CN113978664B - 一种半潜运载装备压排载智能测控系统 - Google Patents

一种半潜运载装备压排载智能测控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半潜运载装备压排载智能测控系统，包括船舶状态实时监测模块、货物自主感知计算模块、压排载智能在线控制模块和相关数据输出与显示模块；船舶状态实时监测模块，实时对船舶的运动姿态、压载状态及结构应力的监测；货物自主感知计算模块，存储装载前与装载过程中船舶艏艉吃水、纵倾角、横倾角及各压载舱压载数据变化，通过存储的数据源求解输出已装载货物有效重量和货物有效重量变化曲线以及解算输出货物重心横向、纵向和垂向坐标及其变化曲线；压排载智能在线控制模块，判断船舶吃水、横倾和纵倾是否在安全范围，计算船舶静稳性参数和动稳性参数及整船浮力分布、重力分布、剪力曲线和弯矩曲线，及对各个压载舱的压排载进行底层的控制。

Description

一种半潜运载装备压排载智能测控系统
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，尤其涉及一种半潜运载装备压排载智能测控系统。
背景技术
半潜运载装备(半潜船)具有宽敞无障碍的装货甲板，可通过滚装或上浮下潜的方式装卸和运输大尺寸、超重型海洋结构物及货物等，具有常规船无法比拟的地位。但由于半潜运载装备下潜作业的特殊性，决定了其对压排载系统的智能化水平较常规船舶提出更高的要求。目前半潜运载装备主要是通过事先的装载计算，制定规范的装载下潜流程，而且必须由具有丰富经验的专门操作员严格按照设定规程进行操作，整个压排载过程手动操作，缺乏自动控制功能，效率慢，属于高风险作业。并且由于海上恶劣海况的影响，整个装载过程不管是船舶的位置姿态，还是实际货物的形状、重量、装载位置等都与事前装载计算的理想情况存在偏差，这些因素都给实际操作带来很大安全隐患，因此目前半潜运载装备只能在海况较好的情况进行作业。这显然大大限制了半潜运载装备的使用，特别随着军事方面以及救援抢险方面的需求，迫切需要半潜运载装备能满足高海况使用要求，所以实现半潜运载装备的压排载智能化控制将具体特别重要的意义。
但要实现半潜运载装备的压排载系统智能控制，要解决的一项关键技术就是货物重量、重心的获取。不管半潜运载装备是采用滚装还是上浮下潜的装卸方式，装卸货过程，货物作用在船体上的有效重量是一个变化的过程，并且货物的重心往往也是移动的。另一方面，在半潜运载装备下潜上浮装卸货过程中，由于货物部分入水产生浮力，所以货物作用在半潜运载装备上的有效重量并不等于其自身重量。由于半潜运载装备的货物重量巨大、体型多变，目前还没有有效的传感器或测量方式对其实际装载的货物有效重量及重心位置进行监测。
综上，如何克服目前半潜运载装备压排载系统只能手动控制的弊端，增加其智能控制功能，使压排载系统能根据实际装载的货物重量和重心自动调整压排载水量，以适应货物的变化。而实现上述智能控制的关键和前提又是如何解决半潜运载装备货物的实际有效重量和重心位置难以获取的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种半潜运载装备压排载智能测控系统，该发明利用船舶不同位置装载不同重量的货物会引起船舶艏艉吃水的不同变化，以及使船舶产生不同程度的横倾和纵倾；所以逆思路，通过连续监测船舶自身的艏艉吃水、横倾和纵倾变化，再利用受力平衡原理，就能间接地感知求解出货物实际作用在船体上的有效重量和重心位置。在上述基础上，根据求得的货物有效重量、重心以及船舶实时状态信息来智能控制各压载水舱的自动吸入或排出压载水来匹配货物的重量和重心变化，确保装载过程中都满足浮态、稳性和强度的性能要求。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种半潜运载装备压排载智能测控系统，包括：
船舶状态实时监测模块、货物自主感知计算模块、压排载智能在线控制模块和相关数据输出与显示模块；所述
船舶状态实时监测模块，用于实时对船舶的运动姿态、压载状态及结构应力的监测；
货物自主感知计算模块，用于存储装载前与装载过程中船舶艏艉吃水、纵倾角、横倾角及各压载舱压载数据变化，通过存储的数据源求解输出已装载货物有效重量和货物有效重量变化曲线以及解算输出货物重心横向、纵向和垂向坐标及其变化曲线；
压排载智能在线控制模块，用于判断船舶吃水、横倾和纵倾是否在安全范围，并计算船舶静稳性参数和动稳性参数及整船浮力分布、重力分布、剪力曲线和弯矩曲线，以及对各个压载舱的压排载进行底层的控制。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
解决了半潜运载装备货物实际有效重量和重心位置无法准确获取的难题，采用的智能控制方式与现有手工操作相比，通过压排载智能控制系统实现半潜运载装备装载过程压载水的全自动控制大大提高了压排载系统的操作效率，增加了半潜运载装备对高海况的适应性，增强了半潜运载装备装卸货的安全性，明显地提升了系统的自动化和智能化水平。
附图说明
图1是半潜运载装备压排载智能测控系统框图；
图2是运动姿态监测单元框图；
图3是压载状态监测单元框图；
图4是结构应力监测单元框图；
图5是货物自主感知计算模块框图；
图6是压排载智能在线控制模块控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，为半潜运载装备压排载智能测控系统框图，包括船舶状态实时监测模块、货物自主感知计算模块、压排载智能在线控制模块和相关数据输出与显示模块；所述船舶状态实时监测模块，用于实时对船舶的运动姿态、压载状态及结构应力的监测；货物自主感知计算模块，用于存储装载前与装载过程中船舶艏艉吃水、纵倾角、横倾角及各压载舱压载数据变化，通过存储的数据源求解输出已装载货物有效重量和货物有效重量变化曲线以及解算输出货物重心横向、纵向和垂向坐标及其变化曲线；压排载智能在线控制模块，用于判断船舶吃水、横倾和纵倾是否在安全范围，并计算船舶静稳性参数和动稳性参数及整船浮力分布、重力分布、剪力曲线和弯矩曲线，以及对各个压载舱的压排载进行底层的控制。
所述船舶状态实时监测模块包括船舶运动姿态监测单元、压载状态监测单元和结构应力监测单元。
如图2所示，所述船舶运动姿态监测单元包括卫星定位系统、电罗经、运动参考单元、船舶四角吃水传感器及相关数据采集、传输、处理和输出显示单元，用于通过多传感器数据融合技术准确测量装载过程船舶的吃水变化以及横倾和纵倾姿态信息。
如图3所示，压载状态监测单元包括各压载舱室布置的液位传感器、压力传感器及相关数据采集、传输、处理和输出显示单元，用于通过液位传感器监测各舱室的实际压载水量变化，为所述货物自主感知计算模块和压排载智能在线控制模块提供反馈信息。
如图4所示，结构应力监测单元包括应力应变传感器及相关数据采集、处理、传输和输出显示单元，通过在船体结构主要部位和应力集中关键节点处布置应力应变传感器，实现实时监测船舶装卸货和作业过程中船体主要部位的应力状态，为所述强度在线监督与控制单元提供信息，并对异常数据进行预警。
所述货物自主感知计算模块包括数据输入与存储单元、货物有效重量感知计算单元、货物重心位置感知计算单元和数据输出与存储单元。
如图1和图5所示，所述数据输入与存储单元接收所述船舶运动姿态监测单元和压载状态监测单元的数据，并存储装载前艏艉吃水记录、装载前纵倾角记录、装载前横倾角记录、装载前各压载舱压载记录、装载过程艏艉吃水变化、装载过程纵倾角变化、装载过程横倾角变化和装载过程各压载舱压载变化；所述货物有效重量感知计算单元利用所述装载前艏艉吃水记录、装载过程艏艉吃水变化量、装载前各压载舱压载记录及装载过程各压载舱压载变化量作为数据源，求解输出已装载货物有效重量和货物有效重量变化曲线；所述货物重心位置感知计算单元以装载前纵倾角记录、装载过程纵倾角变化量、装载前横倾角记录、装载过程横倾角变化量、装载前各压载舱压载记录及装载过程各压载舱压载变化量作为输入，解算输出货物重心横向、纵向和垂向坐标及其变化曲线。
所述货物有效重量感知计算单元计算原理如下：
船舶装卸货物和压排载都会造成船舶排水量的变化，由于所述压载状态监测单元和运动姿态监测单元都具备在线连续监测和记录功能，因此装卸货过程，可利用船舶排水量的变化减去压排载系统压载水重量变化得到装卸货物的重量，如下式所示。
由浮态平衡方程有
W原＝Δ原 (1)
W原+W压调+W新货＝Δ新 (2)
W新货＝Δ新-W原-W压调＝Δ新-Δ原-W压调＝Δ变化-W压调 (3)
式中，W原为船舶装卸新货物前原来的重力；Δ原为船舶装卸新货物前原来的排水量；W压调为装卸新货物过程中调整的总压载水量(增加压载水为正，减少压载水为负)；W新货为装卸新货物的重量(装货为正，卸货为负)；Δ新为船舶装卸新货物后的排水量；Δ变化＝Δ新-Δ原为装卸新货物前后排水量的变化量。
具体地，可通过压载状态监测单元和运动姿态监测单元记录下装卸货物前后每一瞬时的各舱压载水情况和船舶艏艉吃水情况，利用船舶邦戎曲线求出船舶排水量的变化量Δ变化，排水量的变化量Δ变化再扣除总压载水的变化量 W压调就是装卸新货物的重量W新货。装载过程是重量不断增加的过程，卸载则相反，所述货物有效重量感知计算单元能计算每一瞬时新增货物或减少货物的重量，并记录货物重量变化的时间历程，为所述压排载智能在线控制模块提供实时数据。
所述货物重心位置感知计算单元原理如下：
由任意状态的船舶浮态平衡方程有
xB-xG＝(zG-zB)tanθ (4)
Figure BDA0003363473520000051
式中，xB、yB、zB分别为浮心的纵向坐标、横向坐标和垂向坐标；xG、 yG、zG分别为船舶重心的纵向坐标、横向坐标和垂向坐标；θ为船舶纵倾角；
Figure BDA0003363473520000052
为船舶横倾角。
又根据力学原理有
xG＝(W原xG原+W压调x压调+W新货x新货)/(W原+W压调+W新货) (6)
yG＝(W原yG原+W压调y压调+W新货y新货)/(W原+W压调+W新货) (7)
zG＝(W原zG原+W压调Z压调+W新货Z新货)/(W原+W压调+W新货) (8)
式中，xG、yG、zG分别为装卸新货物后整船重量重心纵向、横向和垂向坐标；xG原、yG原、zG原分别为装卸新货物前整船重量重心纵向、横向和垂向坐标；W原为装卸新货物前整船重量；W压调为装卸新货物过程中调整的总压载水量；x压调、y压调、Z压调分别为装卸新货物过程中调整的总压载水量的重心位置纵向、横向和垂向坐标；W新货为装卸新货物的重量；x新货、y新货、Z新货分别为新货物的纵向、横向和垂向坐标。
把式(6)～(8)代入式(4)和(5)，可得
xB-(W原xG原+W压调x压调+W新货x新货)/(W原+W压调+W新货)＝ ((W原zG原+W压调Z压调+W新货Z新货)/(W原+W压调+W新货)-zB)tanθ (9)
Figure BDA0003363473520000061
在式(9)和(10)中，横倾角
Figure BDA0003363473520000062
和纵倾角θ可由所述运动姿态监测单元测量获到；船舶浮心位置坐标xB、yB、zB，可根据所述运动姿态监测单元测量到的船舶艏艉吃水以及船舶型线图和型值表(邦戎曲线)进行计算得到；船舶装卸新货物前整船重量W原可根据式(1)，由原艏艉吃水记录根据邦戎曲线求得；装卸新货物过程中调整的总压载水量W压调和其重心位置坐标x压调、y压调、 Z压调可根据所述压载状态监测单元监测到的各压载舱压载水液位及各舱室的几何形状和分布计算得到；装卸新货物的重量W新货根据式(3)计算得到。
因此，式(9)和(10)中只剩下xG原、yG原、zG原、x新货、y新货、Z新货共6个未知数。由于所述压排载智能测控系统在装卸载中是一个连续调整的过程，当装卸新货物后，系统会根据船舶吃水、横 倾和纵倾情况自动调整压载水，使船舶浮态达到新的安全状态。在此过程中系统是连续记录船舶的浮态状态和压载状态的对应变化关系的，因此有足够多的工况数据可代入式(9)和(10) 求解出上述未知数。
具体可选用其中3个不同时刻的压载数据，根据上述方法获取对应各自时刻的
Figure BDA0003363473520000071
θ、xB、yB、zB、W原、W压调、x压调、y压调、Z压调、W新货数值，然后把3组不同时刻的数据各自代入式(9)和(10)，得到6个方程，便可求解出xG原、yG原、zG原、x新货、y新货、Z新货6个未知数。装卸新货物后整船重量重心纵向、横向和垂向坐标xG、yG、zG可通过式(6)～(8)求得。
所述压排载智能在线控制模块包括浮态在线监督与控制单元、稳性在线监督与控制单元、强度在线监督与控制单元和压排载综合控制单元；所述浮态在线监督与控制单元以船舶运动姿态监测单元、压载状态监测单元、货物有效重量感知计算单元和货物重心位置感知计算单元的输出数据作为数据源，判断船舶吃水、横倾和纵倾是否在安全范围内，如果否，则输出预警信号，同时向所述压排载综合控制单元输出压排载命令，以吸入或排出压载水，使船舶浮态达到许可范围。所述稳性在线监督与控制单元以所述船舶运动姿态监测单元、压载状态监测单元、货物有效重量感知计算单元和货物重心位置感知计算单元的输出数据作为数据源，计算船舶静稳性参数和动稳性参数，并判断是否满足船舶稳性要求，如果否，则输出预警信号，同时向所述压排载综合控制单元输出压排载命令，以调整整船的重心高度，使船舶稳性达到许可范围。所述强度在线监督与控制单元以所述船舶运动姿态监测单元、压载状态监测单元、结构应力监测单元、货物有效重量感知计算单元和货物重心位置感知计算单元的输出数据作为数据源，计算整船浮力分布、重力分布、剪力曲线和弯矩曲线，并判断剪力和弯矩是否满足强度要求，若否，则输出预警信号，并向所述压排载综合控制单元输出调整压排载命令，通过调整各压载舱的压载水量分布，使剪力和弯矩分布达到最优；若是，结束此轮调整。所述压排载综合控制单元负责接收所述浮态在线监督与控制单元、稳性在线监督与控制单元、强度在线监督与控制单元的控制命令，然后根据控制指令，对各个压载舱的压排载进行底层的控制。如图6所示，整个控制流程为先判断浮态是否满足要求，再判断稳性是否满足要求，最后判断强度是否满足要求，不满足则循环调整，直到都满足后，调整结束。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种半潜运载装备压排载智能测控系统，其特征在于，所述测控系统包括：船舶状态实时监测模块、货物自主感知计算模块、压排载智能在线控制模块和相关数据输出与显示模块；所述
船舶状态实时监测模块，用于实时对船舶的运动姿态、压载状态及结构应力的监测；
货物自主感知计算模块，用于存储装载前与装载过程中船舶艏艉吃水、纵倾角、横倾角及各压载舱压载数据变化，通过存储的数据源求解输出已装载货物有效重量和货物有效重量变化曲线以及解算输出货物重心横向、纵向和垂向坐标及其变化曲线；
压排载智能在线控制模块，用于判断船舶吃水、横倾和纵倾是否在安全范围，并计算船舶静稳性参数和动稳性参数及整船浮力分布、重力分布、剪力曲线和弯矩曲线，以及对各个压载舱的压排载进行底层的控制；
所述货物有效重量感知计算单元计算原理如下：
船舶装卸货物和压排载都会造成船舶排水量的变化，由于压载状态监测单元和运动姿态监测单元都具备在线连续监测和记录功能，因此装卸货过程，利用船舶排水量的变化减去压排载系统压载水重量变化得到装卸货物的重量，如下式所示：
由浮态平衡方程有
W原＝Δ原 (1)
W原+W压调+W新货＝Δ新 (2)
W新货＝Δ新-W原-W压调＝Δ新-Δ原-W压调＝Δ变化-W压调 (3)
式中，W原为船舶装卸新货物前原来的重力；Δ原为船舶装卸新货物前原来的排水量；W压调为装卸新货物过程中调整的总压载水量，其中，增加压载水为正，减少压载水为负；W新货为装卸新货物的重量，其中，装货为正，卸货为负；Δ新为船舶装卸新货物后的排水量；Δ变化＝Δ新-Δ原为装卸新货物前后排水量的变化量；
具体地，通过压载状态监测单元和运动姿态监测单元记录下装卸货物前后每一瞬时的各舱压载水情况和船舶艏艉吃水情况，利用船舶邦戎曲线求出船舶排水量的变化量Δ变化，排水量的变化量Δ变化再扣除总压载水的变化量W压调就是装卸新货物的重量W新货；装载过程是重量不断增加的过程，卸载则相反，所述货物有效重量感知计算单元能计算每一瞬时新增货物或减少货物的重量，并记录货物重量变化的时间历程，为所述压排载智能在线控制模块提供实时数据；
所述货物重心位置感知计算单元原理如下：
由任意状态的船舶浮态平衡方程有
xB-xG＝(zG-zB)tanθ (4)
Figure FDA0003564886420000021
式中，xB、yB、zB分别为浮心的纵向坐标、横向坐标和垂向坐标；xG、yG、zG分别为船舶重心的纵向坐标、横向坐标和垂向坐标；θ为船舶纵倾角；
Figure FDA0003564886420000022
为船舶横倾角。
2.如权利要求1所述的半潜运载装备压排载智能测控系统，其特征在于，所述船舶状态实时监测模块包括船舶运动姿态监测单元、压载状态监测单元和结构应力监测单元；所述
船舶运动姿态监测单元包括卫星定位系统、电罗经、运动参考单元、船舶四角吃水传感器及相关数据采集、传输、处理和输出显示单元，用于通过多传感器数据融合技术准确测量装载过程船舶的吃水变化以及横倾和纵倾姿态信息；
压载状态监测单元包括各压载舱室布置的液位传感器、压力传感器及相关数据采集、传输、处理和输出显示单元，用于通过液位传感器监测各舱室的实际压载水量变化，为所述货物自主感知计算模块和压排载智能在线控制模块提供反馈信息；
结构应力监测单元，包括应力应变传感器及相关数据采集、处理、传输和输出显示单元，通过在船体结构主要部位和应力集中关键节点处布置应力应变传感器，实现实时监测船舶装卸货和作业过程中船体主要部位的应力状态，为强度在线监督与控制单元提供信息，并对异常数据进行预警。
3.如权利要求1所述的半潜运载装备压排载智能测控系统，其特征在于，所述货物自主感知计算模块包括数据输入与存储单元、货物有效重量感知计算单元、货物重心位置感知计算单元和数据输出与存储单元。
4.如权利要求3所述的半潜运载装备压排载智能测控系统，其特征在于，所述数据输入与存储单元接收所述船舶运动姿态监测单元和压载状态监测单元的数据，并存储装载前艏艉吃水记录、装载前纵倾角记录、装载前横倾角记录、装载前各压载舱压载记录、装载过程艏艉吃水变化、装载过程纵倾角变化、装载过程横倾角变化和装载过程各压载舱压载变化；
所述货物有效重量感知计算单元利用所述装载前艏艉吃水记录、装载前各压载舱压载记录、装载过程艏艉吃水变化量及装载过程各压载舱压载变化量作为数据源，求解输出已装载货物有效重量和货物有效重量变化曲线；
所述货物重心位置感知计算单元以装载前纵倾角记录、装载过程纵倾角变化量、装载前横倾角记录、装载过程横倾角变化量、装载前各压载舱压载记录及装载过程各压载舱压载变化量作为输入，解算输出货物重心横向、纵向和垂向坐标及其变化曲线。
5.如权利要求1所述的半潜运载装备压排载智能测控系统，其特征在于，压排载智能在线控制模块包括浮态在线监督与控制单元、稳性在线监督与控制单元、强度在线监督与控制单元和压排载综合控制单元。
6.如权利要求5所述的半潜运载装备压排载智能测控系统，其特征在于，所述浮态在线监督与控制单元以船舶运动姿态监测单元、压载状态监测单元、货物有效重量感知计算单元和货物重心位置感知计算单元的输出数据作为数据源，判断船舶吃水、横倾和纵倾是否在安全范围内，如果否，则输出预警信号，同时向所述压排载综合控制单元输出压排载命令，以吸入或排出压载水，使船舶浮态达到许可范围。
7.如权利要求5所述的半潜运载装备压排载智能测控系统，其特征在于，所述稳性在线监督与控制单元以所述船舶运动姿态监测单元、压载状态监测单元、货物有效重量感知计算单元和货物重心位置感知计算单元的输出数据作为数据源，计算船舶静稳性参数和动稳性参数，并判断是否满足船舶稳性要求，如果否，则输出预警信号，同时向所述压排载综合控制单元输出压排载命令，以调整整船的重心高度，使船舶稳性达到许可范围。
8.如权利要求5所述的半潜运载装备压排载智能测控系统，其特征在于，所述强度在线监督与控制单元以所述船舶运动姿态监测单元、压载状态监测单元、结构应力监测单元、货物有效重量感知计算单元和货物重心位置感知计算单元的输出数据作为数据源，计算整船浮力分布、重力分布、剪力曲线和弯矩曲线，并判断剪力和弯矩是否满足强度要求，若否，则输出预警信号，并向所述压排载综合控制单元输出调整压排载命令，通过调整各压载舱的压载水量分布，使剪力和弯矩分布达到最优；若是，结束此轮调整。
9.如权利要求5所述的半潜运载装备压排载智能测控系统，其特征在于，所述压排载综合控制单元负责接收所述浮态在线监督与控制单元、稳性在线监督与控制单元、强度在线监督与控制单元的控制命令，然后根据控制指令，对各个压载舱的压排载进行底层的控制；整个控制流程为先判断浮态是否满足要求，再判断稳性是否满足要求，最后判断强度是否满足要求，不满足则循环调整，直到都满足后，调整结束。
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