一种侧扫式船舶吃水超限检测系统及其工作方法 |
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| 申请号 | CN201410855432.0 | 申请日 | 2014-12-31 | 公开(公告)号 | CN104515994A | 公开(公告)日 | 2015-04-15 |
| 申请人 | 大连海事大学; | 发明人 | 熊木地; 刘新建; 张慧; 陆雷; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种侧扫式 船舶 吃 水 超限检测系统及其工作方法，所述的系统包括 超 声波 发射模 块 、 超声波 接收模块、测距模块、 数据处理 模块和显示报警模块，超声波发射模块和超声波接收模块有各自相对应的两组，两组超声波发射模块分别安装于航道两侧。本发明中采用两组超声波发射模块分时交错发出超声波，不会相互干扰。当得到两个测量结果之后，根据船舶的 位置 选择距船舶更近的超声波接收模块所得到的测量结果为准确数据，这样有效的解决了待测船舶距超声波接收模块过远而使测量结果受多途效应影响这一问题，使测量结果更加准确。本发明中待测吃水的船舶行驶位置不受限制，无论船舶上行下行，靠近航道左岸右岸，均能准确的测量出其吃水是否超限。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种侧扫式船舶吃水超限检测系统，其特征在于：包括超声波发射模块(1)、超声波接收模块(2)、测距模块(3)、数据处理模块(4)和显示报警模块(5)，所述的超声波接收模块(2)通过数据传输线与数据处理模块(4)连接，所述的测距模块(3)通过数据传输线与数据处理模块(4)连接，所述的显示报警模块(5)通过数据传输线与数据处理模块(4)连接； |
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| 说明书全文 | 一种侧扫式船舶吃水超限检测系统及其工作方法技术领域[0001] 本发明涉及船舶运量检测和船舶安全检测等领域，特别是一种侧扫式船舶吃水超限检测系统及其工作方法。 背景技术[0002] 随着航运量不断增大，航运水道中船舶数量和密度均大幅提高，船舶吃水超限对航运安全的威胁日益严重，吃水超限的船舶极容易对航道造成损害，为了保证航道安全和通航效率，需要进行船舶吃水超限检测。现有一种船舶吃水超限检测方法：在航道的一侧安装超声波发射器，航道的另一侧安装超声波接收器阵列，当船舶从航道中行驶过测量区域时会对超声波产生遮挡，超声波接收器阵列接收到的信号能量会发生变化，结合遮挡状况和岸上测距系统测量的船舶距超声波发射器的距离就可以得到船舶吃水是否超限的测量结果。 [0003] 上述方法存在的问题是：当船舶距超声波接收器阵列过远时，受水中超声波多途效应等因素影响，船舶吃水超限检测结果不准确。 发明内容[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下： [0006] 一种侧扫式船舶吃水超限检测系统，包括超声波发射模块、超声波接收模块、测距模块、数据处理模块和显示报警模块，所述的超声波接收模块通过数据传输线与数据处理模块连接，所述的测距模块通过数据传输线与数据处理模块连接，所述的显示报警模块通过数据传输线与数据处理模块连接。 [0007] 所述的超声波发射模块和超声波接收模块有各自相对应的两组，两组超声波发射模块分别安装于航道两侧，其中，左岸的超声波发射模块为超声波发射模块A，右岸的超声波发射模块为超声波发射模块B，右岸的超声波接收模块为超声波接收模块A，左岸的超声波接收模块为超声波接收模块B；超声波发射模块A与超声波接收模块A的频率相对应，两者的中心位置在同一水平线上；超声波发射模块B与超声波接收模块B的频率相对应，两者的中心位置在同一水平线上。 [0008] 所述的超声波发射模块是单个超声波发射器或多个超声波发射器组成的竖直阵列，它以船舶吃水警戒线为中心发出小角度的超声波。超声波发射模块A与超声波发射模块B采用相同的超声波频率或不同的超声波频率，二者均采取脉冲调制的方式分时交错发射超声波，保证超声波发射模块A工作时超声波发射模块B暂停工作，而超声波发射模块B工作时超声波发射模块A暂停工作，这样它们的使能时间交错，发射的超声波不会相互干扰。 [0009] 所述的超声波接收模块是由多个超声波接收器组成的阵列，用于接收未被船舶遮挡而传过航道的超声波。 [0010] 所述的测距模块用来测量超声波发射模块到船舶的水平距离，测量方法选择以下两种方法之一： [0011] 第一种是利用GPS定位信息获得待测船舶分别到航道两岸的超声波发射模块的水平距离； [0012] 第二种是采用测距装置测量，共有两组测距装置，分别安装于航道两侧的超声波发射模块的同一竖直线的水面以上的位置，安装于超声波发射模块A竖直以上的为测距模块A，安装于超声波发射模块B竖直以上的为测距模块B。 [0013] 所述的数据处理模块是岸上的工业计算机，用来将超声波接收模块、测距模块传输来的数据进行处理，得到船舶吃水是否超限的测量结果。 [0014] 所述的显示报警模块安装于岸上，用于显示测量结果，提示工作人员对吃水超限的船舶做出相应的处罚措施。 [0015] 一种侧扫式船舶吃水超限检测系统的工作方法，包括以下步骤： [0016] A、预先获取数据 [0017] 在船舶驶入测量位置之前预先测量出部分所需的数据：超声波发射模块A与超声波接收模块A中心的水平距离为L3，超声波发射模块B与超声波接收模块B中心的水平距离同样也为L3；从无船舶遮挡时超声波接收模块A接收到超声波信号的能量分布推导出接收超声波的有效范围长度M1，从无船舶遮挡时超声波接收模块B接收到超声波信号的能量分布推导出接收超声波的有效范围长度M2；从船舶的VTS或AIS信息中获得船舶的船身宽度L4和船型的相关信息。 [0018] B、超声波发射模块发射超声波 [0019] 超声波发射模块A和超声波发射模块B开始工作，二者交错以吃水警戒线为中心发出不同频率的小角度的超声波。 [0020] C、超声波接收模块接收信号 [0021] 超声波接收模块A接收超声波发射模块A发射来固定频率超声波，由于船舶的遮挡，部分超声波不能传播到航道对岸，此时超声波接收模块A根据接收到超声波信号的能量分布推导出接收超声波的有效范围长度为D1；同时，超声波接收模块B接收超声波发射模块B发射来固定频率超声波，由于船舶的遮挡，部分超声波不能传播到超声波接收模块B，此时超声波接收模块B根据接收到超声波信号的能量分布得到接收超声波的有效范围长度为D2。 [0022] D、测距模块获得距离信息 [0023] 测距模块采用以下两种方法获得距离信息： [0024] D1、若采取GPS定位的方式，则直接利用GPS定位系统获得船舶中心点位置距超声波发射模块A的水平距离L1和船舶中心点位置距超声波发射模块B的水平距离L2；转步骤E； [0025] D2、若采取测距装置测量的方式，测距模块A测量出超声波发射模块A到船舶的水平距离为L5，而船舶中心点位置距超声波发射模块A的水平距离L1等于超声波发射模块A到船舶的水平距离为L5与半船身宽度L4/2之和，即 [0026] [0027] 同样，测距模块B测量出超声波发射模块B到船舶的水平距离为L6，而船舶中心点位置距超声波发射模块B的水平距离L2等于超声波发射模块B到船舶的水平距离为L6与半船身宽度L4/2之和，即 [0028] [0029] E、进行数据处理 [0030] 超声波接收模块和测距模块将测量数据传输到数据处理模块后，数据处理模块开始进行数据处理。根据预先获取的船型信息，采取不同的数据处理方式：若待测船舶为尖底，转步骤E1，若待测船舶为平底，则转步骤E2。 [0031] E1、尖底船的数据处理 [0032] 当待测船舶的船底为尖底时，船舶吃水最深点为船底中心点，因此最终要测量的是船底中心点到吃水警戒线的竖直距离。航道两岸的两组超声波发射模块同时都在工作且不相互影响，其中超声波发射模块A和超声波接收模块A组合数据处理如下：已知超声波发射模块A与超声波接收模块A中心的水平距离为L3，待测船舶船宽为L4；设超声波发射模块A的超声波发射点为h，在有船舶遮挡超声波传播时，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收模块接收信号的有效上限点为i，发射超声波的中心线与超声波接收模块A的交点j，船底点为k，船底到发射超声波中心线的竖直距离为H1，h、m两点之间的距离为L1；i、j两点之间距离为Y1＝D1-M/2；在点h、i、j组成的三角形Δhij和点h、k、m组成的三角形Δakm中∠a所对应的两组正切比相等，所以有： [0033] [0034] 即推出船舶吃水深度与发射超声波中心线的竖直距离： [0035] [0036] H1为超声波发射模块A和超声波接收模块A组合测量的船舶吃水是否超限的结果。 [0037] 用同样的数据处理方法得到超声波发射模块B和超声波接收模块B组合测量的吃水结果H2。转步骤E3。 [0038] E2、平底船的数据处理 [0039] 当待测船舶的船底为平底时，遮挡超声波船舶的是船底的两边，因此最终要测量的是船底两边到吃水警戒线的竖直距离。 [0040] 航道两岸的两组超声波发射模块同时都在工作且不相互影响，其中超声波发射模块A和超声波接收模块A组合数据处理如下：已知超声波发射模块A与超声波接收模块A中心的水平距离为L3，待测船舶船宽为L4；设超声波发射模块A的超声波发射点为h，在有船舶遮挡超声波传播时，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收模块接收信号的有效上限点为i，发射超声波的中心线与超声波接收模块A的交点j，船底遮挡点为k，遮挡点竖直方向与超声波中心线的交点为m，船底到发射超声波中心线的竖直距离为H1，h、m两点之间的距离L6＝L1+L4/2；i、j两点之间距离为Y1＝D1-M/2；在点h、i、j组成的三角形Δhij和点h、k、m组成的三角形Δakm中∠a所对应的两组正切比相等，所以有： [0041] [0042] 即推出船舶吃水深度与发射超声波中心线的竖直距离： [0043] [0044] H1超声波发射模块A和超声波接收模块A组合测量的船舶吃水是否超限的结果。 [0045] 用同样的数据处理方法可以得到超声波发射模块B和超声波接收模块B组合测量的吃水结果H2。 [0046] E3、有效数据的选取 [0047] 前面的数据处理已经得到了超声波发射模块A和超声波接收模块A组合测量的船舶吃水结果H1和超声波发射模块B和超声波接收模块B组合测量的吃水结果H2，根据测距模块的测距结果进行更加准确的数据选取：若L1＜L2，则船舶距超声波接收模块A更近，多途效应对超声波接收模块A干扰更少，使用超声波发射模块A和超声波接收模块A组合测量的结果H1更加准确，两组测量结果中H1有效；若L1≧L2，则船舶距超声波接收模块B更近，多途效应对超声波接收模块B干扰更少，使用超声波发射模块B和超声波接收模块B组合测量的结果H1更加准确，两组测量结果中H2有效。 [0048] F、显示报警 [0049] 显示报警模块根据测量结果，将船舶吃水是否超限的测量结果通知执法人员，采取应对措施。 [0050] 与现有技术相比，本发明的优点如下： [0051] 1、本发明中采用两组超声波发射模块分时交错发出超声波，不会相互干扰。当得到两个测量结果之后，根据船舶的位置选择距船舶更近的超声波接收模块所得到的测量结果为准确数据，这样有效的解决了待测船舶距超声波接收模块过远而使测量结果受多途效应影响这一问题，使测量结果更加准确。 [0052] 2、本发明中待测吃水的船舶行驶位置不受限制，无论船舶上行下行，靠近航道左岸右岸，均能准确的测量出其吃水是否超限。 [0054] 图1为双边侧扫式船舶吃水超限检测系统的系统模块安装主视图。 [0055] 图2为图1的俯视图。 [0056] 图3为双边侧扫式船舶吃水超限检测系统的工作流程框图。 [0057] 图4为船型为尖底时超声波发射模块A和超声波接收模块A组合测量原理图。 [0058] 图5为船型为尖底是超声波发射模块B和超声波接收模块B组合测量原理图。 [0059] 图6为船型为平底时超声波发射模块A和超声波接收模块A组合测量原理图。 [0060] 图7为船型为平底是超声波发射模块B和超声波接收模块B组合测量原理图。 [0061] 图中：1、超声波发射模块，2、超声波接收模块，3、测距模块，4、数据处理模块，5、显示报警模块，6、超声波发射模块A，7、超声波发射模块B，8、超声波接收模块A，9、超声波接收模块B，10、测距模块A，11、测距模块B，12、待测船舶。 具体实施方式[0062] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。双边侧扫式船舶吃水超限检测系统，包括超声波发射模块1、超声波接收模块2、测距模块3、数据处理模块4、显示报警模块5，所述的超声波接收模块2通过数据传输线与数据处理模块4连接，所述的测距模块3通过数据传输线与数据处理模块4连接，所述的显示报警模块5通过数据传输线与数据处理模块4连接。 [0063] 所述的超声波发射模块1和超声波接收模块2有各自相对应的两组，两组超声波发射模块1分别安装于航道两侧，其中，左岸的超声波发射模块1为超声波发射模块A6，右岸的超声波发射模块1为超声波发射模块B7，右岸的超声波接收模块2为超声波接收模块A8，左岸的超声波接收模块2为超声波接收模块B9；超声波发射模块A6与超声波接收模块A8的频率相对应，两者的中心位置在同一水平线上；超声波发射模块B7与超声波接收模块B9的频率相对应，两者的中心位置在同一水平线上。 [0064] 所述的超声波发射模块1，每组可以是单个超声波发射器，也可以是多个超声波发射器组成的竖直阵列，它以船舶吃水警戒线为中心发出小角度的超声波。两组超声波发射器可以采用相同的超声波频率，也可以采用不同的超声波频率，二者均采取脉冲调制的方式分时交错发射超声波，保证超声波发射模块A6工作时超声波发射模块B7暂停工作，而超声波发射模块B7工作时超声波发射模块A6暂停工作，这样它们的使能时间交错，发射的超声波不会相互干扰。 [0065] 所述的超声波接收模块2，每组都是多个超声波接收器组成的阵列，用于接收未被船舶遮挡而传过航道的超声波。 [0066] 所述的测距模块3，可以采取两种形式：第一种是利用GPS定位信息获得待测船舶12分别到航道两岸的超声波发射模块1的水平距离；第二种是采用测距装置测量的形式，共需两组，各安装于航道两侧的超声波发射模块1的同一竖直线的水面以上的位置，安装于超声波发射模块A6竖直以上的测距模块3为测距模块A10，安装于超声波发射模块B7竖直以上的测距模块3为测距模块B11，测距模块3用来测量超声波发射模块1到船舶的水平距离。 [0067] 所述的数据处理模块4是岸上的工业计算机，用来将超声波接收模块2、测距模块3传输来的数据进行处理，得到船舶吃水是否超限的测量结果。 [0068] 所述的显示报警模块5安装于岸上，用于显示测量结果，提示工作人员对吃水超限的船舶做出相应的处罚措施。 [0069] 一种船舶吃水超限检测系统的工作方法如图3所示，包括以下步骤： [0070] A、预先数据的获取 [0071] 如图1所示，在船舶驶入测量位置之前可以测量出部分所需的数据：超声波发射模块A6与超声波接收模块A8中心的水平距离为L3，超声波发射模块B7与超声波接收模块B9中心的水平距离同样也为L3；从无船舶遮挡时超声波接收模块A8接收到超声波信号的能量分布推导出能接收超声波的有效范围长度M1，从无船舶遮挡时超声波接收模块B9接收到超声波信号的能量分布推导出能接收超声波的有效范围长度M2；从船舶的VTS或AIS信息中可以获得船舶的船身宽度L4和船型等相关信息。 [0072] B、超声波发射模块1工作 [0073] 超声波发射模块A6和超声波发射模块B7开始工作，二者交错以吃水警戒线为中心发出不同频率的小角度的超声波。 [0074] C、超声波接收模块2接收信号 [0075] 超声波接收模块A8能接收超声波发射模块A6发射来固定频率超声波，由于船舶的遮挡，部分超声波不能传播到航道对岸，此时超声波接收模块A8能根据接收到超声波信号的能量分布推导出接收超声波的有效范围长度为D1；同时，超声波接收模块B9能接收超声波发射模块B7发射来固定频率超声波，由于船舶的遮挡，部分超声波不能传播到超声波接收模块B9，此时超声波接收模块B9能根据接收到超声波信号的能量分布推导出接收超声波的有效范围长度为D2。 [0076] D、测距模块3获得距离信息 [0077] 有两种形式的测距方式可以采取：若采取GPS定位的方式，则直接利用GPS定位系统获得船舶中心点位置距超声波发射模块A6的水平距离L1和船舶中心点位置距超声波发射模块B7的水平距离L2；若采取测距装置测量的方式，测距模块3c1测量出超声波发射模块A6到船舶的水平距离为L5，而船舶中心点位置距超声波发射模块A6的水平距离L1等于超声波发射模块A6到船舶的水平距离为L5与半船身宽度L4/2之和，即： [0078] [0079] 同样，测距模块3c2测量出超声波发射模块B7到船舶的水平距离为L6，而船舶中心点位置距超声波发射模块B7的水平距离L2等于超声波发射模块B7到船舶的水平距离为L6与半船身宽度L4/2之和，即： [0080] [0081] E、数据处理 [0082] 超声波接收模块2和测距模块3将测量数据传输到数据处理后开始进行数据处理。根据预先获取的船型信息，采取不同的数据处理方式：若待测船舶12为尖底，转步骤E1，若待测船舶12为平底，则转步骤E2。 [0083] E1、尖底船的数据处理 [0084] 如图4所示，当待测船舶12的船底为尖底时，船舶吃水最深点为船底中心点，因此最终要测量的是船底中心点到吃水警戒线的竖直距离。航道两岸的两组超声波发射模块1同时都在工作且不相互影响，其中超声波发射模块A6和超声波接收模块A8组合数据处理如下：已知超声波发射模块A6与超声波接收模块A8中心的水平距离为L3，待测船舶12船宽为L4；设超声波发射模块A6的超声波发射点为h，在有船舶遮挡超声波传播时，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收模块2接收信号的有效上限点为i，发射超声波的中心线与超声波接收模块A8的交点j，船底点为k，遮挡点竖直方向与超声波中心线的交点为m，船底到发射超声波中心线的竖直距离为H1，h、m两点之间的距离为L1；i、j两点之间距离为Y1＝D1-M/2；在点h、i、j组成的三角形Δhij和点h、k、m组成的三角形Δakm中∠a所对应的两组正切比相等，所以有： [0085] [0086] 即可推出船舶吃水深度与发射超声波中心线的竖直距离： [0087] [0088] H1超声波发射模块A6和超声波接收模块A8组合测量的船舶吃水是否超限的结果。 [0089] 如图5所示，用同样的数据处理方法可以得到超声波发射模块B7和超声波接收模块B9组合测量的吃水结果H2。转步骤E3。 [0090] E2、平底船的数据处理 [0091] 如图6所示，当待测船舶12的船底为平底时，遮挡超声波船舶的是船底的两边，因此最终要测量的是船底两边到吃水警戒线的竖直距离。航道两岸的两组超声波发射模块1同时都在工作且不相互影响，其中超声波发射模块A6和超声波接收模块A8组合数据处理如下：已知超声波发射模块A6与超声波接收模块A8中心的水平距离为L3，待测船舶12船宽为L4；设超声波发射模块A6的超声波发射点为h，在有船舶遮挡超声波传播时，根据接收到的超声波能量分布推导出超声波接收模块2接收信号的有效上限点为i，发射超声波的中心线与超声波接收模块A8的交点j，船底遮挡点为k，遮挡点竖直方向与超声波中心线的交点为m，船底到发射超声波中心线的竖直距离为H1，h、m两点之间的距离L6＝L1+L4/2；i、j两点之间距离为Y1＝D1-M/2；在点h、i、j组成的三角形Δhij和点h、k、m组成的三角形Δakm中∠a所对应的两组正切比相等，所以有： [0092] [0093] 即可推出船舶吃水深度与发射超声波中心线的竖直距离： [0094] [0095] H1超声波发射模块A6和超声波接收模块A8组合测量的船舶吃水是否超限的结果。 [0096] 如图7所示，用同样的数据处理方法可以得到超声波发射模块B7和超声波接收模块B9组合测量的吃水结果H2。 [0097] E3、有效数据的选取 [0098] 前面的数据处理已经得到了超声波发射模块A6和超声波接收模块A8组合测量的船舶吃水结果H1和超声波发射模块B7和超声波接收模块B9组合测量的吃水结果H2，根据测距模块3的测距结果进行更加准确的数据选取：若L1＜L2，则船舶距超声波接收模块A8更近，多途效应对超声波接收模块A8干扰更少，使用超声波发射模块A6和超声波接收模块A8组合测量的结果H1更加准确，两组测量结果中H1有效；若L1≧L2，则船舶距超声波接收模块B9更近，多途效应对超声波接收模块B9干扰更少，使用超声波发射模块B7和超声波接收模块B9组合测量的结果H1更加准确，两组测量结果中H2有效。 [0099] H、显示报警 [0100] 显示报警模块5根据测量结果，将船舶吃水是否超限的测量结果通知执法人员，采取应对措施。 |
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