液化天然气船货物操作仿真器的设计与实现

李博洋, 张运秋, 李迪阳,2, 韩淑洁

(1.青岛远洋船员职业学院， 山东 青岛 266071; 2.大连海事大学 轮机工程学院， 辽宁 大连 116026)

液化天然气船货物操作仿真器的设计与实现

李博洋1, 张运秋1, 李迪阳1,2, 韩淑洁1

(1.青岛远洋船员职业学院， 山东 青岛 266071; 2.大连海事大学 轮机工程学院， 辽宁 大连 116026)

根据目前快速发展的LNG船船员的技术培训需求，开发设计LNG船舶货物操作仿真器，介绍仿真对象的选择和货物操作过程，给出营运模式下仿真系统的架构、子界面的设计思路、系统数值仿真计算方法与流程。在此基础上,给出船舶在出坞、进坞过程中货舱操作演示、训练和评估模块的设计方法与思路,并介绍控制台中软件、硬件的通信解决方法和超多屏显示技术的实现。通过总结可知,该仿真器功能齐全、界面逼真、仿真响应快，且具有传统船用仿真器无法实现的同时对多个系统与设备进行监控和操作的优点。

船舶工程；液化天然气船舶；货物操作；液货舱处理；PLC；系统评估；仿真器

据专家预测，随着全球液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)的需求量和贸易量不断增加，2020年全球LNG船舶数量将达到近800艘。如果考虑到美国2017年放开页岩气的出口，作为主要LNG消费国的中日韩对LNG船舶的需求量很可能会大大超过预期。未来5～10 a，中国拥有的LNG船舶数量将从目前的6艘发展至80艘左右。

LNG船的货物操作复杂，对船员业务素质要求较高，我国LNG船舶公司现有的管理水平和船员技术力量还比较薄弱，因此迫切需要提高船舶管理人员和操作船员的技术水平，其中借助LNG船舶货物操作仿真器进行操作训练是一个有效途径。另外，目前国内尚未开发出成型的LNG船舶货物仿真器产品，因此，开发和设计满足《中华人民共和国海船船员适任考试和发证规则》中“液化气船货物操作高级培训”要求的货物操作仿真器，不仅对船员培训有较高的价值，而且对促进国内LNG海运快速发展具有深远意义。[1-5]

1 仿真对象的选择与货物系统概述

1.1仿真对象的选择

对于将来的训练对象而言，选择仿真对象非常重要，必须保证其具有很好的通用性和代表性。将中华沪东船厂为大鹏湾、莆田及小洋山建造的14.7万m3薄膜式LNG船作为母型船，依据为

1) 该船是目前LNG船的主流船型，无论是薄膜式液舱结构还是舱容大小，都具有很好的代表性。

2) 该型船舶国内其他公司都有订单，现在和将来船员的主力军都是中国船员。因此，该船型的模拟训练对中国船员更具有针对性。

母型船主要参数为：船长291.50 m，型宽43.35 m，设计吃水11.43 m，舱容147 236.2 m3(装载率为100%)或145 027.7 m3(装载率为98.5%)，液舱4个，货泵8个(额定流量1 500 m3/h，功率407 kW)，扫舱泵4个 (额定流量50 m3/h)，高负载压缩机2个，低负载压缩机2个。

1.2货物系统概述

货物系统用到的设备主要有：液货泵、扫舱/喷淋泵、高流量压缩机、低流量压缩机、气体加热器、蒸发器、带气液分离器的强制蒸发器、货舱压力控制阀、货物管路等。货物操作系统由高度电脑化的控制系统/监测系统(IAS)进行控制/监测。

LNG船货物操作主要包括在港装货、满载航行、在港卸货、空载航行、船舶进坞货舱处理、船舶出坞货舱处理、船舶单舱处理、预冷处理、压载水的驳运等20多个过程，基本上每个过程都要操作20～30 h，具体过程见图1，其中虚线框内为营运流程。

图1 液化天然气船货物操作流程

由于LNG船舶所载货物易燃易爆，货物的低温(-163 ℃)对材料的影响比较大，货物的压力控制范围较小(0～0.022 MPa)，对装卸货的速度、泵的流量、货物压缩机流量等的要求非常严格，因此实际操作过程极其复杂，操作步骤也非常繁琐，稍有疏忽就可能带来灾难性后果。

2 仿真系统设计

仿真系统的模块和监控点较多，如果设计界面混乱，将导致学习者无法快速熟悉和掌握货物系统的操作要点。因此，需要设计一个良好的系统架构，让使用者能够方便、快捷地切换各个界面。图2为仿真系统的架构图(即图1虚线框内的过程)[7-9]。

图2 仿真系统架构图

进入主界面后，系统有5个仿真子界面：装货仿真子系统、满载航行仿真子系统、卸货仿真子系统、压载航行仿真子系统、预冷仿真子系统。

每个子系统下的操作界面为：液货管路系统操作界面(图3(a))、CT1(CARGO TANK 1)操作界面(图3(b))、CT2操作界面、CT3操作界面、CT4操作界面、燃气压缩机系统操作界面、货物压缩机系统操作界面(图3(c))、CTS参数监测界面、压载水系统操作界面(图3(d))和船舶受力仿真界面。在这些操作界面中，可对具体项目(比如CT1操作界面中各个阀的开关、泵的启动/停止、显示流量大小及流向、货舱液位、货舱各个液位报警、舱压力、舱温度场、压力报警等)进行操作和监控。因此，整个系统的操作和监控点非常多，需要很多的计算与逻辑判断。液货舱的压力、温度、液位流程图见图4。上述界面既有过程仿真又有数据仿真。

LNG船舶出坞与进坞时的货舱处理过程较复杂，因整个系统的阀近1 000个，需操作的设备有几十台，因此工作量较大，且前后的操作内容(如干燥、惰化、LNG置换惰性气体等)往往完全不同，做到液货舱的数值仿真有很大难度。在实际生产过程中，往往需要测量货舱的气体成分或通过监控系统获取各个重要参数，而船舶管理人员的主要任务是能够按照一定的逻辑关系熟练操作整个系统，因此船舶在出坞和进坞过程中，系统主要以过程仿真为主。

(a)

(b)

(c)

(d)

图4 液货舱计算流程图

基于上述情况，针对船舶出坞、进坞过程开发了3个功能模块：系统模拟演示单元(DEMO UNIT)、训练操作单元(TRAINING UNIT)、系统考试评估单元(ASSESSMENT UNIT)。在DEMO单元，主要通过动画显示出某一过程(如干燥过程)中要经过哪些设备、阀、货舱、透气桅等，让学习者快速掌握其流程，然后再通过TRAINING单元，让学习者自己动手操作各个设备(惰性气体发生器等)、开/关各个阀、连接弯头、设定透气桅卸放压力等(见图5)。这样，经过快速练习就能够很快掌握一个操作过程。

此外，为鉴定学习者的训练效果,通过考试评估单元进行评估考试。评估系统由全局数据库、规则库和控制系统3部分组成。全局数据库中存放着学员的操作记录、推理获得的中间结论以及最终得分，规则库中存放着评估标准，控制系统中规定了产生式规则和数据库匹配的方法。采用正向推理策略将学员的操作记录读入评估系统，根据学员的操作任务对其各步操作进行标识(见表1)，在评估过程中将不同操作过程分成不同的子集，考生选择其中某一过程后即选择了相应的子集，其他子集在当前过程下不予考虑。学员的总得分是根据学员的有效操作得分之和减去无效操作应减分之和得到的，如lt;0，则为0，以评价结果掌握学员的学习情况。此外，该系统还可对每次评估考试的结果进行记录和打印，非常利于在将来海事局船员评估考试中应用。[11]

图5 干燥过程的界面

表1 各步操作分类标识

开发的操作过程如下，这些过程均满足《液化气船货物操作高级培训》大纲的要求。

1.出坞过程中对所有液货舱的处理操作：干燥过程、惰化过程、置换惰气过程第一阶段、置换惰气过程第二阶段、预冷过程。

2.进坞过程中对所有液货舱的处理操作：扫舱过程第一阶段、扫舱过程第二阶段、升温过程第一阶段、升温过程第二阶段、惰化过程、通风过程。

3.对单舱维修前的处理操作：单舱扫舱过程、单舱升温过程第一阶段、单舱升温过程第二阶段、单舱惰化过程、单舱通风过程。

3 系统硬件开发与设计

由于货物操作软件系统的操作界面和需要监控的参数较多，传统的1个或2个显示器(如挪威Kongsberg公司研制的模拟器)监控的界面往往太少，因此可运用超多屏显示技术,使学习者一次性浏览系统的各个主要界面，提高其整体感。另外，通过实际的控制台、操作面板、显示元件及报警等硬件进行模拟操作(比如开/关阀、启动/停止泵或压缩机、显示高/低位报警、显示泵的电压/电流、安全阀报警、装卸臂、ESD显示等)，使模拟操作更接近实船操作。图6为仿真器控制台。

图6 仿真器控制台

本仿真器硬件系统中，在只采用1台PC主机的情况下,既要实现上述控制台中各个开关量的输入与输出以及模拟量的输出，又要实现系统多屏显示技术，因此使用单一PC主机完成上述工作有一定难度(主板PCI和PCIE插槽数目有限)。经过硬件系统优化,采用PLC实现开关量的输入与输出,采用数据采集卡(PCI插槽)与端子板实现模拟量的输出,采用多个显卡实现1台主机拖带6个显示屏。

图7为主机和控制台通信与显示器流程图，可通过移动鼠标实现1#～6#显示器的左右自由切换。1#显示器为主界面、货物与燃气压缩机操作和船体受力界面，2#显示器为CTS监控与压载水操作界面，3#显示器、4#显示器、5#显示器、6#显示器分别为Tank 1，Tank 2，Tank 3，Tank 4的各个舱的界面显示。

图7 控制台通信和显示屏流程图

采用该多屏技术后，使用者可以通过仿真器尽可能地监控更多仿真子系统的参数并实现多屏操作，而且相对于传统的仿真器(采用服务器—终端用户模式)，该仿真器具有监控界面多、数据传输快、响应快、成本低等优点。

4 仿真系统实现的功能

该仿真系统实现了4部分功能：

1.LNG船液货操作训练仿真系统(软件)，主要对营运过程详细模拟该阶段货物的每个操作过程，并进行数值仿真，可在一般的PC机上运行使用。

2.LNG船液货操作训练仿真器控制操作盘台(硬件)，不仅能够实现第1部分的所有功能，还可以在硬件中对上述过程进行操作，使模拟操作者更加接近实船操作，解决了纯软件仿真操作的弊端。

3.LNG船进坞、出坞过程及单舱处理模拟操作系统，主要对船舶进坞过程、出坞过程以及单舱处理等20多个过程进行仿真。

4.LNG船进坞、出坞过程及单舱处理过程智能评估考核系统，用于对液化天然气船进坞、出坞过程及单舱处理过程进行智能评估考核。

5 结 语

1.开发设计了具有物理盘台实物仿真系统和基于C#的软件界面2种模拟方式的仿真器，能够进行LNG船货物系统的各项模拟操作，训练内容完善，功能齐全；同时，通过硬件半实物模拟操作更加形象，解决了纯软件仿真的弊端。

2.设计仿真器时采用的超多屏显示技术较早应用于船用操作模拟装置，可同时显示多个界面、同时对多个系统和设备进行操作与监控，具有创新性。

3.仿真系统开发了LNG船出坞和进坞操作评估考试系统，满足有关法规、公约对LNG船船员液货操作培训的要求。

4.仿真器采用西门子PLC和数据采集卡相结合的技术进行数据采集，实现了与PC机的高速、实时、稳定的数据双向通信，比传统的采用服务器-终端机模式的仿真器的响应速度快。

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DesignandImplementationofLNGCarrierCargoHandlingSimulator

LIBoyang1,ZHANGYunqiu1,LIDiyang1,2,HANShujie1

(1.Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China； 2.Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The cargo handling simulator of the LNG carrier is designed to satisfy the rapid growing demands for LNG crew training. The complex operation process of the cargo handling is introduced and the process of determining simulation objects is described. The framework of the simulation system in the operating mode, the design ideas of the human machine interfaces, the math model and the calculation methods and processe flow are given. The design of the modules for docking and undocking operation demonstration, training and evaluation are explained. The communication methods of software and hardware, and the super multi-screen display technology are presented. The system is able to simulate several systems simultaneously and has the advantages such as multi-functions, realistic operation interface and fast response.

ship engineering; LNG carrier; cargo handling; cargo tank processing；PLC; system assessment; simulator

2014-04-07

中国远洋运输(集团)总公司应用研究计划项目(2013-1-H-007)

李博洋(1974—)，山东临沭人，大管轮，副教授,主要从事液化气船新技术应用、船舶节能减排的教学与研究。

E-mail:libocean@126.com

1000-4653(2014)03-0046-04

U674.13+3

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