基于B/S架构的非标准货物单元系固可视化研究

董逸帆, 田佰军, 李嘉文

(大连海事大学航海学院,辽宁 大连 116026)

0 引 言

在海上运输过程中,船员承担着确保安全装货、积载、系固、照管货物和卸货的职责。《海员培训、发证和值班标准国际公约》提出可以利用货运模拟器开展相关培训,使船员具备相应的适任能力。《货物积载与系固安全操作规则》规定,货物在装船之前需制定好相关的积载与系固计划,其中包括具体的积载要求与系固方案。在系固方案拟定好以后,需要对其进行核算,只有校核通过并保证货物在运输过程中不会发生横移或倾覆现象,才能付诸实践。第一,目前相关研究大多集中在系固方法的改进以及系固过程中的注意事项,而对方案的高效、直观、准确缺少研究。第二,目前国内外的系固核算软件研发均为单机版,维护与更新不易,并且无法传输数据。第三,系固核算软件中核算的算法大多为根据规则进行查表或插值,计算精度不够。如:李永旭[1]利用Unity编写的单机版虚拟仿真系统,只能在局域网中使用,开发者对系统的维护与更新不便,并且使用者设备的载荷较大。舒斯田[2]利用C#编程语言设计的自动评判系统,只是以不同的视角查看物体,没有做到真正的三维可视化,无法达到直观、准确的效果。朱明[3]利用C++开发的系固与校核模型系统,对惯性加速度计算方法进行了分析,但系统使用的仍是查表插值方法,计算精度不够。基于以上3点,本文采用相关软件对系统的功能与部署进行编辑,设计B/S架构以方便传输数据,优化系固操作过程的可视化效果,提高系固核算的精度。

1 软件设计总体思路

系统总体设计思路见图1。软件包含索具管理系统、系固操作系统、系固核算系统和核算结果输出系统等4个子系统。通过Vue框架对页面的布局和基本的交互进行编写,用后端Java程序和MySQL数据库对货物管理系统进行编写,用Blender软件和Verge3D软件对系固操作系统进行建模和编辑交互[4-5],最后将编写完成的文件部署在云服务器中实现B/S架构系统。

图1 系统总体设计思路示意图

2 软件功能实现

2.1 登录、注册与角色认证子系统

在注册用户时,对用户的角色进行分类,具体分为船员、船公司、单位机构、学生等,通过Spring Security框架对登录的账号密码信息携带的角色进行区分,可以使不同角色跳转到不同页面,从而实现系统兼顾管理与使用[6]。针对不同的角色赋予相应的操作权限,例如:对船公司和单位机构赋予船舶建模和管理船员或学生的权限,对船员和学生赋予增加、删除、修改索具参数和进行系固操作的权限。

2.2 索具库管理系统

对索具库的管理功能,通常可分为增加索具、删除索具、修改索具参数、查看索具详情等。使用者可以通过查阅本船的《货物系固手册》将其中的索具进行输入,根据实际使用情况对索具的参数进行修改,通过索具库主页面对索具进行查看。

此功能主要是实现对索具库的建立与管理,更符合实船航行中的实际情况,有利于船员快速查看本船的索具信息,也有利于船公司快速查看船舶的索具信息[7]。

2.3 系固操作系统

在此系统中,用户通过可交互的三维仿真页面设计具体的系固方案,具体的流程见图2。此系统还呈现了如下功能:(1)实现了拖拽图标将模型添加到场景中,即通过拖拽系固点图标可以快速将系固点部署到场景中,达到快速、便捷部署系固点的效果。(2)实现了控制物体位置和角度的功能,使物体可以转动,达到了让使用者更加真实地了解系固操作过程的目的[8-9]。

图2 货物系固操作流程

2.4 系固核算系统

系固核算系统是对上述系固操作的数据化展示系统。使用者可以在系固核算系统中,查看系固操作过程中的具体数据,进行一些更详细的修改,并将系固的信息提交到后端,由后端对数据进行处理。

后端核算具体流程见图3。图3中:Vs为船舶的服务速度,kn;μ为货物与船体之间的摩擦因数;Cb为船舶的方形系数;Xc为船中至计算点的纵向距离,朝船首为正,m;Zc为实际水线至计算点的垂直距离,向上为正,m;b为货物重心至横向翻倒轴的水平距离,m;hc为系固点相对于货件底端的高度,m;Fp为系固设备的破断强度,kN;(xA,yA,zA)和(xB,yB,zB)分别为系固点A的坐标和地令B的坐标;δ为相应的系数。

图3 系固效果核算与评判流程

2.5 核算结果输出系统

核算结果输出系统是在核算之后用于展示给使用者的,便于使用者查阅此次系固方案的详细数据。核算结果以表格的方式呈现,包括船货信息、计算过程中的信息、全船的各向加速度分布曲线等。全船的各向加速度分布曲线见图4。使用者可以选择将核算结果以PDF的格式进行打印,以便后续使用[10]。

图4 全船各向加速度分布曲线

2.6 辅助工作系统

辅助工作系统是辅助使用者完成整个软件操作过程的,包括坐标系切换。由于需要显示货物、系固点等相对于船舶的空间位置,所以全船使用以艉垂线与基线的交点为坐标原点的船舶坐标系。然而,对系固点和地令的空间位置使用以艉垂线与基线的交点作为坐标原点的船舶坐标系不符合实际,故通过辅助工作系统使系固核算系统中显示的数据切换为以货物中心为坐标原点的坐标系[11]。

3 软件技术介绍

3.1 架构技术

本系统采用B/S架构。利用B/S架构无须安装定制客户端,可解决远洋船舶设备传输数据不便以及软件更新维护困难等问题。用户只要拥有一台能够接入Internet的计算机,就能够将其作为本系统的客户端,实现远程监控货物系固状态的目的[12-13]。

本系统的后端服务器通过Java编程语言,采用SpringBoot技术,对系统页面的跳转及所有的请求进行应答,同时还将部分需要储存的数据纳入MySQL数据库中。在开发后端服务器的过程中,通过Swagger2组件自动生成请求接口文档,达到前后端分离的目的,提高开发速度。采用JPA框架对数据库中的数据进行管理操作。

前端开发采用的是Vue框架,通过数据驱动和组件化开发达到数据绑定的目的。通过Axios技术实现浏览器与服务器之间的通信交流,完成数据交换操作[14]。

3.2 模型部署与交互技术

本系统参考3万吨级多功能杂货船建立船舶模型,模拟系固操作过程中的作业平台,用户可在系统页面通过动态修改模型的形态键来改变船舶参数,实现系统的高适用性目标。通用平台可以拓展系统的使用范围,不同的船舶也可以通过本系统完成系固作业。可交互的三维仿真系统具有显示直观、沉浸感强的特点,能精确地模拟出物体的细节从而让使用者更加准确、直观地理解系固操作过程,符合当前虚拟培训系统及三维演示软件的发展趋势[15]。系固操作可视化效果见图5。

图5 系固操作可视化效果

3.3 系固核算模型建立

以往的系统采用在《货物积载与系固安全操作规则》中查阅表格的方式进行系固核算,虽然方便船员使用,但系固核算结果与实际数值有着不小的出入。本系统为增加核算结果的精度,采用《货物积载与系固安全操作规则》2021附则13中提出的替代模型进行计算,可以减少实船使用时的误差,避免过度绑扎。系固核算有经验核算法、改进核算法、替代核算法[16]等3种方法。因对数据精度有着一定要求,本系统使用替代核算法进行计算。以下对系固核算进行详细说明。

3.3.1 货物系固效果的评价标准

积载于舱内或甲板上的货件,应予以适当系固以防止货物滑动、翻倒及上跳。在通常的运输条件下,由于货件自重较大,垂向力方向总是向下,故一般不会产生上跳现象,在此不予考虑。货件滑动及翻倒表现在横向和纵向两个方向上,在大多数情况下其纵向翻倒的可能性较小[2]。依据货物受力方向,系固效果的评价标准表示为

(1)

式中:Fy和Fx分别为作用于货件上的横向外力和纵向外力,kN;FN,y和FN,x分别为阻止货件移动的横向约束力和纵向约束力,kN;My为货件横向倾覆力矩,kN·m;MN,y为阻止货件横向倾覆的约束力矩,kN·m。

3.3.2 作用于货件上的外力

当船舶在海上航行时,作用于货件上的外力包括惯性力、风压力和波溅力[17]。《货物积载与系固安全操作规则》2021附则13给出在设定的恶劣天气、海况和船舶不利条件下货物单元所受纵向外力、横向外力、垂向外力和横向倾覆力矩的计算公式:

式中:ax、ay和az分别为纵向、横向和垂向加速度,m/s2;Fw,x和Fw,y分别为纵向、横向风压力,kN;Fs,x和Fs,y分别为由海浪晃动引起的纵向、横向力,kN;Fz为作用于货件上的垂向外力,kN;lz为货物横向倾覆力臂,m;m为货物质量,t。

货物的纵向、横向和垂向加速度[18]的计算式为

式中:ax0、ay0和az0分别为基本纵向、横向和垂向加速度修正系数;c1为航区修正系数;c2为季节修正系数;c3为25个航行日的修正系数;g为重力加速度。在《货物积载与系固安全操作规则》2021附则3中,c1全球取1.0,c2整年取1.0,c3取0.74,g取9.81 m/s2。

3.3.3 作用于货件上的约束力

作用于货件上的约束力和约束力矩指的是横向约束力、纵向约束力和阻止货件横向倾覆的约束力矩,具体计算公式如下:

式中:fx,i(i=1,2,…,n)为μ和水平绑扎角β的函数;fy,i(i=1,2,…,n)为μ和垂向绑扎角α的函数;fz为垂向力的修正系数;ci(i=1,2,…,n)为绑扎力臂长,m;Fc,i(i=1,2,…,n)为绑扎装置的计算强度,kN。

系统会自动判定用户所使用的连接设备种类。当用户选择的连接设备为“钢丝绳”时,绑扎装置的计算强度由下式确定:

Fc=min{Fc,T,Fc,H,Fc,D}

式中:Fc,T为花篮螺丝的计算强度,kN;Fc,H为钢丝绳的计算强度,kN;Fc,D为地令的计算强度,kN。当用户选择的连接设备为“钢链”时,绑扎装置的计算强度由下式确定:

Fc=min{Fc,L,Fc,I,Fc,D}

式中:Fc,I为钢链的计算强度,kN;Fc,L为紧链器的计算强度,kN。

3.3.4 系索角度

在系固操作系统中,使用者根据自身需要选取任意的系固方案。在方案确定好之后,系统会将系固点A、地令B的坐标(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB)传递给系固核算系统,并将垂向绑扎角α和水平绑扎角β显示在核算结果输出系统。垂向绑扎角α和水平绑扎角β由下式确定:

4 系统测试

4.1 测试实例

4.1.1 初始参数设置

选取3万吨级多功能杂货船实船运输常规非标准货物单元为例。该船部分参数见表1,货物部分参数见表2。用户可以将船货参数输入到船舶与货物管理界面,在使用时系统将自动调取数据。

表1 船舶参数

表2 货物参数

4.1.2 系固方案设计

系统自动读取货物位置数据,将货物置于指定位置。本例选取的系固设备见表3。具体的系固方案见图6。

表3 系固设备与计算强度

图6 系固方案俯视图

4.1.3 系固方案核算

通过系固核算系统可以将上述系固的数据进行核算,计算结果通过核算结果输出系统进行展示,见表4。

表4 系固核算

将表中数据代入式(1),可以得出该系固方案是安全可行的。上文采用的系固核算模型针对具体情况有着更多的修正系数,适用性更高,精度更高,同时保证了航行过程中货物系固的安全性。

4.2 显示效果

系统测试效果见图7。从实验效果看:系统可以直观地显示系固点和地令相对于货物的位置,同时对货物与船舶的比例大小以及货物在船上的位置有着更加具体的显示,证明该系统具有良好的可视化效果[19-20]。

图7 系统测试显示效果

5 结 论

针对目前大多数货物单元系固软件难以维护与更新且图形显示较为抽象的问题,开发出一套用于非标准货物单元系固的软件。本软件实现的目标有3个:第一,通过B/S架构实现公司或机构与船舶实时远程数据共享功能,实现实时监控管理的功能。第二,通过Blender和Verge3D对系固操作过程可视化进行优化,使系统更加逼真,让使用者更加直观、清晰地感受系固操作过程。第三,系统使用的系固核算模型是参考《货物积载与系固安全操作规则》2021附则13所提出的替代模型,计算精度更高,核算结果与实际数值更接近。测试结果表明,系统具有良好的可视化效果。