張 怡，黃文超 ，張 舒

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室深藍(lán)漁業(yè)工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

截至2020年末，中國(guó)漁船總數(shù)56.33萬(wàn)艘，其中90%的機(jī)動(dòng)漁船船長(zhǎng)小于24 m，非機(jī)動(dòng)漁船18.85萬(wàn)艘，平均總噸1.39 t[1]，幾乎也都為船長(zhǎng)小于24 m的小型漁船。中國(guó)漁船主要用于捕撈與養(yǎng)殖行業(yè)，僅捕撈行業(yè)就涉及近130萬(wàn)從業(yè)人口[1]的生計(jì)問(wèn)題。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大量漁民從近海捕撈作業(yè)方式改為采用近海養(yǎng)殖的模式，原來(lái)設(shè)計(jì)專(zhuān)用于捕撈的漁船需要拆解后重新設(shè)計(jì)建造用于養(yǎng)殖輔助的漁船。原有的捕撈或養(yǎng)殖輔助漁船也同樣面臨更新改造的問(wèn)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(xiàng)工作即為傾斜試驗(yàn)，通過(guò)傾斜試驗(yàn)可以獲得漁船實(shí)際重心位置，當(dāng)與設(shè)計(jì)預(yù)估值差別較大時(shí)需要采用調(diào)整壓載等措施使實(shí)船達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。但由于漁船船體尺度普遍較小，傾斜試驗(yàn)時(shí)船上施加不必要的多余質(zhì)量對(duì)于船體重心的準(zhǔn)確獲得會(huì)造成一定的影響[2-3]，尤其是對(duì)于小型漁船，形成橫傾的多余質(zhì)量極小，傳統(tǒng)采用2組擺錘或2組U型管進(jìn)行測(cè)量船體橫傾的方式除若干搬運(yùn)或吊裝作業(yè)人員外至少仍需要4名試驗(yàn)人員在船上讀取并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因進(jìn)行傾斜試驗(yàn)時(shí)船體需要遠(yuǎn)離碼頭，處于自由漂浮狀態(tài)，尺度較大的漁船還需駕駛?cè)藛T操控船舶防止與航道中其他船舶相撞，故通常傾斜試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)船上人員較多，而因這些分布不規(guī)則的船上人員的存在，最終會(huì)導(dǎo)致較難獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

關(guān)于傾斜試驗(yàn)相關(guān)的文獻(xiàn)記錄中，有的是對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中理論公式的探討[4-6]，如對(duì)于傾斜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[7]中用表格計(jì)算排水體積的辛式法，陽(yáng)大平[8]、王劍等[9]各自提出了不同的改進(jìn)意見(jiàn)。有的是利用商業(yè)軟件輔助計(jì)算傾斜試驗(yàn)報(bào)告[10- 11]。對(duì)于小型船舶也有研究采用懸掛法[12]、稱(chēng)重法[13]等方法規(guī)避傾斜試驗(yàn)直接計(jì)算船體重心。漁船建造廠通常沒(méi)有大型起吊條件，難以將漁船整體起吊，而船長(zhǎng)小于24 m的漁船所停靠的內(nèi)河航道或避風(fēng)港可以長(zhǎng)時(shí)間滿足風(fēng)力小于2級(jí)，且在數(shù)據(jù)讀取過(guò)程中較少有其他船舶高速航行帶來(lái)劇烈涌浪的傾斜試驗(yàn)自然環(huán)境要求，因此可以考慮通過(guò)采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)來(lái)減少船上試驗(yàn)人員等不必要的多余質(zhì)量進(jìn)行傾斜試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)需求

傾斜試驗(yàn)分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制階段及數(shù)據(jù)處理計(jì)算階段，為便于在現(xiàn)場(chǎng)快捷控制，將傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)與后處理計(jì)算系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)滿足輕量化需求開(kāi)發(fā)多終端版本，兼容多種移動(dòng)終端包括PC筆記本電腦、安卓系統(tǒng)智能手機(jī)、蘋(píng)果IOS系統(tǒng)智能手機(jī)等。數(shù)據(jù)處理計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)為傾斜試驗(yàn)計(jì)算人員桌面電腦計(jì)算使用，可以導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員通過(guò)各種現(xiàn)場(chǎng)控制終端采集來(lái)的傾斜試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。本研究討論的漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)即為在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的PC版本。該系統(tǒng)主要滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)、初步分析數(shù)據(jù)質(zhì)量、自動(dòng)剔除無(wú)效數(shù)據(jù)、導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)等的使用需求。

漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)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(dòng)化、輕量化等需求。為便于在小型漁船上使用，達(dá)到快速部署的要求，硬件重量對(duì)整船重心的計(jì)算影響不能太大，采用遠(yuǎn)程遙控的方式啟動(dòng)與暫停系統(tǒng)。

軟件部分系統(tǒng)需要基于滿足漁船現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，依托傾斜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)做到輕量化，非必要功能從系統(tǒng)中剝離，便于在便攜設(shè)備上快速運(yùn)行。根據(jù)以上各項(xiàng)要求，確定軟件部分的總體目標(biāo)與需求為：1)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能，包括船型數(shù)據(jù)庫(kù)與擺錘數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)傾斜試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)；2)加速度傳感器控制功能，用于控制內(nèi)含加速度傳感器的擺錘的移動(dòng)并記錄經(jīng)計(jì)算的位移數(shù)據(jù)；3)無(wú)線傳輸功能，用于遠(yuǎn)程控制終端與擺錘系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸；4)導(dǎo)入導(dǎo)出功能，用于導(dǎo)入環(huán)境參數(shù)、導(dǎo)出用于傾斜試驗(yàn)計(jì)算的原始數(shù)據(jù)等功能；5)輔助功能，用于輔助進(jìn)行傾斜試驗(yàn)的其他功能及系統(tǒng)更新等的接口。

2 硬件部分系統(tǒng)功能的模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

2.1 功能模塊設(shè)計(jì)原理

傾斜試驗(yàn)原理[14]是調(diào)整在船上施加重物的位置使船體重心位置改變而產(chǎn)生橫向傾斜，并通過(guò)測(cè)量船舶的傾斜角度后，結(jié)合讀取水尺讀數(shù)換算的排水量值，經(jīng)過(guò)計(jì)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(yàn)重物后的重心高度位置，WL為正浮狀態(tài)時(shí)水線位置，MB為重力方向，施加的移動(dòng)重物為p，當(dāng)其從船舷一側(cè)A位置移動(dòng)到另一側(cè)A1位置時(shí)船體產(chǎn)生橫傾并浮于新水線W1L1，MB1為新的重力方向，通過(guò)測(cè)量橫傾角的正切值tanθ及測(cè)量的試驗(yàn)狀態(tài)排水量Δ，通過(guò)公式(1)計(jì)算。[15]

(1)

式中：GM為船舶初穩(wěn)性高，p為移動(dòng)重物質(zhì)量，l為移動(dòng)重物從一舷移動(dòng)至另一舷的距離，Δ為傾斜試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)的排水量，θ為橫傾角。

計(jì)算得到船舶初穩(wěn)性高GM。并根據(jù)靜水力表等方法計(jì)算得到船體重量及重心位置。

圖1 橫向移動(dòng)重物時(shí)船體的橫傾

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

船舶傾斜角度主要有采用測(cè)量擺錘的橫向位移和U型管的上下液位差這兩種方式來(lái)獲得?？紤]到若采用U型管方式的話需要為適應(yīng)不同船寬而準(zhǔn)備長(zhǎng)度不一的水管，自動(dòng)讀取上下液位差又比較困難，而根據(jù)“一種漁船傾斜試驗(yàn)的自動(dòng)測(cè)量設(shè)備”專(zhuān)利[20]，該擺錘系統(tǒng)與船寬無(wú)關(guān)，且符合硬件部分系統(tǒng)需求，故采用該擺錘方式獲得漁船傾斜角度，通過(guò)信號(hào)采集模塊采集并計(jì)算擺錘橫向傾角。傾斜試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備如圖2所示。

圖2 傾斜試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備

2.2 實(shí)現(xiàn)方法

圖3為傾斜試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備側(cè)視簡(jiǎn)化圖。

圖3 傾斜試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備側(cè)視簡(jiǎn)化圖

其中OBA為擺錘初始位置，OB′A′為擺錘擺至一側(cè)的最大值，OB″A″為擺錘擺至另一側(cè)的最大值。傾斜試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備中信號(hào)采集模塊包含擺錘內(nèi)的加速度傳感器、水槽上的位移傳感器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。通過(guò)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(jīng)歷的時(shí)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(gè)擺次的擺角2θ。其平均值θ即為計(jì)算每個(gè)擺錘次數(shù)的傾角，也即移動(dòng)重物造成的船體橫傾角θ。則

(2)

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

傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)原理圖

采集到的每個(gè)傾角存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，經(jīng)擺線中內(nèi)置的485總線連接至遠(yuǎn)程控制模塊。遠(yuǎn)程控制模塊與現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)絡(luò)通過(guò)WIFI組網(wǎng)成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。局域網(wǎng)絡(luò)中的PC終端與手機(jī)移動(dòng)終端App都可起到遠(yuǎn)程控制的作用。

3 軟件部分系統(tǒng)功能的模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

3.1 功能模塊設(shè)計(jì)

依據(jù)漁船傾斜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的流程、規(guī)范，并根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)相關(guān)開(kāi)發(fā)要求，進(jìn)行系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)工作。漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)共分為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊、加速度傳感器控制模塊、無(wú)線傳輸模塊、導(dǎo)入導(dǎo)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(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊包括船型數(shù)據(jù)庫(kù)與擺錘數(shù)據(jù)庫(kù)，船型相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于船型數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)子數(shù)據(jù)庫(kù)，擺錘相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于擺錘數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)子數(shù)據(jù)庫(kù)。加速度傳感器控制模塊包括擺錘啟動(dòng)、擺錘停止記錄、水平位移記錄模塊等。無(wú)線傳輸模塊包括無(wú)線接收模塊與無(wú)線傳輸模塊。導(dǎo)入導(dǎo)出模塊包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與導(dǎo)出。

圖5 系統(tǒng)模塊圖

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖6所示。

圖6 漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)軟件部分主要為完成現(xiàn)場(chǎng)快速采集傾斜試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)為目的進(jìn)行開(kāi)發(fā)，按圖6所示流程圖實(shí)現(xiàn)：1)輸入環(huán)境參數(shù)；2)判斷環(huán)境參數(shù)是否符合傾斜試驗(yàn)要求，若不符合也無(wú)法改善則終止試驗(yàn)；3)判斷移動(dòng)重物質(zhì)量是否滿足傾斜試驗(yàn)要求，若不符合也無(wú)法調(diào)整則終止試驗(yàn)；4)統(tǒng)計(jì)多余質(zhì)量；5)統(tǒng)計(jì)不足質(zhì)量；6)記錄初始擺錘數(shù)據(jù)并在8次移動(dòng)重物位置后都記錄擺錘數(shù)據(jù)；7)保存傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)束系統(tǒng)。

每次移動(dòng)重物調(diào)整位置后所記錄的擺錘數(shù)據(jù)即上文的tanθ，是由擺錘內(nèi)置加速度傳感器采集到的加速度變化結(jié)合位移傳感器采集的位移值相結(jié)合。以100 ms為時(shí)間周期記錄采集的加速度值，在加速度為零時(shí)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(cè)加速度為零時(shí)的橫向位移BB″。結(jié)合擺線長(zhǎng)度OB，根據(jù)上文公式計(jì)算一個(gè)擺次的tanθ值，最后記錄并存儲(chǔ)剔除偏差過(guò)大的異常值后的15組tanθ值。

傾斜試驗(yàn)報(bào)告的計(jì)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(shè)計(jì)手段，其數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多樣化。故考慮便攜設(shè)備輕量化的要求，從現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中剝離后續(xù)的傾斜試驗(yàn)報(bào)告計(jì)算功能。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要難點(diǎn)

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)大量運(yùn)用于船舶設(shè)計(jì)[21-24]、建造[25-26]階段及運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中[27-30]，而在傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)利用計(jì)算機(jī)控制的研究還較少，因此首先需明確傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求。本控制系統(tǒng)主要需解決多終端共享的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)與系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)。而系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)又需包含遠(yuǎn)程控制信號(hào)傳輸、系統(tǒng)文件導(dǎo)入導(dǎo)出等功能。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)船型數(shù)據(jù)庫(kù)與擺錘數(shù)據(jù)庫(kù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)功能。為厘清數(shù)據(jù)庫(kù)中各數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，可采用實(shí)體-聯(lián)系圖(Entity Relationship Diagram，E-R圖)[31-32]對(duì)數(shù)據(jù)需求模型進(jìn)行分析。經(jīng)分析，船型數(shù)據(jù)庫(kù)的基本實(shí)體—聯(lián)系圖即(E-R圖)如圖7所示。船型數(shù)據(jù)庫(kù)中，圍繞以“試驗(yàn)船型”實(shí)體展開(kāi)，其他主要還有“設(shè)計(jì)人員”“移動(dòng)重物”“環(huán)境參數(shù)”“多余不足質(zhì)量”等實(shí)體。實(shí)體間的關(guān)系如下：1)“試驗(yàn)人員”和“試驗(yàn)船型”之間是多對(duì)多的關(guān)系(圖上標(biāo)注為m∶n，下同)。即試驗(yàn)人員可以試驗(yàn)多個(gè)船型，單個(gè)船型也可以由不同的試驗(yàn)人員進(jìn)行。2)“試驗(yàn)船型”和“移動(dòng)重物”“多余不足質(zhì)量”是一對(duì)多的關(guān)系(圖上標(biāo)注為1∶n，下同)。即同一試驗(yàn)船型有多組移動(dòng)重物，多余與不足質(zhì)量也有多組。實(shí)體間由唯一的項(xiàng)目編號(hào)關(guān)聯(lián)。3)“試驗(yàn)船型”和“環(huán)境參數(shù)”是一對(duì)一的關(guān)系(圖上標(biāo)注為1∶1，下同)。即同一個(gè)試驗(yàn)船型對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)境參數(shù)。兩個(gè)實(shí)體間通過(guò)環(huán)境參數(shù)編號(hào)關(guān)聯(lián)。

圖7 船型數(shù)據(jù)庫(kù)基本實(shí)體-聯(lián)系(E-R)圖

擺錘數(shù)據(jù)庫(kù)的E-R圖如圖8所示。

圖8 擺錘數(shù)據(jù)庫(kù)基本實(shí)體-聯(lián)系(E-R)圖

其中，圍繞以“擺錘數(shù)據(jù)”實(shí)體展開(kāi)，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(shí)體。實(shí)體間的關(guān)系如下：1)“擺錘信息”和“擺錘數(shù)據(jù)”之間是一對(duì)多的關(guān)系。即兩組擺錘中每組擺錘信息都有多次擺錘數(shù)據(jù)，按傾斜試驗(yàn)要求，每次移動(dòng)重物搬運(yùn)時(shí)采集記錄一次擺錘數(shù)據(jù)，共記錄9次。實(shí)體間由唯一的擺錘序號(hào)關(guān)聯(lián)。2)“擺錘數(shù)據(jù)”和“擺錘加速度”是一對(duì)一的關(guān)系。即每次采集的一系列擺錘數(shù)據(jù)與擺錘加速度是一一對(duì)應(yīng)的，當(dāng)擺錘運(yùn)動(dòng)到一側(cè)的最高點(diǎn)靜止時(shí)，標(biāo)注加速度值并記錄用于后續(xù)計(jì)算使用。實(shí)體間由唯一的擺錘序號(hào)關(guān)聯(lián)。3)“擺錘加速度”和“擺錘搖擺周期”是一對(duì)多的關(guān)系。即一個(gè)擺錘搖擺周期由一對(duì)擺錘加速度結(jié)合時(shí)間等參數(shù)計(jì)算得到，此處的擺錘加速度為2)中標(biāo)注的加速度值，共15組加速度值。實(shí)體間由唯一的擺錘序號(hào)關(guān)聯(lián)。4)“擺錘搖擺周期”和“擺幅信息”是一對(duì)一的關(guān)系。即一個(gè)擺錘搖擺周期經(jīng)計(jì)算一一對(duì)應(yīng)一個(gè)擺幅信息。實(shí)體間由唯一的擺錘序號(hào)關(guān)聯(lián)。5)“擺幅信息”和“橫向位移”是一對(duì)一的關(guān)系。即一個(gè)擺幅信息結(jié)合其他實(shí)體的相關(guān)數(shù)據(jù)信息經(jīng)計(jì)算一一對(duì)應(yīng)一個(gè)橫向位移。每組的橫傾角及每次移動(dòng)的平均橫傾角均存儲(chǔ)于橫向位移中。實(shí)體間由唯一的擺錘序號(hào)關(guān)聯(lián)。

漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)PC版本采用基于C#.NET framework的開(kāi)發(fā)環(huán)境結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行研發(fā)。Access數(shù)據(jù)庫(kù)表信息的維護(hù)使用DataGridView控件來(lái)實(shí)現(xiàn)，該控件可很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表信息的增刪改等基本操作。

4.3 系統(tǒng)界面的實(shí)現(xiàn)

漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的界面采用.NET framework中的windows窗體控件箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)界面共分兩條主線進(jìn)行設(shè)計(jì)。一條是數(shù)據(jù)庫(kù)操作相關(guān)，包括“創(chuàng)建/修改項(xiàng)目”“環(huán)境參數(shù)”“移動(dòng)重物”“多余質(zhì)量”“不足質(zhì)量”等模塊；另一條是擺錘相關(guān)，主要包括“擺錘數(shù)據(jù)”模塊。

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)相關(guān)模塊主要由OleDbConnection語(yǔ)句連接Access數(shù)據(jù)庫(kù)，OleDbCommand語(yǔ)句調(diào)用select或insert等數(shù)據(jù)庫(kù)操作的相關(guān)代碼塊來(lái)實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)載入控制系統(tǒng)和將數(shù)據(jù)從控制系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)的功能。

擺錘數(shù)據(jù)由擺錘啟停、記錄、存儲(chǔ)等步驟。其中擺錘啟停功能通過(guò)遠(yuǎn)程控制的代碼實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)中點(diǎn)擊“啟動(dòng)/暫?！卑粹o后通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)送到擺錘系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制模塊中，此時(shí)擺錘系統(tǒng)中的電磁閥門(mén)啟動(dòng)以使擺錘產(chǎn)生初始擺動(dòng)。記錄功能在擺錘擺動(dòng)穩(wěn)定后自動(dòng)記錄，每次記錄15組擺錘擺幅數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算每組數(shù)據(jù)的偏差值，在遇到由波浪、橫風(fēng)等引起的異常值時(shí)自動(dòng)去除，自動(dòng)再采集擺錘數(shù)據(jù)直至15組。

存儲(chǔ)功能除采用OleDb相關(guān)語(yǔ)句來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能便于后續(xù)傾斜試驗(yàn)計(jì)算軟件直接讀取使用，還采用iTextSharp類(lèi)來(lái)滿足系統(tǒng)文件導(dǎo)入導(dǎo)出的需求，便于現(xiàn)場(chǎng)船檢簽字認(rèn)可試驗(yàn)數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制信號(hào)傳輸功能通過(guò)自編的iWIFI類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)擺錘數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)與無(wú)線傳輸模塊的數(shù)據(jù)交換。

5 系統(tǒng)應(yīng)用及對(duì)比分析

以上海市某小型漁船為例進(jìn)行對(duì)比分析，該船型總長(zhǎng)13.28 m，船長(zhǎng)11 m，型寬3 m，型深0.75 m，吃水0.45 m，設(shè)計(jì)空船重量8.47 t，設(shè)計(jì)空船重心高0.71 m。按照常規(guī)的人工讀取重力式擺錘數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行傾斜試驗(yàn)與采用傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)做對(duì)比，最終計(jì)算出兩組實(shí)測(cè)重心高度值。

常規(guī)的漁船傾斜試驗(yàn)[33]，除搬運(yùn)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(yàn)人員，其中一人負(fù)責(zé)讀數(shù)，另一人負(fù)責(zé)記錄，如圖9為一組兩人配合讀取記錄傾斜試驗(yàn)擺錘數(shù)據(jù)的常規(guī)方式，擺錘及擺線懸于擺錘支架下，試驗(yàn)人員讀取擺錘最大位移處的讀數(shù)尺讀數(shù)。在船艉部另有一組擺錘系統(tǒng)由另2試驗(yàn)人員配合讀取記錄。當(dāng)在上下船比較方便的內(nèi)河航道內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中船上可不設(shè)駕駛?cè)藛T，而搬運(yùn)壓鐵的工作人員也可在試驗(yàn)間隙通過(guò)跳板上下船，但在記錄擺錘數(shù)據(jù)時(shí)船上仍需至少4位試驗(yàn)人員在前后擺錘處讀取并記錄擺錘數(shù)據(jù)。根據(jù)船舶設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，人體平均質(zhì)量通常按75 kg計(jì)算，經(jīng)實(shí)際測(cè)量4位試驗(yàn)人員體重共約300 kg與形成橫傾的壓鐵質(zhì)量想當(dāng)。且由于人體在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)隨著船體進(jìn)行晃動(dòng)，不易采集準(zhǔn)確的人體重心位置。由此可見(jiàn)，對(duì)于小于24 m的小型漁船來(lái)說(shuō)，當(dāng)有試驗(yàn)人員在船上讀取數(shù)據(jù)時(shí)，其最終重心結(jié)果的誤差較大。

圖9 某小型漁船艏部?jī)A斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

通過(guò)改用傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)具有自動(dòng)化記錄擺錘擺幅，初步計(jì)算漁船傾斜角度并導(dǎo)出后續(xù)傾斜試驗(yàn)計(jì)算所需的數(shù)據(jù)文件等功能，在整個(gè)傾斜試驗(yàn)過(guò)程中，除了必要的且重心位置規(guī)則可控的傾斜試驗(yàn)壓鐵與擺錘系統(tǒng)，無(wú)須設(shè)置其他影響試驗(yàn)結(jié)果的船上試驗(yàn)人員等附加質(zhì)量，有效減少試驗(yàn)誤差，最終計(jì)算的結(jié)果也更能反映船體實(shí)際狀況。由表1可見(jiàn)，采用傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)改進(jìn)后獲得的實(shí)測(cè)重心高度值較采用常規(guī)方式獲得的更接近設(shè)計(jì)空船重心高度值ZG。由于實(shí)船建造有各種建造誤差的影響，實(shí)船重心與設(shè)計(jì)值會(huì)有偏差，而傾斜試驗(yàn)的目的就是要得到實(shí)船真實(shí)的重心高。因此，在沒(méi)有懸掛法、稱(chēng)重法等直接獲得重心數(shù)據(jù)對(duì)比的情況下，可以認(rèn)為采用沒(méi)有船上人員的傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)所采集的橫傾數(shù)據(jù)計(jì)算的空船重心高更接近真實(shí)值。經(jīng)計(jì)算，其與采用傳統(tǒng)人工讀取數(shù)據(jù)的方法相比可減小約3%的試驗(yàn)誤差。

表1 常規(guī)傾斜試驗(yàn)與采用現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)改進(jìn)后的傾斜試驗(yàn)對(duì)比表

經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，目前該系統(tǒng)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(shí)水槽形式與材質(zhì)還需進(jìn)一步優(yōu)化以減小自身質(zhì)量。本系統(tǒng)的軟件部分目前僅開(kāi)發(fā)了PC版本，在多終端協(xié)同控制、試驗(yàn)狀態(tài)異常監(jiān)制報(bào)警等方面也還需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

6 結(jié)論

研究了一種提高小型漁船傾斜試驗(yàn)測(cè)量精度的方法，并在實(shí)船傾斜試驗(yàn)中得到初步驗(yàn)證應(yīng)用。通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)與傾斜試驗(yàn)計(jì)算系統(tǒng)功能的拆分，精簡(jiǎn)了現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度，也便于擴(kuò)展至智能移動(dòng)終端中使用。通過(guò)漁船傾斜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可獲得更精確的數(shù)據(jù)，為船型的進(jìn)一步更新迭代設(shè)計(jì)提供參考。

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