海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)設計

張超群，李榮宗

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

0 引 言

隨著鎳礦運輸船傾覆事故逐漸增多，航運業(yè)和造船業(yè)對易流態(tài)化固體散裝貨物運輸船的安全性越來越重視，國家層面推出了港口安全監(jiān)督管理規(guī)定，各地港口海事局加強了對運輸前易流態(tài)化固體散裝貨物含水率的檢測[1-4]。儲凡[5]提出通過無線傳感網(wǎng)絡操作系統(tǒng)TinyOS實時監(jiān)測散貨船上鎳礦的狀態(tài)，并在實驗室用土壤濕度傳感器對紅土鎳礦進行分析，采集其含水量數(shù)據(jù)。吳建軍等[6]對貨物運輸過程中的風險管理進行研究，在攬貨、驗貨、監(jiān)裝、開航、航行照看和卸貨等環(huán)節(jié)加強風險辨識，通過風險評估衡量各環(huán)節(jié)的風險度，通過建立風險衡準進行風險決策，對運輸過程中的風險進行實時預報。張向輝[7]對國外干散貨船的改裝情況進行介紹，指出某些改裝能使船上的貨物即使發(fā)生液化也能滿足安全運輸?shù)囊?，但要在保持原有最大載重和靈活度不變的前提下改裝船舶，需耗費大量資源。在運輸貨物之前檢測其含水率不超過適運水分極限值(TML)的方法易受雨水或其他因素的影響，加上船舶航行過程中的海況不確定，僅根據(jù)貨物含水率低于TML無法判定船舶能安全開航。對此，需開發(fā)一套實時監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)測和預判載運易流態(tài)化固體散裝貨物船舶的狀態(tài)，保障其在海上安全航行。

1 海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)框架

1.1 系統(tǒng)組成框架

考慮到礦砂在液化過程中物理狀態(tài)的變化和不同狀態(tài)礦砂對船舶艙壁受力的影響[8]，結(jié)合船舶工程施工工藝和貨艙環(huán)境，選用由3種傳感器組成的礦砂液化過程監(jiān)測平臺，通過信號轉(zhuǎn)化和傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)終端數(shù)據(jù)存儲和分析處理等功能，提供實時可靠的貨物狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)輔助決策，使船員能在駕駛室操作監(jiān)控軟件，及時對船舶的狀態(tài)進行判斷并做出決策，保證船舶安全航行。

海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、信息監(jiān)管和輔助決策組成。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

1) 傳感器有含水率傳感器、壓力傳感器和應變式傳感器等3種。3種傳感器各1套為1組，整個系統(tǒng)由6組傳感器組成。

2) 工程樣機安裝在總長約為355 m的礦砂船上，2號貨艙距離艏部較近。因此，使用艏部甲板室內(nèi)的網(wǎng)關(guān)箱采集底層傳感器數(shù)據(jù)，并通過信號線將其傳輸給上層建筑的數(shù)據(jù)中心。

3) 船上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都存儲在信息平臺的數(shù)據(jù)中心。除了傳感器采集的數(shù)據(jù)以外，還需獲取船舶六自由度運動信息和船舶周圍環(huán)境信息等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都存儲在虛擬機的數(shù)據(jù)庫中。

4) 船舶駕駛室、貨控室和集控室都安裝有智能工作站，船員通過局域網(wǎng)內(nèi)的IP地址訪問B/S架構(gòu)的系統(tǒng)軟件，并根據(jù)提示進行相應操作。

整個系統(tǒng)采用多級預警方式，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示，根據(jù)危險程度給出三級警報，幫助船員做出操作決策，船員可在歷史記錄中查詢以往的報警信息。同時,所有的報警信息都記錄在船端數(shù)據(jù)庫中，可通過遠程通信的方式將其發(fā)送回岸端，岸端人員可對實船數(shù)據(jù)進行分析研究。

1.2 系統(tǒng)軟件總體功能

該軟件設計有礦砂狀態(tài)監(jiān)測、分級預警提示、船舶穩(wěn)性計算和輔助建議等4種功能，可滿足貨物監(jiān)測和輔助決策分析的要求。

1) 礦砂狀態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測礦砂的含水率、艙壁受到的礦砂壓力和艙壁局部應變的大小，給出實時數(shù)據(jù)顯示和歷史變化趨勢圖。

2) 分級預警提示。根據(jù)礦砂的狀態(tài)將危險程度分成3個等級進行預警。當測點處礦砂的含水率超過適運水分極限值時，給出第一級預警；當貨物表面角落處出現(xiàn)液態(tài)水時，給出第二級預警；當貨物表面出現(xiàn)自由液面時，給出第三級預警。

3) 船舶穩(wěn)性計算。當出現(xiàn)第二級預警時，輸入船舶裝載情況，近似計算礦物液化之后船舶的穩(wěn)性相關(guān)值。

4) 輔助建議。當出現(xiàn)第一級預警時，提示船員礦砂局部的含水率大于TML，可能會出現(xiàn)液化的情況;當出現(xiàn)第二級預警時，建議船員調(diào)整航向和航速;當出現(xiàn)第三級預警時，建議尋找錨地錨泊或在港口停船。

上述功能有助于減少船員巡視的工作量和在巡視過程中可能遇到的危險,在貨艙內(nèi)的礦砂即將處于不安全狀態(tài)時及時有效地提供預警，提醒船員做出合理的應對操作。

1.3 系統(tǒng)的工作流程

系統(tǒng)對貨艙內(nèi)礦砂的體積含水率、礦砂對艙壁的壓力和艙壁局部應變的大小進行實時監(jiān)測和預警。首先利用由18套傳感器組成的硬件采集系統(tǒng)對貨艙內(nèi)的6個布局點進行信息采集，通過船內(nèi)的數(shù)據(jù)通信線將采集到的含水率、壓力和應變數(shù)據(jù)傳輸給艏部網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)傳輸給上層建筑的數(shù)據(jù)中心，并由部署在數(shù)據(jù)中心上的虛擬機的軟件平臺來存儲。同時，軟件數(shù)據(jù)庫存儲其他系統(tǒng)提供的相關(guān)計算分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件讀取數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)，對其進行分析計算之后在工作站的瀏覽器界面上顯示，工作流程見圖2。

圖2 海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

2 傳感器選型和測點分布

2.1 傳感器選型

由于船舶貨艙內(nèi)的環(huán)境較為特殊，陸用含水率傳感器和壓力傳感器均無法適用。經(jīng)過分析，確定船上采用的傳感器應滿足的要求為：不破壞貨艙的水密性;電磁抗干擾能力強，性能穩(wěn)定;表面堅固耐磨，不易生銹;裝置的承壓能力強;便于安裝、拆卸和維護。

根據(jù)以上要求自主研發(fā)設計相應的含水率傳感器和壓力傳感器,其中:含水率傳感器利用頻域反射原理，根據(jù)礦砂的介電常數(shù)標定，重新對外型進行設計;壓力傳感器自帶溫度補償，重新對外型進行設計。為滿足船舶貨艙艙壁嵌入式安裝的要求，設計與貨艙進水報警系統(tǒng)相同的底座，用于連接船體板和固定傳感器。應變傳感器選用振弦式應變計，用螺母固定在底座上，底座焊接在貨艙艙壁背面的面板上。需自帶信號采集儀采集和傳輸應變傳感器信號。3種傳感器都帶有保護罩，防止受潮。

2.2 測點分布

海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)共需安裝6組傳感器，前后艙壁各布置3組，在貨艙內(nèi)呈對角線分布。6組傳感器在貨艙內(nèi)的測點布置見圖3。

圖3 6組傳感器在貨艙內(nèi)的測點布置

3 數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲方式

3.1 數(shù)據(jù)采集方式

數(shù)據(jù)中心的信息平臺采用UDP協(xié)議的廣播方式向各軟件發(fā)送其所需的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件的采集程序采用C#語言開發(fā)，對接收的數(shù)據(jù)進行解碼，將json格式轉(zhuǎn)化為表格形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，供前端界面調(diào)用。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

利用數(shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)字電子技術(shù)將傳統(tǒng)的測量信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息處理。傳感器信號通過RS485標準協(xié)議數(shù)據(jù)包上傳至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議光纖傳輸?shù)紧翰可蠈咏ㄖ臄?shù)據(jù)中心。

3.3 數(shù)據(jù)存儲方式

數(shù)據(jù)存儲采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MySQL，該系統(tǒng)的特點是體積小、運行速度快、總體成本低和開源。關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)以表格的形式存儲，默認的是MyISAM。數(shù)據(jù)庫中表格建立的原則是針對不同種類的傳感器和不同模塊建立不同的表格，按時間先后順序排列。系統(tǒng)自身采集的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)之外接收的數(shù)據(jù)都按該方式存儲在數(shù)據(jù)庫中。

為防止傳感器采集的數(shù)據(jù)丟失，設計一套數(shù)據(jù)備份軟件對數(shù)據(jù)進行定時備份，并將其存儲在工作站的系統(tǒng)硬盤內(nèi)。

為保證軟件數(shù)據(jù)庫中儲存的數(shù)據(jù)安全，選擇最常規(guī)的訪問加密方式對數(shù)據(jù)庫進行加密，在數(shù)據(jù)庫中設置用戶名和密碼，在訪問數(shù)據(jù)庫之前需進行身份驗證[9]。

傳感器的采集頻率較高，船舶的使用壽命較長，隨著時間的推移，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)量會過于龐大，導致軟件卡頓和服務器死機。因此，數(shù)據(jù)庫設計為每周清理一次，在軟件采集端處理。

4 系統(tǒng)軟件設計

海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)軟件基于B/S架構(gòu)設計,能實時顯示礦砂的含水率、礦砂對艙壁的壓力、艙壁局部應變數(shù)據(jù)和歷史變化趨勢，同時具有分級預警、信號故障報警、輔助決策信息和歷史記錄查詢等功能，形成良好的人機交互界面[10]。海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊見圖4。

5 系統(tǒng)應用功能

該系統(tǒng)的工程樣機已在40萬噸級礦砂船“明遠”輪和“明卓”輪上應用。船舶在巴西港口裝載完貨物并取得港口提供的載運礦砂的信息報告之后，船員需在預警主頁面(見圖5)輸入礦砂的密度和TML。

圖4 海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊

圖5 預警主頁面

預警主頁面含有液化程度分級預警，對應每級預警會給出相應的輔助決策建議。另外,有信號丟失報警，一旦傳感器受損或數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失，相應的傳感器就會通過報警提醒船員，此時點擊報警鏈接會切換到對應傳感器的顯示界面。數(shù)據(jù)異常報警是指接收到的數(shù)據(jù)超過各傳感器的量程，說明該數(shù)據(jù)是無效數(shù)據(jù)。此外，預警主頁面自帶貨艙局部應力報警功能,一旦局部區(qū)域船體板因貨物液化而受到過大的應力，進而對船體局部結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生威脅，就會發(fā)出相應的報警。

在貨物運輸過程中，含水率傳感器監(jiān)測界面見圖6。界面上共有6塊區(qū)域，分別代表傳感器在貨艙內(nèi)的安裝位置。左側(cè)儀表盤顯示含水率數(shù)據(jù)，顯示值是1 h內(nèi)含水率數(shù)據(jù)的平均值，是經(jīng)過軟件換算的質(zhì)量含水率。右側(cè)折線圖顯示最近20 h內(nèi)含水率數(shù)據(jù)的變化趨勢，當海況較為惡劣或礦砂狀態(tài)即將發(fā)生變化時，能清楚地觀察到貨物含水率的變化。壓力傳感器和應變式傳感器的監(jiān)測界面與含水率傳感器類似。

圖6 含水率傳感器監(jiān)測界面

圖7為穩(wěn)性計算模塊。當出現(xiàn)二級預警和三級預警時，軟件會給出提示，對船舶目前的穩(wěn)性進行計算，由此判斷船舶是否處于危險狀態(tài)。若船員接收到的計算反饋表明船舶處于危險狀態(tài)，則需按軟件提供的建議或憑借自身的經(jīng)驗進行相應操作，防止險情出現(xiàn)。

圖7 穩(wěn)性計算模塊

6 結(jié) 語

本文設計了一套針對萬噸級散貨船的海運礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)。工程樣機經(jīng)過多個航次的應用，已收集到大量實船運營數(shù)據(jù)，主要包括礦砂液化過程中的3種參數(shù)。后期可對實船數(shù)據(jù)進行分析處理，結(jié)合裝載計算機和貨艙進水報警系統(tǒng)等設備采集的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的工作原理進行完善，對貨物的液化程度進行預測，提升系統(tǒng)的應用價值，實現(xiàn)貨物狀態(tài)的智能化監(jiān)控。