船舶智能纵倾控制系统

2018-10-16王绪明刘维勤宋学敏

中国航海 2018年3期

王绪明，刘维勤，吴昊，宋学敏

(武汉理工大学 a.国家水运安全工程技术研究中心；b.高性能舰船技术教育部重点实验室，武汉 430063)

随着第四次工业革命的到来，船舶设备的智能化是时代发展的必然趋势，而逐步实现船载设备系统的智能化则是当前的重要工作，将绿色节能与人工智能相结合更是船舶技术的重要发展方向。大型货运船舶在最佳纵倾角下航行是实现绿色节能技术的重要方法。货运船舶在一定排水量下，若改变装载状态会产生纵倾变化，则船体水线长度、船体水下几何形状、浮心位置、浸水面积、进水角、去流角及船型的方型系数和水线面系数等都将发生变化。这些变化必然会导致兴波阻力、摩擦阻力及黏压阻力等各阻力成分的改变，致使船舶总阻力发生变化。在排水量和航速一定的情况下，必定存在着一个最佳的纵倾角度，在该纵倾状态下航行时船舶的阻力最小，其消耗的主机功率也最少。

近年来世界能源供应紧张,节能已引起人们的高度重视，船舶最佳纵倾节能是改善船舶航行性能、降低燃油消耗的一项重要技术措施。美国国家能源委员会将该技术列为十大节能措施之一。瑞典一家航运公司对175艘不同种类的营运船舶采用最佳纵倾航行。法国、日本、丹麦、德国等国家也在积极研发应用这项技术，我国将该技术列为交通部“七·五”期间船舶节能的示范项目。邵勇[1]研究船舶纵倾优化方法及实施方案，提出船舶与岸基相配合实现船舶纵倾优化节能的重要性和对策，其研究结果表明，船岸双方共同实现船舶最佳纵倾，每年可节省1%～2%的燃油消耗。童骏等[3]运用CFX和FLUENT等商业软件计算液化石油气(Liquefied Petroleum Gas, LPG)船的阻力数值,用船模试验结果来验证，找到比较合理的数值计算方法,再对LPG船不同吃水、不同速度、不同纵倾下的阻力进行数值进行模拟计算，其结果表明，排除水深的影响，LPG船舶在不改变船舶航速、载重量的前提下可通过纵倾调节来减少船舶阻力。邱斌彬[3]以中海集运为例，研究不断优化船队结构，积极使用船舶节能新技术，提升燃油效率和减少排放，在业内率先运用船舶纵倾优化技术，经过理论论证、计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真模拟、水池试验、实船试航等过程，并在实际运用中取得了可喜的节能效果。林洪波等[4]给出船舶试用最佳纵倾航行的实例。杜建军[5]给出的最佳纵倾数值来自配载软件中的纵倾优化节能模块，可最大发挥其节油功效。刘伊凡等[6]通过FLUENT数值计算和SIMULINK建模仿真的方法，建立船舶的CFD计算模型，确定转速-航速-船舶能效营运指数(Energy Effciency Operation Index, EEOI)间对应关系的船舶能效准稳态仿真模型，进而分析在不同工况下纵倾变化对船舶营运能效的影响。张晶等[7]采用CFD方法计算得到一艘46 000 t油船在不同航速下的阻力变化规律，但未进行控制系统的研究。综上所述,最佳纵倾节能的效果是相当可观的。航运工程界已普遍认识到船舶纵倾对船舶能耗有着重要的影响，但至今未研发出一套能够自动调节至最佳纵倾角的纵倾控制系统。

大型船舶具有尺度大、设备多、系统复杂等特点，智能化是实现无人化的重要过渡阶段，通过采用具有智能化控制的船载设备系统逐步实现少人化、无人化。船舶智能纵倾系统是载重船舶重要的控制系统之一，本文研发一套船舶智能纵倾控制系统，实现对载重船舶在任意装载条件下至最佳纵倾角的调节。船舶智能纵倾控制系统是绿色船舶技术和智能船舶控制技术的重要融合，是智能货物运输船舶的重要智能控制技术。中国船级社《智能船舶规范(2015)》明确提出基于纵倾优化的最佳配载问题[8]。本系统正是为了实现船舶纵倾优化角度而开发的智能控制系统。现有的调整船舶纵倾方法通过人工手动操作控制来实现，依据船体当前状态，通过人工移动货舱内货物或调整前后压载水舱水量，或是手动操作控制设备来调整船舶纵倾角度。因此船舶营运前的配载过程往往需要耗费大量的人力和时间，导致成本高，准确度低且时效性差。本文自主设计一套船舶纵倾智能控制系统，使用机器和程序代替人工控制船舶智能地找到最佳纵倾角度，不仅可降低配载过程的时间成本和人力成本，提高倾角调整的准确性，而且可实现实时调控,甚至在航行过程中，避免人员和货物的移动等不确定因素引起纵倾变化，始终保持船舶处于最佳纵倾航行状态。

1 船舶纵倾自动控制系统研发的技术路径

本系统对倾角的调节方式是通过调节前后压载水舱的水量，从而调节船舶的纵倾角，即船舶艏倾由前水舱向后水舱抽水，艉倾则由后水舱向前水舱抽水,见图1。调节方式是改变船舶的配载情况来调节纵倾角，而将这个过程实现智能化控制正是研究的重点。本系统设计通过倾角感知模块、倾角分析模块、控制执行模块等3个模块来实现自动控制船舶纵倾。

1) 倾角感知模块用以实时测量船舶纵倾，由无线倾角仪、倾角仪接收器和倾角仪配套软件组成。纵倾调节设备原理示意如图1。倾角仪将倾角信息无线发送至倾角仪接收器，而接收器则与计算机有线相连，进而将接收的倾角信息保存至计算机，完成倾角的实时采集。倾角信息将被下一模块采集用于判断船舶当前姿态。

2) 倾角分析模块由本项目独立设计开发完成，也是实现船舶纵倾智能控制的主体。其包括比例积分-微分(Proportion Integral Derivative, PID)控制器和基于MATLAB平台编写的纵倾自动控制分析软件。

3) 控制执行模块是根据分析得到的调节方法，执行命令实现倾角调节的模块。PID无线控制盒将数字信号转换为电信号输出给水泵调速器，水泵调速器根据接收到的电信号驱动水泵开始工作，调节前后压载水舱水量，最终完成船舶纵倾的调节。水泵调速器根据用户在软件中输入的水泵流速级数的不同，控制水泵流速，实现水泵流速的可控。

2 基于PID控制的船舶纵倾控制系统

本系统采用PID控制算法来进行纵倾系统的智能控制，所采用的PID控制器是一种线性控制器。控制器通过上一模块接收到的船舶倾角信息，判断当前船舶姿态，同时根据软件中用户输入的指定角度及允许误差，得出调节方法。程序流程见图2。对船舶当前姿态的判断以及对调节方法分以下3种情况：

1) 当船舶的实时纵倾倾角α>给定倾角θ时，控制器驱动后水泵工作，后水泵将前压载水舱中的水抽到后压载水舱中。在后水泵工作时，倾角仪继续测量船舶的实时纵倾倾角α，当允许误差ER>|α-θ|时，控制器控制后水泵停止工作。

2) 当船舶的实时纵倾倾角α<给定倾角θ时，电脑通过控制器驱动前水泵工作，前水泵将后压载水舱中的水抽到前压载水舱中。在前水泵工作时，倾角仪继续测量船舶的实时纵倾倾角α，当允许误差ER>|α-θ|时，控制器控制前水泵停止工作。

3) 当允许误差ER>|α-θ|时，控制器控制前水泵和后水泵均不工作。

3 船体功能演示模型的设计

为了进行模型功能试验验证本系统是否可以实现船舶纵倾的智能控制，设计并制作用于执行本控制系统的船模。由于模型尺度相对较小，在保证横稳性以及一定纵倾角度的情况下，采用肥大型货船作为母船进行简化，设计出符合试验要求的船型。考虑到试验水池的约束和功能要求，模型船与母型船的主尺度并非完全等比例缩尺，模型船和母型船的详细主尺度见表1。模型最终通过3D打印的方式完成制作。模型船的设计图如图1所示。为了保证压载水舱和设备的布置有足够的空间，模型只分为3个舱室。模型中由于需要安装蓄电池、开关、无线倾角仪等不防水设备，故将中间舱设计为设备舱，除水泵外的设备均置于中间设备舱中。艏艉设计为水舱，艏艉水舱用水管相连，水泵置于水舱之中。各舱内的设备布置见图3。

表1 模型船与母型船的主尺度

控制盒有3个接口和一个工作指示灯，接口分别与开关、前后水泵的调速器相连。开关与蓄电池、控制盒、前后水泵调速器相连，需要手动开启和关闭。前后水泵仅与对应调速器相连。

4 模型功能试验方案设计

为了验证本系统的可行性，本项目组进行模型功能试验。试验通过计算机记录模型纵倾角随时间的变化数据并绘制图像，观察分析不同工况下系统的运行情况，完成对其功能的检测。试验在武汉理工大学流体力学实验室进行，采用有用于约束试验模型在横向不发生偏移的工装，使用2个1 kg砝码模拟施加外在纵倾载荷。

根据模型的基本数据计算得到模型的最大纵倾角为正负10°。拟设计5组具有代表性的工况测试本系统是否可以在外力载荷的作用下实现船舶纵倾的智能控制。本试验设计5个试验工况见表2。工况1初始模型水平，施加砝码若干个的外力干扰；工况2由艏倾调节至艉倾稳定后，施加外力干扰；工况3由艉倾调节至水平稳定后，施加外力干扰；工况4由艏倾调节至艉倾过程中，施加外力干扰；工况5由艉倾调节至艏倾过程中，施加外力干扰。

表2 功能演示试验的设计工况 (°)

5 模型功能试验结果分析

执行5个工况下的演示试验,见图4和图5。图4反映了5个工况下的时域船体倾角曲线。图5展示了工况1的模型测试状态。从图4a)可知工况1的T1至T2时刻未施加干扰，模型纵倾角保持稳定不变。T2时刻在艉部放置1个1 kg的砝码，纵倾角突然增大，系统立即开始调节纵倾。T4时刻系统调节纵倾角回到0°，T4至T5时刻由于船体存在纵摇，纵倾角处于波动状态。这段时间系统持续双向调整模型纵倾不超出允许误差范围，并逐渐趋于稳定。T5时刻将放置在模型船尾甲板的砝码移除，纵倾角突然减小，系统再次开始调节纵倾。T6时刻系统调节纵倾角回到0°。从图4b)～图4e)可知:工况2至工况5的倾斜控制情况表明，本系统可执行模型由艏倾调节至艉倾稳定后受到外力干扰情况下的纵倾智能控制、模型由艉倾调节至水平稳定后受到外力干扰情况下的纵倾智能控制、模型由艏倾调节至艉倾过程中受到外力干扰情况下的纵倾智能控制、模型由艉倾调节至艏倾过程中受到外力干扰情况下的纵倾智能控制。从功能演示试验来看，模型试验的单个纵倾调节时间约为45 s，调节时间恰当。将来本系统有望装配实船时，可通过选配大功率的水泵和改善控制时间来获得较佳的实船纵倾控制时间。