一种浮式平台压载舱内压载水调节计算方法及系统

摘要

本发明涉及一种浮式平台压载舱内压载水调节计算方法及系统，其包括：根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，计算各个舱室的灌满度；判断所述灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量；根据所述最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算。本发明计算简单，迭代次数少，可实现减少参与压载调节的舱室个数等的优化目标。本发明可以广泛在海上浮式平台设计技术领域中应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海上浮式平台设计技术领域，特别是关于一种浮式平台压载舱内压载水调节计算方法及系统。

背景技术

随着海洋资源开采逐步从近浅海区域走向远深海区域，浮式生产平台将使用的越来越广泛。浮式平台跟固定式平台不同，在服役期间会经历各种各样的重量和重心变化，从而导致平台姿态(吃水和转角)发生相应的变化。如上部组块重量增减或移动、舱室检查检修、立管回接等；或者平台发生破损，如舱室破损、系泊缆断裂等。

为了保持平台在设计吃水范围内并维持正浮状态或者达到预设状态，一般需要对平台进行压载调节。压载系统是维持平台姿态在设计范围之内的关键系统，包括舱室、泵、阀门、以及管线等。浮式平台舱室众多，一般包括空舱、永久压载舱、临时压载舱等。

压载调节的目的除了调整平台姿态外，还包括如何优化压载调节方案，实现减少参与舱室个数、降低总压载调节量、减少自由液面影响、降低平台重心等其他目标。因此，如何迅速计算和优化压载水调节不仅十分重要，而且对平台作业具备工程实用意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种浮式平台压载舱内压载水调节计算方法及系统，其计算简单，迭代次数少，可实现减少参与压载调节的舱室个数等的优化目标。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种浮式平台压载舱内压载水调节计算方法，其包括：根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，计算各个舱室的灌满度；判断所述灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量；根据所述最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算。

进一步，所述根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，包括：

根据平台的姿态变化信息和舱室压载状态确定压载水调节的优化变量，并根据所述优化变量确定目标函数；

根据所述目标函数确定平台的目标状态，对于所有参与压载调节的舱室，每4个舱室一组，每组设置不同的计算优先权，以优先权等级为顺序依次进行调节计算，直到找到调载方案或者计算收敛。

进一步，所述目标函数为：

M

M

M

式中，δM,δM

进一步，所述判断所述灌满度是否满足灌满度约束条件，包括：最小灌满度约束条件和最大灌满度约束条件；

所述最小灌满度约束条件为：p′

所述最大灌满度约束条件为：p′

其中，p′

进一步，所述判断所述灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量，包括：

若所述灌满度不满足所述最小灌满度约束条件，则计算各舱室为了满足最小灌满度约束条件需要修改的重量W

若所述灌满度不满足所述最大灌满度约束条件，则计算各舱室为了满足最大灌满度约束条件需要修改的重量W

进一步，所述根据所述最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，包括：

所述舱室压载状态为总压载重量和力矩；比较当前舱室压载状态和目标舱室压载状态，判断两者的差别是否在预设的可允许范围内，若在则找到压载调节方案。

进一步，在所述根据所述最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算的步骤中，还包括判断计算是否收敛的步骤：

收敛的条件为前后两次迭代计算的总的压载重量和力矩差别小于计算容许误差；

如果计算没有收敛，以当前计算得到的各舱室灌满度作为新的初始灌满度，重新进行调节计算；

如果计算已经收敛，则对下一组的舱室进行调节计算。

一种浮式平台压载舱内压载水调节计算系统，其包括：第一处理模块，根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，计算各个舱室的灌满度；第二处理模块，判断所述灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量；计算输出模块，根据所述最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。

一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明基于力学平衡原理，计算简单，迭代次数少，容易实现，同时也易于嵌套于相关的船舶与海洋工程软件中，如装载管理程序、稳性计算软件等。

2、本发明提出的压载调节方法不仅可以达到平台目标姿态，而且根据实际情况需要，可以实现一个或多个优化目标：减少参与舱室个数、降低总压载调节量、减少自由液面影响、降低平台重心等。

附图说明

图1是本发明一实施例中浮式平台压载舱内压载水调节计算方法流程图；

图2是本发明一实施例中浮式平台的初始和目标姿态示意图；

图3是本发明一实施例中一般性平台压载舱室布置示意图；

图4是本发明一实施例中四柱式平台具备双轴对称的舱室布置图；

图5是本发明一实施例中计算迭代过程比较示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供的浮式平台压载舱内压载水调节计算方法及系统，其包括：根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，计算各个舱室的灌满度；判断灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量；根据最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算。本发明在基于平台初始和目标姿态的基础上，不仅通过计算得到切实可行的压载水的调节方案，而且通过进一步优化，能够实现减少参与舱室个数、降低总压载调节量、减少自由液面影响、或降低平台重心等优化目标。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，提供一种浮式平台压载舱内压载水调节计算方法，本实施例以该方法应用于终端进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于服务器，还可以应用于包括终端和服务器的系统，并通过终端和服务器的交互实现。本实施例中，如图1所示，该方法包括以下步骤：

1)根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，计算各个舱室的灌满度；

2)判断灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量；

3)根据最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算。

上述步骤1)中，根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，包括以下步骤：

1.1)根据平台的姿态变化信息和舱室压载状态确定压载水调节的优化变量，并根据优化变量确定目标函数；

在本实施例中，a)平台的姿态变化信息为：

设浮式平台的初始姿态的排水量为Δ

则平台姿态变化为：

ΔW＝Δ

ΔM

ΔM

式中，ΔW为平台排水量变化，ΔM

b)舱室压载状态为：

设平台的初始压载水总重量为M

式中，i为舱室编号，n为舱室个数，ρ为压载水密度，v

c)压载水调节的优化变量为：

搜寻最优的各舱室的压载水调节变化量，各舱室灌满度的变化Δp

Δp

1.2)根据目标函数确定平台的目标状态，对于所有参与压载调节的舱室，每4个舱室一组，每组设置不同的计算优先权，以优先权等级为顺序依次进行调节计算，直到找到调载方案或者计算收敛。

在本实施例中，每组中的4个舱室，分别位于坐标系东北、西北、西南、东南四个象限内，对应代号为i＝NE,NW,SW,SE，如图3所示。每组设置不同的计算优先权(#1，#2，#3等)。每次迭代只针对其中一组舱室。

其中，由于浮式平台压载水调整的目的是通过压载水的调节，将平台从初始姿态调到目标姿态。为了达到此目标，压载水重量和力矩的变化需等于平台姿态变化造成的排水量和力矩的变化，即优化求解最终的目标函数为：

M

M

M

式中，δM,δM

上述步骤2)中，由于平台舱室内的压载水因为各种原因，既不能完全灌满(100％)，也不能完全排空(0％)，所以各舱室的灌满度需满足相应的约束条件。灌满度约束条件包括：最小灌满度约束条件和最大灌满度约束条件。

最小灌满度约束条件为：p′

最大灌满度约束条件为：p′

其中，p′

上述步骤2)中，浮式平台压载舱内的各舱室需要调节的压载水重量分为三部分：用于平衡排水量变化ΔW的重量δW

(1)计算各舱室用于平衡排水量变化ΔW的重量δW

各舱室此部分重量调节只用于平衡平台排水量的变化ΔW，不改变横向和纵向力矩；即这部分重量产生的总横向力矩和总纵向力矩为零。基于此假设，各舱室的重量调节为：

式中，K为总重量调节系数：

(2)计算各舱室用于平衡横向力矩变化ΔM

各舱室此部分重量调节只用于平衡横向力矩变化ΔM

式中，K

(3)计算各舱室用于平衡纵向力矩变化ΔM

各舱室此部分重量调节只用于平衡纵向力矩变化ΔM

式中，K

(4)各舱室的初始调节重量δW

δW

其中，i＝NE,NW,SW,SE。

各舱室调节后新的灌满度p′

p′

上述步骤2)中，判断灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量，包括以下步骤：

2.1)若有舱室的灌满度不满足最小灌满度约束条件，则计算各舱室为了满足最小灌满度约束条件需要修改的重量W

在本实施例中，D

D

2.2)若有舱室的灌满度不满足最大灌满度约束条件，则计算各舱室为了满足最大灌满度约束条件需要修改的重量W

在本实施例中，B

B

上述步骤2.1)中，计算各舱室为了满足约束条件需要修改的重量W

2.1.1)假设低于最小灌满度最多的舱室编号为k，其关于原点对面的舱室编号为k′,其他两个相邻舱室编号为m,m′：

D

2.1.2)为了使舱室k满足约束条件和总重量不变，需要对舱室k和k′增加重量W

W

2.1.3)如果W

δW

δW

如果W

上述步骤2.2)中，计算各舱室为了满足约束条件需要修改的重量W

2.2.1)假设超过最大灌满度最多的舱室编号为p，其关于原点对面的舱室编号为p′,其他两个相邻舱室编号为n,n′：

B

2.2.2)为了使舱室p满足约束条件和总重量不变，需要对舱室p和p′减少重量W

W

2.2.3)如果W

δW

δW

如果W

上述步骤3)中，根据最终调节重量，计算当前舱室压载状态，具体为：

为了使所有舱室的灌满度满足约束条件：如果计算得到的灌满度低于最小灌满度要求，该舱室采用最小灌满度要求值；如果计算得到的灌满度超出最大灌满度要求，该舱室采用最大灌满度要求值。通过调整后，各舱室最终计算灌满度为：

p′

各舱室的最终计算调节重量为：

δW

上述步骤3)中，根据最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，具体为：

舱室压载状态为总压载重量和力矩；比较当前舱室压载状态和目标舱室压载状态，判断两者的差别是否在预设的可允许范围内，若在则找到压载调节方案。

上述各步骤中，在根据最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算的步骤3)中，还包括判断计算是否收敛的步骤：

收敛的条件为前后两次迭代计算的总的压载重量和力矩差别小于计算容许误差：

式中，

如果计算没有收敛，以当前计算得到的各舱室灌满度作为新的初始灌满度，重新进行调节计算；如果计算已经收敛，则对下一组的舱室进行调节计算。

综上，本发明的上述各步骤种，为了实现不同的优化目标，在实施过程中可以采用以下方案：

(1)为了降低重心，可以将布置在低处的舱室的优先权设置为#1，在计算中优先采用。

(2)为了减少参与调载的舱室个数，对于最终调载量较少的舱室，在计算过程中可以自动将其剔除，然后重新进行迭代计算；具体操作为将其最大和最小允许灌满度临时设置为该舱室的当前灌满度，这样该舱室就不会用于调载计算。

(3)如果舱室部分装载，则会在舱内产生自由液面，进而影响浮式平台稳性。为了减少自由液面对浮式平台稳性的影响，对于接近空舱或满舱的舱室，进行排空或灌满；具体操作为将接近空舱的舱室的最大灌满度临时设置为该舱室的最小灌满度；将接近满舱的舱室的最小灌满度临时设置为该舱室的最大灌满度；这样，这些舱室的灌满度就被固定在最小或最大灌满度值，从而减少自由液面的影响。

(4)为了降低总的调载量，可以优先采用重心偏心(力矩)较大的舱室；同时在计算迭代过程中可以追踪总的调载量的变化，来搜寻最佳方案。

实施例：

本实施例为一座四柱式半潜生产浮式平台，其舱室布置如图4所示，其舱室信息及初始装载状态如表1所示。该浮式平台具有8个对称压载舱室，分为两组，优先权分别为#1和#2。压载水密度为1.025吨/立方米。

表1案例浮式平台舱室信息

表2为案例的求解问题，包括浮式平台初始和目标姿态。

表2案例求解问题和目标

表3为案例计算结果，以及与商业软件Microsoft

表3案例压载调节计算及优化比较

案例计算和与商业软件比较结果表明，本发明不仅可以得到调载方案，而且通过优化，可以得到与专业优化器相当的优化结果。

如图5所示，为优化计算迭代过程比较。因为本发明是基于力学平衡原理，优化是“有的放矢”，所以压载调节和优化总的迭代次数为10，少于专业优化器Excel Solver的迭代次数24。

由此可知，本发明的方法可用于以下各种情形：(1)在正常生产作业时，调节浮式平台姿态到设计范围内；(2)在风暴来临前，调节浮式平台吃水到安全吃水位置；(3)在舱室检修、立管回接等作业过程中，调节和维持浮式平台安全姿态；(4)尤其是在浮式平台发生舱室破损或系泊缆断裂失效的情况下，迅速提供可行的调载方案，将浮式平台调整到安全姿态。

在本发明的一个实施例中，提供一种浮式平台压载舱内压载水调节计算系统，其包括：

第一处理模块，根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，计算各个舱室的灌满度；

第二处理模块，判断灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量；

计算输出模块，根据最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算。

本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

本发明一实施例中提供的计算设备结构，该计算设备可以是终端，其可以包括：处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)、显示屏和输入装置。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。该处理器用于提供计算和控制能力。该存储器包括非易失性存储介质、内存储器，该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现一种调节计算方法；该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、管理商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如下方法：根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，计算各个舱室的灌满度；判断灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量；根据最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域技术人员可以理解，上述计算设备的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算设备的限定，具体的计算设备可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在本发明的一个实施例中，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，计算各个舱室的灌满度；判断灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量；根据最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算。

在本发明的一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：根据平台目标状态确定平台内待调节的压载舱室，计算各个舱室的灌满度；判断灌满度是否满足灌满度约束条件，并根据判断结果计算各舱室用于平衡力矩的调节重量，进而确定各舱室最终调节重量；根据最终调节重量，计算当前舱室压载状态，并确定总的压载调节是否满足目标函数，满足则完成压载水调节计算。

上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。