船舶完整穩(wěn)性及抗沉性實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

陳恒強(qiáng)，池海峰

(中國船級社鎮(zhèn)江辦事處，江蘇 鎮(zhèn)江 212008)

0 引言

船舶抗沉性，又稱不沉性，是指船舶在一艙或相鄰多艙破損進(jìn)水后，仍能保持一定的浮性和穩(wěn)性的能力［1］;是關(guān)系到船舶安全的一個(gè)重要性能。船舶具有良好的抗沉性，標(biāo)志船艙進(jìn)水后仍能保持漂浮在水面上并能保持船舶良好的操縱性。

目前，破艙穩(wěn)性的計(jì)算基本上全部是電算法進(jìn)行，能夠計(jì)算(或部分計(jì)算)破艙穩(wěn)性的軟件，主要有 NAPA、Tribon、Damcargo等［2］，只是在船舶初步設(shè)計(jì)中選擇幾種破艙狀態(tài)，進(jìn)行破艙穩(wěn)性預(yù)算。而船舶實(shí)際航行中，破艙進(jìn)水的狀態(tài)具有不確定性等特點(diǎn)。目前船舶裝載儀軟件能夠計(jì)算破艙后的穩(wěn)性及浮態(tài)參數(shù)［3］，但是該系統(tǒng)只是進(jìn)行預(yù)先選擇的整艙破損的穩(wěn)性計(jì)算。本系統(tǒng)是利用高精度液位測量儀［5］，對破艙進(jìn)水后的船首、船尾、船中吃水值及各破損艙室進(jìn)水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)測量后，自動(dòng)進(jìn)行破艙穩(wěn)性的實(shí)時(shí)計(jì)算;若此時(shí)受到定值陣風(fēng)風(fēng)力橫向作用，也可以進(jìn)行穩(wěn)性的實(shí)時(shí)衡準(zhǔn)，通過改變航區(qū)或者調(diào)整壓載水的方法來保證船舶的安全航行。

1 系統(tǒng)整體組成框圖

本系統(tǒng)主要由船舶液位測量儀、傳感器、上位機(jī)(計(jì)算軟件)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中，1為船殼;2、3、5分別為首、中、尾吃水傳感器;4為液艙(或破損艙室)吃水傳感器;6為信號電纜。

圖1 系統(tǒng)整體組成框圖

2 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)

2.1 液位測量儀

液位測量儀采用時(shí)域脈沖反射技術(shù)。其組成部件有:傳感器、信號發(fā)生器、信號控制電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器等。通過發(fā)射與接收脈沖信號之間的時(shí)間差，得到液位精確的高度。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換器選擇應(yīng)用

本系統(tǒng)選用USB2.0數(shù)據(jù)采集板，相對于PCI、ISA、USB等接口形式，且可以對外提供2.5 W的電源，不需要外部供電。其平均數(shù)據(jù)傳輸速度為38 MB/S，滿足本系統(tǒng)的技術(shù)要求。

3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)軟件系統(tǒng)，以Windows XP為操作平臺，Borland Delphi6.0為開發(fā)工具，Table Server作為數(shù)據(jù)庫引擎(DE)［6］。基于TDR的船舶完整穩(wěn)性及抗沉性實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)流程框圖見圖2。

圖2 軟件系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)功能組成

本系統(tǒng)針對選定船型進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，主要包含以下幾個(gè)功能模塊。

4.1 液位測量系統(tǒng)模塊

脈沖發(fā)射法液位測量系統(tǒng)可以滿足船舶液位測量測點(diǎn)多、傳感器靈敏度高、誤差小、體積小、易安裝、抗靜電抗干擾能力強(qiáng)等要求［7］;利用時(shí)域脈沖發(fā)射技術(shù)已設(shè)計(jì)的船舶液位測量系統(tǒng)，測量絕對誤差 ±1 mm，結(jié)構(gòu)簡單安全，精度高，測量范圍最大為15 m，可靠性強(qiáng);故本系統(tǒng)采用時(shí)域脈沖發(fā)射法的船舶液位測量系統(tǒng)。

利用此高精度的液位測量儀，實(shí)時(shí)測得的船舶在破艙狀態(tài)下的首吃水dF，尾吃水dA，船中左舷吃水dL，船中右舷吃水dR值及進(jìn)水艙室液位高度的情況，動(dòng)態(tài)顯示船舶在各種破損狀態(tài)下和航行時(shí)的船舶姿態(tài)參數(shù)。

4.2 船型曲線模塊

根據(jù)船體型值表計(jì)算并顯示船型曲線，主要包括:靜水力曲線、邦戎曲線、符拉索夫曲線、靜穩(wěn)性曲線、動(dòng)穩(wěn)性曲線。運(yùn)用數(shù)值積分法進(jìn)行計(jì)算，并列成相應(yīng)的表格形式進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。

4.3 破艙狀態(tài)下的浮態(tài)及穩(wěn)性計(jì)算模塊

根據(jù)液位測量儀實(shí)時(shí)測得的船舶破損浮態(tài)下的部分浮態(tài)參數(shù):dF、dA、dL、dR，并動(dòng)態(tài)計(jì)算、視屏顯示該狀態(tài)下船舶的浮態(tài)及穩(wěn)性參數(shù)。破艙穩(wěn)性計(jì)算模塊分為:第一類艙室進(jìn)水，第二類艙室進(jìn)水，第三類艙室進(jìn)水三種。前兩類的浮態(tài)及穩(wěn)性計(jì)算理論采用增加重量法較方便，第二類是在第一類的計(jì)算基礎(chǔ)上加上自由液面對穩(wěn)性的影響;第三種的采用損失浮力法較簡單。因?yàn)榈谌惻撌疫M(jìn)水后對于船舶浮態(tài)和穩(wěn)性的影響最壞，現(xiàn)以第三類艙室進(jìn)水狀態(tài)為例，加以方法簡述:根據(jù)上述的dF、dA，先計(jì)算出各站的船中吃水dMi，再根據(jù)橫傾角計(jì)算出各站的左右舷吃水dLi、dRi，代入符拉索夫曲線中，插值計(jì)算出各站的橫剖面一半的面積ASx，以及此面積對中線面 Mxoz、基平面的靜矩 Mxoy后，根據(jù)計(jì)算公式［8］:

在程序中運(yùn)用二維數(shù)組進(jìn)行插值得出Asx、Mxoz、Mxoy，然后運(yùn)用數(shù)值積分法進(jìn)行計(jì)算得出上述浮態(tài)參數(shù)，并列成相應(yīng)的表格形式進(jìn)行計(jì)算。

4.4 破艙狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)模塊

該模塊的功能是:根據(jù)上述船舶破損進(jìn)水狀態(tài)下的浮態(tài)及穩(wěn)性參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，如橫傾角Φ已知，在給定定值陣風(fēng)風(fēng)力F橫向作用下，運(yùn)用穩(wěn)性衡準(zhǔn)系數(shù)法對船舶破艙穩(wěn)性進(jìn)行衡準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)船舶在破艙進(jìn)水后，且受到定值陣風(fēng)風(fēng)力橫向作用下的穩(wěn)性實(shí)時(shí)衡準(zhǔn);當(dāng)穩(wěn)性不滿足時(shí)，可以改變航區(qū)或者調(diào)整壓載水保證船舶的安全航行。如算例中的穩(wěn)性調(diào)整就是將航區(qū)從遠(yuǎn)海航區(qū)改為近海航區(qū)即滿足穩(wěn)性要求。衡準(zhǔn)前先求出最小傾覆力臂和風(fēng)壓傾斜力臂，前者可通過動(dòng)穩(wěn)性曲線插值取得，后者根據(jù)風(fēng)壓傾斜力臂公式［1］算得。兩者之比即為穩(wěn)性衡準(zhǔn)系數(shù)K，應(yīng)符合下式要求:K≥1，表示風(fēng)壓傾斜力矩小于使船舶傾覆所必須的最小傾覆力矩(至多是相等)，所以船舶不至于傾覆，因而認(rèn)為具有足夠的穩(wěn)性，即航行安全。

5 具體算例

本算例選用某12300 t滾裝船作為研究對象，船舶主要量度:

針對此滾裝船開發(fā)設(shè)計(jì)的船舶完整穩(wěn)性及抗沉性實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的主界面，如圖3所示。

船舶破艙狀態(tài)下的浮態(tài)及穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果輸出，如圖4所示。

船舶破艙狀態(tài)下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)及穩(wěn)性調(diào)整結(jié)果，如圖5所示。計(jì)算風(fēng)壓［9］可由公式 p=0.7356V2算得，其中P為風(fēng)壓，V為風(fēng)速。

圖3 完整穩(wěn)性及抗沉性實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖4 第三類艙室破損后的浮態(tài)及穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果視屏輸出

圖5 破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)

6 結(jié)語

通過對船舶完整穩(wěn)性及抗沉性計(jì)算的分析研究，結(jié)合液位測量儀，開發(fā)了船舶完整穩(wěn)性及抗沉性實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件。該軟件具有界面友好、人機(jī)交互性良好、資料性強(qiáng)、計(jì)算速度快、易于船舶在實(shí)際航行中不確定破損狀態(tài)的穩(wěn)性實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可以用于船舶初步設(shè)計(jì)的破艙穩(wěn)性預(yù)算。本系統(tǒng)可通過對大型船舶的裝載及航行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，進(jìn)行任意破艙狀態(tài)下的穩(wěn)性計(jì)算;也可進(jìn)行受到定值陣風(fēng)風(fēng)力橫向作用下時(shí)的穩(wěn)性校核;當(dāng)穩(wěn)性衡準(zhǔn)不滿足時(shí)，通過自身壓載艙的調(diào)整或改變其航區(qū)保證其航行安全。因此，對于大型船舶的設(shè)計(jì)有著重要的現(xiàn)實(shí)理論指導(dǎo)意義;同樣有利于船長在航行指揮中做出正確的決策。

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