尺計(jì)量，水尺人員乘水尺客輪繞待檢船只一周，使用攝像機(jī)拍攝并記錄6 面水尺，登船，查看艙體，查驗(yàn)并記錄燃油液位、壓載水液位、淡水液位，查看有無影響吃水線的異常物體，在船舶水尺計(jì)量管理軟件中輸入6面水尺，燃油、壓載水、淡水液位數(shù)據(jù)，并向船家索取輪船資料，核對，得出水尺結(jié)果。

1.3 水尺作業(yè)存在的難點(diǎn)

貨運(yùn)船舶停在錨地，水檢員需搭乘前往作業(yè)，國家海事局規(guī)定：霧天、雨天，能見度在50 m 以內(nèi)；風(fēng)浪大，風(fēng)力在六級以上，均要求封航；同時由于水尺客輪噸位較小，惡劣天氣即使未達(dá)到封航程度，在若干時段也會因安全原因無法出航，故水尺計(jì)量容易受天氣的影響停止作業(yè)，無法完成計(jì)量工作，但公司生產(chǎn)是連續(xù)的，貨運(yùn)船舶只能直靠碼頭卸貨，則所購大宗物資只能按供方提供的計(jì)重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行商貿(mào)和運(yùn)費(fèi)結(jié)算。

水尺作業(yè)人員的安全存在較大隱患，作業(yè)中水尺作業(yè)人員要在水尺客輪上看船舶吃水線，攝像人員拍攝記錄船舶吃水影像，然后通過貨運(yùn)船舶上下放的旋梯登上被檢船舶甲板，進(jìn)行查倉，驗(yàn)看資料，計(jì)算水尺的作業(yè)。在江面上作業(yè)的危險(xiǎn)性較大，尤其是在風(fēng)浪中攀爬空倉的海船尤為危險(xiǎn)。

為有效完成水尺計(jì)量工作，需常年租用一艘水尺客輪，用于計(jì)量人員前往錨地工作，由水尺作業(yè)人員分別完成攝像，查倉，水檢工作，水尺客輪繞行待檢船，拍攝清晰的六面水尺線，繞船一周至少15 min以上，錨地風(fēng)浪大時就需要更長時間，人員效率和成本居高不下。

2 全天候方案的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

針對水尺計(jì)量的難點(diǎn)，通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)在水尺計(jì)量工作中有廣闊應(yīng)用空間，利用無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)全天候水尺計(jì)量工作。

2.1 無人機(jī)技術(shù)

無人機(jī)是利用無線電遙控手段和機(jī)載的自動控制程序進(jìn)行操縱的不載人飛機(jī)。近些年無人機(jī)技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到一些行業(yè)，各種新的應(yīng)用層出不窮。無人機(jī)通過加裝的高清攝像裝置及GPS 定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)空中拍攝、地形勘察、跟蹤、定位、遙控、遙測等工作，當(dāng)掛載武器、食物、藥箱和噴灑設(shè)備時又可開展戰(zhàn)爭、救災(zāi)及農(nóng)林蟲災(zāi)治理的活動。

綜合來看，無人機(jī)主要應(yīng)用領(lǐng)域是利用其低空飛行的自由，能有效應(yīng)用到人工無法作業(yè)的環(huán)境或快速抵達(dá)工作環(huán)境提升工作效率，減少作業(yè)人員的工作強(qiáng)度和降低工作危險(xiǎn)性。

2.2 水尺計(jì)量的無人機(jī)解決方案

為高效、準(zhǔn)確的完成水尺計(jì)量工作，實(shí)現(xiàn)全天候水尺計(jì)量工作，無人機(jī)必須能夠在惡劣氣候條件下勝任六面水尺的觀測圖像采集工作。針對水尺計(jì)量對無人機(jī)拍攝視頻影像的技術(shù)要求，我們形成了水尺用無人機(jī)的基本技術(shù)要求及工作流程，在海事封航、無人機(jī)可以安全飛行的狀況下，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)協(xié)助水尺工作人員完成水尺計(jì)量任務(wù)，及時保證公司的爐料供應(yīng)。

水尺用無人機(jī)的基本技術(shù)要求：

（1）重量輕易于攜帶，安裝與準(zhǔn)備工作簡單，易于操作；

（2）續(xù)航時間在30 min 以上，需配備2 組備用電池；

（3）遠(yuǎn)控距離保證達(dá)到7 km；

（4）抗風(fēng)能力達(dá)7級；

（5）具備障礙自動識別繞行功能；

（6）支持 HOME 鍵，一鍵返航；

（7）30 倍或以上光學(xué)變焦，自動調(diào)整焦距，操作簡便，輕松放大選擇的區(qū)域；

（8）云臺為可拆式，角度抖動量、可控轉(zhuǎn)動范圍需滿足遠(yuǎn)距拍攝水尺需求；

（9）配備高亮顯示平板，能滿足在烈日下的戶外作業(yè)；

（10）圖像傳遞清晰，具備指令錄像、拍攝和實(shí)時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。

通過與無人機(jī)廠商技術(shù)交流，最終選定實(shí)驗(yàn)機(jī)型：大疆經(jīng)緯M200 系列，為此進(jìn)行了一次無人機(jī)在水尺計(jì)量作業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證。

2.2.1 驗(yàn)證的過程

無人機(jī)試飛地點(diǎn)：原料碼頭見圖2。試驗(yàn)環(huán)境：風(fēng)力4級、中雨。

圖2 公司原料碼頭

大疆M200 系列無人機(jī)由深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)，能夠適應(yīng)不同的惡劣環(huán)境而穩(wěn)定工作。無人機(jī)可折疊后置于配備的標(biāo)準(zhǔn)箱體內(nèi)，便于攜帶，最遠(yuǎn)視頻數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)7 km。機(jī)體前方裝有高清的FPV 攝像頭。

M200系列可搭載禪思X4S和X5S 云臺相機(jī)、禪思XT 熱成像相機(jī)、禪思Z30 遠(yuǎn)攝30 倍光學(xué)變焦相機(jī)云臺。因在江上作業(yè)，很多情況下無人機(jī)可能會處在超視距工作狀態(tài)，為既能保證無人機(jī)的安全又能獲得清晰的船舶吃水圖像，在實(shí)驗(yàn)中選用的是禪思Z30遠(yuǎn)攝30倍光學(xué)變焦相機(jī)云臺。

無人機(jī)高空俯瞰的待檢船舶見圖3。

圖3 待檢船舶

通過拉伸禪思Z30 30 倍光學(xué)鏡頭，得到清晰的船舶水尺圖像，見圖4。

圖4 船舶吃水深度

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

大疆M200 系列無人機(jī)搭載禪思Z30 遠(yuǎn)攝30 倍光學(xué)變焦相機(jī)云臺，實(shí)現(xiàn)高清攝像，遠(yuǎn)控距離及抗風(fēng)能力均能滿足本地極端氣候和工作要求；通過一鍵返航，可快速更換備用電池，實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作；清晰的水尺影像滿足水尺計(jì)量管理系統(tǒng)對視頻影像的要求，視頻影像可在水尺計(jì)量作業(yè)完成后或同步遠(yuǎn)傳導(dǎo)入水尺計(jì)量管理系統(tǒng)，在相對惡劣的環(huán)境中圓滿完成船舶水尺計(jì)量的圖像采集工作。

試驗(yàn)中海船的圖像往返、采集時間用時10 min，大大縮短了水尺作業(yè)時間，并且受環(huán)境影響較小，完全滿足水尺計(jì)量的要求，因?yàn)榇钶d了30倍光學(xué)變焦，所以無人機(jī)可以懸停在相當(dāng)?shù)母叨茸鳂I(yè)，無人機(jī)的安全性得以保證，大大降低了操作的難度。

2.2.3 解決方案

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，無人機(jī)超視距拍攝完全滿足水尺計(jì)量的技術(shù)要求，使用無人機(jī)進(jìn)行水尺計(jì)量，可實(shí)現(xiàn)同步傳送視頻數(shù)據(jù)，全天候條件下快速完成多艘貨船的吃水深度的攝像。根據(jù)水尺計(jì)量方案的改善制定了無人機(jī)水尺計(jì)量的工作流程。

（1）封航條件下

江船、海船抵達(dá)錨地或直靠碼頭前，由水尺人員操作無人機(jī)對待檢船只進(jìn)行船舶吃水深度視頻拍攝并實(shí)時上傳水尺計(jì)量管理系統(tǒng)。在相關(guān)船舶靠港卸料時，計(jì)量人員通過架設(shè)在船板與碼頭的臨時通行走廊登船，查看船艙有無未備案并可能影響船舶吃水線的重物，索取輪船載重表尺或靜水力曲線圖資料，核對變更時間，變更值，查看壓載水、飲用淡水、燃油等液位。在船舶水尺計(jì)量管理系統(tǒng)中根據(jù)六面水尺所得出的船舶傾斜度，做相應(yīng)的縱傾修正，得出水尺計(jì)量結(jié)果，并上傳物流信息系統(tǒng)完成物資計(jì)重工作。

（2）正常條件下

江船、海船抵達(dá)錨地拋錨后，水尺人員搭乘水尺客輪前往錨地，由水尺人員操作無人機(jī)對待檢船只進(jìn)行船舶吃水深度視頻拍攝并實(shí)時上傳水尺計(jì)量管理系統(tǒng)。計(jì)量人員登船，查倉，查看船艙有無未備案并可能影響船舶吃水線的重物，索取輪船載重表尺或靜水力曲線圖資料，核對變更時間，變更值，查看壓載水、飲用淡水、燃油等液位，在船舶水尺計(jì)量管理系統(tǒng)中根據(jù)六面水尺所得出的船舶傾斜度，做相應(yīng)的縱傾修正，得出水尺計(jì)量結(jié)果，并上傳物流信息系統(tǒng)完成物資計(jì)重工作。

3 結(jié)束語

基于無人機(jī)的應(yīng)用，水尺計(jì)量工作得到優(yōu)化及改善，通過選用高性能的攝像頭，無人機(jī)的超視距拍攝完全滿足水尺計(jì)量的技術(shù)要求，借助于無人機(jī)六面水尺視頻拍攝時間的縮短、快速到達(dá)指定貨船位置及實(shí)時上傳視頻數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，根據(jù)實(shí)測水尺計(jì)量人員的工作效率提升了一倍以上，使高效水尺計(jì)量得以實(shí)現(xiàn)，同時大大降低計(jì)量人員的安全風(fēng)險(xiǎn)和工作強(qiáng)度，減少計(jì)量人員配置，基本實(shí)現(xiàn)了全天候的水尺計(jì)量，滿足公司低庫存、快節(jié)奏的船運(yùn)物資計(jì)量的保產(chǎn)工作。