液化天然氣船貨物操作仿真器的設計與實現

李博洋, 張運秋, 李迪陽,2, 韓淑潔

(1.青島遠洋船員職業學院， 山東 青島 266071; 2.大連海事大學 輪機工程學院， 遼寧 大連 116026)

液化天然氣船貨物操作仿真器的設計與實現

李博洋1, 張運秋1, 李迪陽1,2, 韓淑潔1

(1.青島遠洋船員職業學院， 山東 青島 266071; 2.大連海事大學 輪機工程學院， 遼寧 大連 116026)

根據目前快速發展的LNG船船員的技術培訓需求，開發設計LNG船舶貨物操作仿真器，介紹仿真對象的選擇和貨物操作過程，給出營運模式下仿真系統的架構、子界面的設計思路、系統數值仿真計算方法與流程。在此基礎上,給出船舶在出塢、進塢過程中貨艙操作演示、訓練和評估模塊的設計方法與思路,并介紹控制臺中軟件、硬件的通信解決方法和超多屏顯示技術的實現。通過總結可知,該仿真器功能齊全、界面逼真、仿真響應快，且具有傳統船用仿真器無法實現的同時對多個系統與設備進行監控和操作的優點。

船舶工程；液化天然氣船舶；貨物操作；液貨艙處理；PLC；系統評估；仿真器

據專家預測，隨著全球液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)的需求量和貿易量不斷增加，2020年全球LNG船舶數量將達到近800艘。如果考慮到美國2017年放開頁巖氣的出口，作為主要LNG消費國的中日韓對LNG船舶的需求量很可能會大大超過預期。未來5～10 a，中國擁有的LNG船舶數量將從目前的6艘發展至80艘左右。

LNG船的貨物操作復雜，對船員業務素質要求較高，我國LNG船舶公司現有的管理水平和船員技術力量還比較薄弱，因此迫切需要提高船舶管理人員和操作船員的技術水平，其中借助LNG船舶貨物操作仿真器進行操作訓練是一個有效途徑。另外，目前國內尚未開發出成型的LNG船舶貨物仿真器產品，因此，開發和設計滿足《中華人民共和國海船船員適任考試和發證規則》中“液化氣船貨物操作高級培訓”要求的貨物操作仿真器，不僅對船員培訓有較高的價值，而且對促進國內LNG海運快速發展具有深遠意義。[1-5]

1 仿真對象的選擇與貨物系統概述

1.1仿真對象的選擇

對于將來的訓練對象而言，選擇仿真對象非常重要，必須保證其具有很好的通用性和代表性。將中華滬東船廠為大鵬灣、莆田及小洋山建造的14.7萬m3薄膜式LNG船作為母型船，依據為

1) 該船是目前LNG船的主流船型，無論是薄膜式液艙結構還是艙容大小，都具有很好的代表性。

2) 該型船舶國內其他公司都有訂單，現在和將來船員的主力軍都是中國船員。因此，該船型的模擬訓練對中國船員更具有針對性。

母型船主要參數為：船長291.50 m，型寬43.35 m，設計吃水11.43 m，艙容147 236.2 m3(裝載率為100%)或145 027.7 m3(裝載率為98.5%)，液艙4個，貨泵8個(額定流量1 500 m3/h，功率407 kW)，掃艙泵4個 (額定流量50 m3/h)，高負載壓縮機2個，低負載壓縮機2個。

1.2貨物系統概述

貨物系統用到的設備主要有：液貨泵、掃艙/噴淋泵、高流量壓縮機、低流量壓縮機、氣體加熱器、蒸發器、帶氣液分離器的強制蒸發器、貨艙壓力控制閥、貨物管路等。貨物操作系統由高度電腦化的控制系統/監測系統(IAS)進行控制/監測。

LNG船貨物操作主要包括在港裝貨、滿載航行、在港卸貨、空載航行、船舶進塢貨艙處理、船舶出塢貨艙處理、船舶單艙處理、預冷處理、壓載水的駁運等20多個過程，基本上每個過程都要操作20～30 h，具體過程見圖1，其中虛線框內為營運流程。

圖1 液化天然氣船貨物操作流程

由于LNG船舶所載貨物易燃易爆，貨物的低溫(-163 ℃)對材料的影響比較大，貨物的壓力控制范圍較小(0～0.022 MPa)，對裝卸貨的速度、泵的流量、貨物壓縮機流量等的要求非常嚴格，因此實際操作過程極其復雜，操作步驟也非常繁瑣，稍有疏忽就可能帶來災難性后果。

2 仿真系統設計

仿真系統的模塊和監控點較多，如果設計界面混亂，將導致學習者無法快速熟悉和掌握貨物系統的操作要點。因此，需要設計一個良好的系統架構，讓使用者能夠方便、快捷地切換各個界面。圖2為仿真系統的架構圖(即圖1虛線框內的過程)[7-9]。

圖2 仿真系統架構圖

進入主界面后，系統有5個仿真子界面：裝貨仿真子系統、滿載航行仿真子系統、卸貨仿真子系統、壓載航行仿真子系統、預冷仿真子系統。

每個子系統下的操作界面為：液貨管路系統操作界面(圖3(a))、CT1(CARGO TANK 1)操作界面(圖3(b))、CT2操作界面、CT3操作界面、CT4操作界面、燃氣壓縮機系統操作界面、貨物壓縮機系統操作界面(圖3(c))、CTS參數監測界面、壓載水系統操作界面(圖3(d))和船舶受力仿真界面。在這些操作界面中，可對具體項目(比如CT1操作界面中各個閥的開關、泵的啟動/停止、顯示流量大小及流向、貨艙液位、貨艙各個液位報警、艙壓力、艙溫度場、壓力報警等)進行操作和監控。因此，整個系統的操作和監控點非常多，需要很多的計算與邏輯判斷。液貨艙的壓力、溫度、液位流程圖見圖4。上述界面既有過程仿真又有數據仿真。

LNG船舶出塢與進塢時的貨艙處理過程較復雜，因整個系統的閥近1 000個，需操作的設備有幾十臺，因此工作量較大，且前后的操作內容(如干燥、惰化、LNG置換惰性氣體等)往往完全不同，做到液貨艙的數值仿真有很大難度。在實際生產過程中，往往需要測量貨艙的氣體成分或通過監控系統獲取各個重要參數，而船舶管理人員的主要任務是能夠按照一定的邏輯關系熟練操作整個系統，因此船舶在出塢和進塢過程中，系統主要以過程仿真為主。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖4 液貨艙計算流程圖

基于上述情況，針對船舶出塢、進塢過程開發了3個功能模塊：系統模擬演示單元(DEMO UNIT)、訓練操作單元(TRAINING UNIT)、系統考試評估單元(ASSESSMENT UNIT)。在DEMO單元，主要通過動畫顯示出某一過程(如干燥過程)中要經過哪些設備、閥、貨艙、透氣桅等，讓學習者快速掌握其流程，然后再通過TRAINING單元，讓學習者自己動手操作各個設備(惰性氣體發生器等)、開/關各個閥、連接彎頭、設定透氣桅卸放壓力等(見圖5)。這樣，經過快速練習就能夠很快掌握一個操作過程。

此外，為鑒定學習者的訓練效果,通過考試評估單元進行評估考試。評估系統由全局數據庫、規則庫和控制系統3部分組成。全局數據庫中存放著學員的操作記錄、推理獲得的中間結論以及最終得分，規則庫中存放著評估標準，控制系統中規定了產生式規則和數據庫匹配的方法。采用正向推理策略將學員的操作記錄讀入評估系統，根據學員的操作任務對其各步操作進行標識(見表1)，在評估過程中將不同操作過程分成不同的子集，考生選擇其中某一過程后即選擇了相應的子集，其他子集在當前過程下不予考慮。學員的總得分是根據學員的有效操作得分之和減去無效操作應減分之和得到的，如lt;0，則為0，以評價結果掌握學員的學習情況。此外，該系統還可對每次評估考試的結果進行記錄和打印，非常利于在將來海事局船員評估考試中應用。[11]

圖5 干燥過程的界面

表1 各步操作分類標識

開發的操作過程如下，這些過程均滿足《液化氣船貨物操作高級培訓》大綱的要求。

1.出塢過程中對所有液貨艙的處理操作：干燥過程、惰化過程、置換惰氣過程第一階段、置換惰氣過程第二階段、預冷過程。

2.進塢過程中對所有液貨艙的處理操作：掃艙過程第一階段、掃艙過程第二階段、升溫過程第一階段、升溫過程第二階段、惰化過程、通風過程。

3.對單艙維修前的處理操作：單艙掃艙過程、單艙升溫過程第一階段、單艙升溫過程第二階段、單艙惰化過程、單艙通風過程。

3 系統硬件開發與設計

由于貨物操作軟件系統的操作界面和需要監控的參數較多，傳統的1個或2個顯示器(如挪威Kongsberg公司研制的模擬器)監控的界面往往太少，因此可運用超多屏顯示技術,使學習者一次性瀏覽系統的各個主要界面，提高其整體感。另外，通過實際的控制臺、操作面板、顯示元件及報警等硬件進行模擬操作(比如開/關閥、啟動/停止泵或壓縮機、顯示高/低位報警、顯示泵的電壓/電流、安全閥報警、裝卸臂、ESD顯示等)，使模擬操作更接近實船操作。圖6為仿真器控制臺。

圖6 仿真器控制臺

本仿真器硬件系統中，在只采用1臺PC主機的情況下,既要實現上述控制臺中各個開關量的輸入與輸出以及模擬量的輸出，又要實現系統多屏顯示技術，因此使用單一PC主機完成上述工作有一定難度(主板PCI和PCIE插槽數目有限)。經過硬件系統優化,采用PLC實現開關量的輸入與輸出,采用數據采集卡(PCI插槽)與端子板實現模擬量的輸出,采用多個顯卡實現1臺主機拖帶6個顯示屏。

圖7為主機和控制臺通信與顯示器流程圖，可通過移動鼠標實現1#～6#顯示器的左右自由切換。1#顯示器為主界面、貨物與燃氣壓縮機操作和船體受力界面，2#顯示器為CTS監控與壓載水操作界面，3#顯示器、4#顯示器、5#顯示器、6#顯示器分別為Tank 1，Tank 2，Tank 3，Tank 4的各個艙的界面顯示。

圖7 控制臺通信和顯示屏流程圖

采用該多屏技術后，使用者可以通過仿真器盡可能地監控更多仿真子系統的參數并實現多屏操作，而且相對于傳統的仿真器(采用服務器—終端用戶模式)，該仿真器具有監控界面多、數據傳輸快、響應快、成本低等優點。

4 仿真系統實現的功能

該仿真系統實現了4部分功能：

1.LNG船液貨操作訓練仿真系統(軟件)，主要對營運過程詳細模擬該階段貨物的每個操作過程，并進行數值仿真，可在一般的PC機上運行使用。

2.LNG船液貨操作訓練仿真器控制操作盤臺(硬件)，不僅能夠實現第1部分的所有功能，還可以在硬件中對上述過程進行操作，使模擬操作者更加接近實船操作，解決了純軟件仿真操作的弊端。

3.LNG船進塢、出塢過程及單艙處理模擬操作系統，主要對船舶進塢過程、出塢過程以及單艙處理等20多個過程進行仿真。

4.LNG船進塢、出塢過程及單艙處理過程智能評估考核系統，用于對液化天然氣船進塢、出塢過程及單艙處理過程進行智能評估考核。

5 結 語

1.開發設計了具有物理盤臺實物仿真系統和基于C#的軟件界面2種模擬方式的仿真器，能夠進行LNG船貨物系統的各項模擬操作，訓練內容完善，功能齊全；同時，通過硬件半實物模擬操作更加形象，解決了純軟件仿真的弊端。

2.設計仿真器時采用的超多屏顯示技術較早應用于船用操作模擬裝置，可同時顯示多個界面、同時對多個系統和設備進行操作與監控，具有創新性。

3.仿真系統開發了LNG船出塢和進塢操作評估考試系統，滿足有關法規、公約對LNG船船員液貨操作培訓的要求。

4.仿真器采用西門子PLC和數據采集卡相結合的技術進行數據采集，實現了與PC機的高速、實時、穩定的數據雙向通信，比傳統的采用服務器-終端機模式的仿真器的響應速度快。

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DesignandImplementationofLNGCarrierCargoHandlingSimulator

LIBoyang1,ZHANGYunqiu1,LIDiyang1,2,HANShujie1

(1.Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China； 2.Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The cargo handling simulator of the LNG carrier is designed to satisfy the rapid growing demands for LNG crew training. The complex operation process of the cargo handling is introduced and the process of determining simulation objects is described. The framework of the simulation system in the operating mode, the design ideas of the human machine interfaces, the math model and the calculation methods and processe flow are given. The design of the modules for docking and undocking operation demonstration, training and evaluation are explained. The communication methods of software and hardware, and the super multi-screen display technology are presented. The system is able to simulate several systems simultaneously and has the advantages such as multi-functions, realistic operation interface and fast response.

ship engineering; LNG carrier; cargo handling; cargo tank processing；PLC; system assessment; simulator

2014-04-07

中國遠洋運輸(集團)總公司應用研究計劃項目(2013-1-H-007)

李博洋(1974—)，山東臨沭人，大管輪，副教授,主要從事液化氣船新技術應用、船舶節能減排的教學與研究。

E-mail:libocean@126.com

1000-4653(2014)03-0046-04

U674.13+3

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