CN111625974A - 一种船舶压载水***通用仿真软件***及仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种船舶压载水***通用仿真软件***及仿真方法。包括模型生成模块，用于建立船舶压载水***仿真模型；操作控制模块，用于实现船舶压载水的注入、排出和调拨操作控制；监控显示模块，用于实时显示船舶压载水***中压载泵和管路阀门的开关状态、管网流通状态、船舶压载水舱装载情况和船舶浮态。本发明可用于对不同船舶压载水***进行仿真，便于人员对不同船舶进行压载方案预演及操作训练，使用一套软件就可仿真多艘船舶压载水***，从而达到缩短软件开发周期，降低开发成本的目的。
Description
技术领域
本发明属于仿真技术领域，尤其涉及一种船舶压载水***通用仿真软件***及仿真方法。
背景技术
船舶压载水***是根据船舶营运或作业的需要，对全船压载舱进行注水或排水，以调整船舶吃水，船体纵、横倾角度和稳心高度；减小船体变形，以免引起过大的弯曲力矩与剪切力。由于大型船舶的压载水舱数量众多，达成目标的调载方案也多。而方案的优劣往往影响到调载作业时间的长短、功耗的高低、船体受力情况的好坏、作业过程的安全与否等。利用计算机对船舶压载水调节过程进行仿真预演，可以保证作业过程的安全高效，也是培训船员进行压载水相关操作管理，提升操作水平的有效手段。
由于不同船舶的压载水***在规模和布置上存在较大差别，截至目前已公布的船舶压载水***仿真软件***都是针对某特定船舶而设计的，若更换船舶或修改压载水***，则需重新开发软件***，增加开发周期和开发成本。针对此问题，本专利发明了一种船舶压载水***通用仿真软件***及仿真方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以用于对不同船舶压载水***进行仿真的通用软件***及仿真方法，便于人员对不同船舶进行压载方案预演及操作训练，解决一套仿真软件仅能针对一艘船舶的技术问题，能够缩短软件开发周期，降低开发成本。
一种船舶压载水***通用仿真软件***，包括模型生成模块、操作控制模块和监控显示模块；模型生成模块，用于建立船舶压载水***仿真模型；操作控制模块，用于实现船舶压载水的注入、排出和调拨操作控制；监控显示模块，用于实时显示船舶压载水***中压载泵和管路阀门的开关状态、管网流通状态、船舶压载水舱装载情况和船舶浮态。
按上述***，所述的模型生成模块包括建模向导、模型数据库和GDI+图形绘制。采用了基于管网有限元法的参数化建模方法，将管路***中的各项信息进行参数化，以数据库的形式存储。用于模拟压载泵、管路阀门、压载水水舱和管网连接情况的各控件是使用GDI+图形编程技术根据不同的船舶压载***动态创建的，以模拟任意船舶的压载水***，实现软件的压载水***建模通用性。
按上述***，所述的操作控制模块包括压载泵和管路阀门的开启、关闭、开度操作控制，通过对已建立的管网有限元模型进行求解，实现控制逻辑的通用性。
按上述***，所述的监控显示模块包括压载***控制信息，压载水舱信息和船舶浮态信息的监控显示，各监控控件根据不同的船舶压载水***动态创建，实现监控的通用性。
利用上述船舶压载水***通用仿真软件***的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、基于有限元法，对拟仿真的船舶压载水***进行分解，确定管元和节点的编号、数目和连接关系。
步骤2、船舶压载水***仿真模型信息输入。启动通用仿真***，以步骤1分解得到的数据为基础，通过船舶压载水***建模向导逐步输入仿真模型数据：包括初始化数据，压载水舱数据，管元数据，节点数据，舱容和静水力数据。
步骤3、船舶压载水***仿真模型数据库生成。以步骤2输入的数据为基础，生成以船名命名的数据库。包含初始化数据表，压载水舱数据表，管元数据表，节点数据表，压载水舱舱容数据表，静水力数据表。
步骤4、船舶压载水***仿真模型GDI+图形绘制。读取步骤3的数据库信息，绘制船舶压载水***仿真模型的GDI+图形，生成人机交互界面。包含压载泵控件的绘制，阀门控件的绘制，压载水舱控件的绘制，吸水口控件的绘制，排水口控件的绘制，压载管路的绘制。
步骤5，船舶压载水***仿真模型操作控制。基于有限元法，构建符合输入的船舶压载水***运行机理和控制逻辑的数学模型。用户可以对船舶压载水***仿真模型中的压载泵和阀门控件进行开启、关闭和开度的操作控制。***根据各压载泵和管路阀门的工作状态进行管路逻辑判断，实时解算出各段管路的流量和各压载舱的液位变化情况。
步骤6，船舶压载水***仿真模型监控显示。包括压载***控制信息，压载水舱信息和船舶浮态信息的监控显示。用户可观察到各压载泵和各管路阀门的开启状态，管路的流通状态，压载水舱的水量、液位高度和装载率，船舶的首尾吃水和纵横倾角度。
本发明的有益效果为：本发明建立一种船舶压载水***通用仿真软件***，基于有限元法建立船舶压载水***参数化模型仿真方法，能够实现在同一软件***中对不同船舶压载水***进行仿真，从而提高软件开发效率，降低开发成本。
附图说明
图1为船舶压载水***通用仿真软件***架构图。
图2为船舶压载水***参数化建模流程图。
具体实施方式
下面结合附图1-2对本发明做进一步说明。
本发明的目的是提供一种可以用于对不同船舶压载水***进行仿真的通用软件***及仿真方法，便于人员对不同船舶进行压载方案预演及操作训练，解决一套仿真软件仅能针对一艘船舶的技术问题，能够缩短软件开发周期，降低开发成本。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种船舶压载水***通用仿真软件***，包括模型生成模块，用于建立船舶压载水***仿真模型；操作控制模块，用于实现船舶压载水的注入、排出和调拨操作控制；监控显示模块，用于实时显示船舶压载水***中压载泵和管路阀门的开关状态、管网流通状态、船舶压载水舱装载情况和船舶浮态。
模型生成模块，包括建模向导、模型数据库和GDI+图形绘制。
操作控制模块，包括压载泵和管路阀门的开启、关闭、开度操作控制。
监控显示模块，包括压载***控制信息，压载水舱信息和船舶浮态信息的监控显示。
整个***是以PC机为核心，借助C#实现船舶压载水***仿真模型的搭建和人机交互界面。用户对船舶压载水***进行有限元分解，并通过建模向导输入模型信息。仿真***根据输入的数据信息生成模型数据库，动态的创建压载泵、管路阀门、压载水水舱和管网连接情况的各个控件。在用户操作控制压载泵和阀门控件的过程中，仿真***利用所构建的数学模型实时的求解船舶压载水***的流量和船舶的浮态，并通过监控显示模块展示计算结果。该船舶压载水***通用仿真软件***可用于对不同船舶的压载水***进行仿真，具有通用性，提高仿真建模效率。
利用上述船舶压载水***通用仿真软件***实现的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1，基于有限元法，对拟仿真的船舶压载水***进行分解，确定管元和节点的编号、数目和连接关系。
步骤2，船舶压载水***仿真模型信息输入。启动通用仿真***，以步骤1分解得到的数据为基础，通过船舶压载水***建模向导逐步输入以下数据：
(1)初始化数据，包含船型信息(船名、船长、船宽、型深)、压载***信息(管元数目，节点数目，压载水舱数目、压载泵数目、阀门数目、吸水口数目、排水口数目)，GDI+图形绘制窗口(宽度、高度)；
(2)压载水舱数据，包含压载水舱的编号和名称；
(3)管元数据，包含管元编号、管元类型(含泵管元、含阀管元和光管)、管元两端的节点编号、含阀管元的阀门型式；
(4)节点数据，包含节点编号、节点类型(吸水节点、排水节点和中间节点)、节点在GDI+图形上的位置坐标、与该节点相连的单元编号；
(5)舱容和静水力数据，包括舱容总表、各压载水舱的舱容表和静水力表。
步骤3，船舶压载水***仿真模型数据库生成。以步骤2输入的数据为基础，生成以船名命名的数据库。包含数据表T0_InitialData，用于存放初始化数据；数据表T1_BWTank，用于存放压载水舱数据；数据表T2_Element,用于存放管元数据；数据表T3_Node，用于存放节点数据；根据压载水舱数目，动态生成以T4为前缀的多个数据表，用于存放压载水舱舱容数据，其中T400_Capacity用于存放舱容总表数据；数据表T5_Hydro，用于存放静水力数据。
步骤4，船舶压载水***仿真模型GDI+图形绘制。读取步骤3的数据库信息，绘制船舶压载水***仿真模型的GDI+图形，生成人机交互界面。包含压载泵控件的绘制，阀门控件的绘制，压载水舱控件的绘制，吸水口控件的绘制，排水口控件的绘制，压载管路的绘制。
步骤5，船舶压载水***仿真模型操作控制。基于有限元法，构建符合输入的船舶压载水***运行机理和控制逻辑的数学模型，步骤1～4所述的管元方程为：
Qij＝kij·△h，
其中：
是此管元的插值函数；i,j分别为管元的两端节点；Qij为管元流量；△h为管元节点间的水头损失；ξ为局部阻力系数；λ为沿程阻力系数；d为管径；l为管长。
步骤1～4所述的节点连续方程为：
其中：Cj为节点j处的净流量，
为与节点j相连的管元的流量。
步骤1～4所述的船舶压载水***管网矩阵方程为：
通过对矩阵分割并迭代求解，使建立的模型可实时的计算出各段管路的流量和各压载舱的液位变化情况。用户可以对船舶压载水***仿真模型中的压载泵和阀门控件进行开启、关闭和开度的操作控制。***根据各压载泵和管路阀门的工作状态进行管路逻辑判断，实时解算出各段管路的流量和各压载舱的液位变化情况。
步骤6，船舶压载水***仿真模型监控显示。包括压载***控制信息，压载水舱信息和船舶浮态信息的监控显示。其中，压载***控制信息，包括各压载泵的开启状态，各管路阀门的开启状态，管路流通状态；压载水舱信息，包括压载水量、液位高度、压载水装载率；船舶浮态，包括船舶的首尾吃水、纵横倾角度。
为了验证本发明方法的有效性和效果，进一步举例说明，该实例包含以下具体步骤：
1、基于有限元法，对拟仿真的船舶压载水***进行分解，确定管元和节点的编号、数目和连接关系。
2、船舶压载水***仿真模型信息输入与数据库生成。启动通用仿真***，打开船舶压载水***建模向导。
(1)输入初始化数据。①船名，用于作为项目名称；②船长、③船宽和④型深，用于船舶浮态计算；⑤压载水***管元数目、⑥节点数目、⑦压载水舱数目、⑧压载泵数目、⑨阀门数目、⑩吸水口数目和
排水口数目，用于初始化模型变量空间；
窗口宽度和
窗口高度，用于定义操作和监控界面显示的窗口范围。确认创建项目后，***生成以船名命名的MDB数据库，并在数据库中创建以T0_InitialData命名的数据表，存放初始化数据信息；
(2)输入压载水舱信息，包括各压载水舱①编号和②名称。***根据初始化的压载水舱数目检查输入信息的完备性，确认后在(1)所述的数据库中创建以T1_BWTank命名的数据表，存放压载水舱信息；
(3)输入管元信息。各管元的①编号、②类型(包括含泵管元、含阀管元和光管三种类型)、管元端部的③节点A编号和④节点B编号、⑤含阀管元的阀门型式，用于仿真模型中管元的建模。***根据初始化的管元数目、压载泵数目和阀门数目检查输入信息的完备性，确认后在(1)所述的在数据库中创建以T2_Element命名的数据表，存放管元信息；
(4)输入节点信息。各节点的①编号、②类型(包括吸水节点、排水节点和中间节点三种类型)、节点在GDI+图形上位置的③X坐标和④Y坐标、与该节点相连的⑤单元A编号(根据管网中管路连接情况，还可能需要有⑥单元B编号、⑦单元C编号、⑧单元D编号)，用于仿真模型中节点的建模。***根据初始化的节点数目、吸水点数目和排水点数目检查输入信息的完备性，确认后在(1)所述的在数据库中创建以T3_Node命名的数据表，存放节点信息；
(5)输入舱容信息。包括各压载水舱的舱容表，用于压载水舱液位高度和装载率计算。***根据初始化的压载水舱数目检查输入信息的完备性，确认后在(1)所述的在数据库中创建以T4为前缀的多个数据表，存放压载水舱舱容数据，其中T400_Capacity用于存放舱容总表数据；
(6)输入静水力信息。包括各吃水位置的船舶静水力信息，用于船舶浮态计算。***在(1)所述的在数据库中创建以T5_Hydro命名的数据表，存放船舶静水力数据。
3、船舶压载水***仿真模型GDI+图形绘制。所有信息输入确认后，生成仿真模型。***读取2中输入数据生成的数据库，生成压载水***仿真模型。通过GDI+图形绘制程序加载压载泵控件，阀门控件，压载水舱控件，吸水口控件，排水口控件和压载管路，生成人机交互界面。
4、船舶压载水***仿真模型操作控制。压载水***仿真模型的数学模型是基于有限元法，构建符合2中输入的船舶压载水***运行机理和控制逻辑。根据用户对压载泵和阀门的开关操作指令，进行压载水***水力的实时解算，得出各段管路的流量和各压载舱的液位变化情况。
解算的压载水***仿真模型中的管元方程为：
Qij＝kij·△h，
其中：
是此管元的插值函数；i,j分别为管元的两端节点；Qij为管元流量；△h为管元节点间的水头损失；ξ为局部阻力系数；λ为沿程阻力系数；d为管径；l为管长。
解算的压载水***仿真模型中的节点连续方程为：
其中：Cj为节点j处的净流量，
为与节点j相连的管元i的流量。
解算的压载水***仿真模型中的管网矩阵方程为：
5、船舶压载水***仿真模型监控显示。若用户对压载泵和阀门的开关操作有误，则***会提示管路逻辑错误。若操作正确，则通过仿真***的监控显示模块，用户可观察到各压载泵和各管路阀门的开启状态，管路的流通状态，压载水舱的水量、液位高度和装载率，船舶的首尾吃水和纵横倾角度。
6、若更换拟仿真的船舶压载水***，只需重复1～5，即可快速建立新的船舶压载水仿真模型。
上述实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种船舶压载水***通用仿真软件***，其特征在于：所述的船舶压载水***通用仿真软件***包括模型生成模块、操作控制模块和监控显示模块；
模型生成模块，用于建立船舶压载水***仿真模型；
操作控制模块，用于实现船舶压载水的注入、排出和调拨操作控制；
监控显示模块，用于实时显示船舶压载水***中压载泵和管路阀门的开关状态、管网流通状态、船舶压载水舱装载情况和船舶浮态。
2.根据权利要求1所述的一种船舶压载水***通用仿真软件***，其特征在于：所述的模型生成模块包括建模向导、模型数据库和GDI+图形绘制，采用了基于管网有限元法的参数化建模方法，将管路***中的各项信息进行参数化，以数据库的形式存储，用于模拟压载泵、管路阀门、压载水水舱和管网连接情况的各控件是使用GDI+图形编程技术根据不同的船舶压载水***动态创建，以模拟任意船舶的压载水***，实现软件的压载水***建模通用性。
3.根据权利要求2所述的一种船舶压载水***通用仿真软件***，其特征在于：所述的操作控制模块用于压载泵和管路阀门的开启、关闭、开度操作控制，通过对权利要求2中所述的管网有限元模型进行求解，实现控制逻辑的通用性。
4.根据权利要求3所述的一种船舶压载水***通用仿真软件***，其特征在于：所述的监控显示模块用于压载***控制信息，压载水舱信息和船舶浮态信息的监控显示，各监控控件根据不同的船舶压载水***动态创建，实现监控的通用性。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的船舶压载水***通用仿真软件***的仿真方法，其特征在于：所述的仿真方法包括以下步骤：
步骤一、基于有限元法，对拟仿真的船舶压载水***进行分解，确定管元、节点的编号、数目和连接关系；
步骤二、船舶压载水***仿真模型信息输入，启动通用仿真***，以步骤1分解得到的数据为基础，通过船舶压载水***建模向导逐步输入仿真模型数据：包括初始化数据，压载水舱数据，管元数据，节点数据，舱容和静水力数据；
步骤三、船舶压载水***仿真模型数据库生成，以步骤2输入的数据为基础，生成以船名命名的数据库，包含初始化数据表，压载水舱数据表，管元数据表，节点数据表，压载水舱舱容数据表，静水力数据表；
步骤四、船舶压载水***仿真模型GDI+图形绘制，读取步骤3的数据库信息，绘制船舶压载水***仿真模型的GDI+图形，生成人机交互界面，包含压载泵控件的绘制，阀门控件的绘制，压载水舱控件的绘制，吸水口控件的绘制，排水口控件的绘制，压载管路的绘制；
步骤五，船舶压载水***仿真模型操作控制，基于有限元法，构建符合输入的船舶压载水***运行机理和控制逻辑的数学模型，用户可以对船舶压载水***仿真模型中的压载泵和阀门控件进行开启、关闭和开度的操作控制，***根据各压载泵和管路阀门的工作状态进行管路逻辑判断，实时解算出各段管路的流量和各压载舱的液位变化情况；
步骤六，船舶压载水***仿真模型监控显示，包括压载***控制信息，压载水舱信息和船舶浮态信息的监控显示，用户可观察到各压载泵和各管路阀门的开启状态，管路的流通状态，压载水舱的水量、液位高度和装载率，船舶的首尾吃水和纵横倾角度。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200904 |