船舶动态吃水在线监测方法研究外文翻译资料

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设计（论文）题目：船舶动态吃水在线监测方法研究

2016年2月28日

海道测量确定中船舶的动态吃水确定方法研究

摘要：在海道测量中高精度对于工程应用是很重要的，例如在海底建设海底管道和船舶在浅运河或者水道航行时富余水深对的航行安全。最低的海道测量标准是由负责航行安全的国际海道测量组织（IHO）创立的。和（IHO）一样，瑞典海事管理(SMA)新西兰(林茨)土地信息管理局,美国陆军工程兵团(USACE)测量标准。在40米深度，深度误差预算必须小于40厘米,根据（IHO）标准。在SMA海道测量标准允许的最大误差是只有22厘米。这些标准可以通过最小化误差来源来实现。海道测量中产生误差的一个原因是传感器吃水，在海道测量中通常使用静态吃水，在这篇文章中，决定用RTK GNSS方法来对不同速度航行的船舶的动态吃水进行测量，动态吃水和静态吃水之间的不同是根据精确的海道测量来分析的，这决定船舶的动态吃水必须达到精确测量工程的国。

关键词：动态吃水 海道测量 海道测量标准

1引言

水文科学可以用来解决有关海洋的问题和沿海导航问题，并且为海面航行的船舶提供了精确的图表和航行路线。这门科学成为为人类海上航行和运输提供可靠信息的重要依据。海上运输拥有巨大并且诱人的经济效益，因为75%的地球都是由海洋覆盖。土耳其通过公路运输与海运连接亚洲和欧洲，每年大约有50 000艘船只其中20%运输石油，它穿过博斯普鲁斯海峡和Cankkale海峡，在这浅水深和窄航道航行时船舶的富余水深变得非常重要来确保不会搁浅。从这来看，海道测量对船舶安全和维持稳定的经济效益是至关重要的。

水文数据收集根据不同的方法。声波和机载激光在水文学方法目前用于测量深度深度测量，也叫水深测量，受测量误差的影响。高精度的深度测量能通过最小化误差来实现，产生误差的一个原因是船舶传感器吃水的误差。深度是吃水深度加上测量深度，船舶的吃水可以根据建造数据得知，叫做静态吃水。在测量中，船舶吃水的实时变化值是不同于静态吃水值的。在收集水深数据时这种差异必须考虑进去。

本文中，根据实时应用RTK GNSS椭圆形高度测量方法来确定船舶在不同测量速度下的动态吃水值，与静态吃水值相比较分析来确定深度数据和精确的图表。

2深度测量方法和国际标准

声波和机载激光在水文学方法目前用于测量深度，使用光探测和测距的机载激光技术(激光雷达)是岸上的深度测量方法，这种方法是从空气中使用脉冲激光光束扫描。声波深度测量系统测量由传感器发出的两种方式旅行时间(TWTT)。如果声速已知，深度便可以求出。

单波束回声测深仪是用于自1900年代中期海道测量（国际海道测量组织IHO），多波束回声测深仪自1990年代以来一直用于海道测量，这个测量位于声呐和海底之间的波束角和宽度，并且深度便是由这个宽度乘以波束角的余弦值得

出。如图1所示A点的深度是由测量的深度值加上静态吃水值所得出。

深度

河床

角度

横梁

角度

传感器水平线

水线

船舶

静态吃水

图 1：深度测量方法

不同的测量方法具有不同的精度水平，有时候相同的测量工程会使用不同的精度。这种困惑可以通过形成统一的测量标准来消除，国际海道测量组织（IHO）的目的是在水文数据采集和海图出版上采用类似的方法和程序。测量被分为四个方面来应对2008S44所需要的问题。在港口和航道通道的关键区域有特殊的要求，在这些地方富余水深变得至关重要，整个海底需要完整的搜索。在特殊的应用程序上水文组织和机构制定了比国际海道测量组织还要更为严格的标准。例如美国陆军工程兵团（USACE),新西兰土地信息（林茨），瑞典海事管理局（SMA）和加拿大海道服务（CHS）在一些工程应用上都有自己的海道测量标准。减少测量深度精度的标准在表1给出。

表1 水道测量标准 d：深度 a:不随深度变化的部分c:随深度变化的部分

在表一中，升读用d表示，a表示不确定性不与深度变化的部分b表示部分不同深度下的不确定系数。（1）用于计算在95%的置信水平下特定降低深度最大允许的垂直的不确定性大小。

(1)

如所示表2，在浅水区，瑞典海事管理局SMA单独的海道测量标准在非常重要的运河，水道和特殊的地区所允许的垂直不确定性是22厘米。在美国陆军工程兵团USACE单独的标准是30厘米，加拿大海道服务（CHS）的标准是34厘米，新西兰土地信息CHS，和IHOS-44/ LINZ MB/CHS/SMA的标准是39厘米。

表2 利用表格1中做给的标准计算浅水域的水深精度。

另外阿特拉斯的深度测量精度扇扫20/200多束回声波探测器 (MBEES) 40米深度是13厘米，1050/1180的多束波探系统所测得的同一深度为18厘米。总的深度误差预算是由于所有的深度误差来源，如声速、传感器吃水、滚动、高音、深沉、潮流等等。使用SMA的独家标准，最大的允许深度不确定性如表2所示只有22厘米。

3船舶吃水的定义

船或者船舶吃水是由船舶基出水线和设计水线之间的高度差来定义的也叫作静态吃水。设计水线是在船舶设计工程的一个重要参数并且在船上是看不见的。预计水位线（WL）和设计水位（DWL）是相同的，船舶基线和海床之间的高差称为富余水深（UKC）。UKC限制也为船舶安全航行时的水道测量提供了测量标准图2描述了船舶的吃水、基础线和富余水深。

海床

水线

基础线

富余水深

发射器

静态吃水

设计水线位置

信号接收点

图2 船体和龙骨以下的吃水

在海道测量中，船舶的吃水探测值用公式测得，吃水深度值加上测量值来计算出探测值。在水文学中，静态吃水是由传感器和水位之间的高度差来确定的。船舶的静态吃水可以由当船舶驶出船厂的水池或者在海上使用钢筋检查法来确定。

深度=测量深度 静态吃水 (2)

如果船舶的吃水实时确定，这使得吃水叫做动态吃水。动态吃水是用公式（3）确定的。

动态吃水=静态吃水-下沉量-负载 (3)

动态吃水与船舶的下沉量和负载有关。下沉量的状态随着船的速度的增加是船首上升和船尾下降。(图3a）当船在水下时它将上浮的很慢，当它开始上浮时它将浮的更高在水中。这种吃水的变化叫做沉降。下沉量和沉降描述船舶的吃水和纵倾的变化。简单的说，下沉量吃水随着航行速度而变化。负载吃水随着时间的推移而变化，这是由于燃料的消耗、压载、用水量等等随着时间的变化。负载的变化可以用一个关于时间的近似线性函数来表示如果每天的吃水在开始和结束是都是静止的。也可能是监控燃料和水位和模型加载来改变这些参数的函数。当船舶使用燃料和水时船的重量减少，因此船的吃水也随之变化。新的吃水可以根据公式（4）计算出。

新的重量 / 旧的重量 = 新的吃水 / 旧的吃水 (4)

船舶下沉量可以由水准测量仪来测量，测量杆放在船的顶部，测量仪放在港口，船以不同的速度行驶操作者观察并记录下船从港口到同一地点测量杆的变化情况。

船用坐标是根据右手准则来确定的X轴指向船首，Y轴指向右舷，Z轴向上。在这个坐标系中，滚动对应于X轴旋转，俯仰对应于Y轴旋转，偏航对应于Z轴旋转。如图四所示。参考点是一般的容器的质量中心，在那里所有的测量，如位置，深度，滚动，俯仰和偏航运动都以此为参考。

升沉被认为是整个船体为了克服海水的力而上浮或者下沉。这个运动可以用运动传感器或者惯性系统来确定。在图五中a图中船舶的上浮或者下沉运动由于吃水的影响而使得船舶的设计水线和实际水线在同一水平线上。b图中是船舶受海浪影响上升c图中受海浪影响下降。

图 3 下沉、负载和沉降值

传感器和换能器不在同一垂直方向上，上升应该用这一公式（6）计算。静态吃水与动态吃水相比较，升沉运动应该加到静态吃水值上。

深度=测量深度 静态吃水 升沉值 (5)

船舶的升沉可以由传感器测得，如果

升沉值= -X sin(P)-Y sin（R）cos（P) z[1- cos(R)cos(P)] (6)

在公式（6）中 XYZ表示运动传感器和换能器之间的距离，P表示船舶前后摇晃，R表示船左右摇晃，动态传感器在水道测量中用来测量船舶前后摇晃和左右摇晃的角度和幅度。运动传感器由角速率传感器和线性加速度计组成。海上船只定向定位系统也用来确定船舶实时的动态和位置。

右

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