基于WebAccess的船舶壓載水仿真與監測系統研究?

董恩春 馮兆緣 馬開學

（1.新世紀船舶設計研發（上海）有限公司 上海 200127）（2.江蘇科技大學 鎮江 212001）（3.金海智造股份有限公司 上海 200122）

1 引言

現代船舶一直使用壓載水系統來保證船舶平衡穩定和航行中的安全。根據船舶航行的要求，對全船各壓載艙注入或向船體舷外排出壓載水，以達到調整船舶的吃水和船體縱、橫兩方向的平穩以及安全的穩心高度；減小船體形變；改善空艙適航性的目的［1～3］。大多數船舶都采用艏尖艙、艉尖艙、雙層底艙、邊艙、頂邊艙作為壓載水艙，調節艏尖艙、艉尖艙的壓載水量，可有效調節船舶的縱向傾斜；調節邊艙的壓載水量，可有效調整船舶的橫向平衡［4～6］。華東船舶工業學院的張鑫、姚壽廣教授建立了船舶壓載水系統的仿真模型，該仿真模型包括壓載水管路、壓載水泵、浮態計算的數學模型等［7］。江蘇科技大學肖民教授以Minis通用仿真支撐系統和InTouch組態軟件為軟件開發平臺，開發了船舶壓載水模擬訓練系統；該系統模擬出壓載水的動態工作過程，通過壓載水模糊配載邏輯來模擬實船的穩性的調節的要求［8］。因此，開發一套基于實船的壓載水仿真模擬系統，不僅能夠有效地幫助操作人員熟悉工作流程和技能，還具有分析、預演壓載方案的價值。同時無人化作為現代船舶的發展方向，對船舶進行遠程監控是船舶無人化發展中的重要部分。筆者根據船舶的靜水力曲線和艙容數據建立船舶本身數學模型，以便計算調用；再分別建立船舶橫縱傾角的計算模型，并依據船舶的平穩運行的要求在Simulink軟件中建立整船的壓載水仿真系統；最后利用WebAccess組態監控軟件建立相應的監控界面，并建立完整的數據通信通道以實現通過IP地址進行遠程監控。

2 壓載水仿真與監控系統總體設計

壓載水仿真與監控系統由仿真、數據傳輸和監控三個部分組成。如圖1所示。

仿真系統依據實際船舶壓載水系統建立系統中各子系統的數學模型和Simulink仿真模型，并將各子系統仿真模型按照整個壓載水系統的控制邏輯進行組合，建立壓載水仿真系統。

監控組態軟件WebAccess可以接受與發送DSN數據源，利用Microsoft Office中的Access數據庫軟件作為Simulink與WebAccess通信的通道，可實現仿真系統與監控系統的實時數據傳輸［9］。

3 壓載水仿真系統的建立

3.1 艙室子系統模型

實船的6個液貨艙位于船舶中部；23個壓載水艙位于船艏、船艉和左右兩側邊艙，其分布可由1層下甲板示意圖直觀看出，如圖2所示。

根據各艙室的艙容參數建立各艙室數據子系統模塊，將各個艙的液位作為監控參數，將各艙重心位置數據和質量數據利用Simulink中的查表編輯器（Look up table）模塊導入仿真系統。

3.2 船舶穩性計算模型

船舶裝載量的變化將引起船舶重心、吃水以及自由液面的變化，進而影響船舶的浮態和初穩性。利用小傾角公式建立船舶穩性計算模型可計算出船舶橫縱傾角，其模型如下所示。

式中：GM1、GML1分別表示船舶裝卸貨后的橫、縱穩性高，GM、GML分別表示船舶原來的橫、縱穩性高，φ表示船舶橫傾角（φ＞0代表左傾，φ＜0代表右傾），θ表示船舶縱傾角（θ＞0代表艏傾，θ＜0代表艉傾），d表示船舶原來的平均吃水，d1表示裝卸載荷后的船舶平均吃水，ζd表示船舶平均吃水增量，d1表示裝卸貨物后的船舶吃水，P表示裝卸的載荷重量（P＞0代表裝貨，P＜0代表卸貨），Δ表示裝卸載荷前的船舶排水量，ω1表示艙室內液體的密度，ix、iy分別表示自由液面面積橫、縱向慣性矩，x、y、z分別表示裝卸載荷P的重心位置縱向、橫向、垂向坐標，xF表示漂心縱向坐標［10］。根據穩性參數，通過建立計算船舶傾角的子系統模塊來控制船舶穩性。圖3為計算和監測船舶裝卸造成的船舶橫縱傾的系統圖。

為保證船舶穩性，其調整系統建模過程中，將各個壓載艙的模型數據導入仿真調整子系統，同時將壓載泵的實驗擬合數據導入仿真調整子系統，如圖4所示為利用Simulink軟件建立的船舶傾角調整子系統。

4 數據傳輸與監控系統建立

4.1 數據傳輸通道的建立

組態監控軟件WebAccess可以接受與發送DSN數據源，而Simulink工具不可發送和接收DSN數據源。Microsoft Office中的Access軟件，可以通過開發應用程序與Simulink仿真工具進行實時數據交互，也可與WebAccess組態軟件通過DSN數據源進行實時數據交互。所以選擇通過Microsoft Office中的Access軟件建立監控軟件和仿真軟件的實時通信［11］。通信方式如圖5所示。

Simulink中的工業控制模塊Real Time Windows Target中的Stream Input輸入模塊/Stream Output輸出模塊具備利用UDP通訊協議傳輸與數據庫進行實時交換數據的功能，為Simulink的后臺運算提供控制指令［11］。因此Simulink與 Access數據庫的數據傳輸方式如圖6所示。

Simulink仿真系統中六個液貨艙作為監控輸入數據與Stream input輸入模塊鏈接，其他監控數據作為監控輸出與Stream input輸出模塊鏈接。完成連接后的Simulink系統圖如圖7所示。

打開Windows系統中的數據源（ODBC），選擇Office Access作為驅動程序，Simulink模型中的數據可通過在Access軟件中建立的mdb格式數據庫導入；WebAccess組態軟件可通過DSN數據源訪問Access數據庫中的數據［12］。

4.2 監控系統建立

如圖8所示，為利用WebAccess建立的壓載水仿真監控界面，顯示所有液貨艙、壓載水艙的液位數據和各壓載泵、駁運泵、電控閥的開關，所有數據均通過IP地址訪問Access數據庫中的數據并經過處理得到。

5 典型極限工況的仿真與穩性調節

本船舶于港口及石油平臺時吃水要求為2.0m以上，橫傾角允許變化范圍是［-0.8°，0.8°］，縱傾角的允許變化范圍是［-0.6°，0.6°］。

以船舶的典型極限工況為例，進行典型工況下的壓載水系統與船舶穩性調節仿真，圖9即為此典型極限工況下，經過壓載水系統調節后的各壓載艙的液位情況。此工況下，船舶左側的3個液貨艙處于滿艙狀態，壓載水仿真與監測系統檢測得到船舶橫傾角發生變化，大于允許范圍時，壓載水系統開始工作，圖9為船舶橫傾角隨時間變化的曲線。

6 結語

本文以某型油服工作為母船，通過WebAccess組態監控軟件建立整船的壓載水仿真監控系統，其中通過監控船舶傾角的變化利用Simulink軟件建立了壓載水仿真系統模型；以Office Access數據庫為中介建立了完整的數據通道，實現了通過IP地址進行遠程監控和訪問的功能，為無人化船舶的數據監控提供了數據通道的開發方式，也可用于輪機人員的壓載水系統操作和管理訓練。