0.   引言

航运领域的诸多问题受到人、船、环境的影响, 问题求解的许多环节依赖于人类的经验知识, 具有较强的复杂性和不确定性, 虽然知识工程学科的迅猛发展为解决此类问题开辟了崭新的思路, 但目前针对船舶的配载仪的研究尚未摆脱传统编程的思想, 也是船舶事故频频发生的重要隐患之一, 所以提高船舶配载仪的智能化水平, 特别是自动确定船舶货物装卸载分轮次序功能的实现是船舶智能配载亟待解决的问题。船舶配载、装卸货物操作不当或未加控制, 使船体产生过大的静水弯矩或剪力, 特别是装载积载因数为0.56 m³/t及以下的固体散货时尤为明显。长期的累计影响引起船体构件裂纹和屈曲是导致船体结构损坏乃至发生海难事故的重要原因。根据IACS URSI的要求, 所有船长大于或等于150 m的现有散货船(与其装载的货物密度无关), 应配备典型的装卸载次序作为现有装载手册的补充^[1]。目前散货船的装载手册一般只给出典型配载完成时的结果及校核指标, 并未考虑装卸载过程中船舶弯矩、剪力可能发生的极值问题。驾驶员也只是根据船舶的装载仪及平时积累的经验确定船舶各舱应装卸的货物及压载水的排放情况, 利用装载仪经多次调整确定船舶装卸载次序中每一步操作的货物数量、舱室的位置、压载水的排放情况等等, 不仅花费大量的时间和精力, 而且个人经验起着决定的作用, 难以达到较优的装载方案。本文利用专家系统控制策略的思想, 提出船舶装卸载分轮次序的控制原则及约束条件, 建立船舶智能配载专家系统, 具有确定船舶装卸载分轮次序的功能, 避免船舶由于高速率装载导致在短时间内出现明显的过载造成局部结构的过大应力, 甚至超出局部和总纵强度的许用范围的现象。

1.   装卸载分轮次序约束条件及目标

根据船舶本航次航道或港口的水深、载质线、船舶的浮态、船舶性能等因素的要求, 依据货物的积载因数SF以及航次燃油、淡水、船舶总载质量确定本航次的净载质量。在此基础上, 根据船舶性能计算模型、国际公约、规范等知识库, 根据船舶完货时船舶吃水、稳性、强度等方面相关指标的要求, 不断对船舶的稳性、强度、吃水差等指标进行校核, 在满足各种约束条件, 保证船舶安全的基础上, 通过程序计算自动确定船舶任意装货量时各舱应分配的货物质量及油水的情况, 确定船舶满足规范要求的合理最终配载方案^[2~4]。

1.1   船舶稳性

(1) 计算船舶的初稳性高度GM值、静稳性力臂GZ曲线等稳性指标。

(2) 当船舶装载散谷物时, 根据《国际散装谷物安全装运规则》、《船舶与海上设施法定检验规则》计算船舶的谷物横向倾侧体积矩, 核算船舶初稳性高度、谷物移动引起的船舶横倾角、船舶剩余动稳性。

1.2   船舶强度

(1) 船舶总纵强度剪力、弯矩的计算和校核。随着船舶营运时间的增长, 船体纵向连续构件因被腐蚀而不断减小其几何尺度, 从而使剖面模数相应减小, 危及船体总纵弯曲强度。营运中的船舶可按每年扣除腐蚀量0.4%~0.6%, 使用年限小于5 a的新船可不计。

(2) 当船舶装载积载因数为0.56 m³/t及以下的固体散货时, 对每一舱货物的最大装载量及货物允许堆积高度进行计算, 满足船舶各货舱内底许用载荷或许用载货量, 确保船舶局部强度的要求。

1.3   船舶浮态

计算船舶的吃水及吃水差, 校核船舶浮态是否满足要求。对于船舶满舱而不满载时, 可通过船舶的压载水调整船舶的吃水以达到预期或规定的值; 当船舶最大载货量等于或接近船舶货舱最大装载量时, 为满足船舶吃水差的要求应最低限度地减少部分载货量而加载相应质量的压载水以调整船舶的吃水差, 提高船舶的装载能力。减少的载货量m为

$\begin{array}{l}\delta t=\frac{mg(x{}_{\text{p}}-x{}_{\text{F}})}{{\rm M}{}_{\text{c}\text{m}}}-\frac{mg(x{}_{\text{w}}-x{}_{\text{F}})}{{\rm M}{}_{\text{c}\text{m}}}\\ m=\frac{\delta t{\rm M}{}_{\text{c}\text{m}}}{(x{}_{\text{p}}-x{}_{\text{w}})g}(1)\end{array}$

式中: x_p为减少载货量m的货舱中心距船中的距离; x_w为加压载水的压载舱中心距船中的距离; δt为所需吃水差改变量; M_cm为船舶每厘米纵倾力矩。

由此根据国际相关公约、规则的要求及特定的公式不断对船舶稳性、强度、吃水差等指标进行校核, 在保证船舶安全的基础上最大限度地发挥船舶的装载能力。在确定船舶最终配载方案的基础上, 确定船舶在码头货物装卸载次序, 使船舶在货物装卸载分轮次序操作的每一步满足船舶安全要求。对货物装卸操作的每一步应提供: 即将装卸的货舱位置及货物数量; 船舶的首尾吃水及吃水差; 船舶的静水剪力和静水弯矩值; 压载水数量及相应的即将排出压载水的舱室编号; 根据船舶压载速率及装卸载设备的速率预计完成每一步装卸操作所须时间。

编制货物装卸载次序时应充分注意: 船舶在货物装卸操作的每一步应确保船舶稳性满足稳性衡准的要求; 明确装卸设备及压载水设备的速率, 保证货物装载过程中船舶压载水操作与货物操作的同步性, 在货物装载的后两轮应保持必要的尾倾吃水差、船舶压载水的速率与排放能力; 在货物装卸操作的每一步, 船舶的强度极限(包括总强度和局部强度)不得超过船舶许用最大静水弯矩、许用静水剪力、内底载荷和其他相应局部载荷不超过极限值。

2.   装卸载分轮次序的控制原则^[5,6]

2.1   船舶货物装载区域的选择

船舶装载时估算控制平水船中弯矩及浮态, 以确定船舶装货位置。当船舶在距船中x_P加载量为m时, 船舶平行下沉、纵倾后船中平水弯矩的改变量为

$\text{Δ}{\rm M}{}_1=1/2\cdot mg(x{}_{\text{Ρ}}-\overline{x}{}_{\text{k}})(2)$

式中: $\overline{x}{}_{\text{k}}$为船舶装载平行下沉后首(尾)部排水量改变量的浮心。当利用少量装载逐步逼近方法计算船舶装载时, $\overline{x}{}_{\text{k}}$可视为船舶中前(后)水线面积中心的纵坐标$\overline{x}{}_{\text{F}}$

$\begin{array}{l}\text{Δ}{\rm M}{}_1=1/2\cdot mg(x{}_{\text{Ρ}}-\overline{x}{}_{\text{F}})(3)\\ \overline{x}{}_{\text{F}}=\frac{2{\displaystyle {\int }_0^{L/2}x}y\text{d}x}{2{\displaystyle {\int }_0^{L/2}y}\text{d}x}\\ \text{或}\text{近}\text{似}\text{为}\overline{x}{}_{\text{F}}=\frac{L}{4(2-C{}_{\text{w}})}(4)\end{array}$

式中: L为船长; y为船舶水线的半宽值; x为微面积到船中的距离。

显然: $x{}_{\text{Ρ}}>\overline{x}{}_{\text{F}}$时, ΔM₁为中拱弯矩增量; $x{}_{\text{Ρ}}<\overline{x}{}_{\text{F}}$时, ΔM₁为中垂弯矩增量; $x{}_{\text{Ρ}}=\overline{x}{}_{\text{F}}$时, ΔM₁=0。

在船舶装载分轮次序中, 为提高船舶每一步的安全装载能力, 判断船舶每一步装载时的船中弯矩, 以降低船中弯矩为初步控制原则, 通过式(4)确定$\overline{x}{}_{\text{F}}$, 根据船中弯矩的拱垂情况及x_P与$\overline{x}{}_{\text{F}}$的关系, 确定船舶装载的区域x_P的范围。

2.2   装载舱位的确定

大型散货船在进行装卸时, 船舶的吃水及吃水差除受到港口泊位水深、装船机等因素的限制外, 还应考虑船舶装卸及压载排水系统的能力, 提高船舶装卸效率。在船舶装载分轮次序中, 需要充分考虑船舶浮态, 并加以控制。过大的吃水差将妨碍码头装船机的正常工作, 保持适度的尾倾(特别是完货前)是提高船舶压载水排放速率的保证。依据2.1确定的船舶不同舱的舱容中心距船中的距离L_x(相当于x_P)满足船舶浮态的控制原则, 最终确定船舶加载的舱室位置。

2.3   船舶强度控制

装卸操作的每一步应控制船舶强度极限在港内许用范围之内, 避免船舶由于高速率装载导致在非常短的时间内出现明显的过载, 造成局部结构的过大应力, 甚至导致船舶超出局部和总纵强度的许用范围的现象。

2.4   装载能力的确定

货物装载过程中, 充分发挥船舶货舱每一步操作的装载能力是加快船舶港内装卸速度, 避免码头装船机多次移动的保障。同时, 货物数量的确定应保证与压载水操作相适应, 即每一步操作应考虑港口条件、装卸载设备及压载水设备的速率。校核船舶强度, 控制船舶浮态, 确保船舶压载水设备的速率及排放能力。船舶智能配载的控制不但要拥有大量的专门知识, 而且还要具有选择和运用知识的能力。对问题求解中诸多不确定的因素通过系统人机对话的功能加以控制, 并具体化, 确定控制目标, 指导推理机合理、准确选择和运用知识, 并构造捷径的推理路径, 对问题进行快速有效的求解, 提高推理的精度、效率和效果。同时根据港口及船舶的具体情况, 在货物装卸操作的每一步满足上述要求的情况下, 可适当松弛控制约束条件, 得到满意、合理的装卸载次序。

3.   控制策略

控制策略主要指推理方向的控制及推理规则的选择策略, 控制在哪种情况下采取哪一种推理方式, 并如何将推理过程进行下去的一套控制方法, 主要解决整个问题求解过程的知识选择和应用顺序。在解决船舶配载装卸分轮次序的复杂问题中, 需要根据领域问题的具体特征和求解状态选择不同的控制策略(多级控制), 主要分为元级控制和目标级控制^[7~9]。

元级控制是选择目标控制的方向, 并决定对哪部分知识和问题用这种控制方向进行控制。将当前任务分解成子任务, 选择当前要执行的子任务, 确定与当前待解决子任务相关的知识集, 确定当前任务对哪些部分知识和问题应采取何种控制方向及控制决策, 指导目标推理机对问题求解。本文主要采用反向推理的控制策略, 提供明确的目标方向, 避免寻找和使用与目标实现无关的信息和知识。

目标级控制是按元级控制提供的方向对具体问题选用具体知识进行控制, 将相关知识固化在推理机中, 以事先安排好的方式进行按部就班的推论求解, 在解决该子任务的同时, 又产生新任务交给元推理机处理, 这样循环执行, 直至所有子任务完成为止。本文主要采用正向推理的控制策略, 根据当前状态选用相应的知识, 逐步求解直至问题解决。

4.   船舶装卸载分轮次序控制系统的实现

4.1   控制系统原理

元级控制中主要根据船舶配载的要求, 采用推理方向性强、从顶向下控制的反向推理, 避免以往船舶配载中的多次重复尝试及盲目性的弊端。原理为确定船舶装卸载分轮次序每一步操作的控制目标, 然后在知识库中找出哪些结论部分导致这个目标的知识集, 再检查知识集中每条知识的条件部分, 对问题求解的每一步, 根据当时的求解状态及其变化情况, 选择必要的知识和适当的求解过程, 再通过目标级控制采用正向推理不断对船舶的稳性、强度、吃水差等指标进行校核。如果其条件知识中所含有的条件项均能得到满足, 或能被当前数据库的内容所匹配, 则表明船舶在装卸载分轮次序中每一步操作均满足安全配载及各种约束条件的要求, 从而确定货物装卸操作的每一步货物装卸的货舱位置、货物数量、船舶的吃水、静水剪力、静水弯矩值、压载水的数量及相应的即将排出(压入)压载水的舱室编号及完成每一步装卸操作预计所须时间。图 1为装卸载分轮次序控制系统的原理。

图  1  装卸载分轮次序的控制系统原理

Figure  1.  Control principle of loading and unloading sequence

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.2   控制系统的实现

本文开发了船舶智能配载系统程序, 以散货船SANKO的一种典型装载状态为例计算说明船舶装卸载分轮次序控制系统的实现方法及原则, 确定船舶配载方案及船舶装卸载的分轮次序, 通过和实船配载结果的比较证明本系统计算结果的准确性和控制策略的可行性。

船舶载货量为37577.9 t, 积载因数为1.2457 m³/t, 油水情况: DO为100 t, FO为0、110、200 t, FW为150 t。首先在菜单栏中的工具(Ⅰ)下拉菜单中单击Auto Stowage(A)进入系统程序的输入界面, 选择计算状态与功能后, 单击OK按钮, 进入主界面(图 2)。程序计算的结果比较见表 1, d_F为船舶的首吃水; d_A为船舶的尾吃水。

图  2  主界面

Figure  2.  Main interface

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  结果比较

Table  1.  Results comparison

	货舱					船舶吃水		初稳性高度
	No.1/t	No.2/t	No.3/t	No.4/t	No.5/t	dF/m	dA/m	GM/m
船舶资料数据	5 593.4	8 236.3	8 463.4	8 077.8	7 207.0	10.82	10.820	2.940
程序计算结果	5 593.0	8 236.4	8 463.5	8 077.8	7 207.1	10.82	10.824	2.939

下载: 导出CSV 

| 显示表格

配载程序的计算结果与SANKO配载手册提供中的相应典型装载状态的结果基本吻合。确定船舶最终装载方案后, 利用船舶控制策略确定船舶装卸载的分轮次序。

(1) 单击菜单栏中的工具(Ⅰ)后, 在出现的下拉菜单中单击Turn Items后进入船舶装卸载轮次界面(图 3), 单击初始状态按钮, 确定船舶进入分轮装卸次序确定的初始状态。

图  3  货物装卸载轮次

Figure  3.  Cargo loading and unloading sequence

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(2) 根据船舶装货前的情况输入压载水的数量及位置, 计算船舶装货前的强度、浮态等船舶性能, 选择船舶分轮次序中船舶强度、浮态的控制指标, 单击OK按钮回到分轮装卸次序界面。

(3) 确定装卸载设备及船舶压载水设备的装卸速率, 输入船舶装货前的油水、压载水情况与船舶分轮条件(吃水差限制及强度限制)后, 开始船舶分轮计算, 程序计算结果见图 3。

值得说明的是程序充分利用系统人机对话的环境, 具有人工调整的功能, 配载人员可根据具体情况在自动配载的基础上, 可对货物装卸载轮次界面中的船舶强度、浮态及货舱的顺序等控制方案进行调整, 满足配载人员个性化及某些特殊约束的要求。程序在满足各种新的控制条件下, 在保证船舶安全的基础上通过自动计算获得合理的配载方案。

计算结果表明, 程序在确定准备采用的装载设备的速率及压载水速率, 保证货物装载过程中船舶压载水操作与货物操作同步性的基础上, 确定了船舶第1轮及第2轮装载货物的数量及相应的货舱编号; 船舶压载水的排放顺序、数量及压载水舱室编号; 每一步货物操作结束时船舶的吃水和纵倾, 船舶的吃水差控制在不大于2.5 m; 每一步货物操作结束时船舶的静水剪力和静水弯矩的计算值, 控制船舶强度的弯矩、剪力分别不大于船舶允许值的50%和40%;完成每一步货物操作结束时的预计时间等。而且船舶货物操作第2轮的后3轮船舶始终保持在尾倾状态, 有利于船舶压载水的排放。在短时间内便可在船舶货物操作前智能确定船岸双方认同的一份货物操作程序, 有利于船岸双方保持良好的合作, 按照双方确认的程序进行, 保证船舶的安全。

5.   结语

传统配载程序需要人工多次输入、调整, 确定船舶的装载方案, 特别是根据港口装卸及压载水排放速率等诸多因素确定船舶装卸顺序及所需时间时, 不仅需要花费大量的时间和精力, 而且在短时间内很难得到理想、准确的结果。船舶智能配载专家系统采用反向推理和正向推理相结合多级控制策略, 具有迅速、合理确定船舶配载方案的优点, 避免了船舶配载中的多次重复尝试的盲目性。值得注意的是船舶装货前的初始情况、港口条件、船舶装卸载设备及压载水设备的速率等因素对确定船舶装卸载的分轮次序有很大的影响, 配载人员可通过程序中人机对话的功能不断改变约束条件和控制指标, 选择一个理想的作业程序, 同时在自动确定装货顺序基础上增加手动微调的功能, 配载人员可根据不同港口装卸条件调整货物装舱顺序, 在保证船舶装卸过程安全的前提下力求得到较优的装卸次序, 不仅加强了船舶装载计算机的功能, 提高船舶配载效率, 而且是保证船舶安全装卸的重要理论依据。