張勁軍，唐開勝，廖 月，朱增偉，張佳慧

（1.江蘇省灌溉動力管理一處，江蘇 泰州 225300；2.泰興市馬甸水利樞紐服務中心，江蘇 泰興 225400；3.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321）

水運產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，在直接繁榮水上交通和經(jīng)濟的同時，也給船舶擱淺、船舶碰撞等水上交通安全事故發(fā)生可能性的增大帶來了較大隱患。吃水深度作為船舶運輸過程中的重要參數(shù)，能夠通過檢測管理有效規(guī)避船舶在水深較小河段運行的安全故障，避免阻礙水上交通。但傳統(tǒng)模式下的吃水深度檢測方法較為笨重，測量精度差距較大，直接降低了管理人員或者管理部門對水上交通的治理效率，因此，研究新型船舶吃水深度檢測系統(tǒng)的必要性顯著增強。本文以超聲波測深為基本原理，構(gòu)建船舶運行過程中的超聲波測深系統(tǒng)也就具備重要理論意義和現(xiàn)實價值。

1 超聲波測深原理

在物理學研究過程中，聲波作為發(fā)生物體在氣體、固體甚至是液體等不同介質(zhì)中振動頻率的傳播，能夠通過聲波在介質(zhì)中傳播方向和振動方向一致性探究聲波檢測過程，從而利用超聲波檢測船舶吃水深度參數(shù)值的大小。以聲波方向性為例進行分析可知，由于聲波作為聲源通過介質(zhì)向周圍傳播重要信息，其傳播特性直接決取決于聲源振動頻率的大小以及所發(fā)出波長的長短，當聲波的波長大于其聲源的大小參數(shù)時，將會呈現(xiàn)均勻狀態(tài)向周圍范圍內(nèi)傳遞，而當波長處于較短范圍時，主要能量將會在聲波前方較小范圍內(nèi)的扇形區(qū)域內(nèi)傳播，具備更強的方向性，因此，能夠通過對聲波在傳播過程中相同位置點所構(gòu)成面的不同，將其分為不同的波形，從而利用波形分析聲源的具體情況，在此基礎上探究聲音傳播運行過程中具體船舶的吃水深度大小，圖1 即為球面波波形適應結(jié)構(gòu)圖。

圖1 球面波波形適應結(jié)構(gòu)圖

2 超聲波測深系統(tǒng)實現(xiàn)方案

考慮到水運產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展下船舶吃水深度檢測的重要性，本文結(jié)合某工程下游航道及其下閘門的具體運行情況，研制了基于超聲波的吃水檢測系統(tǒng)，利用了超聲波所攜帶的數(shù)據(jù)信息這一技術，能夠在不影響船舶運行通行速度甚至是通行時間的前提條件下，對船舶的吃水深度進行全天候不間斷的實時檢測。船舶信息處理過程中的吃水深度檢測系統(tǒng)、船舶數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)以及船舶航行速度檢測系統(tǒng)和船舶檢測顯示系統(tǒng)等能夠組成其綜合管理平臺，其中，船舶吃水檢測系統(tǒng)通過arm 和fpga 進行協(xié)同工作，進而通過對超聲波傳感器接收到的檢測數(shù)據(jù)信息的分析，探究船舶運行過程中的水位數(shù)據(jù)參數(shù)，從而通過檢測其支架的數(shù)據(jù)信息，得到船舶運行過程中不同點位甚至是不同運輸條件、不同速度下的吃水深度參數(shù)值大小，通過無線通信技術將船舶的具體深度數(shù)值信息向軟件系統(tǒng)進行傳遞，從而使船舶數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)能夠通過船舶自動識別系統(tǒng)加強對其傳船舶航行過程中基礎數(shù)據(jù)信息的接收和控制，并將該基礎數(shù)據(jù)信息傳遞到船舶信息管理綜合平臺，而綜合管理平臺又能夠進一步借助船舶速度檢測信息系統(tǒng)在多普勒效應的基礎支撐條件下，實現(xiàn)對其高精度和低速雷達等的有效利用，進而對船舶航行的速度進行檢測，將檢測結(jié)果返回到信息綜合管理平臺進行強化，對比得到不同區(qū)域范圍內(nèi)船舶具體吃水參數(shù)值大小。

基于超聲波的測深系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，主要包括了基于超聲波的測深系統(tǒng)的下位機設計和基于超聲波的測深系統(tǒng)的上位機開發(fā)設計兩大部分，其中，就基于超聲波的吃水深度檢測系統(tǒng)下位機設計而言，由于下位機在運行過程中需要結(jié)合超聲波傳遞過程中的方向特質(zhì)、衰減特質(zhì)甚至其衍射效應等，充分利用原理后進行其下位機硬件結(jié)構(gòu)的設計，充分調(diào)整結(jié)構(gòu)電路，實現(xiàn)基于超聲波的船舶航行系統(tǒng)的測深，在此過程中采用了arm 和fpga 的雙核架構(gòu)模式。能夠充分發(fā)揮其基本優(yōu)勢，arm 作為主控制器，能夠加強對基于超聲波的測深系統(tǒng)的整體控制，確保其檢測數(shù)據(jù)的高效融合。和上位機系進行無線連接通信的fpga作為輔助控制器，能通過測試系統(tǒng)輸入輸出端口優(yōu)勢，實現(xiàn)對高速信號的采集和存儲。在船舶航行過程中超聲波傳感器將其放置于發(fā)射和接受檢測下方后，檢測支架能夠通過其附體浮力漂浮于水中，從而借助水位計和傾角的傳感器，在發(fā)射既定信號后對船舶吃水深度進行檢測，發(fā)射端能夠通過電路的調(diào)節(jié)作用，和超聲波同步數(shù)據(jù)信號相結(jié)合[1]，當船舶航行數(shù)據(jù)信息模塊能夠接收到上位機控制信號數(shù)據(jù)后，基于fpga 的數(shù)據(jù)信息采集模塊和水位計采集模塊開始工作，在接到數(shù)據(jù)指令通過對接收端的調(diào)制甚至是放大之后，實現(xiàn)信號參數(shù)的模擬轉(zhuǎn)化，對采集到的數(shù)據(jù)信號進行高效率識別，當探測到超聲波同步信號后，能夠通過固定延時作用強化對超聲波檢測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到模塊，使水位計模塊能夠在接收到既定的工作指令后，按照固定的檢測效率向arm 模塊發(fā)送實時的船舶吃水水位數(shù)據(jù)信息。

基于超聲波的船舶吃水深度檢測過程中，其上位機的結(jié)構(gòu)設計主要是對檢測系統(tǒng)下位機所接收到的數(shù)據(jù)信息進行處理，得到數(shù)據(jù)預處理后的融合分析和解析，對其檢測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理之后得到參數(shù)信息，實現(xiàn)對船舶運行過程中吃水深度檢測，主要包括了數(shù)據(jù)提取和分析、超聲波檢測數(shù)據(jù)的浮動分析等諸多內(nèi)容。以超聲波檢測數(shù)據(jù)的浮動分析為例進行研究可知，基于超聲波的船舶吃水深度檢測系統(tǒng)，檢測裝置主要漂浮于水面，在水面出現(xiàn)波動狀況時，其檢測系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)一端將在水中進行浮動，進而對水面的檢測系統(tǒng)的檢測精確度和可信性造成一定不良影響，因此，基于超聲波的浮動檢測，必須對該類問題做出一定的優(yōu)化，以確保最終檢測得到的數(shù)據(jù)參數(shù)符合精確度要求。通過對水位計模塊以及傳感器模塊進行優(yōu)化設計后，在上位機軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和下位機的數(shù)據(jù)信息提取分析之后，能夠?qū)⒔邮盏降乃患皡?shù)信息等融合[2]，在超聲波檢測數(shù)據(jù)浮動分析的條件下得到較為精確的參數(shù)值。通過對船舶實際運行參數(shù)的觀測及船舶吃水深度的檢測，超聲波系統(tǒng)所發(fā)生的浮動為不規(guī)則浮動且并無規(guī)律可循，因此，需要對其超聲波檢測過程中的浮動搖擺情況進行高效率分析，按照超聲波檢測中重心在其三維空間內(nèi)的位置變化情況進行分類處理。

3 超聲波測深系統(tǒng)的應用

為了進一步探究本文所提出的基于超聲波船舶吃水深度檢測方案的應用有效性，文章對其進行了實驗模擬探測。整個模擬實驗室通過實驗室中水池的墻壁和水池內(nèi)的水進行航道的模擬，借助具有吸波材料的浮體來模擬船舶的通行過程，借助其材料對超聲波的吸收和減弱作用來模擬傳播通信過程中，在鋼板作用條件下對水下超聲波的遮擋作用。在對系統(tǒng)進行設置過程中，主要采取浮桶和遮擋板以及支架組成的方式，保持船舶運行的整體穩(wěn)定性，完成多次實驗過程。在對六個不同的遮擋深度進行統(tǒng)一條件下的充分檢測之后，判別船舶運行過程中吃水檢測深度的系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，當其檢測深度為107cm、112cm、117cm、122cm、127cm、132cm 時，得到的模擬航寬度為30m，檢測數(shù)據(jù)如表1 所示。由表可知，在不同的模擬遮擋深度條件下，基于超聲波的船舶吃水深度檢測效果的最終穩(wěn)定性較好，實驗誤差在可接受范圍內(nèi)，也就是說，基于超聲波的船舶吃水深度的檢測系統(tǒng)，能夠有效達成對船舶運行過程中吃水深度的全過程監(jiān)管和高效率的數(shù)據(jù)提取，從而為船舶運行過程中的各項決策提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 檢測數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

本文從水運產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展背景下船舶吃水深度檢測重要性出發(fā)，提出以超聲波技術支撐船舶測深，在分析超聲波測深原理的基礎上，詳細研究了超聲波測深系統(tǒng)實現(xiàn)方案，對其中的系統(tǒng)方案設計、功能、運行過程等進行了詳細的分析，最后探究了超聲波測深系統(tǒng)在船舶運輸產(chǎn)業(yè)中的具體實踐和應用，能夠有效改變傳統(tǒng)模式下船舶吃水深度檢測方法最終結(jié)果精確度不足和受外界環(huán)境影響較大的弊端，為我國水運產(chǎn)業(yè)技術優(yōu)化奠定了扎實的基礎。