激光水尺測(cè)量?jī)x在船舶水尺計(jì)重中的應(yīng)用

顏勝

[摘? ? 要]水尺計(jì)重是一種獲得普遍認(rèn)可的大宗散貨計(jì)重方式，但長(zhǎng)期以來，水尺人工觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性一直來存在爭(zhēng)議，對(duì)水尺計(jì)重結(jié)果的公信力造成很大的影響，也給水尺計(jì)重人員的能力評(píng)價(jià)增加難度。為了提高水尺的測(cè)量精度，解決人工水尺觀測(cè)結(jié)果存在爭(zhēng)議的難題，報(bào)告了一種可實(shí)現(xiàn)水位毫米級(jí)高精度測(cè)量的激光水尺測(cè)量?jī)x發(fā)測(cè)量水尺，結(jié)果表明：測(cè)量結(jié)果與過磅值比較，相對(duì)偏差在-0.84%～-0.01%，符合船舶制表的準(zhǔn)確度在1‰以內(nèi)時(shí)，水尺計(jì)重的準(zhǔn)確度在5‰之內(nèi)的要求。因此，該方法可用于日常的船舶水尺計(jì)重中。

[關(guān)鍵詞]激光水尺測(cè)量?jī)x;水尺計(jì)重;船舶

[中圖分類號(hào)]U693.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（21）04–0–03

The Application of Laser Draft Measuring Instrument for Ship， s Draft Survey

Yan? Sheng

[Abstract]Weighing by draft survey is one of the important way of determining weight of bulk cargo recognized or accepted by all parties involved on shipment， Hence? for a long time， there has been controversy or issued about the accuracy of the results of visual draft survey? which has a great impact on the credibility on draft surveys results? and It was also makes more difficult to evaluate the ability of the draft surveyors.[Objectives] In order to improve the measuring accuracy of the draft， the controversial problem of artificial draft observation results is solved，[Methods] This paper reports a kind of laser measuring instrument which can measure water level in millimeter level.[Results] The relative deviation between the measurement result and the weighing value is between -0.84%～-0.01%， which is in line with the requirement that the accuracy of the ship's meter is within 1‰ and that of the draft weight is within 5‰.[Conclusions]The method can be used in daily ship draft.

[Keywords]laser draft measuring instrument;draft weight; ship

水尺計(jì)重是航運(yùn)大宗散貨重量計(jì)算的一種非常重要的計(jì)重方式，至今已經(jīng)有接近70年的應(yīng)用歷史，在國際、國內(nèi)都獲得廣泛應(yīng)用，目前全世界每年經(jīng)水尺計(jì)重的大宗散貨數(shù)以百億噸計(jì)[1-5]。由于其快捷、高效、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，特別適合大宗散貨的計(jì)重，與衡器計(jì)重一起成為了固態(tài)大宗散貨口岸重量計(jì)算的標(biāo)配。幾十年來的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，水尺計(jì)重的結(jié)果已經(jīng)被貿(mào)易關(guān)系人廣泛接受，也被海關(guān)、保險(xiǎn)、銀行等有關(guān)各方采信，因此研究和改進(jìn)水尺計(jì)重的技術(shù)水平，對(duì)航運(yùn)貿(mào)易至關(guān)重要。

水尺計(jì)重，是通過觀測(cè)船舶首、舯、尾左右六面吃水，測(cè)量水艙、油艙和港水密度，查表計(jì)算并作數(shù)據(jù)校正得出當(dāng)次排水量，用輕載、重載兩次排水量數(shù)據(jù)相減得出裝卸貨物的重量的一種計(jì)重方式，船舶的圖表精度為1‰，港水密度測(cè)量精度為0.5‰，水艙測(cè)量精確到1 cm，油艙測(cè)量精確到毫米，水尺觀測(cè)平均吃水控制在1 cm的誤差范圍內(nèi)時(shí)，水尺計(jì)重準(zhǔn)確度是±5‰[6]。在通常情況下，風(fēng)平浪靜的情況比較少見，水尺觀測(cè)平均吃水誤差控制在1 cm的難度較大，海平面由于潮汐和風(fēng)力的作用，浪涌是很常見的，即使在港的船舶還可能會(huì)受到其他因素如水流方向、風(fēng)向、進(jìn)出港船舶形成的干涉浪的干擾，使水平面變得不穩(wěn)定，影響水尺觀測(cè)條件。在這種環(huán)境下觀測(cè)水尺，觀測(cè)誤差很難控制，對(duì)于萬噸輪船來講，TPC（t/cm）通常在幾十噸到幾百噸之間，這意味者，平均吃水每差1 cm，排水量就相差幾十到幾百噸，如果風(fēng)浪大，最終可能導(dǎo)致結(jié)果不可接受。正是由于水尺誤差對(duì)水尺計(jì)重的影響非常大，因此研究和改進(jìn)水尺測(cè)量就變得尤為重要。

目前，水尺計(jì)重采用的標(biāo)準(zhǔn)是SN/T3023.2-2012《進(jìn)出口商品重量鑒定規(guī)程第2部分：水尺計(jì)重》[7]，此標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)水尺是通過檢驗(yàn)員人眼的觀測(cè)獲得結(jié)果，這種方法存在兩大不確定性：一段時(shí)間內(nèi)的海浪波動(dòng)無法反映出真實(shí)的船舶吃水情況，缺乏統(tǒng)一的觀測(cè)方法和判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，當(dāng)相關(guān)方的觀測(cè)結(jié)果相差較大時(shí)，很容易產(chǎn)生分歧，導(dǎo)致對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果的不信任，影響水尺計(jì)重結(jié)果的權(quán)威性。正是由于現(xiàn)行的方法存在這個(gè)缺點(diǎn)，從事水尺計(jì)重的人員長(zhǎng)期以來一直在不斷探索，試圖找到一種解決方案。例如：使用無人機(jī)、無人艇、運(yùn)動(dòng)攝影機(jī)等拍攝設(shè)備錄制現(xiàn)場(chǎng)一段視頻，后臺(tái)在電腦里回放，反復(fù)判讀;用圖像分析軟件對(duì)錄制的影像進(jìn)行分析，對(duì)海浪波動(dòng)的曲線加權(quán)平均，算出平均吃水減少人為的判斷。這些方法的運(yùn)用，在一定程度上改善了水尺觀測(cè)的條件，減少人為因素的影響，避免了因短時(shí)間觀測(cè)產(chǎn)生的判讀失誤，同時(shí)保留了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的錄像，便于日后查證和追溯。應(yīng)該說，高科技手段的運(yùn)用比原來通過租用拖輪或小船或者攀爬懸梯觀測(cè)水尺確實(shí)前進(jìn)了一大步，也容易達(dá)成一致的結(jié)果。但是其科學(xué)性還有待探討：自然條件下的海浪不規(guī)則性使得一段短視頻無法確保包含完整的實(shí)際吃水信息;軟件分析波浪曲線計(jì)算平均吃水的準(zhǔn)確性仍然存疑;人為主觀判讀的性質(zhì)仍然沒有改變。

2017年，中國合格評(píng)定國家認(rèn)可委員會(huì)（CNAS）組織的第一次全國檢驗(yàn)鑒定機(jī)構(gòu)人員水尺計(jì)重能力驗(yàn)證中，水尺觀測(cè)科目使用的方法就是提前錄制視頻，讓參加能力驗(yàn)證的機(jī)構(gòu)人員進(jìn)行觀測(cè)結(jié)果比對(duì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，有相當(dāng)大的一部分結(jié)果為不滿意。與其他同類技術(shù)能力（如容量計(jì)重、衡器計(jì)重）驗(yàn)證相比，比對(duì)結(jié)果滿意率相差甚遠(yuǎn)。這說明這種考核方法還不夠成熟，而且也反映出現(xiàn)行水尺觀測(cè)方法的不穩(wěn)定性。

本文提出另一種解決方案，可有效解決這個(gè)問題。這種方案就是用激光水尺測(cè)量?jī)x測(cè)量代替人工觀測(cè)，可以解決長(zhǎng)期以來水尺觀測(cè)存在爭(zhēng)議的問題，避免因主觀判斷影響結(jié)果的可信度，該方法簡(jiǎn)單易行，客觀公正，準(zhǔn)確性高，符合水尺計(jì)重的準(zhǔn)確度要求。

1 原理和方法

1.1 激光水尺測(cè)量?jī)x的原理介紹

激光水尺測(cè)量?jī)x是一種專門用于水尺測(cè)量的儀器，如圖1所示，主要由顯示控制器、帶刻度的電纜、裝有激光發(fā)射器的測(cè)量管組成。該儀器可穩(wěn)定水位，實(shí)現(xiàn)水位毫米級(jí)高精度測(cè)量，具有操作簡(jiǎn)單，安全性高，適用范圍廣和人工觀測(cè)誤差小的特點(diǎn)，是水尺測(cè)量的利器。

設(shè)備基于聯(lián)通器的原理，用“管”把海浪“罩住”，由于管道的底部與海水相通，形成“連通器”，在管內(nèi)形成穩(wěn)定的理論上跟海平面持平的液面，反射板浮在液面上，通過水尺激光測(cè)距儀測(cè)量管內(nèi)水面到甲板標(biāo)定測(cè)量點(diǎn)的距離得出吃水的空高。在船舶縱傾（首傾）時(shí)，需要測(cè)出船舶的傾斜角并進(jìn)行傾角余弦校正，再反推算出實(shí)際吃水，計(jì)算公式如公式（1）：

Draft=BH-（M1+M2）/cosθ （1）

式（1）中：M1為電纜上的刻度確定激光位移傳感器到測(cè)量點(diǎn)的距離;M2為反射板至激光位移傳感器的距離;θ為船舶傾斜的角度;Draft為水尺標(biāo)記高度;BH為標(biāo)定測(cè)量點(diǎn)高度。

1.2 測(cè)量步驟

如圖2所示，在船體上選定測(cè)量平面并進(jìn)行高度標(biāo)定，在測(cè)量平面上選取測(cè)量點(diǎn)（8），記測(cè)量點(diǎn)至船體底面的垂直距離為BH;從測(cè)量點(diǎn)（8）處將測(cè)量管（4）豎直放下，目測(cè)測(cè)量管（4）快靠近水面時(shí)，觀察顯示器（9）上顯示測(cè)量管與測(cè)量點(diǎn)之間距離的讀數(shù)變化，判斷測(cè)量管（4）的位置;當(dāng)測(cè)量管（4）的下部插入液面下方時(shí)，在水壓作用下海水會(huì)從測(cè)量管（4）的底部經(jīng)擋板（5）和單向閥（6）進(jìn)入到測(cè)量管（4）中，在浮力作用下反射板（7）漂浮在水面上，此時(shí)測(cè)量管（4）內(nèi)外液面一致;由于風(fēng)浪作用，顯示器（9）上顯示反射板（7）至激光位移傳感器（2）的距離讀數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)開始水尺測(cè)量工作;待讀數(shù)基本穩(wěn)定后，讀取反射板（7）至激光位移傳感器（2）的距離，記為M2;通過讀取電纜（1）上的刻度確定激光位移傳感器（2）到測(cè)量點(diǎn)（8）的距離，記為M1。根據(jù)公式（1）則可計(jì)算出水尺標(biāo)記高度Draft：

1.3 激光水尺測(cè)量?jī)x的精度

激光測(cè)距儀是一種非常成熟的測(cè)量工具，精度達(dá)到毫米級(jí)（±1 mm），帶刻度的電纜實(shí)際上是一把繩尺，測(cè)量誤差（±1 mm），傾角校正誤差（±1 mm），綜合誤差（<5 mm）。

1.4 影響因素和測(cè)量范圍

測(cè)量工具的垂直度控制，由于測(cè)量點(diǎn)到水面通常達(dá)到十幾米，考慮到大風(fēng)的影響，用電纜來降低風(fēng)阻，而且測(cè)量管的重量要能保證測(cè)量時(shí)的垂直度和不受海浪的影響發(fā)生擺動(dòng)。

測(cè)量管的長(zhǎng)度決定了可測(cè)量的海浪波動(dòng)范圍，太長(zhǎng)不好攜帶，太短就適應(yīng)不了大的波浪，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況接備用管，測(cè)量時(shí)，要始終保持插在海水中，保持底部進(jìn)水的壓強(qiáng)與外部持平才能保證測(cè)量的穩(wěn)定性。

夜間測(cè)量，只要觀察激光測(cè)量?jī)x顯示器的讀數(shù)變化就可以判讀是否插在海水中。

1.5 用儀器測(cè)量代替人工觀測(cè)帶來的方法改變

（1）用儀器測(cè)量空高推算吃水的方法比原有的目測(cè)確定吃水的方法科學(xué)、穩(wěn)定、易行，可有效改善測(cè)量船舶吃水的工作。如果能將其列入標(biāo)準(zhǔn)方法里，可以使水尺計(jì)重方法更加客觀、高效，容易掌握。

（2）用儀器測(cè)量代替人工觀測(cè)水尺，如能配套船舶排水量表，引入傾角校正，這樣就更加直觀，方便查表計(jì)算。

（3）即使不改變?cè)袠?biāo)準(zhǔn)方法，該儀器測(cè)量也可以用作參考，通過靈活應(yīng)用，給水尺計(jì)重人員在特殊條件下提供多一種解決問題的方案。

1.6 準(zhǔn)確度驗(yàn)證

2020年2—9月，在防城港市港口區(qū)，對(duì)在此靠港卸貨的10船次國際船舶安排了2組工作人員，一組采用激光水尺測(cè)量?jī)x，另一組乘坐小艇目測(cè)水尺，所得結(jié)果與過磅值進(jìn)行比較，以過磅值為準(zhǔn)確值，計(jì)算激光水尺測(cè)量?jī)x所得結(jié)果的偏差，以驗(yàn)證激光水尺測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確性及可靠性。采用3種方法所得到的結(jié)果如表1所示。

激光水尺測(cè)量法測(cè)量值較過磅值的相對(duì)偏差為：

（2）

式（2）中：A為激光水尺法測(cè)量值;B為過磅值。

從表1可以看出，10船次國際船舶激光檢視水尺與過磅值比較，相對(duì)偏差在-0.84%～-0.01%，符合船舶制表的準(zhǔn)確度在1‰以內(nèi)時(shí)，水尺計(jì)重的準(zhǔn)確度在5‰之內(nèi)的要求。與目測(cè)水尺法測(cè)量其準(zhǔn)確度更高。經(jīng)過三者數(shù)據(jù)的比對(duì)，基本認(rèn)為利用激光水尺法技術(shù)檢測(cè)船舶吃水的方法可靠、準(zhǔn)確。

2 結(jié)論

用激光水尺測(cè)量?jī)x代替人工觀測(cè)的方案消除了因人為的判斷帶來的影響，極大提高了水尺計(jì)重的公正性和準(zhǔn)確性，為水尺計(jì)重的推廣應(yīng)用排除了技術(shù)障礙。本方法簡(jiǎn)單操作簡(jiǎn)單，易于掌握，除了大風(fēng)大浪的極端情況，基本可以做到“全天候”測(cè)量水尺，節(jié)省了大量的時(shí)間和費(fèi)用，準(zhǔn)確度滿足船舶中的水尺計(jì)重的要求，可應(yīng)用于日常船舶的水尺計(jì)重中。

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