CN117585585A - 码头用集装箱船舶系泊装卸安全监测系统 - Google Patents

码头用集装箱船舶系泊装卸安全监测系统 Download PDF

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Abstract

一种码头用集装箱船舶系泊装卸安全监测系统，利用系泊装卸时激发的小幅船摇运动和岸桥横梁上安装的多线激光雷达阵列，根据码头波浪、码头潮位、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、激光点云等多路信息，实时获取船形位姿信息、船摇倾角波形和平均型吃水；并采用基于去规则波/装卸载激励、去双侧系泊约束和多路随机波形整合的非线性波形参数辩识算法，求解船摇倾角波形的固有周期和稳态倾角等最佳拟合参数；再根据IMO近似公式估算经自由液面修正的初稳性高，实现对集装箱船舶系泊装卸安全进行实时监测和预警；从而为码头和船方及时采取积/压载调整提供数据支持，防范因配/积载不当引发的货箱落水、船舶倾覆和航道堵塞等事故灾难。

Description

码头用集装箱船舶系泊装卸安全监测系统
技术领域
本发明涉及一种码头装用的监测集装箱船舶系泊装卸安全的装置和方法，能利用系泊装卸时激发的小幅船摇运动和岸桥横梁上安装的多线激光雷达阵列，根据码头波浪、码头潮位、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、激光点云等多路信息，实时获取船形位姿数据、船摇倾角波形和平均型吃水；并采用基于去规则波/装卸载激励、去双侧系泊约束和多路随机波形整合的非线性波形参数辩识算法，求解船摇倾角波形的固有周期和稳态倾角等最佳拟合参数；再根据IMO近似公式估算经自由液面修正的初稳性高，实现对集装箱船舶系泊装卸安全进行实时监测和预警。
背景技术
随着全球贸易、水路运输和港口物流的不断发展，港口集装箱吞吐量也持续增长，港口水域事故发生数也呈上升趋势。为保障港口运营安全、缩短进疏港周期、降低物流链成本，对码头航道、船舶系/解泊、岸桥装卸作业的安全与通畅均提出了更高要求。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、事故案例分析
据大量事故案例调查分析显示：无配/积载要求的小型集装箱驳船是事故高发船型，系泊装卸时发生坠箱或倾覆主要因浮态（倾角和吃水）超限和初稳性不足导致，影响船舶浮态和稳性的主要因素有配载方案、货箱载量、装卸顺序、作业规范、受风面积和海况条件等。因此，为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，有必要在系泊装卸时对集装箱船舶（尤其是小型集装箱驳船）的浮态和稳性进行实时监测和预警，为码头和船方及时采取积载或压载调整措施提供数据支持。
2、技术问题解析
1）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（通常为3deg）；然而实际装卸箱时岸桥司机经常不按规定顺序作业，且人工监控静倾角变化困难（尤其在船摇时）。
2）海船建造/入级规范要求船长100m及以上的所有第Ⅰ类船舶应配备经认可的装载仪，而在内河、沿海、遮蔽航区航行的船舶并未要求配备装载仪；箱体重心高度估算和箱重计量不准等原因可能对装载仪配载计算造成较大的累积误差。现有装载仪因缺少对装卸载激励信息的获取，难以实现系泊装卸时对船舶浮态及稳性的实时监测。
3）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）完整稳性规则中规定的船舶横摇周期试验方法，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，故难以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系泊约束、以及装卸箱载荷的间歇随机激励，传统周期测量法需要采集完整自由周期数据，故也难以准确测量系泊装卸时的横摇固有周期。
4）依据IMO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1～4deg的横倾角，以确定空船的实际重量、重心高度和初稳性高。由于试验时须避免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，该方案目前尚难实施和推广。
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雷达或视觉相机等非接触式测量装置，但因信息获取不足、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，故也难以准确获取动态纵/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，以及小倾角横摇具有等时性、阻尼力矩与角速度呈线性关系原理，本发明前序专利（ZL2019100559511）的技术方案：采用样条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|）、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，实现系泊装卸时对船舶浮态及稳性进行监测和预警；该方案主要缺陷：①测量时长需1/2～1个横摇固有周期，通常大于吊具在船上着箱停留时间，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系泊约束条件、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校验结果；③不适用多岸桥联合装卸作业场合，无法识别和消除多吊具起落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。
6）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，本发明前序专利（ZL2020103840548）的技术方案：将吊具在船上落箱后起箱前获取的船摇倾角序列，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，所得其余倾角序列分别求解衰减余弦曲线模型的最佳拟合参数，所得参数序列去除不满足各参数取值范围的序列，所得其余参数序列分别求中值后可得固有周期和稳态倾角；该方案主要缺陷：①广义多项式拟合因无法对复杂曲线进行分段拟合，不适合滤除非线性长序列中的随机噪声干扰，曲线拟合误差较大；②将去顶分段序列中的所有拟合参数视为不相关，各段序列分别求解拟合参数，因每段序列长度有限，拟合参数误差较大；③吊具上加装的动态倾角传感器仅能获取在船上落箱后起箱前的船舶纵/横摇倾角数据，因受船上着箱时间限制，每次获取的数据量有限，影响参数辨识的精度和效率；另外，每次装卸载荷还会影响小型船舶的固有周期、稳态倾角等待求参数，将小型船舶的待求参数视为局部不变参数进行分段拟合，会带来较大的求解误差。
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系泊约束、以及装卸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。
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、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且具有等时性（即横摇固有周期不随幅值而改变），故可利用该横摇倾角信息来求解横摇固有周期。
2）通过岸桥横梁上加装多线激光雷达阵列获取激光点云信息，采用噪点滤波、特征提取、配准拼接、目标分割、位姿估计等点云处理算法，得到船形轮廓、系泊位置和运动姿态等船形位姿数据；岸桥小车运行引发的悬臂横梁变形会带来激光扫描角度偏差，可通过提高激光扫描频率或加装动态倾角计来减小或修正点云帧内畸变。
3）根据岸桥PLC获取的吊具位置、吊索松紧和旋锁开闭信息，来判定吊具在船上的起/落箱状态，去除船上起/落箱激励点数据后，可得不含装卸载激励的分段船摇倾角波形。
4）通过定时监测码头水域的潮位高度，得到码头水面至轮轨顶面高等数据；通过实时监测码头水域的波浪特征（包括波型、波向、波高、周期和相位），判断静水、不规则波或规则波波型，将引发受迫船摇的规则波成分从所测的船摇倾角波形中滤除，可得不含规则波激励的船摇倾角波形。
5）通过船方（装载手册）、监管机构或航运大数据平台，获取IMO特征、型宽、计算型深、设计水线长和设计型吃水等船型结构信息。
6）根据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可用幅值随时间呈指数规律衰减的正/余弦函数表达；为得到不含双侧系泊约束的局部自由倾角波形，采用去除波峰和波谷的去顶分段非线性波形参数辩识算法求解最佳拟合参数。
7）船摇倾角小于测量幅值下限时，采用移动限幅序列中值法计算稳态/静倾角：截取设定时长的最新序列并求中值，|最新序列元素-中值|<测量幅值下限时，稳态/静倾角=中值。
8）因激光雷达对水面的测量误差较大，可通过船形位姿数据算出轮轨顶面至船中处最上层连续甲板边板顶面高，再根据计算型深、码头水面至轮轨顶面高等数据推算船舶平均型吃水；岸桥靠船艏或船艉装卸、激光雷达视场角不足以覆盖整船时，船中处可根据总长等船型结构信息推定。
9）对于IMO特征船型，采用IMO近似公式估算经自由液面修正的初稳性高，再分别用规定的允许值来校验船舶稳态倾角和初稳性安全；对于少数非IMO特征船型，需要通过系统辨识修正横摇系数经验公式。
2、技术方案步骤
1）数据采集和记录：采集码头波浪、码头潮位、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、激光点云等多路数据，并显示和记录数据。
2）船形位姿数据解算：通过噪点滤波、特征提取、配准拼接、目标分割、位姿估计等点云处理算法，得到船形轮廓、系泊位置和运动姿态等船形位姿数据，以及根据船型结构数据推算船中处最上层连续甲板边板顶面位置数据。
3）去除船上起落箱激励区数据：根据吊具在船上的起/落箱状态，去除船上起/落箱激励区数据，得到不含装卸载激励的船摇倾角波形。
4）滤除受迫船摇的规则波成分：判断码头水域波型为规则波时，将引发受迫船摇的规则波成分从船摇倾角波形中滤除，得到不含规则波激励的船摇倾角波形。
5）移动限幅序列中值法计算静倾角：测量时长>预设值时，截取预设时长的最新序列并求中值；|最新序列元素-中值|<预设值时，输出中值=稳态/静倾角ϴ s。
6）去顶分段衰减正弦波形的参数辩识：去除船摇倾角波形的波峰和波谷，得到不含双侧系泊约束的局部自由倾角波形；求解并校验所得波形拟合模型θ=θ mexp(-2πμ/Tt)sin(2π/Tt+θ 0)+θ s的最佳拟合参数（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）和拟合残差。
7）计算平均型吃水和横摇系数：根据型宽B、计算型深D、设计水线长L、码头水面至轮轨顶面高h wr、轮轨顶面至船中处最上层连续甲板边板顶面高h rd（轨上/下高度为+/-）等数据，推算平均型吃水d=D-h wr-h rd；IMO特征船型校验后，按IMO近似公式估算横摇系数f=(746+46B/d-0.86L)×10-3。
8）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=(fB/T)2，再分别用规定的允许值来校验稳态倾角和初稳性高。
9）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支持。
10）为提高吊具抓放箱对箱效率、避免货舱装卸时箱格卡箱，还能根据船形位姿数据实时调整吊具抓放箱前的位姿状态。
本发明的有益效果是：为维护码头作业安全与航道通畅、保障船舶系/解泊安全与装卸效率、提升港机智能化测控能力、克服传统监测方法不足，利用系泊装卸时激发的小幅船摇运动和岸桥横梁上加装的多线激光雷达阵列，根据码头波浪、码头潮位、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、激光点云等多路信息，实时获取船形位姿数据、船摇倾角波形和平均型吃水；并采用基于去规则波/装卸载激励、去双侧系泊约束和多路随机波形整合的非线性波形参数辩识算法，求解船摇倾角波形的固有周期和稳态倾角等最佳拟合参数；再根据IMO近似公式估算经自由液面修正的初稳性高，实现对集装箱船舶系泊装卸安全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支持，防范系泊装卸作业时因配载或积载不当引发的货箱落水、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，也可为类似多激励/多约束/多路获取的强非线性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。
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、激光雷达5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波浪信息TWI、码头潮位信息TLI、船型结构信息TSI、浮态及稳性监测信息FSMI、码头作业管理系统TOS/设备调度与控制系统ECS、岸桥监控计算机BMC/岸桥可编程控制器PLC、吊具位置信息SPI、吊索松紧信息LDI、旋锁开闭信息RLI、激光点云信息LRI、吊具姿态控制SAC等部分，其中：码头波浪和潮位信息通过设置在码头水域的波浪和水位等传感器获取，船型结构信息由船方（装载手册）、监管机构或航运大数据平台提供，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，激光点云信息通过加装在岸桥横梁上的多线激光雷达阵列获取。其结构原理是：BMC根据TOS/ECS获取的TWI、TLI和TSI等信息、PLC获取的SPI、LDI和RLI等信息、以及多线激光雷达阵列获取的LRI信息，实现对集装箱船舶系泊装卸安全进行实时监测和预警，同时通过TOS/ECS向船舶发送FSMI信息，为码头和船方及时采取积载或压载调整提供数据支持。此外，为提高吊具抓放箱对箱效率、避免货舱装卸时箱格卡箱，SAC还能根据船形位姿数据实时调整吊具抓放箱前的位姿状态。
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参数配置/设置、数据采集/处理/记录、计算/校验/报警等11个步骤。
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，故障诊断/提示/处理，读取参数退出设置（包括门限值m 1～m 13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：采集码头波浪、码头潮位、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、激光点云等多路数据，并显示和记录数据。
4）船形位姿数据解算：通过噪点滤波、特征提取、配准拼接、目标分割、位姿估计等点云处理，得到船形轮廓、系泊位置和运动姿态等船形位姿数据，以及根据船型结构数据推算船中处最上层连续甲板边板顶面位置数据。
5）去除船上起落箱激励区数据：根据吊具在船上的起/落箱状态，去除船上起/落箱激励区数据，得到不含装卸载激励的船摇倾角波形。
6）滤除受迫船摇的规则波成分：判断码头水域波型为规则波时，将引发受迫船摇的规则波成分从船摇倾角波形中滤除，得到不含规则波激励的船摇倾角波形。
7）移动限幅序列中值法计算静倾角：测量时长>m 1时，截取m 1时长的最新序列并求中值；|最新序列元素-中值|<m 2时，输出中值=稳态/静倾角θ s。
8）去顶分段衰减正弦波形的参数辩识：测量时长>m 3时，对船摇倾角波形进行三次样条拟合；波形上下幅度>m 4时，进行波峰和波谷检测；波峰或波谷数≥1时，去除波形的起点及其后、终点及其前各m 5个数据；所得波形总数≥m 6时，求解所得波形拟合模型θ=θ mexp(-2πμ/Tt)∙sin(2π/Tt+θ 0)+θ s的最佳拟合参数（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）和拟合残差δ，并校验m 7<T<m 8、m 9<θ s<m 10、m 11<μ<m 12且δ<m 13。
9）计算平均吃水和横摇系数：根据型宽B、计算型深D、设计水线长L、码头水面至轮轨顶面高h wr、轮轨顶面至船中处最上层连续甲板边板顶面高h rd（轨上/下高度为+/-）等数据，推算平均型吃水d=D-h wr-h rd；IMO特征船型校验后，按IMO近似公式估算横摇系数f=(746+46B/d-0.86L)×10-3。
10）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=(fB/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）。
11）解除启动：解除启动时退出系统，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、设置子面板和回放子面板等部分。
1）操作主面板主要包括码头海况信息、船型结构信息、船体位姿状态、吊具位姿状态、船舶浮态/稳性报警、船舶平均吃水、船舶横摇稳性、船舶横摇稳性波形、船舶稳态倾角、船舶稳态倾角波形、系泊装卸场景演示、船舶动态倾角波形等数值/布尔/图表输出控件，以及设置、仿真、启动、刷新、回放、帮助和退出等布尔输入控件，用户可通过触控式显示屏进行监控。
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，以及测量记录保存、通信接口参数、场景演示参数、数据采样/校验参数、浮态/稳性报警参数、倾角信号仿真参数、船舶/岸桥仿真参数等数值/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 (2)

1.一种码头用集装箱船舶系泊装卸安全监测系统，利用系泊装卸时激发的小幅船摇运动和岸桥横梁上安装的多线激光雷达阵列，根据多路信息实时获取船形位姿数据、船摇倾角波形和平均型吃水；并采用基于去规则波/装卸载激励、去双侧系泊约束和多路随机波形整合的非线性波形参数辩识算法，求解船摇倾角波形的固有周期和稳态倾角最佳拟合参数；再根据IMO近似公式估算经自由液面修正的初稳性高，实现对集装箱船舶系泊装卸安全进行实时监测和预警；其方法步骤主要包括：
1）数据采集和记录：采集包括码头波浪、码头潮位、船型结构、吊具位置、吊索松紧、旋锁开闭、激光点云的多路数据，并显示和记录数据；
2）船形位姿数据解算：通过包括噪点滤波、特征提取、配准拼接、目标分割、位姿估计的点云处理，得到包括船形轮廓、系泊位置和运动姿态的船形位姿数据，以及根据船型结构数据推算船中处最上层连续甲板边板顶面位置数据；
3）去除船上起落箱激励区数据：根据吊具在船上的起/落箱状态，去除船上起/落箱激励区数据，得到不含装卸载激励的船摇倾角波形；
4）滤除受迫船摇的规则波成分：判断码头水域波型为规则波时，将引发受迫船摇的规则波成分从船摇倾角波形中滤除，得到不含规则波激励的船摇倾角波形；
5）移动限幅序列中值法计算静倾角：测量时长>预设值时，截取预设时长的最新序列并求中值；|最新序列元素-中值|<预设值时，输出中值=稳态/静倾角θ s；
6）去顶分段衰减正弦波形的参数辩识：去除船摇倾角波形的波峰和波谷，得到不含双侧系泊约束的局部自由倾角波形；求解并校验所得波形拟合模型θ=θ m exp(-2πμ/Tt) sin(2π/Tt+θ 0)+θ s的最佳拟合参数和拟合残差，所述参数包括固有周期T、稳态倾角θ s、衰减系数μ、幅值θ m和相位θ 0；
7）计算平均型吃水和横摇系数：根据型宽B、计算型深D、设计水线长L、码头水面至轮轨顶面高h wr、轮轨顶面至船中处最上层连续甲板边板顶面高h rd数据，推算平均型吃水d =D-h wr-h rd；IMO特征船型校验后，按IMO近似公式估算横摇系数f =(746+46B/d-0.86L)×10-3；
8）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，再分别用规定的允许值来校验稳态倾角和初稳性高；
9）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支持。
2.根据权利要求1所述的码头用集装箱船舶系泊装卸安全监测系统，为提高吊具抓放箱对箱效率、避免货舱装卸时箱格卡箱，还能根据船形位姿数据实时调整吊具抓放箱前的位姿状态。
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