CN111285259A

CN111285259A - 系泊装卸时监测集装箱船舶浮态及稳性的多岸桥用系统

Info

Publication number: CN111285259A
Application number: CN202010384054.8A
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: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2040-05-09
Also published as: CN111285259B

Abstract

一种系泊装卸时监测集装箱船舶浮态及稳性的多岸桥用系统，利用系泊装卸时激发的小幅船摇运动和岸桥吊具上加装的动态倾角传感器，根据码头风浪、码头潮位、积载作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、吊具倾角等信息，通过多岸桥吊具监测数据的叠加拼接整合、去系泊约束和装卸激励的局部自由船摇、求解非线性曲线模型的最佳拟合参数、开始着箱松索瞬时获取平均吃水数据、估算经自由液面修正的初稳性高等算法求解固有周期、稳态倾角和初稳性高，实现在系泊装卸时对集装箱船舶浮态及稳性进行实时监测和预警；从而为码头和船方及时采取积载或压载调整提供数据参考，防范码头装卸作业引发的货箱落水、船舶倾覆和航道堵塞等事故灾难。

Description

系泊装卸时监测集装箱船舶浮态及稳性的多岸桥用系统

技术领域

本发明涉及一种系泊装卸时监测集装箱船舶浮态及稳性的方法及装置，尤其是用于单台或多台协同作业的集装箱岸桥，利用系泊装卸时激发的小幅船摇运动和岸桥吊具上加装的动态倾角传感器，根据码头风浪、码头潮位、积载作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、吊具倾角等信息，通过多岸桥吊具倾角数据的叠加拼接整合、去系泊约束及装卸激励的局部自由船摇、求解非线性曲线模型的最佳拟合参数、开始着箱松索瞬时获取的平均吃水、估算经自由液面修正的初稳性高等算法求解固有周期、稳态倾角和初稳性高，实现在系泊装卸过程中对集装箱船舶浮态及稳性进行监测和预警的安全系统。

背景技术

码头作业安全与航道通畅、船舶离泊安全与装卸效率、港机智能化测控能力是保障港口运营安全、制约进疏港周期、提高物流服务质量、降低相关产业链成本的关键环节。然而一直以来，国内外集装箱码头装卸作业时发生的货箱落水、船舶倾覆和航道堵塞等重大事故不断，时刻威胁着码头及船方的生命、财产和运营安全。

1、事故案例解析

1）2019年05月24日早间在英国利物浦港集装箱码头，载有2184只货箱的MSC MATILDE号集装箱船在装卸作业时，因装卸不当导致船舶严重右倾。

2）2019年03月19日上午在伊朗阿巴斯港集装箱码头，载有153只货箱的LR STARE号小型集装箱船在装卸作业时，因卸载不当导致船舶侧倾并最终倾覆。

3）2019年01月09日下午在中国台湾高雄港115号集装箱码头，SEAMAX NEW HAVEN号集装箱船在装卸作业时，因装卸不当造成船舶侧倾并导致13只货箱坠海。

4）2018年07月29日下午在美国弗吉尼亚州诺福克港集装箱码头，APL ANTWERP号集装箱船在装卸作业时，因卸载不当造成船舶侧倾并导致8只货箱坠海。

5）2017年05月06日早间在斐济首都苏瓦港集装箱码头，载有183吨重油、30吨MDO和179只货箱等杂货的Southern Phoenix号小型集装箱船在装卸作业时，因装载不当导致船舶左倾并最终倾覆。

6）2016年05月01日下午在上海港外高桥集装箱码头5期23泊位，上庆3号内河集装箱船在装卸作业时，因装载不当造成船舶右倾并导致45只货箱落江，其后的航道堵塞、紧急封港和打捞作业严重影响了后续船期。

7）2015年11月12日早间在上海洋山港盛东集装箱码头5号泊位，润发长青号集装箱驳船在装卸作业时，因装卸不当造成船舶侧翻并导致36只货箱坠海、部分货箱损毁，其后的封港捞箱作业造成中转货期长时间延误。

2、技术规范解析

1）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主要设备。为提高装卸作业效率，通常按船舶大小、装卸顺序和作业量沿船长方向配置多台岸桥协同作业。据装卸效率统计，岸桥吊具在船上着箱停留时间通常大于中小型船舶横摇固有周期/2。

2）码头作业管理系统：即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、统计和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，也是岸桥与船舶作业信息的交互平台。

3）码头系泊：即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适时调节，正常工况下系泊对船舶小幅纵摇和横摇约束较小；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。

4）船舶浮态：即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。平均吃水指中横剖面处基线（即船底龙骨板上缘）至水线的垂直距离，是计算船舶稳性和监测船舶超载的重要参数；由于吃水标识常腐蚀难辨甚至遭人为篡改，故不宜用视觉识别方法来测量平均吃水。静倾角指船摇平衡位置的稳态倾角，为保证船舶性能及航行安全、避免货舱装卸时箱格卡箱、提高对箱精度及作业效率，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）。

5）船舶稳性：即船舶抵抗风、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（或小倾角稳性）一般指横倾角小于10～15deg或上甲板边缘开始入水前（取其小者）的稳性衡准，主要以初稳性高来度量；大倾角稳性一般指横倾角大于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、流等外力的剩余稳性。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。在正常气象状况下，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。

6）船舶装载仪：海船建造/入级规范中明确规定了船长100m及以上的所有第Ⅰ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。据调查分析，造成装载仪配载计算的误差原因有：箱体重心高度估算（因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）、箱重计量不准（货主隐瞒实际箱重以降低运输成本，以及集装箱称重衡器计量误差）、软硬件故障等。此外，现有装载仪因受吊具抓放箱载荷激励信息获取的限制，无法做到在系泊装卸时对船舶浮态及稳性进行实时监测和预警。

7）横摇周期试验：横摇固有周期即船舶在平静水域激发瞬态横摇时测得的固有周期，其平方与初稳性高成反比；船舶在不规则波中的横摇周期接近于静水中的横摇固有周期，且满足初稳性衡准的小倾角横摇具有等时性（即横摇固有周期不随幅值而改变），通常遮蔽或半遮蔽码头满足静水或不规则波条件。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、横摇系数和横摇固有周期等数据来估算船舶的初稳性高；由于测量横摇固有周期须解除船舶系泊，且船舶在静水水域起摇困难，在开敞水域通常又是受迫摇摆，故也难准确测量离泊后的横摇固有周期。此外，系泊装卸时船摇运动存在缆桩系缆力和护舷挤靠力的双侧碰撞约束、以及吊具抓放箱载荷的间歇随机激励，传统周期测量法至少需要一个完整自由周期，故也无法在系泊装卸时准确测量船舶的横摇固有周期。

8）船舶倾斜试验：依据IMO船舶完整稳性规则中规定的船舶倾斜试验方法，通过移动重物或抽/注两舷水舱，使船舶产生2～4deg的横倾角，以确定空船的实际重量、重心高度和初稳性高。由于试验时须解除系泊约束并修正自由液面影响，故也难用于系泊装卸时对船舶浮态及稳性的实时监测。

3、缺陷方案解析

1）考虑利用船舶原有或加装的船摇监测装置，通过船岸信息共享方式实现在系泊装卸时对船舶浮态及稳性的实时监测，但受船舶软硬件条件不一和信息共享规则欠缺等限制，该方案短期内尚难强制实施和推广。

2）考虑在系泊船舶上临时放置移动式船摇监测装置，采用无线通讯方式实现在系泊装卸时对船舶浮态及稳性的实时监测，但受临时取放不便和坐标找准困难等限制，该方案同样难以实施和推广。

3）考虑在岸桥上安装激光、结构光、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、系泊装卸激发的船摇幅值较小、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。

4）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。

5）考虑利用系泊装卸时激发的小幅船摇运动、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，以及小倾角横摇具有等时性、有阻尼横摇周期可视为横摇固有周期（阻尼对横摇周期的影响甚微）原理，本发明前序专利（ZL2019100559511）的改进方案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，采用广义多项式拟合和波峰波谷检测算法，当检测到波峰、波谷数均≥1时，计算横摇固有周期T=|波峰时刻-波谷时刻|×2、稳态倾角ϴ _s=(波峰时刻+波谷时刻)/2对应的倾角，对波峰波谷幅度（Δϴ _m=|ϴ _m1-ϴ _m2|，ϴ _m1和ϴ _m2为相邻半周期波峰或波谷幅值）、衰减系数（μ=1/π∙ln|(ϴ _m1-ϴ _s)/(ϴ _m2-ϴ _s)|，且|ϴ _m1-ϴ _s|>|ϴ _m2-ϴ _s|，据统计小幅横摇时有/无舭龙骨船的μ值分别为0.055～0.07和0.035～0.05）、T和ϴ _s进行阈值校验，再对该次着箱得到的通过校验的T和ϴ _s序列分别求中值，最后计算并校验船舶静倾角和初稳性安全，实现在系泊装卸过程中对船舶浮态及稳性进行监测和预警。该方案缺陷是：①测量时长为1/2～1个横摇固有周期，通常大于吊具在中大型船舶上的着箱停留时间，完成正常监测需要降低作业效率；②因衰减系数计算公式不适用双侧相邻碰撞约束条件、且难以准确预设待测船舶的衰减系数阈值，如遇这种或较小的系泊约束时可能造成错误的阈值校验结果；③不适用多岸桥协同装卸作业场合，无法识别和消除多吊具抓放箱载荷的间歇随机激励影响，因而难以得到局部自由船摇倾角序列。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：因系泊装卸时船摇运动存在缆桩系缆力和护舷挤靠力的双侧碰撞约束、以及吊具抓放箱载荷的间歇随机激励，传统测量方法难以在系泊装卸时准确测量船摇固有周期、稳态倾角和平均吃水，故无法在系泊装卸时对船舶浮态及稳性进行实时监测和预警。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、技术方案原理

1）鉴于系泊船舶装卸作业时激发的小幅横摇满足初稳性衡准条件，在码头水域满足静水或不规则波条件下，可利用该横摇倾角信息来求解横摇固有周期。

2）鉴于岸桥吊具在集装箱船上着箱方向与船舶纵横轴对齐，且吊具重量相对船舶装载可忽略，可通过吊具上加装的动态倾角传感器来获取船舶纵横倾角信息。

3）根据岸桥吊具上的松索限位开关或称重传感器、旋锁开关获取的吊索松紧或张力、旋锁开闭信息，以及岸桥大车和小车上的位置编码器获取的吊具位置信息，来判定吊具在船上的着箱或起箱、抓箱或放箱状态，得到开始着箱松索或起箱紧索瞬时的岸桥轮轨顶面至吊具下缘高和船舶纵/横倾角等数据。

4）通过定时监测码头水域的风浪流和水位信息，来判断非遮蔽码头的静水或不规则波条件，并得到码头潮位数据。

5）根据实际配载作业流程获取积载作业信息，以及通过船方或监管部门获取船型结构信息。

6）鉴于小倾角横摇时阻尼力矩与角速度呈线性关系，有阻尼横摇运动微分方程的解（横摇倾角）可用幅值随时间呈指数规律衰减的余弦函数表达；鉴于阻尼对横摇周期的影响甚微，有阻尼横摇周期可视为横摇固有周期。

7）为得到不含系泊约束和装卸激励的局部自由船摇倾角序列，可将吊具在船上着箱后起箱前获取的船摇倾角序列（排除装卸激励影响），经广义多项式拟合（滤除随机噪声干扰）和去除上下止点预设范围内的数据（滤除系泊约束数据），所得分段倾角序列去除不满足上下幅度取值范围的序列（滤除过小或过大幅度的倾角波形，以避免小幅随机干扰和满足初稳性条件），所得其余倾角序列分别求解衰减余弦曲线模型的最佳拟合参数（非线性曲线拟合算法），所得参数序列去除不满足各参数取值范围的序列（滤除异常计算结果），所得其余参数序列分别求中值（滤除离群数据干扰）后可得固有周期和稳态倾角。

8）由于中大型船舶的横摇固有周期相对吊具在船上着箱停留时间较长，可利用协同作业的多岸桥吊具在船上着箱时采集的船摇倾角数据，通过放箱吊具所获数据与随后另一抓箱吊具所获数据进行叠加、拼接和整合处理，以增加拟合数据量、降低噪声干扰、提高解算精度（拟合精度和时长与信噪比、采样率和数据量有关）。

9）因船舶升沉运动的衰减系数相对较大（0.3～0.4）、固有周期相对较短（2～5s），且装卸激励载荷相对船舶排水量很小，故可忽略系泊装卸引起的船舶升沉运动对平均吃水的影响；根据船型结构、码头潮位、积载作业、着箱初始状态等信息，可推算出船舶平均吃水。

10）对于符合L≥24m、B/d<3.5、0.7<KG/d<1.5且T<20s的常规船型，采用IMO船舶完整稳性规则中的横摇系数近似公式和经自由液面修正后的初稳性高计算公式求得初稳性高，再分别用规定的允许值来校验船舶静倾角和初稳性安全，实现在系泊装卸过程中对船舶浮态及稳性进行监测和预警。

2、技术方案步骤

1）根据码头风浪、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭等信息，判断满足静水或不规则波条件、且吊具在船上着箱时，通过单/多岸桥吊具采集船舶纵、横摇倾角数据。

2）将放箱吊具所获数据与随后另一抓箱吊具所获数据进行叠加、拼接和整合处理（多岸桥适用），经广义多项式拟合和去除上下止点预设范围内的数据，所得分段倾角序列去除不满足上下幅度取值范围的序列，所得其余倾角序列数≥1时分别求解衰减余弦曲线模型ϴ=ϴ _m∙exp(-2π∙μ/T∙t)∙cos(2π/T∙t+ϴ ₀)+ϴ _s的最佳拟合参数（固有周期T、稳态倾角ϴ _s、衰减系数μ、幅值ϴ _m、相位ϴ ₀），所得参数序列中去除不满足各参数取值范围的序列，所得其余参数序列数≥1时分别求T和ϴ _s的中值。

3）根据船型结构、码头潮位、积载作业等信息，获取型宽B、设计水线长L、船底龙骨上缘至着箱顶面高h _kc（按上下货位：甲板h _kc=箱高×层数+甲板层高+型深、货舱h _kc=箱高×层数+底板层高）、码头水面至轮轨顶面高h _wr、轮轨顶面至着箱顶面高h _rc（即吊具在船上开始着箱松索或起箱紧索瞬时获取的轮轨顶面至吊具下缘高，轨上/下高度为+/-）、着箱点至中横剖面间距l _cx和中纵剖面间距l _cy、初始横倾角ϴ _bx和初始纵倾角ϴ _by（即吊具在船上开始着箱松索或起箱紧索瞬时获取的横、纵倾角）等数据，推算平均吃水d=h _kc-h _wr-h _rc-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。

4）计算经自由液面修正后的初稳性高GM=(f∙B/T)²，再分别用规定的允许值来校验稳态倾角和初稳性高，实现在系泊装卸过程中对船舶浮态及稳性进行监测和预警。

5）最后通过码头作业管理系统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、技术方案扩展

1）如遇非正常气象或系泊等码头环境使船舶受迫摇摆时，应停止或忽略上述监测。

2）如遇横摇固有周期较长的大型船舶，为增加采集数据量、提高测量精度，可对装卸作业过程进行分段或终段监测，并根据监测进程自动延长吊具在船上着箱停留时间。

3）为避免货舱装卸时箱格卡箱、提高吊具抓放箱对箱效率，可在着箱前按稳态倾角及回转角自动调整吊具姿态。

4）根据岸桥大车、小车和吊具上的位置编码器和称重传感器获取的装、卸和移箱位置及重量等信息，可算出船舶初稳性高和静倾角的变化量，为直接监测结果提供间接校验依据。

5）为减少吊索松紧、船舶升沉等因素导致的测量误差，也可在岸桥上加装非接触式监测装置获取h _rc、l _cx和l _cy等数据，还可在泊位水下加装非接触式监测装置直接获取船舶吃水等数据。

6）满足安装条件和可靠性的前提下，系泊约束信息还可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直接获取。

本发明的有益效果是：为维护码头作业安全与航道通畅、保障船舶离泊安全与装卸效率、提升港机智能化测控能力、克服传统监测方法不足、减轻安检校核工作强度、推进船岸信息共享互助，利用系泊装卸时激发的小幅船摇运动和岸桥吊具上加装的动态倾角传感器，根据码头风浪、码头潮位、积载作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、吊具倾角等信息，通过多岸桥吊具倾角数据的叠加拼接整合、去系泊约束和装卸激励的局部自由船摇、求解非线性曲线模型的最佳拟合参数、开始着箱松索瞬时获取平均吃水数据、估算经自由液面修正的初稳性高等算法求解固有周期、稳态倾角和初稳性高，实现在系泊装卸时对集装箱船舶浮态及稳性进行实时监测和预警；从而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，防范码头装卸作业引发的货箱落水、船舶倾覆和航道堵塞等事故灾难，可广泛应用于人工或自动化集装箱码头的各类岸桥，也可为类似双侧碰撞约束、间歇随机激励、多路随机获取的复杂阻尼振动信号处理提供波形整理和特征提取等解决方案。

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简图之正视图。

图2是本发明中系统架构的结构简图之俯视图。

图3是本发明中系统架构的结构框图。

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简图主要包括码头1、轮轨11、缆桩12、护舷13、系泊索14、船舶2、岸桥3、大车31、小车32、吊索33、吊具34、集卡4等部分，其中：船舶通过缆桩、护舷和系泊索系泊于码头，大车在轮轨上运行，小车通过吊索牵引吊具运行，集卡在岸桥的陆侧下方通道上运行；结构框图主要包括码头风浪信息WWI、码头潮位信息TLI、积载作业信息SOI、船型结构信息SSI、浮态及稳性监测信息FSMI、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、旋锁开闭信息RLI、吊具倾角信息SAI、吊具运行及姿态控制SOAC等部分，其中：码头风浪和码头潮位信息通过设置在码头水域的风向、风速、流向、流速、浪高和水位等传感器获取，积载作业信息根据实际配载作业流程获取，船型结构信息由船方或船厂数据提供，吊具位置信息通过已装在大车和小车上的位置编码器获取，吊索松紧信息通过已装在吊具上的松索限位开关或称重传感器获取，旋锁开闭信息通过已装在吊具上的旋锁开关获取，吊具倾角信息通过加装在吊具上的动态倾角传感器获取。其结构原理是：岸桥监控计算机通过码头作业管理系统获取码头风浪、码头潮位、积载作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、吊具倾角等信息，运用多岸桥吊具协同监测、船舶浮态及稳性监测和吊具运动及姿态控制等算法，实现在系泊装卸时对集装箱船舶浮态及稳性进行实时监测和预警；同时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。此外，在单/多岸桥装卸作业过程中，岸桥监控计算机可根据监测和对箱要求进行吊具运行及姿态控制：①为提高分段或终段监测精度，可按监测进程自动延长吊具在船上着箱停留时间；②为提高吊具抓放箱对箱效率，可在着箱前按稳态倾角及回转角自动调整吊具姿态。

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启动系统、参数设置、数据采集和记录/演示、计算固有周期和稳态倾角、计算平均吃水和横摇系数、计算初稳性高并校验报警、解除启动等部分。

1）启动系统：控件初始化/使能/禁用，配置通信接口，配置测量文件，加载船模文件，故障诊断/提示/处理，读取参数退出设置（包括门限值m ₁～m ₁₂和允许值n ₁～n ₃）等。

2）参数设置：打开参数设置时，可选恢复用户/出厂设置、修改/保存用户设置，完成后应用并退出参数设置。

3）数据采集和记录/演示：采集码头风浪、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭等数据，判断满足静水或不规则波条件、且吊具在船上着箱时，通过单/多岸桥吊具采集船舶纵、横摇倾角数据；显示并记录测量数据、演示波形图表或动画。

4）计算固有周期和稳态倾角：将放箱吊具所获数据与随后另一抓箱吊具所获数据进行叠加、拼接和整合处理（多岸桥适用），经广义多项式拟合和去除上下止点预设范围内的数据，所得分段倾角序列去除不满足上下幅度取值范围（m ₁<ϴ _u-ϴ _l<m ₂，ϴ _u和ϴ _l分别为上、下止点倾角）的序列，所得其余倾角序列数≥1时分别求解衰减余弦曲线模型ϴ=ϴ _m∙exp(-2π∙μ/T∙t)∙cos(2π/T∙t+ϴ ₀)+ϴ _s的最佳拟合参数（固有周期T、稳态倾角ϴ _s、衰减系数μ、幅值ϴ _m、相位ϴ ₀），所得参数序列去除不满足各参数取值范围（m ₃<T<m ₄、m ₅<ϴ _s<m ₆、m ₇<μ<m ₈、m ₉<ϴ _m<m ₁₀和m ₁₁<ϴ ₀<m ₁₂）的序列，所得其余参数序列数≥1时分别求T和ϴ _s的中值。

5）计算平均吃水和横摇系数：采集船型结构、码头潮位、积载作业等数据，获取型宽B、设计水线长L、船底龙骨上缘至着箱顶面高h _kc、码头水面至轮轨顶面高h _wr、轮轨顶面至着箱顶面高h _rc（即吊具在船上开始着箱松索或起箱紧索瞬时获取的轮轨顶面至吊具下缘高，轨上/下高度为+/-）、着箱点至中横剖面间距l _cx和中纵剖面间距l _cy、初始横倾角ϴ _bx和初始纵倾角ϴ _by（即吊具在船上开始着箱松索或起箱紧索瞬时获取的横、纵倾角）等数据，推算平均吃水d=h _kc-h _wr-h _rc-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。

6）计算初稳性高并校验报警：计算经自由液面修正后的初稳性高GM=(f∙B/T)²；判定|ϴ _s|>n ₁时，船舶静倾角报警（指示前/后/左/右倾超限）；判定GM<n ₂或>n ₃时，船舶初稳性报警（指示稳性过低/过高）。

7）解除启动：解除启动时退出系统，否则继续上述循环。

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吊具工作状态（包括吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、回转角等）、船型结构状态（包括型宽、设计水线长、型深、甲板层高、平均吃水、底板层高等）、着箱初始状态（包括轮轨顶面至着箱顶面高、龙骨底板至着箱顶面高、着箱点至中横剖面间距、着箱点至中纵剖面间距、横倾角、纵倾角、码头水面至轮轨顶面高等）、船舶浮态/稳性报警（包括前倾超限、后倾超限、左倾超限、右倾超限、稳性过低、稳性过高等）、船舶横摇稳性（包括固有周期、初稳性高等）、船舶横摇稳性波形（包括固有周期、初稳性高等）、船舶稳态倾角（包括横摇倾角、纵摇倾角等）、船舶稳态倾角波形（包括横摇倾角、纵摇倾角等）、船舶动态倾角（包括横摇倾角、纵摇倾角等）、船舶三维动画演示、船舶动态倾角波形（包括横摇倾角、纵摇倾角等）等数值/布尔/图表输出控件，以及设置、仿真、启动、刷新、退出和帮助等布尔输入控件，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、恢复用户设置、恢复出厂设置、应用退出等布尔输入控件，以及动画演示参数（包括视角/坐标/对象位置等）、倾角计配置参数（包括倾角计通信端口/零点设置等）、数据采集/处理参数（包括循环采样间隔、上下幅度上/下限、固有周期上/下限、稳态倾角上/下限、衰减系数上/下限、幅值上/下限、相位上/下限等）、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/路径等）、岸桥/船舶仿真参数（包括吊具工作状态、船型结构状态、着箱初始状态等）、倾角信号仿真参数（包括余弦衰减、直流偏置、均匀白噪声等）等数值/枚举/路径输入控件，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

1.一种系泊装卸时监测集装箱船舶浮态及稳性的多岸桥用系统，利用系泊装卸时激发的小幅船摇运动和岸桥吊具上加装的动态倾角传感器，根据码头风浪、码头潮位、积载作业、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、吊具倾角信息，通过多岸桥吊具监测数据的叠加拼接整合、去系泊约束和装卸激励的局部自由船摇、求解非线性曲线模型的最佳拟合参数、开始着箱松索瞬时获取平均吃水数据、估算经自由液面修正的初稳性高的算法求解固有周期、稳态倾角和初稳性高，实现在系泊装卸时对集装箱船舶浮态及稳性进行实时监测和预警。

2.根据权利要求1所述的系泊装卸时监测集装箱船舶浮态及稳性的多岸桥用系统，其方法步骤主要包括：

1）根据码头风浪、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭信息，判断满足静水或不规则波条件、且吊具在船上着箱时，通过单/多岸桥吊具采集船舶纵、横摇倾角数据；

2）将放箱吊具所获数据与随后另一抓箱吊具所获数据进行叠加、拼接和整合处理，经广义多项式拟合和去除上下止点预设范围内的数据，所得分段倾角序列去除不满足上下幅度取值范围的序列，所得其余倾角序列数≥1时分别求解衰减余弦曲线模型ϴ=ϴ _m∙exp(-2π∙μ/T∙t)∙cos(2π/T∙t+ϴ ₀)+ϴ _s的包括固有周期T、稳态倾角ϴ _s、衰减系数μ、幅值ϴ _m和相位ϴ ₀的最佳拟合参数，所得参数序列中去除不满足各参数取值范围的序列，所得其余参数序列数≥1时分别求T和ϴ _s的中值；

3）根据船型结构、码头潮位、积载作业信息，获取型宽B、设计水线长L、船底龙骨上缘至着箱顶面高h _kc、码头水面至轮轨顶面高h _wr、轮轨顶面至着箱顶面高h _rc、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数据，推算平均吃水d=h _kc-h _wr-h _rc-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；

4）计算经自由液面修正后的初稳性高GM=(f∙B/T)²，再用规定的允许值来分别校验船舶静倾角和初稳性安全，实现在系泊装卸过程中对船舶浮态及稳性进行监测和报警；

5）最后通过码头作业管理系统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数据参考。

3.根据权利要求1所述的系泊装卸时监测集装箱船舶浮态及稳性的多岸桥用系统，其方法扩展主要包括：

1）如遇非正常气象或系泊等码头环境使船舶受迫摇摆时，应停止或忽略上述监测；

2）如遇横摇固有周期较长的大型船舶，为增加采集数据量、提高测量精度，可对装卸作业过程进行分段或终段监测，并根据监测进程自动延长吊具在船上着箱停留时间；

3）为避免货舱装卸时箱格卡箱、提高吊具抓放箱对箱效率，可在着箱前按稳态倾角及回转角自动调整吊具姿态；

4）根据岸桥大车、小车和吊具上的位置编码器和称重传感器获取的装、卸和移箱位置及重量信息，可算出船舶初稳性高和静倾角的变化量，为直接监测结果提供间接校验依据；

5）为减少吊索松紧、船舶升沉因素导致的测量误差，也可在岸桥上加装非接触式监测装置获取h _rc、l _cx和l _cy数据，还可在泊位水下加装非接触式监测装置直接获取船舶吃水数据；

6）满足安装条件和可靠性的前提下，系泊约束信息还可通过设置在码头岸边的缆桩系缆力和护舷挤靠力传感器直接获取。

4.根据权利要求1所述的系泊装卸时监测集装箱船舶浮态及稳性的多岸桥用系统，其算法流程主要包括启动系统、参数设置、数据采集和记录/演示、计算固有周期和稳态倾角、计算平均吃水和横摇系数、计算初稳性高并校验报警、解除启动部分：

1）启动系统：控件初始化/使能/禁用，配置通信接口，配置测量文件，加载船模文件，故障诊断/提示/处理，读取参数退出设置；

2）参数设置：打开参数设置时，可选恢复用户/出厂设置、修改/保存用户设置，完成后应用并退出参数设置；

3）数据采集和记录/演示：采集码头风浪、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭数据，判断满足静水或不规则波条件、且吊具在船上着箱时，通过单/多岸桥吊具采集船舶纵、横摇倾角数据；显示并记录测量数据、演示波形图表或动画；

4）计算固有周期和稳态倾角：将放箱吊具所获数据与随后另一抓箱吊具所获数据进行叠加、拼接和整合处理，经广义多项式拟合和去除上下止点预设范围内的数据，所得分段倾角序列去除不满足上下幅度取值范围的序列，所得其余倾角序列数≥1时分别求解衰减余弦曲线模型ϴ=ϴ _m∙exp(-2π∙μ/T∙t)∙cos(2π/T∙t+ϴ ₀)+ϴ _s的包括固有周期T、稳态倾角ϴ _s、衰减系数μ、幅值ϴ _m和相位ϴ ₀的最佳拟合参数，所得参数序列去除不满足各参数取值范围的序列，所得其余参数序列数≥1时分别求T和ϴ _s的中值；

5）计算平均吃水和横摇系数：采集船型结构、码头潮位、积载作业数据，获取型宽B、设计水线长L、船底龙骨上缘至着箱顶面高h _kc、码头水面至轮轨顶面高h _wr、轮轨顶面至着箱顶面高h _rc、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数据，推算平均吃水d=h _kc-h _wr-h _rc-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；

6）计算初稳性高并校验报警：计算经自由液面修正后的初稳性高GM=(f∙B/T)²；判定|ϴ _s|>n ₁时，船舶静倾角报警，指示前/后/左/右倾超限；判定GM<n ₂或>n ₃时，船舶初稳性报警，指示稳性过低/过高；

7）解除启动：解除启动时退出系统，否则继续上述循环。

5.根据权利要求1所述的系泊装卸时监测集装箱船舶浮态及稳性的多岸桥用系统，其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吊具工作状态、船型结构状态、着箱初始状态、船舶浮态/稳性报警、船舶横摇稳、船舶横摇稳性波形、船舶稳态倾角、船舶稳态倾角波形、船舶动态倾角、船舶三维动画演示、船舶动态倾角波形的数值/布尔/图表输出控件，以及设置、仿真、启动、刷新、退出和帮助的布尔输入控件，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、恢复用户设置、恢复出厂设置、应用退出的布尔输入控件，以及动画演示参数、倾角计配置参数、数据采集/处理参数、浮态/稳性报警参数、测量记录保存、岸桥/船舶仿真参数、倾角信号仿真参数的数值/枚举/路径输入控件，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。