基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统开发

朱宝会，孙彦刚，李玉山，翟 超

应用研究

基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统开发

朱宝会，孙彦刚，李玉山，翟 超

（招商局金陵船舶（威海）有限公司，山东 威海 264200）

本文提出了一种基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统的设计方法。该方法采用AVEVA软件实现船舶重量相关数据的实时采集和处理,开发一套图形化界面进行数据可视化展示和报表输出，实现对船舶重量重心的实时监控与预警。通过对系统进行测试和分析，结果表明所设计的系统准确度高、响应速度快，能够有效提高船舶设计和建造的效率与质量。

AVEVA软件 船舶重量重心 实时监控 数据采集 可视化

0 引言

船舶设计与建造中，重量重心是关键参数，对船舶稳定性、性能和安全性至关重要[1,2]。传统的计算方法耗时费力且容易出错。随着计算机技术的发展，越来越多的研究者开始利用CAD/CAE技术实现船舶重量重心的计算和控制。

基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统是热门研究方向之一。AVEVA软件是一种集成化的CAD/CAE软件，广泛应用于船舶、海洋平台和海洋工程等领域。它提供强大的建模、分析和优化功能，用于模拟和分析船舶的设计、建模、制造等过程。

船舶重量重心的准确计算和控制对船舶设计和建造至关重要，直接影响稳定性、速度、荷载能力等因素。然而，传统方法存在耗时费力和误差的问题。AVEVA软件作为领先的CAD/CAE软件，能够在设计阶段进行重量统计和重心计算，确保船舶设计满足各项要求[3-6]。

然而，目前市场上较少采用船舶重量重心监控系统的，或者计算船舶重量重心的方式还是统计汇总等较为传统的方式。这种汇总方式主要是利用Excel表格进行按主要设备或者系统进行汇总，并不能真正准确地提取重量和重心。而且这种统计存在误差和缺乏实时监控功能的问题。因此，需要基于AVEVA软件开发一种先进的船舶重量重心实时监控系统来解决这些问题。

本研究旨在开发一种基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统，并优化改进现有方法。通过利用AVEVA软件的强大重量重心计算功能，开发一套看板软件来实现船舶重量重心的实时监控和控制，提高船舶设计和建造的效率，并降低成本和周期。

我们希望开发出高效、准确且智能化的船舶重量重心实时监控系统，为船舶设计与建造提供更好的支持。这将提升船舶的稳定性、安全性和经济性，推动船舶工程领域的发展。

1 船舶重量重心实时监控系统设计思路

基于AVEVA软件开发一套船舶重量重心实时监控系统的设计思路和方法。具体而言，本研究采用了以下步骤：

1.1 系统需求分析

首先，通过对现有船舶重量重心监控系统的分析，明确了船舶重量重心监控系统所需具备的功能和特点，包括实时采集和统计船舶各部分的重量，根据各专业的特点开发一套自动重量和重心的实时统计和展示；在设计过程中监控船舶各区域的重量、自动计算船舶各部位的重心、提供报警和预警功能等。

1.2 系统架构设计

基于系统需求分析，提出了一种基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统架构，该架构由数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块和报警模块等组成。其中，数据采集模块负责采集船舶重量重心相关的数据，数据处理模块进行数据处理和分析，数据显示模块将数据以可视化的形式展现给用户，报警模块则负责实现对船舶重量重心异常的自动报警和预警功能。

1.3 系统开发实现

在系统架构设计的基础上，利用AVEVA软件进行系统的开发和实现，通过编写相关的程序代码和算法实现了数据采集、数据处理、数据显示和报警预警等功能，最终实现了船舶重量重心的实时监控，如图1所示。

图1 船舶重量重心UI示意图

1.4 系统测试验证

为了验证所设计的船舶重量重心实时监控系统的可行性和有效性，进行了一系列的系统测试和实验，通过对船舶重量重心的实时监控和数据分析，证明了所设计的系统在实际应用中具有较高的可靠性和准确性。

2 船舶重量重心实时监控系统实现

2.1 建立船舶模型

通过AVEVA软件中的3D模型建模功能，将船舶的结构、设备、管道等进行3D建模，如图2所示为某船厂客滚船使用AVEVA软件建模后效果图。

图2 船舶3D建模

2.2 区域划分

根据船舶的结构和设计，将船舶划分为不同的区域或部分。这些区域可以是船体、船舱、机舱、货舱等。划分区域的目的是将船舶的重量分解为不同的部分，以便更好地进行重量统计和重心计算。图3以结构专业为例进行分段分块计算。

图3 船舶结构专业按区域进行分割

2.3 材料属性定义

在AVEVA软件中，为每个船舶部分定义相应的材料属性。这些属性包括材料密度、弹性模量等。通过准确定义材料属性，能够更准确地计算船舶各部分的重量。

2.4 重量计算

基于船舶的区域划分和材料属性定义，利用AVEVA软件的计算功能进行重量计算。软件根据每个区域的材料属性和相应的几何形状，自动计算出各个部分的重量。这些重量数据可以是总重量、单个区域的重量或特定部件的重量。具体而言，针对重量的计算方式有以下几种。

1）针对结构BLOCK基于元素体积和密度计算重量

在这种方法中，AVEVA会将BLOCK中所有结构单元的体积加起来，再根据用户定义的密度值来计算BLOCK的总重量。

2）针对管道模块的重量计算

在AVEVA 软件的管道模块中，重量计算主要基于管道长度、直径、壁厚和密度等参数进行。具体来说，AVEVA 会根据用户定义的管道材料密度和壁厚等参数，计算出每个管道的体积，然后根据体积和密度等参数计算出每个管道的重量，最后将所有管道的重量相加得到系统的总重量。

3）设备模块的重量计算

在AVEVA 软件的设备模块中，重量计算主要基于设备的几何形状、材质密度和壁厚等参数进行。具体来说，AVEVA 会根据用户定义的设备几何形状和材质参数，计算出每个设备的体积，然后根据体积和密度等参数计算出每个设备的重量，最后将所有设备的重量相加得到系统的总重量。AVEVA 还提供了各种设备重量报表和图表，帮助用户快速准确地评估设备系统的重量和性能。

4）电气模块的重量计算

在AVEVA Electrical软件的电气模块中，重量计算主要基于电缆长度、直径和密度等参数进行。具体来说，Electrical会根据用户定义的电缆材质密度和直径等参数，计算出每根电缆的体积，然后根据体积和密度等参数计算出每根电缆的重量，最后将所有电缆的重量相加得到系统的总重量。

2.5 重量采集

根据各专业模块的重量计算结果，计算机程序从船舶三维设计模型的各个专业模块中提取重量和重心数据，并按专业和区域的目录型式进行数据汇总。图4为重量重心采集为CSV格式流程图。

图4 船舶各专业模块采集重量流程图

该采集过程简述为：通过从船舶三维模型中提取每个模型的重量和坐标信息，获取每个元素的数据类型，判断该元素类型。

1）如元素类型属于船体模块，则按船体模块的重量方式和坐标信息进行提取。根据船体的设计模型，将船体细分为各个分段，例如前甲板、船壳、船底等。从每个分段中提取相关的重量数据，并记录子项的目录、名称、代号的重量以及三维坐标（XPOS、YPOS、ZPOS）等信息。

2）如果是其他舾装模块（如管道、设备、电气、舾装等），则按该模块类型的重量计算方式进行提取数据，并记录子项的目录、名称、代号的重量以及三维坐标（XPOS、YPOS、ZPOS）等信息。

最终把采集后的元素进行数据汇总并保存为CSV文件，从而实现重量提取的过程。

各模块重量提取详情详见表1。

表1 AVEVA 不同模块的重量计算方式

3 船舶重量重心计算

3.1 数据导入

通过开发一套AVEVA软件中的重心计算工具，把采集后的CSV数据导入数据库，通过数据库对船舶的各专业、各区域部位进行分类计算，包括船舶各个部件的重量、重心位置等。

3.2 重心计算

在AVEVA软件中，每个组件的重心计算方式是根据组件的形状和材质等属性来进行的。一般来说，对于简单的几何形状，如球体、圆柱体、长方体等，可以使用已知公式来计算其重心位置。对于复杂的几何形状，如曲线、曲面等，则需要使用数值计算方法来进行重心计算。

在进行重心计算时，需要将组件的密度信息考虑在内，以确保计算出的重心位置能够准确反映组件的质量分布情况。一般来说，软件会自动将组件的密度值和材质属性应用到重心计算中，以便得出更准确的结果。

以设备EQUI为例，以下是一个简单的重心计算公式示例：

其中，是设备中第个组件的质量，、、分别是该组件的质心位置在轴上的坐标，M是设备的总质量。

这个公式的意思是，设备的重心位置是所有组件的质心位置加权平均得到的结果，其中每个组件的权重为其质量。最终则根据采集到数据库的重量和重心进行汇总出最终的船舶重心。

以设备EQUI为例，以下是一个简单的重量重心提取数据表：

表2 AVEVA 设备肋重量重心提取表

3.3 船舶重量重心可视化看板展示

根据计算和定制的结果，将生成相应的数据进行可视化展示和报告。包括以可视化方式展示数据的看板或图表，以及生成详细的报告文档等，以满足船舶设计人员对数据分析和决策的需求。

3.3.1 数据可视化展示

将计算结果以可视化方式展示，例如生成各个构造专业模块重量的柱状图、散点图等，以直观地呈现各模块的重量占比。图5为某船舶各专业模块分解后，通过各元素所在的坐标进行坐标信息重组后的3D散点图，该图可非常直观的展示船舶的总重和和坐标信息。

下一步亦可绘制船舶的重心位置图，展示整体重心位置的分布情况，帮助设计人员了解船舶的平衡性和稳定性。

3.3.2 报告生成

报告可以包括表格、图表、文字描述和解释，以清晰地呈现计算结果和重量重心的详细信息。

报告应根据设计人员的需求进行定制，可以包括特定的计算指标、对比分析、敏感性分析等，以满足设计人员对数据的详细理解和决策支持。

3.3.3 数据交互和查询

可以开发数据交互界面或查询工具，使设计人员能够根据需要自由查询和获取计算结果。提供搜索功能和筛选条件，以便设计人员根据特定要求对数据进行筛选和查找。数据交互界面可以通过图形界面或Web应用程序实现，以方便设计人员的操作和使用。

3.3.4 数据分析

通过采集后的重量和各种看板和报表信息，可对船舶的重量重心信息进行统计和分析，根据设计模型重量变化，重量和重心的实时采集也会同步，以便优化船舶设计和操作方案，降低建造和运营成本，提高安全性和航行效率。详见图6.

图6 船重量重心数据曲线表

基于以上方法，可以设计并开发出一套功能完善、实用性强的船舶重量重心实时监控系统，为船舶设计和运营提供有效支持和保障。

4 研究分析

4.1 系统实现流程与技术路线

在本研究中，我们提出了一种基于AVEVA软件开发的船舶重量重心实时监控系统设计方法，并通过以下技术路线来实现：

4.1.1数据采集

利用AVEVA软件提供的接口实现对船舶重量相关数据的实时采集，包括船体结构、船舶设备、管道、配重等方面的数据，将其传输至数据库系统。

4.1.2 数据处理

通过把采集后的数据进行计算，包括重量按模块和专业进行汇总，重心自动计算等。

4.1.3系统设计

在数据采集和处理的基础上，进行系统设计，包括界面设计、实时监控与预警等方面。在界面设计方面，通过开发的一套的图形化展示功能，可利用Python或 Javascript程序进行UI设计（图7），实现船舶重量重心的三维可视化展示，并将其与实时监控数据相结合。在实时监控与预警方面，通过对重心偏差阈值的设定，实现对船舶重量重心实时监控，从而在船舶设计过程中对出现异常时进行及时的预警和报警。

图7 重量重心实时展示UI界面

通过以上技术路线，我们可以实现基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统的设计与开发。

4.2 系统测试与分析

通过对船舶重量重心实时监控系统进行测试，检测系统的稳定性和可靠性，并对系统性能进行优化。在本研究中，我们选择了一艘特定的船舶作为案例研究对象，通过设计技术规格书收集了该船的建造设计数据，包括船舶的物理尺寸、重量分布、各部件的材料、工艺参数等。同时，我们还收集了该船在实际运行中的数据，包括船舶的吃水、载重情况、重心位置等。

1）对系统进行了基本功能测试，包括对船舶重量重心的实时监控、数据的实时采集和分析、数据的可视化和报表输出等方面进行了测试。测试结果显示，系统能够实现船舶重量重心的实时监控，数据的采集和分析具有较高的准确性和实时性，同时系统界面简洁明了、操作简便，能够满足船舶建造现场的实际需求。

2）对系统的性能进行了测试，包括数据处理速度、数据存储和传输等方面。测试结果显示，系统能够快速处理大量的实时数据，存储和传输数据的速度也能够满足实际需求。

3）将系统应用于实际的船舶建造项目中进行了验证。测试结果显示，系统能够对船舶重量重心进行实时监控和分析，并能够在设计过程中及时发现和解决问题，减少了建造周期和成本。

4.3 与传统方法的比较分析

为了验证本研究所提出的基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统的有效性，需要与传统的船舶重量重心计算方法进行比较分析。传统的船舶重量重心计算方法通常是基于手动计算和根据详细设计图纸上的数据进行推算，其计算精度受到人为操作和设计图纸上数据的限制，且无法及时进行数据更新和监控，容易出现误差和漏算。

图8 传统的重量重心计算方法

如图8所示为传统的重量重心计算模式，其计算方式只是简单的针对部分系统图纸进行粗略统计，无法做到从设计模型阶段进行具体的量化和细化，对重量和重心计算不够精准和高效。

本研究所提出的基于AVEVA软件的船舶重量重心开发实时监控系统，能够实现在船舶设计过程中自动对船舶重量重心的实时监控和计算，并且能够快速响应和修正计算结果。在实际的应用过程中，将本系统与传统方法进行比较分析，结果表明本系统的计算精度更高，且能够快速响应并及时修正计算结果，减少了误差和漏算的可能性，提高了计算的可靠性和准确性。同时，能够及时发现和解决问题，减少了不必要的重复计算和修正工作，提高了工作效率。

综上所述，本研究所设计开发的基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统能够满足船舶建造现场的实际需求，具有较高的准确性和实时性，可以有效地提高船舶建造的效率和质量。

因此，本研究所提出的基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统具有显著的优势和应用价值，能够有效提高船舶设计和建造的效率和质量。

5 结论

1）本研究提出了一种基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统的设计方法，实现了船舶重量重心的实时监控与分析。

2）本系统采用基于AVEVA软件实现数据的实时采集，开发了一套重量数据处理、图形化界面的系统进行数据展示与报表输出，实现了对船舶重量重心的实时监控和预警功能。

3）通过对本系统进行测试与分析，证明所设计的系统具有较高的准确度和响应速度，能够满足船舶设计建造现场的实际需求，提高工作效率和质量。

4）与传统方法相比，本系统具有更高的准确性、实时性和响应速度，能够及时发现和解决问题，减少误差和重复工作，提高质量与效率。

5）本研究设计开发的基于AVEVA软件的船舶重量重心实时监控系统，在船舶设计与建造中具有显著的应用价值，能够有效提高工作效率和质量。为船舶重量重心的精准计算和控制提供了新的思路，进而推动船舶工程技术的发展。

[1] 李群. 船舶重量重心控制方案[J]. 机电技术, 2020(5): 66-69.

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[3] 王凯歌, 周晶, 尹东亮. 大型船舶现场建造期间的重量重心控制[J]. 装备制造技术, 2016(6): 181-182.

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Development of a real-time monitoring system for ship weight and center of gravity based on AVEVA software

Zhu Baohui, Sun Yangang, Li yushan, Zhai Chao

（China Merchants Jinling Shipyard (Weihai) Co,.Ltd，Weihai 264200, Shandong, China）

This paper proposes a design method of real-time monitoring system for ship weight and center of gravity based on AVEVA software. The method uses AVEVA software to realize real-time acquisition and processing of ship weight related data, develops a graphical interface for data visualization and report output, and realizes real-time monitoring and early warning of ship weight and center of gravity. Through testing and analysis of the system, the results show that the designed system has high accuracy, high response speed, can effectively improve the efficiency and quality of ship design and construction.

AVEVA software; ship weight and center of gravity; real-time monitoring; data acquisition; visualization

U662

A

1003-4862（2023）09-0057-06

2023-01-06

2021年山东省重点研发计划《高端客滚船高效建造关键技术研究与应用》（编号：2021CXGC010702）

朱宝会（1981-），男，工程师，主要从事船舶轮机和舾装设计。E-mail: zhubaohui@cmhk.com