基于最小二乘法的船舶噸位計算模型

楊正 歐陽文全 汪乾 王元智 蔣凱

摘要：為更高效且準確地實現(xiàn)船舶噸位即排水量的測量，通過多個超聲波換能器和速度傳感器測量多點距離和船舶速度，應用最小二乘法擬合曲線來計算船舶截面的面積，并建立船舶噸位算法模型，利用MATLAB對該模型進行仿真。通過在泰州船閘處的實際運用案例驗證該模型的可行性。對比MATLAB仿真結果與實際測量結果發(fā)現(xiàn)，用該模型計算的船舶噸位誤差較小。該模型可以更高效且準確地實現(xiàn)船舶噸位的測量，是一種可以代替人工測量估算船舶噸位的有效方法。

關鍵詞：船舶噸位; 最小二乘法; MATLAB; 超聲波換能器

中圖分類號： U692.7;U641

文獻標志碼： A

Abstract：For more efficient and accurate measurement of ship tonnage， i.e. displacement， the multi-point distance and ship speed are measured by multiple ultrasonic transducers and speed sensors， the area of the ships section is calculated by fitting the curve with the least square method， and a ship tonnage algorithm model is established. MATLAB is used to simulate the model. The feasibility of the model is verified by a practical application case at Taizhou Shiplock.

The comparison between the MATLAB simulation results and the actual measurement results shows that， the error of the ship tonnage calculated by the model is smaller. The model can achieve the ship tonnage calculation more efficiently and accurately， which can be an effective method to replace the ship tonnage manual measurement.

0 引 言

為提高內(nèi)河航運的競爭力，準確計算船舶的運營成本，船舶噸位（即排水量，《船舶噸位丈量規(guī)范》規(guī)定，1噸位=100立方英尺=2.83 m3）是不可或缺的衡量標準[1-2]。文獻[3]對船舶噸位測量的國際規(guī)則進行了研究，但是這種研究偏規(guī)則理論，未對實際的船舶噸位測量或計算方法進行研究;文獻[4]運用分段的方法對船舶噸位進行了計算;文獻[5]和[6]運用計算機視覺技術對船舶噸位估算進行了研究;文獻[7]和[8]基于聲吶聲波對船舶噸位進行了測量研究。在這些早期的研究中船舶噸位測量誤差較大，近期的研究大多停留在理論研究階段，未應用于實踐且準確性有待商榷。目前大多估算船舶噸位的方法仍然是人工方法[9]。然而，傳統(tǒng)的人工粗略測量估算船舶噸位的方法存在效率低、數(shù)據(jù)誤差大等問題[10-11]，因此，迫切需要研究自動化估算船舶噸位的方法，以達到提高測量效率和測量數(shù)據(jù)準確性的目的。本文先用超聲波換能器和速度傳感器測量船舶的相關幾何距離和速度，然后用最小二乘法擬合曲線來計算船舶噸位，運用MATLAB仿真和實例分析驗證算法的準確性。相較于傳統(tǒng)的人工粗略測量估算船舶噸位的方法，此船舶噸位智能化算法可以顯著提高測量效率和測量數(shù)據(jù)的精確度，為相關部門提供完整、準確和高效的決策依據(jù)，具有重要的理論意義和實用價值。

1 船舶噸位算法原理

因為船體的形狀不規(guī)則且因船而異，所以使用現(xiàn)有的體積計算公式缺乏可行性[12]。實際上，很難通過直接測量的方法來測得船舶的體積[13]。如果先測量兩點之間的距離，然后根據(jù)算法將測量的距離轉(zhuǎn)換為水下部分船體的很多截面的面積，再利用速度傳感器測出船舶的速度，最后通過相關的算法算出體積，便可以間接實現(xiàn)對船舶噸位的測量。因此，在本文的研究中，超聲波換能器用于構建多傳感器系統(tǒng)以實現(xiàn)多點測量。當船舶經(jīng)過時，安裝在航道兩側(cè)的超聲波換能器陣列對水下部分船體進行多點距離的測量。在實際系統(tǒng)中，需要根據(jù)具體應用環(huán)境配置速度傳感器和2n個超聲波換能器。溫度變化會影響水中超聲波的速度，因此還需要一個水下溫度傳感器來滿足不同季節(jié)的需要。水下超聲波換能器布局見圖1。在航道的兩側(cè)各有n個超聲波換能器。

6 結 論

本文根據(jù)多超聲波換能器和速度傳感器測得的多點距離和船舶速度，運用最小二乘法擬合曲線來計算船體水下部分截面的面積，并結合船舶速度，建立船舶噸位（即排水量）算法模型，并由此模型計算得出船舶噸位。運用MATLAB對船舶噸位算法進行仿真，并結合在泰州船閘的應用案例，雙重驗證了該研究的可行性和可用性。本文采取的船舶噸位算法實現(xiàn)了智能測量和自動化作業(yè)，比目前正在使用的人工粗略測量估算船舶噸位的方法效率高得多，而且測量結果更準確，可作為船舶噸位智能化測量技術的參考。

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（編輯 賈裙平）