一種船舶吃水測量尺的設(shè)計

馬曉波，杜柏松，戴　冉

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

一種船舶吃水測量尺的設(shè)計

馬曉波，杜柏松，戴冉

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

摘要：為了提高船舶吃水的測量速度和精度，利用水導(dǎo)電的原理設(shè)計一種測量船舶吃水的測量尺，采用多次測量的措施來消除波浪對船舶吃水測量的影響。實船驗證表明，該測量尺能夠精確快速地測量船舶吃水，有效縮短船舶吃水的測量時間，提高水尺計量的效率，減輕船員勞動負(fù)擔(dān)。

關(guān)鍵詞：船舶；水尺計量；吃水；測量尺

船舶水尺計重是國內(nèi)外廣泛用于船舶運輸大宗廉價散裝貨物計量重量的方法，同時是進出口商品重量鑒定的重要方法之一。

大型散裝船舶裝貨后或卸貨前計算船舶載貨量，通常是測量船舶的6面吃水，再查表算出載貨量。船舶6面水尺的讀取，對船舶水尺計重起著決定性的作用[1]。所測的吃水?dāng)?shù)值即使有1 cm的誤差，也將使算出的載貨量有幾十t、幾百t，甚至上千t的差額，有時還可能影響到船舶穩(wěn)性計算和強度核算。隨著海上貨物運輸?shù)陌l(fā)展，發(fā)貨人、收貨人和承租方也越來越關(guān)注水尺計量的精度。控制減小船舶水尺計量誤差，提高船舶水尺計量精度。對于維護貿(mào)易公平具有重要意義。

目前，人工目測是讀取船舶吃水的主要方法。在船舶吃水的測量過程中，當(dāng)船舶靠泊碼頭時，對于靠泊舷側(cè)，岸上的工作人員會與大副一同在岸邊查看船舶吃水；對于非靠泊舷側(cè)，則需要雇傭交通艇繞船觀察。人工目測的方法雖然簡便但存在諸多弊端，比如：①肉眼觀察的準(zhǔn)確性和可靠性容易受到天氣等客觀條件的影響；②工作量大且無法長時間在水中測量；③水波的干擾；④無法多點同步觀測；⑤個人經(jīng)驗的差異對測量結(jié)果有較顯著的影響。這些不利因素制約了目測法測量精度的提高[2]。有時裝卸貨過程中，船員需要爬水尺梯觀測吃水值以便隨時掌握船舶吃水狀況，特別是在讀取船尾的吃水值時，水尺梯往往是懸空的，這給船員的人身安全也帶來了一定的威脅。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波、壓力傳感器、電子水尺、激光測距、基于圖像檢測方法等設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用在了船舶吃水的測量中，這幾種測量方式都有自己的突出優(yōu)勢，但也存在著一定的不足。超聲波測量的精度受很多因素的影響，對測量的精度影響最大的是聲速的誤差，而聲速又與介質(zhì)的密度有關(guān)，而在空氣中介質(zhì)的密度要受到溫度和濕度的影響。壓力傳感器成本較高，同時吃水深度不僅與水壓有關(guān)，還與水的密度和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣扔嘘P(guān)，不同的地方，不同的水域水的密度和重力加速度都有一定的差別。電子水尺的電子測量部件直接和水進行接觸，非常容易受外界環(huán)境的破壞，并且電子線路不易布置。激光測距應(yīng)用于測量船舶的吃水值更加容易受到漂浮物和水面波浪的影響，所以其測量精度是十分受限的。而現(xiàn)有的基于圖像的算法大都是止于學(xué)術(shù)研究，并不能達到實際應(yīng)用的水平[3-5]。

為此，結(jié)合相關(guān)研究經(jīng)驗[6-7]，設(shè)計研究出船舶吃水測量尺，該測量尺可通過采取多次測量的措施來消除波浪等因素對船舶吃水測量的影響，準(zhǔn)確地測出船舶的6面吃水值。

1設(shè)計思路

結(jié)合當(dāng)前船舶吃水測量過程中存在的諸多問題，設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確測量且工作時不受外界環(huán)境因素影響的船舶吃水測量尺是解決上述問題的關(guān)鍵。因此利用水的導(dǎo)電特性，改用測量測距點至吃水位置的高度，并減去測距點至載重標(biāo)記線的高度，得到載重標(biāo)記線至吃水位置的高度，即可推算出船舶的實際吃水值。設(shè)計本船舶吃水測量尺正負(fù)極觸頭全部沒入水中時即觸發(fā)聲光信號，告訴測量者水尺到達吃水位置。

2船舶吃水測量尺簡介

2.1船舶吃水測量尺結(jié)構(gòu)

如圖1、2所示，該測量尺主體由卷尺盤、報警觸發(fā)裝置、照明裝置構(gòu)成。卷尺盤用于盤卷水尺。報警觸發(fā)裝置由電磁繼電觸發(fā)器(控制端連接水尺線兩段并與電源串聯(lián))、報警裝置聲光報警裝置(LED警示燈和蜂鳴器，控制端為電磁繼電器輸出端)、電池模塊(3 V可充電干電池)構(gòu)成。利用電源連接一個閉合LED照明燈回路用于夜間測量的照明。該船舶吃水測量尺在尺頭端裝有海水導(dǎo)電觸發(fā)裝置，導(dǎo)電線為可彎曲不易伸縮且耐海水腐蝕的電線，電線為雙線銅導(dǎo)線，附著于測量尺上，測量尺最小刻度為1 mm。導(dǎo)電線上接水尺主體，下連水尺測量頭。

圖1　船舶吃水測量尺主體正面結(jié)構(gòu)

圖2　船舶吃水測量尺主體背面結(jié)構(gòu)

如圖3所示，測量尺的“0”刻度為船舶吃水測量尺尺頭內(nèi)正極觸頭的最底端。絕緣殼體為硬脂塑料。正負(fù)極觸頭為鐵素體不銹鋼材料，導(dǎo)電效果好，防腐蝕效果好。當(dāng)此端頭浸入水面時，海水由水進出孔進入測量尺尺頭內(nèi)部，通氣孔保持內(nèi)外壓強相等。當(dāng)正負(fù)極間被海水充斥，因海水是電解質(zhì)，含大量導(dǎo)電離子，正負(fù)極被閉合，電路導(dǎo)通，驅(qū)動進一步工作。

圖3　船舶吃水測量尺尺頭端剖面結(jié)構(gòu)

2.2工作原理

如圖4所示，設(shè)置3套閉合回路，第1套為水尺測量頭至測量尺主體觸發(fā)繼電器的控制端，第2套為聲光指示回路，由繼電器控制連接聲光報警裝置，第3套為照明回路。3套閉合回路共用1套電源。當(dāng)進行測量時，閉合電源總開關(guān)(若在夜間測量，則同時閉合照明燈開關(guān))，此時前兩套回路均未閉合，處于待測狀態(tài)。測量時將水尺測量頭端部下放，當(dāng)正負(fù)兩極觸發(fā)點均浸入水面時，利用海水電解質(zhì)導(dǎo)電性，第1回路閉合，觸發(fā)電磁繼電器工作，控制第2回路閉合，水尺主體報警裝置開始工作，發(fā)出聲光報警，告訴測量人員已到達水面。此時回卷水尺使測量頭內(nèi)部的正極觸頭上提至脫離水面，報警停止，此時讀出測量水尺的讀數(shù)。

圖4　設(shè)備電路

3船舶吃水測量尺使用方法

使用時先閉合控制面板上的電源總開關(guān)通電，電源指示燈亮則代表通電正常，若在夜間測量，則同時閉合照明燈開關(guān)。轉(zhuǎn)動卷尺搖柄釋放水尺，讓頭端豎直浸入水中，當(dāng)指示燈亮、蜂鳴器響時證明端頭已浸入水面，此時觀測者可通過觀測測量尺的刻度得知水面至測量點的概略高度D。這時反向緩慢轉(zhuǎn)動搖柄提升測量頭，特別是當(dāng)刻度尺的讀數(shù)向D接近時應(yīng)緩慢轉(zhuǎn)動搖柄，若報警停止，此時端頭已離開水面，迅速讀出此時測量尺的讀數(shù)D1。D1即為測量高度。D1減去測距點至甲板線高度D2及甲板線至載重標(biāo)志線高度D3，得到載重標(biāo)記線至吃水位置的高度D4，即可推算出船舶的實際吃水值。測量尺寸關(guān)系見圖5。

圖5　測量尺寸

為消除波浪對船舶吃水測量的影響，依次分別在船艏、船舯、船艉左右舷甲板各測量點測量若干次，得到每個測量點的吃水深度平均值。

4應(yīng)用

為了檢驗船舶吃水測量尺在生產(chǎn)實踐中的使用效果，選擇S.S.6輪為實驗對象，并取該輪的一次裝貨過程中的TRIMING(水尺調(diào)平)作業(yè)進行了實測探究。

S.S.6輪為一條夏季滿載載重噸為75 416 t的PANAMAX散貨船，主要經(jīng)營糧食、煤炭、礦砂等大宗散貨的運輸。該輪第1 509航次任務(wù)為：在美國西雅圖計劃載運65 200 t黃豆前往中國天津。在裝貨港西雅圖計劃裝載至平吃水13.09 m完貨離港，為確保最后完貨前的TRIMING，筆者在制定“船舶裝載計劃”時，留出了2 000 t貨物用于TRIMING。S.S.6船體水尺標(biāo)志分布狀況為：左右船體外殼共繪制有8個吃水標(biāo)志，船艏左右各一、船舯左右各一、螺旋槳前船殼左右各一及舵柱左右各一；為便于觀察，船舶吃水小于10.6 m時候，觀測船尾水尺讀數(shù)時候通常讀取螺旋槳前的水尺，船舶水尺大于10.6 m時候，從舵柱上的水尺標(biāo)志讀取數(shù)據(jù)。見圖6。

圖6　S.S.6輪水尺標(biāo)志分布

一般情況下，岸方在船舶進行TRIMING作業(yè)之前，都會給船方20～30 min時間計算裝貨量，并計算得出剩余裝貨量。因此，本次實驗把時間選在船舶完貨前的TRIMING階段。一方面此時沒有裝貨作業(yè)，船舶水尺沒有變化，另一方面，船舶接近滿載時，目測水尺讀數(shù)較空載或是半載時候更易讀取，如此將能更好的檢測船舶吃水測量尺的效果。因做TRIMING時候船舶前后吃水已超過12 m，所以船舶吃水目測讀取應(yīng)選在船艏，船舯和船尾舵柱處；同時為了減小實驗誤差，在使用船舶吃水測量尺測量船舶水尺時，測量點同樣選在在船艏，船舯和船尾舵柱處，并在測量過程中使船舶吃水測量尺盡量精確地放置在船舶相應(yīng)位置的水尺標(biāo)志處。

根據(jù)計劃，在岸方通知再有2 000 t貨物就要完貨時，大副要求岸上裝貨設(shè)備暫時停止作業(yè)，并迅速讀取船舶6面吃水，同時使用船舶吃水測量尺測得相應(yīng)位置水尺讀數(shù)；得到相應(yīng)吃水?dāng)?shù)據(jù)后，查船上靜水力曲線表并進行水尺標(biāo)志位置、拱垂修正等修正計算，扣除油水計算等相關(guān)計算工作后得出目前狀態(tài)裝貨量。見表1。

表1　船舶船舶吃水測量尺和目測方法實測數(shù)據(jù)比較

由表1可見，船舶吃水測量尺所得到的水尺讀數(shù)和目測方法測量的水尺讀數(shù)相差值在2 cm絕對值范圍之內(nèi)，且2種數(shù)據(jù)來源的水尺數(shù)值經(jīng)過各種修正計算得到的載貨量結(jié)果僅有35 t的差別，載貨量相對誤差為0.06%，這在航運業(yè)是可以被接受的。因此，該船舶吃水測量尺實用并可行。

此外，在本次6面吃水的測量時間上，船舶吃水測量尺的測量時間為15 min，目測法的測量時間為21 min，船舶吃水測量尺的測量時間較目測法也節(jié)省了近1/3的時間。

5船舶吃水測量的相關(guān)注意事項

1) 在進行船舶吃水測量前，船舶要做到均勻裝載、合理分配各艙壓載水和燃油，避免由于船體前后左右不均衡導(dǎo)致船體局部變形。

2) 6面吃水觀測時，船上不得進行一切可能影響水尺觀測的操作，如壓載水的排注、吊桿移動等。調(diào)整纜繩的松緊使之適中，盡量減少船舶的傾斜和吃水差，在一般情況下吃水差不要超過1%Lbp[8]。錨地水尺檢量時要考慮錨重和鏈重會使空船質(zhì)量減小。

3) 在潮流較大的港口或江河中的泊位靠泊時，避免在水流速度大的時間段進行水尺檢量，盡量在平潮、停潮或流速最小時觀測6面水尺[9]。

4) 6面吃水的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列修正得到的是船舶的實際平均吃水；而根據(jù)平均吃水利用船舶靜水力曲線圖或船舶靜水力參數(shù)表查取有關(guān)參數(shù)時，這里的吃水往往是指船舶的平均型吃水，與實際平均吃水相差一個平板龍骨的厚度。因此，在查取有關(guān)數(shù)據(jù)時，應(yīng)將實際平均吃水值減去該船平板龍骨的厚度。

5) 有些國家和地區(qū)(如菲律賓、印度尼西亞、波斯灣等)的船舶資料中的漂心距船中距離xf的符號與我國相反；還有歐洲的一些國家采用船艉坐標(biāo)系統(tǒng)，漂心恒為正(不可能在尾垂線以后)等情況[10]。因此，在實際的計算過程中應(yīng)注意參數(shù)符號，減少人為的誤差。

參考文獻

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Design of a Ship's Draft Measuring Ruler

MA Xiao-bo, DU Bai-song, DAI Ran

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

Abstract:In order to improve the measurement speed and precision of the ship's draft, using the principle of water conduction, a measurement ruler for measuring the draft of a ship is designed, and the influence of the wave on ship's draft is eliminated by using the method of multi-times measurement. After a real ship test, the measuring ruler is proved to be able to measure the draft of the ship accurately and quickly, improve the efficiency of draft measurement and reduce the working burden of the crew.

Key words:ship; draft survey; draft; measuring ruler

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.008

收稿日期：2015-11-17

第一作者簡介：馬曉波(1990—)，男，碩士生 E-mail:dmu_mxb@163.com

中圖分類號：U661.75

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0035-04

修回日期：2015-12-08

研究方向:船舶智能化