基于无人机技术的全天候水尺计量的设计及应用

周化兵，高 伟

（马钢设备管理部，安徽马鞍山 243000）

引言

马钢公司大宗原燃料运输分为水运、汽运及铁运等三种模式，其中水运方式计重的每年约2 000万t 以上，占运输总量的三分之二，水尺计量结果是贸易结算、购销计重索赔、船舶运费等的依据。所以实现水尺计量的全过程受控，规避人为操作失误带来的风险及公平、高效计量，对公司生产及经济效益具有重要意义［1］。

水尺计量是根据流体静力学中的浮力原理，以货运船舶作为计量工具（计量载体），对船载货物进行称重计量的一种方法。用于货运的船舶须通过船级社认可，船体上标有清晰的吃水标高。通过船舶重载和空载的吃水深度以及货运船舶的生活淡水、压舱水、船运燃油等物料液位，依据船舶的相关水尺资料和图表，计算得出船舶装载货物净重，该种计量方法适用于价值不高或不易用皮带秤等常用衡器计重的水运散装固态商品的计重［2］。

1 水尺计量管理系统

1.1 系统简介

为使水尺计量标准化，最大可能地消除人为误差，也使水检员从繁杂的手工计算工作中解放出来，提高工作效率，开发了一套船舶水尺计量管理系统，主要功能包含：水尺数据集、水尺数据详单、图片信息、影像信息、水尺表、计量数据统计、查询、日报、水尺影像复核、复核数据超差自动提示报警、影像转换自动上传、水尺表数据导入、水检员管理、工具库管理等，涵盖了水尺计量的所有信息资料，并与公司物流信息系统对接，使整个水检流程实现信息化管理，水尺计量系统功能示意图见图1。

图1 水尺计量系统结构示意图

船舶水尺计量管理系统集中统一管理货运船舶水尺基本数据及视频图像数据，对船舶水尺计量资料能够进行长期跟踪管理，杜绝船舶违规变更，数据造假，并实现自动快速检索水尺吨位，减少人为误差，提高了计量称重精确度，通过摄录相关视频上传，建立了水尺数据、视频及图片的数据库，方便了数据溯源及复查。对计量业务、系统状况实行监控，统一管理，有效避免人为违规违纪。

1.2 水尺计量流程

货运船舶左右两侧的船首、船中及船尾都标有吃水深度标尺。水尺计量就是通过船舶重载及卸货后的空载所测的吃水深度的6 组数据，根据载重表尺或静水力曲线图分别得出重载及空载的排水量，同时考虑船舶在卸货后到空载水尺计量工作完成前的船上燃油、水等物资变化量，将重载及空载的排水量的差值减去或加上物资变化量，从而得出了船舶运输货物的净重［3］。

常规的水尺作业流程为江船或海船分别抵达江船或海船锚地，抛锚，等待水尺计量，水尺人员乘水尺客轮绕待检船只一周，使用摄像机拍摄并记录6 面水尺，登船，查看舱体，查验并记录燃油液位、压载水液位、淡水液位，查看有无影响吃水线的异常物体，在船舶水尺计量管理软件中输入6面水尺，燃油、压载水、淡水液位数据，并向船家索取轮船资料，核对，得出水尺结果。

1.3 水尺作业存在的难点

货运船舶停在锚地，水检员需搭乘前往作业，国家海事局规定：雾天、雨天，能见度在50 m 以内；风浪大，风力在六级以上，均要求封航；同时由于水尺客轮吨位较小，恶劣天气即使未达到封航程度，在若干时段也会因安全原因无法出航，故水尺计量容易受天气的影响停止作业，无法完成计量工作，但公司生产是连续的，货运船舶只能直靠码头卸货，则所购大宗物资只能按供方提供的计重数据进行商贸和运费结算。

水尺作业人员的安全存在较大隐患，作业中水尺作业人员要在水尺客轮上看船舶吃水线，摄像人员拍摄记录船舶吃水影像，然后通过货运船舶上下放的旋梯登上被检船舶甲板，进行查仓，验看资料，计算水尺的作业。在江面上作业的危险性较大，尤其是在风浪中攀爬空仓的海船尤为危险。

为有效完成水尺计量工作，需常年租用一艘水尺客轮，用于计量人员前往锚地工作，由水尺作业人员分别完成摄像，查仓，水检工作，水尺客轮绕行待检船，拍摄清晰的六面水尺线，绕船一周至少15 min以上，锚地风浪大时就需要更长时间，人员效率和成本居高不下。

2 全天候方案的设计及应用

针对水尺计量的难点，通过调研，发现无人机在水尺计量工作中有广阔应用空间，利用无人机可实现全天候水尺计量工作。

2.1 无人机技术

无人机是利用无线电遥控手段和机载的自动控制程序进行操纵的不载人飞机。近些年无人机技术取得了突飞猛进的发展，无人机已经被广泛应用到一些行业，各种新的应用层出不穷。无人机通过加装的高清摄像装置及GPS 定位系统，可实现空中拍摄、地形勘察、跟踪、定位、遥控、遥测等工作，当挂载武器、食物、药箱和喷洒设备时又可开展战争、救灾及农林虫灾治理的活动。

综合来看，无人机主要应用领域是利用其低空飞行的自由，能有效应用到人工无法作业的环境或快速抵达工作环境提升工作效率，减少作业人员的工作强度和降低工作危险性。

2.2 水尺计量的无人机解决方案

为高效、准确的完成水尺计量工作，实现全天候水尺计量工作，无人机必须能够在恶劣气候条件下胜任六面水尺的观测图像采集工作。针对水尺计量对无人机拍摄视频影像的技术要求，我们形成了水尺用无人机的基本技术要求及工作流程，在海事封航、无人机可以安全飞行的状况下，实现无人机协助水尺工作人员完成水尺计量任务，及时保证公司的炉料供应。

水尺用无人机的基本技术要求：

（1）重量轻易于携带，安装与准备工作简单，易于操作；

（2）续航时间在30 min 以上，需配备2 组备用电池；

（3）远控距离保证达到7 km；

（4）抗风能力达7级；

（5）具备障碍自动识别绕行功能；

（6）支持 HOME 键，一键返航；

（7）30 倍或以上光学变焦，自动调整焦距，操作简便，轻松放大选择的区域；

（8）云台为可拆式，角度抖动量、可控转动范围需满足远距拍摄水尺需求；

（9）配备高亮显示平板，能满足在烈日下的户外作业；

（10）图像传递清晰，具备指令录像、拍摄和实时数据远传功能。

通过与无人机厂商技术交流，最终选定实验机型：大疆经纬M200 系列，为此进行了一次无人机在水尺计量作业中实际应用的验证。

2.2.1 验证的过程

无人机试飞地点：原料码头见图2。试验环境：风力4级、中雨。

图2 公司原料码头

大疆M200 系列无人机由深圳大疆创新科技有限公司生产，能够适应不同的恶劣环境而稳定工作。无人机可折叠后置于配备的标准箱体内，便于携带，最远视频数据传输距离可达7 km。机体前方装有高清的FPV 摄像头。

M200系列可搭载禅思X4S和X5S 云台相机、禅思XT 热成像相机、禅思Z30 远摄30 倍光学变焦相机云台。因在江上作业，很多情况下无人机可能会处在超视距工作状态，为既能保证无人机的安全又能获得清晰的船舶吃水图像，在实验中选用的是禅思Z30远摄30倍光学变焦相机云台。

无人机高空俯瞰的待检船舶见图3。

图3 待检船舶

通过拉伸禅思Z30 30 倍光学镜头，得到清晰的船舶水尺图像，见图4。

图4 船舶吃水深度

2.2.2 试验结果

大疆M200 系列无人机搭载禅思Z30 远摄30 倍光学变焦相机云台，实现高清摄像，远控距离及抗风能力均能满足本地极端气候和工作要求；通过一键返航，可快速更换备用电池，实现连续工作；清晰的水尺影像满足水尺计量管理系统对视频影像的要求，视频影像可在水尺计量作业完成后或同步远传导入水尺计量管理系统，在相对恶劣的环境中圆满完成船舶水尺计量的图像采集工作。

试验中海船的图像往返、采集时间用时10 min，大大缩短了水尺作业时间，并且受环境影响较小，完全满足水尺计量的要求，因为搭载了30倍光学变焦，所以无人机可以悬停在相当的高度作业，无人机的安全性得以保证，大大降低了操作的难度。

2.2.3 解决方案

根据试验结果，无人机超视距拍摄完全满足水尺计量的技术要求，使用无人机进行水尺计量，可实现同步传送视频数据，全天候条件下快速完成多艘货船的吃水深度的摄像。根据水尺计量方案的改善制定了无人机水尺计量的工作流程。

（1）封航条件下

江船、海船抵达锚地或直靠码头前，由水尺人员操作无人机对待检船只进行船舶吃水深度视频拍摄并实时上传水尺计量管理系统。在相关船舶靠港卸料时，计量人员通过架设在船板与码头的临时通行走廊登船，查看船舱有无未备案并可能影响船舶吃水线的重物，索取轮船载重表尺或静水力曲线图资料，核对变更时间，变更值，查看压载水、饮用淡水、燃油等液位。在船舶水尺计量管理系统中根据六面水尺所得出的船舶倾斜度，做相应的纵倾修正，得出水尺计量结果，并上传物流信息系统完成物资计重工作。

（2）正常条件下

江船、海船抵达锚地抛锚后，水尺人员搭乘水尺客轮前往锚地，由水尺人员操作无人机对待检船只进行船舶吃水深度视频拍摄并实时上传水尺计量管理系统。计量人员登船，查仓，查看船舱有无未备案并可能影响船舶吃水线的重物，索取轮船载重表尺或静水力曲线图资料，核对变更时间，变更值，查看压载水、饮用淡水、燃油等液位，在船舶水尺计量管理系统中根据六面水尺所得出的船舶倾斜度，做相应的纵倾修正，得出水尺计量结果，并上传物流信息系统完成物资计重工作。

3 结束语

基于无人机的应用，水尺计量工作得到优化及改善，通过选用高性能的摄像头，无人机的超视距拍摄完全满足水尺计量的技术要求，借助于无人机六面水尺视频拍摄时间的缩短、快速到达指定货船位置及实时上传视频数据的优势，根据实测水尺计量人员的工作效率提升了一倍以上，使高效水尺计量得以实现，同时大大降低计量人员的安全风险和工作强度，减少计量人员配置，基本实现了全天候的水尺计量，满足公司低库存、快节奏的船运物资计量的保产工作。