半潛駁傾角實時監(jiān)測和預警研究

鄭遠斌，畢莉莉*，劉祺，王雪剛

（中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005；2.中國船級社廣州分社，廣東 廣州 510235；3.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

隨著我國近岸深水岸線的逐步減少以及船舶的大型化趨勢，港口碼頭建設逐步向大型深水泊位方向發(fā)展，與之相適應的沉箱也逐漸向大型化發(fā)展。大型沉箱由于其體積大、重量大等結構特點，往往預制后運至施工現場進行沉放安裝。由于離岸深水港建設多處于外海無掩護水域，風浪和涌浪顯著，使得半潛駁下潛裝卸、海上運輸具有很大風險，船舶的穩(wěn)性受到嚴峻的考驗，稍有不慎就會造成巨大的損失。隨著船舶姿態(tài)控制自動化程度的不斷提高，尤其對于工程船如半潛駁，其在沉箱上駁、出塢等作業(yè)中，船舶縱橫傾姿態(tài)是其操作壓載水系統(tǒng)的重要依據。為了保證船舶的穩(wěn)性和作業(yè)安全，必須實現對船舶姿態(tài)的實時、直觀、準確地監(jiān)測。

賈曉博等[1]針對現有的多種周跳檢測與修復、整周模糊度求解算法以及單純GPS測姿和單純慣導測姿的優(yōu)缺點，提出了一種適合船舶姿態(tài)測定的方案。徐濤等[2]提出一套基于姿態(tài)監(jiān)測技術和相關姿態(tài)傳感器進行實時姿態(tài)測量的半潛式鉆井平臺監(jiān)測系統(tǒng)架構，得到半潛式鉆井平臺在縱蕩、橫蕩和升沉運動過程中三軸向線性加速度分量。史政[3]從船舶穩(wěn)性、結構安全性出發(fā)，研究即時預報技術，提出針對具體船舶、航區(qū)建立具體預報數據庫的概念，并給出可能的經驗公式。蔡明倫等[4]基于膜電位傾角傳感器及ACL-8112PG數據采集卡，設計了一套船舶橫搖、縱搖姿態(tài)測量系統(tǒng)，并給出了實船姿態(tài)測量的具體方案。岳大超等提出了一種船舶縱橫傾姿態(tài)數字化測量系統(tǒng)的總體框架設計方案，通過能夠適應船舶高鹽高溫工作環(huán)境的旋轉變壓器對船舶縱橫傾姿態(tài)信息進行采集。周健等[5]比較了BD2/GPS四頻高精度接收機與傳統(tǒng)單一GPS接收機對遠望號的測姿精度，并開發(fā)設計出一套多系統(tǒng)測姿系統(tǒng)。劉新明等[6]根據船體甲板結構布局，設計了一套GPS測姿系統(tǒng)，利用GPS載波相位測姿技術確定船舶姿態(tài)。張龍平[7]研究了利用動態(tài)基線求解姿態(tài)角的方法，給出了一種求取船舶實時姿態(tài)的方法，并通過靜態(tài)和動態(tài)試驗驗證了該種方法的可靠性和適用性。黃政等[8]利用敏感元件直接測量船舶姿態(tài)信息，并利用計算機進行姿態(tài)計算和坐標變換，對船舶姿態(tài)進行在線監(jiān)測。唐原廣等[9]設計一種基于微機電系統(tǒng)技術的波高傾斜一體化傳感器的船舶運動姿態(tài)測量系統(tǒng)。目前，以上的監(jiān)測系統(tǒng)只是對船舶運動姿態(tài)進行監(jiān)測，但是鮮有對工程船舶的監(jiān)測關注以及三維實時監(jiān)測和預警功能。

本文以“廣州號”半潛駁為研究對象，在半潛駁4個邊角艙室安裝四角吃水傳感器，并通過四角吃水反推半潛駁的縱傾角和橫傾角。并使用Compass計算“廣州號”半潛駁裝載某沉箱的極限縱傾角和橫傾角，并與該船的設計極限值進行對比，實現該半潛駁的安全性預警。

1 半潛駁參數

以“廣州號”半潛駁為研究對象，該船為非自航半潛甲板船，箱形船體、兩側塢墻、首尾船底斜切、舉升甲板無脊弧無梁拱、圓弧舭部、單底單甲板鋼質焊接結構。主要用于裝運和沉浮水工建筑工程的大型混凝土沉箱，也可裝運其他大型鋼結構和設備?！皬V州號”半潛駁主要用于裝載沉箱在沿?；蛘诒魏Ｓ蜃鳂I(yè)及國外近海無人拖航，國內近海有人拖航。

本船最大沉深24.2 m，塔樓的頂甲板距基線最低為29.3 m，船左右塔樓在距基線23.2 m處設水密安全甲板。四角壓載水艙包含安全甲板以下的塔體空間，全船共設20個壓載水艙。半潛駁主要參數見表1，其外形如圖1所示。

表1 “廣州號”半潛駁主要參數Table 1 The main parameters of"GUANG ZHOU"semi-submersible barge

圖1 “廣州號”半潛駁Fig.1 "GUANG ZHOU"semi-submersible barge

2 傾角測量

2.1 測量系統(tǒng)

半潛駁4個邊艙的吃水測量采用壓電式四角吃水傳感器，其型號為麥克MPM4700，其輸出為4~20 mA的電流信號。四角吃水測量系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

2.2 傳感器安裝

四角吃水傳感器分別安裝在No.2B.W.T.（P2）、No.2B.W.T.（S2）、 No.4B.W.T.（P2） 和 No.4.B.W.T.（S2）4個壓載艙內合適位置（盡量靠近半潛駁的船艏和船艉位置），傳感器安裝位置如圖3所示。

圖2 四角吃水測量系統(tǒng)圖Fig.2 Four-corner draught measurement system

圖3 四角吃水傳感器安裝位置圖Fig.3 Installation location of four-corner draught sensors

2.3 傾角推算

縱傾角和橫傾角作為船舶運動指標，是通過四角吃水數據反推而來，橫傾角和縱傾角的計算公式如下：

式中：準為橫傾角；茲為縱傾角；L為船長；B為型寬；d1為左艏吃水；d2為左艉吃水；d3為右艏吃水；d4為右艉吃水。其中，坐標系定義為艉正艏負、左正右負。

3 極限傾角計算

運行Compass軟件，輸入船舶主要參數：船長、型寬、型深、設計吃水和肋距等參數，定義船舶橫剖面、縱剖面，定義梁拱、脊弧生成甲板，定義單元體（壓載水艙、燃油艙等），定義附體（兩側塢墻、頂甲板室、沉箱等），生成Compass計算模型如圖4所示。

“廣州號”半潛駁出運某重力式碼頭的3 390 t沉箱，其結構圖如圖5所示。Compass建模計算時，認為該沉箱構件是“廣州號”半潛駁的一部分，兩者在硬連接。此外，該船設計出廠時，一般下潛和起浮過程中橫傾角不能超過1毅，縱傾角不能超過2毅；當半潛駁吃水在16~18 m以上或半潛駁裝載構件重新至舉升甲板出水階段時，縱傾角應臆1毅。最終獲得“廣州號”半潛駁出運3 390 t沉箱的極限縱傾角和橫傾角如圖6所示。

圖4 “廣州號”半潛駁Compass建模Fig.4Compass model of"GUANG ZHOU"semi-submersible barge

圖5 “廣州號”半潛駁出運某沉箱結構圖（mm）Fig.5 Structural drawing of a caisson transported by"GUANG ZHOU"semi-submersible barge(mm)

圖6 “廣州號”半潛駁出運3 390 t沉箱的極限縱傾角和橫傾角Fig.6 The ultimate longitudinal and transverse inclination of 3 390 t caissons transported by"GUANG ZHOU"semi-submersible barge

4 監(jiān)測和預警

監(jiān)測和預警系統(tǒng)采用工業(yè)計算機并配有高性能的圖形板卡，通過對被測船舶進行建模，將傳感器采集的船舶縱橫傾角度、壓載艙液位、船舶吃水變化等實時數據與船舶模型各對應部位進行匹配，運用高性能顯示模塊實時、全景的顯示船舶姿態(tài)三維動態(tài)圖形。其主要功能包括：監(jiān)測通道報警、三維視角鎖定、三維視角模式切換、船舶姿態(tài)三維動態(tài)顯示、船舶縱橫傾軌跡動態(tài)捕捉、壓載艙液位三維動態(tài)顯示、壓載艙液位柱狀圖動態(tài)顯示、壓載沉箱動態(tài)加載、軟件通訊故障檢測、測點通道參數編輯、船舶傾斜儀輔助修正等功能。使用Microsoft Visual Basic 6.0可視化編程語言開發(fā)，經過對象三維建模、現場參數采集、數據與模型配置、三維界面設計等，系統(tǒng)開發(fā)了實時三維動態(tài)顯示軟件，其主界面如圖7所示。三維軟件人機頁面劃分為三大區(qū)域，頂部（區(qū)域一）：報警信息及系統(tǒng)時間顯示區(qū)；中部（區(qū)域二）：三維動態(tài)顯示區(qū)；底部（區(qū)域三）：壓載艙數據顯示區(qū)。

圖7 “廣州號”半潛駁傾角實時監(jiān)測和預警系統(tǒng)界面Fig.7 Interface of real-time monitoring and early warning system for inclination angle of"GUANG ZHOU"semi-submersible barge

區(qū)域二即三維動態(tài)顯示區(qū)又分為左、中、右三部分。左邊部分顯示當前所選艙室的具體液位、艙容、重量信息，左、右艉吃水信息，縱傾、橫傾信息（通過四角吃水計算所得）以及縱傾、橫傾信息（通過傾角傳感器測量所得）。中間部分顯示船體姿態(tài)或艙室液位三維動態(tài)顯示，左舷、右舷、舯吃水信息以及相關模式或編輯功能按鈕位置。右邊部分顯示縱、橫傾動態(tài)軌跡顯示及橫傾狀態(tài)顯示。

圖7頂部為預警窗口，根據圖6中“廣州號”半潛駁出運3 390 t沉箱的極限縱傾斜和橫傾角的結果，預警情況設置為：當橫傾值逸1毅或縱傾值逸1毅時（報警值可根據實際出運構件的情形適當調整），觸發(fā)高位報警，計算機顯示黃色閃爍并蜂鳴器響；當橫傾值逸2毅或縱傾值逸2毅時（報警值可根據設計情況調整），觸發(fā)高高位報警，計算機顯示紅色閃爍并蜂鳴器響。

5 結語

本文以半潛駁為研究對象，在其4個邊角艙室安裝四角吃水傳感器，并通過四角吃水的數值反推半潛駁的縱傾和橫傾角，達到實時監(jiān)測該船運動姿態(tài)的目的。同時，使用中國船級社Compass軟件計算“廣州號”半潛駁裝載某沉箱的極限縱傾角和橫傾角，并與該船的出廠設計極限值進行對比，通過縱傾角和橫傾角達到對半潛駁的安全性進行預警的目的。經運行檢驗，該監(jiān)測預警方法能快速、直觀地監(jiān)測半潛駁作業(yè)的穩(wěn)性和安全性。該監(jiān)測和預警方法可移植到類似工程船舶上，具有廣闊的應用前景。