激光测距技术在水尺计重工作中的应用研究

徐小辉

摘要： 本文应用激光测距技术开发激光水尺仪，并通过大量应用验证，研究了海水水质、色度、海面波浪等对激光水尺仪测量精度的影响，同时对激光在海水中的穿透度进行了研究，很好地避免了水尺读值中的人为误差，尤其是港水风浪等引起的误差，提高了水尺计重的精度。

Abstract： This paper develops a laser water gauge using laser ranging technology and validates it through a large number of applications to study the effects of seawater quality， chroma， sea waves， etc. on the measurement accuracy of laser water level meter. At the same time， the laser penetration in seawater is studied. The degree has been studied to avoid the artificial errors in the reading of the water scale， especially the errors caused by waves in the waters， and to improve the accuracy of the scale.

關键词： 沿海港口；水尺计重； 风浪；激光测距

Key words： coastal ports；gravimeter weight；waves；laser ranging

中图分类号：U693+.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）18-0194-03

水尺计重工作是通过在装船前和装船后或卸货前和卸货后，分别测定前后两次的船舶吃水，并测定前后两次的船用淡水、压舱水及燃油的贮存量或消耗量，同时前后两次测定船边港水密度，然后按照船方提供的排水量表或载重量表以及有关的静水力曲线图表、水油舱计量表和校正表等船用图表计算船舶载运货物的重量。

随着世界大宗散货贸易的不断发展，水尺计重作为国际上各大港口普遍采取的一种计重方法，它能避免装卸损耗，扩大散货运输，降低成本，提高运输效率，加快运输周转和流通，促进对外贸易的发展。但是其精确度在客观上受到一定的限制，水尺计重的精确性受诸多因素的影响：尤其是环境因素（港水风浪引起的误差）等。宝钢马迹山港区地处浙江自贸区嵊泗马迹山岛南侧，是我国首座大型外海海岛型开敞式码头，长期以来港口风浪较大，一旦风力达到8级以上，不仅准确读取水尺有困难，同时由于用于水尺计重的交通船因安全原因不能使用，势必造成水尺计重结果的较大误差，而且在水尺计重行业标准中要求风浪不能超过0.3米，在这种情况下已不能进行水尺计重工作，这样势必严重影响码头运行效率。为了既能适应港口的特殊情况，不影响港口按时作业，节约工作时间，并且保障水尺计重人员的人身安全，又能提高水尺计重结果的准确度，加强水尺计重科技含量，利用激光等新型技术来进行水尺读值就显得很有必要。

利用激光等媒介设计高精度测距仪，通过媒介垂直传播到水面上反射信号的接收，来测量船舶甲板线至水面的实际距离，在媒介脉冲发射频率上设计成每分钟数十次，取其概率统计的平均值，来确保实际测量的垂直距离的准确性，通过大量数据采集后取其平均值来消除水面波浪对测量距离所造成的误差。应用所测得的垂直距离结合船舶设计干舷高度来计算水尺读值，在波浪较大的恶劣环境情况下，可提高水尺读值的准确度，提升水尺计重的科技含量和检测水平。

激光水尺仪可用于船舶吃水的自动测量，测量高度值可现场实时显示，并通过无线方式进行远程数据传输。该设备具有标准化通用接口、标准化模块结构和系列化模块组合；设备具有结构简单，操作方便、维护简单，工作稳定的特点；设备软件具有可升级的特性。

激光水尺仪由激光液位传感器、数据采集箱（内置12V 2000mAh镍氢电池组）、机械配件及无线数传电台等几部分组成。其中激光液位传感器提供一个八芯接口，用于传感器的供电及液位数据输出；数据采集箱中的镍氢电池组用于整个系统的供电；同时采集箱对传感器输出的数据采集处理后进行数据实时显示、数据无线传输等，另外，通过采集箱的按键可以实现时间设置、数据采样周期设置、数据校正设置等辅助功能；机械配件包括支架、导轨、滑槽、传感器包装箱等，用于激光水尺仪现场使用时固定传感器；液位数据可通过无线数传电台将采集的数据发送到岸站PC机。系统整体结构示意图如图2所示。

系统上电后，激光传感器将测得的距离信号按Modbus通讯协议发送至数据采集处理模块，数据处理后通过液晶屏显示实测数据，同时通过无线数传电台发送数据至系统上位机软件进行显示及存储。

课题组应用激光水尺仪在马迹山港进行了大量的应用试验，试验数据表明，激光水尺仪对测量海水的水质有一定要求，在水质较清时存在测量数据不稳定，甚至长时间没有反应。因此，课题组在测试的同时采集海水样本，然后到实验室测定水质浑浊度，试验表明在浑浊度较高时，激光水尺仪的测试数据反应较快，且数据较稳定；而浑浊度较低时，激光水尺仪的测试数据反应较慢，且数据不稳定。在船上现场测试过程中，课题组对测试数据的准确度进行了验证，由于现场条件限制，课题组采用测试数据与目测数据相比对的方法。经过大量检测试验，发现激光水尺仪的激光束在海面上有一定的穿透，因此，激光水尺仪测试数据相对实际干舷值偏大。这给我们的实际应用增加了难度，课题组决定对不同浑浊度的水质样本的激光束穿透值进行实验室检测。课题组在实验室配置了不同浑浊度的水质样本，利用激光水尺仪进行测试，结果发现所有样本都被激光束穿透，试验证明激光束的穿透数据不完全取决于水质浑浊度。针对这种情况，课题组决定根据海水水色来区分激光束的穿透值，课题组购置了水色计来检测海水的水色，并对不同水色的海水进行了大量穿透值测定试验，最后得出如下结论：

海水色度对仪器使用的影响：海水色度较低（清）时，本仪器的激光穿透较大，对最终测量结果影响较大。经多次实地测量确定，在水色编号大于5时，穿透范围稳定，可使用的水色编号范围为6-21号，1-5号时不宜使用本仪器。

为了验证测量距离对激光束穿透度的影响，课题组对仪器进行了专门的检测试验，试验表明：激光水尺仪测量距离大小对激光束在水面上的穿透值影响不大。测试数据如表1。

表2为水色计6-21号的激光水尺仪测量值校准值。

在此基础上，课题组对海面波浪因素造成激光水尺仪测量数据准确度变化进行了测试，根据大量现场测试得出，激光水尺仪在不同波浪下的测试值与目测结果基本相同，说明波浪对激光水尺仪的测试值影响不大。为了更精确地测定波浪对激光水尺仪测试数据的影响程度，课题组专门到浙江海洋大学船模试验水池进行仪器测试。课题组首先测定了仪器至测试水面的实际垂直距离（实际垂直距离为1.22m），然后不断增大试验水池的波浪，对不同波浪情况下的仪器检测值进行了记录（如表3），试验表明：不同的波浪情况对激光水尺仪的检测精度影响不大（水尺计重行业标准要求的船舶吃水精确到1cm）。

本项目研究实施后，在多次的现场应用测试中，该激光水尺仪在规定量程范围内检测数据稳定，3分钟平均值与5分钟平均值相差在3-4mm，测量精度高于水尺计重精度范围，达到了预期的设计要求。鉴定人员应用激光水尺仪进行水尺计重试验，试验情况表明水尺计重从目前平均1.5小时，降至平均1小时，拖轮作业时间下降约0.5小时。（表4）

目前，在外籍船方对新型激光水尺仪不太了解的情况下，鉴定人员采用目测水尺与激光水尺仪比对应用，一段时间后逐步实施完全应用激光水尺仪进行船舶六面水尺的检测。而在大风浪情况下，则完全应用激光水尺仪检测。

参考文献：

[1]SN/T 3023.2-2012，进出口商品重量鉴定规程 第2部分：水尺计重[S].检验检疫行业标准，2012年12月12日发行.

[2]国家质检总局检验监管司.进出口商品重量鉴定岗位培训教材.

[3]刘耀威主编.中国进出口商品检验实用大全[M].中国对外经济贸易出版社，1997.