（交通信息工程及控制专业论文）固体散装船智能装载系统的研究与设计.pdf

摘要 提高散货船配载系统的效率和可靠性，对船舶安全、经济和高效率运输有重 大意义。国际海事组织( m o ) 在s o l a s2 0 0 3 年版本第章“散货船的附加安全 措施”的第1 1 条“装载仪 中列举了有关固体散货船必须配备装载仪的具体规定， 而且特别声明该条规定适用于无论何时建造的所有固体散货船。 2 0 0 4 - - 2 0 0 5 年，作者在参与导师主持的交通部应用基础研究项目一“航海知 识库关键基础技术研究和天津海事局项目一“关于散装船船长、大副装载计算 机知识培训项目的研究 的过程中，对中散公司4 7 条散货船的计算机装载系统功 能结构进行了调查，分析研究的结果表明：目前散装船的计算机装载系统的设计 缺乏分轮装卸最佳方案筛选和自动预配载等智能功能，而散装船的结构和装运特 点又决定了其计算机装载系统急需这些智能功能的支持，因此开发一个智能化的 装载系统是有着重要现实意义的。本文在分析散货船装载稳性、浮态和强度计算 数学模型的基础上，设计并实现了固体散装船装载系统的浮态、稳性和强度核算 功能；探索了一种分轮装卸最佳方案筛选的数学模型，设计了分轮筛选的程序流 程，实现了分轮装卸最佳方案的筛选功能；借助专家系统的观点和原理，进行了 散装船装载系统推理机的研究，设计了散装船自动配载的程序流程，实现了散装 船装载系统的自动配载功能。 本文采用v c + + 6 0 为开发工具、m sa c c e s s 为数据库软件，以m i c r o s o f t w i l l 2 0 0 0 为操作平台，开发出面了向船舶驾驶员的智能装载系统，可用于普通散货 和散粮货物的装载核算。利用“新发海轮的数据资料对所开发的智能装载系统 进行了验证，结果证明该软件系统是可行的。 关键词：散货船：智能配载；分轮装卸；知识库 r e s e a r c ha n dd e s i g no n i n t e l l i g e n ts t o w a g es y s t e mf o rs o l i db u l kc a r t i e r a b s t r a c t t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es t o w a g es y s t e mf o rb u l kc a r r i e r s h a ss i g n i f i c a n tm e a n i n g st os a f e ，e c o n o m i ca n dh i g he f f i c i e n ts h i p p i n g t h es p e c i a l s t i p u l a t i o nf o rc o m p u l s o r ye q u i p p i n gs o l i db u l kc a r r i e rw i t hs t o w a g es y s t e mi sl i s t e di n t h ellt hr u l eo ft h e7 t hc h a p t e r 、h ea p p e n d e ds a f e t ym e a s u r e s ”i ns o l a s2 0 0 3o f o i nt h ep r o c e s so fp a r t i c i p a t i n gi nm yt u t o r s p r o j e c t f o rt h e m i n i s t r yo f c o m m u n i c a t i o n sa n dt h ep r o j e c tf o rt i a n j i nm a r i t i m es a f e t ya d m i n i s t r a t i o ni n 2 0 0 4 2 0 0 5 ，t h ea u t h o rm a d ea ni n v e s t i g a t i o na b o u tt h e4 7 b u l kv e s s e l so fc h i n a c o s c ob u l kc o ，l t d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tn o w a d a y st h ec o m p u t e rs t o w a g es y s t e m f o rb u l kc a r r i e ra r el a c ko f s u c hi n t e l l i g e n tf u n c t i o n sa sa u t o m a t i cs t o w a g ea n ds t o w a g e i nt u r n s h o w e v e r , t h ee o n s t r u a la n dl o a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so f b u l kc a r r i e rm a k et h e s e f u n c t i o n si n e v i t a b l ea n dn e c e s s a r y s od e v e l o p i n gas e to fi n t e l l i g e n tc o m p u t e rs t o w a g e s y s t e mc a nm a k eg o o ds e n s e t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e sm a t h e m a t i c sm o d e li n s t a b i l i t y , f l o a t a t i o na n dl o n g i t u d i n a ls t r e n g t hf o rb u l kc a r r i e r w i t ht h eh e l po fp o i n t sa n d t h e o r yo fe x p e r ts y s t e m ，t a k i n g s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fb u l kc a r r i e ra n dt h e r e q u i r e m e n to ft r i m ，s t a b i l i t ya n ds t r e n g t hi nt h ep r a c t i c a ll o a d i n gp r o c e s s ，i tt h e n d i s c u s s e st h ea l g o r i t h mo fa u t o m a t i cs t o w a g ea n dr e a l i z es t o w a g es y s t e mf o rb u l k c a r r i e r ，a n df u r t h e rm o r ea c c o m p l i s h e ss o m ei n t e l l e c t u a lf u n c t i o ns u c ha sa u t o m a t i c s t o w a g e ，s e l e c t i o no fb e s tl o a d i n gc a s e s ，a n dc a l c u l a t i o no fs t a b i l i t yf o rb o t hg e n e r a l b u l kc a r g oa n dg r a i nc a r g o a d o p t i n gv c + + 6 0a n dm sa c c e s s ，b a s e do nm i c r o s o f tw i n 2 0 0 0 ，w ed e v e l o p e d t h ei n t e l l e c t u a lc o m p u t e rs t o w a g es y s t e mw h i c ho r i e n t e dt oo f f i c e r so i lb o a r d ，t h ed a t a o ft h ev e s s e l ”x i nf a h a i ”i su t i l i z e d ，t h er e s u l t sp r o v e st ob ef e a s i b l e k e yw o r d s ：b u l kc a r r i e r ) i n t e l l i g e n ts t o w a g e ；s t o w a g ei nt u r n s ；k n o w l e d g eb a s e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 !固住邀装照智篚装载丕统的硒究皇逡让：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：利岛蜀硼年；肛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密团，在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密日 敝作者躲料 钧导师签名赢 日期：7 0 6 年；月2 月 第1 章绪论 1 1散货船运输的发展概况和趋势 散货船运输开始于二十世纪五十年代，因为大批量散货、干货如：谷物、煤炭、 矿石等以散货方式运输可以大大减少包装费用并且提高装卸速度。这些货物在二 战前的海上货运量较少，无需专门的散货船。二战后，散货船运输需求大大增加。 通常情况下，矿物及其它货物运输距离都较远，而最为廉价和方便的运输方式就 是通过海运。欧美及日本等国的一些公司便开始设计制造专门运输矿石、煤炭、 谷物等非包装的散装货物的散货船，开始了散货船运输。 由于散货船运输的优势，散货船运输需求的不断增加以及造船技术的不断发 展，散货船结构上趋于标准，在尺度上越来越大及载重量不断增加，船舶不断趋 向大型化，由早期小吨位至2 0 世纪6 0 年代的2 万吨到2 0 世纪7 0 年代的1 7 万吨 级至今天的2 5 万吨级，而且还有继续增大的趋势1 2 1 。2 0 0 3 年国际造船市场散货船 成交量为1 8 0 艘、1 4 8 0 万载重吨。 2 0 世纪8 0 年代，散货船队以小灵便型船为主力，占散货船总吨位的5 5 2 ， 而好望角型船仅占4 8 ，大灵便型船和巴拿马型船各占1 9 3 和2 0 7 。 2 0 世纪9 0 年代初，好望角型船和巴拿马型船取代了小灵便型船在运力中的地 位，占总运力的5 0 8 ；到2 0 0 2 年，两者所占的比例分别达到3 2 和2 5 ，小灵 便型船则下降到了2 5 。2 0 0 4 年，好望角型和巴拿马型船在船舶结构中的比例进 一步提高，分别为3 3 3 和2 7 2 ，小灵便型仅占2 2 6 6 。预计好望角型和巴拿 马型船舶比例将继续增长，散货船越来越趋向于大型化。 1 2 散装船的装运特点及其对计算机配载系统的要求 散装船在船体结构上与杂货船有很大的区别 3 8 1 1 3 9 1 ，通常散货船为单层甲板、 双层底，在货舱区域有左右舷对称的顶边舱和底边舱，用来装载压载水。货舱为 单层舱，其舱壁所需承受的货物压力大，在纵向强度上要求较高。 散装船在运输中，为保证船体强度条件得到满足、船舶具有适度的稳性和吃 水差，必须合理分配货物在各舱的重量。对于装载如铁矿石等高密度固体散货时， 应特别注意其对船体受力和稳性的影响。对于装载矿粉等易流态化货物时，应防 止货物滑向舷，造成船舶稳性的减少或丧失。此外，在装载具有化学危险的货 物如煤等时，还要保证货物的安全。 散装船的装载量与除油轮外的其它商船相比是较大的，其吃水较深，在进出 港口及航道时经常会受到水深的限制。此外，在港口装卸中还可能会受到装船机 高度的限制。对于大型散货船，为了防止船舶在装卸中搁浅或碰到装船机，必须 根据泊位水深、码头装船机的高度，确定船舶装载前后的最大和最小吃水。散装 船的装卸与其它类型船舶装卸有着明显的不同，大部分散货船不具有自装自卸能 力，需要停靠专用的散货码头，依靠码头的装卸设备进行装卸。散货船的装卸速 度也就取决于岸上装卸设备的装卸效率。不同港口其装卸设备的配备各不相同， 装卸速度也就有所差异。目前，散货船装卸设备主要有装船机、连续式卸船机和 抓斗式卸船机。散装船装卸速度快，最快可以达到几万吨d , 时。因此，散货船的 装卸较容易出现安全问题和操作失误，要求装卸货物前合理安排货物装卸，制定 装卸计划，装卸过程中要协调好港方和船方的关系，派专人看守以便按照规定要 求进行装卸。 随着散货市场对散货船的需求量的不断增多，散装船发展不断趋向大型化， 散装船运输的安全问题日益突出。在散装船营运过程中，由于货物装载不合理而 造成船舶稳性减小、丧失或者造成船舶结构损坏，甚至断裂的事故时有发生。针 对2 0 世纪9 0 年代以来，散货船海难事故频发的紧迫形势，国际海事组织( i m o ) 和 国际船级社协会( i a c s ) 以及各国相关主管部门对固体散货船事故进行了分析，并 提出了新的要求和措施，在船舶建造、设备配备、安全操作等方面要求强制执行 有关规定，以改善散货船运输的安全性 4 0 1 4 1 4 2 。其中，i m o 颁布的s o l a s 公约 2 0 0 3 年综合文本版本第章第1 l 条“装载仪”中列举了有关固体散货船必须配备 装载计算机的具体规定，而且特别声明该规定适用于无论何时建造的所有固体散 货船。如今几乎所有大型固体散货船都装有装载计算机，用来核算和调整船舶的 浮态、稳性、强度。装载计算机系统设计的合理与否直接关系到船舶、船员的安 全。 1 3 论文研究的目的和意义 目前，散装船的装载计算机软件的功能大多只是对某种装载状态下的船舶稳 2 性、强度、浮态进行核算，对中散公司所属4 7 条散装船的计算机装载系统功能结 构的调查研究表明，散装船的计算机装载系统的设计缺乏分轮装卸最佳方案筛选 和自动预配载等智能功能。因此开发一个智能化的装载系统是有着重要现实意义 的。本文开发的智能配载系统软件使得普通的配载人员也可以高效、专业的完成 普通货物和散粮货物的配载任务。 课题研究的意义： ( 1 ) 保护船舶强度不受损伤是保障散装船运输安全的重要方面。本文探讨的分轮 装卸方案筛选的数学方法，实现了装卸货作业过程中强度曲线相对单调地、 平稳地和均匀地变化，是对保护散装船船舶强度是一种有益尝试。 ( 2 ) 本文开发的配载系统实现了船舶自动预配载功能，符合船舶计算机装载软件 智能化、自动化的发展方向，该系统为散装船配载系统的进一步深化提供了 一个软件平台。 1 4 论文的主要工作 ( 1 ) 研究了散货船装载计算的数学模型，设计了船舶浮态、稳性、强度核算的流 程，实现了普通散货和散粮货物装载的核算功能。 ( 2 ) 研究了一种分轮装卸最佳方案筛选的数学模型，设计和实现了分轮最佳方案 筛选的流程。系统的分轮装卸最佳方案筛选功能的实现，能够确保装货过程 中船舶强度曲线相对单调、平稳和均匀的变化，保证船舶强度和船体结构不 受过度疲劳损伤。 ( 3 ) 从专家系统的原理出发，构建了自动配载规则库，设计了推理机，实现了散 装船计算机装载系统的自动配载功能。 ( 4 ) 实现了固体散货船在受横风和横浪联合作用下的天气衡准的计算。 ( 5 ) 根据中散公司“新发海轮的装载手册编制了散装船智能配载软件系统，通 过实船数据的验证，证明了该软件系统是可行的。 第2 章散货船配载计算的数学模型与校核 2 1 散货船稳性计算的数学模型与校核标准 2 1 1 散货船稳性计算的数学模型 ( 1 ) 船舶排水量和重心计算 船舶总重量形= 彬 ( 2 1 ) 船舶排水量d = 形( 2 2 ) 式中：形为所有项目重量包括空船、船舶常数、货物、燃油、淡水、压载水、 备品、船员及行李等等。 船舶重心位置( 工g ，y g ，z g ) ，项目形的重心坐标值为( 而，y f ，z ，) 3 1 毛= 陬积( 2 3 ) ，y g = y ，形( 2 4 ) ，z 亭= w , z ，彬( 2 5 ) - - 4 | i - - ii=l|i = 1i=1|i = l ( 2 ) 船舶稳性计算 船舶在外力矩作用下偏离其初始位置而倾斜，当外力矩消失后能自行恢复到初 始平衡状态的能力称为船舶稳性( s t a b i l i t y ) 。船舶稳性按照倾角大小可分为初稳 性和大倾角稳性。初稳性指船舶微倾时所具有的稳性( 小倾角稳性) ，微倾在实际 营运过程中将倾角扩大至1 0 。1 5 。；大倾角稳性指当倾角大于1 0 0 - - 1 5 0 时的稳性 船舶是否具有稳定平衡的状态，要视其倾斜后是否具有稳性力矩( s t a b i l i t y m o m e n t ；u p s e t t i n gm o m e n t ) 或复原力矩( r i g h t i n gm o m e n t ) 。 船舶初稳性 如图2 1 所示，船舶初始水线为w l ，船舶横倾后的水线面为w 。l 。，船舶稳心为m ， 重心为g ，e 为船舶横倾角，船舶正浮浮心为b ，横倾后浮心为b 。，横倾前后两浮 力作用线的交点为m ，g z 为稳性力臂。 4 j i 之，卜z 缈、? 、 i 夸藕 l 。 i | ! 、 二l| b 、| ( b | _ 2 4 m 的船舶，还应满足天气衡准。i m o 的天气衡准规定了在正常装载 状况下，船舶抵抗横风和横摇联合作用应具有的能力t 5 1 。 船舶受到垂直作用在其中心线上的一个稳定风压的作用下，产生稳定风压倾 侧力臂，。，此时船舶的静倾角为o o ； 假定在横浪的作用下，船舶由静倾角吼向上风弦横摇至b 处； 然后船舶受到一个突风风压，产生突风风压倾侧力臂，。：； 在此情况下，静稳性曲线下的面积应满足：面积b 面积a 在进行上述衡准核算时，各项具体规定包括： a 风压倾侧力臂，。和，。：不随横倾角p 变化； b 风压倾侧力臂0 和，。：按下式求取 l m 。l 2 p m 一。z 。 卜等( 2 1 3 ， i ，2 = 1 5 ，。l 7 式中：m 国。稳定风压倾侧力矩( 埘m ) ； p 单位计算风压( 1 ( p a ) ，取p 。= 5 1 4 9 8 1 k p a ； 4 水线以上船体和甲板货的侧投影面积( m 2 ) ； z 。4 。的中心到水线下船体侧面积中心或近似取吃水一半处的垂直距 离( m ) 。 c 波浪作用下的初始横摇角0 1 按如下方法确定： 幺= 1 0 9 3 h l 工24 r s 式中：卜与船舶舭部形状、龙骨面积有关的系数； x i 与型宽与装载吃水有关的系数： x 2 与方形系数的有关的系数； r _ 与d 和重心位置有关的数； r 与船舶横摇周期有关的数。 d 计算面积时右边界角口2 的确定： 0 2 = m i n n ，见，5 0 。 式中：p ，船舶进水角o ) ； 眈，。：与g z 曲线的第二个交点对应横倾角( 。) 。 新发海轮求取0 1 时参数查取方法如下： 而根据b d 从表2 1 查取，需内插。b 是船舶的型宽( m ) ，d 是相应 的船舶型吃水。 表2 1 系数x l 的值 b d = 3 5 1 oo 9 80 9 6o 9 50 9 3o 9 1o 9 0o 8 80 9 60 8 40 8 20 8 0 而 工2 根据c b 从表2 2 查取，需内插。 8 表2 2 系数石2 的值 c b - - 4 0 k1 oo 9 80 9 5o 8 80 7 90 7 4o 7 20 7 0 a k 舭龙骨或条龙骨或二者的和，新发海的a k = 6 6 4 2 m 。 r 根据下列公式求取，r 的值不超过l 。 ，= o 7 3 + 0 6 x o g d ( 2 1 5 ) 式中：o g 一重心和水线之间的距离( m ) ，当重心高于水线面时取正。 r 根据t 的值，从表4 中查取，需内插。 卜按下列公式求取的横摇周期： r = 【2 曰厕j ( o 3 7 3 + 0 0 2 3 b d 一0 0 4 3 l 1 0 0 ) ( 2 1 6 ) g o m 一经自由液面修正的初稳性高度( m ) 。 ( 6 ) 散粮稳性要求 由于谷物移动使船舶产生的横倾角应不大于1 2 0 ，但1 9 9 4 年1 月1 日以后建 造的船舶尚一个考虑甲板边缘浸水角，取两者中较小者； 在静稳性曲线图上，静稳性力臂曲线、谷物倾侧力臂曲线及右边界线所围面 积，即剩余动稳性，应不小于0 0 7 5 m r a d ，如图2 2 所示； 经对各液舱自由液面修正后的初稳性高度应不小于0 3 m 。 9 0 o h 0 m 5 7 3 o 图2 2 静稳性曲线图 2 2 散货船浮态计算的数学模型及校核标准 浮性是船舶在一定装载情况下具有漂浮在水面( 或浸没在水中) 保持平衡位 置的能力，它是船舶基本性能之一。船舶浮态为船舶相对于静止水面的漂浮状态， 分为正浮、横倾、纵倾、任意倾斜四种状态。可用船舶吃水、横倾角和纵倾角等 参数来表示船舶浮态。船舶结构一般为左右对称，配载时也尽可能兼顾平衡，所 以在计算浮态时忽略船舶横倾的影响，考虑纵倾即可。 船舶吃水6 1 ( d r a f t ；) 是指水线面下船体的深度，即水线面与船底间的垂直距 离。根据量取方法不同可分为型吃水和实际吃水。两者相差一龙骨板厚度。浮态 可用船舶平衡水线下的首尾吃水表示。船舶纵倾的大小用船舶吃水差表示，船舶 吃水差( t r i m ) 是指船舶首吃水d v ( o p 首垂线处的吃水) 与尾吃水d a ( 即尾垂线处 的吃水) 的差值，用t 来表示。当首吃水大于尾吃水称为首倾( t r i mb yh e a d ) ，反 之称为尾倾( t r i mb ys t e r n ) ，二者相等称为平吃水( e v e nk e e l ) 。 2 2 1 船舶浮态计算的数学模型 吃水差t 由下式求取： f ：掣 ( c m ) ( 2 1 7 ) m t c l o 式中：船舶排水量； 工譬船舶重心纵坐标，即重心距船中距离( m ) ： 一船舶浮心纵坐标，即正浮时浮心距船中距离( m ) ； - 唧c 一每厘米纵倾力矩( m o m e n tt oc h a n g et r i mo n ec m ) ，可根据排水量 从静水力曲线表中查取。 船舶首尾吃水d ，和d 由下式求得， 查取。 d f ：d m + 兰学f ，- ， ( 2 1 8 ) d ：d m 一兰学 a 。b p 式中：d 肘一船舶等容吃水，根据船舶装载后的排水量在静水力曲线表中查取； 三卯一船舶首尾柱间长，”新发海”轮首尾柱间长为2 7 9 0 0m ； z ，一船舶漂心纵向坐标，根据船舶装载后的排水量在静水力曲线表中 2 2 2 船舶浮态的一般要求 吃水差对于船舶的操纵、快速性、适航性与抗风浪性能都有关系。船舶航行时 般都要求有一定的尾倾。航行中适当的尾倾应根据船舶的装载状态确定订躬6 3 刀。 根据经验，万吨级货船的吃水差值，满载时以尾倾o 3 o 6 m 为好，半载时以尾倾 o 伽8 m 为好，而轻载时以0 9 - 1 9 m 为好。上海船舶研究所在分析了国际海事组 织对有关船舶提出的首吃水及平均吃水的最小要求后，根据i m o 建议，我国远洋 航行的船舶的首吃水d f ( r a i n ) 和最小平均吃水d i l l ( 椭) 应满足： ( 1 ) l b p 1 5 0m d e 御n ) o 0 2 5l a pd m n ) o 0 2l b p + 2 ( m ) ( 2 ) l a p 1 5 01 1 1 d f ( 商n ) o 0 1 2l a p + 2d m ( m 蛔) 0 0 2l b p + 2 ( m ) 2 3 散装船强度计算的数学模型与校核 2 3 1 散装船强度计算的数学模型 船体可视为一根空心变断面且两端自由支持的梁，在重力、浮力、船体摇荡运 动的惯性力、风浪力等外力作用下，将不可避免地发生变形，相应地船体具有抵 抗发生过大变形和破坏的能力，称为船舶强度。按照外力分布和船体结构变形范 围的不同，船体强度可分为总强度和局部强度，而总强度又按外力分布和相应船 体结构变形范围的不同可分为总纵向强度和总横向强度。对营运船舶主要应考虑 总纵强度和局部强度。船体强度是影响船舶运输安全最为重要的因素之一，尤其 是对散货船，强度问题更加重要。在散货船营运过程中，因配积载不当，强度超 标，船体结构受损甚至断裂从而造成生命财产巨大损失的海难事故时有发生。因 此，船舶驾驶员在配载时应合理配置载荷重量、优化载荷装卸顺序、限制载荷就 位速度以保证船舶强度不受到过大的损害。 纵向各区段上船体所受重力和浮力的差值，就是该区段船体上所受垂向合外 力，称为负荷8 1 。 分段船体上负荷的存在，使船体各横剖面上将受到剪力和弯矩的作用。假定 重力沿船长的分布为p ( x ) ，浮力沿船长的分布为b ( x ) ，则它们的差值就是引起船 体梁总纵弯曲的载荷q ( x ) ，即 g ( x ) = p ( z ) 一6 ( 石)。(219) 利用梁的理论，作用在船体梁横剖面上的剪力o ) 和弯矩m ( x ) 为： ( x ) ：rq q ( x ) d x ( 2 2 0 ) ( x ) = ( ) m ( z ) = r o ) d x = f ( f q ( 工) d x ) d x ( 2 2 1 ) 符号规定一般载荷q ( x ) 以向下为正，剪力n ( x ) 以作用在梁微段出左剖面上向 下为正( 或右剖面上向上为正) ；弯矩m ( x ) 则以使船体梁发生中部向上拱起，首、 尾两端向下垂的弯曲为正；总纵强度的校核也就是对剪力和弯矩的校核。 1 2 2 3 2 散装船强度的校核 对于强度衡准从总纵强度和局部强度两个方面进行校核。总纵强度校核以装 载手册给出的各校核肋位许用的剪力和弯矩值为上限值；局部强度要满足装载手 册中给出的各舱在不同型吃水时的最大装货量限制。 局部强度是研究船体在外力的作用下，局部构件的弯矩和剪切强度。保证船 体局部强度的要点是： ( 1 ) 甲板和货舱底舱的载荷不超载。 ( 2 ) 合理配置上述载荷的横向和纵向分布。 对于散装船，由于其货载特点，对船体局部构件强度则主要侧重于双层底和 水密横舱壁负荷是否超载，重点考虑以下限制条件： ( 1 ) 货舱总载重量分布的限制。 ( 2 ) 最大载重量的限制。 通常只要各舱载货量在船厂所提供资料的各舱许可的载重范围，即可满足局 部强度的要求9 1 。例如：“新发海 轮各舱许可最大载重量如下表所示： 表2 4 “新发海”轮各舱最大装货量 货舱号 123456789 2 9 3 0 01 9 9 0 0 3 7 2 5 01 9 7 5 03 8 2 0 0 2 3 2 5 83 7 3 0 02 1 5 0 03 0 1 0 0 最大载 货量 2 4 散装船水尺检量的数学模型 水尺检量( d r a u g h ts u r v e y ) 是利用船舶装卸货物前后水尺的变化来计算载货 重量的一种方法。虽然水尺检量在计算精度上是较粗略的，但是方法简便，节省 人力、物力和时间，因此广泛适用于煤炭、生铁、矿石、硫磺、盐、化肥等价值 较低的散货计重。 2 4 1 水尺检量的基本原理 水尺检量的原理是利用船舶吃水与排水量的关系，通过测量船舶载货时的吃 水和无货时的吃水求得船舶载货时的排水量和无货的排水量，这两者之差，扣除 装卸货前后船上非货物重量的变化，就可以得到计量货物的重量。即下式： q = ( a r g ，) 一( 。一g 。) ( 2 2 2 ) 式中： q 装货量； ，船舶卸货前或装货后的排水量( t ) ； 。船舶卸货后或装货前的排水量( t ) ； g ，卸货前或装货后的燃油、淡水、压载水的总存有量( t ) ； g 。卸货后或装货前的燃油、淡水、压载水的总存有量( t ) 。 2 4 2 水尺检量的步骤和方法 ( 1 ) 测定有关原始数据 能否准确地测定水尺计量中所需的各项原始数据，关系到水尺计量结果的精 确程度。因此，应力求尽可能提高每一项有原始数据的测定精度。 测定船舶的六面吃水。包括船首左右弦吃水( d ，和d 艮) 、船中左右弦吃水 ( d 办和d 以) 及船尾左右弦吃水似却i r t l d a , ) 。测定时，船上不得进行一切可能影 响水尺观测精度的操作，有波浪时，应读取水面最高和最低时的多组吃水， 并取其平均值，以使读数尽量准确。 测定弦外海水密度p 。一般可与测定吃水同时进行。所测海水取样时应避 开船舶排水管口和码头下水管道口，通常在外舷船中部吃水深度一半处选取 水样进行测定。 测定液舱内油水等储备品的重量万g 。包括各油舱、淡水舱、压载水舱内 的油水存量，船上污水沟和隔离舱内积水的重量及其他储备品和垫舱物料等 重量。 在测定油水舱内的油水存量时，如果船舶有纵倾或和横倾且测口不在舱的中 心时，应进行纵、横倾的修正。 ( 2 ) 计算并修正船舶吃水 计算船首平均吃水d ，、船中平均吃水d ，l 、船尾平均吃水d 一及吃水差t ： 1 4 d e = ( d ，+ d 氏) 2 d 加= ( d 加+ d 九) 2 d a = ( d a ，+ d a 。) 2 t = d ，一d 彳 ( m ) ( m ) ( m ) ( m ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 进行首尾垂线修正：由于船舶的首尾吃水应以水线与首尾垂线交点处的读数 为准，而船舶的实际水尺标准却不在首尾垂线上，因此，当船舶有吃水差时， 就需要对上述首尾吃水进行首尾垂线的修正。可知， 首垂线修正值c 0 = t x0 ( 即一，一l ) ( 2 2 7 ) 尾垂线修正值c a = - t x l ( l b p 一- i 一)( 2 2 8 ) 当船舶的吃水差绝对值小于0 3 m 时，可以不作此项修正。 式中：t 首尾垂线修正前的船舶吃水差( m ) ，首倾取( + ) ，尾倾 取( 一) ； 三护船舶垂线间长( m ) ； ，观测首吃水位置至垂线间的距离( m ) ，其值可由船舶资 料中查得或量取； ，一观测尾吃水位置至垂线间的距离( m ) ，其值可由船舶资料 中查得或量取。 由此，经首尾垂线修正后的首尾吃水d 凡和d 脚分别为： d ，1 = d ，+ c i ， ( 2 2 9 ) d l = d + c i 一 ( 2 3 0 ) 则船舶的首尾平均吃水为： d 。l = ( d ，i + d i ) 2 ( 2 3 1 ) 进行船舶拱垂修正：船舶在各种装载状态下，都有可能出现中拱或中垂变形， 因此，对船舶吃水应进行此项修正。 下面介绍两种修正方法： 第一种方法：在求得d 耐之后，应按下列步骤进行： a 计算首尾平均吃水与船中平均吃水的平均值： d 。2 = ( d 。l + d 却) 2 ( 2 3 2 ) b 计算经拱垂修正后的平均吃水： d 廓3 = ( a t 。2 + d ，1 ) 2 ( 2 3 3 ) 第二种方法： d 肘3 = d 。l + c l ( 2 3 4 ) 式中：c l 拱垂变形对平均吃水的修正值， 其值可由以下公式求取： g = 3 4 ( d 翻一d 。1 ) ( 2 3 5 ) 或c i = 2 3 ( 1 + c 。一c 们) ( d 却一d 。1 ) ( 2 3 6 ) 式中：c 旷叶均吃水为d 。时的水线面面积系数。 当船舶中拱时，c i 取负值，船舶中垂时，c 1 取正值。 当( 1 + c w c w 2 ) = 9 8 时，式2 3 5 和式2 3 6 相等。 ( 3 ) 求取船舶排水量 按以下步骤进行： 根据上述经拱垂修正后的船舶平均吃水d 用，从载重表尺或静水力性能数据 表中查取船舶排水量。查值时，先查出与d 。，邻近的吃水整数值对应的排水 量基数，再将差额吃水乘以相应的每厘米吃水吨数( t p c ) ，得出差额吨数， 以排水量基数加、减差额吨数，即得d ，对应的排水量。 对排水量进行纵倾修正。我们知道，船舶的平均吃水是指漂心处的吃水， 1 z 述a m ，是船中处的平均吃水，船舶正浮时该值与漂心处吃水相等，因此， 上面查得的排水量为船舶正浮时的值。当船舶有纵倾时，必须对上述排水量 进行修正。其应修正的排水量值由下式求得： 1 6 抛= 篙+ 芒备尝 仁3 7 ，) 抛= l 一+ 二= 一二竺 f 2 l b p lf lal b p if l d z 、。 当船舶吃水差小于0 3 m 时，可不进行纵倾修正；当吃水差大于o 3 m 而小 于1 0 m 时，仅需进行上式中第一项修正；当吃水差大于1 0 m 时应按上式进行完 全修正。 式中：d m 忽平均吃水d 。，处的厘米纵倾力矩( m t c ) 的变化率，即 在吃水为d 。，时，当吃水增、减各5 m 时的每厘米纵倾力矩的变化值，于是，修正 纵倾后船舶的排水量为： l = a o + 8 a( 2 3 8 ) ( 4 ) 对排水量进行港水密度修正 由于上述d 。，是船舶在实测水域中的吃水，而船舶资料中的吃水是指船舶在标 准海水中的值，故需对上述排水量进行港水密度的修正。修正公式为： a = a l p 1 0 2 5( 2 3 9 ) 式中：测定时的船舶排水量( t ) ( 5 ) 计算货物装载量q q = ( ，一g ，) 一( 。一g 。) ( 2 4 0 ) 1 7 第3 章分轮装卸最佳方案筛选的的数学模型 由于散货船装载数量通常都较大，在散货船专用码头装卸货物的速度又都比 较快，为保证装卸过程中船舶的强度及合适的吃水差，散货船在装卸时大都是分 3 4 轮完成的。过去在装卸过程中对强度的校核只是按照规范要求考虑剪力和弯 矩是否在允许的范围内，没有考虑其波动变化对船体结构的影响。所以，在分轮装 卸过程中，如何确定合理的装卸顺序和各轮每舱的装卸量及压载水排注方案，使得 船舶在满足吃水、吃水差要求及装船机空挡高度要求的情况下，船舶的强度既符合 规范要求、强度变化又实现某种意义的最佳，是保证船舶强度和船体结构不受过度 疲劳损伤的一个有实用价值的课题n 们。 3 1最佳方案的确定 以3 次分轮装货为例予以说明散货船在装货前一般都是处于中拱状态，装货后 一般处于中垂状态，如图3 i ( s l 为弯矩) ，装货前的弯矩曲线是由当时的压载状况所 决定的，装货后的弯矩曲线可以由配载结果确定。 图3 1 在分轮装货中，随着装货及压载水的排放，弯矩曲线每轮会发生变化，为减少船舶 结构强度的疲劳损伤，我们希望船舶纵向各点处的弯矩在变化时，由装货前状态 单调地变为装货后的状态，不产生增减起伏波动。从船舶整体的强度变化来考虑， 1 8 在各轮装货时，船舶各点的弯矩变化率基本保持相同，避免不同点处的弯矩变化有 很大的差异，保证船舶的强度平稳变化。每轮装货后的弯矩曲线均匀地下降，即每 轮弯矩曲线的变化量接近相等，保证强度变化的“均匀性 ，避免各轮装货之间弯矩 变化过猛而对船舶强度造成的伤害。在此，把以上三点分别称为船舶强度变化的 单调性、平稳性和均匀性。在分轮装货中，能使得船舶强度变化即弯矩曲线由中拱 状态“单调地、平稳地、均匀地”变至中垂状态应认为是“最佳的方案。相应 地，可以通过对强度变化的“单调性、“平稳性、“均匀性 的依次综合判断来确 定分轮装货的最佳方案。 ( 1 ) 强度变化“单调性 的判断 为了表述“单调性 这一概念，建立函数m s s l m s 乩= r 卵b 货后一s 蝴前阻 ( 3 1 ) 那么，对于三轮装货方案来说，其强度变化如图3 2 ： j 轮尸忆夭起 一一 第二轮 第三轮 图3 2 对于每一轮装货都应有相应m s s l ：r i s l ( i - 0 阻 ( i = 1 ，2 ，3 )(32msu s us l 12 ：) 2 上i 一 阻 ( i = ，3 ) ( 3 ：) 建立目标函数 1 9 m s q _ 专r ( 3 3 ) 对于不同的分轮装卸方案，通过观察其q 值是否接近于l ，来判断其强度变化 的单调性 ( 2 ) 强度变化“平稳性 的判断 为了判断“平稳性 ，沿“新发海”轮船长方向均匀地取1 9 个站( 不包括 首尾端点) ，选择中间的1 0 个站的弯矩数据，建立以下函数： a s “= s l # 装卸后一s 装卸前 ( 站号：i = l ，2 ，1 0 )( 3 4 ) 各轮装货后，求出 a s 工业= s 膳一s 工f ( i 1 ) ( 轮号：k = 1 ，2 ，3 )( 3 5 ) 分别求出每轮各站弯矩的变化率 函数： 如= 垒a s u ( i - 1 ，2 ，l 。；k = 1 ，2 ，3 ) ( 3 6 ) 分别求出每轮弯矩变化率的均值与标准差 ( 3 7 ) ( i _ 1 ，2 ，1 0 )( 3 8 ) 然后求出总的平均标准差： 羽= 虫垃幽3 ( 3 9 ) 判断各种方案之巩司，取较小的为选择方案 ( 3 ) 强度变化“均匀性 的判断 为判断“均匀性”，利用( 2 ) 中求得的每轮弯矩变化率的均值，建立以下 c = ( 瓦一j 1 ) 2 忙1 ，2 ，3 )( 3 1 0 ) 诉 一u d r 一一“m 磐孽 百 水 比较各种方案之c ，取最小的为“最佳 方案 3 2 分轮装卸最佳方案筛选框 确定最佳方案的具体框图如图3 3 所示： 界面中输入各分轮方案 1r 计算各方案的q 值 上 去掉若干q 较大的方案 上 计算各方案的可司 上 去掉若干羽较大的方案 上 计算各方案的c 值 上 i 取c 值最小的方案为推荐方案 上 i 显示该方案 图3 3 分轮装卸最佳方案筛选框图 因为散货船装货时一般是边装载边排压载水，所以分轮装货方案的设计要同时 考虑货物的装载和压载水的排放通常情况下，装货速度要受到压载水排放速度的 限制散货船在装货前大都处于尾倾中拱状态，为了保证吃水及吃水差的要求，减小 中拱程度，开始装货时由中部货舱开始然后前部货舱与后部货舱交替装载，一般前 2 l 面舱的货要多于后面舱的货为此，可以把每个货舱的货分别分成1 0 等份，考虑排压 载水的速度，设计多种分轮装货方案 压载水的排放方案要综合考虑以下两个方面的因素：一方面便于安全快速顺利 地排放；另一方面要保证船舶的稳性同时要考虑各船舶的具体情况，从而编制合适 的压载水的排放方案 3 3 结束语 如何减小散货船的强度在营运中的损伤，保证其安全，适当延长其使用寿命，是人 们关心的问题而散货船的强度在装卸过程中受到的损伤往往不能很快表现出来， 但长时间的累积结果会对船舶结构强度产生很大影响本文提出的确定散货船分轮 装卸最佳方案的方法，可以减小散货船的强度在装卸中所受到的损伤进一步地还 可以采用跟踪记录的方法建立船舶强度档案，作为分析船舶结构性能的依据，从而 为散货船安全地营运提供指导 第4 章智能配载系统中自动配载部分的设计 4 1 自动配载系统的设计构想 船舶配载主要是由配载人员根据配载衡准规则、配载经验、通过观测分析、 推理和判断等一系列智能活动完成的。随着计算机的发展和普及，装载计算机软 件在船公司、船舶代理、装卸公司和船上得到了广泛应用g i l l 。开发集自动化、智 能化于一体的散装船自动配载系统，是散装船配载技术的发展趋势。 对散装船进行自动配载是一个比较复杂的过程，一方面要考虑货物的装舱情 况，另一方面还要考虑装舱后的船舶稳性、强度及浮态等情况。一次成功的配载 必须是能够同时满足稳性、总纵强度、局部强度及浮态衡准准则，在通常情况下， 是由配载人员根据以往的配载经验来对稳性、强度及浮态进行综合调整，同时借 助计算机工具对船舶的稳性、强度及浮态进行计算。 随着人工智能的技术的发展，特别是专家系统技术的广泛应用，如果能把配 载人员的配载经验表示成专家系统中专家的知识，借助专家系统的推理机制和解 释机制，设计并实现散装船自动配载系统是可行的。下面将结合专家系统的相关 知识，联系散装船配载实际，给出散装船自动配载系统的设计方案。 4 1 1 专家系统概述 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 也称为基于知识的系统，是人工智能的一个重要 的应用领域k i l l , 专家系统不是最近才出现的。第一个专家系统是在1 9 5 6 年由a l i e n n e w e l l 、h e r b e r ts i m o n 及j cs h a w 所开发。其后许多专家系统也纷纷随之建立， 但在前期多半是属于研究性质的雏形系统。1 9 7 0 年之后，人工智能与专家系统专 用的程序语言及软件开发工具逐渐开始发展，而各种知识的表示及算法也被广泛 地研究，使得专家系统的建构与发展方式产生了不小的改变。从上世纪8 0 年代 后期开始，专家系统便能逐渐脱离实验室而广泛应用于各行各业中1 1 2 1 。 4 1 1 1 专家系统定义 专家系统就