0 引　言

半潜船主要用于运输海洋油气工程设施、钻井平台等大型海洋装备工程，以及大型工业生产模块、驳船、游艇和各类大型工程船舶等超大型设备。这些设备往往体积庞大、重量惊人，传统的运输方式难以满足其运输需求，而半潜船凭借其独特的设计和压载系统，能够轻松装载和运输这些超大型货物^[1]。

半潜船的潜浮压载水控制系统是确保其在海洋工程中安全高效作业的关键技术。目前，随着压载水管理公约的生效，大型半潜船压载水处理的需求变得日益紧迫。研究者们已经提出循环法和重力法作为解决大型半潜船压载水处理问题的合理可行方案。此外，新型压载水系统的设计也在不断发展，例如，将压载水泵布置于浮筒内，而将压载水总管垂直布置于立柱内，并设置高位排舷及溢流管线，以避免因误操作导致压载水舱持续进水而引发事故^[2]。然而，潜浮压载水控制系统仍面临一些挑战。一些半潜船的压载水处理装置只能对进来的压载水进行处理，而出去的压载水无法处理，这在检查时会遇到较大的麻烦^[3]。此外，半潜船的压载水系统采用了压缩空气和压载水泵的组合压排载方式，虽然能节约压排载的时间，但由于每个压载舱都有一个独立的通海管路，没有常规意义上的压载总管，这使得压载水处理装置的设计难度加大^{[4 − 5]}。这些问题表明，尽管在潜浮压载水控制系统方面取得了一定的进展，但仍需进一步的研究和创新来解决现有的技术难题。

本文设计一种半潜船潜浮压载水计算机辅助控制系统，对空压机压排水压力建立数学模型，对半潜船压排水情况进行仿真，详细分析控制过程，并提出对应的控制策略。

1 半潜船潜浮压载水计算机辅助控制系统设计 1.1 系统需求分析

半潜船的下潜过程开始于打开压载舱的进水阀，让海水进入舱内以增加船的重量，从而减少其浮力，使船体逐渐下沉至所需深度；在此过程中，通过精确控制各压载舱的进水量，可以调整船的浮心和重心，确保船体平稳下潜至预定作业深度，为装载如钻井平台等大型海洋结构物做好准备。半潜船潜浮压载水计算机辅助控制系统需要满足以下条件：

1）安全性和可靠性。压载水系统的安全性和可靠性至关重要，历史上曾有因压载水系统问题导致的财产损失和人员伤亡。

2）精确控制。在潜浮作业中，需要精确控制压载水的注入和排出，以实现平稳的下沉和上浮，避免因操作不当造成的风险。

3）高效的压载水处理。大型半潜船需要高效的压载水处理系统，以满足国际公约的要求，并确保作业的连续性和效率。

4）操作规程的遵循。半潜船的潜浮作业应遵循严格的操作规程，如注水顺序、下沉过程中的浮态调整等，以确保作业的安全性和有效性。

1.2 系统结构设计

半潜船潜浮压载水计算机辅助控制系统通过监测和控制压载水的流动，确保半潜船能够安全、准确地完成潜浮操作。系统可以自动或半自动地控制压载水的进出，以实现精确的下潜和上浮操作。此外，系统还可以监控船的浮态参数，如吃水深度、纵倾角和稳性高度，以确保操作的安全性。设计的半潜船潜浮压载水计算机辅助控制系统结构如图1所示。

1）数据库模块

数据库模块负责存储和管理所有与半潜船潜浮操作相关的数据，包括操作记录、设备状态、维护信息等。在潜浮操作过程中，数据库模块记录每一次操作的详细信息，包括操作时间、压载水量、设备状态等，同时每一次的操作记录也为后续的控制优化提供了数据基础。

2）压载水计算模块

压载水计算模块是系统的核心，负责处理和计算所有与半潜船潜浮相关的数据，包括浮态参数的计算、压载水管理以及安全检查。在潜浮过程中，计算模块根据压载舱的水位变化和操作指令，实时计算所需的压载水量，调整船的浮心和重心，确保半潜船能够安全、准确地达到预定的潜浮状态。同时，它还监控船舶的浮态参数，确保操作在安全范围内进行。

3）仿真模块

仿真模块通过模拟半潜船的潜浮过程，为操作人员提供培训和预演平台，同时用于系统计算和测试的验证。在系统开发和操作培训中，仿真模块模拟半潜船的潜浮操作，包括压载水的流动、船体的浮态变化等，操作人员可以在无风险的环境中练习潜浮操作，系统设计人员也可以通过仿真验证控制策略的有效性和安全性。

4）控制模块

控制模块根据计算模块的计算结果和操作人员的指令，执行具体的控制命令，如启停压载泵和空压机，开关阀门等。控制模块接收到计算模块的压载水管理指令后，自动或根据操作人员的指令，向压载泵和空压机发送启停信号，控制阀门的开关，以精确地调整各压载舱的水位，实现半潜船的下潜和上浮。控制模块可以通过监控各参数变化，将这些参数反馈到仿真模块，从而提升和改进仿真效果。

5）显示模块

人机接口-显示模块提供操作人员与系统交互的界面，显示实时数据，接收操作指令，提供系统状态的直观反馈。操作人员通过显示模块监控半潜船的实时浮态参数，如吃水深度和纵倾角，并通过界面上的控件发送操作指令，如启动压载泵或调整压载水分布，显示模块同时提供系统状态的即时反馈，确保操作人员对整个潜浮过程有清晰的了解。

6）通信模块

通信模块负责系统内部组件之间以及系统与外部设备之间的数据交换，确保信息的准确传递和同步。在潜浮操作中，通信模块持续地在控制系统和仿真系统之间传递操作指令和反馈数据，确保操作指令能够及时传达给执行设备，同时将设备的状态信息反馈给控制模块，实现闭环控制。

2 计算机辅助控制系统详细设计 2.1 空压机压排水数学模型建立

对于半潜船潜浮压载水的控制而言，需要建立压载水控制相关的空压机压排水、压载舱体积相关模型等，并开展相关仿真分析。

以空压机排水的压力数学模型的建立为例^[6]，在排水时刻t时空压机的压力值为P_d(t)，则有

$ {P_d}(t) = \left( {\frac{{{T_d}}}{{{n_a}}} + \Delta t} \right)\left( {\frac{{{T_d}}}{{{n_a}}}{P_d}(t - \Delta t) + {K_d}{n_a}\Delta t} \right) \text{。} $

式中：T_d为与空压机排水特性相关的时间参数；n_a为启动空压机的个数，本文为4个；K_d为与排水压力变化相关的系数，本文取2000；△t为时间间隔，P_d(0)为初始排水压力值，为了便于仿真，选取压力值为1.01，为无量纲单位，图2为空压机排水时压力变化曲线。

同理可以建立时刻t时空压机压水时的压力值模型，在压水时刻t时空压机的压力值为P_p(t)，K_p值为0.25，则有

$ {P}_{p}(t)=\left(\frac{{T}_{p}}{{n}_{a}}+\Delta t\right)\left(\frac{{T}_{p}}{{n}_{a}}{P}_{p}\left(t-\Delta t\right)+{P}_{0}-{K}_{p}\right) 。$

对空压机压水时的压力值仿真，得到的结果如图3所示，可以发现该变化为空压机压水过程中的压力值随时间变化为一阶惯性曲线，随着空压机个数增加时，空压机压力值下降速度会变快，当n_a=5时空压机压水的压力值下降速度重新变慢，这可能是由于当空压机增加到一定数量时，半潜船舱内压力迅速上升，因而会导致整体的压水速度没有出现明显上升。

通过建立空压机压排水数学模型，可以为控制系统的仿真功能提供理论基础，且可以根据实际情况确定最佳的启动空压机个数。

2.2 控制流程设计

1）数据采集：在半潜船的各个关键部位安装一系列传感器，用于采集与潜浮和压载水相关的数据。这些传感器包括但不限于压力传感器（用于测量压载水舱内的压力，从而推断水位高度）、液位传感器（直接测量压载水舱内的液位）、姿态传感器（测量船的横摇、纵摇和艏艉倾角度）以及吃水传感器（测量船的吃水深度）等。传感器采集到的数据通过数据传输线路（电缆或无线通信模块）实时传输到计算机控制系统。

2）数据处理与分析：接收到的传感器信号存在噪声、干扰或需要进行单位转换等处理。计算机系统首先对这些信号进行调理，包括滤波去除噪声，放大或缩小信号以匹配系统的处理范围，并将传感器的原始输出转换为有实际意义的物理量（如将电压信号转换为压力值或液位高度）。对调理后的数据进行分析，计算当前船的状态参数。根据各个压载水舱的液位数据计算出船的整体浮力分布，结合姿态传感器数据判断船的平衡状态以及是否存在倾斜情况。同时，分析当前船的吃水深度与预设的潜浮目标值之间的差异。

3）控制策略制定：根据船舶的作业任务（如装载货物、上浮或下潜到特定深度等），操作人员在计算机控制系统中设定相应的潜浮和压载水控制目标。这些目标可以是具体的液位高度、吃水深度、船的姿态角度等。计算机控制系统根据设定的目标和当前船的实际状态，运用预设的控制算法计算出需要对各个压载水舱进行的操作。本文中使用MLP多层感知机进行训练和调整，从而实现对半潜船潜浮压载水的精准控制，如图4所示。

4）控制指令输出：根据控制算法计算出的结果，计算机系统生成相应的控制指令。这些指令详细规定了每个压载水舱的阀门操作（如打开或关闭某个阀门）以及压载水泵的工作状态（如启动或停止某个水泵）。将生成的控制指令通过控制线路传输到各个执行机构（如阀门驱动器和水泵控制器）。

5） 执行机构操作：阀门驱动器接收到控制指令后，驱动相应的压载水舱阀门进行打开或关闭操作。例如，如果指令要求从某个水舱排水，对应的排水阀门将被打开，允许压载水流出。水泵控制器根据指令控制压载水泵的启动或停止以及工作频率。如果需要快速排水或注水，水泵会以较高的频率运行；如果只是微调水位，则水泵以较低的频率运行。

6）系统监控与反馈：在执行控制指令的过程中，计算机系统持续监控各个传感器的数据，以实时了解船的状态变化。例如，观察压载水舱的液位是否按照预期变化，船的姿态是否逐渐接近目标姿态。如果在执行过程中发现实际情况与预期不符，例如船的姿态调整过度或液位变化不符合计算结果，计算机系统会根据新的传感器数据重新进行分析和计算，调整控制策略和指令，以确保船能够准确地达到潜浮和压载水控制目标。

2.3 控制策略详细设计

1）确定输入、输出以及隐藏层

根据收集到的传感器数据类型确定输入层节点。这些输入包括液位数据、横摇角度数据、纵摇角度数据和艏艉倾角度数据，分别设置对应的输入节点，总共 6个输入节点。根据需要控制的变量确定输出层节点。需要控制5个压载水舱的阀门开度和2个水泵的工作频率，因而需要7个输出节点。其中5个节点用于表示阀门开度（通常在0 ～1之间），2个节点用于表示水泵频率（根据水泵的实际工作范围确定合适的数值范围）。然后确定隐藏层结构，设置2 - 3层隐藏层，对于每层隐藏层设置10～20个节点。

2）神经网络训练及输出

将收集到的预处理后的数据集划分为训练集、验证集和测试集。按照70%、20%、10%的比例划分。训练集用于训练神经网络，验证集用于在训练过程中评估模型的性能，防止过拟合，测试集用于在训练完成后评估模型的最终性能。选择Adagrad作为训练算法，设置学习率、迭代次数、批量大小等参数。将训练集中的输入数据依次输入到神经网络中，通过各层的激活函数计算得到输出。将输出与训练集中对应的目标输出（根据实际控制需求确定的阀门开度和水泵频率）进行比较，计算误差。根据计算出的误差，使用反向传播算法从输出层向输入层依次更新神经网络的权重和偏置，以减小误差。

3 结　语

本文系统分析了半潜船潜浮压载水计算机辅助控制系统的基本需求，设计了系统基本结构，建立了空压机压排水的压力数学模型，设计并阐述了计算机辅助控制系统的工作流程，提出了基于MLP的半潜船潜浮压载水的控制策略。