董恩春 馮兆緣 馬開學

（1.新世紀船舶設計研發(fā)（上海）有限公司 上海 200127）（2.江蘇科技大學 鎮(zhèn)江 212001）（3.金海智造股份有限公司 上海 200122）

1 引言

現代船舶一直使用壓載水系統(tǒng)來保證船舶平衡穩(wěn)定和航行中的安全。根據船舶航行的要求，對全船各壓載艙注入或向船體舷外排出壓載水，以達到調整船舶的吃水和船體縱、橫兩方向的平穩(wěn)以及安全的穩(wěn)心高度；減小船體形變；改善空艙適航性的目的［1～3］。大多數船舶都采用艏尖艙、艉尖艙、雙層底艙、邊艙、頂邊艙作為壓載水艙，調節(jié)艏尖艙、艉尖艙的壓載水量，可有效調節(jié)船舶的縱向傾斜；調節(jié)邊艙的壓載水量，可有效調整船舶的橫向平衡［4～6］。華東船舶工業(yè)學院的張鑫、姚壽廣教授建立了船舶壓載水系統(tǒng)的仿真模型，該仿真模型包括壓載水管路、壓載水泵、浮態(tài)計算的數學模型等［7］。江蘇科技大學肖民教授以Minis通用仿真支撐系統(tǒng)和InTouch組態(tài)軟件為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了船舶壓載水模擬訓練系統(tǒng)；該系統(tǒng)模擬出壓載水的動態(tài)工作過程，通過壓載水模糊配載邏輯來模擬實船的穩(wěn)性的調節(jié)的要求［8］。因此，開發(fā)一套基于實船的壓載水仿真模擬系統(tǒng)，不僅能夠有效地幫助操作人員熟悉工作流程和技能，還具有分析、預演壓載方案的價值。同時無人化作為現代船舶的發(fā)展方向，對船舶進行遠程監(jiān)控是船舶無人化發(fā)展中的重要部分。筆者根據船舶的靜水力曲線和艙容數據建立船舶本身數學模型，以便計算調用；再分別建立船舶橫縱傾角的計算模型，并依據船舶的平穩(wěn)運行的要求在Simulink軟件中建立整船的壓載水仿真系統(tǒng)；最后利用WebAccess組態(tài)監(jiān)控軟件建立相應的監(jiān)控界面，并建立完整的數據通信通道以實現通過IP地址進行遠程監(jiān)控。

2 壓載水仿真與監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

壓載水仿真與監(jiān)控系統(tǒng)由仿真、數據傳輸和監(jiān)控三個部分組成。如圖1所示。

仿真系統(tǒng)依據實際船舶壓載水系統(tǒng)建立系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的數學模型和Simulink仿真模型，并將各子系統(tǒng)仿真模型按照整個壓載水系統(tǒng)的控制邏輯進行組合，建立壓載水仿真系統(tǒng)。

監(jiān)控組態(tài)軟件WebAccess可以接受與發(fā)送DSN數據源，利用Microsoft Office中的Access數據庫軟件作為Simulink與WebAccess通信的通道，可實現仿真系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的實時數據傳輸［9］。

3 壓載水仿真系統(tǒng)的建立

3.1 艙室子系統(tǒng)模型

實船的6個液貨艙位于船舶中部；23個壓載水艙位于船艏、船艉和左右兩側邊艙，其分布可由1層下甲板示意圖直觀看出，如圖2所示。

根據各艙室的艙容參數建立各艙室數據子系統(tǒng)模塊，將各個艙的液位作為監(jiān)控參數，將各艙重心位置數據和質量數據利用Simulink中的查表編輯器（Look up table）模塊導入仿真系統(tǒng)。

3.2 船舶穩(wěn)性計算模型

船舶裝載量的變化將引起船舶重心、吃水以及自由液面的變化，進而影響船舶的浮態(tài)和初穩(wěn)性。利用小傾角公式建立船舶穩(wěn)性計算模型可計算出船舶橫縱傾角，其模型如下所示。

式中：GM1、GML1分別表示船舶裝卸貨后的橫、縱穩(wěn)性高，GM、GML分別表示船舶原來的橫、縱穩(wěn)性高，φ表示船舶橫傾角（φ＞0代表左傾，φ＜0代表右傾），θ表示船舶縱傾角（θ＞0代表艏傾，θ＜0代表艉傾），d表示船舶原來的平均吃水，d1表示裝卸載荷后的船舶平均吃水，ζd表示船舶平均吃水增量，d1表示裝卸貨物后的船舶吃水，P表示裝卸的載荷重量（P＞0代表裝貨，P＜0代表卸貨），Δ表示裝卸載荷前的船舶排水量，ω1表示艙室內液體的密度，ix、iy分別表示自由液面面積橫、縱向慣性矩，x、y、z分別表示裝卸載荷P的重心位置縱向、橫向、垂向坐標，xF表示漂心縱向坐標［10］。根據穩(wěn)性參數，通過建立計算船舶傾角的子系統(tǒng)模塊來控制船舶穩(wěn)性。圖3為計算和監(jiān)測船舶裝卸造成的船舶橫縱傾的系統(tǒng)圖。

為保證船舶穩(wěn)性，其調整系統(tǒng)建模過程中，將各個壓載艙的模型數據導入仿真調整子系統(tǒng)，同時將壓載泵的實驗擬合數據導入仿真調整子系統(tǒng)，如圖4所示為利用Simulink軟件建立的船舶傾角調整子系統(tǒng)。

4 數據傳輸與監(jiān)控系統(tǒng)建立

4.1 數據傳輸通道的建立

組態(tài)監(jiān)控軟件WebAccess可以接受與發(fā)送DSN數據源，而Simulink工具不可發(fā)送和接收DSN數據源。Microsoft Office中的Access軟件，可以通過開發(fā)應用程序與Simulink仿真工具進行實時數據交互，也可與WebAccess組態(tài)軟件通過DSN數據源進行實時數據交互。所以選擇通過Microsoft Office中的Access軟件建立監(jiān)控軟件和仿真軟件的實時通信［11］。通信方式如圖5所示。

Simulink中的工業(yè)控制模塊Real Time Windows Target中的Stream Input輸入模塊/Stream Output輸出模塊具備利用UDP通訊協(xié)議傳輸與數據庫進行實時交換數據的功能，為Simulink的后臺運算提供控制指令［11］。因此Simulink與 Access數據庫的數據傳輸方式如圖6所示。

Simulink仿真系統(tǒng)中六個液貨艙作為監(jiān)控輸入數據與Stream input輸入模塊鏈接，其他監(jiān)控數據作為監(jiān)控輸出與Stream input輸出模塊鏈接。完成連接后的Simulink系統(tǒng)圖如圖7所示。

打開Windows系統(tǒng)中的數據源（ODBC），選擇Office Access作為驅動程序，Simulink模型中的數據可通過在Access軟件中建立的mdb格式數據庫導入；WebAccess組態(tài)軟件可通過DSN數據源訪問Access數據庫中的數據［12］。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)建立

如圖8所示，為利用WebAccess建立的壓載水仿真監(jiān)控界面，顯示所有液貨艙、壓載水艙的液位數據和各壓載泵、駁運泵、電控閥的開關，所有數據均通過IP地址訪問Access數據庫中的數據并經過處理得到。

5 典型極限工況的仿真與穩(wěn)性調節(jié)

本船舶于港口及石油平臺時吃水要求為2.0m以上，橫傾角允許變化范圍是［-0.8°，0.8°］，縱傾角的允許變化范圍是［-0.6°，0.6°］。

以船舶的典型極限工況為例，進行典型工況下的壓載水系統(tǒng)與船舶穩(wěn)性調節(jié)仿真，圖9即為此典型極限工況下，經過壓載水系統(tǒng)調節(jié)后的各壓載艙的液位情況。此工況下，船舶左側的3個液貨艙處于滿艙狀態(tài)，壓載水仿真與監(jiān)測系統(tǒng)檢測得到船舶橫傾角發(fā)生變化，大于允許范圍時，壓載水系統(tǒng)開始工作，圖9為船舶橫傾角隨時間變化的曲線。

6 結語

本文以某型油服工作為母船，通過WebAccess組態(tài)監(jiān)控軟件建立整船的壓載水仿真監(jiān)控系統(tǒng)，其中通過監(jiān)控船舶傾角的變化利用Simulink軟件建立了壓載水仿真系統(tǒng)模型；以Office Access數據庫為中介建立了完整的數據通道，實現了通過IP地址進行遠程監(jiān)控和訪問的功能，為無人化船舶的數據監(jiān)控提供了數據通道的開發(fā)方式，也可用于輪機人員的壓載水系統(tǒng)操作和管理訓練。