激光水尺测量仪在船舶水尺计重中的应用

颜胜

[摘    要]水尺计重是一种获得普遍认可的大宗散货计重方式，但长期以来，水尺人工观测结果的准确性一直来存在争议，对水尺计重结果的公信力造成很大的影响，也给水尺计重人员的能力评价增加难度。为了提高水尺的测量精度，解决人工水尺观测结果存在争议的难题，报告了一种可实现水位毫米级高精度测量的激光水尺测量仪发测量水尺，结果表明：测量结果与过磅值比较，相对偏差在-0.84%～-0.01%，符合船舶制表的准确度在1‰以内时，水尺计重的准确度在5‰之内的要求。因此，该方法可用于日常的船舶水尺计重中。

[关键词]激光水尺测量仪;水尺计重;船舶

[中图分类号]U693.4 [文献标志码]A [文章编号]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

水尺計重是航运大宗散货重量计算的一种非常重要的计重方式，至今已经有接近70年的应用历史，在国际、国内都获得广泛应用，目前全世界每年经水尺计重的大宗散货数以百亿吨计[1-5]。由于其快捷、高效、准确度高的特点，特别适合大宗散货的计重，与衡器计重一起成为了固态大宗散货口岸重量计算的标配。几十年来的数据结果显示，水尺计重的结果已经被贸易关系人广泛接受，也被海关、保险、银行等有关各方采信，因此研究和改进水尺计重的技术水平，对航运贸易至关重要。

水尺计重，是通过观测船舶首、舯、尾左右六面吃水，测量水舱、油舱和港水密度，查表计算并作数据校正得出当次排水量，用轻载、重载两次排水量数据相减得出装卸货物的重量的一种计重方式，船舶的图表精度为1‰，港水密度测量精度为0.5‰，水舱测量精确到1 cm，油舱测量精确到毫米，水尺观测平均吃水控制在1 cm的误差范围内时，水尺计重准确度是±5‰[6]。在通常情况下，风平浪静的情况比较少见，水尺观测平均吃水误差控制在1 cm的难度较大，海平面由于潮汐和风力的作用，浪涌是很常见的，即使在港的船舶还可能会受到其他因素如水流方向、风向、进出港船舶形成的干涉浪的干扰，使水平面变得不稳定，影响水尺观测条件。在这种环境下观测水尺，观测误差很难控制，对于万吨轮船来讲，TPC（t/cm）通常在几十吨到几百吨之间，这意味者，平均吃水每差1 cm，排水量就相差几十到几百吨，如果风浪大，最终可能导致结果不可接受。正是由于水尺误差对水尺计重的影响非常大，因此研究和改进水尺测量就变得尤为重要。

目前，水尺计重采用的标准是SN/T3023.2-2012《进出口商品重量鉴定规程第2部分：水尺计重》[7]，此标准观测水尺是通过检验员人眼的观测获得结果，这种方法存在两大不确定性：一段时间内的海浪波动无法反映出真实的船舶吃水情况，缺乏统一的观测方法和判断标准。因此，当相关方的观测结果相差较大时，很容易产生分歧，导致对最终的计算结果的不信任，影响水尺计重结果的权威性。正是由于现行的方法存在这个缺点，从事水尺计重的人员长期以来一直在不断探索，试图找到一种解决方案。例如：使用无人机、无人艇、运动摄影机等拍摄设备录制现场一段视频，后台在电脑里回放，反复判读;用图像分析软件对录制的影像进行分析，对海浪波动的曲线加权平均，算出平均吃水减少人为的判断。这些方法的运用，在一定程度上改善了水尺观测的条件，减少人为因素的影响，避免了因短时间观测产生的判读失误，同时保留了现场观测的录像，便于日后查证和追溯。应该说，高科技手段的运用比原来通过租用拖轮或小船或者攀爬悬梯观测水尺确实前进了一大步，也容易达成一致的结果。但是其科学性还有待探讨：自然条件下的海浪不规则性使得一段短视频无法确保包含完整的实际吃水信息;软件分析波浪曲线计算平均吃水的准确性仍然存疑;人为主观判读的性质仍然没有改变。

2017年，中国合格评定国家认可委员会（CNAS）组织的第一次全国检验鉴定机构人员水尺计重能力验证中，水尺观测科目使用的方法就是提前录制视频，让参加能力验证的机构人员进行观测结果比对，统计结果显示，有相当大的一部分结果为不满意。与其他同类技术能力（如容量计重、衡器计重）验证相比，比对结果满意率相差甚远。这说明这种考核方法还不够成熟，而且也反映出现行水尺观测方法的不稳定性。

本文提出另一种解决方案，可有效解决这个问题。这种方案就是用激光水尺测量仪测量代替人工观测，可以解决长期以来水尺观测存在争议的问题，避免因主观判断影响结果的可信度，该方法简单易行，客观公正，准确性高，符合水尺计重的准确度要求。

1 原理和方法

1.1 激光水尺测量仪的原理介绍

激光水尺测量仪是一种专门用于水尺测量的仪器，如图1所示，主要由显示控制器、带刻度的电缆、装有激光发射器的测量管组成。该仪器可稳定水位，实现水位毫米级高精度测量，具有操作简单，安全性高，适用范围广和人工观测误差小的特点，是水尺测量的利器。

设备基于联通器的原理，用“管”把海浪“罩住”，由于管道的底部与海水相通，形成“连通器”，在管内形成稳定的理论上跟海平面持平的液面，反射板浮在液面上，通过水尺激光测距仪测量管内水面到甲板标定测量点的距离得出吃水的空高。在船舶纵倾（首倾）时，需要测出船舶的倾斜角并进行倾角余弦校正，再反推算出实际吃水，计算公式如公式（1）：

Draft=BH-（M1+M2）/cosθ （1）

式（1）中：M1为电缆上的刻度确定激光位移传感器到测量点的距离;M2为反射板至激光位移传感器的距离;θ为船舶倾斜的角度;Draft为水尺标记高度;BH为标定测量点高度。

1.2 测量步骤

如图2所示，在船体上选定测量平面并进行高度标定，在测量平面上选取测量点（8），记测量点至船体底面的垂直距离为BH;从测量点（8）处将测量管（4）竖直放下，目测测量管（4）快靠近水面时，观察显示器（9）上显示测量管与测量点之间距离的读数变化，判断测量管（4）的位置;当测量管（4）的下部插入液面下方时，在水压作用下海水会从测量管（4）的底部经挡板（5）和单向阀（6）进入到测量管（4）中，在浮力作用下反射板（7）漂浮在水面上，此时测量管（4）内外液面一致;由于风浪作用，显示器（9）上显示反射板（7）至激光位移传感器（2）的距离读数出现波动，此时开始水尺测量工作;待读数基本稳定后，读取反射板（7）至激光位移传感器（2）的距离，记为M2;通过读取电缆（1）上的刻度确定激光位移传感器（2）到测量点（8）的距离，记为M1。根据公式（1）则可计算出水尺标记高度Draft：

1.3 激光水尺测量仪的精度

激光测距仪是一种非常成熟的测量工具，精度達到毫米级（±1 mm），带刻度的电缆实际上是一把绳尺，测量误差（±1 mm），倾角校正误差（±1 mm），综合误差（<5 mm）。

1.4 影响因素和测量范围

测量工具的垂直度控制，由于测量点到水面通常达到十几米，考虑到大风的影响，用电缆来降低风阻，而且测量管的重量要能保证测量时的垂直度和不受海浪的影响发生摆动。

测量管的长度决定了可测量的海浪波动范围，太长不好携带，太短就适应不了大的波浪，可以根据现场情况接备用管，测量时，要始终保持插在海水中，保持底部进水的压强与外部持平才能保证测量的稳定性。

夜间测量，只要观察激光测量仪显示器的读数变化就可以判读是否插在海水中。

1.5 用仪器测量代替人工观测带来的方法改变

（1）用仪器测量空高推算吃水的方法比原有的目测确定吃水的方法科学、稳定、易行，可有效改善测量船舶吃水的工作。如果能将其列入标准方法里，可以使水尺计重方法更加客观、高效，容易掌握。

（2）用仪器测量代替人工观测水尺，如能配套船舶排水量表，引入倾角校正，这样就更加直观，方便查表计算。

（3）即使不改变原有标准方法，该仪器测量也可以用作参考，通过灵活应用，给水尺计重人员在特殊条件下提供多一种解决问题的方案。

1.6 准确度验证

2020年2—9月，在防城港市港口区，对在此靠港卸货的10船次国际船舶安排了2组工作人员，一组采用激光水尺测量仪，另一组乘坐小艇目测水尺，所得结果与过磅值进行比较，以过磅值为准确值，计算激光水尺测量仪所得结果的偏差，以验证激光水尺测量仪的准确性及可靠性。采用3种方法所得到的结果如表1所示。

激光水尺测量法测量值较过磅值的相对偏差为：

（2）

式（2）中：A为激光水尺法测量值;B为过磅值。

从表1可以看出，10船次国际船舶激光检视水尺与过磅值比较，相对偏差在-0.84%～-0.01%，符合船舶制表的准确度在1‰以内时，水尺计重的准确度在5‰之内的要求。与目测水尺法测量其准确度更高。经过三者数据的比对，基本认为利用激光水尺法技术检测船舶吃水的方法可靠、准确。

2 结论

用激光水尺测量仪代替人工观测的方案消除了因人为的判断带来的影响，极大提高了水尺计重的公正性和准确性，为水尺计重的推广应用排除了技术障碍。本方法简单操作简单，易于掌握，除了大风大浪的极端情况，基本可以做到“全天候”测量水尺，节省了大量的时间和费用，准确度满足船舶中的水尺计重的要求，可应用于日常船舶的水尺计重中。

参考文献

[1] 张秀和.散货船的水尺计量和激光量方探讨[J].珠江水运，2020（16）：106-107.

[2] 李胜为，朱怀伟，黄志福.浅谈散货船的水尺计重方法与技巧[J].天津航海，2020（1）：1-3.

[3] 徐小辉，王辉，黄昱洪.激光测距技术在水尺计重工作中的应用研究[J].价值工程，2018，37（18）：194-196.

[4] 沈益骏，李博，王鹏皓.雷达液位计测距技术在船舶水尺计重中的应用[J].中国舰船研究，2017，12（6）：134-140.

[5] 刘浩源，刘怡斌，张占东，等.入境大型船舶的水尺计重[J].中国港口，2017（10）：53-54.

[6] 朱景林，马野.散货船水尺计重误差研究综述[J].广州航海学院学报，2018，26（3）：36-41.

[7] 进出口商品重量鉴定规程第2部分：水尺计重：SN/T3023.2-2012[S].