漁船傾斜試驗現場控制系統設計

張 怡，黃文超 ，張 舒

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2 農業農村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092；3 青島海洋科學與技術試點國家實驗室深藍漁業工程聯合實驗室，山東 青島 266237)

截至2020年末，中國漁船總數56.33萬艘，其中90%的機動漁船船長小于24 m，非機動漁船18.85萬艘，平均總噸1.39 t[1]，幾乎也都為船長小于24 m的小型漁船。中國漁船主要用于捕撈與養殖行業，僅捕撈行業就涉及近130萬從業人口[1]的生計問題。隨著產業結構調整，大量漁民從近海捕撈作業方式改為采用近海養殖的模式，原來設計專用于捕撈的漁船需要拆解后重新設計建造用于養殖輔助的漁船。原有的捕撈或養殖輔助漁船也同樣面臨更新改造的問題。新建造或船體有重大改建的漁船建造完工后最重要的一項工作即為傾斜試驗，通過傾斜試驗可以獲得漁船實際重心位置，當與設計預估值差別較大時需要采用調整壓載等措施使實船達到設計指標。但由于漁船船體尺度普遍較小，傾斜試驗時船上施加不必要的多余質量對于船體重心的準確獲得會造成一定的影響[2-3]，尤其是對于小型漁船，形成橫傾的多余質量極小，傳統采用2組擺錘或2組U型管進行測量船體橫傾的方式除若干搬運或吊裝作業人員外至少仍需要4名試驗人員在船上讀取并記錄試驗數據。因進行傾斜試驗時船體需要遠離碼頭，處于自由漂浮狀態，尺度較大的漁船還需駕駛人員操控船舶防止與航道中其他船舶相撞，故通常傾斜試驗狀態時船上人員較多，而因這些分布不規則的船上人員的存在，最終會導致較難獲得準確結果。

關于傾斜試驗相關的文獻記錄中，有的是對于標準中理論公式的探討[4-6]，如對于傾斜試驗標準[7]中用表格計算排水體積的辛式法，陽大平[8]、王劍等[9]各自提出了不同的改進意見。有的是利用商業軟件輔助計算傾斜試驗報告[10- 11]。對于小型船舶也有研究采用懸掛法[12]、稱重法[13]等方法規避傾斜試驗直接計算船體重心。漁船建造廠通常沒有大型起吊條件，難以將漁船整體起吊，而船長小于24 m的漁船所停靠的內河航道或避風港可以長時間滿足風力小于2級，且在數據讀取過程中較少有其他船舶高速航行帶來劇烈涌浪的傾斜試驗自然環境要求，因此可以考慮通過采用自動化控制系統來減少船上試驗人員等不必要的多余質量進行傾斜試驗。

1 系統需求

傾斜試驗分為現場測量控制階段及數據處理計算階段，為便于在現場快捷控制，將傾斜試驗現場控制系統與后處理計算系統分開設計?，F場控制系統滿足輕量化需求開發多終端版本，兼容多種移動終端包括PC筆記本電腦、安卓系統智能手機、蘋果IOS系統智能手機等。數據處理計算系統設計為傾斜試驗計算人員桌面電腦計算使用，可以導入現場試驗人員通過各種現場控制終端采集來的傾斜試驗原始數據進行計算。本研究討論的漁船傾斜試驗現場控制系統即為在此基礎上設計的PC版本。該系統主要滿足現場實時控制、自動計數、初步分析數據質量、自動剔除無效數據、導出試驗數據等的使用需求。

漁船傾斜試驗現場控制系統由硬件部分與軟件部分組成。

硬件部分需要滿足便攜性、易用性、自動化、輕量化等需求。為便于在小型漁船上使用，達到快速部署的要求，硬件重量對整船重心的計算影響不能太大，采用遠程遙控的方式啟動與暫停系統。

軟件部分系統需要基于滿足漁船現場實際情況，依托傾斜試驗標準進行開發，同時系統應做到輕量化，非必要功能從系統中剝離，便于在便攜設備上快速運行。根據以上各項要求，確定軟件部分的總體目標與需求為：1)數據庫存儲功能，包括船型數據庫與擺錘數據庫，用于存儲傾斜試驗相關數據；2)加速度傳感器控制功能，用于控制內含加速度傳感器的擺錘的移動并記錄經計算的位移數據；3)無線傳輸功能，用于遠程控制終端與擺錘系統數據傳輸；4)導入導出功能，用于導入環境參數、導出用于傾斜試驗計算的原始數據等功能；5)輔助功能，用于輔助進行傾斜試驗的其他功能及系統更新等的接口。

2 硬件部分系統功能的模塊設計與實現方法

2.1 功能模塊設計原理

傾斜試驗原理[14]是調整在船上施加重物的位置使船體重心位置改變而產生橫向傾斜，并通過測量船舶的傾斜角度后，結合讀取水尺讀數換算的排水量值，經過計算得出船體重心位置。如圖1所示，G為空船重心高度位置，M為增加了試驗重物后的重心高度位置，WL為正浮狀態時水線位置，MB為重力方向，施加的移動重物為p，當其從船舷一側A位置移動到另一側A1位置時船體產生橫傾并浮于新水線W1L1，MB1為新的重力方向，通過測量橫傾角的正切值tanθ及測量的試驗狀態排水量Δ，通過公式(1)計算。[15]

(1)

式中：GM為船舶初穩性高，p為移動重物質量，l為移動重物從一舷移動至另一舷的距離，Δ為傾斜試驗狀態時的排水量，θ為橫傾角。

計算得到船舶初穩性高GM。并根據靜水力表等方法計算得到船體重量及重心位置。

圖1 橫向移動重物時船體的橫傾

本系統對造成橫傾施加的重物不做特別要求，仍采用常規的在甲板上堆放固體壓載或者水桶等，也可采用調整壓載水艙裝載的方式來造成橫傾角度改變[16-19]。

船舶傾斜角度主要有采用測量擺錘的橫向位移和U型管的上下液位差這兩種方式來獲得?？紤]到若采用U型管方式的話需要為適應不同船寬而準備長度不一的水管，自動讀取上下液位差又比較困難，而根據“一種漁船傾斜試驗的自動測量設備”專利[20]，該擺錘系統與船寬無關，且符合硬件部分系統需求，故采用該擺錘方式獲得漁船傾斜角度，通過信號采集模塊采集并計算擺錘橫向傾角。傾斜試驗自動測量設備如圖2所示。

圖2 傾斜試驗自動測量設備

2.2 實現方法

圖3為傾斜試驗自動測量設備側視簡化圖。

圖3 傾斜試驗自動測量設備側視簡化圖

其中OBA為擺錘初始位置，OB′A′為擺錘擺至一側的最大值，OB″A″為擺錘擺至另一側的最大值。傾斜試驗自動測量設備中信號采集模塊包含擺錘內的加速度傳感器、水槽上的位移傳感器及數據存儲模塊。通過加速度傳感器采集到的擺錘從0到最大再到0的加速度值及所經歷的時間，并配合位移傳感器采集到的擺錘的位移距離，可以獲得擺錘一個擺次的擺角2θ。其平均值θ即為計算每個擺錘次數的傾角，也即移動重物造成的船體橫傾角θ。則

(2)

式中：BB′為通過位移傳感器采集到的橫向位移距離，OB為擺線從支點至水槽的高度即比例收縮桿的拉伸長度。

傾斜試驗現場控制系統原理圖如圖4所示。

圖4 傾斜試驗現場控制系統原理圖

采集到的每個傾角存儲于數據存儲模塊中，經擺線中內置的485總線連接至遠程控制模塊。遠程控制模塊與現場局域網絡通過WIFI組網成遠程控制系統。局域網絡中的PC終端與手機移動終端App都可起到遠程控制的作用。

3 軟件部分系統功能的模塊設計與實現方法

3.1 功能模塊設計

依據漁船傾斜試驗標準的流程、規范，并根據計算機軟件系統相關開發要求，進行系統的功能模塊設計工作。漁船傾斜試驗現場控制系統共分為數據庫存儲模塊、加速度傳感器控制模塊、無線傳輸模塊、導入導出模塊和輔助功能模塊共5大模塊。具體的功能模塊如圖5所示。數據庫存儲模塊包括船型數據庫與擺錘數據庫，船型相關數據存儲于船型數據庫中相關子數據庫，擺錘相關數據存儲于擺錘數據庫中相關子數據庫。加速度傳感器控制模塊包括擺錘啟動、擺錘停止記錄、水平位移記錄模塊等。無線傳輸模塊包括無線接收模塊與無線傳輸模塊。導入導出模塊包括數據的導入與導出。

圖5 系統模塊圖

3.2 實現方法

漁船傾斜試驗現場控制系統開發流程如圖6所示。

圖6 漁船傾斜試驗現場控制系統開發流程圖

漁船傾斜試驗現場控制系統軟件部分主要為完成現場快速采集傾斜試驗原始數據為目的進行開發，按圖6所示流程圖實現：1)輸入環境參數；2)判斷環境參數是否符合傾斜試驗要求，若不符合也無法改善則終止試驗；3)判斷移動重物質量是否滿足傾斜試驗要求，若不符合也無法調整則終止試驗；4)統計多余質量；5)統計不足質量；6)記錄初始擺錘數據并在8次移動重物位置后都記錄擺錘數據；7)保存傾斜試驗數據并結束系統。

每次移動重物調整位置后所記錄的擺錘數據即上文的tanθ，是由擺錘內置加速度傳感器采集到的加速度變化結合位移傳感器采集的位移值相結合。以100 ms為時間周期記錄采集的加速度值，在加速度為零時記錄位移傳感器采集的橫向位移值BB′，同樣記錄擺錘擺至另一側加速度為零時的橫向位移BB″。結合擺線長度OB，根據上文公式計算一個擺次的tanθ值，最后記錄并存儲剔除偏差過大的異常值后的15組tanθ值。

傾斜試驗報告的計算因涉及需要使用靜水力表、邦金曲線表不同船型可能采用不同的設計手段，其數據呈現多樣化。故考慮便攜設備輕量化的要求，從現場控制系統中剝離后續的傾斜試驗報告計算功能。

4 系統實現的關鍵技術

4.1 系統實現的主要難點

隨著科技的發展，計算機大量運用于船舶設計[21-24]、建造[25-26]階段及運營使用過程中[27-30]，而在傾斜試驗現場利用計算機控制的研究還較少，因此首先需明確傾斜試驗現場控制系統的主要技術要求。本控制系統主要需解決多終端共享的數據庫存儲模塊設計與系統界面設計。而系統界面設計又需包含遠程控制信號傳輸、系統文件導入導出等功能。

4.2 數據庫存儲模塊設計

數據庫存儲模塊負責船型數據庫與擺錘數據庫這兩個數據庫的存儲功能。為厘清數據庫中各數據的內在聯系，可采用實體-聯系圖(Entity Relationship Diagram，E-R圖)[31-32]對數據需求模型進行分析。經分析，船型數據庫的基本實體—聯系圖即(E-R圖)如圖7所示。船型數據庫中，圍繞以“試驗船型”實體展開，其他主要還有“設計人員”“移動重物”“環境參數”“多余不足質量”等實體。實體間的關系如下：1)“試驗人員”和“試驗船型”之間是多對多的關系(圖上標注為m∶n，下同)。即試驗人員可以試驗多個船型，單個船型也可以由不同的試驗人員進行。2)“試驗船型”和“移動重物”“多余不足質量”是一對多的關系(圖上標注為1∶n，下同)。即同一試驗船型有多組移動重物，多余與不足質量也有多組。實體間由唯一的項目編號關聯。3)“試驗船型”和“環境參數”是一對一的關系(圖上標注為1∶1，下同)。即同一個試驗船型對應一個環境參數。兩個實體間通過環境參數編號關聯。

圖7 船型數據庫基本實體-聯系(E-R)圖

擺錘數據庫的E-R圖如圖8所示。

圖8 擺錘數據庫基本實體-聯系(E-R)圖

其中，圍繞以“擺錘數據”實體展開，其他主要還有“擺錘信息”“擺錘加速度”“擺錘搖擺周期”“擺幅信息”“橫向位移”等實體。實體間的關系如下：1)“擺錘信息”和“擺錘數據”之間是一對多的關系。即兩組擺錘中每組擺錘信息都有多次擺錘數據，按傾斜試驗要求，每次移動重物搬運時采集記錄一次擺錘數據，共記錄9次。實體間由唯一的擺錘序號關聯。2)“擺錘數據”和“擺錘加速度”是一對一的關系。即每次采集的一系列擺錘數據與擺錘加速度是一一對應的，當擺錘運動到一側的最高點靜止時，標注加速度值并記錄用于后續計算使用。實體間由唯一的擺錘序號關聯。3)“擺錘加速度”和“擺錘搖擺周期”是一對多的關系。即一個擺錘搖擺周期由一對擺錘加速度結合時間等參數計算得到，此處的擺錘加速度為2)中標注的加速度值，共15組加速度值。實體間由唯一的擺錘序號關聯。4)“擺錘搖擺周期”和“擺幅信息”是一對一的關系。即一個擺錘搖擺周期經計算一一對應一個擺幅信息。實體間由唯一的擺錘序號關聯。5)“擺幅信息”和“橫向位移”是一對一的關系。即一個擺幅信息結合其他實體的相關數據信息經計算一一對應一個橫向位移。每組的橫傾角及每次移動的平均橫傾角均存儲于橫向位移中。實體間由唯一的擺錘序號關聯。

漁船傾斜試驗現場控制系統PC版本采用基于C#.NET framework的開發環境結合Access數據庫的方式進行研發。Access數據庫表信息的維護使用DataGridView控件來實現，該控件可很方便地實現數據表信息的增刪改等基本操作。

4.3 系統界面的實現

漁船傾斜試驗現場控制系統的界面采用.NET framework中的windows窗體控件箱進行設計。漁船傾斜試驗現場控制系統界面共分兩條主線進行設計。一條是數據庫操作相關，包括“創建/修改項目”“環境參數”“移動重物”“多余質量”“不足質量”等模塊；另一條是擺錘相關，主要包括“擺錘數據”模塊。

數據庫存儲相關模塊主要由OleDbConnection語句連接Access數據庫，OleDbCommand語句調用select或insert等數據庫操作的相關代碼塊來實現將數據從數據庫載入控制系統和將數據從控制系統存入數據庫的功能。

擺錘數據由擺錘啟停、記錄、存儲等步驟。其中擺錘啟停功能通過遠程控制的代碼實現，在系統中點擊“啟動/暫停”按鈕后通過無線信號發送到擺錘系統遠程控制模塊中，此時擺錘系統中的電磁閥門啟動以使擺錘產生初始擺動。記錄功能在擺錘擺動穩定后自動記錄，每次記錄15組擺錘擺幅數據，系統自動計算每組數據的偏差值，在遇到由波浪、橫風等引起的異常值時自動去除，自動再采集擺錘數據直至15組。

存儲功能除采用OleDb相關語句來進行數據庫存儲功能便于后續傾斜試驗計算軟件直接讀取使用，還采用iTextSharp類來滿足系統文件導入導出的需求，便于現場船檢簽字認可試驗數據。遠程控制信號傳輸功能通過自編的iWIFI類來實現擺錘數據庫中數據與無線傳輸模塊的數據交換。

5 系統應用及對比分析

以上海市某小型漁船為例進行對比分析，該船型總長13.28 m，船長11 m，型寬3 m，型深0.75 m，吃水0.45 m，設計空船重量8.47 t，設計空船重心高0.71 m。按照常規的人工讀取重力式擺錘數據的方式進行傾斜試驗與采用傾斜試驗現場控制系統進行試驗做對比，最終計算出兩組實測重心高度值。

常規的漁船傾斜試驗[33]，除搬運壓鐵等的工作人員外，兩處擺錘處一般還需各配置兩名試驗人員，其中一人負責讀數，另一人負責記錄，如圖9為一組兩人配合讀取記錄傾斜試驗擺錘數據的常規方式，擺錘及擺線懸于擺錘支架下，試驗人員讀取擺錘最大位移處的讀數尺讀數。在船艉部另有一組擺錘系統由另2試驗人員配合讀取記錄。當在上下船比較方便的內河航道內進行試驗時，試驗過程中船上可不設駕駛人員，而搬運壓鐵的工作人員也可在試驗間隙通過跳板上下船，但在記錄擺錘數據時船上仍需至少4位試驗人員在前后擺錘處讀取并記錄擺錘數據。根據船舶設計經驗，人體平均質量通常按75 kg計算，經實際測量4位試驗人員體重共約300 kg與形成橫傾的壓鐵質量想當。且由于人體在試驗過程中會隨著船體進行晃動，不易采集準確的人體重心位置。由此可見，對于小于24 m的小型漁船來說，當有試驗人員在船上讀取數據時，其最終重心結果的誤差較大。

圖9 某小型漁船艏部傾斜試驗現場圖

通過改用傾斜試驗現場控制系統，由于該系統具有自動化記錄擺錘擺幅，初步計算漁船傾斜角度并導出后續傾斜試驗計算所需的數據文件等功能，在整個傾斜試驗過程中，除了必要的且重心位置規則可控的傾斜試驗壓鐵與擺錘系統，無須設置其他影響試驗結果的船上試驗人員等附加質量，有效減少試驗誤差，最終計算的結果也更能反映船體實際狀況。由表1可見，采用傾斜試驗現場控制系統改進后獲得的實測重心高度值較采用常規方式獲得的更接近設計空船重心高度值ZG。由于實船建造有各種建造誤差的影響，實船重心與設計值會有偏差，而傾斜試驗的目的就是要得到實船真實的重心高。因此，在沒有懸掛法、稱重法等直接獲得重心數據對比的情況下，可以認為采用沒有船上人員的傾斜試驗現場控制系統所采集的橫傾數據計算的空船重心高更接近真實值。經計算，其與采用傳統人工讀取數據的方法相比可減小約3%的試驗誤差。

表1 常規傾斜試驗與采用現場控制系統改進后的傾斜試驗對比表

經實船驗證，目前該系統的硬件部分仍存在體積稍大的弊端，在型寬小于2 m的船型上布置較為困難，同時水槽形式與材質還需進一步優化以減小自身質量。本系統的軟件部分目前僅開發了PC版本，在多終端協同控制、試驗狀態異常監制報警等方面也還需進一步開發。

6 結論

研究了一種提高小型漁船傾斜試驗測量精度的方法，并在實船傾斜試驗中得到初步驗證應用。通過將現場控制系統與傾斜試驗計算系統功能的拆分，精簡了現場控制系統體積，提高了系統運行速度，也便于擴展至智能移動終端中使用。通過漁船傾斜試驗現場控制系統的數據采集，現場測量可獲得更精確的數據，為船型的進一步更新迭代設計提供參考。

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