基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統開發

朱寶會，孫彥剛，李玉山，翟 超

應用研究

基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統開發

朱寶會，孫彥剛，李玉山，翟 超

（招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東 威海 264200）

本文提出了一種基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統的設計方法。該方法采用AVEVA軟件實現船舶重量相關數據的實時采集和處理,開發一套圖形化界面進行數據可視化展示和報表輸出，實現對船舶重量重心的實時監控與預警。通過對系統進行測試和分析，結果表明所設計的系統準確度高、響應速度快，能夠有效提高船舶設計和建造的效率與質量。

AVEVA軟件 船舶重量重心 實時監控 數據采集 可視化

0 引言

船舶設計與建造中，重量重心是關鍵參數，對船舶穩定性、性能和安全性至關重要[1,2]。傳統的計算方法耗時費力且容易出錯。隨著計算機技術的發展，越來越多的研究者開始利用CAD/CAE技術實現船舶重量重心的計算和控制。

基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統是熱門研究方向之一。AVEVA軟件是一種集成化的CAD/CAE軟件，廣泛應用于船舶、海洋平臺和海洋工程等領域。它提供強大的建模、分析和優化功能，用于模擬和分析船舶的設計、建模、制造等過程。

船舶重量重心的準確計算和控制對船舶設計和建造至關重要，直接影響穩定性、速度、荷載能力等因素。然而，傳統方法存在耗時費力和誤差的問題。AVEVA軟件作為領先的CAD/CAE軟件，能夠在設計階段進行重量統計和重心計算，確保船舶設計滿足各項要求[3-6]。

然而，目前市場上較少采用船舶重量重心監控系統的，或者計算船舶重量重心的方式還是統計匯總等較為傳統的方式。這種匯總方式主要是利用Excel表格進行按主要設備或者系統進行匯總，并不能真正準確地提取重量和重心。而且這種統計存在誤差和缺乏實時監控功能的問題。因此，需要基于AVEVA軟件開發一種先進的船舶重量重心實時監控系統來解決這些問題。

本研究旨在開發一種基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統，并優化改進現有方法。通過利用AVEVA軟件的強大重量重心計算功能，開發一套看板軟件來實現船舶重量重心的實時監控和控制，提高船舶設計和建造的效率，并降低成本和周期。

我們希望開發出高效、準確且智能化的船舶重量重心實時監控系統，為船舶設計與建造提供更好的支持。這將提升船舶的穩定性、安全性和經濟性，推動船舶工程領域的發展。

1 船舶重量重心實時監控系統設計思路

基于AVEVA軟件開發一套船舶重量重心實時監控系統的設計思路和方法。具體而言，本研究采用了以下步驟：

1.1 系統需求分析

首先，通過對現有船舶重量重心監控系統的分析，明確了船舶重量重心監控系統所需具備的功能和特點，包括實時采集和統計船舶各部分的重量，根據各專業的特點開發一套自動重量和重心的實時統計和展示；在設計過程中監控船舶各區域的重量、自動計算船舶各部位的重心、提供報警和預警功能等。

1.2 系統架構設計

基于系統需求分析，提出了一種基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統架構，該架構由數據采集模塊、數據處理模塊、數據顯示模塊和報警模塊等組成。其中，數據采集模塊負責采集船舶重量重心相關的數據，數據處理模塊進行數據處理和分析，數據顯示模塊將數據以可視化的形式展現給用戶，報警模塊則負責實現對船舶重量重心異常的自動報警和預警功能。

1.3 系統開發實現

在系統架構設計的基礎上，利用AVEVA軟件進行系統的開發和實現，通過編寫相關的程序代碼和算法實現了數據采集、數據處理、數據顯示和報警預警等功能，最終實現了船舶重量重心的實時監控，如圖1所示。

圖1 船舶重量重心UI示意圖

1.4 系統測試驗證

為了驗證所設計的船舶重量重心實時監控系統的可行性和有效性，進行了一系列的系統測試和實驗，通過對船舶重量重心的實時監控和數據分析，證明了所設計的系統在實際應用中具有較高的可靠性和準確性。

2 船舶重量重心實時監控系統實現

2.1 建立船舶模型

通過AVEVA軟件中的3D模型建模功能，將船舶的結構、設備、管道等進行3D建模，如圖2所示為某船廠客滾船使用AVEVA軟件建模后效果圖。

圖2 船舶3D建模

2.2 區域劃分

根據船舶的結構和設計，將船舶劃分為不同的區域或部分。這些區域可以是船體、船艙、機艙、貨艙等。劃分區域的目的是將船舶的重量分解為不同的部分，以便更好地進行重量統計和重心計算。圖3以結構專業為例進行分段分塊計算。

圖3 船舶結構專業按區域進行分割

2.3 材料屬性定義

在AVEVA軟件中，為每個船舶部分定義相應的材料屬性。這些屬性包括材料密度、彈性模量等。通過準確定義材料屬性，能夠更準確地計算船舶各部分的重量。

2.4 重量計算

基于船舶的區域劃分和材料屬性定義，利用AVEVA軟件的計算功能進行重量計算。軟件根據每個區域的材料屬性和相應的幾何形狀，自動計算出各個部分的重量。這些重量數據可以是總重量、單個區域的重量或特定部件的重量。具體而言，針對重量的計算方式有以下幾種。

1）針對結構BLOCK基于元素體積和密度計算重量

在這種方法中，AVEVA會將BLOCK中所有結構單元的體積加起來，再根據用戶定義的密度值來計算BLOCK的總重量。

2）針對管道模塊的重量計算

在AVEVA 軟件的管道模塊中，重量計算主要基于管道長度、直徑、壁厚和密度等參數進行。具體來說，AVEVA 會根據用戶定義的管道材料密度和壁厚等參數，計算出每個管道的體積，然后根據體積和密度等參數計算出每個管道的重量，最后將所有管道的重量相加得到系統的總重量。

3）設備模塊的重量計算

在AVEVA 軟件的設備模塊中，重量計算主要基于設備的幾何形狀、材質密度和壁厚等參數進行。具體來說，AVEVA 會根據用戶定義的設備幾何形狀和材質參數，計算出每個設備的體積，然后根據體積和密度等參數計算出每個設備的重量，最后將所有設備的重量相加得到系統的總重量。AVEVA 還提供了各種設備重量報表和圖表，幫助用戶快速準確地評估設備系統的重量和性能。

4）電氣模塊的重量計算

在AVEVA Electrical軟件的電氣模塊中，重量計算主要基于電纜長度、直徑和密度等參數進行。具體來說，Electrical會根據用戶定義的電纜材質密度和直徑等參數，計算出每根電纜的體積，然后根據體積和密度等參數計算出每根電纜的重量，最后將所有電纜的重量相加得到系統的總重量。

2.5 重量采集

根據各專業模塊的重量計算結果，計算機程序從船舶三維設計模型的各個專業模塊中提取重量和重心數據，并按專業和區域的目錄型式進行數據匯總。圖4為重量重心采集為CSV格式流程圖。

圖4 船舶各專業模塊采集重量流程圖

該采集過程簡述為：通過從船舶三維模型中提取每個模型的重量和坐標信息，獲取每個元素的數據類型，判斷該元素類型。

1）如元素類型屬于船體模塊，則按船體模塊的重量方式和坐標信息進行提取。根據船體的設計模型，將船體細分為各個分段，例如前甲板、船殼、船底等。從每個分段中提取相關的重量數據，并記錄子項的目錄、名稱、代號的重量以及三維坐標（XPOS、YPOS、ZPOS）等信息。

2）如果是其他舾裝模塊（如管道、設備、電氣、舾裝等），則按該模塊類型的重量計算方式進行提取數據，并記錄子項的目錄、名稱、代號的重量以及三維坐標（XPOS、YPOS、ZPOS）等信息。

最終把采集后的元素進行數據匯總并保存為CSV文件，從而實現重量提取的過程。

各模塊重量提取詳情詳見表1。

表1 AVEVA 不同模塊的重量計算方式

3 船舶重量重心計算

3.1 數據導入

通過開發一套AVEVA軟件中的重心計算工具，把采集后的CSV數據導入數據庫，通過數據庫對船舶的各專業、各區域部位進行分類計算，包括船舶各個部件的重量、重心位置等。

3.2 重心計算

在AVEVA軟件中，每個組件的重心計算方式是根據組件的形狀和材質等屬性來進行的。一般來說，對于簡單的幾何形狀，如球體、圓柱體、長方體等，可以使用已知公式來計算其重心位置。對于復雜的幾何形狀，如曲線、曲面等，則需要使用數值計算方法來進行重心計算。

在進行重心計算時，需要將組件的密度信息考慮在內，以確保計算出的重心位置能夠準確反映組件的質量分布情況。一般來說，軟件會自動將組件的密度值和材質屬性應用到重心計算中，以便得出更準確的結果。

以設備EQUI為例，以下是一個簡單的重心計算公式示例：

其中，是設備中第個組件的質量，、、分別是該組件的質心位置在軸上的坐標，M是設備的總質量。

這個公式的意思是，設備的重心位置是所有組件的質心位置加權平均得到的結果，其中每個組件的權重為其質量。最終則根據采集到數據庫的重量和重心進行匯總出最終的船舶重心。

以設備EQUI為例，以下是一個簡單的重量重心提取數據表：

表2 AVEVA 設備肋重量重心提取表

3.3 船舶重量重心可視化看板展示

根據計算和定制的結果，將生成相應的數據進行可視化展示和報告。包括以可視化方式展示數據的看板或圖表，以及生成詳細的報告文檔等，以滿足船舶設計人員對數據分析和決策的需求。

3.3.1 數據可視化展示

將計算結果以可視化方式展示，例如生成各個構造專業模塊重量的柱狀圖、散點圖等，以直觀地呈現各模塊的重量占比。圖5為某船舶各專業模塊分解后，通過各元素所在的坐標進行坐標信息重組后的3D散點圖，該圖可非常直觀的展示船舶的總重和和坐標信息。

下一步亦可繪制船舶的重心位置圖，展示整體重心位置的分布情況，幫助設計人員了解船舶的平衡性和穩定性。

3.3.2 報告生成

報告可以包括表格、圖表、文字描述和解釋，以清晰地呈現計算結果和重量重心的詳細信息。

報告應根據設計人員的需求進行定制，可以包括特定的計算指標、對比分析、敏感性分析等，以滿足設計人員對數據的詳細理解和決策支持。

3.3.3 數據交互和查詢

可以開發數據交互界面或查詢工具，使設計人員能夠根據需要自由查詢和獲取計算結果。提供搜索功能和篩選條件，以便設計人員根據特定要求對數據進行篩選和查找。數據交互界面可以通過圖形界面或Web應用程序實現，以方便設計人員的操作和使用。

3.3.4 數據分析

通過采集后的重量和各種看板和報表信息，可對船舶的重量重心信息進行統計和分析，根據設計模型重量變化，重量和重心的實時采集也會同步，以便優化船舶設計和操作方案，降低建造和運營成本，提高安全性和航行效率。詳見圖6.

圖6 船重量重心數據曲線表

基于以上方法，可以設計并開發出一套功能完善、實用性強的船舶重量重心實時監控系統，為船舶設計和運營提供有效支持和保障。

4 研究分析

4.1 系統實現流程與技術路線

在本研究中，我們提出了一種基于AVEVA軟件開發的船舶重量重心實時監控系統設計方法，并通過以下技術路線來實現：

4.1.1數據采集

利用AVEVA軟件提供的接口實現對船舶重量相關數據的實時采集，包括船體結構、船舶設備、管道、配重等方面的數據，將其傳輸至數據庫系統。

4.1.2 數據處理

通過把采集后的數據進行計算，包括重量按模塊和專業進行匯總，重心自動計算等。

4.1.3系統設計

在數據采集和處理的基礎上，進行系統設計，包括界面設計、實時監控與預警等方面。在界面設計方面，通過開發的一套的圖形化展示功能，可利用Python或 Javascript程序進行UI設計（圖7），實現船舶重量重心的三維可視化展示，并將其與實時監控數據相結合。在實時監控與預警方面，通過對重心偏差閾值的設定，實現對船舶重量重心實時監控，從而在船舶設計過程中對出現異常時進行及時的預警和報警。

圖7 重量重心實時展示UI界面

通過以上技術路線，我們可以實現基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統的設計與開發。

4.2 系統測試與分析

通過對船舶重量重心實時監控系統進行測試，檢測系統的穩定性和可靠性，并對系統性能進行優化。在本研究中，我們選擇了一艘特定的船舶作為案例研究對象，通過設計技術規格書收集了該船的建造設計數據，包括船舶的物理尺寸、重量分布、各部件的材料、工藝參數等。同時，我們還收集了該船在實際運行中的數據，包括船舶的吃水、載重情況、重心位置等。

1）對系統進行了基本功能測試，包括對船舶重量重心的實時監控、數據的實時采集和分析、數據的可視化和報表輸出等方面進行了測試。測試結果顯示，系統能夠實現船舶重量重心的實時監控，數據的采集和分析具有較高的準確性和實時性，同時系統界面簡潔明了、操作簡便，能夠滿足船舶建造現場的實際需求。

2）對系統的性能進行了測試，包括數據處理速度、數據存儲和傳輸等方面。測試結果顯示，系統能夠快速處理大量的實時數據，存儲和傳輸數據的速度也能夠滿足實際需求。

3）將系統應用于實際的船舶建造項目中進行了驗證。測試結果顯示，系統能夠對船舶重量重心進行實時監控和分析，并能夠在設計過程中及時發現和解決問題，減少了建造周期和成本。

4.3 與傳統方法的比較分析

為了驗證本研究所提出的基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統的有效性，需要與傳統的船舶重量重心計算方法進行比較分析。傳統的船舶重量重心計算方法通常是基于手動計算和根據詳細設計圖紙上的數據進行推算，其計算精度受到人為操作和設計圖紙上數據的限制，且無法及時進行數據更新和監控，容易出現誤差和漏算。

圖8 傳統的重量重心計算方法

如圖8所示為傳統的重量重心計算模式，其計算方式只是簡單的針對部分系統圖紙進行粗略統計，無法做到從設計模型階段進行具體的量化和細化，對重量和重心計算不夠精準和高效。

本研究所提出的基于AVEVA軟件的船舶重量重心開發實時監控系統，能夠實現在船舶設計過程中自動對船舶重量重心的實時監控和計算，并且能夠快速響應和修正計算結果。在實際的應用過程中，將本系統與傳統方法進行比較分析，結果表明本系統的計算精度更高，且能夠快速響應并及時修正計算結果，減少了誤差和漏算的可能性，提高了計算的可靠性和準確性。同時，能夠及時發現和解決問題，減少了不必要的重復計算和修正工作，提高了工作效率。

綜上所述，本研究所設計開發的基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統能夠滿足船舶建造現場的實際需求，具有較高的準確性和實時性，可以有效地提高船舶建造的效率和質量。

因此，本研究所提出的基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統具有顯著的優勢和應用價值，能夠有效提高船舶設計和建造的效率和質量。

5 結論

1）本研究提出了一種基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統的設計方法，實現了船舶重量重心的實時監控與分析。

2）本系統采用基于AVEVA軟件實現數據的實時采集，開發了一套重量數據處理、圖形化界面的系統進行數據展示與報表輸出，實現了對船舶重量重心的實時監控和預警功能。

3）通過對本系統進行測試與分析，證明所設計的系統具有較高的準確度和響應速度，能夠滿足船舶設計建造現場的實際需求，提高工作效率和質量。

4）與傳統方法相比，本系統具有更高的準確性、實時性和響應速度，能夠及時發現和解決問題，減少誤差和重復工作，提高質量與效率。

5）本研究設計開發的基于AVEVA軟件的船舶重量重心實時監控系統，在船舶設計與建造中具有顯著的應用價值，能夠有效提高工作效率和質量。為船舶重量重心的精準計算和控制提供了新的思路，進而推動船舶工程技術的發展。

[1] 李群. 船舶重量重心控制方案[J]. 機電技術, 2020(5): 66-69.

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[3] 王凱歌, 周晶, 尹東亮. 大型船舶現場建造期間的重量重心控制[J]. 裝備制造技術, 2016(6): 181-182.

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Development of a real-time monitoring system for ship weight and center of gravity based on AVEVA software

Zhu Baohui, Sun Yangang, Li yushan, Zhai Chao

（China Merchants Jinling Shipyard (Weihai) Co,.Ltd，Weihai 264200, Shandong, China）

This paper proposes a design method of real-time monitoring system for ship weight and center of gravity based on AVEVA software. The method uses AVEVA software to realize real-time acquisition and processing of ship weight related data, develops a graphical interface for data visualization and report output, and realizes real-time monitoring and early warning of ship weight and center of gravity. Through testing and analysis of the system, the results show that the designed system has high accuracy, high response speed, can effectively improve the efficiency and quality of ship design and construction.

AVEVA software; ship weight and center of gravity; real-time monitoring; data acquisition; visualization

U662

A

1003-4862（2023）09-0057-06

2023-01-06

2021年山東省重點研發計劃《高端客滾船高效建造關鍵技術研究與應用》（編號：2021CXGC010702）

朱寶會（1981-），男，工程師，主要從事船舶輪機和舾裝設計。E-mail: zhubaohui@cmhk.com