董逸帆, 田佰軍, 李嘉文

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院,遼寧 大連 116026)

0 引 言

在海上運輸過程中,船員承擔(dān)著確保安全裝貨、積載、系固、照管貨物和卸貨的職責(zé)?！逗T培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約》提出可以利用貨運模擬器開展相關(guān)培訓(xùn),使船員具備相應(yīng)的適任能力?！敦浳锓e載與系固安全操作規(guī)則》規(guī)定,貨物在裝船之前需制定好相關(guān)的積載與系固計劃,其中包括具體的積載要求與系固方案。在系固方案擬定好以后,需要對其進行核算,只有校核通過并保證貨物在運輸過程中不會發(fā)生橫移或傾覆現(xiàn)象,才能付諸實踐。第一,目前相關(guān)研究大多集中在系固方法的改進以及系固過程中的注意事項,而對方案的高效、直觀、準(zhǔn)確缺少研究。第二,目前國內(nèi)外的系固核算軟件研發(fā)均為單機版,維護與更新不易,并且無法傳輸數(shù)據(jù)。第三,系固核算軟件中核算的算法大多為根據(jù)規(guī)則進行查表或插值,計算精度不夠。如:李永旭[1]利用Unity編寫的單機版虛擬仿真系統(tǒng),只能在局域網(wǎng)中使用,開發(fā)者對系統(tǒng)的維護與更新不便,并且使用者設(shè)備的載荷較大。舒斯田[2]利用C#編程語言設(shè)計的自動評判系統(tǒng),只是以不同的視角查看物體,沒有做到真正的三維可視化,無法達到直觀、準(zhǔn)確的效果。朱明[3]利用C++開發(fā)的系固與校核模型系統(tǒng),對慣性加速度計算方法進行了分析,但系統(tǒng)使用的仍是查表插值方法,計算精度不夠?；谝陨?點,本文采用相關(guān)軟件對系統(tǒng)的功能與部署進行編輯,設(shè)計B/S架構(gòu)以方便傳輸數(shù)據(jù),優(yōu)化系固操作過程的可視化效果,提高系固核算的精度。

1 軟件設(shè)計總體思路

系統(tǒng)總體設(shè)計思路見圖1。軟件包含索具管理系統(tǒng)、系固操作系統(tǒng)、系固核算系統(tǒng)和核算結(jié)果輸出系統(tǒng)等4個子系統(tǒng)。通過Vue框架對頁面的布局和基本的交互進行編寫,用后端Java程序和MySQL數(shù)據(jù)庫對貨物管理系統(tǒng)進行編寫,用Blender軟件和Verge3D軟件對系固操作系統(tǒng)進行建模和編輯交互[4-5],最后將編寫完成的文件部署在云服務(wù)器中實現(xiàn)B/S架構(gòu)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路示意圖

2 軟件功能實現(xiàn)

2.1 登錄、注冊與角色認(rèn)證子系統(tǒng)

在注冊用戶時,對用戶的角色進行分類,具體分為船員、船公司、單位機構(gòu)、學(xué)生等,通過Spring Security框架對登錄的賬號密碼信息攜帶的角色進行區(qū)分,可以使不同角色跳轉(zhuǎn)到不同頁面,從而實現(xiàn)系統(tǒng)兼顧管理與使用[6]。針對不同的角色賦予相應(yīng)的操作權(quán)限,例如:對船公司和單位機構(gòu)賦予船舶建模和管理船員或?qū)W生的權(quán)限,對船員和學(xué)生賦予增加、刪除、修改索具參數(shù)和進行系固操作的權(quán)限。

2.2 索具庫管理系統(tǒng)

對索具庫的管理功能,通常可分為增加索具、刪除索具、修改索具參數(shù)、查看索具詳情等。使用者可以通過查閱本船的《貨物系固手冊》將其中的索具進行輸入,根據(jù)實際使用情況對索具的參數(shù)進行修改,通過索具庫主頁面對索具進行查看。

此功能主要是實現(xiàn)對索具庫的建立與管理,更符合實船航行中的實際情況,有利于船員快速查看本船的索具信息,也有利于船公司快速查看船舶的索具信息[7]。

2.3 系固操作系統(tǒng)

在此系統(tǒng)中,用戶通過可交互的三維仿真頁面設(shè)計具體的系固方案,具體的流程見圖2。此系統(tǒng)還呈現(xiàn)了如下功能:(1)實現(xiàn)了拖拽圖標(biāo)將模型添加到場景中,即通過拖拽系固點圖標(biāo)可以快速將系固點部署到場景中,達到快速、便捷部署系固點的效果。(2)實現(xiàn)了控制物體位置和角度的功能,使物體可以轉(zhuǎn)動,達到了讓使用者更加真實地了解系固操作過程的目的[8-9]。

圖2 貨物系固操作流程

2.4 系固核算系統(tǒng)

系固核算系統(tǒng)是對上述系固操作的數(shù)據(jù)化展示系統(tǒng)。使用者可以在系固核算系統(tǒng)中,查看系固操作過程中的具體數(shù)據(jù),進行一些更詳細(xì)的修改,并將系固的信息提交到后端,由后端對數(shù)據(jù)進行處理。

后端核算具體流程見圖3。圖3中:Vs為船舶的服務(wù)速度,kn;μ為貨物與船體之間的摩擦因數(shù);Cb為船舶的方形系數(shù);Xc為船中至計算點的縱向距離,朝船首為正,m;Zc為實際水線至計算點的垂直距離,向上為正,m;b為貨物重心至橫向翻倒軸的水平距離,m;hc為系固點相對于貨件底端的高度,m;Fp為系固設(shè)備的破斷強度,kN;(xA,yA,zA)和(xB,yB,zB)分別為系固點A的坐標(biāo)和地令B的坐標(biāo);δ為相應(yīng)的系數(shù)。

圖3 系固效果核算與評判流程

2.5 核算結(jié)果輸出系統(tǒng)

核算結(jié)果輸出系統(tǒng)是在核算之后用于展示給使用者的,便于使用者查閱此次系固方案的詳細(xì)數(shù)據(jù)。核算結(jié)果以表格的方式呈現(xiàn),包括船貨信息、計算過程中的信息、全船的各向加速度分布曲線等。全船的各向加速度分布曲線見圖4。使用者可以選擇將核算結(jié)果以PDF的格式進行打印,以便后續(xù)使用[10]。

圖4 全船各向加速度分布曲線

2.6 輔助工作系統(tǒng)

輔助工作系統(tǒng)是輔助使用者完成整個軟件操作過程的,包括坐標(biāo)系切換。由于需要顯示貨物、系固點等相對于船舶的空間位置,所以全船使用以艉垂線與基線的交點為坐標(biāo)原點的船舶坐標(biāo)系。然而,對系固點和地令的空間位置使用以艉垂線與基線的交點作為坐標(biāo)原點的船舶坐標(biāo)系不符合實際,故通過輔助工作系統(tǒng)使系固核算系統(tǒng)中顯示的數(shù)據(jù)切換為以貨物中心為坐標(biāo)原點的坐標(biāo)系[11]。

3 軟件技術(shù)介紹

3.1 架構(gòu)技術(shù)

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)。利用B/S架構(gòu)無須安裝定制客戶端,可解決遠(yuǎn)洋船舶設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)不便以及軟件更新維護困難等問題。用戶只要擁有一臺能夠接入Internet的計算機,就能夠?qū)⑵渥鳛楸鞠到y(tǒng)的客戶端,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控貨物系固狀態(tài)的目的[12-13]。

本系統(tǒng)的后端服務(wù)器通過Java編程語言,采用SpringBoot技術(shù),對系統(tǒng)頁面的跳轉(zhuǎn)及所有的請求進行應(yīng)答,同時還將部分需要儲存的數(shù)據(jù)納入MySQL數(shù)據(jù)庫中。在開發(fā)后端服務(wù)器的過程中,通過Swagger2組件自動生成請求接口文檔,達到前后端分離的目的,提高開發(fā)速度。采用JPA框架對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行管理操作。

前端開發(fā)采用的是Vue框架,通過數(shù)據(jù)驅(qū)動和組件化開發(fā)達到數(shù)據(jù)綁定的目的。通過Axios技術(shù)實現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器之間的通信交流,完成數(shù)據(jù)交換操作[14]。

3.2 模型部署與交互技術(shù)

本系統(tǒng)參考3萬噸級多功能雜貨船建立船舶模型,模擬系固操作過程中的作業(yè)平臺,用戶可在系統(tǒng)頁面通過動態(tài)修改模型的形態(tài)鍵來改變船舶參數(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)的高適用性目標(biāo)。通用平臺可以拓展系統(tǒng)的使用范圍,不同的船舶也可以通過本系統(tǒng)完成系固作業(yè)。可交互的三維仿真系統(tǒng)具有顯示直觀、沉浸感強的特點,能精確地模擬出物體的細(xì)節(jié)從而讓使用者更加準(zhǔn)確、直觀地理解系固操作過程,符合當(dāng)前虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)及三維演示軟件的發(fā)展趨勢[15]。系固操作可視化效果見圖5。

圖5 系固操作可視化效果

3.3 系固核算模型建立

以往的系統(tǒng)采用在《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》中查閱表格的方式進行系固核算,雖然方便船員使用,但系固核算結(jié)果與實際數(shù)值有著不小的出入。本系統(tǒng)為增加核算結(jié)果的精度,采用《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》2021附則13中提出的替代模型進行計算,可以減少實船使用時的誤差,避免過度綁扎。系固核算有經(jīng)驗核算法、改進核算法、替代核算法[16]等3種方法。因?qū)?shù)據(jù)精度有著一定要求,本系統(tǒng)使用替代核算法進行計算。以下對系固核算進行詳細(xì)說明。

3.3.1 貨物系固效果的評價標(biāo)準(zhǔn)

積載于艙內(nèi)或甲板上的貨件,應(yīng)予以適當(dāng)系固以防止貨物滑動、翻倒及上跳。在通常的運輸條件下,由于貨件自重較大,垂向力方向總是向下,故一般不會產(chǎn)生上跳現(xiàn)象,在此不予考慮。貨件滑動及翻倒表現(xiàn)在橫向和縱向兩個方向上,在大多數(shù)情況下其縱向翻倒的可能性較小[2]。依據(jù)貨物受力方向,系固效果的評價標(biāo)準(zhǔn)表示為

(1)

式中:Fy和Fx分別為作用于貨件上的橫向外力和縱向外力,kN;FN,y和FN,x分別為阻止貨件移動的橫向約束力和縱向約束力,kN;My為貨件橫向傾覆力矩,kN·m;MN,y為阻止貨件橫向傾覆的約束力矩,kN·m。

3.3.2 作用于貨件上的外力

當(dāng)船舶在海上航行時,作用于貨件上的外力包括慣性力、風(fēng)壓力和波濺力[17]?！敦浳锓e載與系固安全操作規(guī)則》2021附則13給出在設(shè)定的惡劣天氣、海況和船舶不利條件下貨物單元所受縱向外力、橫向外力、垂向外力和橫向傾覆力矩的計算公式:

式中:ax、ay和az分別為縱向、橫向和垂向加速度,m/s2;Fw,x和Fw,y分別為縱向、橫向風(fēng)壓力,kN;Fs,x和Fs,y分別為由海浪晃動引起的縱向、橫向力,kN;Fz為作用于貨件上的垂向外力,kN;lz為貨物橫向傾覆力臂,m;m為貨物質(zhì)量,t。

貨物的縱向、橫向和垂向加速度[18]的計算式為

式中:ax0、ay0和az0分別為基本縱向、橫向和垂向加速度修正系數(shù);c1為航區(qū)修正系數(shù);c2為季節(jié)修正系數(shù);c3為25個航行日的修正系數(shù);g為重力加速度。在《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》2021附則3中,c1全球取1.0,c2整年取1.0,c3取0.74,g取9.81 m/s2。

3.3.3 作用于貨件上的約束力

作用于貨件上的約束力和約束力矩指的是橫向約束力、縱向約束力和阻止貨件橫向傾覆的約束力矩,具體計算公式如下:

式中:fx,i(i=1,2,…,n)為μ和水平綁扎角β的函數(shù);fy,i(i=1,2,…,n)為μ和垂向綁扎角α的函數(shù);fz為垂向力的修正系數(shù);ci(i=1,2,…,n)為綁扎力臂長,m;Fc,i(i=1,2,…,n)為綁扎裝置的計算強度,kN。

系統(tǒng)會自動判定用戶所使用的連接設(shè)備種類。當(dāng)用戶選擇的連接設(shè)備為“鋼絲繩”時,綁扎裝置的計算強度由下式確定:

Fc=min{Fc,T,Fc,H,Fc,D}

式中:Fc,T為花籃螺絲的計算強度,kN;Fc,H為鋼絲繩的計算強度,kN;Fc,D為地令的計算強度,kN。當(dāng)用戶選擇的連接設(shè)備為“鋼鏈”時,綁扎裝置的計算強度由下式確定:

Fc=min{Fc,L,Fc,I,Fc,D}

式中:Fc,I為鋼鏈的計算強度,kN;Fc,L為緊鏈器的計算強度,kN。

3.3.4 系索角度

在系固操作系統(tǒng)中,使用者根據(jù)自身需要選取任意的系固方案。在方案確定好之后,系統(tǒng)會將系固點A、地令B的坐標(biāo)(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB)傳遞給系固核算系統(tǒng),并將垂向綁扎角α和水平綁扎角β顯示在核算結(jié)果輸出系統(tǒng)。垂向綁扎角α和水平綁扎角β由下式確定:

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試實例

4.1.1 初始參數(shù)設(shè)置

選取3萬噸級多功能雜貨船實船運輸常規(guī)非標(biāo)準(zhǔn)貨物單元為例。該船部分參數(shù)見表1,貨物部分參數(shù)見表2。用戶可以將船貨參數(shù)輸入到船舶與貨物管理界面,在使用時系統(tǒng)將自動調(diào)取數(shù)據(jù)。

表1 船舶參數(shù)

表2 貨物參數(shù)

4.1.2 系固方案設(shè)計

系統(tǒng)自動讀取貨物位置數(shù)據(jù),將貨物置于指定位置。本例選取的系固設(shè)備見表3。具體的系固方案見圖6。

表3 系固設(shè)備與計算強度

圖6 系固方案俯視圖

4.1.3 系固方案核算

通過系固核算系統(tǒng)可以將上述系固的數(shù)據(jù)進行核算,計算結(jié)果通過核算結(jié)果輸出系統(tǒng)進行展示,見表4。

表4 系固核算

將表中數(shù)據(jù)代入式(1),可以得出該系固方案是安全可行的。上文采用的系固核算模型針對具體情況有著更多的修正系數(shù),適用性更高,精度更高,同時保證了航行過程中貨物系固的安全性。

4.2 顯示效果

系統(tǒng)測試效果見圖7。從實驗效果看:系統(tǒng)可以直觀地顯示系固點和地令相對于貨物的位置,同時對貨物與船舶的比例大小以及貨物在船上的位置有著更加具體的顯示,證明該系統(tǒng)具有良好的可視化效果[19-20]。

圖7 系統(tǒng)測試顯示效果

5 結(jié) 論

針對目前大多數(shù)貨物單元系固軟件難以維護與更新且圖形顯示較為抽象的問題,開發(fā)出一套用于非標(biāo)準(zhǔn)貨物單元系固的軟件。本軟件實現(xiàn)的目標(biāo)有3個:第一,通過B/S架構(gòu)實現(xiàn)公司或機構(gòu)與船舶實時遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享功能,實現(xiàn)實時監(jiān)控管理的功能。第二,通過Blender和Verge3D對系固操作過程可視化進行優(yōu)化,使系統(tǒng)更加逼真,讓使用者更加直觀、清晰地感受系固操作過程。第三,系統(tǒng)使用的系固核算模型是參考《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》2021附則13所提出的替代模型,計算精度更高,核算結(jié)果與實際數(shù)值更接近。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)具有良好的可視化效果。