彭赟

“曹沖稱象”在中國幾乎是婦孺皆知的故事。年僅六歲的曹沖，利用漂浮在水面上的物體的重力等于水對物體的浮力這一物理原理，解決了一個連許多有學問的成年人都一籌莫展的大難題，這不能不說是一個奇跡。

可在今天，面對動輒幾十、上百萬噸的運輸量，我們又該如何來稱“象”？這一切都不是問題，交給嘉興市大工自動化技術(shù)有限公司研發(fā)的智能爬壁機器人吧。

“力不從心”的傳統(tǒng)測量方式

截至2013年，我國港口貨物吞吐量達到97.49億噸，準確、快捷測定船舶裝載的貨物重量直接關(guān)系到買方、承運方、賣方等各方的經(jīng)濟利益，關(guān)系到港口物流的效率。

目前，全世界范圍內(nèi)船舶大宗商品測量大多采用人工目測船舶六面水尺的傳統(tǒng)方式，通過測定承運船舶的吃水及船用物料，并依照船舶的有關(guān)資料和圖表，測算出船舶裝卸貨物重量。

此類方法有多種缺陷：

第一，人工目測精度低。受風浪的限制，讀數(shù)準確度相對較低。特別是沿?？诎?，由于風浪較大，波浪峰谷之間相差可達1米，且無明顯規(guī)則。以載重量5萬噸級的散貨為例，船舶TPC（每厘米的排水量）一般為60多噸，也就是多讀或少讀1厘米的誤差是60多噸，以進口大豆每噸500美元算，1厘米的貨值達到3萬美元。在風浪起伏大的目測環(huán)境中，海浪波峰波谷之間落差達半米以上，人工目測精度難以達到1厘米誤差范圍。

第二，人工目測受氣候影響大。人工目測作業(yè)如果遇到大霧、大雨天氣，測量精度進一步降低，甚至不能作業(yè)，大型船舶載重量測量工作受到極大耽誤。

第三，人工測量危險性大、勞動強度高。船舶吃水標記在船體外側(cè)，5萬噸級的貨船滿載吃水處一般離甲板10米以上。在船只拋錨的情況下，為讀取吃水，計重人員（或船方大副）要從引水梯爬到吃水處讀取，既有一定的危險性又不準確。在船只靠碼頭的情況下，船舶內(nèi)側(cè)由于船體的阻擋，風浪相對較小，計重人員可以在碼頭讀取吃水，但是眼睛無法平視，會產(chǎn)生較大視覺誤差。讀取外側(cè)吃水時，計重人員必須另外再乘小船到大船外檔目測吃水，會增加很大費用，同時給目測人員帶來危險因素。

第四，人工測量效率低。無論是人工觀測吃水，還是后續(xù)的根據(jù)船舶參數(shù)進行重量計算，費時費力，不能滿足港口物流高效要求。

鑒于以上因素，急需開發(fā)智能化的船舶大宗商品載重測量系統(tǒng)。

機器人來“對癥下藥”

由于傳統(tǒng)的測量方式存在多種固有的缺陷，已經(jīng)逐漸無法滿足現(xiàn)實需求，基于智能爬壁機器人技術(shù)的船舶大宗商品載重測量系統(tǒng)正是針對這一現(xiàn)狀的一劑“良藥”。

抗海浪型吃水觀測系統(tǒng)。觀測系統(tǒng)包括觀測筒和攝像裝置，其作用有兩個：一是形成一個較為平靜的觀測水面，二是放置無線機器視覺裝置?？购＠擞^測筒設(shè)計為上部開口底部封閉并開有阻尼小孔，一半放入水面下，既要使觀測筒里面取得相對平靜的水面，又要使筒內(nèi)的水面高度與外部的平均高度一致。這就需要對阻尼小孔尺寸、觀測筒內(nèi)外的液位高度差和延時時間經(jīng)過反復(fù)的試驗與研究，得到一個合適的比例。機器視覺裝置能夠利用攝像與接收裝置代替人眼觀測，消除視覺誤差，使人不用攀爬或乘坐小船便可以讀取數(shù)據(jù)。其錄像功能使吃水值隨時可以還原，解決吃水值讀數(shù)的糾紛。讀數(shù)準確的關(guān)鍵是攝像鏡頭、觀測筒內(nèi)的水面與水尺標記在同一水平面上，對應(yīng)的水尺標記值才是吃水的準確值。攝像裝置要求重量輕、體積小、自帶電源、抗干擾能力強、無線傳輸距離長。

船體爬壁機器人。如何將觀測系統(tǒng)放入到指定的地點是爬壁機器人研究的重點。我們知道，船體外表面基本垂直又略有彎曲，要求爬壁機器人能在這樣的環(huán)境下，在其表面升降自如。觀測人員通過控制器使機器人到達指定的地點觀測船舶吃水。由于觀測裝置深入到海水內(nèi)，受波浪、潮水的沖擊力較大，本身也有一定的重量，對升降裝置要進退自如又要有較高穩(wěn)定性。機器人攜帶攝像裝置靠近水線附近采集圖像，是整個項目的關(guān)鍵點之一，其設(shè)計內(nèi)容主要包含：永磁吸附動力學模型的構(gòu)建、電傳動系統(tǒng)設(shè)計、跨越障礙物機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、防水抗壓結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)等。船體爬壁機器人的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)需要完成機器人電源供給、姿態(tài)穩(wěn)定、運動控制、圖像采集等動作?？刂葡到y(tǒng)的中央處理單元采用高速DSP芯片，運動控制單元采用驅(qū)動和控制一體化設(shè)計增強系統(tǒng)實時性和可靠性，圖像采集單元采用雙RAM循環(huán)存儲設(shè)計完成圖像的提取和緩存。

水尺圖像自動解讀系統(tǒng)。根據(jù)觀測到的吃水圖像，通過研發(fā)圖像識別軟件，自動識別攝像系統(tǒng)讀取的吃水值，結(jié)合儲存的船舶資料庫與載重量計算方法，得到當時船舶裝載貨物的重量。

這種新型船舶大宗商品載重測量裝置是國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)第一套自動化貨物載重測量裝置，技術(shù)難度高，創(chuàng)新型要求高，突破多項關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點，也需要很強的前期技術(shù)積累。新裝置使用機器人自動進行載重測量，能夠降低浪涌影響、采集水尺圖像、判讀水尺數(shù)據(jù)、保存和回放水尺數(shù)據(jù)，解決了人工水尺讀取作業(yè)中長期存在的難題，包括精度差、勞動強度高、危險性強、數(shù)據(jù)不能保存等。

（作者單位：嘉興市大工自動化技術(shù)有限公司）endprint