基于WebAccess的船舶压载水仿真与监测系统研究∗

董恩春 冯兆缘 马开学

（1.新世纪船舶设计研发（上海）有限公司 上海 200127）（2.江苏科技大学 镇江 212001）（3.金海智造股份有限公司 上海 200122）

1 引言

现代船舶一直使用压载水系统来保证船舶平衡稳定和航行中的安全。根据船舶航行的要求，对全船各压载舱注入或向船体舷外排出压载水，以达到调整船舶的吃水和船体纵、横两方向的平稳以及安全的稳心高度；减小船体形变；改善空舱适航性的目的［1～3］。大多数船舶都采用艏尖舱、艉尖舱、双层底舱、边舱、顶边舱作为压载水舱，调节艏尖舱、艉尖舱的压载水量，可有效调节船舶的纵向倾斜；调节边舱的压载水量，可有效调整船舶的横向平衡［4～6］。华东船舶工业学院的张鑫、姚寿广教授建立了船舶压载水系统的仿真模型，该仿真模型包括压载水管路、压载水泵、浮态计算的数学模型等［7］。江苏科技大学肖民教授以Minis通用仿真支撑系统和InTouch组态软件为软件开发平台，开发了船舶压载水模拟训练系统；该系统模拟出压载水的动态工作过程，通过压载水模糊配载逻辑来模拟实船的稳性的调节的要求［8］。因此，开发一套基于实船的压载水仿真模拟系统，不仅能够有效地帮助操作人员熟悉工作流程和技能，还具有分析、预演压载方案的价值。同时无人化作为现代船舶的发展方向，对船舶进行远程监控是船舶无人化发展中的重要部分。笔者根据船舶的静水力曲线和舱容数据建立船舶本身数学模型，以便计算调用；再分别建立船舶横纵倾角的计算模型，并依据船舶的平稳运行的要求在Simulink软件中建立整船的压载水仿真系统；最后利用WebAccess组态监控软件建立相应的监控界面，并建立完整的数据通信通道以实现通过IP地址进行远程监控。

2 压载水仿真与监控系统总体设计

压载水仿真与监控系统由仿真、数据传输和监控三个部分组成。如图1所示。

仿真系统依据实际船舶压载水系统建立系统中各子系统的数学模型和Simulink仿真模型，并将各子系统仿真模型按照整个压载水系统的控制逻辑进行组合，建立压载水仿真系统。

监控组态软件WebAccess可以接受与发送DSN数据源，利用Microsoft Office中的Access数据库软件作为Simulink与WebAccess通信的通道，可实现仿真系统与监控系统的实时数据传输［9］。

3 压载水仿真系统的建立

3.1 舱室子系统模型

实船的6个液货舱位于船舶中部；23个压载水舱位于船艏、船艉和左右两侧边舱，其分布可由1层下甲板示意图直观看出，如图2所示。

根据各舱室的舱容参数建立各舱室数据子系统模块，将各个舱的液位作为监控参数，将各舱重心位置数据和质量数据利用Simulink中的查表编辑器（Look up table）模块导入仿真系统。

3.2 船舶稳性计算模型

船舶装载量的变化将引起船舶重心、吃水以及自由液面的变化，进而影响船舶的浮态和初稳性。利用小倾角公式建立船舶稳性计算模型可计算出船舶横纵倾角，其模型如下所示。

式中：GM1、GML1分别表示船舶装卸货后的横、纵稳性高，GM、GML分别表示船舶原来的横、纵稳性高，φ表示船舶横倾角（φ＞0代表左倾，φ＜0代表右倾），θ表示船舶纵倾角（θ＞0代表艏倾，θ＜0代表艉倾），d表示船舶原来的平均吃水，d1表示装卸载荷后的船舶平均吃水，ζd表示船舶平均吃水增量，d1表示装卸货物后的船舶吃水，P表示装卸的载荷重量（P＞0代表装货，P＜0代表卸货），Δ表示装卸载荷前的船舶排水量，ω1表示舱室内液体的密度，ix、iy分别表示自由液面面积横、纵向惯性矩，x、y、z分别表示装卸载荷P的重心位置纵向、横向、垂向坐标，xF表示漂心纵向坐标［10］。根据稳性参数，通过建立计算船舶倾角的子系统模块来控制船舶稳性。图3为计算和监测船舶装卸造成的船舶横纵倾的系统图。

为保证船舶稳性，其调整系统建模过程中，将各个压载舱的模型数据导入仿真调整子系统，同时将压载泵的实验拟合数据导入仿真调整子系统，如图4所示为利用Simulink软件建立的船舶倾角调整子系统。

4 数据传输与监控系统建立

4.1 数据传输通道的建立

组态监控软件WebAccess可以接受与发送DSN数据源，而Simulink工具不可发送和接收DSN数据源。Microsoft Office中的Access软件，可以通过开发应用程序与Simulink仿真工具进行实时数据交互，也可与WebAccess组态软件通过DSN数据源进行实时数据交互。所以选择通过Microsoft Office中的Access软件建立监控软件和仿真软件的实时通信［11］。通信方式如图5所示。

Simulink中的工业控制模块Real Time Windows Target中的Stream Input输入模块/Stream Output输出模块具备利用UDP通讯协议传输与数据库进行实时交换数据的功能，为Simulink的后台运算提供控制指令［11］。因此Simulink与 Access数据库的数据传输方式如图6所示。

Simulink仿真系统中六个液货舱作为监控输入数据与Stream input输入模块链接，其他监控数据作为监控输出与Stream input输出模块链接。完成连接后的Simulink系统图如图7所示。

打开Windows系统中的数据源（ODBC），选择Office Access作为驱动程序，Simulink模型中的数据可通过在Access软件中建立的mdb格式数据库导入；WebAccess组态软件可通过DSN数据源访问Access数据库中的数据［12］。

4.2 监控系统建立

如图8所示，为利用WebAccess建立的压载水仿真监控界面，显示所有液货舱、压载水舱的液位数据和各压载泵、驳运泵、电控阀的开关，所有数据均通过IP地址访问Access数据库中的数据并经过处理得到。

5 典型极限工况的仿真与稳性调节

本船舶于港口及石油平台时吃水要求为2.0m以上，横倾角允许变化范围是［-0.8°，0.8°］，纵倾角的允许变化范围是［-0.6°，0.6°］。

以船舶的典型极限工况为例，进行典型工况下的压载水系统与船舶稳性调节仿真，图9即为此典型极限工况下，经过压载水系统调节后的各压载舱的液位情况。此工况下，船舶左侧的3个液货舱处于满舱状态，压载水仿真与监测系统检测得到船舶横倾角发生变化，大于允许范围时，压载水系统开始工作，图9为船舶横倾角随时间变化的曲线。

6 结语

本文以某型油服工作为母船，通过WebAccess组态监控软件建立整船的压载水仿真监控系统，其中通过监控船舶倾角的变化利用Simulink软件建立了压载水仿真系统模型；以Office Access数据库为中介建立了完整的数据通道，实现了通过IP地址进行远程监控和访问的功能，为无人化船舶的数据监控提供了数据通道的开发方式，也可用于轮机人员的压载水系统操作和管理训练。