船舶吃水自動測量系統(tǒng)及自動測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種船舶吃水自動測量系統(tǒng)及自動測量方法，該自動測量系統(tǒng)包括船舶來到監(jiān)測端、水下探測端、下位采集端、上位處理端、遠程監(jiān)控模塊以及報警拍照模塊。本發(fā)明的船舶吃水自動測量系統(tǒng)，通過將聲納設備置于水底，探頭向水面方向發(fā)送聲波，掃描船底成像，再通過圖像處理找最深點、龍骨線，判斷船舶姿態(tài)，以此多方面保證測量精度，提高超限報警的正確率；可以布置在橋墩、河底、船閘、浮標等處；具有小型化，測量精度高，實時性好，易操作，設備易回收等特點；可以廣泛應用于河道的吃水監(jiān)測。
【專利說明】船舶吃水自動測量系統(tǒng)及自動測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶吃水情況測量【技術領域】，具體的說是涉及內(nèi)河通航船舶超吃水執(zhí)法管理領域內(nèi)的一種船舶吃水自動測量系統(tǒng)及自動測量方法。
【背景技術】
[0002]船舶吃水是指船舶因自重或受載，船體浸沒水中部分的深度，也可以理解成水線面與船底基平面之間的垂直距離。船舶“超吃水”通常是指船舶超過航道維護水深標準，未留足富余水深裝載航行，或由于超載而超過船舶允許的最大吃水值。
[0003]近年來隨著內(nèi)河航運量的不斷增大，船舶發(fā)展呈大型化發(fā)展趨勢，船舶吃水深度也越來越深。部分船主為了追求自身經(jīng)濟利益，不按照航道維護水深進行配載，采取此地配貨、異地簽證、大船小證、謊報吃水、水尺造假等多種方式躲避管理。直接導致近年來長江航道的船舶由于“超吃水”而導致的擱淺事故頻繁發(fā)生。
[0004]船舶“超吃水”后重心上升，穩(wěn)定性下降，船舶的可控性降低，極易在淺，險，急，窄的航道里面造成擱淺，發(fā)生水上交通事故。船舶擱淺事故的發(fā)生，將改變船舶附近的水流方向、水流速度等，造成航道內(nèi)的泥沙淤積、河床不正，常演變成一系列連鎖破壞，進而造成航道斷航或阻航，影響航道的暢通和安全。船舶“超吃水”航行危害巨大。
[0005]枯水期對船舶“超吃水”航行行為的管理始終是長江航道行政管理工作的重點和難點。盡管“超吃水”航行對船舶自身和長江航運的安全暢通構成了嚴重威脅，長江航運有關執(zhí)法部門也多次發(fā)出禁令，但船舶“超吃水”航行現(xiàn)象仍然屢禁不止。
[0006]目前治理“超吃水”主要靠海事部門在船舶簽證時，嚴查船舶證書，核對船舶干舷高度、吃水深度。同時，加強現(xiàn)場巡航、巡查力度，并強化安全宣傳。這種治理方式，海事部門投入了巨大的人力、物力、財力，無形中增加了海事管理的成本。
[0007]由于船舶“超吃水”檢測的特殊性，目前國內(nèi)外尚無船舶吃水現(xiàn)場檢測的成套系統(tǒng)設備，現(xiàn)有的各種超吃水測量方法主要是測量船舶浸沒水中的深度，各種測距技術是測量船舶的吃水深度的主要手段。目前，國內(nèi)外船舶超吃水檢測的方法主要有以下幾種方法:
[0008]水尺標志法:
[0009]水尺標志是在船舶左、右、舷、首、中、尾共6處繪制的以數(shù)字表示船舶實際吃水的一種標記。基于吃水線的檢測方法就是通過觀察或測量水線達到水尺標志上的數(shù)字來確定實際水線的位置。吃水線的測量主要通過人工觀測水尺，應用超聲波或激光測距傳感器以船體舷邊甲板為基準測量船舶吃水，
[0010]壓力傳感法:
[0011]在船舶空載吃水線位置安裝壓力傳感器測量載貨后的水線變化來測量船舶吃水。由于壓力傳感器是安裝在船體的外側，工作環(huán)境惡劣，極容易被損壞，并且不能夠離船檢測。
[0012]激光測距法:
[0013]該方法采用的是激光測距傳感器，其只能安裝在被測船舶上，不能夠滿足航道管理部門快速檢測的要求。
[0014]基于圖像處理水尺法:
[0015]該方法是將圖像處理應用到船舶水尺的計量中，能夠有效的減少人工觀測的誤差。即采用多臺相機和光源，對船舶的水尺標志進行成像，然后采用圖像處理的方法對水尺標識和吃水線進行快速識別從而得到船舶吃水深度。
[0016]基于超聲波傳感器陣列的測量方法:
[0017]該方法是采用超聲波傳感器陣列，通過對船底的掃描來計算出船舶的吃水深度。但是超聲波傳感器極易受到環(huán)境的影響，誤差比較大。該套裝置價格不菲，安裝、調(diào)試也比較困難。因而無法滿足航道管理部門的快捷檢測要求。
[0018]基于液位傳感器和水平超聲探頭測量方法:
[0019]該方法是在測量船上進行測量，測量頭連接在測量頭提放子系統(tǒng)的鋼絲繩上，隨著不斷的下放測量頭進行對船舶吃水深度的檢測。該系統(tǒng)裝置極易由于下放測量頭的精度、水流的流動，測量船的浮動等而造成較大的測量誤差。
[0020]基于限定深度的水平超聲波測量方法:
[0021]該方法是通過在限定深度處，安裝超聲波傳感器。當船舶駛入，船舶的吃水深度大于限定深度，則預警。該系統(tǒng)裝置受環(huán)境影響比較大，且只能檢測船舶吃水深度是否超過限定值，不能有效的檢測出船舶的實際吃水深度。
[0022]針對上述現(xiàn)有技術中所存在的問題，研究出一種新型的、簡潔、精確船舶吃水實時測量裝置于系統(tǒng)，解決現(xiàn)有的問題是十分有必要的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0023]針對以上的技術所存在的問題，本發(fā)明提供了一種小型的基于聲納設備的船舶吃水自動測量系統(tǒng)及自動測量方法。該自動測量系統(tǒng)具有吃水檢測精度高，小型化，網(wǎng)絡化，易于攜帶等特點。
[0024]為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體如下:
[0025]一種船舶吃水自動測量系統(tǒng)，包括:船舶來到監(jiān)測端、水下探測端、下位采集端、上位處理端、遠程監(jiān)控模塊以及報警拍照模塊；
[0026]所述船舶來到監(jiān)測端，由紅外線探測器或雷達探測器構成，安裝在航道檢測區(qū)的上游，用于監(jiān)測是否有船舶將駛入檢測區(qū)；
[0027]所述水下探測端包括:
[0028]掃描聲納，用于掃描水面和水下船體部分，并以固定的聲納數(shù)據(jù)包格式返回聲納掃描數(shù)據(jù)；
[0029]水溫/水深傳感器，用于測量聲納掃描時的水溫及聲納距離水面的深度；
[0030]水平姿態(tài)儀，由三軸加速度傳感器或陀螺儀構成，用于檢測并調(diào)整水下云臺基準面的水平度；
[0031]水下云臺，用于安裝固定掃描聲納、水溫/水深傳感器和水平姿態(tài)儀；所述下位采集端，用于采集水下探測端發(fā)來的各種類型的數(shù)據(jù)，解析后統(tǒng)一轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，以供上位處理端隨時通過網(wǎng)絡獲取水下探測端的數(shù)據(jù)信息，所述下位采集端包括:
[0032]聲納串口數(shù)據(jù)采集轉換模塊，用于采集聲納串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，解析聲納數(shù)據(jù)包，轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；也用于將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包轉換成聲納串口數(shù)據(jù)包；
[0033]水溫/水深模擬量采集轉換模塊，用于采集水溫/水深模擬量，并轉換成ModbusTCP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；
[0034]船舶來到開關量輸入采集轉換模塊，用于采集船舶來到監(jiān)測模塊發(fā)送來的數(shù)字量，并轉換成Modbus TCP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；
[0035]開關量輸出轉換模塊，用于采集開關控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包信息，轉換成開關控制數(shù)字量信息，進而控制聲納設備/報警器電源的開關；
[0036]所述上位處理端，包括:
[0037]輸入管理模塊，用于為了適應不同監(jiān)測河道的實際情況的要求，對上位處理端進行的基本參數(shù)配置；
[0038]聲納數(shù)據(jù)解析模塊，用于從下位采集端獲取聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，轉換成聲納數(shù)據(jù)包，并從聲納數(shù)據(jù)包中解析出掃描角度，聲納掃描距離，聲納掃描參數(shù)等聲納掃描信息；
[0039]聲納工作參數(shù)配置模塊，用于根據(jù)當前航道的數(shù)據(jù)信息自動調(diào)整聲納設備自身的參數(shù)配置；
[0040]降噪濾波模塊，用于消除水中干擾物、噪聲等帶來的聲納數(shù)據(jù)粗差；
[0041]吃水解算模塊，用于對聲納掃描數(shù)據(jù)進行處理，得出掃描角度的吃水深度；
[0042]聲速矯正模塊，用于實時矯正聲音在水中的傳播速度；
[0043]枯水檢測模塊，用于當航道檢測區(qū)水深低于枯水線深度，斷電保護水下設備；
[0044]顯示模塊，用于動態(tài)顯示聲納設備掃描船底的圖像與聲納掃描基本參數(shù)；
[0045]電源開關控制模塊，用于對聲納數(shù)據(jù)的處理，得出控制聲納設備、報警器的電源開關的數(shù)據(jù)包信息，并轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，發(fā)送給下位采集端；
[0046]通信管理模塊，用于管理聲納設備與下位采集端之間的通信，上位處理端與下位采集端和遠程監(jiān)控模塊之間的通信；
[0047]證據(jù)瀏覽模塊，用于對報警船舶進行證據(jù)信息瀏覽查看；
[0048]自檢模塊，用于對聲納設備自身工作狀況的檢測，上位處理端與下位采集端的通信狀態(tài)的檢測，水溫/水深傳感器自身工作狀態(tài)的檢測，水下云臺基準面水平度的檢測；
[0049]所述遠程監(jiān)控模塊，用于接收上位處理端發(fā)送的船舶吃水數(shù)據(jù)包，遠程對航道船舶進行吃水監(jiān)測；
[0050]所述報警拍照模塊，安裝在航道檢測區(qū)下游，用于判斷船舶實際吃水深度是否超過警戒線吃水深度，假如超過，進行報警和拍照。
[0051]在上述技術方案中，所述水下探測端的掃描聲納是二維單波束掃描聲納，其波束能在步進電機驅動下覆蓋360度的轉動范圍，且相鄰波束回波不會相互干擾。
[0052]在上述技術方案中，水下云臺水平安裝在航道/橋墩檢測區(qū)；聲納設備頭的標志處，垂直于水下云臺基準面。
[0053]在上述技術方案中，水溫/水深傳感器連接在下位采集端模擬量輸入信號端；船舶來到監(jiān)測端連接在下位采集端開關量輸入信號端；下位采集端能夠連接單個或者多個水下探測端，聲納設備采用串口 485/422/232連接到下位采集端；聲納設備電源開關連接在下位機繼電器輸出信號端。
[0054]在上述技術方案中，下位采集端與上位處理端采用有線或無線網(wǎng)進行通信；上位處理端采用有線或無線網(wǎng)與遠程監(jiān)控模塊進行通信。
[0055]一種采用上述技術方案中所述的船舶吃水自動測量系統(tǒng)的船舶吃水自動測量方法，包括如下步驟:
[0056](I).輸入航道檢測基本參數(shù)，如聲納布置位置、監(jiān)測航道數(shù)量、警戒線深度、枯水線深度；
[0057](2).在監(jiān)測航道檢測區(qū)上游安裝布置船舶來到監(jiān)測端，監(jiān)測是否船舶將駛入檢測區(qū)域，并實時向下位采集端發(fā)送監(jiān)測結果的數(shù)字量信息；船舶來到開關量輸入采集轉換模塊,采集船舶來到監(jiān)測模塊發(fā)送來的數(shù)字量,并轉換成Modbus TCP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；
[0058](3).上位處理端通過網(wǎng)絡連接持續(xù)采集下位采集端的船舶來到開關量輸入網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，轉換成開關量輸入數(shù)據(jù)包，解析后處理，判斷是否有船舶駛入檢測區(qū)；
[0059](4).判斷有船舶駛入檢測區(qū)后，與下位采集端通信，獲取水深/水溫模擬量網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，轉換成深/水溫模擬量數(shù)據(jù)包，獲取實時的水溫模擬量X1、水深模擬量X2 ;實時測量溫度 tl = (100* (X1-4))/16，實時測量水深 t2= (10*(X2-4))/16 ；
[0060](5).進行枯水檢測，當測量水深t2低于枯水線深度時進行枯水預警，并對水下檢測設備進行斷電保護；
[0061](6).根據(jù)測量水溫tl、測量水深t2和用戶輸入的參數(shù)，動態(tài)的計算出聲納設備的掃描基本參數(shù)；
[0062](7).下位采集端的聲納數(shù)據(jù)采集轉換模塊，采集聲納串口發(fā)來的聲納數(shù)據(jù)包，轉換成聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；同時也接收聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，并轉換成聲納數(shù)據(jù)包發(fā)送給聲納設備;
[0063](8).上位處理端向下位采集端發(fā)送“請求連接”聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，下位采集端接收到該聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包后，轉換成聲納數(shù)據(jù)包，發(fā)送給聲納設備，聲納設備返回“確認連接”聲納數(shù)據(jù)包，下位采集端把“確認連接”聲納數(shù)據(jù)包轉換成“確認連接”聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包返回給上位處理端；
[0064](9).確認連接之后，上位處理端通過發(fā)送聲納配置信息數(shù)據(jù)包來配置聲納設備掃描基本參數(shù)；
[0065](10).聲納設備開始工作，并同時返回聲納掃描信息數(shù)據(jù)包給上位處理端，上位處理端解析聲納掃描信息數(shù)據(jù)包，計算的出聲納頭掃描角度Θ和長度hl，并判斷船舶是否駛入檢測區(qū)；
[0066](11).船舶駛入檢測區(qū)之前，上位處理端對聲納數(shù)據(jù)進行聲納波束基準方向調(diào)整計算，得出調(diào)整角度為P;
[0067](12).船駛入檢測區(qū)之后，上位處理端經(jīng)過計算得出該掃描點實際吃水深度h2 = hi *sin0 +妁，該掃描點距離聲納基準線水平距離h3 =+的；在上位處理端顯示坐標(h3，h2)；
[0068](13).船舶駛出檢測區(qū)之后，上位處理端統(tǒng)計每個角度的掃描點實際吃水深度h2,經(jīng)過濾波計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理之后，得出船舶實際吃水深度h4 ；
[0069](14).發(fā)送船舶吃水數(shù)據(jù)信息給遠程監(jiān)控模塊；
[0070](15).判斷船舶實際吃水深度是否超過警戒線吃水深度，假如超過，進行報警和拍照。[0071](16).所述船舶來到監(jiān)測端繼續(xù)監(jiān)聽是否有船舶將要駛入檢測區(qū)。
[0072]本發(fā)明具有以下的有益效果:
[0073]1、吃水檢測精度高
[0074]本發(fā)明的船舶吃水自動測量系統(tǒng)通過將聲納設備置于水底，探頭向水面方向發(fā)送聲波，掃描船底成像，再通過圖像處理找最深點、龍骨線，判斷船舶姿態(tài)，以此多方面保證測量精度，提高超限報警的正確率。
[0075]2、小型化
[0076]本發(fā)明的船舶吃水自動測量系統(tǒng)具有體積小，容易搬移甚至是攜帶的特點。在整條河道上進行分布部署后，可實現(xiàn)全路徑的船舶“超吃水”跟蹤檢測。
[0077]3、網(wǎng)絡化
[0078]由于設備能活動，支持無線組網(wǎng)，本發(fā)明的船舶吃水自動測量系統(tǒng)具有檢測的時效性、實用性和偵查性比較理想等特點。配套岸基的網(wǎng)絡化船舶信息管理系統(tǒng)，本發(fā)明可以用來形成成套的，能夠覆蓋整個水運網(wǎng)絡的，船舶運輸安全監(jiān)測系統(tǒng)。
[0079]4、易于安裝
[0080]本發(fā)明的船舶吃水自動測量系統(tǒng)安裝部署容易，如能夠安裝在河底、橋墩、河壩、浮標等大多數(shù)內(nèi)河都能提供的水域現(xiàn)場，對不具備安裝條件的水域也不需要復雜的水工設施施工。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0081]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0082]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的原理圖。
[0083]圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的水下檢測示意圖。
[0084]圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的結構示意圖。
[0085]圖4為本發(fā)明系統(tǒng)的實施裝置流程圖。
【具體實施方式】
[0086]下面結合附圖對本發(fā)明做以詳細說明。
[0087]圖2給出了本發(fā)明的結構示意圖，包括:輸入管理模塊200，用于為了適應不同監(jiān)測河道的實際情況的要求，對上位處理端進行的基本參數(shù)配置，由檢測模式選擇單元、用戶輸入?yún)?shù)單元、默認配置參數(shù)單元組成；船舶來到監(jiān)測模塊201，由紅外線探測器或雷達探測器構成，用于監(jiān)測是否有船舶將駛入檢測區(qū)，由探測器設備單元、開關數(shù)字量輸入單元組成；船舶來到開關量輸入采集轉換模塊202，用于采集船舶來到檢測模塊發(fā)送來的數(shù)字量，并轉換成Modbus TCP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，由干接點類型數(shù)字量輸入接口單元、隔離保護單元(不小于1KV)、開關量輸入轉Modbus TCP單元組成；水溫/水深模擬量采集轉化模塊203，用于采集水溫/水深模擬量，并轉換成Modbus TCP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，由差分模擬量輸入接口單元，隔離保護單元(不小于1KV)，A/D轉換單元(精度不低于12位)，水溫和水深數(shù)據(jù)轉Modbus TCP單元組成；枯水檢測模塊204，用于檢測水深低于枯水線深度，斷電保護水下設備，由ModbusTCP數(shù)據(jù)轉水深數(shù)據(jù)單元、枯水檢測單元、開關量輸出轉Modbus TCP數(shù)據(jù)單元組成；聲速矯正模塊205，用于動態(tài)矯正聲音在水中的傳播速度，由Modbus TCP數(shù)據(jù)轉水溫數(shù)據(jù)單元、聲速矯正單元組成；開關量輸出轉換模塊206，用于采集開關控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包信息，轉換成開關控制數(shù)字量信息，進而控制聲納設備/報警器電源的開關，由C型繼電器輸出接口，繼電器單元，Modbus TCP數(shù)據(jù)轉開關量輸出單元組成；聲納串口數(shù)據(jù)采集模塊207，用于采集聲納串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，解析后轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，也可將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包轉換成聲納串口數(shù)據(jù)包，由RS232/485/422接口、防雷保護單元(每線600W保護)、聲納數(shù)據(jù)采集解析單元、串口轉網(wǎng)口單元組成；聲納數(shù)據(jù)解析模塊208，用于采集聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，轉換成聲納數(shù)據(jù)包，并從聲納數(shù)據(jù)包中獲取當前聲納掃描角度，聲納掃描距離，聲納掃描數(shù)據(jù)等聲納掃描信息，由網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包轉換聲納數(shù)據(jù)包單元、聲納數(shù)據(jù)包解析單元、獲取聲納掃描數(shù)據(jù)單元組成；聲納波束基準方向調(diào)整模塊209，用于三軸加速度傳感器調(diào)整水下云臺水平面基準，聲納波束掃描水面的方式調(diào)整聲納波束的基準方向，由三軸加速器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包轉換三軸加速器數(shù)據(jù)包單元、三軸加速器數(shù)據(jù)包解析單元、水下云臺水平度計算單元、聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包轉換聲納數(shù)據(jù)包單元、聲納數(shù)據(jù)包解析單元、計算聲納波束基準方向單元組成；聲納工作參數(shù)配置模塊210，用于聲納自動掃描水面獲取當前航道的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)當前航道的數(shù)據(jù)信息自動調(diào)整聲納設備自身的參數(shù)配置，由獲取聲納掃描數(shù)據(jù)單元、計算聲納掃描基本參數(shù)單元、聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包轉換聲納數(shù)據(jù)包單元、聲納數(shù)據(jù)包解析單元、聲納數(shù)據(jù)包轉換聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包單元組成；吃水解算模塊211，用于對聲納掃描數(shù)據(jù)進行處理，得出掃描角度的吃水深度，由聲納掃描數(shù)據(jù)獲取單元、吃水深度計算單元、顯示坐標計算單元、統(tǒng)計存儲掃描坐標單元組成；降噪濾波模塊212，用于減少或去除因為雜質(zhì)、船尾噪聲對聲納數(shù)據(jù)的干擾，由中值濾波單元、線性擬合單元、聲納數(shù)據(jù)處理單元、降噪單元組成；顯示模塊213，用于動態(tài)顯示聲納設備掃描船底的圖像，與聲納掃描基本參數(shù)，由獲取掃描信息參數(shù)單元、觸摸查看坐標單元、坐標計算單元、聲納數(shù)據(jù)解析單元、顯示單元組成；遠程監(jiān)控模塊214，用于方便工作人員在遠程監(jiān)控船舶吃水，由船舶吃水信息網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包轉換船舶吃水信息數(shù)據(jù)包單元、解析船舶吃水信息數(shù)據(jù)包單元、獲取船舶吃水數(shù)據(jù)信息單元、顯示單元、管理員操作單元組成；報警拍照模塊215 (報警/拍照模塊)，用于對超吃水船舶進行報警和拍照，由聲光報警器和攝像頭組成。
[0088]圖3給出了本發(fā)明系統(tǒng)的實施裝置流程圖，該裝置可分為船舶來到監(jiān)測端、水下探測端、下位采集端、上位處理端、遠程監(jiān)控模塊以及報警拍照模塊。船舶來到監(jiān)測端安裝在航道檢測區(qū)的上游。水下探測端包含二維單波束掃描聲納、水溫/水深傳感器、水平姿態(tài)儀和水下云臺等基本水下檢測設備。下位采集端用于采集水下探測端發(fā)來的各種類型的數(shù)據(jù)，解析后統(tǒng)一轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，以供上位處理端隨時通過網(wǎng)絡獲取水下探測端的數(shù)據(jù)信息。上位處理端通過無線網(wǎng)絡連接下位采集端進行信息交互。遠程監(jiān)控模塊通過接收上位處理端發(fā)送的船舶吃水數(shù)據(jù)包，工作人員可以遠程進行對航道船舶吃水監(jiān)測。報警拍照模塊報警超吃水并且拍照作為證據(jù)。
[0089]采用本發(fā)明的船舶吃水自動測量系統(tǒng)的船舶吃水自動測量方法具體步驟為:
[0090]1、輸入航道檢測參數(shù):為了適應不同監(jiān)測河道的實際情況的要求，對上位處理端進行的基本參數(shù)配置。
[0091]2、船舶來到監(jiān)測:船舶來到監(jiān)測端需要安裝在檢測區(qū)上游，用來監(jiān)測是否有船舶將要駛入檢測區(qū)，并把監(jiān)測信息實時轉換成船舶來到開關量輸入網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，發(fā)送給下位采集端。
[0092]3、上位實時監(jiān)測；上位處理端通過網(wǎng)絡持續(xù)采集下位采集端的船舶來到開關量輸入網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，解析之后處理，并判斷是否有船舶駛入檢測區(qū)。
[0093]4、水溫/水深采集:判斷有船將要駛入檢測區(qū)，獲取實時的水溫模擬量X1、水深模擬量 X2。實時溫度 tl=(100*(Xl-4))/16，實時水深 t2= (10* (X2-4))/16。
[0094]5、枯水檢測:利用采集到的水深，進行枯水檢測判斷。當實時水深低于枯水深度，即枯水期時，立即斷電，并且進行枯水預警。
[0095]6、動態(tài)計算聲納掃描基本參數(shù):當不是枯水期時，利用采集到的實時水溫、實時水深和用戶輸入?yún)?shù)，動態(tài)的計算出聲納掃描基本參數(shù)。
[0096]7、采集與發(fā)送聲納數(shù)據(jù)包:上位處理端通過與下位采集端進行信息交互，打開聲納電源。下位采集端采集聲納串口發(fā)來的聲納數(shù)據(jù)包，轉換成聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；同時也接收聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包,并轉換成聲納數(shù)據(jù)包發(fā)送給聲納設備。
[0097]8、確認連接:上位處理端向下位采集端發(fā)送“請求連接”聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，下位采集端接收到該聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包后，轉換成聲 納數(shù)據(jù)包，發(fā)送給聲納設備，聲納設備返回“確認連接”聲納數(shù)據(jù)包，下位采集端把“確認連接”聲納數(shù)據(jù)包轉換成“確認連接”聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包返回給上位處理端
[0098]9、配置聲納掃描參數(shù):確認連接之后，上位處理端通過發(fā)送聲納配置信息數(shù)據(jù)包來配置聲納設備掃描基本參數(shù)。
[0099]10、聲納數(shù)據(jù)解析:解析聲納數(shù)據(jù)包，獲取聲納掃描角度，聲納掃描距離，聲納掃描數(shù)據(jù)、吃水深度等聲納掃描信息，計算的出聲納頭掃描角度Θ和長度hi。并判斷船舶是否駛入檢測區(qū)。
[0100]11、聲納波束基準角計算:船舶駛入檢測區(qū)之前，聲納設備掃描水面，計算出聲納波束基準角度P。
[0101]12、聲納掃描數(shù)據(jù)計算:船舶駛入檢測區(qū)，對聲納數(shù)據(jù)包進行解析，計算得出該掃描點實際吃水深度^ = MMinW +糾，該掃描點距離聲納基準線水平距離
h3 = hpcos(^ + ^)。并實時顯示坐標點(h3，h2)掃描圖形，并且判斷船舶是否駛出檢測區(qū)。
[0102]13、統(tǒng)計船舶數(shù)據(jù):判斷船舶駛出檢測區(qū)，進行對船舶吃水數(shù)據(jù)進行濾波計算統(tǒng)計，上位處理端統(tǒng)計每個角度的掃描點實際吃水深度h2，經(jīng)過濾波計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理之后，得出船舶實際吃水深度h4。
[0103]14、發(fā)送船舶吃水數(shù)據(jù)給遠程控制模塊:發(fā)送船舶吃水數(shù)據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包給遠程監(jiān)控模塊。遠程控制模塊對船舶吃水數(shù)據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進行解析，并對船舶吃水數(shù)據(jù)進行超吃水判斷。
[0104]15、報警/拍照:判斷船舶超吃水，立即進行超吃水報警，并且拍照留作證據(jù)。
[0105]16、繼續(xù)監(jiān)測是否有船舶將要駛入檢測區(qū)。
[0106][實施實例]本發(fā)明的實施實例采用單河道單聲納，河底部署方式。聲納以SeaPrince DST單波束掃描聲納為例，水平波束角2.4度，步進角0.5度，聲納數(shù)據(jù)通過RS485串口傳送；船舶來到檢測模塊選用主動式紅外探測器，探測距離250米；水平姿態(tài)儀選用角度精度優(yōu)于0.5度的三軸加速度傳感器；水溫/水深傳感器選用精度達到0.2%FS的二線制4-20mA電流模擬量輸出的傳感器；報警器選用普通24V聲光報警器；拍照器選用普通網(wǎng)絡攝像頭。第一實施方式系統(tǒng)設備連接方式，水溫傳感器連接在下位采集端第I個模擬量輸入口 ；水深傳感器連接在下位采集端第2個模擬量輸入口 ；聲納設備通過RS485串口與下位采集端連接；下位采集端與上位處理端采用無線網(wǎng)連接；上位采集端與遠程監(jiān)控模塊采用無線網(wǎng)連接。本實施方式使用本發(fā)明提供的方法，步驟如下:
[0107]1、檢測人員輸入航道監(jiān)測基本信息，聲納布置位置:河底；監(jiān)測航道數(shù)量:1 ;警戒線深度Xl:lm ;枯水線深度X2:0.4m。
[0108]2、在監(jiān)測航道監(jiān)測區(qū)上游安裝主動紅外線探測器，實時監(jiān)測是否有船舶將要駛入檢測區(qū)，并發(fā)送監(jiān)測數(shù)字量信息給下位采集端。下位采集端的船舶來到開關量輸入采集轉換模塊，采集紅外線探測器發(fā)送過來的數(shù)字量，并專程ModbusTCP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包。
[0109]3、上位采集端通過無線因特網(wǎng)持續(xù)采集下位采集端的船舶來到開關量輸入網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，轉換成船舶來到開關量輸入數(shù)據(jù)包:
[0110]0X00010000000B01031000010000000000000000000000000000，第 10、11 字節(jié)代表
監(jiān)測航道是否有船舶將要駛入，第10、11位為0001時，表示有船舶將要駛入檢測區(qū)；第10、11位為0000時，表示沒有船舶將要駛入檢測區(qū)。
[0111]4、判斷有船舶將要駛入檢測區(qū)，上位處理端與下位采集端通訊獲取水溫/水深模擬量網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，轉換成水溫/水深模擬量數(shù)據(jù)包，
[0112]0X0001000000130103100A940A940A940A940800080008000800，第 10、11 字節(jié)代表
水溫傳感器獲取的原始量；第12、13字節(jié)代表水深傳感器獲取的原始量。水溫實際值X3=(100* ((((1101*5) /4096) /240) *1000-4))/16=10°C ;水深實際值 X4= (10* ((((3303*5) /4096)/240)*1000-4))/16=8m。
[0113]5、枯水檢測，比較實時水深X4與枯水線深度X2。當X4>X2時，表示枯水監(jiān)測正常，打開監(jiān)測航道聲納電源；當X4〈X2時，表示枯水期，立即對水下設備進行斷電保護，并發(fā)出枯水預警。
[0114]6、根據(jù)水溫X3，水深X4，聲納掃描范圍X5，自動計算聲納基本掃描參數(shù)。此實施中聲納掃描水面范圍X5設置為12m。水溫為X3=10°C，對應聲音在水中傳播速
度X6為1447.2m/s;聲納掃描量程
【權利要求】
1.一種船舶吃水自動測量系統(tǒng)，其特征在于，包括:船舶來到監(jiān)測端、水下探測端、下位采集端、上位處理端、遠程監(jiān)控模塊以及報警拍照模塊； 所述船舶來到監(jiān)測端，由紅外線探測器或雷達探測器構成，安裝在航道檢測區(qū)的上游，用于監(jiān)測是否有船舶將駛入檢測區(qū)； 所述水下探測端包括: 掃描聲納，用于掃描水面和水下船體部分，并以固定的聲納數(shù)據(jù)包格式返回聲納掃描數(shù)據(jù)； 水溫/水深傳感器，用于測量聲納掃描時的水溫及聲納距離水面的深度； 水平姿態(tài)儀，由三軸加速度傳感器或陀螺儀構成，用于檢測并調(diào)整水下云臺基準面的水平度； 水下云臺，用于安裝固定掃描聲納、水溫/水深傳感器和水平姿態(tài)儀； 所述下位采集端，用于采集水下探測端發(fā)來的各種類型的數(shù)據(jù)，解析后統(tǒng)一轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，以供上位處理端隨時通過網(wǎng)絡獲取水下探測端的數(shù)據(jù)信息，所述下位采集端包括: 聲納串口數(shù)據(jù)采集轉換模塊，用于采集聲納串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，解析聲納數(shù)據(jù)包，轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；也用于將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包轉換成聲納串口數(shù)據(jù)包； 水溫/水深模擬量采集轉換模塊，用于采集水溫/水深模擬量，并轉換成Modbus TCP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包； 船舶來到開關量輸入采集轉換模塊，用于采集船舶來到監(jiān)測模塊發(fā)送來的數(shù)字量，并轉換成Modbus TCP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包； 開關量輸出轉換模塊，用于采集開關控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包信息，轉換成開關控制數(shù)字量信息，進而控制聲納設備/報警器電源的開關； 所述上位處理端，包括: 輸入管理模塊，用于為了適應不同監(jiān)測河道的實際情況的要求，對上位處理端進行的基本參數(shù)配置； 聲納數(shù)據(jù)解析模塊，用于從下位采集端獲取聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，轉換成聲納數(shù)據(jù)包，并從聲納數(shù)據(jù)包中解析出掃描角度，聲納掃描距離，聲納掃描參數(shù)等聲納掃描信息； 聲納工作參數(shù)配置模塊，用于根據(jù)當前航道的數(shù)據(jù)信息自動調(diào)整聲納設備自身的參數(shù)配置； 降噪濾波模塊，用于消除水中干擾物、噪聲等帶來的聲納數(shù)據(jù)粗差； 吃水解算模塊，用于對聲納掃描數(shù)據(jù)進行處理，得出掃描角度的吃水深度； 聲速矯正模塊，用于實時矯正聲音在水中的傳播速度； 枯水檢測模塊，用于當航道檢測區(qū)水深低于枯水線深度，斷電保護水下設備； 顯示模塊，用于動態(tài)顯示聲納設備掃描船底的圖像與聲納掃描基本參數(shù)； 電源開關控制模塊，用于對聲納數(shù)據(jù)的處理，得出控制聲納設備、報警器的電源開關的數(shù)據(jù)包信息，并轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，發(fā)送給下位采集端； 通信管理模塊，用于管理聲納設備與下位采集端之間的通信，上位處理端與下位采集端和遠程監(jiān)控模塊之間的通信； 證據(jù)瀏覽模塊，用于對報警船舶進行證據(jù)信息瀏覽查看；自檢模塊，用于對聲納設備自身工作狀況的檢測，上位處理端與下位采集端的通信狀態(tài)的檢測，水溫/水深傳感器自身工作狀態(tài)的檢測，水下云臺基準面水平度的檢測； 所述遠程監(jiān)控模塊，用于接收上位處理端發(fā)送的船舶吃水數(shù)據(jù)包，遠程對航道船舶進行吃水監(jiān)測； 所述報警拍照模塊，安裝在航道檢測區(qū)下游，用于判斷船舶實際吃水深度是否超過警戒線吃水深度，假如超過，進行報警和拍照。
2.根據(jù)權利要求1所述的船舶吃水自動測量系統(tǒng)，其特征在于，所述水下探測端的掃描聲納是二維單波束掃描聲納，其波束能在步進電機驅動下覆蓋360度的轉動范圍，且相鄰波束回波不會相互干擾。
3.根據(jù)權利要求1所述的船舶吃水自動測量系統(tǒng)，其特征在于，水下云臺水平安裝在航道/橋墩檢測區(qū)；聲納設備頭的標志處，垂直于水下云臺基準面。
4.根據(jù)權利要求1所述的船舶吃水自動測量系統(tǒng)，其特征在于，水溫/水深傳感器連接在下位采集端模擬量輸入信號端；船舶來到監(jiān)測端連接在下位采集端開關量輸入信號端；下位采集端能夠連接單個或者多個水下探測端，聲納設備采用串口 485/422/232連接到下位采集端；聲納設備電源開關連接在下位機繼電器輸出信號端。
5.根據(jù)權利要求1所述的船舶吃水自動測量系統(tǒng)，其特征在于，下位采集端與上位處理端采用有線或無線網(wǎng)進行通信；上位處理端采用有線或無線網(wǎng)與遠程監(jiān)控模塊進行通?目。
6.一種采用權利要求1所述的船舶吃水自動測量系統(tǒng)的船舶吃水自動測量方法，其特征在于，包括如下步驟: (1).輸入航道檢測基本參數(shù)，如聲納布置位置、監(jiān)測航道數(shù)量、警戒線深度、枯水線深度； (2).在監(jiān)測航道檢測區(qū)上游安裝布置船舶來到監(jiān)測端，監(jiān)測是否船舶將駛入檢測區(qū)域，并實時向下位采集端發(fā)送監(jiān)測結果的數(shù)字量信息；船舶來到開關量輸入采集轉換模塊，采集船舶來到監(jiān)測模塊發(fā)送來的數(shù)字量，并轉換成Modbus TCP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包； (3).上位處理端通過網(wǎng)絡連接持續(xù)采集下位采集端的船舶來到開關量輸入網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，轉換成開關量輸入數(shù)據(jù)包，解析后處理，判斷是否有船舶駛入檢測區(qū)； (4).判斷有船舶駛入檢測區(qū)后，與下位采集端通信，獲取水深/水溫模擬量網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，轉換成深/水溫模擬量數(shù)據(jù)包，獲取實時的水溫模擬量X1、水深模擬量Χ2 ;實時測量溫度 tl= (100* (X1-4)) /16，實時測量水深 t2= (10* (X2-4))/16 ； (5).進行枯水檢測，當測量水深t2低于枯水線深度時進行枯水預警，并對水下檢測設備進行斷電保護； (6).根據(jù)測量水溫tl、測量水深t2和用戶輸入的參數(shù)，動態(tài)的計算出聲納設備的掃描基本參數(shù)； (7).下位采集端的聲納數(shù)據(jù)采集轉換模塊，采集聲納串口發(fā)來的聲納數(shù)據(jù)包，轉換成聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；同時也接收聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包,并轉換成聲納數(shù)據(jù)包發(fā)送給聲納設備； (8).上位處理端向下位采集端發(fā)送“請求連接”聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，下位采集端接收到該聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包后，轉換成聲納數(shù)據(jù)包，發(fā)送給聲納設備，聲納設備返回“確認連接”聲納數(shù)據(jù)包，下位采集端把“確認連接”聲納數(shù)據(jù)包轉換成“確認連接”聲納網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包返回給上位處理端； (9).確認連接之后，上位處理端通過發(fā)送聲納配置信息數(shù)據(jù)包來配置聲納設備掃描基本參數(shù)； (10).聲納設備開始工作，并同時返回聲納掃描信息數(shù)據(jù)包給上位處理端，上位處理端解析聲納掃描信息數(shù)據(jù)包，計算的出聲納頭掃描角度Θ和長度hl，并判斷船舶是否駛入檢測區(qū)； (11).船舶駛入檢測區(qū)之前，上位處理端對聲納數(shù)據(jù)進行聲納波束基準方向調(diào)整計算，得出調(diào)整角度為P; (12).船駛入檢測區(qū)之后，上位處理端經(jīng)過計算得出該掃描點實際吃水深度h2 = hi *sin(^ + ^)，該掃描點距離聲納基準線水平距離於=hi*cos(^ + ^);在上位處理端顯示坐標(h3，h2)； (13).船舶駛出檢測區(qū)之后，上位處理端統(tǒng)計每個角度的掃描點實際吃水深度h2，經(jīng)過濾波計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理之后，得出船舶實際吃水深度h4 ； (14).發(fā)送船舶吃水數(shù)據(jù)信息給遠程監(jiān)控模塊； (15).判斷船舶實際吃水深度是否超過警戒線吃水深度，假如超過，進行報警和拍照； (16).所述船舶來到監(jiān)測端 繼續(xù)監(jiān)聽是否有船舶將要駛入檢測區(qū)。
【文檔編號】G01B17/00GK103538708SQ201310479183
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權日:2013年10月14日
【發(fā)明者】陳榮, 杜振軍, 郭世凱, 陳時非, 李俊義, 莫成鋼, 曹景太, 馬志明 申請人:長春奧普光電技術股份有限公司