船舶智能縱傾控制系統(tǒng)

王緒明， 劉維勤， 吳 昊， 宋學(xué)敏

(武漢理工大學(xué) a.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心；b.高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063)

隨著第四次工業(yè)革命的到來(lái)，船舶設(shè)備的智能化是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)，而逐步實(shí)現(xiàn)船載設(shè)備系統(tǒng)的智能化則是當(dāng)前的重要工作，將綠色節(jié)能與人工智能相結(jié)合更是船舶技術(shù)的重要發(fā)展方向。大型貨運(yùn)船舶在最佳縱傾角下航行是實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能技術(shù)的重要方法。貨運(yùn)船舶在一定排水量下，若改變裝載狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生縱傾變化，則船體水線長(zhǎng)度、船體水下幾何形狀、浮心位置、浸水面積、進(jìn)水角、去流角及船型的方型系數(shù)和水線面系數(shù)等都將發(fā)生變化。這些變化必然會(huì)導(dǎo)致興波阻力、摩擦阻力及黏壓阻力等各阻力成分的改變，致使船舶總阻力發(fā)生變化。在排水量和航速一定的情況下，必定存在著一個(gè)最佳的縱傾角度，在該縱傾狀態(tài)下航行時(shí)船舶的阻力最小，其消耗的主機(jī)功率也最少。

近年來(lái)世界能源供應(yīng)緊張,節(jié)能已引起人們的高度重視，船舶最佳縱傾節(jié)能是改善船舶航行性能、降低燃油消耗的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。美國(guó)國(guó)家能源委員會(huì)將該技術(shù)列為十大節(jié)能措施之一。瑞典一家航運(yùn)公司對(duì)175艘不同種類(lèi)的營(yíng)運(yùn)船舶采用最佳縱傾航行。法國(guó)、日本、丹麥、德國(guó)等國(guó)家也在積極研發(fā)應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，我國(guó)將該技術(shù)列為交通部“七·五”期間船舶節(jié)能的示范項(xiàng)目。邵勇[1]研究船舶縱傾優(yōu)化方法及實(shí)施方案，提出船舶與岸基相配合實(shí)現(xiàn)船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能的重要性和對(duì)策，其研究結(jié)果表明，船岸雙方共同實(shí)現(xiàn)船舶最佳縱傾，每年可節(jié)省1%～2%的燃油消耗。童駿等[3]運(yùn)用CFX和FLUENT等商業(yè)軟件計(jì)算液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas, LPG)船的阻力數(shù)值,用船模試驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證，找到比較合理的數(shù)值計(jì)算方法,再對(duì)LPG船不同吃水、不同速度、不同縱傾下的阻力進(jìn)行數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算，其結(jié)果表明，排除水深的影響，LPG船舶在不改變船舶航速、載重量的前提下可通過(guò)縱傾調(diào)節(jié)來(lái)減少船舶阻力。邱斌彬[3]以中海集運(yùn)為例，研究不斷優(yōu)化船隊(duì)結(jié)構(gòu)，積極使用船舶節(jié)能新技術(shù)，提升燃油效率和減少排放，在業(yè)內(nèi)率先運(yùn)用船舶縱傾優(yōu)化技術(shù)，經(jīng)過(guò)理論論證、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真模擬、水池試驗(yàn)、實(shí)船試航等過(guò)程，并在實(shí)際運(yùn)用中取得了可喜的節(jié)能效果。林洪波等[4]給出船舶試用最佳縱傾航行的實(shí)例。杜建軍[5]給出的最佳縱傾數(shù)值來(lái)自配載軟件中的縱傾優(yōu)化節(jié)能模塊，可最大發(fā)揮其節(jié)油功效。劉伊凡等[6]通過(guò)FLUENT數(shù)值計(jì)算和SIMULINK建模仿真的方法，建立船舶的CFD計(jì)算模型，確定轉(zhuǎn)速-航速-船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)(Energy Effciency Operation Index, EEOI)間對(duì)應(yīng)關(guān)系的船舶能效準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)仿真模型，進(jìn)而分析在不同工況下縱傾變化對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)能效的影響。張晶等[7]采用CFD方法計(jì)算得到一艘46 000 t油船在不同航速下的阻力變化規(guī)律，但未進(jìn)行控制系統(tǒng)的研究。綜上所述,最佳縱傾節(jié)能的效果是相當(dāng)可觀的。航運(yùn)工程界已普遍認(rèn)識(shí)到船舶縱傾對(duì)船舶能耗有著重要的影響，但至今未研發(fā)出一套能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)至最佳縱傾角的縱傾控制系統(tǒng)。

大型船舶具有尺度大、設(shè)備多、系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)，智能化是實(shí)現(xiàn)無(wú)人化的重要過(guò)渡階段，通過(guò)采用具有智能化控制的船載設(shè)備系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)少人化、無(wú)人化。船舶智能縱傾系統(tǒng)是載重船舶重要的控制系統(tǒng)之一，本文研發(fā)一套船舶智能縱傾控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)載重船舶在任意裝載條件下至最佳縱傾角的調(diào)節(jié)。船舶智能縱傾控制系統(tǒng)是綠色船舶技術(shù)和智能船舶控制技術(shù)的重要融合，是智能貨物運(yùn)輸船舶的重要智能控制技術(shù)。中國(guó)船級(jí)社《智能船舶規(guī)范(2015)》明確提出基于縱傾優(yōu)化的最佳配載問(wèn)題[8]。本系統(tǒng)正是為了實(shí)現(xiàn)船舶縱傾優(yōu)化角度而開(kāi)發(fā)的智能控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的調(diào)整船舶縱傾方法通過(guò)人工手動(dòng)操作控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)船體當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)人工移動(dòng)貨艙內(nèi)貨物或調(diào)整前后壓載水艙水量，或是手動(dòng)操作控制設(shè)備來(lái)調(diào)整船舶縱傾角度。因此船舶營(yíng)運(yùn)前的配載過(guò)程往往需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，導(dǎo)致成本高，準(zhǔn)確度低且時(shí)效性差。本文自主設(shè)計(jì)一套船舶縱傾智能控制系統(tǒng)，使用機(jī)器和程序代替人工控制船舶智能地找到最佳縱傾角度，不僅可降低配載過(guò)程的時(shí)間成本和人力成本，提高傾角調(diào)整的準(zhǔn)確性，而且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控,甚至在航行過(guò)程中，避免人員和貨物的移動(dòng)等不確定因素引起縱傾變化，始終保持船舶處于最佳縱傾航行狀態(tài)。

1 船舶縱傾自動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)路徑

本系統(tǒng)對(duì)傾角的調(diào)節(jié)方式是通過(guò)調(diào)節(jié)前后壓載水艙的水量，從而調(diào)節(jié)船舶的縱傾角，即船舶艏傾由前水艙向后水艙抽水，艉傾則由后水艙向前水艙抽水,見(jiàn)圖1。調(diào)節(jié)方式是改變船舶的配載情況來(lái)調(diào)節(jié)縱傾角，而將這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能化控制正是研究的重點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)傾角感知模塊、傾角分析模塊、控制執(zhí)行模塊等3個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制船舶縱傾。

1) 傾角感知模塊用以實(shí)時(shí)測(cè)量船舶縱傾，由無(wú)線傾角儀、傾角儀接收器和傾角儀配套軟件組成?？v傾調(diào)節(jié)設(shè)備原理示意如圖1。傾角儀將傾角信息無(wú)線發(fā)送至傾角儀接收器，而接收器則與計(jì)算機(jī)有線相連，進(jìn)而將接收的傾角信息保存至計(jì)算機(jī)，完成傾角的實(shí)時(shí)采集。傾角信息將被下一模塊采集用于判斷船舶當(dāng)前姿態(tài)。

2) 傾角分析模塊由本項(xiàng)目獨(dú)立設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成，也是實(shí)現(xiàn)船舶縱傾智能控制的主體。其包括比例積分-微分(Proportion Integral Derivative, PID)控制器和基于MATLAB平臺(tái)編寫(xiě)的縱傾自動(dòng)控制分析軟件。

3) 控制執(zhí)行模塊是根據(jù)分析得到的調(diào)節(jié)方法，執(zhí)行命令實(shí)現(xiàn)傾角調(diào)節(jié)的模塊。PID無(wú)線控制盒將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給水泵調(diào)速器，水泵調(diào)速器根據(jù)接收到的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)水泵開(kāi)始工作，調(diào)節(jié)前后壓載水艙水量，最終完成船舶縱傾的調(diào)節(jié)。水泵調(diào)速器根據(jù)用戶(hù)在軟件中輸入的水泵流速級(jí)數(shù)的不同，控制水泵流速，實(shí)現(xiàn)水泵流速的可控。

2 基于PID控制的船舶縱傾控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用PID控制算法來(lái)進(jìn)行縱傾系統(tǒng)的智能控制，所采用的PID控制器是一種線性控制器?？刂破魍ㄟ^(guò)上一模塊接收到的船舶傾角信息，判斷當(dāng)前船舶姿態(tài)，同時(shí)根據(jù)軟件中用戶(hù)輸入的指定角度及允許誤差，得出調(diào)節(jié)方法。程序流程見(jiàn)圖2。對(duì)船舶當(dāng)前姿態(tài)的判斷以及對(duì)調(diào)節(jié)方法分以下3種情況：

1) 當(dāng)船舶的實(shí)時(shí)縱傾傾角α>給定傾角θ時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)后水泵工作，后水泵將前壓載水艙中的水抽到后壓載水艙中。在后水泵工作時(shí)，傾角儀繼續(xù)測(cè)量船舶的實(shí)時(shí)縱傾傾角α，當(dāng)允許誤差ER>|α-θ|時(shí)，控制器控制后水泵停止工作。

2) 當(dāng)船舶的實(shí)時(shí)縱傾傾角α<給定傾角θ時(shí)，電腦通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)前水泵工作，前水泵將后壓載水艙中的水抽到前壓載水艙中。在前水泵工作時(shí)，傾角儀繼續(xù)測(cè)量船舶的實(shí)時(shí)縱傾傾角α，當(dāng)允許誤差ER>|α-θ|時(shí)，控制器控制前水泵停止工作。

3) 當(dāng)允許誤差ER>|α-θ|時(shí)，控制器控制前水泵和后水泵均不工作。

3 船體功能演示模型的設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行模型功能試驗(yàn)驗(yàn)證本系統(tǒng)是否可以實(shí)現(xiàn)船舶縱傾的智能控制，設(shè)計(jì)并制作用于執(zhí)行本控制系統(tǒng)的船模。由于模型尺度相對(duì)較小，在保證橫穩(wěn)性以及一定縱傾角度的情況下，采用肥大型貨船作為母船進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)出符合試驗(yàn)要求的船型?？紤]到試驗(yàn)水池的約束和功能要求，模型船與母型船的主尺度并非完全等比例縮尺，模型船和母型船的詳細(xì)主尺度見(jiàn)表1。模型最終通過(guò)3D打印的方式完成制作。模型船的設(shè)計(jì)圖如圖1所示。為了保證壓載水艙和設(shè)備的布置有足夠的空間，模型只分為3個(gè)艙室。模型中由于需要安裝蓄電池、開(kāi)關(guān)、無(wú)線傾角儀等不防水設(shè)備，故將中間艙設(shè)計(jì)為設(shè)備艙，除水泵外的設(shè)備均置于中間設(shè)備艙中。艏艉設(shè)計(jì)為水艙，艏艉水艙用水管相連，水泵置于水艙之中。各艙內(nèi)的設(shè)備布置見(jiàn)圖3。

表1 模型船與母型船的主尺度

控制盒有3個(gè)接口和一個(gè)工作指示燈，接口分別與開(kāi)關(guān)、前后水泵的調(diào)速器相連。開(kāi)關(guān)與蓄電池、控制盒、前后水泵調(diào)速器相連，需要手動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉。前后水泵僅與對(duì)應(yīng)調(diào)速器相連。

4 模型功能試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性，本項(xiàng)目組進(jìn)行模型功能試驗(yàn)。試驗(yàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄模型縱傾角隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)并繪制圖像，觀察分析不同工況下系統(tǒng)的運(yùn)行情況，完成對(duì)其功能的檢測(cè)。試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用有用于約束試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮跈M向不發(fā)生偏移的工裝，使用2個(gè)1 kg砝碼模擬施加外在縱傾載荷。

根據(jù)模型的基本數(shù)據(jù)計(jì)算得到模型的最大縱傾角為正負(fù)10°。擬設(shè)計(jì)5組具有代表性的工況測(cè)試本系統(tǒng)是否可以在外力載荷的作用下實(shí)現(xiàn)船舶縱傾的智能控制。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)5個(gè)試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。工況1初始模型水平，施加砝碼若干個(gè)的外力干擾；工況2由艏傾調(diào)節(jié)至艉傾穩(wěn)定后，施加外力干擾；工況3由艉傾調(diào)節(jié)至水平穩(wěn)定后，施加外力干擾；工況4由艏傾調(diào)節(jié)至艉傾過(guò)程中，施加外力干擾；工況5由艉傾調(diào)節(jié)至艏傾過(guò)程中，施加外力干擾。

表2 功能演示試驗(yàn)的設(shè)計(jì)工況 (°)

5 模型功能試驗(yàn)結(jié)果分析

執(zhí)行5個(gè)工況下的演示試驗(yàn),見(jiàn)圖4和圖5。圖4反映了5個(gè)工況下的時(shí)域船體傾角曲線。圖5展示了工況1的模型測(cè)試狀態(tài)。從圖4a)可知工況1的T1至T2時(shí)刻未施加干擾，模型縱傾角保持穩(wěn)定不變。T2時(shí)刻在艉部放置1個(gè)1 kg的砝碼，縱傾角突然增大，系統(tǒng)立即開(kāi)始調(diào)節(jié)縱傾。T4時(shí)刻系統(tǒng)調(diào)節(jié)縱傾角回到0°，T4至T5時(shí)刻由于船體存在縱搖，縱傾角處于波動(dòng)狀態(tài)。這段時(shí)間系統(tǒng)持續(xù)雙向調(diào)整模型縱傾不超出允許誤差范圍，并逐漸趨于穩(wěn)定。T5時(shí)刻將放置在模型船尾甲板的砝碼移除，縱傾角突然減小，系統(tǒng)再次開(kāi)始調(diào)節(jié)縱傾。T6時(shí)刻系統(tǒng)調(diào)節(jié)縱傾角回到0°。從圖4b)～圖4e)可知:工況2至工況5的傾斜控制情況表明，本系統(tǒng)可執(zhí)行模型由艏傾調(diào)節(jié)至艉傾穩(wěn)定后受到外力干擾情況下的縱傾智能控制、模型由艉傾調(diào)節(jié)至水平穩(wěn)定后受到外力干擾情況下的縱傾智能控制、模型由艏傾調(diào)節(jié)至艉傾過(guò)程中受到外力干擾情況下的縱傾智能控制、模型由艉傾調(diào)節(jié)至艏傾過(guò)程中受到外力干擾情況下的縱傾智能控制。從功能演示試驗(yàn)來(lái)看，模型試驗(yàn)的單個(gè)縱傾調(diào)節(jié)時(shí)間約為45 s，調(diào)節(jié)時(shí)間恰當(dāng)。將來(lái)本系統(tǒng)有望裝配實(shí)船時(shí)，可通過(guò)選配大功率的水泵和改善控制時(shí)間來(lái)獲得較佳的實(shí)船縱傾控制時(shí)間。

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究研發(fā)了一套船舶最佳縱傾的智能控制系統(tǒng)，使用PID控制方法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶最佳縱傾角的智能控制，設(shè)計(jì)一個(gè)功能演示試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。研究結(jié)果表明，通過(guò)船舶智能縱傾控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定船舶最佳縱傾角的智能控制。本系統(tǒng)有望裝備于實(shí)船，可進(jìn)一步提高船舶的智能化程度，起到綠色節(jié)能的作用。