張子龍，朱曉軍，閔少松

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

維修理論

基于優(yōu)化模型及多重?cái)?shù)據(jù)處理的艦船污損監(jiān)測(cè)法

張子龍，朱曉軍，閔少松

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

針對(duì)目前艦船污損監(jiān)測(cè)受環(huán)境和航行狀態(tài)限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，提出了一種基于優(yōu)化模型并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重處理的艦船污損監(jiān)測(cè)法。首先對(duì)軸功率與航速關(guān)系監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化，將現(xiàn)有一維模型提高到更大航速區(qū)間內(nèi)成立的二維模型。然后采集相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)其采集條件進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選及數(shù)據(jù)修正的多重處理，提高監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。其次建立污損閥值，與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析得到監(jiān)測(cè)結(jié)論。最后將實(shí)船應(yīng)用的監(jiān)測(cè)結(jié)論與船體污損情況對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

艦船污損監(jiān)測(cè)；優(yōu)化模型；多重?cái)?shù)據(jù)處理

近年來(lái)，水下清洗逐漸成為解決艦船污損問(wèn)題的重要技術(shù)手段，為提高艦船的在航率、續(xù)航力，恢復(fù)艦船的隱蔽性和反潛探測(cè)能力發(fā)揮了重要作用。水下清洗目前的首要關(guān)鍵問(wèn)題就是尋找污損生物出現(xiàn)后尚未產(chǎn)生較大影響且易于清洗的時(shí)機(jī)[1]。目前利用軸功率航速關(guān)系是污損監(jiān)測(cè)是量化污損程度，確定清洗時(shí)機(jī)的重要方法之一。

文獻(xiàn)[2]及文獻(xiàn)[3]在建立扭矩常量與螺旋槳滑脫比的監(jiān)測(cè)模型中引入了螺旋槳敞水性征曲線的特征，建立了基于轉(zhuǎn)矩系數(shù)與進(jìn)速系數(shù)線性關(guān)系的監(jiān)測(cè)模型，簡(jiǎn)化了模型的建立過(guò)程，但該模型只在小段航速區(qū)間內(nèi)成立。同時(shí)現(xiàn)有排除干擾因素的方法主要是對(duì)航行數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，但由于實(shí)際航行中很少遇到滿足條件的海況，導(dǎo)致每次有效監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，影響了監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。本文在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)法基礎(chǔ)上以提高監(jiān)測(cè)連續(xù)性為目標(biāo)，建立適用范圍更廣的監(jiān)測(cè)模型，提出能夠縮短監(jiān)測(cè)間隔的多重?cái)?shù)據(jù)處理辦法。

1 污損監(jiān)測(cè)原理

1.1 監(jiān)測(cè)模型的建立與優(yōu)化

艦船摩擦阻力隨著污損程度加深而增加，表現(xiàn)在具體艦船性能參數(shù)上就是同樣航速下的軸功率相應(yīng)增加。因此利用該原理，根據(jù)軸功率與航速關(guān)系構(gòu)建監(jiān)測(cè)模型。對(duì)于不能直接測(cè)得軸功率的艦船，文獻(xiàn)[4]認(rèn)為Kq與J在常用航速附近呈線性關(guān)系，由此通過(guò)轉(zhuǎn)換Kq與J的表達(dá)式，建立軸功率與航速關(guān)系的一維線性方程：

(1)

其中的C1與C2為常數(shù)，和外部環(huán)境、船體狀態(tài)無(wú)關(guān)。推導(dǎo)出軸功率航速關(guān)系方程將有利于計(jì)算過(guò)程的自動(dòng)化。從公式(1)看出，獲得額定軸轉(zhuǎn)速n及航速V后就可以推導(dǎo)出實(shí)際軸功率，形成軸功率航速曲線。

由于該方法只在固定航速附近成立，當(dāng)艦船航速處在該航速區(qū)間之外時(shí)，模型的監(jiān)測(cè)有效性就會(huì)大幅下降。由此通過(guò)對(duì)較大航速區(qū)間內(nèi)的Kq值擬合，建立SHP/n3與V/n的二維方程：

(2)

其中的C3、C4和C5是在整個(gè)進(jìn)速系數(shù)取值范圍內(nèi)擬合得到，使二維方程在較大航速范圍內(nèi)都能更精確地預(yù)報(bào)理論軸功率。文獻(xiàn)[5]提出將艦船海試中建立的軸功率航速關(guān)系作為基準(zhǔn)模型。之后實(shí)際航行中，各時(shí)刻建立的軸功率航速關(guān)系監(jiān)測(cè)點(diǎn)將與基準(zhǔn)模型對(duì)比分析，根據(jù)相同航速下的軸功率增加量確定污損情況。同時(shí)將海試中的相關(guān)條件作為建模條件即：數(shù)據(jù)采集環(huán)境處于海況小于2級(jí)、風(fēng)小于3級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)裝載、勻速、直航條件。只有采集條件符合建模條件的數(shù)據(jù)才能用于建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.2 污損情況判斷標(biāo)準(zhǔn)

污損情況根據(jù)污損面積比例和污損等級(jí)確定，污損等級(jí)從FR0至FR100，數(shù)值越高表明污損越嚴(yán)重。其中FR40表示鈣質(zhì)污損開始生長(zhǎng)，是船體需要清洗的標(biāo)志。當(dāng)軸功率的增加值達(dá)到一定比例，表明污損的船體污損等級(jí)達(dá)到FR40，已經(jīng)需要進(jìn)行清洗。英國(guó)海軍通過(guò)大量艦艇試驗(yàn)后認(rèn)為：經(jīng)濟(jì)航速下，軸功率增加18%～30%就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行除污。經(jīng)濟(jì)航速下，軸功率增加18%表明難以清除的鈣質(zhì)污損開始生長(zhǎng)，此時(shí)為最佳清洗時(shí)機(jī)；軸功率增加30%意味著鈣質(zhì)污損生長(zhǎng)較為嚴(yán)重，超出該值再清洗船體將造成防污漆損傷。

2 數(shù)據(jù)采集與多重?cái)?shù)據(jù)處理

實(shí)際應(yīng)用監(jiān)測(cè)理論的過(guò)程中，需要大量采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重處理以排除外部環(huán)境與航行狀態(tài)干擾，整個(gè)流程如圖1所示。

圖1 多重?cái)?shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)際航行過(guò)程中，外部環(huán)境和航行狀態(tài)的很多因素都會(huì)干擾監(jiān)測(cè)[6]。干擾因素中外部環(huán)境方面包括風(fēng)、浪、海流、水深；航行狀態(tài)方面有裝載和艦船操縱，其中艦船操縱包括舵運(yùn)動(dòng)、艦船加速、減速、軸轉(zhuǎn)速差、扭矩差等。綜合以上情況考慮，需要采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及其意義如表1。

表1 數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目

2.2 數(shù)據(jù)多重處理

2.2.1 第一次數(shù)據(jù)篩選

根據(jù)數(shù)據(jù)的采集條件進(jìn)行篩選，只留下采集條件符合建模條件的數(shù)據(jù)直接用于建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于外部環(huán)境及航行狀態(tài)相似，通過(guò)這些參數(shù)建立起的監(jiān)測(cè)點(diǎn)排除了干擾因素，只留下污損對(duì)艦船性能的影響。根據(jù)海試相關(guān)要求，第一次數(shù)據(jù)篩選條件如表2所示。

表2 第一次數(shù)據(jù)篩選條件

2.2.2 第二次數(shù)據(jù)篩選

實(shí)際航行中很少遇到符合篩選條件的外部環(huán)境，因此需要對(duì)不符合建模條件的參數(shù)進(jìn)行修正以充分利用第一次篩選后的剩余數(shù)據(jù)。但是目前對(duì)風(fēng)阻力及波浪阻力增值等方面的計(jì)算在高海況條件下難以達(dá)到較理想的精度，所以再次對(duì)剩余參數(shù)進(jìn)行篩選。第二次篩選的條件在考慮計(jì)算方法滿足精度要求的前提下，盡量涵蓋航行過(guò)程中可能出現(xiàn)的外部環(huán)境，具體條件如表3。

表3 第二次數(shù)據(jù)篩選條件

2.2.3 數(shù)據(jù)修正

所有可能產(chǎn)生干擾的數(shù)據(jù)項(xiàng)中，軸轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率和螺旋槳螺距等可控因素通常易于滿足建模條件要求。但是其他因素中，風(fēng)、浪是不可控的因素，在航行過(guò)程中變化量可能非常大；對(duì)于不具有航向穩(wěn)定性的船舶而言，則不能保證舵角固定不變；對(duì)于非戰(zhàn)斗艦艇如補(bǔ)給艦、運(yùn)輸船等，不同航態(tài)下的裝載變化也非常大。因此，數(shù)據(jù)修正主要是對(duì)風(fēng)、浪、舵角和裝載4項(xiàng)參數(shù)依次進(jìn)行修正，具體步驟如下[7-9]。

步驟1:因?yàn)榛鶞?zhǔn)模型并未排除空氣阻力，而是保留了3 m/s風(fēng)速以下的風(fēng)阻力，所以修正風(fēng)阻力時(shí)，同樣應(yīng)該保留一部分因艦船航行而產(chǎn)生的空氣阻力。修正的風(fēng)阻力Raa為：

(3)

式中：Ca為空氣阻力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；At為水線以上部分在橫剖面上的投影面積；va為風(fēng)速；α1為風(fēng)向與艦船航向的夾角。

步驟2：對(duì)波浪中阻力增值的修正有許多種方法，如基于切片理論的波阻預(yù)報(bào)方法、基于三維時(shí)域理論的波阻預(yù)報(bào)方法等。但是這些預(yù)報(bào)方法計(jì)算十分復(fù)雜，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算修正。第24屆ITTC會(huì)議上Kreitner提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算波浪阻力增值的計(jì)算公式：

ΔRw=ΔRT(0.667+0.333cosα2)，

(4)

式中:ΔRT為頂浪航行時(shí)的阻力增值；ξw為波高；B為船寬；CB為方形系數(shù)；ρ為海水密度；L為船長(zhǎng)；α2為航向與浪向的角度(頂浪狀態(tài)為0°)；ΔRw為α2角下的波浪阻力增值。

以上2個(gè)公式在波高不超過(guò)2 m時(shí)預(yù)報(bào)具有一定的準(zhǔn)確性。另一方面，該公式的2 m波高限制正好滿足第2次篩選條件中對(duì)海況不超過(guò)4級(jí)的要求。所以采用該方程在滿足一定精度的要求下，盡量涵蓋了航行過(guò)程中可能遇到的海況。

步驟3:基準(zhǔn)模型保留了0°舵角時(shí)的阻力，所以在修正舵角造成的阻力增值時(shí)，應(yīng)該保留舵本身引起的阻力，舵的阻力增值ΔD的計(jì)算公式如下：

(5)

式中:A為舵葉面積;α為舵角;Vave為舵的進(jìn)流速度。

步驟4：計(jì)算出以上3種阻力后，將其換算為軸功率增值，以得到除裝載外均得到修正的軸功率SHP1。同一艦船在不同裝載條件下，可以近似認(rèn)為該船海軍部系數(shù)相同，進(jìn)而采用海軍部系數(shù)法對(duì)裝載進(jìn)行修正：

(6)

式中：Δ1與V1為SHP1對(duì)應(yīng)的排水量與航速；V2為實(shí)測(cè)航速；Δ2為實(shí)際排水量。

通過(guò)上式得到滿足所有建模條件下的軸功率SHP2。SHP2將與V2建立起有效的軸功率航速監(jiān)測(cè)點(diǎn)。第2次數(shù)據(jù)篩選后的剩余數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)以上步驟的修正并最終建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)將補(bǔ)充第1次數(shù)據(jù)篩選后建立的監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的空白，縮短每次監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔，提高監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。

3 驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)模型及數(shù)據(jù)處理方法的有效性，本文采集了1 000 噸級(jí)油船在2013年8～10月間的部分航行數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)應(yīng)用得出監(jiān)測(cè)結(jié)論，最后與船體實(shí)際污損對(duì)比分析。該船船體的主要參數(shù)如表4。

表4 船體參數(shù)

航行數(shù)據(jù)主要通過(guò)該油船的航海日志和航泊日志獲得。由于部分參考數(shù)據(jù)如軸扭矩、主機(jī)耗油量等記錄不全，沒(méi)有進(jìn)行采集，實(shí)際航行數(shù)據(jù)如表5。其中風(fēng)和浪的來(lái)流方向與航向夾角作為風(fēng)向、浪向角。

表5 實(shí)際航行數(shù)據(jù)

通過(guò)監(jiān)測(cè)模型計(jì)算出實(shí)際軸功率后進(jìn)行修正，再對(duì)比海試過(guò)程中的軸功率以得出監(jiān)測(cè)結(jié)論。不同條件下的軸功率如表6。

表6 不同條件下的軸功率

從表6中可以發(fā)現(xiàn)，相同航速下，軸功率至少增加了80%以上，并且隨著航行時(shí)間的增加污損更加嚴(yán)重。根據(jù)污損判斷標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為該船污損等級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)FR40。該船在水下清洗前勘驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)水線以下船體、螺旋槳和艉軸等都大面積覆蓋鈣質(zhì)污損，同本文所得監(jiān)測(cè)結(jié)論一致，各部位污損情況如表7。

表7 各部位污損情況

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高監(jiān)測(cè)連續(xù)性，本文對(duì)現(xiàn)有的污損監(jiān)測(cè)模型及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行改進(jìn)，使得監(jiān)測(cè)方法能夠涵蓋航行過(guò)程中遇到的大部分海況。通過(guò)應(yīng)用包含4級(jí)海況條件下的航行數(shù)據(jù)，得出監(jiān)測(cè)結(jié)論并與實(shí)際船體污損情況對(duì)比。結(jié)果表明監(jiān)測(cè)結(jié)論與船體實(shí)際污損情況符合，表明了本文中監(jiān)測(cè)方法的可行性和有效性。

不同船型不同航速條件下，污損對(duì)軸功率的影響有待進(jìn)一步研究。此外，由于對(duì)風(fēng)、浪等方面的數(shù)據(jù)采集有時(shí)依靠人的主觀經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致修正這些因素時(shí)精度難以保證，如何進(jìn)一步提高修正過(guò)程的精度是本文繼續(xù)研究的一個(gè)主要方向。

[1] Walker M, Atkins I. Surface ship hull and propeller fouling management[C]. The Royal Institution of Naval Architects. Bath,2007.

[2]Telfer, E V. The practical analysis of merchant ship trials and service performance[R]. Trans: NEC Institute, 1926.

[3]Bustard E E. The propeller as a power meter or speed log[C]. CIMarE and SNAME Joint Meeting, Toronto, 1978.

[4]Logan K P. Using a ship’s propeller for hull condition monitoring[C]. ASNE Intelligent Ships Symposium IX, Philadelphia, 2011.

[5]Robert D R, Reid E. A condition and performance monitoring system with application to U.S. navy ship operations[C]. Naval Ship Maintenance And Modernization Symposium, 1985:29-38.

[6]Aas-Hansen M. Monitoring of Hull Condition of Ships[D]. Trondheim: Norwegian University of Science and Technology, 2010.

[7]盛振邦，劉應(yīng)中. 船舶原理下冊(cè)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社, 2003.

[8]Specialist Committee on Powering Performance of 24thITTC. Full Scale Measurements Speed and Power Trials Analysis of Speed/Power Trial Data, 2005:6-7.

[9]李舜杰, 劉東風(fēng). 艦船軸功率測(cè)量與應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)修船, 2010, 23(5): 14-16.

2013-12-25

改善生態(tài)環(huán)境

營(yíng)造綠色家園

Aiming at the problem that fouling monitoring is non-continuous because of the limit of environment and status of sailing, this paper presented a method of fouling monitoring based on an optimal model and data multiprocessing. First optimized the model of relationship between shaft power and ship speed, improved the one dimensional model into a two dimensional model which established in a wide speed range. Then screened out the suitable data and corrected these data to improve the continuity of fouling monitoring. Established a fouling standard which compared with the results of monitoring. At last, a contrastive analysis is done between the conclusion of fouling monitoring and fouling situation on real ship, proving the practicability and the effectiveness.

ship fouling monitoring;optimal model;data multiprocessing

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.02.018

張子龍(1989-)，男，山東曲阜人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程。