CN115310768A - 一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统 - Google Patents

一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统 Download PDF

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林明冲
黄红宇
王义程
艾荣军
谢行焕
饶燃
郑钦佳
程婷菲
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Abstract

本发明公开了一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，包括变形姿态测量模块、智能调载模块和监控模块；所述变形姿态测量模块用于测量船只的变形信息；所述智能调载模块用于根据船只的变形信息，通过船只运输控制决策模型制定配载方案，控制船只各个压载舱阀门和压载泵的启停，对船只进行智能调配载；所述监控模块用于在对船只进行智能调配载过程中对船只变形信息进行实时监测。本发明基于上驳、浮运、下潜三种工况制定合理的配载方案，减少了人工劳动，便于对沉管运输过程中进行动态管控；同时本发明兼顾了对半潜驳船只的安全监控，保证了运输过程中半潜驳船只结构强度和稳定性符合作业要求，有助于防止意外事故的发生。

Description

一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统
技术领域
本发明涉及水上大型管节运输领域，尤其是一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统。
背景技术
水底隧道工程是在海峡、海湾和河口等处的海底之下建造沟通陆地间交通运输的交通管道技术工程。水底隧道一般分水底表面和水底地层之下两种类型，建筑方法也不相同。
沉管法是水底建筑隧道的一种施工方法，将若干个预制段分别浮运到海面(河面)现场，并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内，以此方法完成水下隧道的修建。我国香港地区多条海底隧道采用沉管法施工。随着我国基建的高速发展，很多区域都需要建设水底隧道，而沉管法作为一种优秀的隧道施工方法越来越被广泛采用。
随着经济高速发展，车辆保有量增多，交通压力增大，隧道沉管建造所要设置的车道增大，进而沉管的体积重量成几何级数的增大。沉管重量的上升对于半潜驳船只的操作提出了更高的要求，因此高效安全运输安装沉管显得越来越重要，传统的半潜驳船只多仅限于液位遥测测量系统，对运输中的工况未制定智能控制方案，多依赖于人工根据液位遥测系统进行人工调整压载，不便于运输过程的动态管控，同时缺乏对半潜驳船只状态的安全监控，存在极大的安全风险。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统。
本发明要求保护一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，包括变形姿态测量模块、智能调载模块和监控模块；
所述变形姿态测量模块用于测量船只的变形信息；
所述智能调载模块用于根据船只的变形信息，通过船只运输控制决策模型制定配载方案，控制船只各个压载舱阀门和压载泵的启停，对船只进行智能调配载；
所述监控模块用于在对船只进行智能调配载过程中对船只变形信息进行实时监测。
进一步地，所述半潜驳变形姿态测量模块测量的船舶变形信息包括压载舱液位信息、船只吃水深度信息、船只倾斜度信息和挠度变形信息和管节位移信息；
所述压载舱液位信息通过安装在船只中各个压载舱的液位测量系统测量得到；
所述船只吃水深度信息通过安装于船只的四个角落四角吃水系统测量得到；
所述船只倾斜度信息通过安装在船只上的横倾纵倾指示系统测量得到；
所述挠度变形信息通过安装在船只上的挠度测量系统测量得到；
所述管节位移信息通过安装在甲板上的管节位移传感器得到。
进一步地，所述智能调载模块还包括手动控制模式；在手动控制模式下，所述智能调载模块根据接收到的输入响应控制船只各个压载舱阀门和压载泵的启停，对船只进行智能调配载。
进一步地，在所述智能调载模块对船只进行智能调配载之前，所述船只运输控制决策模型的执行步骤包括：
根据船只的变形信息，计算船只的弯矩和切力；
所述船只的弯矩和切力通过以下步骤计算：
以船只中心为原点，与水平面垂直方向为x轴建立一维坐标系；其中，x轴的方向根据船只倾斜度信息进行修正；
船只每单位长度所受的荷重强度为P(x)＝W(x)-rA(x)；其中，P(x)为船只每单位长度所受的荷重强度，W(x)为船只单位长度上的重量，通过舱室液位信息求得，rA(x)为船只单位长度上的浮力，通过吃水深度信息求得；
船只每单位长度上切力为：N(x)＝∫P(x)dx，其中，N(x)为船只每单位长度上切力；
船只每单位长度上弯矩为：M(x)＝∫N(x)dx，其中，M(x)为船只每单位长度上弯矩。
进一步地，所述船只运输控制决策模型的执行步骤还包括：计算船只的坐底数据，所述坐底数据为：S＝∑P(x)，其中，S为船只的坐底数据。
进一步地，所述船只运输控制决策模型所制定的配载方案包括上驳工况，浮运工况和下潜工况下的配载方案；
在上驳工况中，智能调载模块控制沉管受力部分的压载舱先行排水，沉管未受力部分的压载舱在后排水，控制船只上驳；同时所述监控模块对船只的弯矩、切力和管节位移进行监控，当船只的弯矩、切力和管节位移超过上驳预警值时，智能调载模块停止智能调配载并进行报警；所述管节位移通过管节位移传感器获取；
在浮运工况中，智能调载模块在船只浮运过程中根据挠度变形信息调节各个压载舱阀门和压载泵的启停，控制船只的变形量处于浮运预警值范围内；同时所述监控模块对船只的实时挠度变形信息进行监控，当船只的实时挠度变形信息超过浮运预警值时，智能调载模块停止智能调配载并进行报警；
在下潜工况中，智能调载模块控制沉管未受力部分的压载舱先行进水，沉管受力部分的压载舱在后进水，控制船只下潜；同时所述监控模块对船只的弯矩、切力和坐底数据进行监控，当船只的弯矩、切力和坐底数据超过下潜预警值时，智能调载模块停止智能调配载并进行报警。
进一步地，在所述智能调载模块停止智能调配载并进行报警后，智能调载模块切换备用配载方案进行配载。
进一步地，所述智能调载模块具体通过以下步骤完成对船只各个压载舱阀门和压载泵启停的控制：
将船只各个压载舱阀门和压载泵的操作顺序制作为指令集，输入智能调载模块中；
当智能调载模块需要对船只进行智能调配载时，从指令集中选择相应的指令，通过通讯协议传输至相应的压载舱中，完成对船只各个压载舱阀门和压载泵启停的控制；所述通讯协议包括MODBUS 485和MODBUS TCP。
进一步地，所述监控模块与AIS系统建立连接，通过AIS系统对船只的航行轨迹和航行速度进行监控。
进一步地，所述监控模块还用于根据对船只变形信息的监测数据，对船只运输控制决策模型进行优化。
本发明具有如下有益效果：本发明与半潜驳船只上多种传感器建立通信连接，能够基于上驳、浮运、下潜三种工况制定合理的配载方案，减少了人工劳动，便于对沉管运输过程中进行动态管控；同时本发明兼顾了对半潜驳船只在各种工况下的弯矩、切力、挠度等数据的安全监控，保证了运输过程中半潜驳船只结构强度和稳定性符合作业要求，有助于防止意外事故的发生。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统的基本框架图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本实施例介绍了一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其框架如图1所示，包括变形姿态测量模块、智能调载模块和监控模块；
变形姿态测量模块用于测量船只的变形信息；
智能调载模块用于根据船只的变形信息，通过船只运输控制决策模型制定配载方案，控制船只各个压载舱阀门和压载泵的启停，对船只进行智能调配载；
监控模块用于在对船只进行智能调配载过程中对船只变形信息进行实时监测。
本实施例的目的是提供一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统来辅助半潜驳船只作业的压载控制决策。减少人工成本的同时降低半潜驳沉管运输上驳、浮运、下潜三个工况的安全风险。
下面具体论述各个模块的工作内容。
半潜驳变形姿态测量模块主要用于测量船只的变形信息。由于运输的沉管重量非常大，因此在作业过程中船只结构会发生一定的形变，在相关的作业安全要求中对船只的形变进行了规定。但船只结构的形变通常无法直接测量，因此需要借助各种传感器测量变形信息并通过进一步计算得到。
测量的船舶变形信息包括压载舱液位信息、船只吃水深度信息、船只倾斜度信息和挠度变形信息和管节位移信息；其中：
压载舱液位信息通过安装在船只中各个压载舱的液位测量系统测量得到；
船只吃水深度信息通过安装于船只的四个角落四角吃水系统测量得到；
船只倾斜度信息通过安装在船只上的横倾纵倾指示系统测量得到；
挠度变形信息通过安装在船只上的挠度测量系统测量得到；
管节位移信息通过安装在甲板上的管节位移传感器得到。
将测量的船舶变形信息输入智能调载模块中，以实现对半潜驳船只压载舱的调载。
智能调载模块中预先设有半潜驳船只各个压载舱阀门和压载泵的指令集，当智能调载模块需要对船只进行智能调配载时，从指令集中选择相应的指令，通过通讯协议将传输至相应的压载舱中，即可完成对船只各个压载舱阀门和压载泵启停的控制；本实施例通讯协议包括 MODBUS 485和MODBUS TCP。在本发明的另一些实施例中，半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统与船只的通讯连接方式可能是其它通信协议或是通过AIS(Automatic Ident ificat ion System，船舶自动识别系统)平台转接。
智能调载模块的控制模式包括自动控制模式和手动控制模式。在自动控制模式下，智能调载模块根据船只的变形信息，通过船只运输控制决策模型制定配载方案，控制船只各个压载舱阀门和压载泵的启停，对船只进行智能调配载；在手动控制模式下，智能调载模块根据接收到的输入响应控制船只各个压载舱阀门和压载泵的启停，对船只进行智能调配载。手动控制模式一方面是为了修正船只运输控制决策模型制定配载方案的误差，另一方面是在遇到紧急情况时能够进行人工干预。在手动控制模式的配载方案执行完毕后本实施例支持切换为自动控制模式，继续完成智能调配载，无需人工切换。
智能调载模块在对船只进行智能调配载之前，通过船只运输控制决策模型完成船只结构数据的计算。在半潜驳船只中需要关注的结构数据包括弯矩、切力和坐底数据，在上驳作业过程中还需要关注管节位移信息。
船只的弯矩和切力通过以下步骤计算：
以船只中心为原点，与水平面垂直方向为x轴建立一维坐标系；其中，x轴的方向根据船只倾斜度信息进行修正；
船只每单位长度所受的荷重强度为P(x)＝W(x)-rA(x)；其中，P(x)为船只每单位长度所受的荷重强度，W(x)为船只单位长度上的重量，通过舱室液位信息求得，rA(x)为船只单位长度上的浮力，通过吃水深度信息求得；
船只每单位长度上切力为：N(x)＝∫P(x)dx，其中，N(x)为船只每单位长度上切力；
船只每单位长度上弯矩为：M(x)＝∫N(x)dx，其中，M(x)为船只每单位长度上弯矩。
坐底数据通过以下步骤计算：
S＝∑P(x)，其中，S为船只的坐底数据。
船只运输控制决策模型所制定的配载方案包括上驳工况，浮运工况和下潜工况下的配载方案；
在上驳工况中，智能调载模块控制沉管受力部分的压载舱先行排水，沉管未受力部分的压载舱在后排水，控制船只上驳；同时监控模块对船只的弯矩、切力和管节位移进行监控，当船只的弯矩、切力和管节位移超过上驳预警值时，智能调载模块停止智能调配载并进行报警；管节位移通过管节位移传感器获取；
在浮运工况中，智能调载模块在船只浮运过程中根据挠度变形信息调节各个压载舱阀门和压载泵的启停，控制船只的变形量处于浮运预警值范围内；同时监控模块对船只的实时挠度变形信息进行监控，当船只的实时挠度变形信息超过浮运预警值时，智能调载模块停止智能调配载并进行报警；
在下潜工况中，智能调载模块控制沉管未受力部分的压载舱先行进水，沉管受力部分的压载舱在后进水，控制船只下潜；同时监控模块对船只的弯矩、切力和坐底数据进行监控，当船只的弯矩、切力和坐底数据超过下潜预警值时，智能调载模块停止智能调配载并进行报警。
监控模块在在船体上浮(或下潜)过程中，实时监测船体结构强度、稳性、举升甲板挠度等数值，将测量所得挠度值与挠度测量系统(船体挠度测量系统所测挠度值作为参考)所测的挠度值进行比较，如偏差超出允许值，发出声光报警，并(手动或自动)执行备用配载方案，使偏差值恢复到允许范围。
在一部分实施例中，监控模块与AIS系统建立连接，通过AIS系统对船只的航行轨迹和航行速度进行监控，以便根据船只实际状态及时选用合适的配载方案。
在一部分实施例中，监控模块还用于根据对船只变形信息的监测数据，对船只运输控制决策模型进行优化。
本发明主要用于海底隧道大型管节运输，也可用作修造船舶的船坞及大型沉箱的预制平台，也可应用于海上大型构件的拖航运输和工程船舶的调遣运输，实践证明，本方案可以降低作业过程中的人工成本，提高半潜驳船只的安全保障效果。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，包括变形姿态测量模块、智能调载模块和监控模块；
所述变形姿态测量模块用于测量船只的变形信息；
所述智能调载模块用于根据船只的变形信息，通过船只运输控制决策模型制定配载方案，控制船只各个压载舱阀门和压载泵的启停，对船只进行智能调配载；
所述监控模块用于在对船只进行智能调配载过程中对船只变形信息进行实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，所述半潜驳变形姿态测量模块测量的船舶变形信息包括压载舱液位信息、船只吃水深度信息、船只倾斜度信息和挠度变形信息和管节位移信息；
所述压载舱液位信息通过安装在船只中各个压载舱的液位测量系统测量得到；
所述船只吃水深度信息通过安装于船只的四个角落四角吃水系统测量得到；
所述船只倾斜度信息通过安装在船只上的横倾纵倾指示系统测量得到；
所述挠度变形信息通过安装在船只上的挠度测量系统测量得到；
所述管节位移信息通过安装在甲板上的管节位移传感器得到。
3.根据权利要求1所述的一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，所述智能调载模块还包括手动控制模式；在手动控制模式下，所述智能调载模块根据接收到的输入响应控制船只各个压载舱阀门和压载泵的启停，对船只进行智能调配载。
4.根据权利要求2所述的一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，在所述智能调载模块对船只进行智能调配载之前，所述船只运输控制决策模型的执行步骤包括：
根据船只的变形信息，计算船只的弯矩和切力；
所述船只的弯矩和切力通过以下步骤计算：
以船只中心为原点，与水平面垂直方向为x轴建立一维坐标系；其中，x轴的方向根据船只倾斜度信息进行修正；
船只每单位长度所受的荷重强度为P(x)＝W(x)-rA(x)；其中，P(x)为船只每单位长度所受的荷重强度，W(x)为船只单位长度上的重量，通过舱室液位信息求得，rA(x)为船只单位长度上的浮力，通过吃水深度信息求得；
船只每单位长度上切力为：N(x)＝∫P(x)dx，其中，N(x)为船只每单位长度上切力；船只每单位长度上弯矩为：M(x)＝∫N(x)dx，其中，M(x)为船只每单位长度上弯矩。
5.根据权利要求4所述的一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，所述船只运输控制决策模型的执行步骤还包括：计算船只的坐底数据，所述坐底数据为：S＝∑P(x)，其中，S为船只的坐底数据。
6.根据权利要求5所述的一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，所述船只运输控制决策模型所制定的配载方案包括上驳工况，浮运工况和下潜工况下的配载方案；
在上驳工况中，智能调载模块控制沉管受力部分的压载舱先行排水，沉管未受力部分的压载舱在后排水，控制船只上驳；同时所述监控模块对船只的弯矩、切力和管节位移进行监控，当船只的弯矩、切力和管节位移超过上驳预警值时，智能调载模块停止智能调配载并进行报警；所述管节位移通过管节位移传感器获取；
在浮运工况中，智能调载模块在船只浮运过程中根据挠度变形信息调节各个压载舱阀门和压载泵的启停，控制船只的变形量处于浮运预警值范围内；同时所述监控模块对船只的实时挠度变形信息进行监控，当船只的实时挠度变形信息超过浮运预警值时，智能调载模块停止智能调配载并进行报警；
在下潜工况中，智能调载模块控制沉管未受力部分的压载舱先行进水，沉管受力部分的压载舱在后进水，控制船只下潜；同时所述监控模块对船只的弯矩、切力和坐底数据进行监控，当船只的弯矩、切力和坐底数据超过下潜预警值时，智能调载模块停止智能调配载并进行报警。
7.根据权利要求6所述的一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，在所述智能调载模块停止智能调配载并进行报警后，智能调载模块切换备用配载方案进行配载。
8.根据权利要求1所述的一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，所述智能调载模块具体通过以下步骤完成对船只各个压载舱阀门和压载泵启停的控制：
将船只各个压载舱阀门和压载泵的操作顺序制作为指令集，输入智能调载模块中；
当智能调载模块需要对船只进行智能调配载时，从指令集中选择相应的指令，通过通讯协议传输至相应的压载舱中，完成对船只各个压载舱阀门和压载泵启停的控制；所述通讯协议包括MODBUS 485和MODBUS TCP。
9.根据权利要求1所述的一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，所述监控模块与AIS系统建立连接，通过AIS系统对船只的航行轨迹和航行速度进行监控。
10.根据权利要求1-8任一项所述的一种半潜驳船只运输作业智慧化集成管理系统，其特征在于，所述监控模块还用于根据对船只变形信息的监测数据，对船只运输控制决策模型进行优化。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116300660A (zh) * 2023-05-15 2023-06-23 海南坤联科技有限公司 潜艇控制方法及系统

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