饒洪華

(大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司,遼寧 大連 116113)

0 引言

在非正式的貿(mào)易結(jié)算場(chǎng)合,對(duì)精確度要求不高的情況下,可以利用型線圖、結(jié)構(gòu)圖、艙容圖等建模的方式來(lái)計(jì)算船舶液艙艙容[1],但若用于計(jì)算裝載高價(jià)值的石油、液化天然氣等液艙艙容就會(huì)出現(xiàn)很大的價(jià)值差異。如:某貨油艙體積為10萬(wàn) m3的油船,扣除系數(shù)分別取1%和2%會(huì)導(dǎo)致計(jì)算載油量相差1 000 m3,按照油價(jià)70美元/桶(440美元/m3)計(jì)算,由估算方法帶來(lái)的價(jià)值差異高達(dá)280萬(wàn)元人民幣;某型13 000箱集裝箱船的燃料油艙(含重油、柴油、低硫油等)總?cè)莘e大約13 000 m3,假設(shè)實(shí)際艙容與計(jì)算艙容存在1%的差異,加滿一次油會(huì)有幾十萬(wàn)人民幣的價(jià)值差異。因此,保證艙容校準(zhǔn)和計(jì)算的準(zhǔn)確性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

目前艙容校準(zhǔn)方法一般采用容量比較法或幾何測(cè)量法。容量比較法一般適用于300 m3以下的小型不規(guī)則液艙,精度較高,但是對(duì)于大容量艙,該方法需要大量時(shí)間。幾何測(cè)量法是通過(guò)儀器對(duì)液艙的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量,并建立幾何模型計(jì)算艙容,但是用于不規(guī)則艙容積校準(zhǔn)則精度稍差。本文以某型18 000 m3耙吸式挖泥船為例,分析該船泥艙的特點(diǎn),并提出一種基于三維激光掃描技術(shù)的泥艙艙容校準(zhǔn)方法和全局坐標(biāo)系的遙測(cè)測(cè)深表(艙容校準(zhǔn)表)新形式,以避免上述2種艙容校準(zhǔn)和計(jì)算方式的不利影響。

1 艙容校準(zhǔn)資質(zhì)要求

根據(jù)建造規(guī)格書(shū)的要求,要對(duì)該粑吸式挖泥船燃料油艙(約2 300 m3)、泥艙(約18 000 m3)進(jìn)行艙容校準(zhǔn)測(cè)量。假設(shè)實(shí)際艙容與計(jì)算艙容存在1%的差異,泥艙相差180 m3,并不會(huì)影響挖泥船的營(yíng)運(yùn)或租賃計(jì)費(fèi)等,但是出于該船功能上的特殊要求,對(duì)泥艙進(jìn)行艙容校準(zhǔn)是必要的。

因?yàn)榕撊菪?zhǔn)屬于計(jì)量器具校準(zhǔn),所以船廠一般將此事委托給第三方專業(yè)公司來(lái)做。本項(xiàng)目要求校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)具備的資質(zhì)包括以下4個(gè)方面:

(1)校準(zhǔn)單位要有國(guó)家授權(quán),即國(guó)家法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)計(jì)量授權(quán)證書(shū),發(fā)證機(jī)關(guān)為國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局。

(2)校準(zhǔn)人員要有國(guó)家注冊(cè)計(jì)量師資質(zhì)。

(3)主要校準(zhǔn)設(shè)備要有檢驗(yàn)證書(shū)。

(4)校準(zhǔn)單位要有ISO/IEC 17025認(rèn)證,即CNAS實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可證書(shū)。此認(rèn)證由合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)授權(quán),目前全國(guó)僅兩家單位有授權(quán)資格。

2 艙容校準(zhǔn)測(cè)量方法及設(shè)備

依據(jù)國(guó)家檢定規(guī)程《船舶液貨計(jì)量艙容量》(JJG 702—2005)的技術(shù)要求,艙容計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法分為幾何測(cè)量法和容量比較法。此外,列舉了經(jīng)緯儀和全站儀的測(cè)量原理,但尚未有三維激光掃描儀的使用方法。

本文使用的是Focus 3DX330三維激光掃描儀。該設(shè)備采用目前國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的空間坐標(biāo)測(cè)量方法,所使用的激光掃描儀經(jīng)法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)出具校準(zhǔn)證書(shū),適用于單個(gè)艙的容量不大于100 000 m3大場(chǎng)景的空間信息獲取。該套系統(tǒng)對(duì)船艙進(jìn)行360°整體掃描,根據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立被校準(zhǔn)船艙的計(jì)算模型,再通過(guò)專業(yè)軟件進(jìn)行后期處理,計(jì)算出各高度下容量、縱傾修正值、橫傾修正值。

作為一種新的艙容校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器和方法,與傳統(tǒng)的使用全站儀的方法相比,有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)工作效率高。以一個(gè)5 000 m3的船艙為例,三維掃描大約耗時(shí)10 min,而全站儀測(cè)量時(shí)間超過(guò)1 h,效率提高很多倍。

(2)準(zhǔn)確度高。三維激光掃描儀在9 m距離內(nèi),絕對(duì)測(cè)距誤差小于0.5 mm,精確度遠(yuǎn)高于全站儀。并且三維掃描是點(diǎn)云測(cè)量,即通過(guò)測(cè)量無(wú)數(shù)的點(diǎn)而形成測(cè)量面。根據(jù)分辨率不同,通常一個(gè)艙的數(shù)據(jù)量可達(dá)1 G甚至更大,而全站儀是通過(guò)測(cè)量各特征點(diǎn)的數(shù)據(jù),信息量有限。測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)越多,越接近船艙實(shí)際的空間狀態(tài)。因此在進(jìn)行大空間、不規(guī)則艙的艙容校準(zhǔn)時(shí),三維掃描精確度大大提高。

(3)可以復(fù)現(xiàn)艙室空間。三維掃描后,可通過(guò)專業(yè)的后處理軟件直接呈現(xiàn)出測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的三維圖形,非常直觀。而全站儀只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)合軟件擬合出三維模型。

(4)不受船舶條件限制。在保證精度的同時(shí),三維掃描測(cè)量對(duì)船舶狀態(tài)的要求降低。因?yàn)楫?dāng)掃描儀定位在船上或艙內(nèi)時(shí),無(wú)論船舶縱傾、橫傾及船外風(fēng)浪的變化,船舶相對(duì)于三維掃描儀來(lái)說(shuō)都是靜止的,測(cè)量時(shí)不受船舶浮態(tài)的影響;當(dāng)船舶和掃描儀狀態(tài)達(dá)到同步時(shí),還可以進(jìn)行船外無(wú)接觸測(cè)量。而全站儀相對(duì)大地是水平的,要求船舶在船臺(tái)、旱塢或者浮船塢內(nèi)才能保證精度,如:船舶浮在水上,則要求測(cè)量過(guò)程中船舶盡可能處于正浮狀態(tài);當(dāng)船舶浮態(tài)發(fā)生變化,其測(cè)量值就會(huì)偏離實(shí)際值。

(5)自動(dòng)化程度高。三維掃描儀固定在某處并設(shè)置好參數(shù)后,可自動(dòng)掃描艙內(nèi)三維空間,不受外界因素干擾,并可通過(guò)后處理軟件處理掃描的信息。而全站儀測(cè)量時(shí),測(cè)量的每一個(gè)點(diǎn)都需要進(jìn)行人為干預(yù),受人為和環(huán)境因素的干擾。

本文配套測(cè)量設(shè)備包括激光測(cè)距儀、鋼卷尺、直尺、測(cè)深尺、深度游標(biāo)卡尺、溫度計(jì)及相關(guān)配套設(shè)備,主要用于輔助測(cè)量工作及特定結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、手動(dòng)測(cè)深管等測(cè)量。

3 泥艙艙容校準(zhǔn)特點(diǎn)

18 000 m3耙吸式挖泥船泥艙分為前、后2個(gè)泥艙,分別由2個(gè)和3個(gè)漏斗狀結(jié)構(gòu)組成。常規(guī)的泥艙校準(zhǔn)方式是在艙底平坦位置安放三維激光掃描儀,對(duì)所在測(cè)站視場(chǎng)范圍內(nèi)的三維空間進(jìn)行掃描測(cè)量。由于艙底部存在漏斗結(jié)構(gòu),因此需要分別在漏斗結(jié)構(gòu)兩側(cè)的不同位置進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)在艙內(nèi)設(shè)置公用測(cè)量點(diǎn)或測(cè)量公共區(qū)域,實(shí)現(xiàn)不同測(cè)站數(shù)據(jù)的整合,建立起被校準(zhǔn)船艙的三維點(diǎn)云模型,進(jìn)而計(jì)算相對(duì)應(yīng)的容積數(shù)值[3]。其次是測(cè)量每個(gè)手動(dòng)測(cè)深管或每個(gè)液位遙測(cè)傳感器相對(duì)于本艙的位置,編制針對(duì)每個(gè)測(cè)深管或者傳感器的手動(dòng)測(cè)深表或者遙測(cè)測(cè)深表,以供實(shí)際測(cè)量使用。

該挖泥船前泥艙共安裝有4個(gè)手動(dòng)測(cè)深小絞車和6個(gè)液位測(cè)量雷達(dá),后泥艙裝有6個(gè)手動(dòng)測(cè)深小絞車和9個(gè)液位測(cè)量雷達(dá)。常規(guī)做法是測(cè)量手動(dòng)小絞車和液位雷達(dá)相對(duì)于本艙的位置,即相對(duì)坐標(biāo)。根據(jù)建造規(guī)格書(shū)的要求,需測(cè)量基于全局坐標(biāo)系原點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo),即基于艉垂線、船中、船底板交點(diǎn)處(0,0,0)的坐標(biāo)。一種方法是在縱向上使用前、后泥艙壁作參考基準(zhǔn),橫向上以左側(cè)或右側(cè)的泥艙圍板作參考基準(zhǔn),垂向以主甲板或者泥艙圍板的上緣作參考基準(zhǔn),再使用三維激光掃描泥艙、小絞車和液位雷達(dá),就能算出泥艙范圍內(nèi)任一點(diǎn)及小絞車、液位雷達(dá)基于全局坐標(biāo)系原點(diǎn)(0,0,0)坐標(biāo)。但是在實(shí)際建造中,精度公差不可避免,船體變形客觀存在,上述艙壁、圍板、甲板等本身就不準(zhǔn),實(shí)際位置跟理論位置有少量差別,不能作為參考基準(zhǔn)。本項(xiàng)目以船上的全船定位參考點(diǎn)作測(cè)量基準(zhǔn),通過(guò)測(cè)出泥艙、小絞車、雷達(dá)對(duì)全船定位參考點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo),換算出基于全局坐標(biāo)系原點(diǎn)(0,0,0)的坐標(biāo)。

全船定位參考點(diǎn)是本船的另一個(gè)特殊位置信息。為了給船上的測(cè)量導(dǎo)航程序提供船舶的位置信息,在全船主甲板以上不同位置設(shè)計(jì)了23個(gè)點(diǎn),包括主甲板、艏樓甲板、羅經(jīng)甲板、上層建筑后壁、煙囪側(cè)面等無(wú)遮擋的位置,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,分段建造階段在每個(gè)點(diǎn)上焊接一塊小標(biāo)示板,不涂油漆,利于分辨。考慮到建造存在誤差,需要校準(zhǔn)這些定位參考點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)船臺(tái)大合龍完成后且船舶尚未下水時(shí),在船舶全局坐標(biāo)系原點(diǎn)位置(0,0,0)放置一個(gè)靶球,并在船臺(tái)附近及船上多個(gè)位置來(lái)測(cè)量這23個(gè)定位參考點(diǎn)相對(duì)于靶球的坐標(biāo),即可得到這23個(gè)點(diǎn)基于全局坐標(biāo)系原點(diǎn)(0,0,0)的實(shí)際坐標(biāo)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察,假設(shè)按照常規(guī)校準(zhǔn)方式,三維掃描儀放在漏斗底部,那么只能觀察到這23個(gè)全船定位參考點(diǎn)中的1個(gè),且距離三維掃描儀過(guò)遠(yuǎn),不利于瞄準(zhǔn)定位及精確測(cè)量。本項(xiàng)目通過(guò)安裝臨時(shí)輔助定位靶球和多點(diǎn)測(cè)量換算的方法解決了這個(gè)難題。

測(cè)量前,分別在泥艙的甲板橫梁、左右縱壁、前后艙壁等位置安裝12個(gè)臨時(shí)輔助定位靶球。當(dāng)三維掃描儀在艙底測(cè)量時(shí),可以同時(shí)測(cè)量到艙容信息、手動(dòng)小絞車、液位雷達(dá)和部分輔助定位靶球。艙內(nèi)測(cè)量完成后,再把三維掃描儀挪到泥艙的甲板橫梁上,進(jìn)行二次測(cè)量,此時(shí)可以同時(shí)測(cè)量到附近的某個(gè)全船定位參考點(diǎn)及大部分輔助定位靶球。這些在兩次測(cè)量中被重復(fù)測(cè)到的輔助定位靶球可以作為位置換算的中介。已知某個(gè)全船定位參考點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo),計(jì)算出某個(gè)輔助定位靶球的坐標(biāo),最終整個(gè)泥艙和手動(dòng)小絞車、液位雷達(dá)的基于全局坐標(biāo)系原點(diǎn)(0,0,0)的坐標(biāo)都可以被計(jì)算出來(lái)。測(cè)量示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 本項(xiàng)目泥艙艙容校準(zhǔn)示意圖

4 泥艙校準(zhǔn)報(bào)告新形式

常規(guī)的測(cè)深表(手動(dòng)或遙測(cè))僅僅是針對(duì)某一個(gè)測(cè)深管或者傳感器的。如果某個(gè)艙有多個(gè)測(cè)深管或者傳感器,則每一個(gè)測(cè)深管或者傳感器分別都有一組對(duì)應(yīng)它本身的測(cè)深表。但本船自動(dòng)化程度非常高,且挖泥船是特殊工程船舶,其測(cè)深表跟常規(guī)形式也不一樣。船方要求同時(shí)使用所有的液位測(cè)量雷達(dá),且只使用同一個(gè)遙測(cè)表。為滿足要求,本文在前、后泥艙各假設(shè)一個(gè)虛擬的點(diǎn)來(lái)代替各艙實(shí)際的液位測(cè)量雷達(dá),作為遙測(cè)測(cè)深表的計(jì)算起點(diǎn),這樣每個(gè)泥艙僅有一個(gè)遙測(cè)表。虛擬點(diǎn)示意見(jiàn)圖2。

圖2 泥艙遙測(cè)表計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)(虛擬點(diǎn))示意圖

先假設(shè)此虛擬點(diǎn)在泥艙頂部的中間,可以確定此虛擬點(diǎn)的坐標(biāo),而每個(gè)雷達(dá)的坐標(biāo)之前都已經(jīng)測(cè)量過(guò),那么每個(gè)雷達(dá)跟虛擬點(diǎn)的位置就是固定且已知的。泥艙的多個(gè)液位測(cè)量雷達(dá)分布在泥艙的前后左右不同位置,同時(shí)使用所有雷達(dá)或者至少有2～3個(gè)雷達(dá)在使用時(shí),就可以根據(jù)多個(gè)雷達(dá)之間的相對(duì)位置計(jì)算出泥艙內(nèi)實(shí)際液位的高度、縱傾、橫傾等信息,再換算成虛擬點(diǎn)處的液位高度,查遙測(cè)測(cè)深表就可以算出泥艙內(nèi)的液體裝載信息。這種以虛擬點(diǎn)為計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)的方式,通過(guò)船上泥艙液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)算,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控泥艙裝載量。

5 結(jié)論

(1)從船舶交付后營(yíng)運(yùn)現(xiàn)狀來(lái)看,本校準(zhǔn)方法及遙測(cè)測(cè)深表形式,能夠準(zhǔn)確并高度自動(dòng)化地測(cè)量泥艙艙容,滿足船舶主要功能的需求。

(2)艙容校準(zhǔn)方法需要根據(jù)具體工作方式、環(huán)境等外因?qū)鹘y(tǒng)方法作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改進(jìn)。三維激光掃描技術(shù)可以很好地應(yīng)用于類似于泥艙等復(fù)雜液艙的艙容校準(zhǔn)。

(3)由于泥艙中的泥泵排量非常大,傳統(tǒng)人工使用手動(dòng)小絞車的測(cè)量方式不適用于泥艙的測(cè)量,可以使用基于全局坐標(biāo)系的液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)泥艙液位變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(4)液位測(cè)量時(shí)使用多個(gè)雷達(dá)共同測(cè)量,不僅能統(tǒng)一測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),保證使用同一個(gè)測(cè)深表,同時(shí)還可以增加監(jiān)測(cè)工作時(shí)的容錯(cuò)率,保證即使只有少量幾個(gè)雷達(dá)正常工作也可以準(zhǔn)確完成泥艙裝載測(cè)量。