CN111709625A - 一种打桩船海上作业率评估系统及方法 - Google Patents

一种打桩船海上作业率评估系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种打桩船海上作业率评估系统及方法，本方案首先基于实际作业海况或设计海况条件，计算打桩船上的运动参考点处在180度浪向时的横向时域运动位移、纵向时域运动位移和升沉时域运动位移；接着，基于设定的限制阈值，计算打桩船联合作业概率以及处于所有浪向下联合作业概率均值；最后，评估打桩船在海上作业率和作业能力。本方案可量化评估打桩船作业工况在一定海况下的作业率和作业能力，可定量给出打桩船的作业率，可以有效地评估打桩船在一定海况的作业时间和作业窗口期，指导船东和船长做出合理的工作规划。

Description

一种打桩船海上作业率评估系统及方法
技术领域
本发明涉及海上桩基工程技术，具体涉及打桩船海上作业率评估技术。
背景技术
随着海上油气和风电工程的蓬勃发展，以及跨海大桥、深海港码头的不断兴建，大型基础桩和深海结构基础桩工程越来越多，海上桩基工程施工受海浪、风力、洋流、水深和地质等诸多条件的制约和影响，面临的施工环境复杂、不安全因素等问题，为确保打桩设备在复杂环境中安全、快速和准确地沉桩到设计位置和深度，对专用打桩船作业率和作业能力要求较高。如何评估打桩船的作业率和作业能力，是解决海上桩基工程技术问题的关键之一。
对于打桩船的设计，其作业率和作业能力是评估该船设计优劣的最关键指标之一，目前打桩船设计方法是采用参考母型船的方法或者凭设计经验确定船舶主尺度，并没有一种成熟的方法通过量化打桩船作业率和作业能力指导打桩船设计。
打桩船在指定区域作业时，通常是根据船长和船员的经验，目前没有一种量化打桩船作业率和作业能力的方法，急需一种量化打桩船作业方法指导船长和船员安全和高效地施工作业。
因此，建立一套打桩船海上作业率评估的方法是非常有必要的。
发明内容
针对现有打桩船海上作业评估方案所存在的问题，需要一种新的打桩船海上作业评估方案。
为此，本发明的目的在于提供一种打桩船海上作业率评估系统，并基于该系统提供一种评估方法，由此可克服现有技术所存在的问题。
为了达到上述目的，本发明提供的打桩船海上作业率评估系统，包括处理器，以及存储有计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序被处理器执行时：
基于一定海况条件下，计算打桩船上的运动参考点处于不同浪向的横向时域运动位移、纵向时域运动位移和升沉时域运动位移；
基于设定的限制阈值，计算打桩船联合作业概率以及处于所有浪向下联合作业概率均值；
评估打桩船在海上作业率和作业能力。
进一步的，所述评估系统中具有第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块以及第四计算模块；
所述第一计算模块基于软件建模计算打桩船作业工况。
所述第二计算模块根据第一计算模块计算到的打桩船作业工况数据计算船舶横摇转动惯量和纵摇转动惯量；
所述第三计算模块基于第二计算模块中计算横摇转动惯量和纵摇转动惯量来计算船舶指定参考点处(通常为船舶作业工况的重心处)单位波幅时不同浪向和不同波浪周期下的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及相位角。
所述第四计算模块根据第三计算模块计算得到的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及各自的相位，计算指定时间(通常三小时)和指定海况下(实际作业海况或设计海况条件)船舶横摇、纵摇和升沉时域运动，并将其换算为船舶上运动参考点的横向运动位移、纵向运动位移和升沉运动位移。
进一步的，所述评估系统中还具有阈值设定模块、作业率计算模块以及评估模块；
所述阈值设定模块用于设定船舶作业允许横向运动位移阈值、纵向运动位移阈值和升沉运动位移阈值；
所述作业率计算模块根据阈值设定模块设定的阈值，计算不同浪向下横向、纵向和升沉时域运动位移不超过相应阈值的概率，并据此计算指定海况下(实际作业海况或设计海况条件)不同浪向的作业率及所有浪向平均作业率；
所述评估模块根据作业率计算模块的计算结果综合评估船舶的作业率和作业能力。
为了达到上述目的，本发明提供的打桩船海上作业率评估方法，所述评估方法首先基于一定海况条件下，计算打桩船上的运动参考点处于不同浪向的横向时域运动位移、纵向时域运动位移和升沉时域运动位移；
接着，基于设定的限制阈值，计算打桩船联合作业概率以及处于所有浪向下联合作业概率均值；
最后，评估打桩船在海上作业率和作业能力。
进一步的，所述评估方法通过如下步骤计算打桩船上运动参考点处于不同浪向的各个时域运动位移：
(1)计算打桩船作业工况；
(2)根据作业工况，计算该工况下船舶横摇转动惯量和纵摇转动惯量；
(3)计算船舶重心位置处不同浪向和不同波浪周期下的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及相位角；
(4)根据步骤(3)计算得到的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及各自的相位，计算指定时间和指定海况下(实际作业海况或设计海况条件)下打桩船横摇、纵摇和升沉时域运动，并将其换算为船舶上运动参考点的横向运动位移、纵向运动位移和升沉运动位移。
进一步的，所述评估方法通过如下步骤计算打桩船联合作业概率以及处于所有浪向下联合作业概率均值：
(1)给定船舶作业允许横向运动位移阈值、纵向运动位移阈值和升沉运动位移阈值；
(2)计算船舶不同浪向下横向、纵向和升沉时域运动位移不超过相应给定阈值的概率，并据此计算船舶在指定海况下(实际作业海况或设计海况条件)不同浪向的作业率以及打桩船平均作业率。
本评估方法基于各种影响打桩船作业因素，首先计算打桩船作业工况，并计算该工况重心位置处的横摇转动惯量和纵摇转动惯量，依此计算打桩船重心位置处的横摇/纵摇/升沉运动响应及相位角，换算为运动参考点处的横向/纵向/升沉时的运动位移，然后与给定横向、纵向和升沉运动阈值比较，计算不同浪向下横向、纵向和升沉运动位移不超过阈值的概率，各浪向三者的乘积即为该浪向的打桩船作业工况作业率，所有浪向打桩船作业率均值即为其作业工况时的平均作业率，应用该作业率即可评估该船的作业能力。
本方案提供的打桩船海上作业率评估方案与常规经验方法预估相比，本方法通过采用综合考虑多种影响作业率的因素以及量化作业率指标等方法，可以快速和准确地评估打桩船作业时的作业率和作业能力。
再者，本方案在应用时，通过评估打桩船的作业率优选船舶主尺度方案；在船舶施工作业过程中可通过评估打桩船的作业率确定其所在作业海区的作业时间和作业窗口期；指导船东和船长打桩作业时船首方向定位时的合理选择；同时也可通过优化压载方案和吃水获得较高的作业率以指导施工作业。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明实例中打桩船侧视图和主视图及运动参考点；
图2为本发明实例中构建的打桩船海上作业率评估系统的系统框图；
图3为本发明实例中进行打桩船海上作业率评估的流程图；
图4为打桩船在一定海况(有义波高和波浪周期)下某浪向下三小时内的升沉/横向/纵向运动位移(与阈值比较)时域曲线；
图5为打桩船某作业工况运动参考点在一定海况下升沉/横向/纵向运动时域位移值不超过升沉阈值的概率表。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1，其所示为本实例涉及到的打桩船基本结构。为了能够有效的评估该打桩船海上作业率和作业能力，运动参考点选在桩架桩锤的最上方位置，该位置处的横向位移、纵向位移和升沉位移是三个考核指标。
同时，本实例还综合考虑了多种因素对打桩船作业的影响，主要因素包括：
(1)打桩船作业工况时域运动。包括船舶横摇时域运动、纵摇时域运动和升沉时域运动。
(2)打桩船作业工况时域运动位移阈值。包括船舶运动参考点处的横向时域运动位移阈值、纵向时域运动位移阈值和升沉时域运动位移阈值。
(2)打桩船作业指定时间。通常认为海浪是平稳随机过程，三小时内波浪统计特性是不变的，因此打桩船作业时间选择为三小时。
(3)指定海况。对于设计阶段，需根据设计海况条件评估打桩船作业能力；对于实船施工作业工况，需根据实际作业海况评估打桩船作业能力。
(4)浪向。打桩船作业时受到不同方向的海浪的作用，如横浪时打桩船横摇运动最大，顶浪或随浪时横摇运动最大，因打桩船的对称性，浪向需选取180度浪向，间隔30度，共7个浪向。
基于上述影响打桩船作业因素，本实例给出了一种打桩船海上作业率评估方案，其首先计算打桩船作业工况，并计算该工况重心位置处的横摇转动惯量和纵摇转动惯量，依此计算打桩船重心位置处的横摇/纵摇/升沉运动响应及对应的相位角；
然后换算为运动参考点处的横向/纵向/升沉时域运动位移；
然后与设定的横向、纵向和升沉运动位移阈值比较，计算不同浪向下横向、纵向和升沉运动位移不超过阈值的概率，各浪向三者概率的乘积即为该浪向的打桩船作业工况作业率，所有浪向打桩船作业率均值即为其作业工况时的平均作业率，应用该作业率即可评估该船的作业能力。
基于上述原理，本实例给出了一套打桩船海上作业率评估系统，该系统基于上述的运动参考点来评估打桩船海上作业率和作业能力。
参见图2，本评估系统主要为一套打桩船海上作业率评估软件程序系统，该系统100可存在计算机可读介质中或其它可行的介质，并且可由相应的处理器200调取执行，以完成相应的数据处理实现相应的功能。
本系统100在功能上主要由有第一计算模块110、第二计算模块120、第三计算模块130、第四计算模块140、阈值设定模块150、作业率计算模块160以及评估模块170相配合构成。
如此构成的评估系统在被处理器200调取执行时，能够基于一定海况条件下，计算打桩船上的运动参考点处于不同浪向的横向时域运动位移、纵向时域运动位移和升沉时域运动位移；同时，基于设定的限制阈值，计算打桩船联合作业概率以及处于所有浪向下联合作业概率均值；并据此评估打桩船在海上作业率和作业能力。
本系统在具体实现时，系统中的第一计算模块110用于计算打桩船作业工况。这里所述的打桩船作业工况可应用船舶方案设计或详细设计装载手册或稳性计算书中的打桩作业工况，或者实际作业时的装载工况(需满足稳性、结构强度和浮态的要求)。本系统中的第一计算模块110通过建模计算来完成。
该第一计算模块将计算得到的打桩船作业工况数据传至第二计算模块120。
系统中的第二计算模块120根据第一计算模块110计算到的打桩船作业工况数据计算船舶横摇转动惯量和纵摇转动惯量，这两个转动惯量可以根据第一计算模块110中的作业工况在结构有限元软件中全船建模，确定该作业工况的横摇转动惯量和纵摇转动惯量，如概念设计阶段或者无全船有限元模型，可根据母型船数据或经验公式进行初估。
系统中的第三计算模块130计算船舶重心位置处不同浪向和不同波浪周期下的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及相位角。
通过水动力软件建模计算打桩船作业工况下在重心位置处不同浪向和不同波浪周期下的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及其对应的相位角；
系统中的第四计算模块140根据第三计算模块计算得到的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及各自的相位，计算指定时间(通常三小时)和指定海况下(实际作业海况或设计海况条件)船舶横摇、纵摇和升沉时域运动，并将其换算为船舶上运动参考点的横向运动位移、纵向运动位移和升沉运动位移。
本系统中具体可依据线性微幅波理论计算打桩船作业工况在波浪中的频域运动，获得打桩船作业工况重心处的单位波幅下不同圆频率下横摇、纵摇和升沉运动幅值(RAO)和相位。
根据指定海况(有义波高和波浪周期)和选取适合的海浪谱(如PM谱或JONSWAP谱等)采用线性波叠加法对平稳随机过程的海浪由多个不同周期和不同随机初相位的余弦波叠加而成，其相位是随机的，这里取200个余弦波及随机相位。波浪时域值表示为：
Figure BDA0002524682070000061
式中η(t)为波动水面相对静水面的瞬时升高，ωi为第i个圆频率,Δωi为圆频率间距，Sw(ωi)为选择的海浪谱，εi为波浪随机相位，取均匀的随机分布值，t为时间，单位秒。
根据横摇、纵摇和升沉运动幅值(RAO)的平方与选择的海浪谱相乘后得到相应的运动谱，从而打桩船作业工况重心处横摇、纵摇和升沉运动时域表示为：
Figure BDA0002524682070000071
Figure BDA0002524682070000072
Figure BDA0002524682070000073
其中φ(t)、θ(t)和Z(t)分别为横摇、纵摇和升沉运动时域运动幅值，ωi为第i个圆频率,Δωi为圆频率间距，Sφw(ωi)、Sθw(ωi)和SZw(ωi)分别为横摇、纵摇和升沉运动谱，εφi、εθi和εZi分别为横摇、纵摇和升沉运动时域运动对应圆频率时的相位值。，εi为波浪随机相位，取均匀的随机分布值，t为时间，单位秒。
打桩船作业工况重心处横摇、纵摇和升沉运动时域运动幅值确定后，可换算至打桩船桩架运动参考点处的位移时域运动，设打桩船作业工况重心至打桩船桩架运动参考点的纵向距离为Xc，因打桩船桩架通常位于船的中纵剖面处，因此不考虑横向距离的影响，打桩船桩架运动参考点至水面的垂向距离为Zc，则打桩船桩架运动参考点横向时域运动幅值Xr、纵向时域运动幅值Yr和垂向时域运动幅值Zr分别为：
Yr＝Zc×φ(t) (5)
Xr＝Zc×θ(t) (6)
Zr＝Z(t)+Xc×θ(t) (7)
系统中的阈值设定模块150用于设定船舶作业允许横向运动位移阈值、纵向运动位移阈值和升沉运动位移阈值。
打桩船打桩作业时桩架运动参考点处的阈值通常根据打桩锤及桩架允许的偏移量确定的，也可以根据打桩船船东的多年施工经验确定。
系统中的作业率计算模块160根据阈值设定模块150设定的阈值，对第四计算模块140计算确定的船舶上运动参考点的横向运动位移、纵向运动位移和升沉运动位移进行计算，确定不同浪向下横向、纵向和升沉时域运动位移不超过相应阈值的概率(即横向、纵向和升沉运动位移不超过阈值的时间除以总运动时间，所得的商即为各向运动不超过相应阈值的概率)，并据此计算在指定时间(通常三小时)和指定海况下(实际作业海况或设计海况条件)不同浪向的作业率及所有浪向平均作业率；
另外，本作业率计算模块160通过确定的不同浪向下横向、纵向和升沉时域运动位移不超过相应阈值的概率进行直接乘积值，即为打桩船在一定海况下不同浪向的作业率；同时计算所有浪向的打桩船作业率的平均值，由此确定打桩船作业工况平均作业率。
系统中的评估模块170根据作业率计算模块160的计算结果综合评估船舶的作业率和作业能力。
通过对打桩船所有作业工况所有浪向的作业率和平均作业率的计算，评估打桩船在指定海况下(实际作业海况或设计海况条件)的综合作业率，从而确定可施工作业时间，作为打桩船施工作业能力的依据，指导打桩船作业。
以下通过一下实例来说明一下本系统方案来对打桩船海上作业率评估的过程。
本系统方案在应用时，可存在计算机的存储介质(硬盘中)，并可在计算器的处理器调取执行，以完成对打桩船海上作业率和作业能力的评估。
参见图1和3，整个评估流程主要包括如下步骤：
(1)计算打桩船打桩作业工况，其作业工况通常可分解为四种工况：100％燃油和淡水和桩锤在最高点处、10％燃油和淡水桩锤在最高点处、100％燃油和淡水和桩锤在最低点处和10％燃油和淡水和桩锤在最低点处，评估每个作业工况的作业率可以全面掌握该打桩船作业能力。
(2)计算打桩船作业工况的横摇转动惯量和纵摇转动惯量。具体根据作业工况在结构有限元软件中全船建模，确定该作业工况的横摇转动惯量和纵摇转动惯量，如概念设计阶段或者无全船有限元模型，可根据母型船数据或经验公式进行初估。
(3)通过水动力软件建模计算打桩船作业工况下在重心位置处不同浪向和不同波浪周期下的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及其相位角。
(4)根据步骤(3)已计算的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应和相位角计算三小时内一定海况(指定有义波高和波浪周期)下打桩船横摇、纵摇和升沉时域运动位移幅值，并将其换算为运动参考点(桩架顶点)的横向运动、纵向运动和升沉运动位移幅值(参见图4)。
(5)计算打桩船不同浪向下横向、纵向和升沉时域运动位移不超过相应阈值的概率(即横向、纵向和升沉运动位移不超过阈值的时间除以总运动时间，所得的商即为各向运动不超过相应阈值的概率)，并计算三者概率的直接乘积，即为打桩船作业工况在特定海况下不同浪向的作业率；所有浪向的打桩船作业工况作业率的平均值即为该打桩船作业工况平均作业率(参见图5所示的表1)。
(6)计算打桩船所有作业工况和所有作业海况的不同浪向的作业率和平均作业率(参见图5所示的表1)；
(7)综合评估所有作业工况和作业海况不同浪向作业率及所有浪向作业率均值，确定打桩船作业率和作业能力；
(8)结束。
由图4可知，某浪向下升沉运动位移不超过升沉运动阈值的概率为P1(升沉运动位移不超过升沉阈值的时间除以总运动时间，所得的商即为概率P1)、同一浪向下横向运动位移不超过横各运动阈值的概率为P2(横向运动位移不超过横向阈值的时间除以总运动时间，所得的商即为概率P2)和同一浪向下横向运动位移不超过横各运动阈值的概率为P3(纵向运动位移不超过纵向阈值的时间除以总运动时间，所得的商即为概率P3)三者的乘积，即为该浪向的作业率。在图5所示的表1中，如0度浪向，Ph0相当于图4中的P1，Pt0相当于图4中的P2，Pl0相当于图4中的P3，三者乘积即为P0，所有浪向的平均值P(P0、P30、P60、P90、P120、P150和P180的和除以7即为P)为该打桩船作业工况平均作业率。
由上实例可知，本桩船海上作业率评估方案能够量化评估打桩船作业工况在一定海况下的作业率和作业能力，可定量给出打桩船的作业率，可以有效地评估打桩船在一定海况的作业时间和作业窗口期，指导船东和船长做出合理的工作规划。
另外，对于打桩船方案设计阶段，为了优选打桩船的船长、船宽、型深、吃水和排水量等要素，可以通过本方案对不同船舶主尺度方案进行量化优选，为船舶设计者提供合理有效的方法。
最后，本方案也可以用于指导其它类型工程船船型开发和施工作业。
上述本发明的方法，或特定系统单元、或其部份单元，为纯软件架构，可以透过程序代码布设于实体媒体，如硬盘、光盘片、或是任何电子装置(如智能型手机、计算机可读取的储存媒体)，当机器加载程序代码且执行(如智能型手机加载且执行)，机器成为用以实行本发明的装置。上述本发明的方法与装置亦可以程序代码型态透过一些传送媒体，如电缆、光纤、或是任何传输型态进行传送，当程序代码被机器(如智能型手机)接收、加载且执行，机器成为用以实行本发明的装置。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.打桩船海上作业率评估系统，包括处理器，以及存储有计算机程序的计算机可读介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时：
基于一定海况条件下，计算打桩船上的运动参考点处于不同浪向的横向时域运动位移、纵向时域运动位移和升沉时域运动位移；
基于设定的限制阈值，计算打桩船联合作业概率以及处于所有浪向下联合作业概率均值；
评估打桩船在海上作业率和作业能力。
2.根据权利要求1所述的打桩船海上作业率评估系统，其特征在于，所述评估系统中具有第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块以及第四计算模块；
所述第一计算模块通过数据建模来计算打桩船作业工况；
所述第二计算模块根据第一计算模块计算到的打桩船作业工况数据计算船舶指定参考点处的横摇转动惯量和纵摇转动惯量；
所述第三计算模块基于第二计算模块中计算得到的横摇转动惯量和纵摇转动惯量计算船舶指定参考点处单位波幅时不同浪向和不同波浪周期下的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及对应的相位角；
所述第四计算模块根据第三计算模块计算得到的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及各自的相位，计算指定时间和指定海况下船舶横摇时域运动、纵摇时域运动和升沉时域运动，并将其换算为船舶上运动参考点的横向运动位移、纵向运动位移和升沉运动位移。
3.根据权利要求1或2所述的打桩船海上作业率评估系统，其特征在于，所述评估系统中具有阈值设定模块、作业率计算模块以及评估模块；
所述阈值设定模块用于设定船舶作业允许横向运动位移阈值、纵向运动位移阈值和升沉运动位移阈值；
所述作业率计算模块根据阈值设定模块设定的阈值，计算不同浪向下横向、纵向和升沉时域运动位移不超过相应阈值的概率，并据此计算指定时间和指定海况下不同浪向的作业率及所有浪向平均作业率；
所述评估模块根据作业率计算模块的计算结果综合评估船舶的作业率和作业能力。
4.打桩船海上作业率评估方法，其特征在于，所述评估方法首先基于指定时间和指定海况下下，计算打桩船上的运动参考点处于不同浪向的横向时域运动位移、纵向时域运动位移和升沉时域运动位移；
接着，基于设定的限制阈值，计算打桩船联合作业概率以及处于所有浪向下联合作业概率均值；
最后，评估打桩船在海上作业率和作业能力。
5.根据权利要求4所述的打桩船海上作业率评估方法，其特征在于，所述评估方法通过如下步骤计算打桩船上运动参考点处于不同浪向的各个时域运动位移：
(1)计算打桩船作业工况；
(2)根据作业工况，计算该工况下船舶横摇转动惯量和纵摇转动惯量；
(3)计算船舶重心位置处不同浪向和不同波浪周期下的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及相位角；
(4)根据步骤(3)计算得到的横摇运动响应、纵摇运动响应和升沉运动响应及各自的相位，计算指定时间和指定海况下下打桩船横摇、纵摇和升沉时域运动，并将其换算为船舶上运动参考点的横向运动位移、纵向运动位移和升沉运动位移。
6.根据权利要求4所述的打桩船海上作业率评估方法，其特征在于，所述评估方法通过如下步骤计算打桩船联合作业概率以及处于所有浪向下联合作业概率均值：
(1)给定船舶作业允许横向运动位移阈值、纵向运动位移阈值和升沉运动位移阈值；
(2)计算船舶不同浪向下横向、纵向和升沉时域运动位移不超过相应给定阈值的概率，并据此计算船舶指定时间和指定海况下不同浪向的作业率以及打桩船平均作业率。
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