趙會(huì)軍,甘正林,齊 鳴

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司,天津300452;2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司,湖北 武漢430085;3.上海中船船舶設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限公司,上海 201114)

0 引言

液艙裝卸作業(yè)是實(shí)現(xiàn)船舶裝載必不可少的環(huán)節(jié)。該場(chǎng)景不僅是狹義范圍所指的液貨船的在港裝卸作業(yè),其他如原油生產(chǎn)平臺(tái)的加注和外輸、打撈救生作業(yè)、起重作業(yè)中的壓載水置換等所有發(fā)生于水面的船舶液艙與外部、液艙間的液體輸轉(zhuǎn),在廣義范圍內(nèi)都屬于船舶裝卸作業(yè)。

船舶液艙裝卸作業(yè)通常具有安全要求高、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn),且由于船舶本身自重大、多系統(tǒng)布置及協(xié)調(diào)難度高,在機(jī)電系統(tǒng)控制,特別是自動(dòng)化控制中,對(duì)系統(tǒng)的可靠性有著更高的要求。常規(guī)船舶的液艙裝卸作業(yè),主要由船員利用裝載計(jì)算機(jī)交互定義制定包含幾個(gè)重要調(diào)載節(jié)點(diǎn)的裝卸載計(jì)劃,調(diào)載節(jié)點(diǎn)逐一通過(guò)安全性校核后,根據(jù)計(jì)劃中調(diào)載時(shí)間點(diǎn)向閥門(mén)遙控、泵控以及其他相關(guān)裝卸系統(tǒng)下發(fā)啟停、開(kāi)度等命令,從而實(shí)現(xiàn)液艙裝卸作業(yè)執(zhí)行。該作業(yè)過(guò)程執(zhí)行的效果對(duì)船員經(jīng)驗(yàn)依賴程度較高。基于這種作業(yè)流程,用戶在預(yù)置典型工況基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)多次修改確定的裝卸計(jì)劃,在浮態(tài)、穩(wěn)性、強(qiáng)度等作業(yè)狀態(tài)或者安全性上,僅能實(shí)現(xiàn)“達(dá)標(biāo)”而非“最優(yōu)解”。為了更好地發(fā)掘船舶運(yùn)輸及作業(yè)的潛力,提升船舶在液艙裝卸作業(yè)中的可靠性和自動(dòng)化水平,行業(yè)內(nèi)近年來(lái)在液艙裝卸設(shè)備能力、數(shù)據(jù)分析、數(shù)字化呈現(xiàn)等方面都做了較深入的探索,船舶液艙裝卸系統(tǒng)綜合作業(yè)能力得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

本文以船舶典型的液艙裝卸載作業(yè)為應(yīng)用場(chǎng)景,圍繞船上現(xiàn)有液位監(jiān)測(cè)、浮態(tài)監(jiān)測(cè)、閥門(mén)遙控及其他貨物安全系統(tǒng),建立以各系統(tǒng)信息融合、智能決策、自主執(zhí)行為目標(biāo)的統(tǒng)一的液艙裝卸系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)數(shù)據(jù)分析、智能算法、數(shù)值仿真等手段,實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程的模擬、執(zhí)行過(guò)程的狀態(tài)預(yù)測(cè)及故障針對(duì),以船舶裝卸相關(guān)系統(tǒng)為邊界,形成較完整的數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建框架。

1 船舶液艙裝卸系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著船舶智能化和信息化的發(fā)展,作為船舶重要的組成部分之一的液艙裝卸系統(tǒng)越來(lái)越趨于復(fù)雜化、智能化,成為融合傳感器、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電子信息、大數(shù)據(jù)技術(shù),以及船舶管理等多學(xué)科的綜合管理控制系統(tǒng)[1]。

船舶裝載及壓載由多個(gè)獨(dú)立的水密艙室實(shí)現(xiàn),各艙之間通?？裳b載不同量的液體。隨著船舶功能性的增強(qiáng),船舶的艙室劃分也逐步向更多元、更密集的方向發(fā)展;如果是液貨艙,常設(shè)置隔艙,每個(gè)貨艙設(shè)有完全獨(dú)立的貨物裝卸系統(tǒng)和貨物維護(hù)系統(tǒng)。艙室裝卸系統(tǒng)方面,其控制系統(tǒng)的先進(jìn)性在船舶各系統(tǒng)中也是較為突出的。除了常規(guī)的液貨裝卸及壓載水置換系統(tǒng)外,液貨船基于安全性要求通常會(huì)配備液艙高位/高高位報(bào)警、惰性氣體系統(tǒng)等;根據(jù)裝載貨物特性,會(huì)配備如貨物冷卻液化和再氣化、加熱等貨物裝載輔助系統(tǒng)。此外,還會(huì)配備自動(dòng)化的洗艙系統(tǒng)。

1.1 液艙裝載貨物的復(fù)雜性

除壓載艙外,液艙裝載貨物類型根據(jù)船型有很大區(qū)別[2]。即便是面向單一貨品的液貨船,如原油船、LNG船、LPG船等,也因其易燃易爆的特性,對(duì)壓力、靜電等環(huán)境物理狀態(tài)都十分敏感;同一類但不同體積質(zhì)量的貨物間、貨物與壓載水間,若發(fā)生接觸,可能產(chǎn)生如氧化、化合、分解等反應(yīng),這些都是液貨船裝配載過(guò)程中所必須要規(guī)避的[3]。液艙裝載貨物的復(fù)雜性,使得一般船員難以具備完善的艙室操作及設(shè)備維護(hù)能力,需要液艙裝卸系統(tǒng)具備一定的智能化和自動(dòng)化水平,以應(yīng)對(duì)各種貨物特性[4]。

1.2 船舶液艙裝卸作業(yè)的復(fù)雜性

船舶液艙裝卸作業(yè)中,首先除了要考慮貨物本身特性帶來(lái)的危險(xiǎn)外,因其過(guò)程中涉及的系統(tǒng)較多,操作本身也較為復(fù)雜。其次貨物的交接時(shí)間是有限的,且裝卸貨精度要求高,大幅增加了船舶裝卸作業(yè)本身的不確定性。以浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油平臺(tái)(FPSO)為例,由于采油過(guò)程在環(huán)境條件允許的情況下是不間斷的,因而其液貨艙注入是連續(xù)進(jìn)行的過(guò)程。該過(guò)程通常會(huì)有一個(gè)或一對(duì)艙參與。當(dāng)前允許注入的艙室達(dá)到裝載量目標(biāo)后,通過(guò)調(diào)整液貨輸轉(zhuǎn)路徑實(shí)現(xiàn)注入目標(biāo)艙室的切換。達(dá)到裝載量目標(biāo)后,原油在一段時(shí)間沉淀后油水分離,底部含水量較高的原油需要通過(guò)倒艙轉(zhuǎn)移至制定艙室,倒艙過(guò)程至少會(huì)有2個(gè)液艙參與。同時(shí)周期性的,在FPSO達(dá)到一定的裝載總量后,會(huì)依計(jì)劃通過(guò)海底管線或者穿梭油輪卸載部分液貨,外輸作業(yè)參與艙室較多且多為同步進(jìn)行。此外,每個(gè)艙室在完成一次注入、外輸?shù)淖鳂I(yè)流程后,都需要通過(guò)洗艙為下一階段的作業(yè)循環(huán)做準(zhǔn)備,處于洗艙階段的艙室不會(huì)再參與原油輸轉(zhuǎn)的作業(yè)流程,直至洗艙作業(yè)完成。在FPSO的常規(guī)作業(yè)過(guò)程中,可能會(huì)有多至五、六種液艙裝卸過(guò)程同時(shí)進(jìn)行,每種過(guò)程都需要制定不同的策略,調(diào)動(dòng)的設(shè)備范圍也大不相同。如果在這個(gè)過(guò)程中有智能化手段的輔助,則可以在提升裝卸作業(yè)、維持作業(yè)效率的同時(shí),最大程度地避免船員的誤操作。

1.3 船員素質(zhì)和能力的復(fù)雜性

船舶裝卸作業(yè)通常由船上的大副負(fù)責(zé)監(jiān)督操作和執(zhí)行,操作人員本身除了要具備一般的操縱船舶基本技能外,還需要對(duì)裝載貨物本身的理化特性、裝卸設(shè)備安全操作規(guī)范、船舶總體性能(浮態(tài)、穩(wěn)性、強(qiáng)度)安全要求、應(yīng)急處理等有充分的了解和掌握。任何一個(gè)操作過(guò)程中的欠缺和疏漏,都可能導(dǎo)致船舶發(fā)生事故和無(wú)法挽回的后果。

此外,船舶作為最主要的大宗貨物運(yùn)輸載體,相較其他運(yùn)輸行業(yè),航運(yùn)業(yè)工作時(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大、技術(shù)要求高、工作環(huán)境差,人員調(diào)派困難、船員心理狀態(tài)欠佳情況時(shí)有出現(xiàn),這對(duì)于實(shí)船系統(tǒng)操作人員責(zé)任心和敬業(yè)心無(wú)疑提出了更高的要求。因此,通過(guò)采用智能化的貨物管理手段對(duì)船員的工作壓力可以起到非常大的緩解效果,提高了船舶的運(yùn)營(yíng)安全。

2 數(shù)字孿生在船舶裝卸系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 船舶裝卸數(shù)字孿生系統(tǒng)的一般組成

數(shù)字孿生系統(tǒng)并無(wú)通用的定義,通常它的主體是由特定物理空間下的物理對(duì)象、用戶實(shí)體、數(shù)據(jù)采集實(shí)體與設(shè)備控制實(shí)體在數(shù)字空間中構(gòu)建的數(shù)字孿生體,以及基于該孿生體提供的不同層級(jí)的預(yù)測(cè)、決策、控制策略構(gòu)成。從系統(tǒng)架構(gòu)上來(lái)看,一般會(huì)分為感知層、數(shù)據(jù)層、決策層、執(zhí)行層,在實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象狀態(tài)信息實(shí)時(shí)采集的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生體的分析、訓(xùn)練等呈現(xiàn)物理對(duì)象的狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)變化趨勢(shì),從而輔助對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化、決策或控制。

船舶裝卸系統(tǒng)的感知層主要是由面向船舶總體狀態(tài)和設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)布置的傳感器組成的。當(dāng)前有液艙調(diào)載需求的船舶都會(huì)配備液位遙測(cè)系統(tǒng)、閥門(mén)遙控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng),依托這些系統(tǒng)部署在艙室或者設(shè)備內(nèi)部的傳感器,在提供艙室裝載狀態(tài)信息采集的同時(shí),也會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)前船舶總體及機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)的傳感器分布和反饋信號(hào)頻率、范圍,已足夠覆蓋船舶液艙裝卸系統(tǒng)的使用需求。

船舶液艙裝卸系統(tǒng)數(shù)字孿生體中數(shù)據(jù)層主要包括系統(tǒng)模型構(gòu)建和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)包括船舶總體設(shè)計(jì)模型、艙室設(shè)計(jì)模型、設(shè)備性能參數(shù)模型等,是船舶液艙裝卸系統(tǒng)物理對(duì)象在系統(tǒng)中的數(shù)字映射。系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)主要來(lái)源是由各類傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集到的多模式、多類型的運(yùn)行數(shù)據(jù),依據(jù)觸發(fā)事件一般包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)警/報(bào)警信息。系統(tǒng)將感知層采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)層的數(shù)字信號(hào),需要首先確定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)等,針對(duì)數(shù)據(jù)管理還涉及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、清洗、分類、聚合和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等技術(shù)。

在掌握裝卸系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上,船舶液艙裝卸系統(tǒng)可以提供多層次、多維度的輔助決策建議,包括輸轉(zhuǎn)速率計(jì)算及擬合、配載方案制定、裝卸計(jì)劃制定、裝卸流程仿真、裝卸操作流程生成等,基于理論算法、智能算法、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段在裝卸輔助決策領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

船舶裝卸數(shù)字孿生系統(tǒng)必須要在決策層完成充分的分析、驗(yàn)證、仿真后,方可下發(fā)具體的執(zhí)行指令,數(shù)字孿生系統(tǒng)的執(zhí)行層是對(duì)決策結(jié)果的檢驗(yàn),必須是可回放、可預(yù)測(cè)的;同時(shí)決策層也需要根據(jù)實(shí)際執(zhí)行和決策結(jié)果的偏離程度,不斷修正決策過(guò)程,實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體向物理實(shí)體的逐步逼近。

船舶裝卸系統(tǒng)架構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 船舶裝卸系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 船舶液艙裝卸數(shù)字孿生系統(tǒng)基本功能

(1)鏡像

數(shù)字孿生系統(tǒng)的鏡像是指在系統(tǒng)中建立物理對(duì)象的數(shù)字孿生體,在幾何尺度、物理屬性等方面與物理實(shí)體以適當(dāng)?shù)念l率保持一致,同時(shí)在系統(tǒng)中通過(guò)可視化手段展示[5]。基于數(shù)字孿生技術(shù),集成船舶液艙裝卸數(shù)字孿生系統(tǒng)感知層和數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)信息,建立FPSO裝卸系統(tǒng)的數(shù)字化模型。其中,船舶液艙裝卸系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)即是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)在數(shù)字化環(huán)境中的鏡像,基于液位遙測(cè)、浮態(tài)監(jiān)測(cè)、裝卸設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等高精度傳感器,以及信號(hào)處理手段,采集、篩選、處理船舶各系統(tǒng)信號(hào),系統(tǒng)掌握船舶的裝載狀態(tài)及作業(yè)狀態(tài)。

(2)歸因

數(shù)字孿生系統(tǒng)的歸因是指通過(guò)數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象動(dòng)態(tài)的、趨于實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),基于所得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史信息推送對(duì)物理對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)及成因的判斷結(jié)果[5]。船舶裝卸數(shù)字孿生系統(tǒng)要求系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集反映的船舶及設(shè)備狀態(tài),通過(guò)裝載計(jì)算模塊自動(dòng)計(jì)算特定狀態(tài)下的船舶總體狀態(tài)及安全校核結(jié)果。

(3)預(yù)知

數(shù)字孿生系統(tǒng)的歸因是指通過(guò)數(shù)字孿生體,在數(shù)字空間對(duì)物理對(duì)象的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、運(yùn)行與維護(hù)、拆解與報(bào)廢等過(guò)程進(jìn)行集成的模擬、仿真與驗(yàn)證,并在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象未來(lái)狀態(tài)的預(yù)測(cè),從而判斷其潛在的缺陷與風(fēng)險(xiǎn)[5]。船舶艙室狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)除了可以完整地體現(xiàn)船舶當(dāng)前工作狀態(tài)外,也可以通過(guò)數(shù)據(jù)變化預(yù)測(cè)狀態(tài)變化趨勢(shì),如可根據(jù)液位遙測(cè)采集到的艙室裝載率變化,計(jì)算液體裝卸速率,預(yù)測(cè)未來(lái)各時(shí)間點(diǎn)艙室的裝載狀態(tài),進(jìn)一步預(yù)測(cè)全船的作業(yè)狀態(tài)。

(4)優(yōu)選

數(shù)字孿生系統(tǒng)的優(yōu)選是指通過(guò)數(shù)字孿生體,在數(shù)字空間分別對(duì)多種決策方案下的物理對(duì)象性能、缺陷、風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行模擬、比對(duì),進(jìn)而選擇決策方案或?qū)Q策提出建議,包括決策支持、自動(dòng)化決策[5]。船舶裝卸數(shù)字孿生系統(tǒng)要求根據(jù)配載需要智能推送滿足船舶作業(yè)條件及船舶作業(yè)狀態(tài)要求的優(yōu)化配載方案;同時(shí),根據(jù)裝卸作業(yè)要求和設(shè)備狀態(tài),實(shí)現(xiàn)裝卸計(jì)劃的智能生成及模擬,并智能生成裝卸作業(yè)操作方案。

(5)自主

自主是數(shù)字孿生系統(tǒng)的落腳點(diǎn),即通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與其物理對(duì)象之間動(dòng)態(tài)互動(dòng),數(shù)字孿生體向物理空間反饋物理實(shí)體的執(zhí)行動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行[5]。船舶裝卸數(shù)字孿生系統(tǒng)通過(guò)對(duì)裝卸系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的控制,實(shí)現(xiàn)裝卸計(jì)劃的自主執(zhí)行;執(zhí)行過(guò)程中收集控制對(duì)象狀態(tài)反饋,狀態(tài)異常時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)措施。

基于數(shù)字化孿生基本要素,面向船舶裝卸系統(tǒng)軟件業(yè)務(wù)流程,結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù),在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和過(guò)程仿真兩方面開(kāi)展技術(shù)優(yōu)化,將采集、監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和性能模型(如流速計(jì)算等)整合一體化,通過(guò)驅(qū)動(dòng)數(shù)字模型,完成過(guò)程仿真的優(yōu)化驗(yàn)證,智能化生成船舶裝卸方案等,實(shí)現(xiàn)裝卸計(jì)劃的自主執(zhí)行。

3 面向數(shù)字孿生的船舶裝卸系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)優(yōu)化

在船舶裝卸系統(tǒng)中,狀態(tài)監(jiān)測(cè)多來(lái)自于傳感器直接采集信號(hào)的反饋。這些對(duì)艙室或者設(shè)備狀態(tài)的反饋數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)的數(shù)字化模型中,可以較全面地體現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)鏡像的特性。現(xiàn)有傳感器采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)也是船舶裝卸系統(tǒng)工作狀態(tài)趨勢(shì)判斷、預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避依賴數(shù)據(jù)的唯一來(lái)源,其中最主要的是通過(guò)艙室液位變化分析得到的流速數(shù)據(jù)。

受限于設(shè)備成本和安裝數(shù)量的限制,用于檢測(cè)流速數(shù)據(jù)的流量計(jì)通常僅布置在貨油管線或者壓載管線的總管位置,而在進(jìn)入各艙的支管位置并沒(méi)有獨(dú)立的監(jiān)測(cè)設(shè)備。很多情況下,進(jìn)入各艙液體流速受到船舶姿態(tài)、管線內(nèi)液體的密度(粘稠度)、管線內(nèi)壁的材質(zhì)、管網(wǎng)高度落差、艙室距離離心泵輸出口的距離等諸多因素影響?，F(xiàn)有的流速解決方案通常是根據(jù)目標(biāo)液艙過(guò)去一段時(shí)間裝載體積變化,在時(shí)間跨度上平均計(jì)算得到。由于船舶通常處于一種波動(dòng)的狀態(tài)下,加之液位信號(hào)采集的頻率較低,這樣得到的結(jié)果難以反映實(shí)時(shí)的流速,易產(chǎn)生突變,極大影響了對(duì)未來(lái)狀態(tài)預(yù)知的準(zhǔn)確程度。當(dāng)前可行的優(yōu)化手段可從以下2方面入手:

(1)建立管線內(nèi)流速理論計(jì)算模型

基于設(shè)備性能參數(shù),建立泵功率和轉(zhuǎn)速、閥門(mén)開(kāi)度、管線流速間的數(shù)值關(guān)聯(lián);基于泵及閥門(mén)的設(shè)計(jì)參數(shù),建立初步的流速曲線;根據(jù)液體密度(粘稠度)、管內(nèi)壁材質(zhì)建立流速模型;根據(jù)裝卸實(shí)際環(huán)境修正各液艙的流速曲線。

(2)基于實(shí)船數(shù)據(jù)建立流速擬合模型

實(shí)時(shí)采集裝卸過(guò)程中的艙室裝載液位高數(shù)據(jù),通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí),建立船舶姿態(tài)、液體密度(粘稠度)、艙室位置、閥門(mén)開(kāi)度等條件下對(duì)應(yīng)的液位高采集片段;基于對(duì)應(yīng)片段,建立流速擬合曲線,從而實(shí)現(xiàn)基于實(shí)船數(shù)據(jù)的流速擬合模型。

3.2 過(guò)程仿真優(yōu)化

完備的仿真運(yùn)行環(huán)境有助于生成可靠的船舶裝卸系統(tǒng)智能決策方案;實(shí)船采集數(shù)據(jù)也需要完備的仿真環(huán)境以回歸和驗(yàn)證。所以,一套完整的數(shù)字化船舶裝卸系統(tǒng)仿真環(huán)境對(duì)于系統(tǒng)的自我完善和優(yōu)化至關(guān)重要。

以船舶自主裝卸系統(tǒng)為研究對(duì)象,構(gòu)建跨流體、機(jī)械、控制、電氣等專業(yè)的船舶自主裝卸系統(tǒng)的多領(lǐng)域模型庫(kù),根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定系統(tǒng)關(guān)鍵部件仿真模型,將設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以模型的方式進(jìn)行表達(dá)與積累。

根據(jù)裝卸系統(tǒng)的拓?fù)湓?通過(guò)拖拽組件調(diào)用模型庫(kù)中的模型,集成為系統(tǒng)仿真分析模型。以自主裝卸系統(tǒng)系統(tǒng)仿真模型為對(duì)象,開(kāi)展以下工作:

(1)自主裝卸流程的仿真驗(yàn)證分析。

(2)自主裝卸系統(tǒng)的壓力、流量動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

(3)自主裝卸控制算法的仿真驗(yàn)證分析。

(4)針對(duì)局部設(shè)備故障工況下,控制器故障處理能力仿真分析。

(5)以仿真結(jié)果數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng),對(duì)自主裝卸過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。

規(guī)范以當(dāng)前型號(hào)為代表的自主裝卸系統(tǒng)研制流程,提供數(shù)字化快速設(shè)計(jì)驗(yàn)證條件,為后續(xù)相關(guān)裝備的快速設(shè)計(jì)迭代過(guò)程提供基礎(chǔ)仿真驗(yàn)證平臺(tái)。

基于需求分析的結(jié)果,完成系統(tǒng)功能分解,根據(jù)產(chǎn)品功能性能指標(biāo)要求,對(duì)其進(jìn)行分解得到系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊;再?gòu)慕M件→子系統(tǒng)→系統(tǒng)進(jìn)行自底向上的系統(tǒng)模型構(gòu)建,得到各系統(tǒng)仿真模型;基于所構(gòu)建的模型,根據(jù)理論知識(shí)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,得到經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的組件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)模型;結(jié)合需求分析得到的產(chǎn)品功能指標(biāo),基于各系統(tǒng)模型對(duì)其進(jìn)行全數(shù)字仿真分析,以保證系統(tǒng)模型能夠滿足指標(biāo)要求。

3.3 自主執(zhí)行優(yōu)化

船舶裝卸系統(tǒng)自主執(zhí)行通常遵循以下流程:

(1)制定裝卸作業(yè)計(jì)劃,確定艙室在裝卸計(jì)劃各階段調(diào)載目標(biāo)。

(2)設(shè)置裝卸作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行確認(rèn)。

(3)基于貨油艙、壓載艙及相關(guān)裝卸設(shè)備關(guān)系表,自動(dòng)生成設(shè)備操作計(jì)劃。

(4)根據(jù)當(dāng)前艙室裝載及船舶狀態(tài)自動(dòng)校準(zhǔn)計(jì)劃實(shí)施情況,并評(píng)估距離階段目標(biāo)狀態(tài)剩余時(shí)間。

(5)在正確時(shí)間點(diǎn)下發(fā)各艙室階段調(diào)載目標(biāo)。

這種方式的優(yōu)勢(shì)如下:

(1)制定的計(jì)劃一定是被驗(yàn)證安全可靠的,實(shí)際操作過(guò)程中只需要監(jiān)測(cè)計(jì)劃執(zhí)行精度,而船舶本身的安全性通常被認(rèn)為是可靠的。

(2)執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生較大的設(shè)備操作調(diào)整,只要裝卸初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)沒(méi)有重大調(diào)整,計(jì)劃可完成程度有保證。

這種方式的劣勢(shì)如下:

(1)針對(duì)FPSO、挖泥船等裝卸作業(yè)執(zhí)行過(guò)程連續(xù),沒(méi)有明顯初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的裝卸過(guò)程,自主裝卸的計(jì)劃無(wú)法生成。

(2)執(zhí)行過(guò)程中如果船體、艙室、設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常,應(yīng)急響應(yīng)能力較弱。

應(yīng)對(duì)這些情況,可考慮采用自主尋跡的方式。根據(jù)當(dāng)前船舶、艙室、設(shè)備狀態(tài),實(shí)時(shí)生成未來(lái)一段時(shí)間的液艙裝卸計(jì)劃,并根據(jù)反饋的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)優(yōu)化裝卸流程和操作計(jì)劃。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶液艙裝卸過(guò)程具有影響因素多、貨物對(duì)環(huán)境狀態(tài)敏感等特點(diǎn)。裝卸作業(yè)環(huán)境條件、輸轉(zhuǎn)液體密度、參與裝卸艙室的選取、船舶總體靜水性能等,都會(huì)對(duì)裝卸的效率及安全性產(chǎn)生深刻的影響。本研究基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的功能要素,提出了智能化、自動(dòng)化大背景下船舶艙室裝卸系統(tǒng)的建立思路。通過(guò)船舶裝卸系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、設(shè)備技術(shù)條件和自主決策方案的使用現(xiàn)狀,提出了船舶液艙裝卸系統(tǒng)的優(yōu)化方向,在確保裝卸過(guò)程安全可靠的基礎(chǔ)上,為有效提升裝卸過(guò)程的執(zhí)行效率和自主程度,進(jìn)而提升船舶貨物管理智能化水平提供了新思路。