一种散货船配载仪中的最后分舱方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种散货船配载仪，特别是一种散货船配载仪中的最后分舱方法。
【背景技术】
[0002] 在散货船的货物装载、运输和卸载过程中，保障船舶及货物的安全是一项重要的 工作。导致散货船不安全的因素有很多，其中配载不合理是一个重要原因。为保障散货船 运输的安全性，頂〇(国际海事组织）规定自1998年7月1日起，所有新建造的及现有的总 长超过150m的散货船和符合船级社规范所定义的甲板大开口船必须装备配载仪，该配载 仪应能提供规定的船体的剪力和弯矩资料。
[0003] 随着航运的发展，散货船趋于大型化，但进出一些港口时常常受到泊位水深的限 制。散货船通常按装货前制定的配载方案进行装载，理论上可以达到平均吃水和吃水差的 要求。但在实际装载时，装入货物后的实际吃水与预算的差别较大，吃水差也不相同。所以 散货船装货时通常留出一部分货进行最后分舱，调整船舶的平均吃水和吃水差。
[0004] 目前大副在进行最后分舱计算时基本采用两种方法：文献[1-4]中的"加载100t 吃水法"及文献[5]中的"纵倾力矩法"，大多使用Excel计算，如图1所示。
[0005] 1、使用"加载loot吃水法"进行计算，具体计算步骤如下：
[0006] (1)计算预留的待装货量P待装：
[0007] P 待装=!〇〇tpc(t 要求-T 初始）
[0008] 其中TWis为船舶当前初始状态的平均吃水，为要求的最终状态的平均吃水， TPC为根据Tg查询船舶的"船舶静水力表"得到船舶平行上浮或下沉lcm时所引起的排水 量变化的吨数；
[0009] (2)计算最后分舱的装载量，Pt为首舱要装的货物重量，为尾舱要装的货物重 量：
[0011] 其中：Δ 为船舶当前初始状态的吃水差；Δ 为要求的最终状态的吃水差； Δ dFtl。。和Δ dAtl。。分别为查询船舶的"加载100t首尾吃水变化表"得到首舱加100t货物 引起首吃水的改变量、尾吃水的改变量；A dFjll。。和Δ dAjll。。尾舱加100t货物引起首吃水 的改变量、尾吃水的改变量。
[0012] 2、使用"纵倾力矩法"进行计算，具体计算步骤如下：
[0013] (1)计算预留的待装货量P待装：
[0014] P 待装=!〇〇tpc(t 要求-T 初始）
[0015] (2)求最后分舱的装载量，Pt为首舱要装的货物重量，为尾舱要装的货物重量：
[0016] 由如下的纵倾力矩计算吃水差改变量公式：
[0022] 其中：xP为待装货物重心的纵坐标；△ t为吃水差改变量；MTC为每厘米的纵倾力 矩，船舶漂心的纵坐标，xst为船舶首舱重心的纵坐标，xs?为船舶尾舱重心的纵坐标。
[0023] 但上述方法存在如下缺点：
[0024] 1、"加载100t吃水法"和"纵倾力矩法"计算原理相同，其存在如下假设：装载时 船舶水线面的漂心纵向坐标xF、每厘米纵倾力矩MTC和船舶平行上浮或下沉lcm时所引起 的排水量变化的吨数TPC不变，所以其结果只是近似值，尤其是当船舶吃水改变较大时会 产生较大误差。
[0025] 2、使用"加载100t吃水法"和"纵倾力矩法"进行计算，只适合使用少量货物来调 整船舶的平均吃水和吃水差，平均吃水和吃水差调整的范围比较小。
[0026] 3、需要根据船舶的"加载100t首尾吃水变化表"和"船舶静水力表"人工查询并 手动输入相关数据，非常不方便。
[0027] 本发明涉及的参考文献如下：
[0028] [1]栾法敏.散货船"最后分舱装载"的一种计算方法[J].中国航 海，2013, 36(2) : 135-137。
[0029] [2]栾法敏.调整散装船吃水差的快捷算法[J].中国水运，2007 (02)，52-53。
[0030] [3]栾法敏，刘加钊.散装船装港吃水差调整的快捷方法[J].世界海 运，2007, 30(2) : 1-2。
[0031] [4]谢福南.散装船装货过程中最后吃水差调整的简化求解[J].航海技 术，2009(2)，27-28。
[0032] [5]邢向辉.散货船装载计算机数学模型及应用的研究[D].大连：大连海事大学 航海学院，2000。
【发明内容】
[0033] 为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种计算误差小、适应范围大、无 需人工查询的散货船配载仪中的最后分舱方法。
[0034] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种散货船配载仪中的最后分舱方 法，包括如下步骤：
[0035] A、将下述数据输入到配载仪中：在船舶首舱和尾舱无货情况下，最后分舱前船舶 总的排水量M。、重心的纵向坐标·\、重心的横向坐标化和重心的垂向坐标\ 5最后分舱后 船舶总的排水量Mlast、浮心的纵向坐标，、浮心的横向坐标和浮心的垂向坐标,。
[0036] B、根据下述浮态方程组确定最后分舱的目标函数、设计变量及约束条件：
[0037] 船舶平衡时所确定的浮态方程组为：
[0039] 其中：Δ为船舶排水量，p为水的密度，▽为船舶的排水体积；X(；、y(；、 Z(；分别为船 舶重心的纵向坐标、横向坐标及垂向坐标；xB、yB、zB分别为船舶浮心的纵向坐标、横向坐标 及垂向坐标；Θ和识分别为船舶的纵倾角和横倾角。
[0040] B1、设定目标函数：
[0041 ] 目标函数
[0043] 其中：P为设计变量，η为用于最后分舱的货舱总数，Pl为用于最后分舱的货舱中 第i个货舱装载的货物重量。
[0044] B 2、确定设计变量：
[0045] 由目标函数确定设计变量为P = (Pd p2, . . . Pn)。
[0046] B3、确定约束条件：
[0047] 根据船舶平衡时所确定的浮态方程、每个舱室允许装载的最大装货重量和最小装 货重量，得到约束条件如下：
[0049] 其中plMaxS要调整舱中第i个货舱的最大装货重量，-1?、"^和化为调整吃水前 除调整舱外船舶重心的纵向坐标、横向坐标和垂向坐标；\、.\和4，分别为要调整舱中 第i个货舱重心的纵向坐标、横向坐标和垂向坐标；·τ1、?和分别为调整后所需要 的船舶浮心的纵向坐标、横向坐标和垂向坐标。
[0050] C、使用差分进化算法对上述目标函数进行求解、寻优：
[0051 ] C1、初始化差分进化算法所需的进化种群。
[0052] C11、设定种群大小为NP，NP取值范围为40-60 ;
[0053] C12、随机生成NP个种群个体，即设计变量，每个个体#的每一维生成方法如下：
[0055] 其中，#表示第t代中第j个个体，这里t = 1 ;
[0056] rand(0，l)表示一个位于0到1之间的满足均匀分布的随机数；凡mm、iT" 分别表示初始化要调整舱中第i个货舱的重量时选取的货舱载重量最大值和最小值，
。对于不同的解向量，它的每一维元素值都是独立生成 的。
[0057] C13、计算每个个体的目标函数值，其中根据"船舶舱容表"计算货舱任意装货体积 下与之对应重心的纵向坐标、横向坐标和垂向坐标值。计算方法如下：
[0058] 目标函数值：
[0060] 并记录符合下述条件的个体：
[0062] 其中G 表示 < 的违反约束值。
[0063] 根据舱容表计算货舱任意装货体积Vnet下与之对应的重心的纵向坐标Xg、横向 坐标Yg、垂向坐标Zg的值。每个货舱的数据是按照Vnet递增顺序存储的，有：
[0065] Vnetmin、Vnetmax、Vnetp Vnet^A^^lj表示货舱装载货物净体积的最小值、净体积最 大值、存储的首个值和存储的末尾值。以下分三种情况计算Xg和Zg的值：
[0066] C131、当Vnetmin< Vnet < Vnet _时，即Vnet在净体积的最小值、最大值之间，选 择与之相邻的Vnetk丨和Vnet k进行插值求得Xg、Yg和Zg的值。具体方法如下：
[0070] 其中：Vnetk Vnet < Vnet k 2 < k < last
[0071] C132、当Vnet〈Vnetmin时，即Vnet小于净体积的最小值，选择最小的两个体积值 VnetJP Vnet 2进行插值求得Xg、Yg和Zg的值。具体方法如下：
[0075] C133、当Vnet > Vnetmax时，即Vnet大于净体积最大值，选择最大的两个体积值 VnetlasjP Vnet last丨进行插值求得Xg、Yg和Zg的值。具体方法如下：
[0079] C14、计算每个个体的违反约束值，将约束条件改写成如下形式：
[0081] 分别表示不等式约束和等式约束；q、m-q分别表示不等式约束的 数量和等式约束的数量，这里q = 2n，m = 2n+2。
[0082] 个体违反第r个约束的值的表示方法如下：
[0084] δ为等式约束的容许误差，δ取值范围为0.001-0. 01。
[0085] 则个体的违反约束值为：
[0087] C2、计算种群中符合约束的个体占总个体的比例，即可行率，用rate表示，计算方 法如下：
[0088]
[0089] C3、设定缩放因子F和交叉概率因子CR的值：
[0092] 其中T为最大进化代数，t为当前代数。
[0093] C4、用差分进化算法进行变异、交叉和选择操作，并令j = 1 ;
[0094] C41、变异操作，按照如下方式进行：
[0096] 这里ri，r2，r3是区间[1，NP]内与j不等的随机整数，且满足两两互不相等；》4表 示产生的第t代第j个变异个体。
[0097] C42、交叉操作，按照如下方式进行：
[0099] 其中缚表示第t代第j个实验个体；sn是一个随机整数，满足sne [1，2，···，η]; i表示第i维；
[0100] C43、选择操作：
[0101] 计算实验个体和目标个体的修正目标函数值，计算方法如下：
[0102] C431、标准化目标函数值：
[0104] 其中：/二，/二分别表示第t代种群中最大目标函数值和最小目标函数值。
[0105] 当时，标准化目标函数值为：
[0108]当/?>./"时，标准化目标函数值为：
[0111]当时，标准化目标函数值为：
[0114] C432、标准化违反约束值为：
[0116] 其中，（^η分别表示第t代种群中最大违反约束值和最小违反约束值。
[0117] 当C7_ 时，标准化违反约束值为：
[0120]当时，标准化违反约束值为：
[0123]当，标准化违反约束值为：
[0126] C433、计算个体距离与值，方法如下：
[0129] C434、计算惩罚项，方法如下：
[0134]惩罚项 i? (X;)与 J)(?;.)为：
[0137] C435、修正目标函数值，计算方法如下：
[0140] C436、选择方法如下：
[0142] 其中 < 表示被选中的个体，替换原