驳船自动配载系统模型及算法＊

杨晓宁

（大连职业技术学院交通工程学院，辽宁 大连 116035）

0 引言

目前，大型的船舶或者结构通常选择在陆地上建造，受到船台等条件限制，建造完成后可利用驳船进行下水，在水中完成最后组装与就位。但在下水过程中，为了保证产品能够安全平稳地下水，需要实时调整驳船压载舱的压载水量[1]。利用驳船完成产品下水的过程中，产品上驳的重量与重心在不断移动，同时外界潮水等因素也在实时变化，仅仅依靠配载人员的工作经验很难实现驳船的实时配载，多项人为因素或其他不确定的因素会给配载工作存在安全隐患[2]。由此可见,对驳船进行合理的配载是保障其安全工作的一项重要工作。如果能够设计出一套驳船自动配载的系统，将会减轻配载人员的工作强度，提高工作效率，对于船厂具有很高的实用价值。

1 配载模型及算法

1.1 配载要求

画出配载过程的示意图，用来分析配载过程中的要求，如图1所示。

Li、P、lp—下水产品进入驳船部分的长度、下水产品进入驳船部分的重量及其重心距离码头前端的距离；

B、lb—驳船对下水产品的支撑力及其作用点距码头前端的距离；

h—驳船压载水舱的配载水位；

N、M—下水产品在码头前端剖面位置的切力及弯矩。

图1 配载要求示意图

参考图1，配载时最理想的状态即为：进入产品的重量与驳船的支撑力相等，重量力臂与支撑力臂相等。图中不难看出，为防止下水结构物滑落或因受力不均引起变形等不利后果出现，在整个下水过程中，应始终保证驳船与码头上表面处于同一水平面，同时保证驳船自身内部的剪力和弯矩控制在安全范围内[3]。为了满足上述两个条件，通过对配载过程的深刻认识，即可简化驳船的配载问题：在保证驳船安全的条件下，调节驳船内部要压载水量，使得驳船保持或接近在配载的理想状态，结构物便能够连续、安全、稳定地完成上驳下水过程。

1.2 配载数学模型

由上面分析可知，研究驳船的配载问题，可以将驳船作为一个对象进行力学研究，建立平衡方程，保证配载过程中力和力矩始终双零。所谓双零，一方面是受力为零，即产品上驳部分的重力由驳船的浮力提供；另一方面是力矩为零，即驳船对产品的支撑点与产品上驳部分的重心在同一铅垂线上[4]，从而保证产品在任意断面处的剪力和弯矩均为零。

依据上面的分析，建立驳船自动配载数学模型如下：

式(1)中第一式为力平衡方程式，第二式为纵向的力矩平衡方程，第三式为横向的力矩平衡方程，式中各符号含义如下：

B、Wi、LW、P-pro、P-add、Pi——驳船浮力、调载前各舱压载水重量、空船重量、产品上驳部分重量、其他附加重量、各舱的调水量；

Xb、Xwi、Xlw、X-pro、X-add、Xi——驳船浮心纵向坐标、调载前驳船的重心纵向坐标、空船重量的重心纵向坐标、产品上驳部分重量的重心纵向坐标、其他附加重量的重心纵向坐标、各舱调水量的重心纵向坐标；

Yb、Ywi、Ylw、Y-pro、Y-add、Yi——驳船浮心横向坐标、调载前驳船的重心横向坐标、空船重量的重心横向坐标、产品上驳部分重量的重心横向坐标；其他附件重量的重心横向坐标；各舱调水量的重心横向坐标；

1.3 求解方法

驳船的配载过程是以当前平衡状态的数据为基础，计算为达到下一个平衡状态的调载方案。众所周知，驳船是通过调节各个舱室的压载水量来保证驳船处于理想的浮态，而驳船的压载水舱通常都是比较规则的行列分布，因此在求解过程中，可以将调载过程分解为先纵向平衡再横向平衡，即：将驳船先分成前后两个区域进行纵向力矩平衡调载[5]，再将其分成左右两个区域进行横向力矩平衡调载。由于船舶结构均是左右对称分布，因此横向可以选取左右对称的两个舱室进行调载，简单直观，分配均匀，对驳船各方面的性能比较有利，因此驳船的调载实质是调节驳船纵向的两个压载水量。

在前面建立的数学模型中，建立了力和力矩的平衡方程，求解过程中，取驳船前后两个调载水量为未知数，建立方式组如公式2所示。显然，两个方程两个未知数，求解快速、可靠。求解得到压载水量后，再将配载过程中的其他约束考虑进去，进行各压在舱室的水量调节，使驳船始终处于配载要求状态，从而实现产品下水的顺利进行。

式中各符号含义如下：

B、Wi、LW、P-add、P-pro、Pf、Pa——驳船浮力、调载前各舱压载水重量、空船重量、附加重量、产品上驳部分重量、首部区域调水量、尾部区域调水量；

Xb、Xwi、Xlw、X-add、X-pro、Xi、Xa——驳船浮心纵坐标、驳船调载前重心纵坐标、空船重量的重心纵坐标、附加重量的重心纵坐标、产品上驳部分的重心纵坐标、首部区域调水量的重心纵坐标、尾部区域调水量的重心纵坐标。

求得压载水量后，将水量进行横向分配，保证驳船没有横向倾斜。事实上，横向的分配过程同样可以理解为一个求解平衡方程组问题，原理同上。不难看出，将调节水量进行横向分配时，选取横向位置对称的两个舱最为方便，水量分配也很平均，对驳船的性能有利。

2 配载程序设计

上述配载模型建立后，利用计算机软件进行程序设计，将配载计算程序化，设计程序框图如图2所示：

图2 配载计算流程

3 计算实例

现取某船体分段上驳过程中某时刻t的计算结果做具体分析：

已知： L=122.4m；B=59.8m；D=7m；W0=6292t；Xg0=-0.375m；Yg0=0m；Zg0=4.944m；Ws=2611t；Ws0=164t；Xgs=-47.686m； Xb=0m；Tide0=337.3；Tide=340.8。

各个符号的含义如下：

L、B、D——设计驳船的船长、型宽、型深；

W0、Yg0、Xg0、Zg0——设计驳船空船重量及其重心横向、纵向、垂向坐标；

Ws、Xgs——上驳部分分段的重量及其重心的纵向坐标；

Ws0——本步配载上驳部分的分段重量；

Tide0、Tide——本步配载前潮水高度、本步配载后潮水高度。

本驳船的压载水舱行列分布均匀，从尾至首为N1～N8共八行，从左舷至右舷为0～3共4列。配载时，将驳船压载舱分为前后两个区域，其中尾部区域为N1～N4行，首部区域为N5～N8行，在两个区域各取一个调载水量作为未知数，对驳船进行纵向调载，保证驳船纵向浮态满足工程作业要求。纵向调载完成之后，将驳船压载舱分成左右两个对称组合，将调载水量平均分配在该行的左右对称两个舱室中，即左边舱和右边舱或左中舱和右中舱内，从而保证驳船横向的浮态要求。调载结果为2号舱左右边舱各注水65吨，7号舱左右中舱各排水132吨。

按照配载方案对驳船进行配载后，驳船的各项性能指标如表1所示。显然，在本步配载中，驳船压载舱的调水量为排出133吨，本步产品上驳的部分重量为164吨，在这个步骤中由于潮水的变化需要进行的调载量为排出31吨，恰好等于前面两者的差值。并且，按照此配载方案进行调载，船舶的各项性能指标均满足要求，因此证明本方法的适用性。

表1 配载后驳船浮态

4 结语

本文从力学的基本观念出发，将驳船的自动配载问题简化为求解平衡方程组的问题，将工程实际问题利用数学理论进行解答，从而科学地处理了利用驳船进行下水的复杂过程，使问题得到了大大的简化。本计算方法具有适用性和实用性，能够有效解决工程实际问题，显著提高了配载的工作效率，配载结果符合工程实际要求，具有很强的实用性，同样可以适用于常规船舶的浮态调节。