本發(fā)明涉及內(nèi)河船舶載重測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及內(nèi)河船舶載重測量系統(tǒng)及其測量方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的船舶載重測量依據(jù)船舶(吃水線)載重標(biāo)志線與船舶載重經(jīng)驗系數(shù)估算得到的，測量吃水后經(jīng)過查閱有關(guān)船舶曲線圖和計算，可以求得該船當(dāng)時的排水量和載重量。目前常用的載重測量有人工觀測，超聲波測量，壓力測量，電子水尺，激光水位計，圖像處理技術(shù)等。
人工觀測，就是依靠經(jīng)過長期訓(xùn)練的觀察人員通過觀測船舶的水尺標(biāo)志而獲得船舶的實際吃水，進(jìn)行人工觀測人工記錄人工比對。這種載重測量方法的優(yōu)點是簡單方便，不需要增加額外測量設(shè)備，缺點是觀測往往帶有主觀性，誤差大。
超聲波載重測量就是依據(jù)超聲波測距原理，以船體舷邊甲板為基準(zhǔn)測量船舶吃水，將超聲波傳感器經(jīng)一測量支架懸掛于船體舷邊，通過測量超聲波回波返回的時間，根據(jù)當(dāng)時當(dāng)?shù)芈曀?，測得船體主甲板至水面的距離等參數(shù)，計算出吃水值，并搜索船舶載重量數(shù)據(jù)文件，得到船舶載重量。超聲波測量的精度受諸多因素的影響，但聲速的誤差直接影響測量的精度，而聲速又與介質(zhì)密度有關(guān)，在空氣中空氣密度受溫度影響較大。除此之外，該傳感器很難安裝在船舶合適的地方，推廣困難。
水深的變化可以通過水壓的變化反映出來，利用這一特性，在船舶空載吃水線的位置上安裝壓力傳感器，當(dāng)船舶載貨后吃水變深，根據(jù)壓力傳感器獲得的數(shù)值，經(jīng)過換算后，既可得出船舶的吃水深度。這種方法的優(yōu)點是可以在線、實時測量船舶的重量，其準(zhǔn)確度相對較高，但可操作性差，其原因是壓力傳感器測量船舶吃水深度需要將壓力傳感器直接安裝在船體外側(cè)，而內(nèi)河船舶結(jié)構(gòu)多樣，船身均為鋼板結(jié)構(gòu)，傳感器不允許焊接在船身或船舷上，因此這種方法雖然可以準(zhǔn)確測量，但無法推廣到內(nèi)河船舶上應(yīng)用。
電子水尺的基本工作原理是利用水的導(dǎo)電性，采用類似于人工觀測水位的方法。它是自上而下依次讀取每個感應(yīng)觸點即探針的電導(dǎo)。在探測到探針和水面接觸的位置，探針間的電導(dǎo)會突變增大從而確定水位值。專利文獻(xiàn)“一種內(nèi)河船舶載重測量裝置”即為基于這種方法設(shè)計的。由于電子水尺的電子測量部件直接和水體接觸，容易被外界環(huán)境破壞，并且電子線路不宜布置。所以電子水尺很少在船舶上應(yīng)用。
激光水位計的測量原理類似于超聲波測量，利用光速的不變性，通過測量激光光束往返的時間，間接獲得當(dāng)時的水位信息。文獻(xiàn)“手持式智能船舶吃水及載重測量儀研制”以及“一種新型智能化船舶水尺檢測儀”是采用激光技術(shù)設(shè)計的。雖然激光的指向性相對超聲波而言更為集中，但易受水面漂浮物的影響，同時激光反射的強度受反射界面及空氣介質(zhì)狀況的影響較大，如果持續(xù)使用難以消除影響，而且，激光傳感器也無法在船舶的船舷上安裝，因此適合手持式臨時使用。
采用處理圖像來自動測量船舶水尺刻度，通過對水尺的視頻圖像進(jìn)行的分析，稱為圖像測量方法。船舷上的刻度字，可以由計算機(jī)自動判別進(jìn)行讀數(shù)、識別，這樣既可以完整地一記錄整個觀測階段的水尺刻度和吃水線位置，使后續(xù)的數(shù)據(jù)處理成為可能。文獻(xiàn)《圖象處理技術(shù)在船舶吃水自動檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用》和《船舶水尺吃水值檢測方法研究》就是基于圖像處理設(shè)計的一種電子水尺儀。這種方法采用的數(shù)據(jù)采集圖像傳感器可以安裝的范圍較大，比如船舶駕駛艙頂部，但在內(nèi)河河道里，很多航道閘門限制船舶高度，內(nèi)河船舶為了達(dá)到限高范圍之內(nèi)往往會臨時拆除駕駛艙，這樣反復(fù)動作必然影響傳感器的測量精度，理論上測量系統(tǒng)需要重新標(biāo)定，因此，基于圖像處理的載重測量方法也不能在內(nèi)河船舶上適用。
上述的載重量測量方法，人工觀測法無法實現(xiàn)在線測量，采用各種傳感器直接測量載重量方法，其在實際應(yīng)用中無法在內(nèi)河船舶的外圍找到安裝傳感器的位置，導(dǎo)致不能實現(xiàn)載重量的測量。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有船舶載重測量存在的不足，針對內(nèi)河河道河面狹小，航道固定，河流流速變化小的特點，通過測量船舶的行駛軌跡、船舶行駛航速和船舶耗油量來獲取當(dāng)前船舶載重的測量系統(tǒng)及其測量方法，該方法結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可以克服已有技術(shù)在船舶外圍無法安裝傳感器的缺陷。
以上技術(shù)問題是通過下列技術(shù)方案解決的：
內(nèi)河船舶載重測量系統(tǒng)，包括分別設(shè)置在船舶上的油耗傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、無線模塊、衛(wèi)星定位模塊、微控制器、顯示器、存儲器以及計時器，還包括設(shè)置在港航管理中心的上位機(jī)服務(wù)器；所述油耗傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、無線模塊、衛(wèi)星定位模塊、顯示器、存儲器和計時器分別與微控制器連接，所述微控制器通過無線模塊與上位機(jī)服務(wù)器無線連接。
一種適用于內(nèi)河船舶載重測量系統(tǒng)的測量方法，所述測量方法的測量過程如下：
預(yù)先在上位機(jī)服務(wù)器中存儲被測內(nèi)河航道位置區(qū)域的航道順逆流修正系數(shù)h；
預(yù)先在存儲器中存儲有當(dāng)前船舶的船舶型號、船舶自重m和若干個標(biāo)定吃水深度ti所分別對應(yīng)的標(biāo)定載重量wi；
轉(zhuǎn)速傳感器測得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n，當(dāng)轉(zhuǎn)速n不為零時，微控制器通過衛(wèi)星定位模塊每隔1分鐘獲取船舶位置信息，然后根據(jù)船舶的軌跡點計算船舶行駛的里程；
微控制器根據(jù)船舶在航道的航行軌跡，確定船舶航行方向和位置，然后將航行方向和位置信息通過無線模塊發(fā)送給上位機(jī)服務(wù)器，上位機(jī)服務(wù)器根據(jù)所獲取的船舶信息，將預(yù)先存儲在服務(wù)器中的該點航道的順逆流修正系數(shù)發(fā)送給微控制器。
在微控制器的控制下，通過衛(wèi)星定位模塊測量船舶的行駛里程為e，通過計時器獲取行駛時間為t，通過e/t即可獲得船舶行駛中的平均航速v，通過油耗傳感器測量船舶行駛中的耗油量l；
通過船舶的吃水深度公式計算出船舶的當(dāng)前吃水深度t，微控制器先確定當(dāng)前吃水深度t在存儲器中存儲的標(biāo)定數(shù)據(jù)的區(qū)間ti-1，ti+1范圍，然后根據(jù)ti-1，ti+1與wi-1，wi+1的線性對應(yīng)關(guān)系，將當(dāng)前吃水深度t代入該區(qū)間的線性直線進(jìn)行計算，得出載重量，在顯示器中顯示；并借助無線模塊將計算出的船舶載重量上傳到上位機(jī)服務(wù)器中。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可以克服已有技術(shù)在船舶外圍無法安裝傳感器的缺陷。既可以讓船舶操作員掌握當(dāng)前船舶載重量，也可以讓船舶管理人員實時掌握船舶的載重量，為船舶的管理帶來方便。
作為優(yōu)選，所述油耗傳感器安裝在船舶發(fā)動機(jī)的進(jìn)油管道中。
作為優(yōu)選，所述轉(zhuǎn)速傳感器安裝在船舶發(fā)動機(jī)處的轉(zhuǎn)速測量位置。
作為優(yōu)選，所述衛(wèi)星定位模塊為gps模塊。
作為優(yōu)選，船舶在一定時間所消耗的燃油量為l，其傳遞到船舶發(fā)動機(jī)的能量可表示為：
q＝k1*l(1)
k1＝4.18ρ柴油*c*η柴油為能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，ρ柴油為柴油的密度，c為柴油的熱容量，η柴油為柴油燃燒的轉(zhuǎn)換效率，可見ρ柴油、c、η柴油均為常數(shù)；
根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和傳遞原理，考慮發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)換效率以及傳動機(jī)構(gòu)的傳遞效率，內(nèi)河航道的順逆流因素，將柴油所消耗的能量折算到船舶發(fā)動機(jī)的有效功率為：
pe＝(k1*l*η發(fā)動機(jī)*η傳動*h)/t(2)
其中，t為測量段的船舶行駛時間，η發(fā)動機(jī)為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換效率，η傳動為船舶傳動機(jī)構(gòu)傳遞效率，h為航道順逆流修正系數(shù)。
又由于船舶的主機(jī)有效功率與船舶排水量以及航速的關(guān)系如下式所示：
pe＝(δ2/3*v3)/ce(3)
其中，δ為船舶的排水量，v為船舶航速，ce為船舶的海軍常數(shù)；
由式(2)、(3)可得船舶柴油消耗量和排水量以及航速的關(guān)系，得：
(l/t)*k1*η發(fā)動機(jī)*η傳動*h*ce＝δ2/3*v3(4)
對于已經(jīng)設(shè)計出廠的船舶，式(4)中的k1、η發(fā)動機(jī)、η傳動以及ce均為常數(shù)，h在測量時間內(nèi)也為常數(shù)，故令k2＝η發(fā)動機(jī)*η傳動*ce*h，則得：
(l/t)*k1*k2＝δ2/3*v3.(5)
又根據(jù)船舶原理，船舶的排水量和吃水深度的關(guān)系為：
δ＝ρ*cb*llbp*b*t(6)
其中，ρ為水的密度，cb船舶的方形系數(shù)，llbp為船舶垂線間長，b為船舶型寬，t為吃水深度；船舶定型后，ρ、cb、llbp、b均為常數(shù)，設(shè)k3＝ρ*cb*llbp*b；
根據(jù)式(5)、(6)可得船舶的當(dāng)前吃水深度公式為：
t2/3＝(l*k1*k2)/(t*k32/3*v3)(7)
可見，獲得船舶行駛過程所花費的時長t、行駛過程中的耗油量l、船舶行駛航速v以及船舶定型后的相關(guān)常數(shù)，即可由式(7)獲取船舶的吃水深度t。
作為優(yōu)選，如果船舶的當(dāng)前吃水深度t落在預(yù)先存儲在存儲器中的某兩個標(biāo)定吃水深度ti-1和ti+1之間；
則將標(biāo)定吃水深度ti-1和與該標(biāo)定吃水深度ti-1對應(yīng)的載重量wi-1設(shè)定為二維平面上的一個點a，即點a(ti-1，wi-1)；將標(biāo)定吃水深度ti+1和與該標(biāo)定吃水深度ti+1對應(yīng)的載重量wi+1設(shè)定為二維平面上的另一個點b，即點b(ti+1，wi+1)；
利用點a(ti-1，wi-1)與b(ti+1，wi+1)這兩點求取線段ab；設(shè)該線段ab的斜率為k、截距為b，將船舶的當(dāng)前吃水深度t代入直線w＝k*t+b，即可獲得船舶的當(dāng)前載重量w。
本發(fā)明能夠達(dá)到如下效果：
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可以克服已有技術(shù)在船舶外圍無法安裝傳感器的缺陷。既可以讓船舶操作員掌握當(dāng)前船舶載重量，也可以讓船舶管理人員實時掌握船舶的載重量，為船舶的管理帶來方便。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的一種電路原理連接結(jié)構(gòu)示意框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實施例，內(nèi)河船舶載重測量系統(tǒng)，參見圖1所示，包括分別設(shè)置在船舶上的油耗傳感器1、轉(zhuǎn)速傳感器2、無線模塊3、衛(wèi)星定位模塊4、微控制器5、顯示器6、存儲器7以及計時器8，還包括設(shè)置在港航管理中心的上位機(jī)服務(wù)器9；所述油耗傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、無線模塊、衛(wèi)星定位模塊、顯示器、存儲器和計時器分別與微控制器連接，所述微控制器通過無線模塊與上位機(jī)服務(wù)器無線連接。
一種適用于內(nèi)河船舶載重測量系統(tǒng)的測量方法，所述測量方法的測量過程如下：
預(yù)先在上位機(jī)服務(wù)器中存儲被測內(nèi)河航道位置區(qū)域的航道順逆流修正系數(shù)h；
預(yù)先在存儲器中存儲有當(dāng)前船舶的船舶型號、船舶自重m和若干個標(biāo)定吃水深度ti所分別對應(yīng)的標(biāo)定載重量wi；
轉(zhuǎn)速傳感器測得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n，當(dāng)轉(zhuǎn)速n不為零時，微控制器通過衛(wèi)星定位模塊每隔1分鐘獲取船舶位置信息，然后根據(jù)船舶的軌跡點計算船舶行駛的里程；
微控制器根據(jù)船舶在航道的航行軌跡，確定船舶航行方向和位置，然后將航行方向和位置信息通過無線模塊發(fā)送給上位機(jī)服務(wù)器，上位機(jī)服務(wù)器根據(jù)所獲取的船舶信息，將預(yù)先存儲在服務(wù)器中的該點航道的順逆流修正系數(shù)發(fā)送給微控制器。
在微控制器的控制下，通過衛(wèi)星定位模塊測量船舶的行駛里程為e，通過計時器獲取行駛時間為t，通過e/t即可獲得船舶行駛中的平均航速v，通過油耗傳感器測量船舶行駛中的耗油量l；
通過船舶的吃水深度公式計算出船舶的當(dāng)前吃水深度t，微控制器先確定當(dāng)前吃水深度t在存儲器中存儲的標(biāo)定數(shù)據(jù)的區(qū)間ti-1，ti+1范圍，然后根據(jù)ti-1，ti+1與wi-1，wi+1的線性對應(yīng)關(guān)系，將當(dāng)前吃水深度t代入該區(qū)間的線性直線進(jìn)行計算，得出載重量，在顯示器中顯示；并借助無線模塊將計算出的船舶載重量上傳到上位機(jī)服務(wù)器中。
船舶在一定時間所消耗的燃油量為l，其傳遞到船舶發(fā)動機(jī)的能量可表示為：
q＝k1*l(8)
k1＝4.18ρ柴油*c*η柴油為能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，ρ柴油為柴油的密度，c為柴油的熱容量，η柴油為柴油燃燒的轉(zhuǎn)換效率，可見ρ柴油、c、η柴油均為常數(shù)；
根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和傳遞原理，考慮發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)換效率以及傳動機(jī)構(gòu)的傳遞效率，內(nèi)河航道的順逆流因素，將柴油所消耗的能量折算到船舶發(fā)動機(jī)的有效功率為：
pe＝(k1*l*η發(fā)動機(jī)*η傳動*h)/t(9)
其中，t為船舶通過測量河段所花費的時長，η發(fā)動機(jī)為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換效率，η傳動為船舶傳動機(jī)構(gòu)傳遞效率，h為航道順逆流修正系數(shù)。
又由于船舶的主機(jī)有效功率與船舶排水量以及航速的關(guān)系如下式所示：
pe＝(δ2/3*v3)/ce(10)
其中，δ為船舶的排水量，v為船舶航速，ce為船舶的海軍常數(shù)；
由式(9)、(10)可得船舶柴油消耗量和排水量以及航速的關(guān)系，得：
(l/t)*k1*η發(fā)動機(jī)*η傳動*h*ce＝δ2/3*v3(11)
對于已經(jīng)設(shè)計出廠的船舶，式(11)中的k1、η發(fā)動機(jī)、η傳動以及ce均為常數(shù)，h在測量時間內(nèi)也為常數(shù)，故令k2＝η發(fā)動機(jī)*η傳動*ce*h，則得：
(l/t)*k1*k2＝δ2/3*v3(12)
又根據(jù)船舶原理，船舶的排水量和吃水深度的關(guān)系為：
δ＝ρ*cb*llbp*b*t(13)
其中，ρ為水的密度，cb船舶的方形系數(shù)，llbp為船舶垂線間長，b為船舶型寬，t為吃水深度；船舶定型后，ρ、cb、llbp、b均為常數(shù)，設(shè)k3＝ρ*cb*llbp*b；
根據(jù)式(12)、(13)可得船舶的當(dāng)前吃水深度公式為：
t2/3＝(l*k1*k2)/(t*k32/3*v3)(14)
可見，獲得船舶行駛過程所花費的時長t、行駛過程中的耗油量l、船舶行駛航速v以及船舶定型后的相關(guān)常數(shù)，即可由式(14)獲取船舶的吃水深度t。
如果船舶的當(dāng)前吃水深度t落在預(yù)先存儲在存儲器中的某兩個標(biāo)定吃水深度ti-1和ti+1之間；
則將標(biāo)定吃水深度ti-1和與該標(biāo)定吃水深度ti-1對應(yīng)的載重量wi-1設(shè)定為二維平面上的一個點a，即點a(ti-1，wi-1)；將標(biāo)定吃水深度ti+1和與該標(biāo)定吃水深度ti+1對應(yīng)的載重量wi+1設(shè)定為二維平面上的另一個點b，即點b(ti+1，wi+1)；
利用點a(ti-1，wi-1)與b(ti+1，wi+1)這兩點求取線段ab；設(shè)該線段ab的斜率為k、截距為b，將船舶的當(dāng)前吃水深度t代入直線w＝k*t+b，即可獲得船舶的當(dāng)前載重量w。
上面結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但實現(xiàn)時不受上述實施例限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改。