CN113221247A - 一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，涉及船舶技术领域，该方法包括以下步骤：确定全回转起重船吊重物回转作业时，以压载舱注水时间、压载水舱的进排水阀的响应动作时间和压载水进入各个舱室时间的总时间为优化目标，以保持船体平衡、船舶压载水量及压载水舱水位要求为约束条件，建立全回转起重船压载水调拨优化模型，通过SQP算法优化计算，得到总时间最小的调拨方案；该方法考虑了阀门的动作时间以及压载水在管路中流动的时间，更加符合工程实际，采用优化求解方法，可以精确计算船舶压载过程所需时间，提升工程船舶的作业效率。

Description

一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法。

背景技术

CN107215437A一种全回转起重船压载水调配系统及其工作方法，此发明阐述了全回转起重船压载系统的子系统组成，以各个压载舱达到目标水位所需时间为优化目标进行相关算法设计，但未考虑阀门动作时间以及压载水在管路中流动的时间；CN1565926A好望角型散货船压载水排水-进水置换方法，此发明是一种根据实例工程经验所提出的压载水进排水方法。该方法并未对压载水的调拨进行优化，仅调整使船舶平衡；CN111874156A一种压载水系统及船舶，此发明设计了一种在管路上合理的布置阀门以及控制阀门开关，从而可实现任意两个压载舱相互连通的压载管路系统。该方法仅为一种实现任意两个压载舱之间压载水调拨的系统，不包含压载水优化分配与时间计算。

目前起重船在作业过程中，压载水的调拨通常基于人工经验，其控制模式单一，压载系统存在调拨速度慢、决策响应时间长、控制精度差和自动化程度低等问题。随着起重船向大型化、自动化、复杂化趋势发展，起重船压载舱室增多、压载管系形式日趋复杂，依靠人工经验越来越难以满足海上安全、高效作业要求。海上作业不同于陆上作业，其受环境影响大，海况变化会直接影响作业的进程，适合作业的时间有限。若因环境抛锚等待，会极大地影响作业的进度，提高作业风险和成本。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，包括以下步骤：

确定全回转起重船吊重物回转作业方案时，以压载舱注水时间、压载水舱进排水阀的响应动作时间和压载水进入各个舱室时间的总时间为优化目标，以保持船体平衡、船舶压载水量及压载水舱水位高度为约束条件，建立全回转起重船的压载水调拨优化模型，通过算法优化计算，得到总时间最小的调拨方案。

进一步地，所述压载舱的注水时间t_i1的表达式如下：

式中：m_i为第i阶段调拨的压载水量，q_p为泵流量。

进一步地，所述舱室阀门响应动作时间t_i2的表达式如下：

t_i2＝max(t_i21,t_i22,...,t_i2j,...,t_i2n) (6)

式中：t_i2j为第j个阀门开启所用时间，t_i2j表示为：

式中：t_in为进水阀开启时间，t_out为排水阀开启时间，h_ij为第i个阶段第j个压载水舱水位高度，h_(i-1)j为第i-1个阶段第j个压载水舱水位高度。

进一步地，所述压载水进入各个舱室的时间t_i3的表达式如下：

t_i3＝max(t_i31,t_i32,...,t_i3j,...,t_i3n) (8)

式中：t_i3j为第i个阶段压载水进入第j个舱室的管路时间，表示为：

式中：s_k水流经过第k段管路的长度，v_ik为第i阶段第k段管内压载水流速，q_ik为第i阶段第k段管内压载水流量，d为压载水管路直径。

进一步地，所述船体平衡的约束条件如下：

M_G+Μ_B+M_R+M_E＝0 (15)

式中：M_G为重物力矩，M_B为压载力矩，M_R为复原力矩，M_E为环境载荷力矩。

进一步地，所述船舶压载水量Q的约束条件如下：

Q_min≤Q≤Q_max (21)

式中：Q_min为船舶保持吃水所需要的最低压载水量，Q_max为船舶最大压载水装载量。

进一步地，所述压载水舱水位h的约束条件如下：

h_min≤h≤h_max (22)

式中：h_min为压载水舱最低液位，h_max为压载水舱最高液位。

进一步地，所述起重船压载水调拨优化模型表示为：

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，考虑了阀门的动作响应时间以及压载水在管路中流动的时间，更加贴近实际工程，该方法提出优化压载水调配，计算压载时间的模型，采用各个阶段寻优的优化算法，可以精确高效地计算起重船舶压载过程所需时间，提升工程船舶的作业效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的起重船压载舱布置右舷视图；

图2为本发明的起重船压载舱布置俯视图；

图3(a)为本发明的左舷舱室优化压载方案的水位高度变化曲线图；

图3(b)为本发明的中间舱室优化压载方案的水位高度变化曲线图；

图3(c)为本发明的右舷舱室优化压载方案的水位高度变化曲线图；

图4为左右舷舱室调拨管路简化图；

图5为经验方案舱室使用示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，包括以下步骤：

确定全回转起重船吊重物回转作业方案时，以压载舱注水时间、压载水舱的进排水阀的响应动作时间和压载水进入各个舱室时间的总时间为优化目标，以保持船体平衡、船舶压载水量及压载水舱水位高度为约束条件，建立全回转起重船的压载水调拨优化模型，通过算法优化计算，得到总时间最小的调拨方案。

吊机在运动的过程中，船体一直保持平衡状态，船体平衡方程也就是平衡约束。

本发明以压载水各舱室水位高度为优化变量，通过调整各个压载水舱的压载水高度，使船舶保持一个良好的稳性与浮态，各个舱室的水位高度改变量Δh_j(t)随吊机吊物回转而变化，当Δh_j(t)变化则表明第j个压载水舱的水位变化，即该舱室参与调拨作业。

由于海上工况的不确定性，在海上施工作业应尽量减少时间，提高效率。为此，本文以压载舱注水时间、阀的响应动作时间和压载水在管路中流动的时间的总时间T作为优化目标，目标函数可表示为：

式中:t_i为各个阶段的时间，计算的时候为了便于求解，将整个过程分为若干阶段，求出每一阶段的最优解，组合即可得到整体最优解。

当各个阶段时间均为最短时，即可得到最短的总时间T，即：

每一阶段的t_i可以表示为

t_i＝t_i1+t_i2+t_i3 (3)

式中：t_i1是第i个阶段压载舱的注水时间，t_i2为第i个阶段阀的响应动作时间，t_i3为第i个阶段压载水进入各个舱室时间；

其中，压载舱的注水时间t_i1可表示为：

式中：m_i为第i阶段调拨的压载水量，q_p为泵流量。

对于吊物回转作业，需要考虑当前阶段和下一阶段的压载水舱水位高度，则m_i可表示为：

式中：ρ为压载水密度，S_j为第j个舱室的底面积，当压载水只在船舶内部舱室互相调拨时，

为第i个阶段第j个压载水舱水位变化高度，n为压载水舱总数。

舱室阀门响应时间t_i2可表示为：

t_i2＝max(t_i21,t_i22,...,t_i2j,...,t_i2n) (6)

式中：t_i21为第i个阶段1个阀门开启所用时间，t_i22为第i个阶段2个阀门开启所用时间，t_i2j为第i个阶段第j个阀门开启所用时间，t_i2j可表示为：

式中：t_in为进水阀开启时间，t_out为排水阀开启时间，h_ij为第i个阶段第j个压载水舱水位高度，h_(i-1)j为第i-1个阶段第j个压载水舱水位高度。

由于压载水在管路中的流动需要时间，而起重船舶压载水调拨频繁，压载水会由一个舱室分配到多个舱室，或者多个舱室分配到一个舱室，这将导致压载水在管路中的流动时间较长，因此压载水调拨需要考虑其在管路内流动时间。压载水在管路中流动的时间t_i3可表示为：

t_i3＝max(t_i31,t_i32,...,t_i3j,...,t_i3n) (8)

式中：t_i31为第i个阶段压载水进入第1个舱室的管路时间，t_i32为第i个阶段压载水进入第2个舱室的管路时间，t_i3j为第i个阶段压载水进入第j个舱室的管路时间，可表示为：

式中：s_k为压载水流经过第k段管路的长度，v_ik为第i阶段第k段管内压载水流速，q_ik为第i阶段第k段管内压载水流量，d为压载水管路直径。

对于总管分管式管路，总管流量等于支管流量总和，即：

式中：q_a为总管流量，q_am为支管流量。

对于连接各舱室进水的支管流量，应满足其流量总和等于进水泵流量，即

式中：q_ij为第i阶段进入第j个舱室的支管的流量，对于排水流量，与进水流量相同，即排水支管的流量总和等于排水泵的流量。

采用伯努利方程分析管道内的压载水流动状况，其表达式为

式中：p是压强，ρgz是重力势能，ρv²/2是动能，1和2是流体在管路中的两个位置，z是水头高度，v是流速，g是重力加速度。

起重船压载水管路通常采用总管式，即沿船长方向敷设总管，由总管向各压载舱室引出支管。针对总管式压载水管路，在考虑能量损失后，结合伯努利方程，假设所有管道具有相同的直径，推导出接头处的方程组为：

式中：D为管径，Q为流量，其与流速的关系为Q＝vπ(D/2)²，∑h为总损失。

可以通过求解式(13)获得各管路的流量，通过流量可以实时的计算出流入各个压载水舱的压载水量。由于方程中包含非线性项，可采用牛顿-拉夫森方法进行求解。对于复杂的管路系统，该方程依然可用于管路连接处，方程数量与管路数量成正比，方程中的项数随着流体通过结点数的增加而增加，通过简单管系方程组可以推得复杂管系方程组，即：

式中：Q_in为进入管系的流量，Q_mid为中间管系的流量，Q_out为排出管系的流量；P_in与P_out分别为进、出口压力；Z_in与Z_out分别为管系进、出口高度。

进一步地，关于约束条件，在吊机载物回转的作业过程中，船舶会受到吊物产生的力矩发生倾斜，使船舶的浮态与稳性发生变化。而作业过程中船舶压载水的作用则是使船舶保持平衡，因此船舶应该在重物力矩M_G、压载力矩M_B、复原力矩M_R与环境载荷力矩M_E的共同作用下保持平衡，即

M_G+Μ_B+M_R+M_E＝0 (15)

作业过程中重物造成的重物力矩M_G可以分解为在横倾与纵倾方向上的分力矩，即

M_G＝M_H+M_T (16)

横倾力矩M_H与纵倾力矩M_T分别为：

式中：α为吊机回转角度，m为重物质量，g为重力加速度。

船舶在横倾φ角度后产生的复原力矩M_R为：

式中：

表示船舶的横稳性高。

由压载水造成的船舶压载力矩M_B可以分为在横倾与纵倾方向上的分力矩，即：

式中：M_Bx为纵倾方向的分力矩，M_By为横倾方向的分力矩，S为压载水舱底面积，h为压载水舱水位高度，x为纵倾方向分力矩，y为横倾方向分力矩，j为第j个压载水舱。

在此过程中，船舶的倾角应满足相应的规范要求，即：

θ≤[θ],φ≤[φ] (20)

式中，[θ]和[φ]分别为船舶纵倾角与横倾角的最大允许值。中国船级社发布的《船舶与海上设施起重设备规范》(2007年版)中明确表明，起重设备在确定安全工作负荷时，横倾角最大为±5°，纵倾角最大为±2°。

由于船舶压载水需保持船舶平衡，压载水量要足够抵消重物所产生的力矩，但不能过多导致船舶超载，即：

Q_min≤Q≤Q_max (21)

式中：Q_min为船舶保持吃水所需要的最低压载水量，Q_max为船舶最大压载水装载量。

压载水舱水位的要求为水位大于最低水位，小于最高水位，即：

h_min≤h≤h_max (22)

式中：h_min为压载水舱最低液位，h_min为压载水舱最高液位，由于船舶在海上航行时，舱室水位不能过高，最低水位一般由压载水舱结构决定，最高水位一般不超过舱室最大水位的90％。

本发明的起重船压载水调拨优化模型可表示为：

压载水调拨优化模型的高效求解对于压载水自动调拨具有重要意义。随着起重船日趋大型化，压载水舱不断增多，模型求解难度增加。SQP(Sequence Quadratic Program)法通过二次规划确定每次迭代的下降方向，并通过价值函数获取步长，多次迭代逼近最优值。在处理非线性问题中，SQP算法不依赖于初值，并具有良好的收敛与自我校正能力，求解结果的稳定性与可靠性强。因此本发明采用SQP法求解优化模型。

为降低优化难度，压载水调拨优化可采用动态规划求解策略，通过分段求解以获得整个连续调拨过程的最优解。根据作业过程吊机回转的角度，可将压载水调拨决策分为n个阶段，将不同阶段各舱室压载水的高度作为状态变量，则第k阶段状态变量s_k可表示为

s_k＝(h_k1,h_k2,...,h_kj,...,h_kn),j＝1,2,...,n (24)

式中：h_k1为第k阶段第1个压载水舱的水位高度，h_k2为第k阶段第2个压载水舱的水位高度，h_kj为第k阶段第j个压载水舱的水位高度，h_kn为第k阶段第n个压载水舱的水位高度。

设u_k(s_k)为第k阶段处于s_k时的决策变量，则

u_k(s_k)＝(Δh_k1,Δh_k2,...,Δh_kj,...,Δh_kn) (25)

式中：Δh_ki为第k阶段第j个压载水舱水位变化高度，可表示为：

Δh_kj＝h_(k+1)j-h_kj (26)

式中：h_(k+1)j为第k+1阶段第j个压载水舱水位高度。

用v_k(s_k,u_k)表示第k阶段处于状态s_k且所作决策为u_k时的指标，即第k阶段的压载水调拨时间，则

用f_k(s_k,u_k)表示第k阶段的指标函数，可表示为：

采用顺推解法，以此类推，即求出每一个阶段的最优解，从而得到最优策略，即得到了压载水的最优调拨方案。

本实施例使用全回转起重船的尺度参数为：

项目	参数
		总长	290m
型宽	58m
		型深	28.8m
主钩起吊能力	12000t
		吊臂长度	54m
压载水舱数量	25
		压载泵组流量	6×4000t·h<sup>-1</sup>

图1为本发明的起重船压载舱布置右舷视图；

图2为本发明的起重船压载舱布置俯视图；设定工况：起吊重物质量为5000t，压载水初始装载量为2000t，吊物回转作业结束排水后装载量均为2000t，吊载作业为吊机从船首0°位置起吊5000t重物回转至左舷90°位置放下重物。

采用压载水调拨量为15000t时，经过求解计算，压载水舱注水时间为1029.6s，图3(a)为本发明优化方案的的左舷舱室水位高度变化曲线图；图3(b)为本发明优化方案的中间舱室水位高度变化曲线图；图3(c)为本发明优化方案的右舷舱室水位高度变化曲线图；阀门的响应时间可根据船舶阀门实际情况设定，本方法中所有阀门均设为5s；由于各个压载水舱位置不同，因此压载水到达每个舱室的时间也不尽相同，可采用压载总管注水方法，由于开始阶段压载水为左右舷压载水舱的调拨，因此计算初始压载水达到时间即可，左右舷调拨时管路图如图4所示。压载水达到右舷舱时间如下表所示。该阶段时间取最长的舱室进水时间为173.6s。

舱室名称	进水时间/s
		Tail(S)	173.6
No.5(S)	3.5
		No.4(S)	18.8
No.3(S)	4.7
		No.2H(S)	1.7
No.1H(S)	4.6
		F2(S)	4.5
F1(S)	10.1

由此可知，吊物回转作业总用时为1208.2s。

实际工程中，人工经验通常采用少数舱室完成调拨。当仅采用船舶边角舱室与左右舷中间抗横倾水舱时，图5为经验方案舱室使用示意图，压载舱室注水时间为1399.7s，该时间并未包括人工判断与决策时间，仅为注水时间，压载水进入舱室最长时间为164.5s，因此总用时为1564.2s。

将工程经验方案与优化方案进行对比分析，在压载水泵额定负荷下工作时，优化方案压载时间仅为经验方案的77％。计算结果表明，虽然经验方案采用了较少的压载舱室进行调配，但是基于本发明建立优化模型获得的优化方案可以通过降低调配量降低压载时间，从而有助于提高施工效率和能量损耗。而且在实际工程中，人工判断决策也会需要很长时间，甚至可能因为舱室数量多无法精确控制舱室进水，因此本优化模型可在顺利完成作业的情况下提升效率，也可为压载水自动甚至智能调拨提供决策模型支持。

采用SQP算法计算15000t压载水调拨时，计算仅耗时2.3s，且可以求得最优方案；采用信赖域反射算法计算平均耗时28s且有时不能求得最优方案。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

全回转起重船吊重物回转作业时，以压载舱注水时间、压载水舱的进排水阀的响应动作时间和压载水进入各个舱室时间的总时间为优化目标，以保持船体平衡、船舶压载水量及压载水舱水位高度为约束条件，建立全回转起重船压载水调拨优化模型，通过SQP算法优化计算，得到总时间最小的调拨方案。

2.根据权利要求1所述的一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，其特征还在于：所述压载舱的注水时间t_i1的表达式如下：

式中：m_i为第i阶段调拨的压载水量，q_p为泵流量。

3.根据权利要求1所述的一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，其特征还在于：所述舱室阀门响应动作时间t_i2的表达式如下：

t_i2＝max(t_i21,t_i22,...,t_i2j,...,t_i2n) (6)

式中：t_i2j为第i个阶段第j个阀门开启所用时间，t_i2j表示为：

式中：t_in为进水阀开启时间，t_out为排水阀开启时间，h_ij为第i个阶段第j个压载水舱水位高度，h_(i-1)j为第i-1个阶段第j个压载水舱水位高度。

4.根据权利要求1所述的一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，其特征还在于：所述压载水进入各个舱室的时间t_i3的表达式如下：

t_i3＝max(t_i31,t_i32,...,t_i3j,...,t_i3n) (8)

式中：t_i3j为第i个阶段压载水进入第j个舱室的管路流动时间，表示为：

式中：s_k水流经过第k段管路的长度，v_ik为第i阶段第k段管内压载水流速，q_ik为第i阶段第k段管内压载水流量，d为压载水管路直径。

5.根据权利要求1所述的一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，其特征还在于：所述船体平衡的约束条件如下：

M_G+Μ_B+M_R+M_E＝0 (15)

其中：M_G为重物力矩，M_B为压载力矩，M_R为复原力矩，M_E为环境载荷力矩。

6.根据权利要求1所述的一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，其特征还在于：所述船舶压载水量Q的约束条件如下：

Q_min≤Q≤Q_max (21)

其中：Q_min为船舶保持吃水所需要的最低压载水量，Q_max为船舶最大压载水装载量。

7.根据权利要求1所述的一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，其特征还在于：所述压载水舱水位h的约束条件如下：

h_min≤h≤h_max (22)

其中：h_min为压载水舱最低液位，h_max为压载水舱最高液位。

8.根据权利要求1所述的一种全回转起重船压载水调拨优化计算方法，其特征还在于：所述起重船的压载水调拨优化模型表示为。

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