海运矿物液化监控系统设计

张超群，李荣宗

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

0 引 言

随着镍矿运输船倾覆事故逐渐增多，航运业和造船业对易流态化固体散装货物运输船的安全性越来越重视，国家层面推出了港口安全监督管理规定，各地港口海事局加强了对运输前易流态化固体散装货物含水率的检测[1-4]。储凡[5]提出通过无线传感网络操作系统TinyOS实时监测散货船上镍矿的状态，并在实验室用土壤湿度传感器对红土镍矿进行分析，采集其含水量数据。吴建军等[6]对货物运输过程中的风险管理进行研究，在揽货、验货、监装、开航、航行照看和卸货等环节加强风险辨识，通过风险评估衡量各环节的风险度，通过建立风险衡准进行风险决策，对运输过程中的风险进行实时预报。张向辉[7]对国外干散货船的改装情况进行介绍，指出某些改装能使船上的货物即使发生液化也能满足安全运输的要求，但要在保持原有最大载重和灵活度不变的前提下改装船舶，需耗费大量资源。在运输货物之前检测其含水率不超过适运水分极限值(TML)的方法易受雨水或其他因素的影响，加上船舶航行过程中的海况不确定，仅根据货物含水率低于TML无法判定船舶能安全开航。对此，需开发一套实时监控系统来监测和预判载运易流态化固体散装货物船舶的状态，保障其在海上安全航行。

1 海运矿物液化监控系统框架

1.1 系统组成框架

考虑到矿砂在液化过程中物理状态的变化和不同状态矿砂对船舶舱壁受力的影响[8]，结合船舶工程施工工艺和货舱环境，选用由3种传感器组成的矿砂液化过程监测平台，通过信号转化和传输的方式实现终端数据存储和分析处理等功能，提供实时可靠的货物状态监测数据辅助决策，使船员能在驾驶室操作监控软件，及时对船舶的状态进行判断并做出决策，保证船舶安全航行。

海运矿物液化监控系统主要由传感器、数据采集、数据存储、信息监管和辅助决策组成。系统总体架构见图1。

图1 海运矿物液化监控系统总体架构

1) 传感器有含水率传感器、压力传感器和应变式传感器等3种。3种传感器各1套为1组，整个系统由6组传感器组成。

2) 工程样机安装在总长约为355 m的矿砂船上，2号货舱距离艏部较近。因此，使用艏部甲板室内的网关箱采集底层传感器数据，并通过信号线将其传输给上层建筑的数据中心。

3) 船上产生的数据都存储在信息平台的数据中心。除了传感器采集的数据以外，还需获取船舶六自由度运动信息和船舶周围环境信息等数据。这些数据都存储在虚拟机的数据库中。

4) 船舶驾驶室、货控室和集控室都安装有智能工作站，船员通过局域网内的IP地址访问B/S架构的系统软件，并根据提示进行相应操作。

整个系统采用多级预警方式，对传感器采集的数据进行实时显示，根据危险程度给出三级警报，帮助船员做出操作决策，船员可在历史记录中查询以往的报警信息。同时,所有的报警信息都记录在船端数据库中，可通过远程通信的方式将其发送回岸端，岸端人员可对实船数据进行分析研究。

1.2 系统软件总体功能

该软件设计有矿砂状态监测、分级预警提示、船舶稳性计算和辅助建议等4种功能，可满足货物监测和辅助决策分析的要求。

1) 矿砂状态监测。监测矿砂的含水率、舱壁受到的矿砂压力和舱壁局部应变的大小，给出实时数据显示和历史变化趋势图。

2) 分级预警提示。根据矿砂的状态将危险程度分成3个等级进行预警。当测点处矿砂的含水率超过适运水分极限值时，给出第一级预警；当货物表面角落处出现液态水时，给出第二级预警；当货物表面出现自由液面时，给出第三级预警。

3) 船舶稳性计算。当出现第二级预警时，输入船舶装载情况，近似计算矿物液化之后船舶的稳性相关值。

4) 辅助建议。当出现第一级预警时，提示船员矿砂局部的含水率大于TML，可能会出现液化的情况;当出现第二级预警时，建议船员调整航向和航速;当出现第三级预警时，建议寻找锚地锚泊或在港口停船。

上述功能有助于减少船员巡视的工作量和在巡视过程中可能遇到的危险,在货舱内的矿砂即将处于不安全状态时及时有效地提供预警，提醒船员做出合理的应对操作。

1.3 系统的工作流程

系统对货舱内矿砂的体积含水率、矿砂对舱壁的压力和舱壁局部应变的大小进行实时监测和预警。首先利用由18套传感器组成的硬件采集系统对货舱内的6个布局点进行信息采集，通过船内的数据通信线将采集到的含水率、压力和应变数据传输给艏部网关，由网关将这些数据传输给上层建筑的数据中心，并由部署在数据中心上的虚拟机的软件平台来存储。同时，软件数据库存储其他系统提供的相关计算分析数据。系统软件读取数据库内的数据，对其进行分析计算之后在工作站的浏览器界面上显示，工作流程见图2。

图2 海运矿物液化监控系统工作流程

2 传感器选型和测点分布

2.1 传感器选型

由于船舶货舱内的环境较为特殊，陆用含水率传感器和压力传感器均无法适用。经过分析，确定船上采用的传感器应满足的要求为：不破坏货舱的水密性;电磁抗干扰能力强，性能稳定;表面坚固耐磨，不易生锈;装置的承压能力强;便于安装、拆卸和维护。

根据以上要求自主研发设计相应的含水率传感器和压力传感器,其中:含水率传感器利用频域反射原理，根据矿砂的介电常数标定，重新对外型进行设计;压力传感器自带温度补偿，重新对外型进行设计。为满足船舶货舱舱壁嵌入式安装的要求，设计与货舱进水报警系统相同的底座，用于连接船体板和固定传感器。应变传感器选用振弦式应变计，用螺母固定在底座上，底座焊接在货舱舱壁背面的面板上。需自带信号采集仪采集和传输应变传感器信号。3种传感器都带有保护罩，防止受潮。

2.2 测点分布

海运矿物液化监控系统共需安装6组传感器，前后舱壁各布置3组，在货舱内呈对角线分布。6组传感器在货舱内的测点布置见图3。

图3 6组传感器在货舱内的测点布置

3 数据采集、传输和存储方式

3.1 数据采集方式

数据中心的信息平台采用UDP协议的广播方式向各软件发送其所需的数据。系统软件的采集程序采用C#语言开发，对接收的数据进行解码，将json格式转化为表格形式存储在数据库中，供前端界面调用。

3.2 数据传输方式

利用数模转换和数字电子技术将传统的测量信息转化为数字信息处理。传感器信号通过RS485标准协议数据包上传至网关。网关采集的数据通过TCP协议光纤传输到艉部上层建筑的数据中心。

3.3 数据存储方式

数据存储采用关系型数据库管理系统MySQL，该系统的特点是体积小、运行速度快、总体成本低和开源。关系数据库中的数据以表格的形式存储，默认的是MyISAM。数据库中表格建立的原则是针对不同种类的传感器和不同模块建立不同的表格，按时间先后顺序排列。系统自身采集的数据和系统之外接收的数据都按该方式存储在数据库中。

为防止传感器采集的数据丢失，设计一套数据备份软件对数据进行定时备份，并将其存储在工作站的系统硬盘内。

为保证软件数据库中储存的数据安全，选择最常规的访问加密方式对数据库进行加密，在数据库中设置用户名和密码，在访问数据库之前需进行身份验证[9]。

传感器的采集频率较高，船舶的使用寿命较长，随着时间的推移，数据库中的数据量会过于庞大，导致软件卡顿和服务器死机。因此，数据库设计为每周清理一次，在软件采集端处理。

4 系统软件设计

海运矿物液化监控系统软件基于B/S架构设计,能实时显示矿砂的含水率、矿砂对舱壁的压力、舱壁局部应变数据和历史变化趋势，同时具有分级预警、信号故障报警、辅助决策信息和历史记录查询等功能，形成良好的人机交互界面[10]。海运矿物液化监控系统软件模块见图4。

5 系统应用功能

该系统的工程样机已在40万吨级矿砂船“明远”轮和“明卓”轮上应用。船舶在巴西港口装载完货物并取得港口提供的载运矿砂的信息报告之后，船员需在预警主页面(见图5)输入矿砂的密度和TML。

图4 海运矿物液化监控系统软件模块

图5 预警主页面

预警主页面含有液化程度分级预警，对应每级预警会给出相应的辅助决策建议。另外,有信号丢失报警，一旦传感器受损或数据在传输过程中丢失，相应的传感器就会通过报警提醒船员，此时点击报警链接会切换到对应传感器的显示界面。数据异常报警是指接收到的数据超过各传感器的量程，说明该数据是无效数据。此外，预警主页面自带货舱局部应力报警功能,一旦局部区域船体板因货物液化而受到过大的应力，进而对船体局部结构的安全产生威胁，就会发出相应的报警。

在货物运输过程中，含水率传感器监测界面见图6。界面上共有6块区域，分别代表传感器在货舱内的安装位置。左侧仪表盘显示含水率数据，显示值是1 h内含水率数据的平均值，是经过软件换算的质量含水率。右侧折线图显示最近20 h内含水率数据的变化趋势，当海况较为恶劣或矿砂状态即将发生变化时，能清楚地观察到货物含水率的变化。压力传感器和应变式传感器的监测界面与含水率传感器类似。

图6 含水率传感器监测界面

图7为稳性计算模块。当出现二级预警和三级预警时，软件会给出提示，对船舶目前的稳性进行计算，由此判断船舶是否处于危险状态。若船员接收到的计算反馈表明船舶处于危险状态，则需按软件提供的建议或凭借自身的经验进行相应操作，防止险情出现。

图7 稳性计算模块

6 结 语

本文设计了一套针对万吨级散货船的海运矿物液化监控系统。工程样机经过多个航次的应用，已收集到大量实船运营数据，主要包括矿砂液化过程中的3种参数。后期可对实船数据进行分析处理，结合装载计算机和货舱进水报警系统等设备采集的数据对系统的工作原理进行完善，对货物的液化程度进行预测，提升系统的应用价值，实现货物状态的智能化监控。