液舱装卸数字孪生系统建立及优化方法.pdf

第 卷 第 期江苏船舶.年 月.液舱装卸数字孪生系统建立及优化方法赵会军甘正林齐 鸣(.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司天津.武汉船用机械有限责任公司湖北 武汉.上海中船船舶设计技术国家工程研究中心有限公司上海)摘 要:针对船舶液舱装卸效率受到装卸计划制定智能化水平、装卸操作执行自动化程度制约的问题梳理了近几年船舶液舱装卸系统在状态监测、数字化建模、趋势分析、辅助决策、自主执行、应急响应等方面的发展现状然后基于数字化、智能化技术在船舶装卸系统中的应用特点研究现有船舶装卸系统在数字环境中的映射程度和相较于成熟的数字孪生系统尚需完善的部分最后根据实船应用情况收集船舶液舱装卸过程中的技术难点及发展瓶颈为该系统在自动化、智能化的发展提供优化思路关键词:液舱装卸系统数字孪生发展瓶颈优化方法中图分类号:.文献标志码:./.引言液舱装卸作业是实现船舶装载必不可少的环节 该场景不仅是狭义范围所指的液货船的在港装卸作业其他如原油生产平台的加注和外输、打捞救生作业、起重作业中的压载水置换等所有发生于水面的船舶液舱与外部、液舱间的液体输转在广义范围内都属于船舶装卸作业船舶液舱装卸作业通常具有安全要求高、作业环境复杂等特点且由于船舶本身自重大、多系统布置及协调难度高在机电系统控制特别是自动化控制中对系统的可靠性有着更高的要求 常规船舶的液舱装卸作业主要由船员利用装载计算机交互定义制定包含几个重要调载节点的装卸载计划调载节点逐一通过安全性校核后根据计划中调载时间点向阀门遥控、泵控以及其他相关装卸系统下发启停、开度等命令从而实现液舱装卸作业执行 该作业过程执行的效果对船员经验依赖程度较高 基于这种作业流程用户在预置典型工况基础上经过多次修改确定的装卸计划在浮态、稳性、强度等作业状态或者安全性上仅能实现“达标”而非“最优解”为了更好地发掘船舶运输及作业的潜力提升船舶在液舱装卸作业中的可靠性和自动化水平收稿日期:作者简介:赵会军()男工程师从事仪器仪表工程研究甘正林()男硕士高级工程师从事液货系统研发齐鸣()硕士高级工程师从事船舶 研究行业内近年来在液舱装卸设备能力、数据分析、数字化呈现等方面都做了较深入的探索船舶液舱装卸系统综合作业能力得到了长足的进步本文以船舶典型的液舱装卸载作业为应用场景围绕船上现有液位监测、浮态监测、阀门遥控及其他货物安全系统建立以各系统信息融合、智能决策、自主执行为目标的统一的液舱装卸系统 在此基础上通过数据分析、智能算法、数值仿真等手段实现作业过程的模拟、执行过程的状态预测及故障针对以船舶装卸相关系统为边界形成较完整的数字孪生系统构建框架 船舶液舱装卸系统发展现状随着船舶智能化和信息化的发展作为船舶重要的组成部分之一的液舱装卸系统越来越趋于复杂化、智能化成为融合传感器、计算机、自动控制、电子信息、大数据技术以及船舶管理等多学科的综合管理控制系统船舶装载及压载由多个独立的水密舱室实现各舱之间通常可装载不同量的液体 随着船舶功能性的增强船舶的舱室划分也逐步向更多元、更密集的方向发展如果是液货舱常设置隔舱每个货舱设有完全独立的货物装卸系统和货物维护系统 舱室装卸系统方面其控制系统的先进性在船舶各系统中也是较为突出的 除了常规的液货装卸及压载水置换系统外液货船基于安全性要求通常会配备液舱高位/高高位报警、惰性气体系统等根据装载 江 苏 船 舶第 卷货物特性会配备如货物冷却液化和再气化、加热等货物装载辅助系统 此外还会配备自动化的洗舱系统.液舱装载货物的复杂性除压载舱外液舱装载货物类型根据船型有很大区别 即便是面向单一货品的液货船如原油船、船、船等也因其易燃易爆的特性对压力、静电等环境物理状态都十分敏感同一类但不同体积质量的货物间、货物与压载水间若发生接触可能产生如氧化、化合、分解等反应这些都是液货船装配载过程中所必须要规避的 液舱装载货物的复杂性使得一般船员难以具备完善的舱室操作及设备维护能力需要液舱装卸系统具备一定的智能化和自动化水平以应对各种货物特性.船舶液舱装卸作业的复杂性船舶液舱装卸作业中首先除了要考虑货物本身特性带来的危险外因其过程中涉及的系统较多操作本身也较为复杂 其次货物的交接时间是有限的且装卸货精度要求高大幅增加了船舶装卸作业本身的不确定性 以浮式生产储卸油平台()为例由于采油过程在环境条件允许的情况下是不间断的因而其液货舱注入是连续进行的过程 该过程通常会有一个或一对舱参与 当前允许注入的舱室达到装载量目标后通过调整液货输转路径实现注入目标舱室的切换 达到装载量目标后原油在一段时间沉淀后油水分离底部含水量较高的原油需要通过倒舱转移至制定舱室倒舱过程至少会有 个液舱参与 同时周期性的在 达到一定的装载总量后会依计划通过海底管线或者穿梭油轮卸载部分液货外输作业参与舱室较多且多为同步进行 此外每个舱室在完成一次注入、外输的作业流程后都需要通过洗舱为下一阶段的作业循环做准备处于洗舱阶段的舱室不会再参与原油输转的作业流程直至洗舱作业完成 在 的常规作业过程中可能会有多至五、六种液舱装卸过程同时进行每种过程都需要制定不同的策略调动的设备范围也大不相同 如果在这个过程中有智能化手段的辅助则可以在提升装卸作业、维持作业效率的同时最大程度地避免船员的误操作.船员素质和能力的复杂性船舶装卸作业通常由船上的大副负责监督操作和执行操作人员本身除了要具备一般的操纵船舶基本技能外还需要对装载货物本身的理化特性、装卸设备安全操作规范、船舶总体性能(浮态、稳性、强度)安全要求、应急处理等有充分的了解和掌握任何一个操作过程中的欠缺和疏漏都可能导致船舶发生事故和无法挽回的后果此外船舶作为最主要的大宗货物运输载体相较其他运输行业航运业工作时间长、工作强度大、技术要求高、工作环境差人员调派困难、船员心理状态欠佳情况时有出现这对于实船系统操作人员责任心和敬业心无疑提出了更高的要求 因此通过采用智能化的货物管理手段对船员的工作压力可以起到非常大的缓解效果提高了船舶的运营安全 数字孪生在船舶装卸系统中的应用.船舶装卸数字孪生系统的一般组成数字孪生系统并无通用的定义通常它的主体是由特定物理空间下的物理对象、用户实体、数据采集实体与设备控制实体在数字空间中构建的数字孪生体以及基于该孪生体提供的不同层级的预测、决策、控制策略构成 从系统架构上来看一般会分为感知层、数据层、决策层、执行层在实现对物理对象状态信息实时采集的基础上通过对数字孪生体的分析、训练等呈现物理对象的状态或运动变化趋势从而辅助对物理对象进行优化、决策或控制船舶装卸系统的感知层主要是由面向船舶总体状态和设备工作状态监测布置的传感器组成的 当前有液舱调载需求的船舶都会配备液位遥测系统、阀门遥控系统和泵控系统依托这些系统部署在舱室或者设备内部的传感器在提供舱室装载状态信息采集的同时也会实时监测相关设备的工作状态当前船舶总体及机电系统内的传感器分布和反馈信号频率、范围已足够覆盖船舶液舱装卸系统的使用需求船舶液舱装卸系统数字孪生体中数据层主要包括系统模型构建和系统运行数据 系统模型数据包括船舶总体设计模型、舱室设计模型、设备性能参数模型等是船舶液舱装卸系统物理对象在系统中的数字映射 系统运行数据主要来源是由各类传感设备实时采集到的多模式、多类型的运行数据依据触发事件一般包括状态监测数据和预警/报警信息系统将感知层采集的模拟信号转换为数据层的数字信号需要首先确定数据传输协议和数据测点等针对数据管理还涉及数据的存储、清洗、分类、聚合和数据关联等技术在掌握装卸系统运行状态的基础上船舶液舱装卸系统可以提供多层次、多维度的辅助决策建议包括输转速率计算及拟合、配载方案制定、装卸计划制定、装卸流程仿真、装卸操作流程生成等基于理 第 期赵会军等:液舱装卸数字孪生系统建立及优化方法 论算法、智能算法、机器学习等技术手段在装卸辅助决策领域都有着广泛的应用船舶装卸数字孪生系统必须要在决策层完成充分的分析、验证、仿真后方可下发具体的执行指令数字孪生系统的执行层是对决策结果的检验必须是可回放、可预测的同时决策层也需要根据实际执行和决策结果的偏离程度不断修正决策过程实现数字孪生体向物理实体的逐步逼近船舶装卸系统架构图见图 图 船舶装卸系统架构图.船舶液舱装卸数字孪生系统基本功能()镜像数字孪生系统的镜像是指在系统中建立物理对象的数字孪生体在几何尺度、物理属性等方面与物理实体以适当的频率保持一致同时在系统中通过可视化手段展示 基于数字孪生技术集成船舶液舱装卸数字孪生系统感知层和数据层数据信息建立 装卸系统的数字化模型 其中船舶液舱装卸系统的状态监测即是实现该系统在数字化环境中的镜像基于液位遥测、浮态监测、装卸设备状态监测等高精度传感器以及信号处理手段采集、筛选、处理船舶各系统信号系统掌握船舶的装载状态及作业状态()归因数字孪生系统的归因是指通过数字孪生体实现对物理对象动态的、趋于实时的监测基于所得的监测数据和历史信息推送对物理对象当前状态及成因的判断结果 船舶装卸数字孪生系统要求系统基于数据采集反映的船舶及设备状态通过装载计算模块自动计算特定状态下的船舶总体状态及安全校核结果()预知数字孪生系统的归因是指通过数字孪生体在数字空间对物理对象的设计、制造、测试、运行与维护、拆解与报废等过程进行集成的模拟、仿真与验证并在系统中实现对物理对象未来状态的预测从而判断其潜在的缺陷与风险 船舶舱室状态监测数据除了可以完整地体现船舶当前工作状态外也可以通过数据变化预测状态变化趋势如可根据液位遥测采集到的舱室装载率变化计算液体装卸速率预测未来各时间点舱室的装载状态进一步预测全船的作业状态()优选数字孪生系统的优选是指通过数字孪生体在数字空间分别对多种决策方案下的物理对象性能、缺陷、风险等进行模拟、比对进而选择决策方案或对决策提出建议包括决策支持、自动化决策船舶装卸数字孪生系统要求根据配载需要智能推送满足船舶作业条件及船舶作业状态要求的优化配载方案同时根据装卸作业要求和设备状态实现装卸计划的智能生成及模拟并智能生成装卸作业操作方案()自主自主是数字孪生系统的落脚点即通过系统实现数字孪生体与其物理对象之间动态互动数字孪生体向物理空间反馈物理实体的执行动作从而实现系统自动运行 船舶装卸数字孪生系统通过对装卸系统相关设备的控制实现装卸计划的自主执行执行过程中收集控制对象状态反馈状态异常时启动相应的应急响应措施基于数字化孪生基本要素面向船舶装卸系统软件业务流程结合计算机技术、自动控制技术、数据处理和分析技术在状态监测和过程仿真两方面开展技术优化将采集、监测的数据和性能模型(如流速计算等)整合一体化通过驱动数字模型完成过程仿真的优化验证智能化生成船舶装卸方案等实现装卸计划的自主执行 面向数字孪生的船舶装卸系统优化.状态监测优化在船舶装卸系统中状态监测多来自于传感器直接采集信号的反馈 这些对舱室或者设备状态的反馈数据显示在系统的数字化模型中可以较全面地体现数字孪生系统镜像的特性 现有传感器采集的状态数据也是船舶装卸系统工作状态趋势判断、预警及风险规避依赖数据的唯一来源其中最主要的是通过舱室液位变化分析得到的流速数据受限于设备成本和安装数量的限制用于检测流速数据的流量计通常仅布置在货油管线或者压载管线的总管位置而在进入各舱的支管位置并没有 江 苏 船 舶第 卷独立的监测设备 很多情况下进入各舱液体流速受到船舶姿态、管线内液体的密度(粘稠度)、管线内壁的材质、管网高度落差、舱室距离离心泵输出口的距离等诸多因素影响 现有的流速解决方案通常是根据目标液舱过去一段时间装载体积变化在时间跨度上平均计算得到 由于船舶通常处于一种波动的状态下加之液位信号采集的频率较低这样得到的结果难以反映实时的流速易产生突变极大影响了对未来状态预知的准确程度 当前可行的优化手段可从以下 方面入手:()建立管线内流速理论计算模型基于设备性能参数建立泵功率和转速、阀门开度、管线流速间的数值关联基于泵及阀门的设计参数建立初步的流速曲线根据液体密度(粘稠度)、管内壁材质建立流速模型根据装卸实际环境修正各液舱的流速曲线()基于实船数据建立流速拟合模型实时采集装卸过程中的舱室装载液位高数据通过机器学习建立船舶姿态、液体密度(粘稠度)、舱室位置、阀门开度等条件下对应的液位高采集片段基于对应片段建立流速拟合曲线从而实现基于实船数据的流速拟合模型.过程仿真优化完备的仿真运行环境有助于生成可靠的船舶装卸系统智能决策方案实船采集数据也需要完备的仿真环境以回归和验证 所以一套完整的数字化船舶装卸系统仿真环境对于系统的自我完善和优化至关重要以船舶自主装卸系统为研究对象构建跨流体、机械、控制、电气等专业的船舶自主装卸系统的多领域模型库根据设计数据、实验数据标定系统关键部件仿真模型将设计知识和设计经验以模型的方式进行表达与积累根据装卸系统的拓扑原理通过拖拽组件调用模型库中的模型集成为系统仿真分析模型 以自主装卸系统系统仿真模型为对象开展以下工作:()自主装卸流程的仿真验证分析()自主装卸系统的压力、流量动态响应分析()自主装卸控制算法的仿真验证分析()针对局部设备故障工况下控制器故障处理能力仿真分析()以仿真结果数据为驱动对自主装卸过程进行动态展示规范以当前型号为代表的自主装卸系统研制流程提供数字化快速设计验证条件为后续相关装备的快速设计迭代过程提供基础仿真验证平台基于需求分析的结果完成系统功能分解根据产品功能性能指标要求对其进行分解得到系统的各个功能模块再从组件子系统系统进行自底向上的系统模型构建得到各系统仿真模型基于所构建的模型根据理论知识或试验数据对其进行验证并对相关参数进行标定得到经过验证的组件、子系统、系统模型结合需求分析得到的产品功能指标基于各系统模型对其进行全数字仿真分析以保证系统模型能够满足指标要求.自主执行优化船舶装卸系统自主执行通常遵循以下流程:()制定装卸作业计划确定舱室在装卸计划各阶段调载目标()设置装卸作业计划执行确认()基于货油舱、压载舱及相关装卸设备关系表自动生成设备操作计划()根据当前舱室装载及船舶状态自动校准计划实施情况并评估距离阶段目标状态剩余时间()在正确时间点下发各舱室阶段调载目标这种方式的优势如下:()制定的计划一定是被验证安全可靠的实际操作过程中只需要监测计划执行精度而船舶本身的安全性通常被认为是可靠的()执行过程中不会产生较大的设备操作调整只要装卸初始状态和目标状态没有重大调整计划可完成程度有保证这种方式的劣势如下:()针对、挖泥船等装卸作业执行过程连续没有明显初始状态和目标状态的装卸过程自主装卸的计划无法生成()执行过程中如果船体、舱室、设备状态出现异常应急响应能力较弱应对这些情况可考虑采用自主寻迹的方式根据当前船舶、舱室、设备状态实时生成未来一段时间的液舱装卸计划并根据反馈的系统运转状态优化装卸流程和操作计划 结语船舶液舱装卸过程具有影响因素多、货物对环境状态敏感等特点 装卸作业环境条件、输转液体密度、参与装卸舱室的选取、船舶总体静水性能等都会对装卸的效率及安全性产生深刻的影响 本研究基于数字孪生系统的功能要素提出了智能化、自动化大背景下船舶舱室装卸系统的(下转第 页)江 苏 船 舶第 卷出以焊接热输入量上下限作为焊接过程监测指标()针对铝合金薄板相控阵超声检测实际需求开展了相控阵超声检测区域、过小角度检测、步进偏移试验和扫描速度试验验证等工作解决了优化制定铝合金相控阵超声检测原则工艺的关键问题为船厂提高铝质船体修造质量提供了方法手段参考参考文献:王蕤 罗震 步贤政 等.多元化铝合金直流点焊接质量监测系统的研发.焊接技术 ():.于鹏.铝合金脉冲多重控制 焊接质量在线监测研究.长春:吉林大学.张志芬.基于多信息融合的铝合金脉冲 过程焊接缺陷特征提取研究.上海:上海交通大学.白韶军 张存 汤金蕾 等.基于 的铝合金焊接电弧检测系统.航空制造技术(增刊):.李玉龙 刘达繁 茶映鹏.铝合金超声波点焊温度场数值模拟及试验.焊接学报 ():.():.吴振成 李来平 涂俊 等.铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的涡流阵列检测.无损检测 ():.洪宇翔 杨明轩 都东 等.铝合金爬坡 焊熔池失稳状态的视觉检测.焊接学报 ():.闫中广 闫志鸿 谷文涵.基于同位深度灰度图像的焊缝成形质量检测.热加工工艺 ():.李小欣 赵利军 郑延召 等.铝合金板材焊接接头的相控阵超声检测.无损检测 ():.(上接第 页)建立思路 通过船舶装卸系统数据处理、设备技术条件和自主决策方案的使用现状提出了船舶液舱装卸系统的优化方向在确保装卸过程安全可靠的基础上为有效提升装卸过程的执行效率和自主程度进而提升船舶货物管理智能化水平提供了新思路参考文献:中国船级社.智能船舶规范.北京:人民交通出版社.翁佳懋.散装液体化学品船舶安全运营浅析.交通与港航 ():.翁佳懋.散装液体化工品船转船过驳运输的分析.上海:上海交通大学.中国船级社.化学品船智能货物管理检验指南.北京:人民交通出版社.中国船级社.船舶与海上设施数字孪生系统指南.北京:人民交通出版社.(上接第 页)电气设备基座制作托盘生成原理是:通过电气设备模型类()获取设备基座编号自动提取连接电气设备基座的电气设备名称及代号通过 属性输出“基座重量”“数量”“单位”“表面处理”取默认值.电气设备基座制作图电气设备基座进行开发步骤如下:()根据近年来各系列船型生产设计经验积累罗列常用的电气中小型设备基座清单形成标准化统一在 软件中对这些基座进行三视图的设绘并对一些参数值进行定义如基座安装尺寸、安装孔大小、基座高度等数据()根据电气设备基座形式对基座进行参数化开发并在模板工程中进行调试应用()在服务器模板目录()下新建设备基座的 模板 首先通过 软件将 图形转换成图片格式其次将所有需输出的数据在工作表单元格中定义()基于 语言对参数化基座的参数值进行提取输出到 制作图中 结论()根据自身实际需求对.部分功能进行标准化定义建立和完善了设计标准体系()通过对.的二次开发提升了电舾托盘、制作图的输出效率满足了设计、生产和管理的需求参考文献:杨安海 韦乃琨 徐东 等.基于 的船舶三维设计与虚拟仿真数据重用技术/年中国造船工程学会/学术交流会议论文集.北京:中国造船工程学会:.陈辉 张军.电气设计系统研究及应用/年/学术交流会议论文集.北京.中国造船工程学会:.卢俊奇.基于.的电舾件腹板的参数化设计.九江职业技术学院学报():.任伟 吴泰峰 周彬.基于 .的舾装快速出图系统开发及应用.造船技术 ():.周彬 吴优.基于船舶设计软件.的二次开发.造船技术():.夏冬梅 胡波 金松.电气铁舾件及常用设备基座精细建模研究.广东造船 ():.()()().()/.().()()()()()()().()()()()()