一种船舶吃水测量尺的设计

马晓波，杜柏松，戴　冉

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

一种船舶吃水测量尺的设计

马晓波，杜柏松，戴冉

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

摘要：为了提高船舶吃水的测量速度和精度，利用水导电的原理设计一种测量船舶吃水的测量尺，采用多次测量的措施来消除波浪对船舶吃水测量的影响。实船验证表明，该测量尺能够精确快速地测量船舶吃水，有效缩短船舶吃水的测量时间，提高水尺计量的效率，减轻船员劳动负担。

关键词：船舶；水尺计量；吃水；测量尺

船舶水尺计重是国内外广泛用于船舶运输大宗廉价散装货物计量重量的方法，同时是进出口商品重量鉴定的重要方法之一。

大型散装船舶装货后或卸货前计算船舶载货量，通常是测量船舶的6面吃水，再查表算出载货量。船舶6面水尺的读取，对船舶水尺计重起着决定性的作用[1]。所测的吃水数值即使有1 cm的误差，也将使算出的载货量有几十t、几百t，甚至上千t的差额，有时还可能影响到船舶稳性计算和强度核算。随着海上货物运输的发展，发货人、收货人和承租方也越来越关注水尺计量的精度。控制减小船舶水尺计量误差，提高船舶水尺计量精度。对于维护贸易公平具有重要意义。

目前，人工目测是读取船舶吃水的主要方法。在船舶吃水的测量过程中，当船舶靠泊码头时，对于靠泊舷侧，岸上的工作人员会与大副一同在岸边查看船舶吃水；对于非靠泊舷侧，则需要雇佣交通艇绕船观察。人工目测的方法虽然简便但存在诸多弊端，比如：①肉眼观察的准确性和可靠性容易受到天气等客观条件的影响；②工作量大且无法长时间在水中测量；③水波的干扰；④无法多点同步观测；⑤个人经验的差异对测量结果有较显著的影响。这些不利因素制约了目测法测量精度的提高[2]。有时装卸货过程中，船员需要爬水尺梯观测吃水值以便随时掌握船舶吃水状况，特别是在读取船尾的吃水值时，水尺梯往往是悬空的，这给船员的人身安全也带来了一定的威胁。

随着科学技术的发展，超声波、压力传感器、电子水尺、激光测距、基于图像检测方法等设备和技术应用在了船舶吃水的测量中，这几种测量方式都有自己的突出优势，但也存在着一定的不足。超声波测量的精度受很多因素的影响，对测量的精度影响最大的是声速的误差，而声速又与介质的密度有关，而在空气中介质的密度要受到温度和湿度的影响。压力传感器成本较高，同时吃水深度不仅与水压有关，还与水的密度和当地的重力加速度有关，不同的地方，不同的水域水的密度和重力加速度都有一定的差别。电子水尺的电子测量部件直接和水进行接触，非常容易受外界环境的破坏，并且电子线路不易布置。激光测距应用于测量船舶的吃水值更加容易受到漂浮物和水面波浪的影响，所以其测量精度是十分受限的。而现有的基于图像的算法大都是止于学术研究，并不能达到实际应用的水平[3-5]。

为此，结合相关研究经验[6-7]，设计研究出船舶吃水测量尺，该测量尺可通过采取多次测量的措施来消除波浪等因素对船舶吃水测量的影响，准确地测出船舶的6面吃水值。

1设计思路

结合当前船舶吃水测量过程中存在的诸多问题，设计一种能够实现快速准确测量且工作时不受外界环境因素影响的船舶吃水测量尺是解决上述问题的关键。因此利用水的导电特性，改用测量测距点至吃水位置的高度，并减去测距点至载重标记线的高度，得到载重标记线至吃水位置的高度，即可推算出船舶的实际吃水值。设计本船舶吃水测量尺正负极触头全部没入水中时即触发声光信号，告诉测量者水尺到达吃水位置。

2船舶吃水测量尺简介

2.1船舶吃水测量尺结构

如图1、2所示，该测量尺主体由卷尺盘、报警触发装置、照明装置构成。卷尺盘用于盘卷水尺。报警触发装置由电磁继电触发器(控制端连接水尺线两段并与电源串联)、报警装置声光报警装置(LED警示灯和蜂鸣器，控制端为电磁继电器输出端)、电池模块(3 V可充电干电池)构成。利用电源连接一个闭合LED照明灯回路用于夜间测量的照明。该船舶吃水测量尺在尺头端装有海水导电触发装置，导电线为可弯曲不易伸缩且耐海水腐蚀的电线，电线为双线铜导线，附着于测量尺上，测量尺最小刻度为1 mm。导电线上接水尺主体，下连水尺测量头。

图1　船舶吃水测量尺主体正面结构

图2　船舶吃水测量尺主体背面结构

如图3所示，测量尺的“0”刻度为船舶吃水测量尺尺头内正极触头的最底端。绝缘壳体为硬脂塑料。正负极触头为铁素体不锈钢材料，导电效果好，防腐蚀效果好。当此端头浸入水面时，海水由水进出孔进入测量尺尺头内部，通气孔保持内外压强相等。当正负极间被海水充斥，因海水是电解质，含大量导电离子，正负极被闭合，电路导通，驱动进一步工作。

图3　船舶吃水测量尺尺头端剖面结构

2.2工作原理

如图4所示，设置3套闭合回路，第1套为水尺测量头至测量尺主体触发继电器的控制端，第2套为声光指示回路，由继电器控制连接声光报警装置，第3套为照明回路。3套闭合回路共用1套电源。当进行测量时，闭合电源总开关(若在夜间测量，则同时闭合照明灯开关)，此时前两套回路均未闭合，处于待测状态。测量时将水尺测量头端部下放，当正负两极触发点均浸入水面时，利用海水电解质导电性，第1回路闭合，触发电磁继电器工作，控制第2回路闭合，水尺主体报警装置开始工作，发出声光报警，告诉测量人员已到达水面。此时回卷水尺使测量头内部的正极触头上提至脱离水面，报警停止，此时读出测量水尺的读数。

图4　设备电路

3船舶吃水测量尺使用方法

使用时先闭合控制面板上的电源总开关通电，电源指示灯亮则代表通电正常，若在夜间测量，则同时闭合照明灯开关。转动卷尺摇柄释放水尺，让头端竖直浸入水中，当指示灯亮、蜂鸣器响时证明端头已浸入水面，此时观测者可通过观测测量尺的刻度得知水面至测量点的概略高度D。这时反向缓慢转动摇柄提升测量头，特别是当刻度尺的读数向D接近时应缓慢转动摇柄，若报警停止，此时端头已离开水面，迅速读出此时测量尺的读数D1。D1即为测量高度。D1减去测距点至甲板线高度D2及甲板线至载重标志线高度D3，得到载重标记线至吃水位置的高度D4，即可推算出船舶的实际吃水值。测量尺寸关系见图5。

图5　测量尺寸

为消除波浪对船舶吃水测量的影响，依次分别在船艏、船舯、船艉左右舷甲板各测量点测量若干次，得到每个测量点的吃水深度平均值。

4应用

为了检验船舶吃水测量尺在生产实践中的使用效果，选择S.S.6轮为实验对象，并取该轮的一次装货过程中的TRIMING(水尺调平)作业进行了实测探究。

S.S.6轮为一条夏季满载载重吨为75 416 t的PANAMAX散货船，主要经营粮食、煤炭、矿砂等大宗散货的运输。该轮第1 509航次任务为：在美国西雅图计划载运65 200 t黄豆前往中国天津。在装货港西雅图计划装载至平吃水13.09 m完货离港，为确保最后完货前的TRIMING，笔者在制定“船舶装载计划”时，留出了2 000 t货物用于TRIMING。S.S.6船体水尺标志分布状况为：左右船体外壳共绘制有8个吃水标志，船艏左右各一、船舯左右各一、螺旋桨前船壳左右各一及舵柱左右各一；为便于观察，船舶吃水小于10.6 m时候，观测船尾水尺读数时候通常读取螺旋桨前的水尺，船舶水尺大于10.6 m时候，从舵柱上的水尺标志读取数据。见图6。

图6　S.S.6轮水尺标志分布

一般情况下，岸方在船舶进行TRIMING作业之前，都会给船方20～30 min时间计算装货量，并计算得出剩余装货量。因此，本次实验把时间选在船舶完货前的TRIMING阶段。一方面此时没有装货作业，船舶水尺没有变化，另一方面，船舶接近满载时，目测水尺读数较空载或是半载时候更易读取，如此将能更好的检测船舶吃水测量尺的效果。因做TRIMING时候船舶前后吃水已超过12 m，所以船舶吃水目测读取应选在船艏，船舯和船尾舵柱处；同时为了减小实验误差，在使用船舶吃水测量尺测量船舶水尺时，测量点同样选在在船艏，船舯和船尾舵柱处，并在测量过程中使船舶吃水测量尺尽量精确地放置在船舶相应位置的水尺标志处。

根据计划，在岸方通知再有2 000 t货物就要完货时，大副要求岸上装货设备暂时停止作业，并迅速读取船舶6面吃水，同时使用船舶吃水测量尺测得相应位置水尺读数；得到相应吃水数据后，查船上静水力曲线表并进行水尺标志位置、拱垂修正等修正计算，扣除油水计算等相关计算工作后得出目前状态装货量。见表1。

表1　船舶船舶吃水测量尺和目测方法实测数据比较

由表1可见，船舶吃水测量尺所得到的水尺读数和目测方法测量的水尺读数相差值在2 cm绝对值范围之内，且2种数据来源的水尺数值经过各种修正计算得到的载货量结果仅有35 t的差别，载货量相对误差为0.06%，这在航运业是可以被接受的。因此，该船舶吃水测量尺实用并可行。

此外，在本次6面吃水的测量时间上，船舶吃水测量尺的测量时间为15 min，目测法的测量时间为21 min，船舶吃水测量尺的测量时间较目测法也节省了近1/3的时间。

5船舶吃水测量的相关注意事项

1) 在进行船舶吃水测量前，船舶要做到均匀装载、合理分配各舱压载水和燃油，避免由于船体前后左右不均衡导致船体局部变形。

2) 6面吃水观测时，船上不得进行一切可能影响水尺观测的操作，如压载水的排注、吊杆移动等。调整缆绳的松紧使之适中，尽量减少船舶的倾斜和吃水差，在一般情况下吃水差不要超过1%Lbp[8]。锚地水尺检量时要考虑锚重和链重会使空船质量减小。

3) 在潮流较大的港口或江河中的泊位靠泊时，避免在水流速度大的时间段进行水尺检量，尽量在平潮、停潮或流速最小时观测6面水尺[9]。

4) 6面吃水的测量数据，经过一系列修正得到的是船舶的实际平均吃水；而根据平均吃水利用船舶静水力曲线图或船舶静水力参数表查取有关参数时，这里的吃水往往是指船舶的平均型吃水，与实际平均吃水相差一个平板龙骨的厚度。因此，在查取有关数据时，应将实际平均吃水值减去该船平板龙骨的厚度。

5) 有些国家和地区(如菲律宾、印度尼西亚、波斯湾等)的船舶资料中的漂心距船中距离xf的符号与我国相反；还有欧洲的一些国家采用船艉坐标系统，漂心恒为正(不可能在尾垂线以后)等情况[10]。因此，在实际的计算过程中应注意参数符号，减少人为的误差。

参考文献

[1] 张诗永.提高船舶水尺计重精度应注意的问题[C].2013年“苏浙闽粤桂沪”航海学会学术研讨会论文集，福州:福建省航海学会,2013:159-163.

[2] 陈文炜,俞汲,徐杰,等.一种船舶吃水测量系统[J].中国造船,2013,54(1):166-171.

[3] 郭秀艳.船舶水尺吃水值检测方法研究[D].大连：大连海事大学,2014.

[4] 刘丹.基于图像处理的散货船港航交重计量系统[D].大连：大连海事大学,2012.

[5] 郭方.基于视频的船舶吃水线检测方法的研究[D].大连：大连海事大学,2010.

[6] 刘晋.一种新型船舶吃水测量装置的设计[J].机电技术,2014(6):110-113.

[7] 骆国强,朱汉华,陈一奇,等.手持式智能船舶吃水及载重测量仪研制[J].船海工程,2007,36(6):26-29.

[8] 杨庆宝,陈福金.散货船水尺检量分析[J].船海工程,2011,40(5):33-39.

[9] 王延军.影响水尺检量精度的因素[J].航海技术,2014(3):37-38.

[10] 范育军,汤国杰,黄广茂.水尺计量误差综述[J].航海技术,2011(4):34-36.

Design of a Ship's Draft Measuring Ruler

MA Xiao-bo, DU Bai-song, DAI Ran

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

Abstract:In order to improve the measurement speed and precision of the ship's draft, using the principle of water conduction, a measurement ruler for measuring the draft of a ship is designed, and the influence of the wave on ship's draft is eliminated by using the method of multi-times measurement. After a real ship test, the measuring ruler is proved to be able to measure the draft of the ship accurately and quickly, improve the efficiency of draft measurement and reduce the working burden of the crew.

Key words:ship; draft survey; draft; measuring ruler

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.008

收稿日期：2015-11-17

第一作者简介：马晓波(1990—)，男，硕士生 E-mail:dmu_mxb@163.com

中图分类号：U661.75

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0035-04

修回日期：2015-12-08

研究方向:船舶智能化