液舱装卸数字孪生系统建立及优化方法.pdf
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1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
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