船舶装载性能优化系统

摘要

本发明公开了一种能够帮助船舶驾驶员核算船舶浮态、稳性和强度，优化船舶航行纵倾，实时模拟船舶装载过程的船舶专业装载计算系统，即船舶装载仪。本发明包括船舶性能数据的计算，船舶性能校核，船舶纵倾优化和船舶装载过程实时模拟四个子计算系统。通过选择不同的子计算系统及其它们之间的相互配合，输入相应的船舶参数，可以得到船舶安全、经济航行的基本数据条件。本发明还提供了利用上述软件进行船舶浮态调整，稳性和强度核算、纵倾优化和实时模拟船舶装载过程的方法。本发明能够确保船舶装载和航行安全，简化船舶装载作业和节约能源，从而改善船舶运输的安全性和经济性，在很大程度上减轻了船舶驾驶人员的负担。

权利要求

1.一种船舶装载性能优化系统，其特征在于，包括：

船舶性能参数计算模块，用于计算空船重量、空船重心坐标、配载后船舶的初稳性高度值、配载后静稳性力臂、配载后船舶首吃水、配载后船舶尾吃水、配载后船舶横剖面的剪力和弯矩；

船舶性能校核模块，用于将初稳性高度值、静稳性力臂与稳性目标值比较，完成船舶的稳性校核；将船舶首吃水、船舶尾吃水与浮态目标值比较，完成船舶的浮态校核；将船舶横剖面的剪力和弯矩与强度目标值对比，完成船舶强度校核；

船舶纵倾优化模块，用于构建纵倾优化模型，将纵倾优化模型近似为表达吃水、航速和纵倾角与实船主机功率之间关系的三维响应面，在对应每个航速的三维响应面分别搜索一条实船主机功率最小的曲线记为最佳纵倾曲线，该纵倾曲线与每条吃水线的交点即为该航速下主机功率最小的最佳纵倾值；

船舶装载优化模块，用于实时接收船舶配载信息，调用船舶性能参数计算模块和船舶性能校核模块完成船舶稳性、浮态、强度校核，如果校核结果安全，则继续装载；如果校核结果危险，则停止当前装载，对配载位置和配载量进行调整，再次校核，直至所有货物装载完毕；

所述船舶纵倾优化模块用于构建纵倾优化模型： Ps为主机功率，T

为纵倾值，D表示平均吃水值，平均吃水值等于配载后船舶首吃水与尾吃水的均值,V表示航速变量，V0为当前航速，D0为当前平均吃水值，T1为当前允许最小纵倾值，T2为当前允许最大纵倾值；

将所述纵倾优化模型近似为表达吃水、航速和纵倾角与实船主机功率之间关系的三维响应面 y为主机功率Ps，变量xi为{T,D,V}，变量个数k＝3，β0为常数项，βi为线性系数，βii为二阶系数，βij为耦合系数，ε为计算残余；

将采样值(Ps,T,D,V)代入所述三维响应面确定各项系数，从而完成响应面三维数学模型的建立；

在对应每个航速的三维响应面分别搜索一条实船主机功率最小的曲线记为最佳纵倾曲线，该纵倾曲线与每条吃水线的交点即为该航速下主机功率最小的最佳纵倾值。

2.根据权利要求1所述的船舶装载性能优化系统，其特征在于，所述船舶性能校核模块包括：

稳性校核子模块，用于按照稳性衡准要求进行校核，所述稳性衡准要求具体为：初稳性高度GM不小于0.15m；静稳性力臂曲线在横倾角0°～30°之间的区域面积不小于0.055m·rad；静稳性力臂曲线在横倾角0°～M°之间所围面积不小于0.090m·rad，M为40°与进水角中的较小者；静稳性力臂曲线在横倾角30°～M°之间所围面积不小于0.030m·rad；横倾角

30°处的复原力臂不小于0.20m；最大复原力臂对应角不小于25°；

浮态校核子模块，用于按照浮态衡准要求进行校核，所述浮态衡准要求具体为：配载后船舶平均吃水不能超过夏季载重线，平均吃水等于配载后船舶首吃水与尾吃水的均值；配载后尾吃水保证螺旋桨完全浸没；配载后首吃水不能小于要求的最小首吃水；对于船长L大于150米的船舶，配载后船首吃水df>0.012L+2，配载后船舶平均吃水dm≥0.02LBP+2，LBP为首尾垂线间长；对于船长L小于或等于150米的船舶，配载后船首最小吃水df>0.025L+2，配载后船舶平均吃水dm≥0.02LBP+2；对于万吨级船舶，要求满载时尾倾为0.3m-0.6m，半载时尾倾为0.6m-0.8m，轻载时尾倾为0.9m-1.9m；

强度校核子模块，用于按照强度衡准要求进行校核，所述强度衡准要求具体为：配载后船舶横剖面的剪力和弯矩满足如下要求：

说明书

船舶装载性能优化系统

技术领域

[0001] 本发明涉及船舶营运管理领域，具体涉及一种船舶装载性能优化系统。

背景技术

[0002] 船舶的设计与建造由来己久，由于其运输能力强、经济性能好等优点，在七八十年代得到较快的发展，尤其是大型散货船和集装箱船发展迅速。由于货物运输需求的不断增加以及造船技术的不断进步，船舶发展趋于标准化、大型化，由早期小吨位至六七十年代万吨级再至今天的十几万吨级，而且还有继续增大的趋势。

[0003] 然而海上船舶事故始终伴随着船队的发展，保障船舶运输的安全是船舶运输的一项重要工作。从大量的船舶事故调查分析看，配载不合理会形成船舶严重的中拱或中垂，特别是在涌浪作用下就会产生强大的剪力和弯矩、扭曲力矩，造成肋骨脱焊、钢板破裂等危急现象，导致船舶在恶劣的气候条件下装重货或隔舱装载时发生船体结构损坏甚至从中断裂。同时，随着船舶能源成本的提高和船队规模的扩大，降低船舶运输能耗和提高船舶运输效率也变得十分重要。

[0004] 由此可见，对船体进行合理细致的检查校核，对船舶进行合理装载以及对船舶进行航行阻力优化是保障船舶运输安全，提高船舶运输效率和降低船舶运输能耗的重要途径。

发明内容

[0005] 针对现有技术的迫切需求，本发明提供一种船舶装载性能优化系统，其目的在于，采用计算机辅助手段对船舶的稳性、浮态和强度进行有效校核，以及对船舶装载和航行阻力进行仿真优化，从而保障船舶运输安全，提高船舶运输效率和降低船舶运输能耗。

[0006] 一种船舶装载性能优化系统，包括：

[0007] 船舶性能参数计算模块，用于计算空船重量、空船重心坐标、配载后船舶的初稳性高度值、配载后静稳性力臂、配载后船舶首吃水、配载后船舶尾吃水、配载后船舶横剖面的剪力和弯矩；

[0008] 船舶性能校核模块，用于将初稳性高度值、静稳性力臂与稳性目标值比较，完成船舶的稳性校核；将船舶首吃水、船舶尾吃水与浮态目标值比较，完成船舶的浮态校核；将船舶横剖面的剪力和弯矩与强度目标值对比，完成船舶强度校核；

[0009] 船舶纵倾优化模块，用于构建纵倾优化模型，将纵倾优化模型近似为表达吃水、航速和纵倾角与实船主机功率之间关系的三维响应面，在对应每个航速的三维响应面分别搜索一条实船主机功率最小的曲线记为最佳纵倾曲线，该纵倾曲线与每条吃水线的交点即为该航速下主机功率最小的最佳纵倾值；

[0010] 船舶装载优化模块，用于实时接收船舶配载信息，调用船舶性能参数计算模块和船舶性能校核模块完成船舶稳性、浮态、强度校核，如果校核结果安全，则继续装载；如果校核结果危险，则停止当前装载，对配载位置和配载量进行调整，再次校核，直至所有货物装载完毕。

[0011] 进 一步 地 ，所 述 船 舶纵 倾 优化 模 块 用于 构 建纵 倾 优化 模 型 ： Ps为主机功率，T为纵倾值，D表示平均吃水值，平均吃水值等于配载后船舶首吃水与尾吃水的均值,V表示航速变量，V0为当前航速，D0为当前平均吃水值，T1为当前允许最小纵倾值，T2为当前允许最大纵倾值；

[0012] 将所述纵倾优化模型近似为表达吃水、航速和纵倾角与实船主机功率 之间关系的三维响应面 y为主机功率Ps，变量xi为{T,D,V}，变量个数k＝3，β0为常数项，βi为线性系数，βii为二阶系数，βij为耦合系数，ε为计算残余；

[0013] 将采样值(Ps,T,D,V)代入所述三维响应面确定各项系数，从而完成响应面三维数学模型的建立；

[0014] 在对应每个航速的三维响应面分别搜索一条实船主机功率最小的曲线记为最佳纵倾曲线，该纵倾曲线与每条吃水线的交点即为该航速下主机功率最小的最佳纵倾值。

[0015] 本发明采用计算机辅助手段，优化配载，充分利用船舶的装载能力，并使船舶具有适当的稳性、足够的强度、合理吃水差以及最佳的航行姿态，达到确保船舶航行安全，优化船舶装载作业和降低船舶能耗的目的。船舶纵倾优化模块无需更改船舶线型及增加其他船用设备，使用方便可靠，只需调整船舶的纵倾角度即可达到节约能源、减少排放的效果。

附图说明

[0016] 图1为本发明船舶装载性能优化系统整体框架图；

[0017] 图2为船舶初稳性计算示意图；

[0018] 图3为船舶静稳性力臂曲线图；

[0019] 图4为船舶浮态图；

[0020] 图5为船舶强度曲线图；

[0021] 图6船舶最佳纵倾显示图；

[0022] 图7为纵倾优化响应面示意图；

[0023] 图8为船舶装载优化过程示意图。

具体实施方式

[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0025] 如图1所示，本发明提供了一种船舶装载性能优化系统，包括船舶性能参数计算模块、船舶性能校核模块、船舶纵倾优化模块和船舶配载优化模块，下面对各模块详细说明。

[0026] 1、船舶性能参数计算模块

[0027] (1)船舶重量及重心坐标的计算

[0028]

[0029] 其中，Δ即为船舶总重量(t)，WL为空船重量(t)，xL、yL、zL为空船重心的坐标(m)，Pi为各类装载重量(t)，包括货物重量、燃油、润滑油、淡水、压载水、食品等，xi、yi、zi为相应各项的重心坐标(m)，C为船舶常数(t)，xC、yC、zC为常数重心的坐标(m)，(xg，yg，zg)为船舶总的重心坐标。

[0030] (2)船舶初稳性计算

[0031] 如图2所示，船舶初始水线面为WL，船舶横倾后的水线面为WlLl，船舶稳心为M，重心为G，θ为船舶横倾角，船舶正浮浮心为B，横倾后浮心为Bl，横倾前后两浮力作用线的交点为M，GZ为稳性力臂。

[0032] 初稳性方程式

[0033] MR＝9.18ΔGMsinθ

[0034] 其中MR表示稳性力矩(KN·m)，θ表示船舶横倾角(°)，GM为初稳 性高度(m)。

[0035] GM是衡量船舶初稳性大小的基本标志。初稳性高度GM的表达式

[0036] GM＝KM-KG

[0037] 式中KM为横稳心距船舶基线的高度，可根据船舶装载后的排水量查取静水力曲线表或通过静水力计算得到，KG为船舶重心距船舶基线的高度，也即为船舶重心的垂向坐标zg。

[0038] 船上各液体舱柜,在液体未充满整个舱内空间时，随船舶横倾向倾斜一侧移动，该液体表面称为自由液面。当船舶倾斜时，舱柜内的液体随之流动，使液体的重心向倾斜一方移动，产生一横倾力矩，从而减少了原有的稳性力矩，也即降低了初稳性高度。其减小值为[0039]

[0040] 式中，ρ为某液体舱柜所装载的液体密度(t/m3)，ix为某液体舱柜内自由液面对液面中心轴的面积惯性矩(m4)。

[0041] 若液舱内液体未装满，初稳性高度应进行自由液面修正，经自由液面修正后的初稳性高度值为

[0042] G0M＝KM-KG-δGMf

[0043] (3)船舶大倾角稳性计算

[0044] 船舶在外力作用下发生大倾角横倾，当外力消失后，船舶重力和浮力形成一力偶，其力矩即为静稳性力矩

[0045] MS＝Δ·GZ

[0046] 船舶在排水量一定的条件下，静稳性力矩MS大小取决于船舶重心到倾斜后浮力作用线的垂直距离，即取决于静稳性力臂GZ，并与GZ成正比。选取基点作为量取力臂的参考点，则静稳性力臂GZ可表示为

[0047] GZ＝KN-KG0sinθ

[0048] 式中KN为形状稳性力臂,它是龙骨基线中点也就是坐标原点到倾斜后 浮力作用线垂距，KN只与船体水线下的形状有关，KN值由船舶装载排水体积Δ及横倾角θ查稳性交叉曲线确定。KG0为经自由液面修正后的船舶重心距基线高度。

[0049] 配载后静稳性力臂GZ跟随横倾角θ的变化而变化规律，将GZ与θ的关系绘制成一条曲线，称为静稳性力臂曲线。

[0050] (4)船舶浮态计算

[0051] 船舶浮态可用船舶平衡水线下的首尾吃水表示。船舶纵倾的大小用船舶吃水差表示，船舶吃水差是指船舶首吃水df与尾吃水da的差值，用t来表示。

[0052]

[0053] 式中Δ为船舶排水量(t)，xg为船舶重心纵坐标(m)，xb为船舶浮心纵坐标(m)，MTC为每厘米纵倾力矩(t·m)。

[0054] 船舶首尾吃水df和da由下式求得

[0055]

[0056] 式中，dM为船舶等容吃水(m)，LBP为船舶首尾柱间长(m)，xf为船舶漂心纵向坐标(m)。

[0057] (5)船舶强度计算

[0058] 船舶纵向各区段上船体所受重力和浮力的差值，就是该区段船体上所受垂向合外力，称为负荷。分段船体上负荷的存在，使船体各横剖面上将受到剪力和弯矩的作用。假定重力沿船长的分布为p(x)，浮力沿船长的分布为b(x)，其中x为沿船长方向的纵向坐标，则它们的差值就是引起船体梁总纵弯曲的载荷q(x)，即

[0059] q(x)＝p(x)-b(x)

[0060] 根据船体梁的理论，在船舶任意横剖面上的剪力N(x)和弯矩M(x)可表示为[0061]

[0062]

[0063] 2、船舶性能校核模块

[0064] (1)稳性校核

[0065] 船舶各装载状态下经自由液面修正后的完整稳性应同时满足以下基本衡准要求：

[0066] 初稳性高度GM不小于0.15m；静稳性力臂曲线在横倾角0°～30°之间的区域面积不小于0.055m·rad；静稳性力臂曲线在横倾角0°～M°之间所围面积不小于0.090m·rad，M为40°与进水角中的较小者；静稳性力臂曲线在横倾角30°～M°之间所围面积不小于0.030m·rad；横倾角30°处的复原力臂不小于0.20m；最大复原力臂对应角不小于25°；

[0067] 如果稳性计算结果不符合安全要求，装载计算系统自动报警并提示相应的危险原因。

[0068] (2)浮态校核

[0069] 按照浮态衡准要求进行校核，所述浮态衡准要求具体为：配载后船舶平均吃水不能超过夏季载重线，平均吃水等于配载后船舶首吃水与尾吃水的均值；配载后尾吃水保证螺旋桨完全浸没；配载后首吃水不能小于要求的最小首吃水；对于船长L大于150米的船舶，配载后船首吃水df>0.012L+2，配载后船舶平均吃水dm≥0.02LBP+2，LBP为首尾垂线间长；对于船长L小于或等于150米的船舶，配载后船首最小吃水df>0.025L+2，配载后船舶平均吃水dm≥0.02LBP+2；对于万吨级船舶，要求满载时尾倾为0.3m-0.6m，半载时尾倾为0.6m-0.8m，轻载时尾倾为0.9m-1.9m。

[0070] 如果浮态计算结果不符合安全要求，装载计算系统自动报警并提示相应的危险原因。

[0071] (3)强度校核

[0072] 对于总纵强度的核算具体要求为，任一装载状态下，船舶主要站面上的剪力和弯矩满足如下要求:

[0073]

[0074]

[0075] 如果强度计算结果不符合安全要求，装载计算系统自动报警并提示相应的危险原因。

[0076] 3、船舶纵倾优化模块

[0077] 依据船舶型值表和型线图制作船舶模型，分别在船模首部、中部和尾部标注不同吃水的刻度线，方便纵倾角的调整。

[0078] 开展不同吃水、不同航速和不同纵倾角下的系列模型阻力试验，将试验结果按照弗劳德方法换算到实船的主机功率。船模的总阻力Ct从模型试验中获得，摩擦阻力系数Cf由1957的ITTC公式得到，则剩余阻力系数CR可以由下面的公式得到：

[0079] CRm＝Ctm-Cfm＝CRs

[0080] 式中下标m和s分别表示模型和实船。实船的总阻力系数Cts可以通过下式得到：

[0081] Cts＝Cfs+CRs+ΔCf

[0082] 式中ΔCf为粗糙度补贴系数，取为ΔCf＝0.4×10-3，由于实船表面比较粗糙，而船模表面很光洁，故对实船摩擦阻力系数要作修正。实船的总阻力R可以由下式得到：

[0083]

[0084] 式中，S为实船在水中航行时的湿表面积，ρ为水的密度。因此，实船有效功率(PE)可以表示为：

[0085] PE＝R×V

[0086] 式中V为实船航速。最后，实船的主机功率PS可以通过下式得到：

[0087]

[0088] ηS为轴系传送效率，ηG为齿轮箱效率，ηD为推进效率。三者通过船舶设计资料均可查到。

[0089] 以不同吃水、不同航速和不同纵倾角下的实船的主机功率为基础，形成纵倾优化数据源。以纵倾、吃水和航速为设计变量，以主机功率为目标函数，以纵倾范围、吃水范围和航速要求为约束条件，建立纵倾优化数学模型，如下：

[0090] PS＝f(T,D,V)

[0091]

[0092] 其中，PS为主机功率，T为纵倾值，D为平均吃水值，V为航速，V0为当前航速，D0为当前吃水，T1为当前允许最小纵倾值，T2为当前允许最大纵倾值；

[0093] 根据二阶多项式响应面模型建立可以近似表达吃水、航速和纵倾角与实船主机功率之间关系的三维响应面，其表达式为：

[0094]

[0095] 其中k为变量个数，β0为常数项，βi为线性参数系数，xi为变量，βij为耦合参数系数，ε为计算残余量。为了求解响应面上的关键点(最大值点、最小值点或拐点)，二价多项式响应面模型有必要包含平方项，如下式：

[0096]

[0097] 其中βii为二阶参数系数。

[0098] 将采样值(Ps,T,D,V)代入所述三维响应面确定各项系数，从而完成响应面三维数学模型的建立，如图7所示。

[0099] 运用直接搜索算法，可以找到对应每个航速的响应面上均存在一条最佳纵倾曲线，该纵倾曲线与每条吃水线的交点即为主机功率最小的最佳纵倾值处。

[0100] 采用Fortran语言结合c#语言将上述数据和寻优过程编写成可执行的纵倾优化代码，并将之融合到船舶装载仪系统中，作为船舶装载仪的一个子计算系统。实船应用时，根据船舶的受载情况，输入船舶当前航速、排水量和首位吃水，即可给出船舶在该装载情况下所应保持的最佳纵倾状态，使得船舶以最小的阻力航行，节约燃料。

[0101] 4、船舶装载优化模块

[0102] 对船舶的各类舱室信息进行统计分类，包括舱室的大小、位置、承载量等信息；货物装载前，对货物信息进行统计分类，包括货物的体积、重量、状态等信息。将舱室的详细信息传送给船舶配载优化模块，可以随时调用，并且将舱室装载状况以对话框形式显示出来。

[0103] 调用船舶性能参数计算模块和船舶性能校核模块完成船舶稳性、浮态、强度校核，如果校核结果安全，则继续装载；如果校核结果危险，则停止当前装载，对配载位置和配载量进行调整，再次校核，直至所有货物装载完毕，装载模型如图8所示。

[0104] 在船舶货物装载之前，制定出一系列的装载作业程序，对每一装载作业程序进行实时模拟，包括对装载顺序和单次装载量进行监测和试验，在该过程中，实时的显示船舶的稳性和各剖面的剪力、弯矩变化等性能情况。驾驶员在已进行装载试验的作业程序中选取一个较为理想作业程序，进行 实时装载，确保装载过程中的船舶安全。

[0105] 作为面向航海人员的船舶专业软件，船舶装载计算系统除了在功能上要尽量完善、数据尽可能准确外，界面应该尽量简洁友好，便于操作，并有很好的容错性。具体实施方式如下：

[0106] 1.进入船舶装载计算系统主菜单及子计算系统。

[0107] 2.将船舶的货、油、水等装载信息输入到船舶装载性能优化系统。

[0108] 3.根据用户所需要的船舶装载性能优化系统计算数据，选择不同的子计算系统，包括船舶性能数据的计算，船舶航海性能的校核，船舶纵倾优化计算和船舶装载优化。

[0109] 4.在相应的子计算系统中输入不同的船舶数据，具体如下：

[0110] (1)在船舶性能数据的计算中，包括船舶重量及重心坐标计算、船舶初稳性计算、船舶大倾角稳性计算、船舶浮态计算和船舶强度计算；

[0111] (2)在船舶航海性能的校核中，调用船舶性能数据计算的结果。输入船舶初稳性计算和船舶大倾角稳性计算的结果数据，依据船舶稳性的相关规范，对船舶进行稳性校核，并提示是否安全；输入船舶浮态计算的结果数据，依据船舶浮态的相关规范，对船舶进行浮态校核，并提示是否安全；输入船舶强度计算的结果数据，依据船舶强度的相关规范，对船舶进行强度校核，并提示是否安全；

[0112] (3)在船舶纵倾优化中，输入船舶的当前排水量、航速和首吃水及尾吃水，纵倾优化子计算系统对船舶的纵倾进行自行优化。

[0113] (4)在船舶装载过程实时模拟中，通过输入舱室、货物信息，对预制的各装载方案进行模拟试验，并实时的监测装载过程中船舶稳性和强度信息。

[0114] 5.船舶装载仪整合船舶装载信息和船舶输入数据，根据用户所选子计算系统的不同，进行相应的数据处理。

[0115] 6.结果显示与打印(输出)，具体如下：

[0116] (1)在船舶性能数据的计算中，船舶重量及重心坐标计算输出船舶的总重量和重心坐标，船舶初稳性计算输出船舶的静稳性力臂，船舶大倾角稳性计算输出船舶的静稳性力臂曲线，如图3所示。船舶浮态计算输出船舶浮态图，如图4所示。船舶强度计算输出船舶强度曲线，如图5所示；

[0117] (2)在船舶航海性能的校核中，船舶稳性、浮态和强度是否满足要求，由用户利用船舶性能数据计算结果，依据船舶的相关规范进行判断，并显示安全性警告和提示；

[0118] (3)在船舶纵倾优化中，输出船舶在一定排水量和航速下具有最小航行阻力时的首尾吃水，如图6所示。

[0119] (4)在船舶装载过程实时模拟中，输出装载过程中船舶的稳性和各剖面的剪力、弯矩变化情况。

[0120] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。