激光測距技術在水尺計重工作中的應用研究

徐小輝

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

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.

關鍵詞： 沿海港口；水尺計重； 風浪；激光測距

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

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

水尺計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的靜水力曲線圖表、水油艙計量表和校正表等船用圖表計算船舶載運貨物的重量。

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

利用激光等媒介設計高精度測距儀，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際距離，在媒介脈沖發射頻率上設計成每分鐘數十次，取其概率統計的平均值，來確保實際測量的垂直距離的準確性，通過大量數據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。應用所測得的垂直距離結合船舶設計干舷高度來計算水尺讀值，在波浪較大的惡劣環境情況下，可提高水尺讀值的準確度，提升水尺計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，測量高度值可現場實時顯示，并通過無線方式進行遠程數據傳輸。該設備具有標準化通用接口、標準化模塊結構和系列化模塊組合；設備具有結構簡單，操作方便、維護簡單，工作穩定的特點；設備軟件具有可升級的特性。

激光水尺儀由激光液位傳感器、數據采集箱（內置12V 2000mAh鎳氫電池組）、機械配件及無線數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據輸出；數據采集箱中的鎳氫電池組用于整個系統的供電；同時采集箱對傳感器輸出的數據采集處理后進行數據實時顯示、數據無線傳輸等，另外，通過采集箱的按鍵可以實現時間設置、數據采樣周期設置、數據校正設置等輔助功能；機械配件包括支架、導軌、滑槽、傳感器包裝箱等，用于激光水尺儀現場使用時固定傳感器；液位數據可通過無線數傳電臺將采集的數據發送到岸站PC機。系統整體結構示意圖如圖2所示。

系統上電后，激光傳感器將測得的距離信號按Modbus通訊協議發送至數據采集處理模塊，數據處理后通過液晶屏顯示實測數據，同時通過無線數傳電臺發送數據至系統上位機軟件進行顯示及存儲。

課題組應用激光水尺儀在馬跡山港進行了大量的應用試驗，試驗數據表明，激光水尺儀對測量海水的水質有一定要求，在水質較清時存在測量數據不穩定，甚至長時間沒有反應。因此，課題組在測試的同時采集海水樣本，然后到實驗室測定水質渾濁度，試驗表明在渾濁度較高時，激光水尺儀的測試數據反應較快，且數據較穩定；而渾濁度較低時，激光水尺儀的測試數據反應較慢，且數據不穩定。在船上現場測試過程中，課題組對測試數據的準確度進行了驗證，由于現場條件限制，課題組采用測試數據與目測數據相比對的方法。經過大量檢測試驗，發現激光水尺儀的激光束在海面上有一定的穿透，因此，激光水尺儀測試數據相對實際干舷值偏大。這給我們的實際應用增加了難度，課題組決定對不同渾濁度的水質樣本的激光束穿透值進行實驗室檢測。課題組在實驗室配置了不同渾濁度的水質樣本，利用激光水尺儀進行測試，結果發現所有樣本都被激光束穿透，試驗證明激光束的穿透數據不完全取決于水質渾濁度。針對這種情況，課題組決定根據海水水色來區分激光束的穿透值，課題組購置了水色計來檢測海水的水色，并對不同水色的海水進行了大量穿透值測定試驗，最后得出如下結論：

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

為了驗證測量距離對激光束穿透度的影響，課題組對儀器進行了專門的檢測試驗，試驗表明：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。測試數據如表1。

表2為水色計6-21號的激光水尺儀測量值校準值。

在此基礎上，課題組對海面波浪因素造成激光水尺儀測量數據準確度變化進行了測試，根據大量現場測試得出，激光水尺儀在不同波浪下的測試值與目測結果基本相同，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據的影響程度，課題組專門到浙江海洋大學船模試驗水池進行儀器測試。課題組首先測定了儀器至測試水面的實際垂直距離（實際垂直距離為1.22m），然后不斷增大試驗水池的波浪，對不同波浪情況下的儀器檢測值進行了記錄（如表3），試驗表明：不同的波浪情況對激光水尺儀的檢測精度影響不大（水尺計重行業標準要求的船舶吃水精確到1cm）。

本項目研究實施后，在多次的現場應用測試中，該激光水尺儀在規定量程范圍內檢測數據穩定，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重精度范圍，達到了預期的設計要求。鑒定人員應用激光水尺儀進行水尺計重試驗，試驗情況表明水尺計重從目前平均1.5小時，降至平均1小時，拖輪作業時間下降約0.5小時。（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用，一段時間后逐步實施完全應用激光水尺儀進行船舶六面水尺的檢測。而在大風浪情況下，則完全應用激光水尺儀檢測。

參考文獻：

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