礦砂運輸船礦物液化監測系統設計

摘? 要：風浪中礦砂運輸船劇烈搖蕩易導致艙內易液化礦物發生液化。液化后的礦物易產生流動，導致偏載現象，嚴重危害船舶航行安全。為監測與預報礦砂運輸船礦物狀態，防止礦砂運輸途中發生重特大交通事故，本文在分析礦物液化機理與影響因素的基礎上，設計了礦物液化監測系統總體與軟件架構，并進行了實船試驗驗證，試驗結果證明了系統的有效性。

關鍵詞：礦砂運輸船;礦物液化

中圖分類號： xxxxxx? ? 文獻標志碼：x

0 引 言

隨著全球經濟和中國經濟的逐漸復蘇，我國國內需求開始恢復增長，礦產資源的進口量也自然隨之增加。據海關數據顯示，2017年1—8月銅礦及其精礦 2 025萬t，鎳礦及其精礦為1 111 t，鋁礦及其精礦4 466 t，錫礦及其精礦1 851 t。銅礦及其精礦與去年同期相比增長了88%。據預計，未來我國銅、鎳、鋁等有色礦產將長期依賴進口。

由于地理位置和成本的制約，海運為我國進口礦產資源的重要運輸方式。然而，精銅礦、鎳礦等礦物為易流態化貨物，即當貨物含量水量大于其流動水分點 （Flow Moisture Limited，FML）時易引起流態化[1]。礦物流態化后將對船舶的穩性產生非常大的影響，甚至造成船舶傾覆[2-3]，例如：2017年10月13日凌晨，一艘名為“emerald star” 香港旗散貨船，在從連云港開往印尼裝載鎳礦返航途中（連云港-印尼-連云港），位于菲律賓宋島東北方位海域遭遇臺風（臺風卡努）天氣，導致礦物液化，最終沉沒。因此礦砂運輸船貨物液化監測系統對保障船舶航行安全具有重要意義，但目前全球尚未有投入使用的礦物液化監測系統。

本文首先對礦砂運輸船貨物液化機理與影響因素進行了分析，得出影響礦物液化的關鍵因素;然后，開展礦物液化監測系統與軟件架構設計;最后，本文所設計的礦物液化監測系統進行了實船安裝與驗證，實船數據表明了系統的有效性。

1 礦物液化機理與影響因素分析

1.1? ?礦物液化機理分析

礦砂運輸船運載的礦物在受到振動時，造成孔隙水壓力增大，而總應力不變，致使土體的有效應力減小，達到一定程度后，孔隙水壓力等于總應力，則土體顆粒懸浮在水中，土體的抗剪強度消失，呈現液體的特性，此時礦物液化。因此，礦物液化過程實質上是礦物抗剪強度消失的過程。礦物抗剪強度主要依賴于土顆粒間的摩擦力，而礦物中的水一般則認為是不可壓縮的，具有很大的抗壓能力但不具備抗剪能力，礦物的抗剪強度為

式（1）：中c為黏聚力;為剪切面上的有效應力; 為有效應力內摩擦角?？紤]孔隙水壓力和孔隙氣壓力，考慮孔隙水壓力和孔隙氣壓力，式（1）可改寫為

式中（2）中：c為黏聚力;與分別為剪切面上的有效應力和總法向應力;為有效應力內摩擦角;為孔隙水壓力;為孔隙氣壓力;X稱為有效應力參數，它與土類、飽和度等因素有關，其值在[0，1]（對于飽和土，X = 1;對于干土，X=0）。在循環性載荷作用下，飽和砂土之間的砂粒會產生相對運動，相對位置發生改變，孔隙度變小，剩余孔隙壓力變大，砂土趨于密實。砂土趨于密實的過程中需要析出水分，但在砂土變為密實的過程中，其排水能力慢慢變弱，尤其是當砂土本身透水性較差的時候，前一個周期載荷作用下需要排出的水還未排出，下一個周期的載荷又繼續使空隙度變小。因而砂土空隙間的水壓越來越大，便產生了所謂的剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力。當剩余孔隙壓力超過一定范圍后，砂土的抗剪能力完全喪失，最終導致砂土出現礦物的液化現象。

1.2? ?影響礦物液化的因素

礦物液化與礦物自身要素、含水量、航行中船舶的振動搖擺等因襲有關[4-5]。

（1）礦物自身要素對液化的影響：礦物顆粒形礦物顆粒越小越易液化;顆粒形狀越規則、表面棱角起伏越小越易液化;礦物密度越接近水或小于水越易液化。

（2）含水量對液化的影響：礦物含水量越大越易發生液化。當礦物的含水量達超過流動水分點越多，礦物在運輸途中發生液化所屬的時間越短，所需的振動搖擺條件也越弱。

（3）航行中船舶的振動與搖擺對液化的影響：作用的周期性振動與搖擺強度越大，礦物越容易液化;周期性振動與搖擺時間越長，礦物越容易液化。

2 礦物液化監測系統架構設計

通過對礦物的含水量（率）與船舶運動狀態監測可以預測礦物液化風險大小，而通過對礦砂運輸船舶貨艙壁的壓力與應力監測可對礦物是否液化進行間接觀測[6]。據此，設計礦砂運輸船礦物液化監測系統，具體架構見圖1。

礦物液化監測系統由含水率傳感器1～6、艙體壓力傳感器1～6、艙體應力傳感器1～6、貨艙頂部接線箱、貨艙中部接線箱、貨艙底部接線箱、運算顯示模塊和系統網絡構成，系統架構示意如圖2所示，各組成模塊功能如所述。

（1）含水率傳感器1～6：含水率傳感器用于測量礦物與艙體接觸表面的含水率，采樣信號通過接線箱傳輸至運算顯示模塊。

（2）艙體壓力傳感器1～6：艙體壓力傳感器用于測量礦物對艙體表面的壓力，采樣信號通過接線箱傳輸至運算顯示模塊。

（3）艙體應力傳感器1～6：艙體應力傳感器用于監測礦物對艙體表面的應力影響，采樣信號通過接線箱傳輸至運算顯示模塊。

（4）貨倉頂/中部/底部接線箱：接線箱內部安裝有直流穩壓電源和網關。直流穩壓電源用于為接入的傳感器供電。網關用于將接入的傳感器CAN信號轉換成以太網信號。

（5）運算顯示模塊：由運算顯示計算機、顯示器和船舶姿態傳感器構成，功能包括：人機交互、傳感器測量值的顯示、礦物液化風險等級的智能評估、船舶姿態信息檢測等。

（6）系統網絡：含水率傳感器、艙體壓力傳感器、艙體應力傳感器通過CAN與接線箱內部的網關相連，并由網關轉換成以太網信號發送至運算顯示模塊。

3 礦物監測系統軟件功能設計

礦物液化監測系統軟件包括應用層軟件和基礎軟件兩種。基礎軟件包括實時操作系統及其基于該操作系統的底層驅動程序，如通信程序、基礎計算程序等。應用層軟件完成數據處理、液化風險預測、液化狀態觀測、避險建議和人機界面等功能，礦物液化監測系統軟件架構見圖2。軟件功能具體如下：

3.1? ? 基礎軟件層

（1）實時操作系統：實時操作系統提供了對中斷服務、輸入/輸出、內存的精確控制，能夠支持128個優先級設置，管理1 000個獨立進程，平均中斷服務線程延遲小于1μs。

（2）通信程序：基礎軟件為礦物液化系統提供CAN、以太網通信驅動和CAN、TCP/IP通信協議棧。

（3）基礎計算程序：基礎計算程序為系統提供基于硬件的定點/浮點優化計算、卷積計算、均值計算、邏輯排序、優化算法等基礎算法。

（4）API接口：系統所涉及的基礎軟件需要進行必要的封裝，應用程序通過API接口程序完成基礎軟件的訪問及參數設置，提高程序的可修改性、可測性與可移植性。

3.2? ? 應用層軟件

（1）數據處理程序：數據處理程序提供傳感器采樣數據的系統誤差校正、數字濾波、標度變換等數據處理等功能。

（2）液化狀態觀測：通過對艙體壓力、艙體應力信息的融合，得到艙室內礦物液化的部位、液化程度等信息。

（3）液化風險預測：基于礦物含水率、船舶姿態、艙體壓力數據，結合深度學習算法，對液化風險進行預測，得到礦物液化風險等級和礦物可液化幾率等信息。

（4）避險建議：基于礦物液化狀態與液化風險預測結果，結合專家系統，提供避險建議和風險處理建議，如船舶進入錨地建議、啟動艙室水泵建議等。

（5）人機界面：系統采集的全部傳感器信息、礦物液化部位、礦物液化程度、液化風險、可液化等級、避險建議、風險處理建議等信息顯示功能;用戶輸入功能，例如礦物種類、按照《國際海運固體散貨規則》檢測程序測量的礦物含水率數值信息等。

4 實船數據分析

本文所設計的礦物液化監測系統現已安裝到某超大型礦砂運輸船上投入實際運行。礦物液化監測系統采集到的底部含水率平均值見圖3。由于于本航次未滿載礦物，因此系統測量的艙室頂部礦物含水率平均值為1.016%～2.098%。圖中，由于裝載時礦物的含水量分布不均勻，艙室中間礦物體積函數率比艙室底部礦物函數率高9.38%;隨著船舶離港，受船舶航行姿態影響中間含水率出現波動，波動范圍為54.83%～74.87%，而此事底部礦物含水率逐漸增大，體積含水率由50.25%增加至80.99%。圖4為該船某一航次壓力傳感器輸出的壓力平均值。圖中艙室頂部的壓力、艙室中部壓力受到礦物含水率變化和船體姿態造成的礦物位移等多種因素的影響產生波動，測量平均值分別為137.1～176.1 kPa， 38～52.12 kPa，而由于本次安裝航次未滿載礦物，頂部的壓力傳較小為0.412～0.7373 kPa。艙室不同位置的壓力數值由小至大依次為安裝在貨倉頂部的壓力傳感器數據、安裝于貨倉中間位置的壓力傳感器數據和安裝于貨艙底部的壓力傳感器數據，這與理論分析一致。隨著船舶航行姿態的變化，艙壁受到的應力也發生變化，見圖5。艙室不同位置的應力不同，貨倉底部的應力傳感器平均值為221～303.7 με，艙室中部的應變傳感器測量平均值為101～118.6 με，頂部應力傳感器測量平均值為36～50.64 με。艙壁受到應力從小到大依次為頂部的應力傳感器數據、安裝貨艙中間位置的應力傳感器數據和安裝于貨艙底部的應力傳感器數據，這與理論分析一致。圖6為礦物液化監測系統艙室底部壓力傳感器于2019年1月28日23：49：45至23：51：24輸出的瞬時數據曲線測量值為176.2～174.4 με，圖中

曲線波動較為平穩未出現大幅波動表明礦物尚未出現明顯的液化[6]，這與航行記錄一致。

5 結束語

本文基于礦物液化機理及影響因素分析，設計了礦物液化監測系統及其軟件架構，并進行了實船試驗。試驗結果表明系統能夠對礦物含水率、礦物對艙體的壓力和應力進行有效監測，保障礦砂運輸船航行安全，防止重特大事故的發生。

參考文獻

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[3] 蔡文山， 高家鏞， 張甫杰， et al. 液化鎳礦砂晃蕩與船舶運動的耦合影響[J]. 中國航海， 2014， 37（3）：54-58.

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[6] 王惠，丁峻宏，管陳，等，貨艙內液化礦砂晃蕩機理及數值計算研究[J].高性能計算發展與應用，2014， 48（3）： 53-57.

作者簡介：

楊明， 助理研究員，長期從事船舶自動化系統、船舶主機控制系統、船舶智能系統研究，（E-mail） yang.ming@coscoshipping.com，聯系電話：021-58856638，18201762889