CN109437020B

CN109437020B - 集装箱岸桥用船舶浮态及稳性监测装置及其监测方法

Info

Publication number: CN109437020B
Application number: CN201910055951.1A
Authority: CN
Inventors: 曹民
Original assignee: SHANGHAI SHENGMAI ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY Co Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: SHANGHAI SHENGMAI ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY Co Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2039-01-22
Also published as: CN109437020A

Abstract

一种集装箱岸桥用船舶浮态及稳性监测装置及其监测方法，根据码头作业管理系统和岸桥监控计算机获取的码头潮位及波况、系泊约束、装卸作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、吊具倾角等信息，通过船摇非系泊约束极值点测量法推算固有周期和稳态倾角，计算并校验船舶静倾角和初稳性安全，实现对船舶装卸过程进行浮态及稳性报警；解决未配备装载仪且无法提供装载信息的小型集装箱船舶难以准确校验初稳性安全的问题，克服横摇周期试验方法需要解除船舶系泊并测量完整周期的不足，大幅缩短吊具在船上着箱后的测量时间，为码头和船方及时采取积载或压载调整提供即时数据参考，可广泛应用于人工或自动化码头的各类集装箱岸桥。

Description

集装箱岸桥用船舶浮态及稳性监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种用于集装箱岸桥的船舶浮态及稳性监测装置及其监测方法，尤其是根据码头作业管理系统和岸桥监控计算机获取的码头潮位及波况、系泊约束、装卸作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、吊具倾角等信息，通过船摇非系泊约束极值点测量法推算固有周期和稳态倾角，计算并校验船舶静倾角和初稳性安全，实现对船舶装卸过程进行浮态和稳性报警的智能监测装置及其监测方法。

背景技术

集装箱岸桥（即岸边集装箱起重机）是一种安装在集装箱码头岸边、专用于集装箱船舶装卸作业的港机设备，是保证码头作业安全及效率的关键环节；码头作业管理系统（TOS）是监控和管理集装箱码头各作业环节的计算机辅助操作平台，具有装卸船、泊位、闸口、堆场、预约、计费、统计、报表等综合管理功能，是维持集装箱码头高效运营的必备工具。

船舶系泊常指通过系泊索及属具使船舶安全停靠于码头泊位，系泊索及属具配置应充分考虑泊位、风浪流、潮位涨落和装卸吃水等因素；其布置形式主要为倒缆（纵向）和横缆（横向）两类，分别约束船舶前进、后退和离岸方向的位移，岸边碰垫或防撞桩约束船舶靠岸方向的位移；系泊索长度应根据潮位和吃水变化相应调节，正常工况下系泊对船舶小幅纵摇和横摇约束很小（至多单侧约束）；自动系泊能通过永磁或真空吸盘使船舶快速靠泊，对船体小幅升沉、纵摇和横摇运动一般无约束。船舶浮态是指船舶浮于静水的平衡状态，可用吃水、横倾角和纵倾角等参数表示，船舶设计及工作浮态均应保持正浮或稍有尾倾状态，非正常浮态对船舶性能及航行安全不利。船舶稳性是指船舶抵抗风、浪等外力而不致倾覆的能力，包括初稳性、大倾角稳性和破舱稳性等衡准：初稳性是指横倾角小于10-15deg（或上甲板边缘开始入水前）的稳性衡准，主要以初稳性高来度量；大倾角稳性是指横倾角大于10-15deg（或上甲板边缘开始入水后）的稳性衡准，主要以复原力臂曲线特性和气象衡准来度量；破舱稳性是指破损后具有漂浮和抵抗一定程度风、浪等外力的剩余稳性。稳性大小与船型结构和载荷分布有关，航行安全要求船舶具有适度的稳性，稳性过小容易引起船舶失稳倾覆，稳性过大又会引起船舶剧烈横摇，对货物系固、船体结构、船上人员及设备造成不利影响，在内河、沿海和遮蔽航区航行的船舶可主要考虑初稳性安全。

为保证船舶浮态及稳性安全、提高积载精度及装卸效率，集装箱港口装卸安全规范中明确规定了装卸过程中船舶纵、横静倾角应不大于允许倾角（一般取3deg）；海船建造/入级规范中明确规定了船长100m及以上的所有第类船舶应配备经认可的装载仪，并规定在沿海、遮蔽航区航行的船舶可不配备装载仪；内河船舶建造/入级规范中未明确规定应配备装载仪；因装载仪缺乏集装箱重心位置的实测数据，一般按箱体几何中心作为重心位置计算，故实际重心位置偏差会影响稳性计算精度。目前，大量未配备装载仪且无法提供装载信息的小型船舶（船长在70m以内），主要依据IMO（国际海事组织）船舶完整稳性规则中规定的横摇周期试验方法，利用船舶型宽（船型结构设计参数）、横摇系数（集装箱船介于0.78±0.05，已计及岸边、浅水和舱内自由液面的影响）和横摇固有周期（船舶在平静水域激发瞬态横摇时测得的自由周期）等数据来估算船舶的初稳性高（介于0.025～0.075×型宽，规定满载时最低，0.20m及以下误差较大，安全下限为0.3m）；由于船舶在开敞水域通常是受迫摇摆（或仅在瞬间是自由摇摆），人工难以准确测量横摇固有周期。另外，箱重计量不准、配载方案差错、积载作业不当等因素也可能导致累积误差，从而造成船舶失稳事故时有发生。

为解决监测装置在所需船舶上难以强制改装或临时取放不便等问题，考虑在岸桥上安装激光、超声波、机器视觉等非接触式测量装置，但因船形轮廓不规则、船体静水系泊摆幅较小、且纵移/横移/纵摇/横摇/升沉/回转6自由度运动耦合，故难以准确获取纵/横倾角信息；其次，考虑借助具有充电、起降、导航、定位、识别、避障、夜视和抓放等自动功能的多旋翼无人机来执行监测船舶稳性、巡检装卸作业等多任务，但飞行安全、设备成本、环境适应性、系统可靠性等问题尚未得到根本解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对未配备装载仪且无法提供装载信息的小型集装箱船舶，因难以准确测量横摇固有周期而造成初稳性高估算不准、装载失稳事故难免发生；另外，横摇周期试验方法需要解除船舶系泊并测量完整周期，无法利用靠港装卸作业产生的自由横摇，且难以满足岸桥装卸作业的效率要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：鉴于吊具在船上着箱方向与船舶纵横轴对齐，且吊具重量相对装载可忽略，故可通过加装在吊具上的动态倾角传感器获取船舶纵横倾角信息；其次，由于正常工况下系泊对船舶小幅横摇约束很小（至多单侧约束），故可通过测量横摇非系泊约束极值点的倾角及其加速度推算横摇固有周期，该极值点时刻±1/4固有周期对应的倾角即为稳态倾角；再者，上述完整测量所需时长为1/4～1/2固有周期，满足岸桥装卸作业的效率要求（据统计测算：小型船舶横摇固有周期<10s，吊具在船上着箱时间>5s）；此外，开敞（或半开敞）码头的静水条件可通过获取码头水域的波浪状况信息来定时监测。因此，本发明可根据码头潮位及波况、系泊约束、装卸作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、吊具倾角等信息，通过船摇非系泊约束极值点测量法推算固有周期和稳态倾角，计算并校验船舶静倾角和初稳性安全，实现对船舶装卸过程进行浮态及稳性报警；其中：码头潮位及波况信息由码头作业管理系统通过设置在码头水域的水岸高差和波浪状况等传感器定时获取，系泊约束信息由码头作业管理系统通过设置在码头岸边的缆桩系缆力和护舷挤靠力等传感器实时获取（或通过倾角波谱分析间接获取），装卸作业和船型结构信息由码头作业管理系统通过进港船舶预先获取，吊具位置信息通过已装在大车、小车和吊索上的增量或绝对值编码器实时获取，吊索松紧信息通过已装在吊索上的称重传感器或松索限位开关实时获取，吊具倾角信息通过加装在吊具上的动态倾角传感器实时获取。其工作原理是：1）岸桥监控计算机根据码头波况、吊具位置和吊索松紧等信息判定为静水工况且吊具在船上着箱时，连续采集船舶纵横倾角和系泊约束信号；判定为吊具在船上起箱（或延时结束）时，对所得倾角θ信号低通滤波再两次求导后得到倾角速度和倾角加速度序列。2）搜索、且非系泊约束时对应的时刻t _f、倾角θ _f和倾角加速度，计算横摇固有周期T=2π∙sqrt(|θ _f/|)，t _f±T/4时刻对应的倾角即为稳态倾角θ _s。3）读取型宽B和设计水线长L等船型结构信息，如无法直接实测平均型吃水d，可按设计型吃水进行保守估算，或根据船底平板龙骨上缘距着箱顶面高h _kc（根据装卸作业和船型结构信息确定）、水面距地面高h _wg（根据码头潮位信息确定）、地面距着箱顶面高h _gc（即吊具在船上着箱松索或起箱紧索时地面距吊具下缘高，根据吊具位置和吊索松紧信息确定）、着箱点至中横剖面间距l _cx和中纵剖面间距l _cy（根据装卸作业和船型结构信息确定）、起始横倾角θ _bx和起始纵倾角θ _by（即吊具在船上着箱松索或起箱紧索时的横、纵倾角，根据吊索松紧和吊具倾角信息确定）间接推算d=h _kc-h _wg-h _gc-l _cx∙sinθ _by-l _cy∙sinθ _bx，并按规定的近似公式估算横摇系数f=(746+46B/d-0.86L)×10^-3，再算出经自由液面修正后的初稳性高GM=(f∙B/T)²。4）分别用规定的允许值来校验船舶静倾角和初稳性安全，实现对船舶装卸过程进行浮态及稳性报警；最后通过码头作业管理系统向船舶发送浮态及稳性监测信息，为码头和船方及时采取积载或压载调整提供即时数据参考。其补充方案是：1）如遇码头大风浪流或非正常系泊等干扰船舶双侧自由摇摆时，应停止或忽略上述监测；2）若吊具在船上着箱后的停留时间小于测量时间，为减少对岸桥装卸作业效率的影响，岸桥监控计算机可根据监测进程来控制吊具运行，对装卸过程进行分段或终段监测；3）根据岸桥大车、小车和吊索上的位置编码器和称重传感器所获装、卸和移箱的位置、重量及偏心距等信息，可算出船舶初稳性高和静倾角的变化量，为上述监测、浮态调中和稳性调整提供比对或补充依据；4）为减少吊索松紧、船舶升沉等因素导致的测量误差，也可通过岸桥上的机器视觉、激光测距等监测设备获取地面距着箱顶面高、着箱点至中横剖面间距和中纵剖面间距等实时信息。

本发明的有益效果是：能根据码头作业管理系统和岸桥监控计算机获取的码头潮位及波况、系泊约束、装卸作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、吊具倾角等信息，通过船摇非系泊约束极值点测量法推算固有周期和稳态倾角，计算并校验船舶静倾角和初稳性安全，实现对船舶装卸过程进行浮态及稳性报警；解决未配备装载仪且无法提供装载信息的小型集装箱船舶难以准确校验初稳性安全的问题，从而减轻船员测试工作强度和保障船舶装载稳性安全；克服横摇周期试验方法需要解除船舶系泊并测量完整周期的不足，有效利用靠港装卸作业产生的自由横摇，大幅缩短吊具在船上着箱后的测量时间，基本满足岸桥装卸作业的效率要求；为码头和船方及时采取积载或压载调整提供即时数据参考，可广泛应用于人工或自动化码头的各类集装箱岸桥。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中系统架构的结构框图。

图2是本发明中系统架构的结构简图之正视图。

图3是本发明中系统架构的结构简图之俯视图。

图4是本发明中系统软件的算法流程图。

图5是本发明中系统软件的操作主面板。

图6是本发明中系统软件的设置子面板。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步描述。

在图1、2和3所示实施例中，本发明中系统架构的结构组成主要包括码头潮位及波况信息（TWI）、系泊约束信息（MCI）、装卸作业信息（LUI）、船型结构信息（SSI）、浮态及稳性监测信息（FSI）、码头作业管理系统（TOS）、岸桥监控计算机（BMC）、吊具位置信息（SPI）、吊索松紧信息（STI）、吊具倾角信息（SAI）、吊具运行控制（SOC）等部分，其中：码头潮位及波况（包括波向、波高、波长、周期等）信息由码头作业管理系统通过设置在码头水域的水岸高差和波浪状况等传感器定时获取，系泊约束信息由码头作业管理系统通过设置在码头1岸边的缆桩11系缆力和护舷12挤靠力等传感器实时获取，装卸作业和船型结构信息由码头作业管理系统通过进港船舶2预先获取，吊具位置信息通过已装在岸桥3大车31、小车32和吊索33上的增量或绝对值编码器实时获取，吊索松紧信息通过已装在吊索上的称重传感器或松索限位开关实时获取，吊具倾角信息通过加装在吊具34上的动态倾角传感器实时获取；其基本原理是：岸桥监控计算机通过通信接口获取码头潮位及波况、系泊约束、装卸作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、吊具倾角等信息，根据浮态及稳性监测和吊具运动控制等算法来自动（或手动）控制吊具运行，再通过码头作业管理系统向船舶发送浮态及稳性监测信息，为码头和船方及时采取积载或压载调整提供即时数据参考。

在图4所示实施例中，本发明中系统软件的算法流程主要包括系统启动、参数设置、数据采集、数据处理、校验报警等部分。1）系统启动：控件初始化/使能/禁用，读取参数退出设置，配置通信接口，配置测量文件，加载船模文件，系统故障诊断（如有系统故障，则退出系统、提示及记录故障）等；2）参数设置：恢复用户/出厂设置、修改/保存用户设置，应用并退出参数设置；3）数据采集：读取型宽B和设计水线长L等船型结构参数，并预设门限值m ₁和m ₂、允许值n ₁、n ₂和n ₃等条件参数；连续采集码头波况、吊具位置和吊索松紧等测量信号，当判定为静水工况且吊具在船上着箱时，连续采集船舶纵横倾角、缆桩系缆力和护舷挤靠力等信号，并记录测量数据、演示船舶动态倾角波形及动画；再读取船底平板龙骨上缘距着箱顶面高h _kc、水面距地面高h _wg、地面距着箱顶面高h _gc、着箱点至中横剖面间距l _cx和中纵剖面间距l _cy、起始横倾角θ _bx和起始纵倾角θ _by等实测数据；4）数据处理：判定为吊具在船上起箱（或延时结束）时，对倾角信号进行低通滤波处理，再对所得信号两次求导得到倾角速度及加速度序列；创建时间t、倾角θ、倾角速度、倾角加速度、缆桩系缆力f _m和护舷挤靠力f _b数组，搜索数组中、、f _m<m ₁且f _b<m ₂时对应的时刻t _f、倾角θ _f和倾角加速度，计算横摇固有周期T=2π∙sqrt(|θ _f/|)，数组中t _f±T/4时刻对应的倾角即为稳态倾角θ _s；推算平均型吃水d=h _kc-h _wg-h _gc-l _cx∙sinθ _by-l _cy∙sinθ _bx，估算横摇系数f=(746+46B/d-0.86L)×10^-3，再算出经自由液面修正后的初稳性高GM=(f∙B/T)²；5）校验报警：判定为|θ _s|>n ₁时，船舶静倾角报警（指示前/后/左/右倾超限）；判定为GM<n ₂或>n ₃时，船舶初稳性报警（指示稳性过低/过高）。

在图5和6所示实施例中，本发明中系统软件的人机界面主要包括操作主面板和设置子面板等部分；1）操作主面板主要包括船舶三维动画演示、船舶动态倾角波形图表、船舶浮态/稳性报警显示、船舶稳态倾角显示（包括X轴/横倾、Y轴/纵倾）、船舶横摇稳性显示（包括固有周期、初稳性高）、船型结构参数显示（包括型宽、设计水线长）、吊具工作状态显示（包括吊具位置、吊索松紧）、船舶动态倾角显示（包括X轴/横倾、Y轴/纵倾）、设置按钮、启动按钮、退出按钮和帮助按钮等控件，用户可通过触控式显示屏进行监视和操作。2）设置子面板主要包括保存用户设置按钮、恢复用户设置按钮、恢复出厂设置按钮、应用退出按钮、动画演示参数（包括视角位置、坐标位置、对象位置等）、倾角计配置参数（包括倾角计通信端口、倾角计零点设置等）、浮态/稳性报警参数（包括横倾角上/下限、纵倾角上/下限、初稳性高上/下限等）、测量记录保存（包括测量文件写入、测量文件路径等）等控件，其中：保存用户设置用于打开文件路径对话框，保存当前设置作为用户自定义设置；恢复用户设置用于打开文件路径对话框，恢复之前保存的用户自定义设置；恢复出厂设置用于恢复出厂默认设置；应用退出用于自动保存当前设置作为程序重启时的初始设置，应用修改并退出设置子函数。

Claims

1.一种集装箱岸桥用船舶浮态及稳性监测装置，能根据包括码头潮位及波况、系泊约束、装卸作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、吊具倾角的信息，通过摇摆非约束极值点测量法推算固有周期和稳态倾角，计算并校验船舶静倾角和初稳性安全，实现对船舶装卸过程进行浮态及稳性报警；其中：码头潮位及波况信息由码头作业管理系统通过设置在码头水域的水岸高差和波浪状况传感器定时获取，系泊约束信息由码头作业管理系统通过设置在码头岸边的缆桩系缆力和护舷挤靠力传感器实时获取、或通过倾角波谱分析间接获取，装卸作业和船型结构信息由码头作业管理系统通过进港船舶预先获取，吊具位置信息通过已装在大车、小车和吊索上的增量或绝对值编码器实时获取，吊索松紧信息通过已装在吊索上的称重传感器或松索限位开关实时获取，吊具倾角信息通过加装在吊具上的动态倾角传感器实时获取。

2.根据权利要求1所述的集装箱岸桥用船舶浮态及稳性监测装置，所述装置的工作原理是：1）岸桥监控计算机根据码头波况、吊具位置和吊索松紧信息判定为静水工况且吊具在船上着箱时，连续采集船舶纵横倾角θ和系泊约束信号；判定为吊具在船上起箱或延时结束时，对所得纵横倾角θ信号低通滤波再两次求导后得到倾角速度和倾角加速度序列；2）搜索、且非系泊约束时对应的时刻t _f、倾角θ _f和倾角加速度，计算横摇固有周期T=2π∙sqrt(|θ _f/|)，t _f±T/4对应的倾角即为稳态倾角θ _s；3）读取包括型宽B和设计水线长L的船型结构信息，如无法直接实测平均型吃水d，可按设计型吃水进行保守估算，或根据船底平板龙骨上缘距着箱顶面高h _kc、水面距地面高h _wg、地面距着箱顶面高h _gc、着箱点至中横剖面间距l _cx和中纵剖面间距l _cy、起始横倾角θ _bx和起始纵倾角θ _by间接推算d=h _kc-h _wg-h _gc-l _cx∙sinθ _by-l _cy∙sinθ _bx，并按规定的近似公式估算横摇系数f=(746+46B/d-0.86L)×10^-3，再算出经自由液面修正后的初稳性高GM=(f∙B/T)²；4）分别用规定的允许值来校验船舶静倾角和初稳性安全，实现对船舶装卸过程进行浮态及稳性报警；最后通过码头作业管理系统向船舶发送浮态及稳性监测信息，为码头和船方及时采取积载或压载调整提供即时数据参考。

3.根据权利要求2所述的集装箱岸桥用船舶浮态及稳性监测装置，1）如遇码头大风浪流或非正常系泊干扰船舶双侧自由摇摆时，应停止或忽略上述监测；2）若吊具在船上着箱后的停留时间小于测量时间，为减少对岸桥装卸作业效率的影响，岸桥监控计算机可根据监测进程来控制吊具运行，对装卸过程进行分段或终段监测；3）根据岸桥大车、小车和吊索上的位置编码器和称重传感器所获装、卸和移箱的位置、重量及偏心距信息，可算出船舶初稳性高和静倾角的变化量，为上述监测、浮态调中和稳性调整提供比对或补充依据；4）为减少包括吊索松紧、船舶升沉的因素导致的测量误差，也可通过岸桥上包括机器视觉、激光测距的监测设备获取包括地面距着箱顶面高、着箱点至中横剖面间距和中纵剖面间距的实时信息。

4.一种集装箱岸桥用船舶浮态及稳性监测方法，其算法流程主要包括系统启动、参数设置、数据采集、数据处理、校验报警部分；1）系统启动：控件初始化/使能/禁用，读取参数退出设置，配置通信接口，配置测量文件，加载船模文件，系统故障诊断，如有系统故障，则退出系统、提示及记录故障；2）参数设置：恢复用户/出厂设置、修改/保存用户设置，应用并退出参数设置；3）数据采集：读取包括型宽B和设计水线长L的船型结构参数，并预设包括门限值m ₁和m ₂、允许值n ₁、n ₂和n ₃的条件参数；连续采集包括码头波况、吊具位置和吊索松紧的测量信号，当判定为静水工况且吊具在船上着箱时，连续采集包括船舶纵横倾角、缆桩系缆力和护舷挤靠力的信号，并记录测量数据、演示船舶动态倾角波形及动画；再读取包括船底平板龙骨上缘距着箱顶面高h _kc、水面距地面高h _wg、地面距着箱顶面高h _gc、着箱点至中横剖面间距l _cx和中纵剖面间距l _cy、起始横倾角θ _bx和起始纵倾角θ _by的实测数据；4）数据处理：判定为吊具在船上起箱或延时结束时，对倾角信号进行低通滤波处理，再对所得信号两次求导得到倾角速度及加速度序列；创建包括时间t、倾角θ、倾角速度、倾角加速度、缆桩系缆力f _m和护舷挤靠力f _b的数组，搜索数组中、、f _m<m ₁且f _b<m ₂时对应的时刻t _f、倾角θ _f和倾角加速度，计算横摇固有周期T=2π∙sqrt(|θ _f/|)，数组中t _f±T/4时刻对应的倾角即为稳态倾角θ _s；推算平均型吃水d=h _kc-h _wg-h _gc-l _cx∙sinθ _by-l _cy∙sinθ _bx，估算横摇系数f=(746+46B/d-0.86L)×10^-3，再算出经自由液面修正后的初稳性高GM=(f∙B/T)²；5）校验报警：判定为|θ _s|>n ₁时，船舶静倾角报警，指示前/后/左/右倾超限；判定为GM<n ₂或>n ₃时，船舶初稳性报警，指示稳性过低/过高。

5.根据权利要求4所述的集装箱岸桥用船舶浮态及稳性监测方法，所述方法的人机界面主要包括操作主面板和设置子面板部分；1）操作主面板主要包括船舶三维动画演示、船舶动态倾角波形图表、船舶浮态/稳性报警显示、船舶稳态倾角显示、船舶横摇稳性显示、船型结构参数显示、吊具工作状态显示、船舶动态倾角显示、设置按钮、启动按钮、退出按钮和帮助按钮控件，用户可通过触控式显示屏进行监视和操作；2）设置子面板主要包括保存用户设置按钮、恢复用户设置按钮、恢复出厂设置按钮、应用退出按钮、动画演示参数、倾角计配置参数、浮态/稳性报警参数、测量记录保存控件，其中：保存用户设置用于打开文件路径对话框，保存当前设置作为用户自定义设置；恢复用户设置用于打开文件路径对话框，恢复之前保存的用户自定义设置；恢复出厂设置用于恢复出厂默认设置；应用退出用于自动保存当前设置作为程序重启时的初始设置，应用修改并退出设置子函数。