一種全回轉起重船壓載水高效調配系統及其工作方法與流程

本發明涉及船舶
技術領域：
，具體涉及一種全回轉起重船吊裝貨物過程壓載水高效調配技術及系統。
背景技術：
：全回轉起重船起吊、回轉作業會引起船舶縱向、橫向傾斜，繼而影響船舶自身安全，隨著起重船大型化，該問題尤為突出，起吊重物產生的傾覆力矩會使橫傾角達到7-8°，甚至更大。壓載系統通過對全船壓載水艙進行注入、排出或調配壓載水，可調節、抵消起吊重物產生的巨大傾覆力矩，達到調整船舶吃水、船體縱、橫向平衡及船舶穩心高度的目的，確保起重船海上作業安全。因此，壓載水調配決定了起重船海上作業效率、成本和安全，具有重要意義。中國專利cn1565926a公開了《好望角型散貨船壓載水排水-進水置換方法》，該方法是涉及一種壓載水進排水方法，目的只是簡化壓載水置換過程。并不能減少起重船吊裝過程傾覆力矩、保證作業安全。中國專利cn203921155u公開了《新型壓載水系統》，該系統的目的在于保證船舶安全運營。并未涉及壓載水調配優化及其系統。在確保起重船海上作業安全方面，已有工程技術多依靠工程經驗。雖然對于小型起重船，船上相關人員根據自身經驗人工粗略地估算壓載水、人工起吊操作即可基本滿足工程要求。但隨著起重船日趨大型化，作業海況惡劣，操作性能要求更高，需短時間內調配大量壓載水。現有船舶壓載系統配置通常存在調載速度慢、控制精度差和自動化程度低等缺點，難以滿足海上海況頻繁變化、較好平靜海況時段快速完成作業的要求，急需高效自動調配壓載系統和技術。技術實現要素：為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種調載速度快、控制精度好和自動化程度高的全回轉起重船高效壓載水調配系統及其工作方法。為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種全回轉起重船高效壓載水調配系統，包括起重機監測測量系統、船舶吃水監測系統、壓載水艙水位測量系統、報警系統、中央控制系統和壓載管路調配系統，所述的中央控制系統的輸入端分別與起重機監測測量系統、船舶吃水監測系統和壓載水艙水位測量系統連接，中央控制系統的輸出端分別與監視器、報警系統和壓載管路調配系統連接；所述的壓載管路調配系統包括閥門遙控系統、管路流量監測系統和壓載水泵系統；所述的閥門遙控系統通過控制電磁換向閥，進而改變進入液壓執行機構液壓油流動的方向，達到控制閥門開閉的目的；當電磁閥兩端電磁鐵均斷電，閥芯處在中位時，液壓鎖將液壓執行機構兩端油路無泄漏封閉，鎖住閥門；所述的管路流量監測系統通過流量傳感器測量管路流量，傳輸到中央控制系統中進行計算；所述的壓載水泵系統測量水泵的運行狀態反饋到中央計算系統；所述的壓載水艙水位測量系統通過壓載水艙中安裝的液位傳感器，測量各艙室壓載水情況，為控制和調配各艙室壓載水提供依據；壓載水艙水位測量系統由液位傳感器、接口、控制卡、船用pc兼容機或工控機、分散式顯示儀表組成；所述的壓載水艙有多個，每個壓載水艙均設置進水管路和排水管路，匯總每個壓載水艙的出水管路為總出水管，進水管路為總進水管，總出水管和總進水管之間通過壓載泵進行調節。所述的起重機監測測量系統用于實時測量起重機的回轉角度、回轉半徑和重物重量；所述的船舶吃水監測系統用于測量船舶首尾和左右的吃水量；所述的報警系統用于對出現船舶浮態不安全情況進行報警：所述的中央控制系統用于將船舶的各項指標進行計算確定船舶的浮態，并對施工工況進行求解計算得到最優調配策略。一種全回轉起重船高效壓載水調配系統的工作方法，包括以下步驟：a、確定起重船吊機的工作條件及數據根據實際的工作需要，確定起重船吊機的工作條件及數據，所述的工作條件包括吊機位置、壓載水初始裝載量和吊機回轉半徑；所述的數據包括本次起吊工程所吊重物的特征參數和吊機運行軌跡；所述的特征參數包括質量和尺寸；b、中央控制系統獲得上述工作條件及數據之后，通過建立的壓載水調配優化模型，利用相適應的高效求解算法進行優化計算，獲得最優方案，所述的最優方案包括壓載水最優初始裝載量、起吊過程各個艙室最優液位變化量和調配完成后壓載水排出舷外的質量；c、由中央控制系統執行模擬運算，確定所述的最優方案的可行性，如果可行，則轉步驟c2；如果不可行，則轉步驟c1；c1、進行人工在線調整，并對調整方案進行評價仿真；如果調整方案可行，則轉步驟c2；如果不可行，則轉步驟b，直到獲得可行方案；c2、壓載管路調配系統執行；d、壓載管路調配系統在執行的過程中，通過起重機監測測量系統、船舶吃水監控系統和壓載水位測量系統實時監控船舶狀態，并反饋至中央控制系統，由其決策、控制各系統運行；如果船舶達到危險狀態，中央控制系統則觸發報警系統報警，并停止自動運行轉人工操作；如果船舶安全運行，則持續進行，直至完成調配作業；所述的船舶達到危險狀態為船舶縱傾角或橫傾角大于10°；e、船舶壓載系統完成調配工作之后，按照工況要求，排出壓載水艙中的壓載水到指定裝載量后結束運行；步驟b中所述的壓載水調配優化模型建立方法如下：以壓載水總調配時間最小作為優化目標，則目標函數表示為：mint＝t1+t2+t3式中：t為壓載水的總調配時間，s；t1為壓載水從舷外進艙時間，s；t2為壓載水調配工作的時間，s；t3為壓載水向舷外排水時間，s；其中，t1、t2、t3的計算方法為：式中：q1為壓載水總裝載體積，m3；q2為壓載水艙的調配體積，m3；q3為壓載水排出舷外的體積，m3；q為壓載泵的流量，m3/h。本專利模型僅考慮通過壓載泵調配壓載水。起重船舶在壓載水調配前后均保持船體的平衡。調配前保證其壓載水各個壓載水艙初裝載量保持船體平衡，即：式中：i為壓載水艙的編號；n為壓載水艙的數目；mi為第i個壓載水艙壓載水質量，mi＝ρsihi；hi為第i個壓載水艙的水位高度，m；si為第i個壓載水艙的艙底面積，m2；xi為第i個壓載水艙的橫向坐標；yi為第i個壓載水艙的縱向坐標；ρ為壓載水的密度，kg/m3；g為重力加速度，取g＝9.8m/s2。船舶在調配過程中，各個壓載水艙中壓載水與起吊重物之間保持船體的平衡，即：式中：m為起吊貨物的質量，kg；x為起吊貨物的橫向坐標；y為起吊貨物的縱向坐標；mx為起吊貨物的橫向力矩；my為起吊貨物的縱向力矩；mxi為第i個壓載水艙的橫向力矩；myi為為第i個壓載水艙的縱向力矩；。為保證起吊過程具有足夠的壓載水抵消貨物傾覆力矩，壓載水調配前的初始裝載量滿足：qmin≤q≤qmax式中：q為壓載水調配前初始裝載量，m3；qmin為壓載水最小初始裝載量，m3；qmax為壓載水最大初始裝載量，m3。在調配過程中，壓載水艙的水位不能高于壓載水艙的高度，即0≤hi≤hi式中：hi為第i個壓載水艙的最大水位高度，m。基于上述目標函數及其約束變量，建立起重船壓載水調配優化模型，用于最優調配方案的計算機輔助設計。本發明以調配時間最小為優化目標，以初始裝載量和壓載水艙液位高度作為優化變量，考慮船體平衡及艙室限制等因素，建立起重船舶壓載水調配優化模型歸納如下：mint＝t1+t2+t3s.t.qmin≤q≤qmax0≤hi≤hi步驟b中所述的壓載水調配優化模型求解方法如下：將壓載水調配過程分成若干個階段，每個階段最優調配不僅依賴于當前的壓載水狀態，而且還會影響以后的壓載水狀態。采用動態規劃策略進行優化求解。作為一個n階段的決策問題，由于初始狀態是已知的，而每一個階段的決策都是該狀態的函數，故逐次得到最優策略所經過的各階段狀態，從而確定最優方案。設每階段狀態變量為：si,i＝1,2,...,ns2＝f1，s2+f2＝s3，s3+f3＝s4，…，sn+fn＝sn+1＝f，且f1＝s2，0≤f2≤s3，…，0≤fn≤sn+1。采用順推解法，設uk(sk)為第k階段狀態處于sk時的決策變量，從前向后依次有：u1(s2)＝min(f1)＝s2及其最優解f1*，u2(s3)＝min[f2+u1(s2)]＝min[f2+(s3-s2)]及其最優解以此類推，即求出每一個階段的最優解，從而得到最優策略為：{u1(f1),u2(f2),u3(f3),…,un(fn)}。本發明的工作原理如下：全回轉起重船高效壓載水調配系統(以下簡稱“系統”)運行時，先由中央控制系統利用壓載水調配優化模型計算最優壓載水調配方案，分別傳輸至起重器控制模塊和壓載管路調配系統，控制起重機和壓載管路進行吊裝作業。在整個系統運行的同時，起重機監測系統、船舶吃水監測系統和壓載水艙水位測量系統實時測量起重機參數、船舶吃水參數和壓載水艙水位參數，并反饋至中央控制系統，進行方案安全評價及調整。如果沒有安全隱患，則整個系統安全運行至結束，如果出現危險問題則會啟動報警系統，停止一切調配工作與起重機運行，操作權限轉換至工作臺并通知相關技術人員進行人工操作，直至本次工程結束。本發明的起吊重物重量測量可采用一種應變片式傳感器，拉力的大小可以按照下式計算：f＝σa＝eaε式中，f為拉力；e為彈性模量；a為構件的截面積；σ為應力；ε為應變。測量拉力時，兩個應變片串聯為同一電橋臂，其電橋輸出為：式中，k為應變片的靈敏度系數，對于金屬材料，k取1.6—2之間，對于半導體材料，k取110—150之間；μ為材料的泊松比。由上式得：因此，可以根據給定某一電壓和其電壓輸出值測得重量參數。回轉角度的測量，本發明采用一種電容式角位移傳感器，放置在回轉軸上檢測，當回轉角度θ為0時，有：式中，εr為介質的相對介電常數；ε0為真空介電常數(ε0＝8.85×10-12f/m)；d0為兩個極板之間的距離；s0為兩個極板之間的初始覆蓋面積。當回轉角度θ≠0時，有：因此，可以通過電容量c的變化測得起重機的回轉角度。測量電路選擇一種運算放大器電路。c是一固定電容，cx是傳感器的電容，ui是交流電壓源，u0是輸出電壓。在開環放大倍數a較大的情況下，有：式中，“-”表示輸出電壓u0與電源電壓ui反相位。將cx的運算公式代入有回轉半徑是通過測量其起吊高度和吊臂幅度進行測量。起吊高度和吊臂幅度的測量通過監測安放在卷揚機上卷筒軸的傳感器測得數據實現參數的測量。采用一種能夠測得卷軸筒圈數及回轉角度的傳感器，在電容式傳感器的基礎上通過增加螺紋，可以定量的改變動極板與定極板之間的距離，測量卷筒軸轉動的圈數，通過卷筒軸與繩長之間的關系，對吊臂幅度和高度進行實時測量。若電容器極板之間的距離由初始值d縮小為δd，電容量增大為δc，則有：若δd/d<<1時，上式可以簡化為：此時，c與δd近似為線性關系。螺紋為單線螺紋，其導程為l，卷軸筒半徑為r，則旋轉角度為θ時卷軸筒繩纜運動長度l為：l＝θr因此，可以通過測量電容來測量起吊高度和吊臂幅度。起重船吃水監測系統通過安裝壓力吃水傳感器，利用四點(船首、船尾、左舷和右舷)吃水測量法，測出首尾和左右吃水，算出縱傾和橫傾，并轉換成船舶傾斜狀態和排水量。該系統主要由船用pc兼容機或工控機、船舶吃水壓力傳感器(如yszk型船用壓力傳感器)、數據采集卡、隔離數字量i/o卡、打印機及外部命令輸入接口等組成。通過測量將參數反饋至中央控制系統進行計算。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：1、本發明可實現基于計算機的壓載水高效調配方案輔助設計，優化調配方案，獲得最優調配時間，從而提高調載速度和作業效率，節省工期，減少船舶大型設備的使用時間，從而降低成本，實現節能減排。2、本發明應用自動化技術，可一定程度上提高船舶壓載水調配與進排水作業的自動化程度。計算機控制和人工經驗進行調載相比，控制精度要好。人工控制需要手工進行調載作業，而計算機控制技術操作簡單，自動化程度高。3、本發明在吊機對重物加載之后，打開壓載水艙與海水之間的管道，不僅進行內部調配，同時還與海水進行交換，跟已有技術相比增加調配的靈活性。4、壓載水調配優化模型與求解，以及與其相匹配的壓載水調配硬件系統是全回轉起重船壓載水高效調配的關鍵技術。本發明提出了一種壓載水調配優化模型、高效求解流程、壓載系統組成及其作業流程，從整個系統布置，到硬件、軟件的結合，實現起吊重物自動化壓載功能，解決海上起重作業的安全及效率問題。附圖說明圖1是本發明方法的流程圖。圖2是起重船壓載水調配模型優化求解流程圖。圖3是管隧式壓載管路布置圖。圖4是全回轉起重船壓載水艙布置圖。圖5是本發明的系統組成示意圖。圖6是實施例起重船優化調配方案各個壓載水艙壓載水重心高度變化圖。圖7是實施例起重船傳統調配方案各個壓載水艙壓載水重心高度變化圖。圖8是實施例回轉過程中壓載水調配量隨吊機回轉角度變化圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明進行進一步地描述。以某全回轉起重船起吊重物為例，本發明實施例的系統組成、壓載水艙布置及管路布置如圖3-5所示，按照圖1-2所示流程計算，本發明的應用效果分析如下：全回轉起重船的尺度參數表如下：項目參數總長/m100型寬/m38型深/m9設計吃水/m4.02主鉤起重量/t2500吊臂長度/m35壓載泵流量/t·h-11980設定工況：起吊重物質量為500t，壓載水初始裝載量為0t，起吊作業結束排水后裝載量均為0t，重物起吊后將重物由0°位置回轉至90°位置后卸下重物。將工程經驗方案與本發明優化計算方案進行對比分析。優化方案的調配艙室重心高度變化如圖6所示，當吊機回轉角度在0°-40°時，no.3右側壓載水艙和no.2右側壓載水艙的壓載水位重心高度呈遞增趨勢，no.1左側壓載水艙重心高度呈遞減趨勢，其他壓載水艙水位沒有明顯變化；在40°之后，no.3右側壓載水艙的重心高度持續增加，no.1中部壓載水艙和no.1右側壓載水艙艙室重心高度下降，其他壓載水艙水位沒有明顯變化。上述壓載水艙重心高度變化過程表明，除了no.3左側壓載水艙和no.2左側壓載水艙的重心高度為0外，其余壓載水艙重心高度均發生變化，優化調配方案通過調配其余5個艙室相互調配和從外界進行調配，滿足起吊貨物要求。傳統方案的調配壓載水艙重心高度變化由圖7所示，傳統方案的實施是通過調整少數壓載水艙水位調整船舶姿態，起重船在起吊貨物時，按照操作經驗，no.1壓載水艙的三個艙室重心高度分別為0.96m、1.16m、0.96m。當吊機回轉角度在0°-40°時，no.1左側壓載水艙重心高度呈遞減趨勢并趨近0，no.3右側壓載水艙是壓載水艙重心高度持續增加，其他壓載水艙水位沒有明顯變化。在40°之后，no.3右側壓載水艙是壓載水艙重心高度繼續持續增加，no.1中部壓載水艙重心高度下降，其他壓載水艙重心高度沒有發生明顯變化。上述壓載水艙重心高度變化過程表明，工程經驗方案采用4個壓載水艙進行相互調配和與外界進行調配，滿足起重船吊裝貨物的要求。如圖8所示，本發明優化模型求得最優方案的壓載水調配時間為1.24h。工程經驗方案當采用822t初始裝載量時，總壓載水排量為2963.12t，壓載水調配時間為1.49h。優化方案壓載水總調配量比經驗方案減少503.63t，在壓載水泵額定負荷下工作時，壓載時間優化方案降低了16.8％。計算結果表明，雖然經驗方案采用了較少的壓載水艙進行互相調配，但是基于本文建立的優化模型獲得的優化方案可以通過降低調配量來降低壓載時間，從而有助于提高施工效率和能量損耗。本發明相比一般全回轉起重船，增加了壓載水調配計算機輔助系統，可獲得壓載水調配優化方案，降低壓載作業時間，提高作業效率和壓載水調配自動化程度，具有良好的工程應用價值。本發明不局限于本實施例，任何在本發明披露的技術范圍內的等同構思或者改變，均列為本發明的保護范圍。當前第1頁12