饶洪华
(大连中远海运重工有限公司,辽宁 大连 116113)
在非正式的贸易结算场合,对精确度要求不高的情况下,可以利用型线图、结构图、舱容图等建模的方式来计算船舶液舱舱容[1],但若用于计算装载高价值的石油、液化天然气等液舱舱容就会出现很大的价值差异。如:某货油舱体积为10万 m3的油船,扣除系数分别取1%和2%会导致计算载油量相差1 000 m3,按照油价70美元/桶(440美元/m3)计算,由估算方法带来的价值差异高达280万元人民币;某型13 000箱集装箱船的燃料油舱(含重油、柴油、低硫油等)总容积大约13 000 m3,假设实际舱容与计算舱容存在1%的差异,加满一次油会有几十万人民币的价值差异。因此,保证舱容校准和计算的准确性具有十分重要的现实意义[2]。
目前舱容校准方法一般采用容量比较法或几何测量法。容量比较法一般适用于300 m3以下的小型不规则液舱,精度较高,但是对于大容量舱,该方法需要大量时间。几何测量法是通过仪器对液舱的几何尺寸进行测量,并建立几何模型计算舱容,但是用于不规则舱容积校准则精度稍差。本文以某型18 000 m3耙吸式挖泥船为例,分析该船泥舱的特点,并提出一种基于三维激光扫描技术的泥舱舱容校准方法和全局坐标系的遥测测深表(舱容校准表)新形式,以避免上述2种舱容校准和计算方式的不利影响。
根据建造规格书的要求,要对该粑吸式挖泥船燃料油舱(约2 300 m3)、泥舱(约18 000 m3)进行舱容校准测量。假设实际舱容与计算舱容存在1%的差异,泥舱相差180 m3,并不会影响挖泥船的营运或租赁计费等,但是出于该船功能上的特殊要求,对泥舱进行舱容校准是必要的。
因为舱容校准属于计量器具校准,所以船厂一般将此事委托给第三方专业公司来做。本项目要求校准机构具备的资质包括以下4个方面:
(1)校准单位要有国家授权,即国家法定计量检定机构计量授权证书,发证机关为国家市场监督管理总局。
(2)校准人员要有国家注册计量师资质。
(3)主要校准设备要有检验证书。
(4)校准单位要有ISO/IEC 17025认证,即CNAS实验室认可证书。此认证由合格评定国家认可委员会授权,目前全国仅两家单位有授权资格。
依据国家检定规程《船舶液货计量舱容量》(JJG 702—2005)的技术要求,舱容计量现场校准方法分为几何测量法和容量比较法。此外,列举了经纬仪和全站仪的测量原理,但尚未有三维激光扫描仪的使用方法。
本文使用的是Focus 3DX330三维激光扫描仪。该设备采用目前国内领先的空间坐标测量方法,所使用的激光扫描仪经法定计量技术机构出具校准证书,适用于单个舱的容量不大于100 000 m3大场景的空间信息获取。该套系统对船舱进行360°整体扫描,根据三维点云数据建立被校准船舱的计算模型,再通过专业软件进行后期处理,计算出各高度下容量、纵倾修正值、横倾修正值。
作为一种新的舱容校准测量仪器和方法,与传统的使用全站仪的方法相比,有以下几个优点:
(1)工作效率高。以一个5 000 m3的船舱为例,三维扫描大约耗时10 min,而全站仪测量时间超过1 h,效率提高很多倍。
(2)准确度高。三维激光扫描仪在9 m距离内,绝对测距误差小于0.5 mm,精确度远高于全站仪。并且三维扫描是点云测量,即通过测量无数的点而形成测量面。根据分辨率不同,通常一个舱的数据量可达1 G甚至更大,而全站仪是通过测量各特征点的数据,信息量有限。测量点的数据越多,越接近船舱实际的空间状态。因此在进行大空间、不规则舱的舱容校准时,三维扫描精确度大大提高。
(3)可以复现舱室空间。三维扫描后,可通过专业的后处理软件直接呈现出测量现场的三维图形,非常直观。而全站仪只能通过现场数据结合软件拟合出三维模型。
(4)不受船舶条件限制。在保证精度的同时,三维扫描测量对船舶状态的要求降低。因为当扫描仪定位在船上或舱内时,无论船舶纵倾、横倾及船外风浪的变化,船舶相对于三维扫描仪来说都是静止的,测量时不受船舶浮态的影响;当船舶和扫描仪状态达到同步时,还可以进行船外无接触测量。而全站仪相对大地是水平的,要求船舶在船台、旱坞或者浮船坞内才能保证精度,如:船舶浮在水上,则要求测量过程中船舶尽可能处于正浮状态;当船舶浮态发生变化,其测量值就会偏离实际值。
(5)自动化程度高。三维扫描仪固定在某处并设置好参数后,可自动扫描舱内三维空间,不受外界因素干扰,并可通过后处理软件处理扫描的信息。而全站仪测量时,测量的每一个点都需要进行人为干预,受人为和环境因素的干扰。
本文配套测量设备包括激光测距仪、钢卷尺、直尺、测深尺、深度游标卡尺、温度计及相关配套设备,主要用于辅助测量工作及特定结构的几何尺寸、手动测深管等测量。
18 000 m3耙吸式挖泥船泥舱分为前、后2个泥舱,分别由2个和3个漏斗状结构组成。常规的泥舱校准方式是在舱底平坦位置安放三维激光扫描仪,对所在测站视场范围内的三维空间进行扫描测量。由于舱底部存在漏斗结构,因此需要分别在漏斗结构两侧的不同位置进行测量,通过在舱内设置公用测量点或测量公共区域,实现不同测站数据的整合,建立起被校准船舱的三维点云模型,进而计算相对应的容积数值[3]。其次是测量每个手动测深管或每个液位遥测传感器相对于本舱的位置,编制针对每个测深管或者传感器的手动测深表或者遥测测深表,以供实际测量使用。
该挖泥船前泥舱共安装有4个手动测深小绞车和6个液位测量雷达,后泥舱装有6个手动测深小绞车和9个液位测量雷达。常规做法是测量手动小绞车和液位雷达相对于本舱的位置,即相对坐标。根据建造规格书的要求,需测量基于全局坐标系原点的绝对坐标,即基于艉垂线、船中、船底板交点处(0,0,0)的坐标。一种方法是在纵向上使用前、后泥舱壁作参考基准,横向上以左侧或右侧的泥舱围板作参考基准,垂向以主甲板或者泥舱围板的上缘作参考基准,再使用三维激光扫描泥舱、小绞车和液位雷达,就能算出泥舱范围内任一点及小绞车、液位雷达基于全局坐标系原点(0,0,0)坐标。但是在实际建造中,精度公差不可避免,船体变形客观存在,上述舱壁、围板、甲板等本身就不准,实际位置跟理论位置有少量差别,不能作为参考基准。本项目以船上的全船定位参考点作测量基准,通过测出泥舱、小绞车、雷达对全船定位参考点的相对坐标,换算出基于全局坐标系原点(0,0,0)的坐标。
全船定位参考点是本船的另一个特殊位置信息。为了给船上的测量导航程序提供船舶的位置信息,在全船主甲板以上不同位置设计了23个点,包括主甲板、艏楼甲板、罗经甲板、上层建筑后壁、烟囱侧面等无遮挡的位置,根据设计图纸,分段建造阶段在每个点上焊接一块小标示板,不涂油漆,利于分辨。考虑到建造存在误差,需要校准这些定位参考点的坐标。当船台大合龙完成后且船舶尚未下水时,在船舶全局坐标系原点位置(0,0,0)放置一个靶球,并在船台附近及船上多个位置来测量这23个定位参考点相对于靶球的坐标,即可得到这23个点基于全局坐标系原点(0,0,0)的实际坐标。
经现场勘察,假设按照常规校准方式,三维扫描仪放在漏斗底部,那么只能观察到这23个全船定位参考点中的1个,且距离三维扫描仪过远,不利于瞄准定位及精确测量。本项目通过安装临时辅助定位靶球和多点测量换算的方法解决了这个难题。
测量前,分别在泥舱的甲板横梁、左右纵壁、前后舱壁等位置安装12个临时辅助定位靶球。当三维扫描仪在舱底测量时,可以同时测量到舱容信息、手动小绞车、液位雷达和部分辅助定位靶球。舱内测量完成后,再把三维扫描仪挪到泥舱的甲板横梁上,进行二次测量,此时可以同时测量到附近的某个全船定位参考点及大部分辅助定位靶球。这些在两次测量中被重复测到的辅助定位靶球可以作为位置换算的中介。已知某个全船定位参考点的实际坐标,计算出某个辅助定位靶球的坐标,最终整个泥舱和手动小绞车、液位雷达的基于全局坐标系原点(0,0,0)的坐标都可以被计算出来。测量示意图见图1。
图1 本项目泥舱舱容校准示意图
常规的测深表(手动或遥测)仅仅是针对某一个测深管或者传感器的。如果某个舱有多个测深管或者传感器,则每一个测深管或者传感器分别都有一组对应它本身的测深表。但本船自动化程度非常高,且挖泥船是特殊工程船舶,其测深表跟常规形式也不一样。船方要求同时使用所有的液位测量雷达,且只使用同一个遥测表。为满足要求,本文在前、后泥舱各假设一个虚拟的点来代替各舱实际的液位测量雷达,作为遥测测深表的计算起点,这样每个泥舱仅有一个遥测表。虚拟点示意见图2。
图2 泥舱遥测表计量基准点(虚拟点)示意图
先假设此虚拟点在泥舱顶部的中间,可以确定此虚拟点的坐标,而每个雷达的坐标之前都已经测量过,那么每个雷达跟虚拟点的位置就是固定且已知的。泥舱的多个液位测量雷达分布在泥舱的前后左右不同位置,同时使用所有雷达或者至少有2～3个雷达在使用时,就可以根据多个雷达之间的相对位置计算出泥舱内实际液位的高度、纵倾、横倾等信息,再换算成虚拟点处的液位高度,查遥测测深表就可以算出泥舱内的液体装载信息。这种以虚拟点为计量基准点的方式,通过船上泥舱液位监测系统的后台自动运算,可以实时监控泥舱装载量。
(1)从船舶交付后营运现状来看,本校准方法及遥测测深表形式,能够准确并高度自动化地测量泥舱舱容,满足船舶主要功能的需求。
(2)舱容校准方法需要根据具体工作方式、环境等外因对传统方法作出适当的调整和改进。三维激光扫描技术可以很好地应用于类似于泥舱等复杂液舱的舱容校准。
(3)由于泥舱中的泥泵排量非常大,传统人工使用手动小绞车的测量方式不适用于泥舱的测量,可以使用基于全局坐标系的液位监测系统来完成对泥舱液位变化的实时监控。
(4)液位测量时使用多个雷达共同测量,不仅能统一测量标准,保证使用同一个测深表,同时还可以增加监测工作时的容错率,保证即使只有少量几个雷达正常工作也可以准确完成泥舱装载测量。
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