礦砂運(yùn)輸船礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：風(fēng)浪中礦砂運(yùn)輸船劇烈搖蕩易導(dǎo)致艙內(nèi)易液化礦物發(fā)生液化。液化后的礦物易產(chǎn)生流動，導(dǎo)致偏載現(xiàn)象，嚴(yán)重危害船舶航行安全。為監(jiān)測與預(yù)報(bào)礦砂運(yùn)輸船礦物狀態(tài)，防止礦砂運(yùn)輸途中發(fā)生重特大交通事故，本文在分析礦物液化機(jī)理與影響因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)總體與軟件架構(gòu)，并進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：礦砂運(yùn)輸船;礦物液化

中圖分類號： xxxxxx? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：x

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)和中國經(jīng)濟(jì)的逐漸復(fù)蘇，我國國內(nèi)需求開始恢復(fù)增長，礦產(chǎn)資源的進(jìn)口量也自然隨之增加。據(jù)海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017年1—8月銅礦及其精礦 2 025萬t，鎳礦及其精礦為1 111 t，鋁礦及其精礦4 466 t，錫礦及其精礦1 851 t。銅礦及其精礦與去年同期相比增長了88%。據(jù)預(yù)計(jì)，未來我國銅、鎳、鋁等有色礦產(chǎn)將長期依賴進(jìn)口。

由于地理位置和成本的制約，海運(yùn)為我國進(jìn)口礦產(chǎn)資源的重要運(yùn)輸方式。然而，精銅礦、鎳礦等礦物為易流態(tài)化貨物，即當(dāng)貨物含量水量大于其流動水分點(diǎn) （Flow Moisture Limited，F(xiàn)ML）時(shí)易引起流態(tài)化[1]。礦物流態(tài)化后將對船舶的穩(wěn)性產(chǎn)生非常大的影響，甚至造成船舶傾覆[2-3]，例如：2017年10月13日凌晨，一艘名為“emerald star” 香港旗散貨船，在從連云港開往印尼裝載鎳礦返航途中（連云港-印尼-連云港），位于菲律賓宋島東北方位海域遭遇臺風(fēng)（臺風(fēng)卡努）天氣，導(dǎo)致礦物液化，最終沉沒。因此礦砂運(yùn)輸船貨物液化監(jiān)測系統(tǒng)對保障船舶航行安全具有重要意義，但目前全球尚未有投入使用的礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)。

本文首先對礦砂運(yùn)輸船貨物液化機(jī)理與影響因素進(jìn)行了分析，得出影響礦物液化的關(guān)鍵因素;然后，開展礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)與軟件架構(gòu)設(shè)計(jì);最后，本文所設(shè)計(jì)的礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)船安裝與驗(yàn)證，實(shí)船數(shù)據(jù)表明了系統(tǒng)的有效性。

1 礦物液化機(jī)理與影響因素分析

1.1? ?礦物液化機(jī)理分析

礦砂運(yùn)輸船運(yùn)載的礦物在受到振動時(shí)，造成孔隙水壓力增大，而總應(yīng)力不變，致使土體的有效應(yīng)力減小，達(dá)到一定程度后，孔隙水壓力等于總應(yīng)力，則土體顆粒懸浮在水中，土體的抗剪強(qiáng)度消失，呈現(xiàn)液體的特性，此時(shí)礦物液化。因此，礦物液化過程實(shí)質(zhì)上是礦物抗剪強(qiáng)度消失的過程。礦物抗剪強(qiáng)度主要依賴于土顆粒間的摩擦力，而礦物中的水一般則認(rèn)為是不可壓縮的，具有很大的抗壓能力但不具備抗剪能力，礦物的抗剪強(qiáng)度為

式（1）：中c為黏聚力;為剪切面上的有效應(yīng)力; 為有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角?？紤]孔隙水壓力和孔隙氣壓力，考慮孔隙水壓力和孔隙氣壓力，式（1）可改寫為

式中（2）中：c為黏聚力;與分別為剪切面上的有效應(yīng)力和總法向應(yīng)力;為有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角;為孔隙水壓力;為孔隙氣壓力;X稱為有效應(yīng)力參數(shù)，它與土類、飽和度等因素有關(guān)，其值在[0，1]（對于飽和土，X = 1;對于干土，X=0）。在循環(huán)性載荷作用下，飽和砂土之間的砂粒會產(chǎn)生相對運(yùn)動，相對位置發(fā)生改變，孔隙度變小，剩余孔隙壓力變大，砂土趨于密實(shí)。砂土趨于密實(shí)的過程中需要析出水分，但在砂土變?yōu)槊軐?shí)的過程中，其排水能力慢慢變?nèi)酰绕涫钱?dāng)砂土本身透水性較差的時(shí)候，前一個(gè)周期載荷作用下需要排出的水還未排出，下一個(gè)周期的載荷又繼續(xù)使空隙度變小。因而砂土空隙間的水壓越來越大，便產(chǎn)生了所謂的剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力。當(dāng)剩余孔隙壓力超過一定范圍后，砂土的抗剪能力完全喪失，最終導(dǎo)致砂土出現(xiàn)礦物的液化現(xiàn)象。

1.2? ?影響礦物液化的因素

礦物液化與礦物自身要素、含水量、航行中船舶的振動搖擺等因襲有關(guān)[4-5]。

（1）礦物自身要素對液化的影響：礦物顆粒形礦物顆粒越小越易液化;顆粒形狀越規(guī)則、表面棱角起伏越小越易液化;礦物密度越接近水或小于水越易液化。

（2）含水量對液化的影響：礦物含水量越大越易發(fā)生液化。當(dāng)?shù)V物的含水量達(dá)超過流動水分點(diǎn)越多，礦物在運(yùn)輸途中發(fā)生液化所屬的時(shí)間越短，所需的振動搖擺條件也越弱。

（3）航行中船舶的振動與搖擺對液化的影響：作用的周期性振動與搖擺強(qiáng)度越大，礦物越容易液化;周期性振動與搖擺時(shí)間越長，礦物越容易液化。

2 礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對礦物的含水量（率）與船舶運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測可以預(yù)測礦物液化風(fēng)險(xiǎn)大小，而通過對礦砂運(yùn)輸船舶貨艙壁的壓力與應(yīng)力監(jiān)測可對礦物是否液化進(jìn)行間接觀測[6]。據(jù)此，設(shè)計(jì)礦砂運(yùn)輸船礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)，具體架構(gòu)見圖1。

礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)由含水率傳感器1～6、艙體壓力傳感器1～6、艙體應(yīng)力傳感器1～6、貨艙頂部接線箱、貨艙中部接線箱、貨艙底部接線箱、運(yùn)算顯示模塊和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖2所示，各組成模塊功能如所述。

（1）含水率傳感器1～6：含水率傳感器用于測量礦物與艙體接觸表面的含水率，采樣信號通過接線箱傳輸至運(yùn)算顯示模塊。

（2）艙體壓力傳感器1～6：艙體壓力傳感器用于測量礦物對艙體表面的壓力，采樣信號通過接線箱傳輸至運(yùn)算顯示模塊。

（3）艙體應(yīng)力傳感器1～6：艙體應(yīng)力傳感器用于監(jiān)測礦物對艙體表面的應(yīng)力影響，采樣信號通過接線箱傳輸至運(yùn)算顯示模塊。

（4）貨倉頂/中部/底部接線箱：接線箱內(nèi)部安裝有直流穩(wěn)壓電源和網(wǎng)關(guān)。直流穩(wěn)壓電源用于為接入的傳感器供電。網(wǎng)關(guān)用于將接入的傳感器CAN信號轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號。

（5）運(yùn)算顯示模塊：由運(yùn)算顯示計(jì)算機(jī)、顯示器和船舶姿態(tài)傳感器構(gòu)成，功能包括：人機(jī)交互、傳感器測量值的顯示、礦物液化風(fēng)險(xiǎn)等級的智能評估、船舶姿態(tài)信息檢測等。

（6）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：含水率傳感器、艙體壓力傳感器、艙體應(yīng)力傳感器通過CAN與接線箱內(nèi)部的網(wǎng)關(guān)相連，并由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號發(fā)送至運(yùn)算顯示模塊。

3 礦物監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括應(yīng)用層軟件和基礎(chǔ)軟件兩種。基礎(chǔ)軟件包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其基于該操作系統(tǒng)的底層驅(qū)動程序，如通信程序、基礎(chǔ)計(jì)算程序等。應(yīng)用層軟件完成數(shù)據(jù)處理、液化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測、液化狀態(tài)觀測、避險(xiǎn)建議和人機(jī)界面等功能，礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構(gòu)見圖2。軟件功能具體如下：

3.1? ? 基礎(chǔ)軟件層

（1）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了對中斷服務(wù)、輸入/輸出、內(nèi)存的精確控制，能夠支持128個(gè)優(yōu)先級設(shè)置，管理1 000個(gè)獨(dú)立進(jìn)程，平均中斷服務(wù)線程延遲小于1μs。

（2）通信程序：基礎(chǔ)軟件為礦物液化系統(tǒng)提供CAN、以太網(wǎng)通信驅(qū)動和CAN、TCP/IP通信協(xié)議棧。

（3）基礎(chǔ)計(jì)算程序：基礎(chǔ)計(jì)算程序?yàn)橄到y(tǒng)提供基于硬件的定點(diǎn)/浮點(diǎn)優(yōu)化計(jì)算、卷積計(jì)算、均值計(jì)算、邏輯排序、優(yōu)化算法等基礎(chǔ)算法。

（4）API接口：系統(tǒng)所涉及的基礎(chǔ)軟件需要進(jìn)行必要的封裝，應(yīng)用程序通過API接口程序完成基礎(chǔ)軟件的訪問及參數(shù)設(shè)置，提高程序的可修改性、可測性與可移植性。

3.2? ? 應(yīng)用層軟件

（1）數(shù)據(jù)處理程序：數(shù)據(jù)處理程序提供傳感器采樣數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差校正、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等數(shù)據(jù)處理等功能。

（2）液化狀態(tài)觀測：通過對艙體壓力、艙體應(yīng)力信息的融合，得到艙室內(nèi)礦物液化的部位、液化程度等信息。

（3）液化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測：基于礦物含水率、船舶姿態(tài)、艙體壓力數(shù)據(jù)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，對液化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，得到礦物液化風(fēng)險(xiǎn)等級和礦物可液化幾率等信息。

（4）避險(xiǎn)建議：基于礦物液化狀態(tài)與液化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果，結(jié)合專家系統(tǒng)，提供避險(xiǎn)建議和風(fēng)險(xiǎn)處理建議，如船舶進(jìn)入錨地建議、啟動艙室水泵建議等。

（5）人機(jī)界面：系統(tǒng)采集的全部傳感器信息、礦物液化部位、礦物液化程度、液化風(fēng)險(xiǎn)、可液化等級、避險(xiǎn)建議、風(fēng)險(xiǎn)處理建議等信息顯示功能;用戶輸入功能，例如礦物種類、按照《國際海運(yùn)固體散貨規(guī)則》檢測程序測量的礦物含水率數(shù)值信息等。

4 實(shí)船數(shù)據(jù)分析

本文所設(shè)計(jì)的礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)已安裝到某超大型礦砂運(yùn)輸船上投入實(shí)際運(yùn)行。礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)采集到的底部含水率平均值見圖3。由于于本航次未滿載礦物，因此系統(tǒng)測量的艙室頂部礦物含水率平均值為1.016%～2.098%。圖中，由于裝載時(shí)礦物的含水量分布不均勻，艙室中間礦物體積函數(shù)率比艙室底部礦物函數(shù)率高9.38%;隨著船舶離港，受船舶航行姿態(tài)影響中間含水率出現(xiàn)波動，波動范圍為54.83%～74.87%，而此事底部礦物含水率逐漸增大，體積含水率由50.25%增加至80.99%。圖4為該船某一航次壓力傳感器輸出的壓力平均值。圖中艙室頂部的壓力、艙室中部壓力受到礦物含水率變化和船體姿態(tài)造成的礦物位移等多種因素的影響產(chǎn)生波動，測量平均值分別為137.1～176.1 kPa， 38～52.12 kPa，而由于本次安裝航次未滿載礦物，頂部的壓力傳較小為0.412～0.7373 kPa。艙室不同位置的壓力數(shù)值由小至大依次為安裝在貨倉頂部的壓力傳感器數(shù)據(jù)、安裝于貨倉中間位置的壓力傳感器數(shù)據(jù)和安裝于貨艙底部的壓力傳感器數(shù)據(jù)，這與理論分析一致。隨著船舶航行姿態(tài)的變化，艙壁受到的應(yīng)力也發(fā)生變化，見圖5。艙室不同位置的應(yīng)力不同，貨倉底部的應(yīng)力傳感器平均值為221～303.7 με，艙室中部的應(yīng)變傳感器測量平均值為101～118.6 με，頂部應(yīng)力傳感器測量平均值為36～50.64 με。艙壁受到應(yīng)力從小到大依次為頂部的應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)、安裝貨艙中間位置的應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)和安裝于貨艙底部的應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)，這與理論分析一致。圖6為礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)艙室底部壓力傳感器于2019年1月28日23：49：45至23：51：24輸出的瞬時(shí)數(shù)據(jù)曲線測量值為176.2～174.4 με，圖中

曲線波動較為平穩(wěn)未出現(xiàn)大幅波動表明礦物尚未出現(xiàn)明顯的液化[6]，這與航行記錄一致。

5 結(jié)束語

本文基于礦物液化機(jī)理及影響因素分析，設(shè)計(jì)了礦物液化監(jiān)測系統(tǒng)及其軟件架構(gòu)，并進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠?qū)ΦV物含水率、礦物對艙體的壓力和應(yīng)力進(jìn)行有效監(jiān)測，保障礦砂運(yùn)輸船航行安全，防止重特大事故的發(fā)生。

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作者簡介：

楊明， 助理研究員，長期從事船舶自動化系統(tǒng)、船舶主機(jī)控制系統(tǒng)、船舶智能系統(tǒng)研究，（E-mail） yang.ming@coscoshipping.com，聯(lián)系電話：021-58856638，18201762889