基于穩(wěn)性實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)的船舶破損智能扶正系統(tǒng)研究

劉朕明 嚴(yán)一超 林嘉昊 姜廣煜

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

船舶在運(yùn)營(yíng)過程中存在觸礁、碰撞等破損事故的風(fēng)險(xiǎn)，而且由于事故的突發(fā)性往往使事態(tài)迅速惡化并造成巨大損失和人員傷亡。所以如何讓決策者及時(shí)了解和掌握船舶的基本狀況，并迅速制定出正確有效的扶正方案來恢復(fù)船舶的穩(wěn)性和姿態(tài)將直接影響破損事故最終結(jié)果。但在實(shí)際決策過程中，需要耗費(fèi)大量時(shí)間查閱繁雜的圖表資料和各類相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，難以迅速地掌握實(shí)時(shí)狀態(tài)。此外，利用裝載手冊(cè)、破艙穩(wěn)性計(jì)算書之類的圖表文件也只能進(jìn)行單艙或典型艙組的進(jìn)水計(jì)算，這將使決策者無法準(zhǔn)確地分析船舶的破艙穩(wěn)性和平衡浮態(tài)，從而影響制定扶正方案等相關(guān)決策的有效性，導(dǎo)致船舶損害進(jìn)一步加劇甚至沉沒。

NUCAS系統(tǒng)是依托中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院自主開發(fā)的擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船舶初步設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自頂向下面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)技術(shù)，船舶穩(wěn)性實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，能滿足各大船級(jí)社對(duì)普通船型的總體性能分析計(jì)算精度要求。

船舶破損智能扶正系統(tǒng)以NUCAS系統(tǒng)中的船舶穩(wěn)性實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，研究設(shè)計(jì)船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法和船舶破損智能扶正方案生成算法，旨在通過以船舶液位遙測(cè)系統(tǒng)和進(jìn)水報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為主要輸入，根據(jù)船舶的三維數(shù)字化模型通過系統(tǒng)的核心算法分析計(jì)算船舶的大傾角穩(wěn)性、剪力彎矩、破艙穩(wěn)性和平衡浮態(tài)，并能提供一套包含壓載水調(diào)撥措施與步驟建議的智能扶正方案，提高船舶破損事故的處理能力。

1 系統(tǒng)原理

由于船舶破損事故的突發(fā)性，船舶破損智能扶正系統(tǒng)在日常航運(yùn)時(shí)就需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液位遙測(cè)數(shù)據(jù)和進(jìn)水報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)液艙的液位狀態(tài)通過船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法分析計(jì)算船舶穩(wěn)性狀態(tài)、剪力彎矩狀態(tài)和靜水力特性，然后依據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求校核分析結(jié)果對(duì)不符合要求的項(xiàng)目予以聲光報(bào)警。

當(dāng)監(jiān)測(cè)到進(jìn)水報(bào)警信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)通訊協(xié)議判斷破損艙室名稱，自動(dòng)建立破損艙室組合，并應(yīng)用船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法分析計(jì)算破艙穩(wěn)性和平衡浮態(tài)；然后，系統(tǒng)自動(dòng)加載扶正方案智能生成模塊，運(yùn)用船舶破損智能扶正方案生成算法快速搜索出較合理的壓載水艙調(diào)撥方案，并根據(jù)搜索出的最優(yōu)方案形成實(shí)施步驟建議，指導(dǎo)船員對(duì)扶正方案的操作流程。［1］

圖1為船舶破損智能扶正系統(tǒng)的作業(yè)流原理圖。整個(gè)系統(tǒng)以液位遙測(cè)數(shù)據(jù)和進(jìn)水報(bào)警信號(hào)作為主要輸入，經(jīng)過應(yīng)用NUCAS系統(tǒng)中船舶穩(wěn)性實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)的船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算分析模塊輸出船舶裝載匯總、平衡姿態(tài)、實(shí)時(shí)穩(wěn)性狀態(tài)、剪力彎矩狀態(tài)和規(guī)范校核結(jié)果，再通過加載融合遺傳算法的扶正方案智能生成模塊輸出一套包含壓載水調(diào)撥措施與步驟建議的智能扶正方案，最終通過電子文檔報(bào)告和局域網(wǎng)發(fā)布等輸出形式將船舶裝載情況、船舶平衡姿態(tài)、實(shí)時(shí)穩(wěn)性狀態(tài)、剪力彎矩狀態(tài)、規(guī)范校核結(jié)果和扶正方案迅速傳遞給相關(guān)船員［2］。

圖1 系統(tǒng)作業(yè)原理圖

2 核心算法研究

2.1 船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法

船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法需要船舶三維數(shù)字化模型作為支撐，運(yùn)用數(shù)值積分方法準(zhǔn)確地計(jì)算出水線面以下的船體體積和體心，即浮心和浮力。然后將重力重心和浮力浮心迭代平衡公式至滿足精度要求，迭代流程圖見下頁(yè)圖2。

對(duì)于船舶橫傾狀態(tài)的分析計(jì)算則通過計(jì)算船舶各種假定橫傾角下的復(fù)原力臂值，并繪制成靜穩(wěn)性曲線，即可求得復(fù)原力臂值為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的橫傾角，也就是船舶平衡狀態(tài)下的橫傾角。

圖2 船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法迭代流程圖

由于在整個(gè)迭代流程中存在多重循環(huán)嵌套，所以準(zhǔn)確且快速地計(jì)算出水線面以下的船體體積和體心是關(guān)鍵，而船體體積和體心的求解過程可以轉(zhuǎn)換為沿船長(zhǎng)方向?qū)γ總€(gè)橫剖面面積和面心的縱向積分。因此，橫剖面的面積和面心求解速度和精度直接影響整個(gè)算法的快速性和準(zhǔn)確性。

為在確保計(jì)算精度的條件下提高運(yùn)算速度，需要研究設(shè)計(jì)一種計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，要求不僅能記錄存儲(chǔ)經(jīng)過B樣條加密處理的橫剖面邊界點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，還能關(guān)聯(lián)該點(diǎn)沿橫剖面外輪廓線對(duì)X軸面積積分和面心積分的數(shù)值結(jié)果，在計(jì)算橫剖面面積時(shí)，運(yùn)用S=S梯形ABCD-SADOE-SBCOE快速求出總面積（式中SADOE和SBCOE即為在A點(diǎn)和B點(diǎn)所生成的計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型中所關(guān)聯(lián)的面積值）（見圖3），從而避免重復(fù)計(jì)算提高算法效率，面心求法也類似。

圖3 面積算法示意圖

2.2 扶正方案智能生成算法

扶正方案智能生成算法根據(jù)船舶的實(shí)時(shí)裝載和破損情況，對(duì)若干壓載水艙注入水或排出水，改善船舶的平衡浮態(tài)和破艙穩(wěn)性。由于遺傳算法具有不依賴梯度信息，有良好的并行性和全局優(yōu)化性能，是解決非線性復(fù)雜實(shí)際問題的方法，因此扶正方案智能生成算法以遺傳算法原理為基礎(chǔ)，采用染色體編碼的方式，快速搜索出全局最優(yōu)解［3-5］。

（1）設(shè)計(jì)變量

X= ［x1，x2，…，xn］T，其中xi為第i個(gè)壓載水艙，且每個(gè)壓載水艙的狀態(tài)可以分為：灌滿水、抽空水、不操作和已破損。

（2）目標(biāo)函數(shù)

（3）約束條件

xi= 不破損，因?yàn)橐呀?jīng)破損的壓載水艙不能成為扶正艙。

（4）染色體

vk= ［vk1，vk2，…，vkn］T。其中k= 1，2，…，m，vki∈{a，b，c}，式中vki為第i個(gè)未破損可被扶正的艙，n為染色體長(zhǎng)度（即一共有n個(gè)可被扶正的艙），m為染色體的總數(shù)稱為群體規(guī)模，a表示該壓載水艙被灌滿，b表示該壓載水艙被抽空，c表示對(duì)該壓載水艙不操作。

（5）適應(yīng)度函數(shù)［1］

圖4 扶正措施方案生成算法迭代流程圖

扶正方案智能生成算法根據(jù)得出的扶正措施方案快速分析每步操作對(duì)船舶穩(wěn)性、浮態(tài)以及剪力彎矩的影響，從而得出壓載艙操作步驟的順序并形成以船舶破損后平衡浮態(tài)與艙名排序相結(jié)合為內(nèi)容的扶正步驟建議［7］。

總之，船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法提供的船舶各種狀態(tài)下的吃水、浮態(tài)等分析結(jié)果為扶正方案智能生成算法奠定了基礎(chǔ)，而扶正方案智能生成算法又融合了遺傳算法，使其成為一套能夠完成船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法無法完成分析計(jì)算的核心算法。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶破損智能扶正系統(tǒng)的作業(yè)原理，系統(tǒng)的硬件設(shè)備組成框圖如圖5所示。

圖5 硬件設(shè)備組成框圖

通訊模塊主要負(fù)責(zé)接收液位遙測(cè)數(shù)據(jù)和進(jìn)水報(bào)警信號(hào)以及發(fā)送方案結(jié)果至局域網(wǎng)系統(tǒng)，專用計(jì)算機(jī)則通過安裝船舶破損智能扶正系統(tǒng)軟件來處理通訊模塊接收到的數(shù)據(jù)，并能輸出打印文檔報(bào)告以及向局域網(wǎng)系統(tǒng)輸出方案結(jié)果信息。

專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件主要通過實(shí)現(xiàn)船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法和扶正方案智能生成算法這兩項(xiàng)核心算法來支撐整個(gè)船舶破損智能扶正系統(tǒng)的核心計(jì)算分析功能。其中：通過對(duì)船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法軟件開發(fā)編制船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算分析模塊，使系統(tǒng)能完成船舶浮態(tài)、穩(wěn)性、強(qiáng)度等分析計(jì)算功能；通過對(duì)扶正方案智能生成算法軟件開發(fā)編制扶正方案智能生成模塊，使系統(tǒng)能完成扶正方案智能生成功能。軟件運(yùn)行界面如下頁(yè)圖6所示。軟件模塊組成框圖如下頁(yè)圖7所示。

圖6 軟件運(yùn)行界面

圖7 軟件模塊組成框圖

（1）通訊數(shù)據(jù)處理模塊：根據(jù)通訊協(xié)議將液位遙測(cè)數(shù)據(jù)和進(jìn)水報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（2）人機(jī)交互輸入模塊：提供友好的表格輸入界面用于修改海水密度、液艙密度、固定質(zhì)量、其他質(zhì)量等船用監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)未涉及的數(shù)據(jù)信息。

（3）船舶三維數(shù)字化模型數(shù)據(jù)庫(kù)：通過NUCAS系統(tǒng)中復(fù)合建模技術(shù)建立船舶的數(shù)字化模型，并存儲(chǔ)為只讀的模型數(shù)據(jù)庫(kù)形式，為船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

（4）船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算分析模塊：通過研究船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)三維模型數(shù)字化算法實(shí)現(xiàn)船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算分析功能。

（5）扶正方案智能生成模塊：采用扶正方案智能生成算法快速搜索出較優(yōu)的壓載水艙調(diào)撥方案，并根據(jù)調(diào)撥方案給出實(shí)施步驟建議。

（6）局域網(wǎng)信息發(fā)布模塊：將系統(tǒng)分析得出的方案與結(jié)果通過接口協(xié)議驅(qū)動(dòng)通訊接口設(shè)備輸出至局域網(wǎng)系統(tǒng)。

（7）方案結(jié)果報(bào)告輸出模塊：將系統(tǒng)分析得出的方案與結(jié)果以圖表結(jié)合的電子報(bào)告形式輸出，并能通過打印設(shè)備紙質(zhì)輸出。

4 結(jié) 論

船舶破損智能扶正系統(tǒng)通過研究應(yīng)用NUCAS系統(tǒng)中的船舶穩(wěn)性實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)，具備快速分析船舶穩(wěn)性實(shí)時(shí)狀態(tài)的能力；并融合遺傳算法，實(shí)現(xiàn)智能化生成包含壓載水調(diào)撥措施與步驟建議的扶正方案；從而滿足船員在突發(fā)破損事故時(shí)制定方案決策的實(shí)際要求，提高船舶破損事故的處理能力，具有顯著的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前，船舶破損智能扶正系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于多艘海監(jiān)船，運(yùn)行情況良好。

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