董逸帆, 田佰軍, 李嘉文

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院,遼寧 大連 116026)

0 引 言

在海上運(yùn)輸過(guò)程中,船員承擔(dān)著確保安全裝貨、積載、系固、照管貨物和卸貨的職責(zé)?！逗T培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際公約》提出可以利用貨運(yùn)模擬器開(kāi)展相關(guān)培訓(xùn),使船員具備相應(yīng)的適任能力?！敦浳锓e載與系固安全操作規(guī)則》規(guī)定,貨物在裝船之前需制定好相關(guān)的積載與系固計(jì)劃,其中包括具體的積載要求與系固方案。在系固方案擬定好以后,需要對(duì)其進(jìn)行核算,只有校核通過(guò)并保證貨物在運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)發(fā)生橫移或傾覆現(xiàn)象,才能付諸實(shí)踐。第一,目前相關(guān)研究大多集中在系固方法的改進(jìn)以及系固過(guò)程中的注意事項(xiàng),而對(duì)方案的高效、直觀、準(zhǔn)確缺少研究。第二,目前國(guó)內(nèi)外的系固核算軟件研發(fā)均為單機(jī)版,維護(hù)與更新不易,并且無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)。第三,系固核算軟件中核算的算法大多為根據(jù)規(guī)則進(jìn)行查表或插值,計(jì)算精度不夠。如:李永旭[1]利用Unity編寫(xiě)的單機(jī)版虛擬仿真系統(tǒng),只能在局域網(wǎng)中使用,開(kāi)發(fā)者對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)與更新不便,并且使用者設(shè)備的載荷較大。舒斯田[2]利用C#編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)的自動(dòng)評(píng)判系統(tǒng),只是以不同的視角查看物體,沒(méi)有做到真正的三維可視化,無(wú)法達(dá)到直觀、準(zhǔn)確的效果。朱明[3]利用C++開(kāi)發(fā)的系固與校核模型系統(tǒng),對(duì)慣性加速度計(jì)算方法進(jìn)行了分析,但系統(tǒng)使用的仍是查表插值方法,計(jì)算精度不夠?；谝陨?點(diǎn),本文采用相關(guān)軟件對(duì)系統(tǒng)的功能與部署進(jìn)行編輯,設(shè)計(jì)B/S架構(gòu)以方便傳輸數(shù)據(jù),優(yōu)化系固操作過(guò)程的可視化效果,提高系固核算的精度。

1 軟件設(shè)計(jì)總體思路

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路見(jiàn)圖1。軟件包含索具管理系統(tǒng)、系固操作系統(tǒng)、系固核算系統(tǒng)和核算結(jié)果輸出系統(tǒng)等4個(gè)子系統(tǒng)。通過(guò)Vue框架對(duì)頁(yè)面的布局和基本的交互進(jìn)行編寫(xiě),用后端Java程序和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)貨物管理系統(tǒng)進(jìn)行編寫(xiě),用Blender軟件和Verge3D軟件對(duì)系固操作系統(tǒng)進(jìn)行建模和編輯交互[4-5],最后將編寫(xiě)完成的文件部署在云服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路示意圖

2 軟件功能實(shí)現(xiàn)

2.1 登錄、注冊(cè)與角色認(rèn)證子系統(tǒng)

在注冊(cè)用戶時(shí),對(duì)用戶的角色進(jìn)行分類,具體分為船員、船公司、單位機(jī)構(gòu)、學(xué)生等,通過(guò)Spring Security框架對(duì)登錄的賬號(hào)密碼信息攜帶的角色進(jìn)行區(qū)分,可以使不同角色跳轉(zhuǎn)到不同頁(yè)面,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兼顧管理與使用[6]。針對(duì)不同的角色賦予相應(yīng)的操作權(quán)限,例如:對(duì)船公司和單位機(jī)構(gòu)賦予船舶建模和管理船員或?qū)W生的權(quán)限,對(duì)船員和學(xué)生賦予增加、刪除、修改索具參數(shù)和進(jìn)行系固操作的權(quán)限。

2.2 索具庫(kù)管理系統(tǒng)

對(duì)索具庫(kù)的管理功能,通常可分為增加索具、刪除索具、修改索具參數(shù)、查看索具詳情等。使用者可以通過(guò)查閱本船的《貨物系固手冊(cè)》將其中的索具進(jìn)行輸入,根據(jù)實(shí)際使用情況對(duì)索具的參數(shù)進(jìn)行修改,通過(guò)索具庫(kù)主頁(yè)面對(duì)索具進(jìn)行查看。

此功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)索具庫(kù)的建立與管理,更符合實(shí)船航行中的實(shí)際情況,有利于船員快速查看本船的索具信息,也有利于船公司快速查看船舶的索具信息[7]。

2.3 系固操作系統(tǒng)

在此系統(tǒng)中,用戶通過(guò)可交互的三維仿真頁(yè)面設(shè)計(jì)具體的系固方案,具體的流程見(jiàn)圖2。此系統(tǒng)還呈現(xiàn)了如下功能:(1)實(shí)現(xiàn)了拖拽圖標(biāo)將模型添加到場(chǎng)景中,即通過(guò)拖拽系固點(diǎn)圖標(biāo)可以快速將系固點(diǎn)部署到場(chǎng)景中,達(dá)到快速、便捷部署系固點(diǎn)的效果。(2)實(shí)現(xiàn)了控制物體位置和角度的功能,使物體可以轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到了讓使用者更加真實(shí)地了解系固操作過(guò)程的目的[8-9]。

圖2 貨物系固操作流程

2.4 系固核算系統(tǒng)

系固核算系統(tǒng)是對(duì)上述系固操作的數(shù)據(jù)化展示系統(tǒng)。使用者可以在系固核算系統(tǒng)中,查看系固操作過(guò)程中的具體數(shù)據(jù),進(jìn)行一些更詳細(xì)的修改,并將系固的信息提交到后端,由后端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

后端核算具體流程見(jiàn)圖3。圖3中:Vs為船舶的服務(wù)速度,kn;μ為貨物與船體之間的摩擦因數(shù);Cb為船舶的方形系數(shù);Xc為船中至計(jì)算點(diǎn)的縱向距離,朝船首為正,m;Zc為實(shí)際水線至計(jì)算點(diǎn)的垂直距離,向上為正,m;b為貨物重心至橫向翻倒軸的水平距離,m;hc為系固點(diǎn)相對(duì)于貨件底端的高度,m;Fp為系固設(shè)備的破斷強(qiáng)度,kN;(xA,yA,zA)和(xB,yB,zB)分別為系固點(diǎn)A的坐標(biāo)和地令B的坐標(biāo);δ為相應(yīng)的系數(shù)。

圖3 系固效果核算與評(píng)判流程

2.5 核算結(jié)果輸出系統(tǒng)

核算結(jié)果輸出系統(tǒng)是在核算之后用于展示給使用者的,便于使用者查閱此次系固方案的詳細(xì)數(shù)據(jù)。核算結(jié)果以表格的方式呈現(xiàn),包括船貨信息、計(jì)算過(guò)程中的信息、全船的各向加速度分布曲線等。全船的各向加速度分布曲線見(jiàn)圖4。使用者可以選擇將核算結(jié)果以PDF的格式進(jìn)行打印,以便后續(xù)使用[10]。

圖4 全船各向加速度分布曲線

2.6 輔助工作系統(tǒng)

輔助工作系統(tǒng)是輔助使用者完成整個(gè)軟件操作過(guò)程的,包括坐標(biāo)系切換。由于需要顯示貨物、系固點(diǎn)等相對(duì)于船舶的空間位置,所以全船使用以艉垂線與基線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的船舶坐標(biāo)系。然而,對(duì)系固點(diǎn)和地令的空間位置使用以艉垂線與基線的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)的船舶坐標(biāo)系不符合實(shí)際,故通過(guò)輔助工作系統(tǒng)使系固核算系統(tǒng)中顯示的數(shù)據(jù)切換為以貨物中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系[11]。

3 軟件技術(shù)介紹

3.1 架構(gòu)技術(shù)

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)。利用B/S架構(gòu)無(wú)須安裝定制客戶端,可解決遠(yuǎn)洋船舶設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)不便以及軟件更新維護(hù)困難等問(wèn)題。用戶只要擁有一臺(tái)能夠接入Internet的計(jì)算機(jī),就能夠?qū)⑵渥鳛楸鞠到y(tǒng)的客戶端,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控貨物系固狀態(tài)的目的[12-13]。

本系統(tǒng)的后端服務(wù)器通過(guò)Java編程語(yǔ)言,采用SpringBoot技術(shù),對(duì)系統(tǒng)頁(yè)面的跳轉(zhuǎn)及所有的請(qǐng)求進(jìn)行應(yīng)答,同時(shí)還將部分需要儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)納入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。在開(kāi)發(fā)后端服務(wù)器的過(guò)程中,通過(guò)Swagger2組件自動(dòng)生成請(qǐng)求接口文檔,達(dá)到前后端分離的目的,提高開(kāi)發(fā)速度。采用JPA框架對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理操作。

前端開(kāi)發(fā)采用的是Vue框架,通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和組件化開(kāi)發(fā)達(dá)到數(shù)據(jù)綁定的目的。通過(guò)Axios技術(shù)實(shí)現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器之間的通信交流,完成數(shù)據(jù)交換操作[14]。

3.2 模型部署與交互技術(shù)

本系統(tǒng)參考3萬(wàn)噸級(jí)多功能雜貨船建立船舶模型,模擬系固操作過(guò)程中的作業(yè)平臺(tái),用戶可在系統(tǒng)頁(yè)面通過(guò)動(dòng)態(tài)修改模型的形態(tài)鍵來(lái)改變船舶參數(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高適用性目標(biāo)。通用平臺(tái)可以拓展系統(tǒng)的使用范圍,不同的船舶也可以通過(guò)本系統(tǒng)完成系固作業(yè)?？山换サ娜S仿真系統(tǒng)具有顯示直觀、沉浸感強(qiáng)的特點(diǎn),能精確地模擬出物體的細(xì)節(jié)從而讓使用者更加準(zhǔn)確、直觀地理解系固操作過(guò)程,符合當(dāng)前虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)及三維演示軟件的發(fā)展趨勢(shì)[15]。系固操作可視化效果見(jiàn)圖5。

圖5 系固操作可視化效果

3.3 系固核算模型建立

以往的系統(tǒng)采用在《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》中查閱表格的方式進(jìn)行系固核算,雖然方便船員使用,但系固核算結(jié)果與實(shí)際數(shù)值有著不小的出入。本系統(tǒng)為增加核算結(jié)果的精度,采用《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》2021附則13中提出的替代模型進(jìn)行計(jì)算,可以減少實(shí)船使用時(shí)的誤差,避免過(guò)度綁扎。系固核算有經(jīng)驗(yàn)核算法、改進(jìn)核算法、替代核算法[16]等3種方法。因?qū)?shù)據(jù)精度有著一定要求,本系統(tǒng)使用替代核算法進(jìn)行計(jì)算。以下對(duì)系固核算進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.3.1 貨物系固效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

積載于艙內(nèi)或甲板上的貨件,應(yīng)予以適當(dāng)系固以防止貨物滑動(dòng)、翻倒及上跳。在通常的運(yùn)輸條件下,由于貨件自重較大,垂向力方向總是向下,故一般不會(huì)產(chǎn)生上跳現(xiàn)象,在此不予考慮。貨件滑動(dòng)及翻倒表現(xiàn)在橫向和縱向兩個(gè)方向上,在大多數(shù)情況下其縱向翻倒的可能性較小[2]。依據(jù)貨物受力方向,系固效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表示為

(1)

式中:Fy和Fx分別為作用于貨件上的橫向外力和縱向外力,kN;FN,y和FN,x分別為阻止貨件移動(dòng)的橫向約束力和縱向約束力,kN;My為貨件橫向傾覆力矩,kN·m;MN,y為阻止貨件橫向傾覆的約束力矩,kN·m。

3.3.2 作用于貨件上的外力

當(dāng)船舶在海上航行時(shí),作用于貨件上的外力包括慣性力、風(fēng)壓力和波濺力[17]。《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》2021附則13給出在設(shè)定的惡劣天氣、海況和船舶不利條件下貨物單元所受縱向外力、橫向外力、垂向外力和橫向傾覆力矩的計(jì)算公式:

式中:ax、ay和az分別為縱向、橫向和垂向加速度,m/s2;Fw,x和Fw,y分別為縱向、橫向風(fēng)壓力,kN;Fs,x和Fs,y分別為由海浪晃動(dòng)引起的縱向、橫向力,kN;Fz為作用于貨件上的垂向外力,kN;lz為貨物橫向傾覆力臂,m;m為貨物質(zhì)量,t。

貨物的縱向、橫向和垂向加速度[18]的計(jì)算式為

式中:ax0、ay0和az0分別為基本縱向、橫向和垂向加速度修正系數(shù);c1為航區(qū)修正系數(shù);c2為季節(jié)修正系數(shù);c3為25個(gè)航行日的修正系數(shù);g為重力加速度。在《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》2021附則3中,c1全球取1.0,c2整年取1.0,c3取0.74,g取9.81 m/s2。

3.3.3 作用于貨件上的約束力

作用于貨件上的約束力和約束力矩指的是橫向約束力、縱向約束力和阻止貨件橫向傾覆的約束力矩,具體計(jì)算公式如下:

式中:fx,i(i=1,2,…,n)為μ和水平綁扎角β的函數(shù);fy,i(i=1,2,…,n)為μ和垂向綁扎角α的函數(shù);fz為垂向力的修正系數(shù);ci(i=1,2,…,n)為綁扎力臂長(zhǎng),m;Fc,i(i=1,2,…,n)為綁扎裝置的計(jì)算強(qiáng)度,kN。

系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定用戶所使用的連接設(shè)備種類。當(dāng)用戶選擇的連接設(shè)備為“鋼絲繩”時(shí),綁扎裝置的計(jì)算強(qiáng)度由下式確定:

Fc=min{Fc,T,Fc,H,Fc,D}

式中:Fc,T為花籃螺絲的計(jì)算強(qiáng)度,kN;Fc,H為鋼絲繩的計(jì)算強(qiáng)度,kN;Fc,D為地令的計(jì)算強(qiáng)度,kN。當(dāng)用戶選擇的連接設(shè)備為“鋼鏈”時(shí),綁扎裝置的計(jì)算強(qiáng)度由下式確定:

Fc=min{Fc,L,Fc,I,Fc,D}

式中:Fc,I為鋼鏈的計(jì)算強(qiáng)度,kN;Fc,L為緊鏈器的計(jì)算強(qiáng)度,kN。

3.3.4 系索角度

在系固操作系統(tǒng)中,使用者根據(jù)自身需要選取任意的系固方案。在方案確定好之后,系統(tǒng)會(huì)將系固點(diǎn)A、地令B的坐標(biāo)(xA,yA,zA)、(xB,yB,zB)傳遞給系固核算系統(tǒng),并將垂向綁扎角α和水平綁扎角β顯示在核算結(jié)果輸出系統(tǒng)。垂向綁扎角α和水平綁扎角β由下式確定:

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試實(shí)例

4.1.1 初始參數(shù)設(shè)置

選取3萬(wàn)噸級(jí)多功能雜貨船實(shí)船運(yùn)輸常規(guī)非標(biāo)準(zhǔn)貨物單元為例。該船部分參數(shù)見(jiàn)表1,貨物部分參數(shù)見(jiàn)表2。用戶可以將船貨參數(shù)輸入到船舶與貨物管理界面,在使用時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)取數(shù)據(jù)。

表1 船舶參數(shù)

表2 貨物參數(shù)

4.1.2 系固方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)自動(dòng)讀取貨物位置數(shù)據(jù),將貨物置于指定位置。本例選取的系固設(shè)備見(jiàn)表3。具體的系固方案見(jiàn)圖6。

表3 系固設(shè)備與計(jì)算強(qiáng)度

圖6 系固方案俯視圖

4.1.3 系固方案核算

通過(guò)系固核算系統(tǒng)可以將上述系固的數(shù)據(jù)進(jìn)行核算,計(jì)算結(jié)果通過(guò)核算結(jié)果輸出系統(tǒng)進(jìn)行展示,見(jiàn)表4。

表4 系固核算

將表中數(shù)據(jù)代入式(1),可以得出該系固方案是安全可行的。上文采用的系固核算模型針對(duì)具體情況有著更多的修正系數(shù),適用性更高,精度更高,同時(shí)保證了航行過(guò)程中貨物系固的安全性。

4.2 顯示效果

系統(tǒng)測(cè)試效果見(jiàn)圖7。從實(shí)驗(yàn)效果看:系統(tǒng)可以直觀地顯示系固點(diǎn)和地令相對(duì)于貨物的位置,同時(shí)對(duì)貨物與船舶的比例大小以及貨物在船上的位置有著更加具體的顯示,證明該系統(tǒng)具有良好的可視化效果[19-20]。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試顯示效果

5 結(jié) 論

針對(duì)目前大多數(shù)貨物單元系固軟件難以維護(hù)與更新且圖形顯示較為抽象的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)出一套用于非標(biāo)準(zhǔn)貨物單元系固的軟件。本軟件實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)有3個(gè):第一,通過(guò)B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)公司或機(jī)構(gòu)與船舶實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享功能,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控管理的功能。第二,通過(guò)Blender和Verge3D對(duì)系固操作過(guò)程可視化進(jìn)行優(yōu)化,使系統(tǒng)更加逼真,讓使用者更加直觀、清晰地感受系固操作過(guò)程。第三,系統(tǒng)使用的系固核算模型是參考《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》2021附則13所提出的替代模型,計(jì)算精度更高,核算結(jié)果與實(shí)際數(shù)值更接近。測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)具有良好的可視化效果。