船舶吃水檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理研究

熊木地， 于兆輝， 何穎秋

(大連海事大學(xué)， 遼寧 大連 116026)

1 研究背景

我國內(nèi)河水運(yùn)資源豐富，現(xiàn)今已開辟為航道的里程約10萬km。內(nèi)河航運(yùn)是現(xiàn)代綜合運(yùn)輸體系中的重要組成部分，是水資源合理開發(fā)和綜合利用的主要內(nèi)容之一[1]。近年來，內(nèi)河船大型化趨勢逐步明顯[2]，伴隨而來的內(nèi)河船舶的超吃水現(xiàn)象也不斷增多。對內(nèi)河通航船舶的安全造成了嚴(yán)重的隱患，對船舶超吃水的檢測變得尤為重要。開發(fā)一套船舶吃水檢測系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對通航船舶的吃水深度進(jìn)行實(shí)時檢測，從而保證航道安全，是十分必要的。

超聲波測距傳感器安裝在水下檢測結(jié)構(gòu)架上組成陣列，系統(tǒng)通過獲取傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并得到相應(yīng)的船舶吃水深度等數(shù)據(jù)。為保證測量精度及航道的通行效率，需要在檢測結(jié)構(gòu)架上安裝上近百個超聲波測距傳感器，由此將會產(chǎn)生大量的吃水?dāng)?shù)據(jù)，超聲波傳感器工作過程中受檢測結(jié)構(gòu)架波動形變、水中其他雜質(zhì)和船舶尾流等噪聲的影響，吃水?dāng)?shù)據(jù)存在大量的錯誤數(shù)據(jù)，將對通航船舶的吃水檢測產(chǎn)生很大的影響，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的檢測精度。通過對船舶吃水的超聲波數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)補(bǔ)償和尾流噪聲進(jìn)行研究，可以減小外界因素對檢測系統(tǒng)的影響，達(dá)到提高船舶吃水檢測精度的目的。

2 船舶吃水檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由超聲波傳感器信息采集模塊、水壓傳感器信息采集模塊、聲速傳感器信息采集模塊、傳感器采集同步控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及船舶吃水顯示預(yù)警模塊組成。工業(yè)計(jì)算機(jī)與超聲波傳感器、聲速傳感器和水壓傳感器通過串口建立通信，通過傳感器采集同步控制模塊獲取各傳感器的原始數(shù)據(jù)。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并結(jié)合聲速傳感器和水壓傳感器同步采集的數(shù)據(jù)對超聲波傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，通過數(shù)據(jù)處理最后計(jì)算出通航船舶的最大吃水值，對超吃水的船舶進(jìn)行預(yù)警。圖1所示為船舶吃水檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

2.2 系統(tǒng)工作原理

圖2為檢測系統(tǒng)工作原理示意圖。如圖2所示，船舶吃水檢測系統(tǒng)安裝在躉船上，檢測結(jié)構(gòu)架與浮體安裝在水下固定位置，超聲波傳感器以一定間隔的距離安裝在檢測結(jié)構(gòu)架上，多個水壓傳感器也以一定的間隔距離均勻安裝在檢測結(jié)構(gòu)架上，聲速傳感器與檢測結(jié)構(gòu)架最左側(cè)的水壓傳感器安裝在同一位置，檢測結(jié)構(gòu)架利用浮體以水平姿態(tài)下潛至水中合適位置，浮體用錨沉入水底固定。

由水壓傳感器數(shù)據(jù)得到檢測結(jié)構(gòu)架的狀態(tài)信息，并得到檢測結(jié)構(gòu)架的深度H。當(dāng)船舶通過檢測結(jié)構(gòu)架上方時，超聲波傳感器模塊檢測出船舶底面到檢測結(jié)構(gòu)架的距離C。由聲速傳感器和水壓傳感器獲取的數(shù)據(jù)對超聲波傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正補(bǔ)償，對系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償處理，則船舶的吃水深度為檢測結(jié)構(gòu)架的深度減去船底到結(jié)構(gòu)架的深度，即D=H-C，從吃水深度中獲取最大值，即可得船舶的最大吃水深度為Dmax。

3 檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)補(bǔ)償與處理

由于系統(tǒng)安裝在躉船的一側(cè)，受風(fēng)力、河流水文條件等外界環(huán)境的影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測量精度會受到一定的影響，對系統(tǒng)吃水檢測造成誤差。通過對測量數(shù)據(jù)及現(xiàn)場環(huán)境的分析，影響系統(tǒng)檢測誤差的主要方面可分為系統(tǒng)誤差和非系統(tǒng)誤差。

系統(tǒng)誤差是在系統(tǒng)測量過程中產(chǎn)生的，由于超聲波在不同水溫下的傳播速度是不同的[3]，浮體姿態(tài)在水中會隨時變化，檢測結(jié)構(gòu)架也會受到浮力等外力因素發(fā)生撓度變化[4]，以上各種因素都將對超聲波傳感器數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生影響。系統(tǒng)誤差是可控的，利用安裝在檢測結(jié)構(gòu)架上的聲速傳感器和水壓傳感器，可以對超聲波傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

非系統(tǒng)誤差主要是由于長江水域中各種魚類及漂浮物、船舶行進(jìn)過程中產(chǎn)生的尾流氣泡等對檢測數(shù)據(jù)的影響[5]。這種影響是隨機(jī)產(chǎn)生的，對于隨機(jī)噪聲，可以采用數(shù)據(jù)濾波算法對其進(jìn)行處理[6]。

3.1 系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償處理

3.1.1 傳感器的校正處理 本系統(tǒng)主要根據(jù)超聲波在水下的傳播速度完成船舶的吃水測量，而超聲波的傳播速度受傳播介質(zhì)的影響[7]。首先需要對超聲波的傳播速度進(jìn)行校正，本系統(tǒng)通過獲取的聲速傳感器數(shù)據(jù)，對超聲波傳播速度進(jìn)行校正[8]。

系統(tǒng)開始工作時，控制同步采集聲速傳感器數(shù)據(jù)可得到在此水溫、水密介質(zhì)條件下超聲波的傳播速度，根據(jù)此超聲波的速度信息可以對超聲波傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校正，避免傳播介質(zhì)對檢測系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差影響。

3.1.2 檢測結(jié)構(gòu)架姿態(tài)的校正 檢測結(jié)構(gòu)架在水下的姿態(tài)及撓度變化可以通過安裝在結(jié)構(gòu)架上的多個水壓傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償處理，水壓傳感器從檢測結(jié)構(gòu)架左側(cè)開始編號為1至N，則水壓傳感器測得的深度為H1至HN，超聲波傳感器從檢測結(jié)構(gòu)架左側(cè)編號為1至M，各超聲波傳感器的深度為S1至SM，圖3為檢測結(jié)構(gòu)架撓度示意圖。

取檢測結(jié)構(gòu)架中的H1至H2段，如圖4所示。以第8個超聲波傳感器為例，當(dāng)檢測結(jié)構(gòu)架發(fā)生撓度變化時，由水壓傳感器可得到水壓傳感器的深度H1及第10個超聲波傳感器的深度H2，根據(jù)三角形函數(shù)公式可得：

(1)

式中：ΔS8為第8個超聲波傳感器到水平線的距離；M為第1個超聲波傳感器到第8個傳感器的距離；N為第1個超聲波傳感器到第10個傳感器的距離。即可得到此傳感器的深度為：

(2)

由此可得到所有超聲波傳感器在水中的實(shí)時深度Si，即檢測結(jié)構(gòu)架的各處實(shí)時深度Hi。根據(jù)此方法可以消除檢測結(jié)構(gòu)架姿態(tài)變化對檢測系統(tǒng)的影響。

3.2 系統(tǒng)噪聲處理

3.2.1 傳感器的校正處理 對于系統(tǒng)出現(xiàn)的隨機(jī)噪聲，本系統(tǒng)采用基于順序統(tǒng)計(jì)的中值濾波算法進(jìn)行處理，中值濾波算法是一種依賴于快速排序算法的非線性濾波方式，可以有效地去除隨機(jī)噪聲，中值濾波在處理粗差方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，通過排序能夠剔除粗差值，特別對脈沖式噪聲有良好的效果[9]。

中值濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[10]：

yi=Med{xi-v,…,xi,…,xi+v}

(3)

式中：yi為對應(yīng)于xi點(diǎn)中值濾波的輸出值;m為窗口長度(m為奇數(shù)); Med為對窗口中xi值排序并取中值。

在大小為m×m的窗口中，從左至右在船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)中滑動，窗口中心點(diǎn)數(shù)據(jù)值替換為窗口內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的中值[11]，用此濾波算法可以有效的去除隨機(jī)噪聲對系統(tǒng)的影響。

為了測試中值濾波算法的處理效果，構(gòu)建一個模擬船舶曲面模型，為方便觀察船型底部特征，將船舶模型翻轉(zhuǎn)，如圖5所示。

在模擬船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)模型中加入隨機(jī)噪聲，根據(jù)實(shí)測情況，疊加5%、變化范圍-0.5～0.5 m數(shù)據(jù)量的隨機(jī)噪聲在數(shù)據(jù)模型中，可以模擬船舶經(jīng)過系統(tǒng)時采集數(shù)據(jù)的實(shí)際噪聲環(huán)境，模型如圖6所示。

對該疊加噪聲的模擬船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理，濾波窗口大小為3×3，圖7為處理后模型效果圖。通過對比發(fā)現(xiàn)，中值濾波算法可以良好地剔除船舶模型中的隨機(jī)噪聲。

圖1船舶吃水檢測系統(tǒng)框圖 圖2系統(tǒng)工作原理示意圖

圖3檢測結(jié)構(gòu)架撓度示意圖 圖4檢測結(jié)構(gòu)架撓度補(bǔ)償示意圖

圖5模擬船舶曲面模型 圖6模擬船舶疊加噪聲模型 圖7處理后效果圖

3.2.2 尾流噪聲的處理 尾流是船舶在行進(jìn)過程中由螺旋槳運(yùn)動產(chǎn)生的，是位于船舶尾部的一條含有大量氣泡的氣幕帶[12]。

相較于隨機(jī)噪聲，尾流噪聲數(shù)據(jù)集中分布在船舶的尾部，并且數(shù)據(jù)量較大[13]，無法通過均值濾波算法進(jìn)行濾除，針對其特點(diǎn)，系統(tǒng)采用最小二乘法對船舶的吃水深度進(jìn)行曲線擬合，通過實(shí)時預(yù)測船舶吃水深度，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，從而消除尾流噪聲的影響。

對第i次測得的船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)Di，作為原始數(shù)據(jù)模型(i，Di)，根據(jù)最小二乘法構(gòu)建直線方程[14]：

f(xi)=a+bxi(i=1，2，…，n)

(4)

式中：a、b為回歸系數(shù)；f(xi)為擬合吃水值;xi為f(xi)對應(yīng)的第i次。

測得各Di值與擬合直線各估計(jì)值f(xi)差值的平方和為：

S=∑[Di-f(xi)]2=∑[Di-(a+bxi)]2

(5)

式中：Di為第i次測得實(shí)際吃水值。

(6)

(7)

由此可得到直線方程f(xi)=a+bxi。

通過直線方程可由已測數(shù)據(jù)預(yù)測出下一組的船舶吃水值，設(shè)決定系數(shù)r為預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)允許的最大誤差，當(dāng)|Di-f(xi)|>r時，判斷為尾流噪聲，作為異常數(shù)據(jù)剔除，否則判斷為有效數(shù)據(jù)[15]。根據(jù)此方法對船舶吃水深度不符合要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的剔除，可以有效的抑制尾流噪聲對檢測系統(tǒng)的影響。

為了測試算法對尾流噪聲的處理效果，構(gòu)建一個模擬船舶模型，并疊加50%、變化范圍0.5～1.0 m數(shù)據(jù)量的隨機(jī)噪聲到模擬船舶尾部的數(shù)據(jù)模型中，如圖8所示。

對比圖8和9處理前后的效果圖可以發(fā)現(xiàn)，采用最小二乘法算法對船舶尾流噪聲進(jìn)行處理，可以將其對船舶吃水深度的影響降低到理想的效果，可以有效地提高船舶吃水檢測的精度。

4 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證各算法對測量精度的影響，構(gòu)建了3艘模擬船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)模型，并調(diào)整相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試，如表1所示。

圖8模擬船舶疊加尾流噪聲模型 圖9處理后效果圖

表1 模擬船舶吃水檢測數(shù)據(jù)對比

通過表1中模擬船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)模型的處理前后吃水?dāng)?shù)據(jù)的對比可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)可以有效地通過算法處理各種噪聲及檢測結(jié)構(gòu)架撓度變化對其產(chǎn)生的誤差影響，系統(tǒng)檢測誤差控制在10cm以內(nèi)，符合系統(tǒng)檢測精度要求。

向家壩通航管理中心負(fù)責(zé)選取吃水線清晰、信譽(yù)度較高的船舶參與實(shí)船測試。為了最大限度地降低船速對檢測系統(tǒng)測量精度的影響，通航船舶首先?？吭谲O船遠(yuǎn)端，然后低速通過檢測結(jié)構(gòu)架。受現(xiàn)場實(shí)際情況所限，通航船舶只能單次通過檢測結(jié)構(gòu)架，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為船舶單次系統(tǒng)測量吃水深度。目測吃水深度為通航中心采用目測船舶一側(cè)船艏、船舯和船艉處的吃水線得出該艘船舶的吃水深度。現(xiàn)場利用8艘船舶進(jìn)行18個批次的實(shí)船測試，并與目測吃水深度進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 實(shí)船測試數(shù)據(jù)對比 m

由表2中相對差值數(shù)據(jù)可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)偏差σ為0.0404 m，考慮到目測船舶吃水線得到的船舶吃水深度存在一定的誤差，包括現(xiàn)場風(fēng)浪引起的誤差、船舶吃水線刻度誤差，采用多次讀取吃水線刻度取平均值的方式可以控制誤差在0.05 m以內(nèi)。

由表1、2可知，檢測系統(tǒng)測量的吃水深度數(shù)據(jù)與目測船舶吃水深度偏差較小，檢測系統(tǒng)具有較高的可信度。

5 結(jié) 論

(1)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，利用水壓傳感器和聲速傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，采用中值濾波算法、最小二乘法對系統(tǒng)噪聲進(jìn)行處理，可以有效提高系統(tǒng)的檢測精度。

(2)此吃水檢測系統(tǒng)符合實(shí)際應(yīng)用需求，對提高航運(yùn)監(jiān)管部門工作效率具有重要意義。

(3)三維顯示更加利于觀察船舶底部形態(tài)，有助于剔除噪聲，提高系統(tǒng)檢測效果，是下一步的工作重點(diǎn)。