激光測距技術(shù)在水尺計(jì)重工作中的應(yīng)用研究

徐小輝

摘要： 本文應(yīng)用激光測距技術(shù)開發(fā)激光水尺儀，并通過大量應(yīng)用驗(yàn)證，研究了海水水質(zhì)、色度、海面波浪等對激光水尺儀測量精度的影響，同時(shí)對激光在海水中的穿透度進(jìn)行了研究，很好地避免了水尺讀值中的人為誤差，尤其是港水風(fēng)浪等引起的誤差，提高了水尺計(jì)重的精度。

Abstract： This paper develops a laser water gauge using laser ranging technology and validates it through a large number of applications to study the effects of seawater quality， chroma， sea waves， etc. on the measurement accuracy of laser water level meter. At the same time， the laser penetration in seawater is studied. The degree has been studied to avoid the artificial errors in the reading of the water scale， especially the errors caused by waves in the waters， and to improve the accuracy of the scale.

關(guān)鍵詞： 沿海港口；水尺計(jì)重； 風(fēng)浪；激光測距

Key words： coastal ports；gravimeter weight；waves；laser ranging

中圖分類號：U693+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0194-03

水尺計(jì)重工作是通過在裝船前和裝船后或卸貨前和卸貨后，分別測定前后兩次的船舶吃水，并測定前后兩次的船用淡水、壓艙水及燃油的貯存量或消耗量，同時(shí)前后兩次測定船邊港水密度，然后按照船方提供的排水量表或載重量表以及有關(guān)的靜水力曲線圖表、水油艙計(jì)量表和校正表等船用圖表計(jì)算船舶載運(yùn)貨物的重量。

隨著世界大宗散貨貿(mào)易的不斷發(fā)展，水尺計(jì)重作為國際上各大港口普遍采取的一種計(jì)重方法，它能避免裝卸損耗，擴(kuò)大散貨運(yùn)輸，降低成本，提高運(yùn)輸效率，加快運(yùn)輸周轉(zhuǎn)和流通，促進(jìn)對外貿(mào)易的發(fā)展。但是其精確度在客觀上受到一定的限制，水尺計(jì)重的精確性受諸多因素的影響：尤其是環(huán)境因素（港水風(fēng)浪引起的誤差）等。寶鋼馬跡山港區(qū)地處浙江自貿(mào)區(qū)嵊泗馬跡山島南側(cè)，是我國首座大型外海海島型開敞式碼頭，長期以來港口風(fēng)浪較大，一旦風(fēng)力達(dá)到8級以上，不僅準(zhǔn)確讀取水尺有困難，同時(shí)由于用于水尺計(jì)重的交通船因安全原因不能使用，勢必造成水尺計(jì)重結(jié)果的較大誤差，而且在水尺計(jì)重行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求風(fēng)浪不能超過0.3米，在這種情況下已不能進(jìn)行水尺計(jì)重工作，這樣勢必嚴(yán)重影響碼頭運(yùn)行效率。為了既能適應(yīng)港口的特殊情況，不影響港口按時(shí)作業(yè)，節(jié)約工作時(shí)間，并且保障水尺計(jì)重人員的人身安全，又能提高水尺計(jì)重結(jié)果的準(zhǔn)確度，加強(qiáng)水尺計(jì)重科技含量，利用激光等新型技術(shù)來進(jìn)行水尺讀值就顯得很有必要。

利用激光等媒介設(shè)計(jì)高精度測距儀，通過媒介垂直傳播到水面上反射信號的接收，來測量船舶甲板線至水面的實(shí)際距離，在媒介脈沖發(fā)射頻率上設(shè)計(jì)成每分鐘數(shù)十次，取其概率統(tǒng)計(jì)的平均值，來確保實(shí)際測量的垂直距離的準(zhǔn)確性，通過大量數(shù)據(jù)采集后取其平均值來消除水面波浪對測量距離所造成的誤差。應(yīng)用所測得的垂直距離結(jié)合船舶設(shè)計(jì)干舷高度來計(jì)算水尺讀值，在波浪較大的惡劣環(huán)境情況下，可提高水尺讀值的準(zhǔn)確度，提升水尺計(jì)重的科技含量和檢測水平。

激光水尺儀可用于船舶吃水的自動測量，測量高度值可現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示，并通過無線方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)化通用接口、標(biāo)準(zhǔn)化模塊結(jié)構(gòu)和系列化模塊組合；設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、維護(hù)簡單，工作穩(wěn)定的特點(diǎn)；設(shè)備軟件具有可升級的特性。

激光水尺儀由激光液位傳感器、數(shù)據(jù)采集箱（內(nèi)置12V 2000mAh鎳氫電池組）、機(jī)械配件及無線數(shù)傳電臺等幾部分組成。其中激光液位傳感器提供一個八芯接口，用于傳感器的供電及液位數(shù)據(jù)輸出；數(shù)據(jù)采集箱中的鎳氫電池組用于整個系統(tǒng)的供電；同時(shí)采集箱對傳感器輸出的數(shù)據(jù)采集處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)龋硗?，通過采集箱的按鍵可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間設(shè)置、數(shù)據(jù)采樣周期設(shè)置、數(shù)據(jù)校正設(shè)置等輔助功能；機(jī)械配件包括支架、導(dǎo)軌、滑槽、傳感器包裝箱等，用于激光水尺儀現(xiàn)場使用時(shí)固定傳感器；液位數(shù)據(jù)可通過無線數(shù)傳電臺將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站PC機(jī)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

系統(tǒng)上電后，激光傳感器將測得的距離信號按Modbus通訊協(xié)議發(fā)送至數(shù)據(jù)采集處理模塊，數(shù)據(jù)處理后通過液晶屏顯示實(shí)測數(shù)據(jù)，同時(shí)通過無線數(shù)傳電臺發(fā)送數(shù)據(jù)至系統(tǒng)上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示及存儲。

課題組應(yīng)用激光水尺儀在馬跡山港進(jìn)行了大量的應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，激光水尺儀對測量海水的水質(zhì)有一定要求，在水質(zhì)較清時(shí)存在測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，甚至長時(shí)間沒有反應(yīng)。因此，課題組在測試的同時(shí)采集海水樣本，然后到實(shí)驗(yàn)室測定水質(zhì)渾濁度，試驗(yàn)表明在渾濁度較高時(shí)，激光水尺儀的測試數(shù)據(jù)反應(yīng)較快，且數(shù)據(jù)較穩(wěn)定；而渾濁度較低時(shí)，激光水尺儀的測試數(shù)據(jù)反應(yīng)較慢，且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。在船上現(xiàn)場測試過程中，課題組對測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度進(jìn)行了驗(yàn)證，由于現(xiàn)場條件限制，課題組采用測試數(shù)據(jù)與目測數(shù)據(jù)相比對的方法。經(jīng)過大量檢測試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激光水尺儀的激光束在海面上有一定的穿透，因此，激光水尺儀測試數(shù)據(jù)相對實(shí)際干舷值偏大。這給我們的實(shí)際應(yīng)用增加了難度，課題組決定對不同渾濁度的水質(zhì)樣本的激光束穿透值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測。課題組在實(shí)驗(yàn)室配置了不同渾濁度的水質(zhì)樣本，利用激光水尺儀進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有樣本都被激光束穿透，試驗(yàn)證明激光束的穿透數(shù)據(jù)不完全取決于水質(zhì)渾濁度。針對這種情況，課題組決定根據(jù)海水水色來區(qū)分激光束的穿透值，課題組購置了水色計(jì)來檢測海水的水色，并對不同水色的海水進(jìn)行了大量穿透值測定試驗(yàn)，最后得出如下結(jié)論：

海水色度對儀器使用的影響：海水色度較低（清）時(shí)，本儀器的激光穿透較大，對最終測量結(jié)果影響較大。經(jīng)多次實(shí)地測量確定，在水色編號大于5時(shí)，穿透范圍穩(wěn)定，可使用的水色編號范圍為6-21號，1-5號時(shí)不宜使用本儀器。

為了驗(yàn)證測量距離對激光束穿透度的影響，課題組對儀器進(jìn)行了專門的檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：激光水尺儀測量距離大小對激光束在水面上的穿透值影響不大。測試數(shù)據(jù)如表1。

表2為水色計(jì)6-21號的激光水尺儀測量值校準(zhǔn)值。

在此基礎(chǔ)上，課題組對海面波浪因素造成激光水尺儀測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度變化進(jìn)行了測試，根據(jù)大量現(xiàn)場測試得出，激光水尺儀在不同波浪下的測試值與目測結(jié)果基本相同，說明波浪對激光水尺儀的測試值影響不大。為了更精確地測定波浪對激光水尺儀測試數(shù)據(jù)的影響程度，課題組專門到浙江海洋大學(xué)船模試驗(yàn)水池進(jìn)行儀器測試。課題組首先測定了儀器至測試水面的實(shí)際垂直距離（實(shí)際垂直距離為1.22m），然后不斷增大試驗(yàn)水池的波浪，對不同波浪情況下的儀器檢測值進(jìn)行了記錄（如表3），試驗(yàn)表明：不同的波浪情況對激光水尺儀的檢測精度影響不大（水尺計(jì)重行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的船舶吃水精確到1cm）。

本項(xiàng)目研究實(shí)施后，在多次的現(xiàn)場應(yīng)用測試中，該激光水尺儀在規(guī)定量程范圍內(nèi)檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，3分鐘平均值與5分鐘平均值相差在3-4mm，測量精度高于水尺計(jì)重精度范圍，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。鑒定人員應(yīng)用激光水尺儀進(jìn)行水尺計(jì)重試驗(yàn)，試驗(yàn)情況表明水尺計(jì)重從目前平均1.5小時(shí)，降至平均1小時(shí)，拖輪作業(yè)時(shí)間下降約0.5小時(shí)。（表4）

目前，在外籍船方對新型激光水尺儀不太了解的情況下，鑒定人員采用目測水尺與激光水尺儀比對應(yīng)用，一段時(shí)間后逐步實(shí)施完全應(yīng)用激光水尺儀進(jìn)行船舶六面水尺的檢測。而在大風(fēng)浪情況下，則完全應(yīng)用激光水尺儀檢測。

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