基于稳性实时计算技术的船舶破损智能扶正系统研究

刘朕明 严一超 林嘉昊 姜广煜

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

船舶在运营过程中存在触礁、碰撞等破损事故的风险，而且由于事故的突发性往往使事态迅速恶化并造成巨大损失和人员伤亡。所以如何让决策者及时了解和掌握船舶的基本状况，并迅速制定出正确有效的扶正方案来恢复船舶的稳性和姿态将直接影响破损事故最终结果。但在实际决策过程中，需要耗费大量时间查阅繁杂的图表资料和各类相关监控系统的数据信息，难以迅速地掌握实时状态。此外，利用装载手册、破舱稳性计算书之类的图表文件也只能进行单舱或典型舱组的进水计算，这将使决策者无法准确地分析船舶的破舱稳性和平衡浮态，从而影响制定扶正方案等相关决策的有效性，导致船舶损害进一步加剧甚至沉没。

NUCAS系统是依托中国船舶及海洋工程设计研究院自主开发的拥有完全自主知识产权的船舶初步设计系统。该系统采用自顶向下面向对象设计技术，船舶稳性实时计算技术等多项先进技术，能满足各大船级社对普通船型的总体性能分析计算精度要求。

船舶破损智能扶正系统以NUCAS系统中的船舶稳性实时计算技术为基础，研究设计船舶实时状态三维模型数字化算法和船舶破损智能扶正方案生成算法，旨在通过以船舶液位遥测系统和进水报警系统的实时数据为主要输入，根据船舶的三维数字化模型通过系统的核心算法分析计算船舶的大倾角稳性、剪力弯矩、破舱稳性和平衡浮态，并能提供一套包含压载水调拨措施与步骤建议的智能扶正方案，提高船舶破损事故的处理能力。

1 系统原理

由于船舶破损事故的突发性，船舶破损智能扶正系统在日常航运时就需要实时监测液位遥测数据和进水报警信号，并根据液舱的液位状态通过船舶实时状态三维模型数字化算法分析计算船舶稳性状态、剪力弯矩状态和静水力特性，然后依据船级社规范要求校核分析结果对不符合要求的项目予以声光报警。

当监测到进水报警信号时，系统根据通讯协议判断破损舱室名称，自动建立破损舱室组合，并应用船舶实时状态三维模型数字化算法分析计算破舱稳性和平衡浮态；然后，系统自动加载扶正方案智能生成模块，运用船舶破损智能扶正方案生成算法快速搜索出较合理的压载水舱调拨方案，并根据搜索出的最优方案形成实施步骤建议，指导船员对扶正方案的操作流程。［1］

图1为船舶破损智能扶正系统的作业流原理图。整个系统以液位遥测数据和进水报警信号作为主要输入，经过应用NUCAS系统中船舶稳性实时计算技术的船舶实时状态计算分析模块输出船舶装载汇总、平衡姿态、实时稳性状态、剪力弯矩状态和规范校核结果，再通过加载融合遗传算法的扶正方案智能生成模块输出一套包含压载水调拨措施与步骤建议的智能扶正方案，最终通过电子文档报告和局域网发布等输出形式将船舶装载情况、船舶平衡姿态、实时稳性状态、剪力弯矩状态、规范校核结果和扶正方案迅速传递给相关船员［2］。

图1 系统作业原理图

2 核心算法研究

2.1 船舶实时状态三维模型数字化算法

船舶实时状态三维模型数字化算法需要船舶三维数字化模型作为支撑，运用数值积分方法准确地计算出水线面以下的船体体积和体心，即浮心和浮力。然后将重力重心和浮力浮心迭代平衡公式至满足精度要求，迭代流程图见下页图2。

对于船舶横倾状态的分析计算则通过计算船舶各种假定横倾角下的复原力臂值，并绘制成静稳性曲线，即可求得复原力臂值为零时所对应的横倾角，也就是船舶平衡状态下的横倾角。

图2 船舶实时状态三维模型数字化算法迭代流程图

由于在整个迭代流程中存在多重循环嵌套，所以准确且快速地计算出水线面以下的船体体积和体心是关键，而船体体积和体心的求解过程可以转换为沿船长方向对每个横剖面面积和面心的纵向积分。因此，横剖面的面积和面心求解速度和精度直接影响整个算法的快速性和准确性。

为在确保计算精度的条件下提高运算速度，需要研究设计一种计算数据存储模型，要求不仅能记录存储经过B样条加密处理的横剖面边界点的三维坐标数据，还能关联该点沿横剖面外轮廓线对X轴面积积分和面心积分的数值结果，在计算横剖面面积时，运用S=S梯形ABCD-SADOE-SBCOE快速求出总面积（式中SADOE和SBCOE即为在A点和B点所生成的计算数据存储模型中所关联的面积值）（见图3），从而避免重复计算提高算法效率，面心求法也类似。

图3 面积算法示意图

2.2 扶正方案智能生成算法

扶正方案智能生成算法根据船舶的实时装载和破损情况，对若干压载水舱注入水或排出水，改善船舶的平衡浮态和破舱稳性。由于遗传算法具有不依赖梯度信息，有良好的并行性和全局优化性能，是解决非线性复杂实际问题的方法，因此扶正方案智能生成算法以遗传算法原理为基础，采用染色体编码的方式，快速搜索出全局最优解［3-5］。

（1）设计变量

X= ［x1，x2，…，xn］T，其中xi为第i个压载水舱，且每个压载水舱的状态可以分为：灌满水、抽空水、不操作和已破损。

（2）目标函数

（3）约束条件

xi= 不破损，因为已经破损的压载水舱不能成为扶正舱。

（4）染色体

vk= ［vk1，vk2，…，vkn］T。其中k= 1，2，…，m，vki∈{a，b，c}，式中vki为第i个未破损可被扶正的舱，n为染色体长度（即一共有n个可被扶正的舱），m为染色体的总数称为群体规模，a表示该压载水舱被灌满，b表示该压载水舱被抽空，c表示对该压载水舱不操作。

（5）适应度函数［1］

图4 扶正措施方案生成算法迭代流程图

扶正方案智能生成算法根据得出的扶正措施方案快速分析每步操作对船舶稳性、浮态以及剪力弯矩的影响，从而得出压载舱操作步骤的顺序并形成以船舶破损后平衡浮态与舱名排序相结合为内容的扶正步骤建议［7］。

总之，船舶实时状态三维模型数字化算法提供的船舶各种状态下的吃水、浮态等分析结果为扶正方案智能生成算法奠定了基础，而扶正方案智能生成算法又融合了遗传算法，使其成为一套能够完成船舶实时状态三维模型数字化算法无法完成分析计算的核心算法。

3 系统设计

根据船舶破损智能扶正系统的作业原理，系统的硬件设备组成框图如图5所示。

图5 硬件设备组成框图

通讯模块主要负责接收液位遥测数据和进水报警信号以及发送方案结果至局域网系统，专用计算机则通过安装船舶破损智能扶正系统软件来处理通讯模块接收到的数据，并能输出打印文档报告以及向局域网系统输出方案结果信息。

专用计算机系统软件主要通过实现船舶实时状态三维模型数字化算法和扶正方案智能生成算法这两项核心算法来支撑整个船舶破损智能扶正系统的核心计算分析功能。其中：通过对船舶实时状态三维模型数字化算法软件开发编制船舶实时状态计算分析模块，使系统能完成船舶浮态、稳性、强度等分析计算功能；通过对扶正方案智能生成算法软件开发编制扶正方案智能生成模块，使系统能完成扶正方案智能生成功能。软件运行界面如下页图6所示。软件模块组成框图如下页图7所示。

图6 软件运行界面

图7 软件模块组成框图

（1）通讯数据处理模块：根据通讯协议将液位遥测数据和进水报警信号转化为系统内部所需的数据结构。

（2）人机交互输入模块：提供友好的表格输入界面用于修改海水密度、液舱密度、固定质量、其他质量等船用监控设备系统未涉及的数据信息。

（3）船舶三维数字化模型数据库：通过NUCAS系统中复合建模技术建立船舶的数字化模型，并存储为只读的模型数据库形式，为船舶实时状态计算分析提供基础数据信息。

（4）船舶实时状态计算分析模块：通过研究船舶实时状态三维模型数字化算法实现船舶实时状态计算分析功能。

（5）扶正方案智能生成模块：采用扶正方案智能生成算法快速搜索出较优的压载水舱调拨方案，并根据调拨方案给出实施步骤建议。

（6）局域网信息发布模块：将系统分析得出的方案与结果通过接口协议驱动通讯接口设备输出至局域网系统。

（7）方案结果报告输出模块：将系统分析得出的方案与结果以图表结合的电子报告形式输出，并能通过打印设备纸质输出。

4 结 论

船舶破损智能扶正系统通过研究应用NUCAS系统中的船舶稳性实时计算技术，具备快速分析船舶稳性实时状态的能力；并融合遗传算法，实现智能化生成包含压载水调拨措施与步骤建议的扶正方案；从而满足船员在突发破损事故时制定方案决策的实际要求，提高船舶破损事故的处理能力，具有显著的实际应用价值。目前，船舶破损智能扶正系统已经应用于多艘海监船，运行情况良好。

［1］ 曹才轶，严家文，蔡新功．基于遗传算法的船舶破舱稳性扶正措施优化研究［J］．中国造船，2008（2）：36-40.

［2］ 李炳煌，浦金云，陈晓洪．构建舰船抗沉智能决策支持系统［J］．船海工程，2006（2）：81-83．

［3］ 玄光男，程润伟.遗传算法与工程优化［M］.于歆杰，周根贵，译 .北京 ：清华大学出版社，2004.

［4］ 柳存根，裘永铭，姚震球，等.遗传进化算法在船舶初步设计中的应用［J］.上海交通大学学报，2000 （1）：41-45.

［5］ LEEKY，HANSN ，ROHMI.Optimal compartment layout design for a naval ship using an improved genetic algorithm［J］.Marine Technology，2002（3）：159-169.

［6］ 盛振邦，杨尚荣，陈雪深 .船舶静力学［M］.北京 ：国防工业出版社，1979.

［7］ 陆丛红，林焰，纪卓尚.遗传算法在船舶自由浮态计算中的应用［J］.上海交通大学学报，2005 （5）：701-705.