CN107215437B - 一种全回转起重船压载水调配系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全回转起重船压载水高效调配系统及其工作方法，所述的系统包括起重机监测测量系统、船舶吃水监测系统、压载水舱水位测量系统、报警系统、中央控制系统(含压载水调配优化模型及其高效求解策略)和压载管路调配系统。本发明可实现基于计算机的高效压载水调配方案辅助设计，优化调配方案，获得最优调配时间，从而提高调载速度和作业效率，节省工期，减少船舶大型设备的使用时间，从而降低成本，实现节能减排。本发明应用计算机控制技术，可一定程度上实现船舶压载水调配与进排水作业的自动化。计算机控制和人工经验进行调载相比，控制精度要好。人工控制需要手工进行调载作业，而计算机控制技术操作简单，自动化程度高。

Description

一种全回转起重船压载水调配系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，具体涉及一种全回转起重船吊装货物过程压载水调配技术及系统。

背景技术

全回转起重船起吊、回转作业会引起船舶纵向、横向倾斜，继而影响船舶自身安全，随着起重船大型化，该问题尤为突出，起吊重物产生的倾覆力矩会使横倾角达到7-8°，甚至更大。压载系统通过对全船压载水舱进行注入、排出或调配压载水，可调节、抵消起吊重物产生的巨大倾覆力矩，达到调整船舶吃水、船体纵、横向平衡及船舶稳心高度的目的，确保起重船海上作业安全。因此，压载水调配决定了起重船海上作业效率、成本和安全，具有重要意义。

中国专利CN1565926A公开了《好望角型散货船压载水排水-进水置换方法》，该方法是涉及一种压载水进排水方法，目的只是简化压载水置换过程。并不能减少起重船吊装过程倾覆力矩、保证作业安全。

中国专利CN203921155U公开了《新型压载水系统》，该系统的目的在于保证船舶安全运营。并未涉及压载水调配优化及其系统。

在确保起重船海上作业安全方面，已有工程技术多依靠工程经验。虽然对于小型起重船，船上相关人员根据自身经验人工粗略地估算压载水、人工起吊操作即可基本满足工程要求。但随着起重船日趋大型化，作业海况恶劣，操作性能要求更高，需短时间内调配大量压载水。现有船舶压载系统配置通常存在调载速度慢、控制精度差和自动化程度低等缺点，难以满足海上海况频繁变化、较好平静海况时段快速完成作业的要求，急需高效自动调配压载系统和技术。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种调载速度快、控制精度好和自动化程度高的全回转起重船压载水调配系统及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种全回转起重船压载水调配系统，包括起重机监测测量系统、船舶吃水监测系统、压载水舱水位测量系统、报警系统、中央控制系统和压载管路调配系统，所述的中央控制系统的输入端分别与起重机监测测量系统、船舶吃水监测系统和压载水舱水位测量系统连接，中央控制系统的输出端分别与监视器、报警系统和压载管路调配系统连接；

所述的压载管路调配系统包括阀门遥控系统、管路流量监测系统和压载水泵系统；所述的阀门遥控系统通过控制电磁换向阀，进而改变进入液压执行机构液压油流动的方向，达到控制阀门开闭的目的；当电磁阀两端电磁铁均断电，阀芯处在中位时，液压锁将液压执行机构两端油路无泄漏封闭，锁住阀门；所述的管路流量监测系统通过流量传感器测量管路流量，传输到中央控制系统中进行计算；所述的压载水泵系统测量水泵的运行状态反馈到中央计算系统；

所述的压载水舱水位测量系统通过压载水舱中安装的液位传感器，测量各舱室压载水情况，为控制和调配各舱室压载水提供依据；压载水舱水位测量系统由液位传感器、接口、控制卡、船用PC兼容机或工控机、分散式显示仪表组成；

所述的压载水舱有多个，每个压载水舱均设置进水管路和排水管路，汇总每个压载水舱的出水管路为总出水管，进水管路为总进水管，总出水管和总进水管之间通过压载泵进行调节。

所述的起重机监测测量系统用于实时测量起重机的回转角度、回转半径和重物重量；所述的船舶吃水监测系统用于测量船舶首尾和左右的吃水量；所述的报警系统用于对出现船舶浮态不安全情况进行报警：所述的中央控制系统用于将船舶的各项指标进行计算确定船舶的浮态，并对施工工况进行求解计算得到最优调配策略。

一种全回转起重船压载水调配系统的工作方法，包括以下步骤：

A、确定起重船吊机的工作条件及数据

根据实际的工作需要，确定起重船吊机的工作条件及数据，所述的工作条件包括吊机位置、压载水初始装载量和吊机回转半径；所述的数据包括本次起吊工程所吊重物的特征参数和吊机运行轨迹；所述的特征参数包括质量和尺寸；

B、中央控制系统获得上述工作条件及数据之后，通过建立的压载水调配优化模型，利用相适应的求解算法进行优化计算，获得最优方案，所述的最优方案包括压载水最优初始装载量、起吊过程各个舱室最优液位变化量和调配完成后压载水排出舷外的质量；

C、由中央控制系统执行模拟运算，确定所述的最优方案的可行性，如果可行，则转步骤C2；如果不可行，则转步骤C1；

C1、进行人工在线调整，并对调整方案进行评价仿真；如果调整方案可行，则转步骤C2；如果不可行，则转步骤B，直到获得可行方案；

C2、压载管路调配系统执行；

D、压载管路调配系统在执行的过程中，通过起重机监测测量系统、船舶吃水监控系统和压载水位测量系统实时监控船舶状态，并反馈至中央控制系统，由其决策、控制各系统运行；如果船舶达到危险状态，中央控制系统则触发报警系统报警，并停止自动运行转人工操作；如果船舶安全运行，则持续进行，直至完成调配作业；所述的船舶达到危险状态为船舶纵倾角或横倾角大于10°；

E、船舶压载系统完成调配工作之后，按照工况要求，排出压载水舱中的压载水到指定装载量后结束运行；

步骤B中所述的压载水调配优化模型建立方法如下：

以压载水总调配时间最小作为优化目标，则目标函数表示为：

mint＝t₁+t₂+t₃

式中：t为压载水的总调配时间，s；t₁为压载水从舷外进舱时间，s；t₂为压载水调配工作的时间，s；t₃为压载水向舷外排水时间，s；

其中，t₁、t₂、t₃的计算方法为：

式中：Q₁为压载水总装载体积，m³；Q₂为压载水舱的调配体积，m³；Q₃为压载水排出舷外的体积，m³；q为压载泵的流量，m³/h。本专利模型仅考虑通过压载泵调配压载水。

起重船舶在压载水调配前后均保持船体的平衡。调配前保证其压载水各个压载水舱初装载量保持船体平衡，即：

式中：i为压载水舱的编号；n为压载水舱的数目；m_i为第i个压载水舱压载水质量，m_i＝ρS_ih_i；h_i为第i个压载水舱的水位高度，m；S_i为第i个压载水舱的舱底面积，m²；x_i为第i个压载水舱的横向坐标；y_i为第i个压载水舱的纵向坐标；ρ为压载水的密度，kg/m³；g为重力加速度，取g＝9.8m/s²。

船舶在调配过程中，各个压载水舱中压载水与起吊重物之间保持船体的平衡，即：

式中：m为起吊货物的质量，kg；x为起吊货物的横向坐标；y为起吊货物的纵向坐标；M_x为起吊货物的横向力矩；M_y为起吊货物的纵向力矩；M_xi为第i个压载水舱的横向力矩；M_yi为为第i个压载水舱的纵向力矩；。

为保证起吊过程具有足够的压载水抵消货物倾覆力矩，压载水调配前的初始装载量满足：

Q_min≤Q≤Q_max

式中：Q为压载水调配前初始装载量，m³；Q_min为压载水最小初始装载量，m³；Q_max为压载水最大初始装载量，m³。

在调配过程中，压载水舱的水位不能高于压载水舱的高度，即

0≤h_i≤H_i

式中：H_i为第i个压载水舱的最大水位高度，m。

基于上述目标函数及其约束变量，建立起重船压载水调配优化模型，用于最优调配方案的计算机辅助设计。本发明以调配时间最小为优化目标，以初始装载量和压载水舱液位高度作为优化变量，考虑船体平衡及舱室限制等因素，建立起重船舶压载水调配优化模型归纳如下：

mint＝t₁+t₂+t₃

s.t.

Q_min≤Q≤Q_max

0≤h_i≤H_i

步骤B中所述的压载水调配优化模型求解方法如下：

将压载水调配过程分成若干个阶段，每个阶段最优调配不仅依赖于当前的压载水状态，而且还会影响以后的压载水状态。采用动态规划策略进行优化求解。作为一个n阶段的决策问题，由于初始状态是已知的，而每一个阶段的决策都是该状态的函数，故逐次得到最优策略所经过的各阶段状态，从而确定最优方案。

设每阶段状态变量为：

s_i,i＝1,2,...,n

s₂＝f₁，s₂+f₂＝s₃，s₃+f₃＝s₄，...，s_n+f_n＝s_n+1＝f，

且f₁＝s₂，0≤f₂≤s₃，...，0≤f_n≤s_n+1。

采用顺推解法，设u_k(s_k)为第k阶段状态处于s_k时的决策变量，从前向后依次有：

u₁(s₂)＝min(f₁)＝s₂及其最优解f₁ ^*，

u₂(s₃)＝min[f₂+u₁(s₂)]＝min[f₂+(s₃-s₂)]及其最优解

以此类推，即求出每一个阶段的最优解，从而得到最优策略为：

{u₁(f₁),u₂(f₂),u₃(f₃),…,u_n(f_n)}。

本发明的工作原理如下：全回转起重船压载水调配系统(以下简称“系统”)运行时，先由中央控制系统利用压载水调配优化模型计算最优压载水调配方案，分别传输至起重器控制模块和压载管路调配系统，控制起重机和压载管路进行吊装作业。在整个系统运行的同时，起重机监测系统、船舶吃水监测系统和压载水舱水位测量系统实时测量起重机参数、船舶吃水参数和压载水舱水位参数，并反馈至中央控制系统，进行方案安全评价及调整。如果没有安全隐患，则整个系统安全运行至结束，如果出现危险问题则会启动报警系统，停止一切调配工作与起重机运行，操作权限转换至工作台并通知相关技术人员进行人工操作，直至本次工程结束。

本发明的起吊重物重量测量可采用一种应变片式传感器，拉力的大小可以按照下式计算：

F＝σA＝EAε

式中，F为拉力；E为弹性模量；A为构件的截面积；σ为应力；ε为应变。

测量拉力时，两个应变片串联为同一电桥臂，其电桥输出为：

式中，K为应变片的灵敏度系数，对于金属材料，K取1.6—2之间，对于半导体材料，K取110—150之间；μ为材料的泊松比。

由上式得：

因此，可以根据给定某一电压和其电压输出值测得重量参数。

回转角度的测量，本发明采用一种电容式角位移传感器，放置在回转轴上检测，当回转角度θ为0时，有：

式中，ε_r为介质的相对介电常数；ε₀为真空介电常数(ε₀＝8.85×10^-12F/m)；d₀为两个极板之间的距离；S₀为两个极板之间的初始覆盖面积。

当回转角度θ≠0时，有：

因此，可以通过电容量C的变化测得起重机的回转角度。

测量电路选择一种运算放大器电路。C是一固定电容，C_x是传感器的电容，U_i是交流电压源，U₀是输出电压。在开环放大倍数A较大的情况下，有：

式中，“-”表示输出电压U₀与电源电压U_i反相位。

将C_x的运算公式代入有

回转半径是通过测量其起吊高度和吊臂幅度进行测量。起吊高度和吊臂幅度的测量通过监测安放在卷扬机上卷筒轴的传感器测得数据实现参数的测量。

采用一种能够测得卷轴筒圈数及回转角度的传感器，在电容式传感器的基础上通过增加螺纹，可以定量的改变动极板与定极板之间的距离，测量卷筒轴转动的圈数，通过卷筒轴与绳长之间的关系，对吊臂幅度和高度进行实时测量。

若电容器极板之间的距离由初始值d缩小为Δd，电容量增大为ΔC，则有：

若Δd/d<<1时，上式可以简化为：

此时，C与Δd近似为线性关系。

螺纹为单线螺纹，其导程为L，卷轴筒半径为R，则旋转角度为θ时卷轴筒绳缆运动长度l为：

l＝θR

因此，可以通过测量电容来测量起吊高度和吊臂幅度。

起重船吃水监测系统通过安装压力吃水传感器，利用四点(船首、船尾、左舷和右舷)吃水测量法，测出首尾和左右吃水，算出纵倾和横倾，并转换成船舶倾斜状态和排水量。该系统主要由船用PC兼容机或工控机、船舶吃水压力传感器(如YSZK型船用压力传感器)、数据采集卡、隔离数字量I/O卡、打印机及外部命令输入接口等组成。通过测量将参数反馈至中央控制系统进行计算。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可实现基于计算机的压载水调配方案辅助设计，优化调配方案，获得最优调配时间，从而提高调载速度和作业效率，节省工期，减少船舶大型设备的使用时间，从而降低成本，实现节能减排。

2、本发明应用自动化技术，可一定程度上提高船舶压载水调配与进排水作业的自动化程度。计算机控制和人工经验进行调载相比，控制精度要好。人工控制需要手工进行调载作业，而计算机控制技术操作简单，自动化程度高。

3、本发明在吊机对重物加载之后，打开压载水舱与海水之间的管道，不仅进行内部调配，同时还与海水进行交换，跟已有技术相比增加调配的灵活性。

4、压载水调配优化模型与求解，以及与其相匹配的压载水调配硬件系统是全回转起重船压载水高效调配的关键技术。本发明提出了一种压载水调配优化模型、求解流程、压载系统组成及其作业流程，从整个系统布置，到硬件、软件的结合，实现起吊重物自动化压载功能，解决海上起重作业的安全及效率问题。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是起重船压载水调配模型优化求解流程图。

图3是管隧式压载管路布置图。

图4是全回转起重船压载水舱布置图。

图5是本发明的系统组成示意图。

图6是实施例起重船优化调配方案各个压载水舱压载水重心高度变化图。

图7是实施例起重船传统调配方案各个压载水舱压载水重心高度变化图。

图8是实施例回转过程中压载水调配量随吊机回转角度变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。以某全回转起重船起吊重物为例，本发明实施例的系统组成、压载水舱布置及管路布置如图3-5所示，按照图1-2所示流程计算，本发明的应用效果分析如下：

全回转起重船的尺度参数表如下：

项目	参数
		总长/m	100
型宽/m	38
		型深/m	9
设计吃水/m	4.02
		主钩起重量/t	2500
吊臂长度/m	35
		压载泵流量/t·h<sup>-1</sup>	1980

设定工况：起吊重物质量为500t，压载水初始装载量为0t，起吊作业结束排水后装载量均为0t，重物起吊后将重物由0°位置回转至90°位置后卸下重物。将工程经验方案与本发明优化计算方案进行对比分析。

优化方案的调配舱室重心高度变化如图6所示，当吊机回转角度在0°-40°时，NO.3右侧压载水舱和NO.2右侧压载水舱的压载水位重心高度呈递增趋势，NO.1左侧压载水舱重心高度呈递减趋势，其他压载水舱水位没有明显变化；在40°之后，NO.3右侧压载水舱的重心高度持续增加，NO.1中部压载水舱和NO.1右侧压载水舱舱室重心高度下降，其他压载水舱水位没有明显变化。上述压载水舱重心高度变化过程表明，除了NO.3左侧压载水舱和NO.2左侧压载水舱的重心高度为0外，其余压载水舱重心高度均发生变化，优化调配方案通过调配其余5个舱室相互调配和从外界进行调配，满足起吊货物要求。

传统方案的调配压载水舱重心高度变化由图7所示，传统方案的实施是通过调整少数压载水舱水位调整船舶姿态，起重船在起吊货物时，按照操作经验，NO.1压载水舱的三个舱室重心高度分别为0.96m、1.16m、0.96m。当吊机回转角度在0°-40°时，NO.1左侧压载水舱重心高度呈递减趋势并趋近0，NO.3右侧压载水舱是压载水舱重心高度持续增加，其他压载水舱水位没有明显变化。在40°之后，NO.3右侧压载水舱是压载水舱重心高度继续持续增加，NO.1中部压载水舱重心高度下降，其他压载水舱重心高度没有发生明显变化。上述压载水舱重心高度变化过程表明，工程经验方案采用4个压载水舱进行相互调配和与外界进行调配，满足起重船吊装货物的要求。

如图8所示，本发明优化模型求得最优方案的压载水调配时间为1.24h。工程经验方案当采用822t初始装载量时，总压载水排量为2963.12t，压载水调配时间为1.49h。

优化方案压载水总调配量比经验方案减少503.63t，在压载水泵额定负荷下工作时，压载时间优化方案降低了16.8％。计算结果表明，虽然经验方案采用了较少的压载水舱进行互相调配，但是基于本文建立的优化模型获得的优化方案可以通过降低调配量来降低压载时间，从而有助于提高施工效率和能量损耗。

本发明相比一般全回转起重船，增加了压载水调配计算机辅助系统，可获得压载水调配优化方案，降低压载作业时间，提高作业效率和压载水调配自动化程度，具有良好的工程应用价值。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种全回转起重船压载水调配系统的工作方法，所述的调配系统包括起重机监测测量系统、船舶吃水监测系统、压载水舱水位测量系统、报警系统、中央控制系统和压载管路调配系统，所述的中央控制系统的输入端分别与起重机监测测量系统、船舶吃水监测系统和压载水舱水位测量系统连接，中央控制系统的输出端分别与监视器、报警系统和压载管路调配系统连接；

所述的压载管路调配系统包括阀门遥控系统、管路流量监测系统和压载水泵系统；所述的阀门遥控系统通过控制电磁换向阀，进而改变进入液压执行机构液压油流动的方向，达到控制阀门开闭的目的；当电磁阀两端电磁铁均断电，阀芯处在中位时，液压锁将液压执行机构两端油路无泄漏封闭，锁住阀门；所述的管路流量监测系统通过流量传感器测量管路流量，传输到中央控制系统中进行计算；所述的压载水泵系统测量水泵的运行状态反馈到中央控制系统；

所述的压载水舱水位测量系统通过压载水舱中安装的液位传感器，测量各舱室压载水情况，为控制和调配各舱室压载水提供依据；压载水舱水位测量系统由液位传感器、接口、控制卡、船用PC兼容机或工控机、分散式显示仪表组成；

所述的压载水舱有多个，每个压载水舱均设置进水管路和排水管路，汇总每个压载水舱的出水管路为总出水管，进水管路为总进水管，总出水管和总进水管之间通过压载泵进行调节；

所述的起重机监测测量系统用于实时测量起重机的回转角度、回转半径和重物重量；所述的船舶吃水监测系统用于测量船舶首尾和左右的吃水量；所述的报警系统用于对出现船舶浮态不安全情况进行报警：所述的中央控制系统用于将船舶的各项指标进行计算确定船舶的浮态，并对施工工况进行求解计算得到最优调配策略；

其特征在于：所述的工作方法包括以下步骤：

A、确定起重船吊机的工作条件及数据

根据实际的工作需要，确定起重船吊机的工作条件及数据，所述的工作条件包括吊机位置、压载水初始装载量和吊机回转半径；所述的数据包括本次起吊工程所吊重物的特征参数和吊机运行轨迹；所述的特征参数包括质量和尺寸；

B、中央控制系统获得上述工作条件及数据之后，通过建立的压载水调配优化模型，利用相适应的求解算法进行优化计算，获得最优方案，所述的最优方案包括压载水最优初始装载量、起吊过程各个舱室最优液位变化量和调配完成后压载水排出舷外的质量；

C、由中央控制系统执行模拟运算，确定所述的最优方案的可行性，如果可行，则转步骤C2；如果不可行，则转步骤C1；

C1、进行人工在线调整，并对调整方案进行评价仿真；如果调整方案可行，则转步骤C2；如果不可行，则转步骤B，直到获得可行方案；

C2、压载管路调配系统执行；

D、压载管路调配系统在执行的过程中，通过起重机监测测量系统、船舶吃水监控系统和压载水位测量系统实时监控船舶状态，并反馈至中央控制系统，由其决策、控制各系统运行；如果船舶达到危险状态，中央控制系统则触发报警系统报警，并停止自动运行转人工操作；如果船舶安全运行，则持续进行，直至完成调配作业；所述的船舶达到危险状态为船舶纵倾角或横倾角大于10°；

E、船舶压载系统完成调配工作之后，按照工况要求，排出压载水舱中的压载水到指定装载量后结束运行；

步骤B中所述的压载水调配优化模型建立方法如下：

以压载水总调配时间最小作为优化目标，则目标函数表示为：

mint＝t₁+t₂+t₃

式中：t为压载水的总调配时间，s；t₁为压载水从舷外进舱时间，s；t₂为压载水调配工作的时间，s；t₃为压载水向舷外排水时间，s；

其中，t₁、t₂、t₃的计算方法为：

式中：Q₁为压载水总装载体积，m³；Q₂为压载水舱的调配体积，m³；Q₃为压载水排出舷外的体积，m³；q为压载泵的流量，m³/h；

起重船舶在压载水调配前后均保持船体的平衡；调配前保证其压载水各个压载水舱初装载量保持船体平衡，即：

式中：i为压载水舱的编号；n为压载水舱的数目；m_i为第i个压载水舱压载水质量，m_i＝ρS_ih_i；h_i为第i个压载水舱的水位高度，m；S_i为第i个压载水舱的舱底面积，m²；x_i为第i个压载水舱的横向坐标；y_i为第i个压载水舱的纵向坐标；ρ为压载水的密度，kg/m³；g为重力加速度，取g＝9.8m/s²；

船舶在调配过程中，各个压载水舱中压载水与起吊重物之间保持船体的平衡，即：

式中：m为起吊货物的质量，kg；x为起吊货物的横向坐标；y为起吊货物的纵向坐标；M_x为起吊货物的横向力矩；M_y为起吊货物的纵向力矩；M_xi为第i个压载水舱的横向力矩；M_yi为为第i个压载水舱的纵向力矩；

为保证起吊过程具有足够的压载水抵消货物倾覆力矩，压载水调配前的初始装载量满足：

Q_min≤Q≤Q_max

式中：Q为压载水调配前初始装载量，m³；Q_min为压载水最小初始装载量，m³；Q_max为压载水最大初始装载量，m³；

在调配过程中，压载水舱的水位不能高于压载水舱的高度，即

0≤h_i≤H_i

式中：H_i为第i个压载水舱的最大水位高度，m；

基于上述目标函数及其约束变量，建立的起重船压载水调配优化模型，用于最优调配方案的计算机辅助设计；以调配时间最小为优化目标，以初始装载量和压载水舱液位高度作为优化变量，考虑船体平衡及舱室限制等因素，建立起重船舶压载水调配优化模型归纳如下：

mint＝t₁+t₂+t₃

s.t.

Q_min≤Q≤Q_max

0≤h_i≤H_i

步骤B中所述的压载水调配优化模型求解方法如下：

将压载水调配过程分成若干个阶段，每个阶段最优调配不仅依赖于当前的压载水状态，而且还会影响以后的压载水状态；采用动态规划算法进行优化求解；作为一个n阶段的决策问题，由于初始状态是已知的，而每一个阶段的决策都是该状态的函数，故逐次得到最优策略所经过的各阶段状态，从而确定最优方案；

设每阶段状态变量为s_i,i＝1,2,...,n

s₂＝f₁，s₂+f₂＝s₃，s₃+f₃＝s₄，…，s_n+f_n＝s_n+1＝f，

且f₁＝s₂，0≤f₂≤s₃，…，0≤f_n≤s_n+1；

采用顺推解法，设u_k(s_k)为第k阶段状态处于s_k时的决策变量，从前向后依次有：

u₁(s₂)＝min(f₁)＝s₂及其最优解f₁ ^*，

u₂(s₃)＝min[f₂+u₁(s₂)]＝min[f₂+(s₃-s₂)]及其最优解

以此类推，即求出每一个阶段的最优解，从而得到最优策略为：

{u₁(f₁),u₂(f₂),u₃(f₃),…,u_n(f_n)}。