一种船舶并靠软管过弯预测分级处置方法及系统

本发明涉及深海采矿与海上湿式输运安全控制，尤其涉及一种船舶并靠软管过弯预测分级处置方法及系统。

背景技术：

1、船舶并靠湿式运输作为深海采矿和海上流体转运中的关键作业环节，其运行安全直接关系到高端海洋装备、智能航运和海洋工程产业链的稳定性。在船舶并靠湿式运输作业过程中，湿式运输软管跨接于两船之间，受两船相对六自由度运动、波浪扰动、流体脉动载荷以及软管自重与附加载荷共同作用，容易在局部位置形成较小曲率半径。当软管局部曲率半径持续减小并接近或低于其允许最小弯曲半径时，易导致软管局部屈曲、结构损伤、寿命衰减，严重时甚至引发泄漏、停输和作业事故。

2、当前技术中，对于软管过弯风险的监测与处置通常采用以下方式：一是利用人工巡检或单一传感器对少数热点位置进行监视；二是对某些局部观测量设定固定报警阈值，当观测值越限后再人工判断是否减载或停输。上述方法主要存在以下不足：

3、第一，处置逻辑多以“当前测到的局部值是否越限”为依据，缺少对软管未来短时过弯趋势的前瞻性判断，往往在风险已经形成后才被动处置；

4、第二，普遍采用固定阈值，难以适应并靠作业中海况变化、船体运动增强、测量不确定度波动等工况差异，容易造成误报、漏报或处置过度；

5、第三，通常只给出“报警”结果，缺少与风险等级相对应的可执行处置动作，难以形成从风险判别、等级划分、动作执行到复核恢复的闭环控制流程；

6、第四，现有方法对现场操作人员依赖较强，标准化程度不足，不利于工程现场快速复制和推广应用。

7、因此，亟需一种船舶并靠软管过弯预测分级处置方法，以提高船舶并靠湿式运输软管过弯处置的及时性、适应性和可执行性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种船舶并靠软管过弯预测分级处置方法及系统，解决当前船舶并靠湿式运输软管过弯风险处置技术中存在的被动响应、固定阈值适应性差、缺少分级执行动作、依赖人工经验、难以形成闭环的问题，实现船舶并靠软管过弯风险的主动防控、精准分级和闭环管理，提高处置的及时性、适应性、稳定性和可操作性。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种船舶并靠软管过弯预测分级处置方法，包括以下步骤：

3、获取船舶并靠软管的允许最小弯曲半径、当前最小曲率半径、预测最小曲率半径、及关联工况信息；所述关联工况信息包括：海况信息、船体运动信息、软管输送状态信息及数据质量信息；

4、根据允许最小弯曲半径和关联工况信息，构造动态安全判别阈值；

5、根据当前最小曲率半径、预测最小曲率半径分别与动态安全判别阈值之间的关系，计算过弯风险判别量；所述过弯风险判别量包括：预测安全裕度、预计越限时间和持续风险指标；

6、根据过弯风险判别量对船舶并靠软管过弯风险进行等级划分，得到划分结果；所述等级包括：正常级、预警级、控制级、危险级和应急级；

7、根据划分结果执行对应等级的分级处置动作，并持续复核软管状态，得到复核结果；

8、根据复核结果执行升级处置、维持处置或降级恢复。

9、优选地，根据允许最小弯曲半径和关联工况信息，构造动态安全判别阈值的具体内容包括：

10、根据测量不确定度、海况信息、船体运动信息和软管输送状态信息，分别计算不确定度修正量、海况修正量和工况修正量；

11、根据允许最小弯曲半径、不确定度修正量、海况修正量和工况修正量，构造动态安全判别阈值。

12、优选地，所述不确定度修正量的计算公式为：

13、；

14、其中，为不确定度修正量，为允许最小弯曲半径，为不确定度修正系数；

15、所述海况修正量的计算公式为：

16、；

17、其中，为海况修正量，为海况修正系数；

18、所述工况修正量的计算公式为：

19、；

20、其中，为工况修正量，为工况修正系数；

21、所述动态安全判别阈值的表达式为：

22、；

23、其中，为动态安全判别阈值。

24、优选地，根据当前最小曲率半径、预测最小曲率半径分别与动态安全判别阈值之间的关系，计算过弯风险判别量的具体内容包括：

25、根据预测最小曲率半径与动态安全判别阈值之间的差值，计算预测安全裕度；

26、根据当前最小曲率半径与动态安全判别阈值之间的差值，以及当前最小曲率半径的变化率，计算预计越限时间；

27、在设定统计时间窗内统计预测安全裕度小于零的时间占比，计算持续风险指标。

28、优选地，所述预测安全裕度的计算公式为：

29、；

30、其中，

t为当前时刻，为当前时刻对应的预测安全裕度，为未来前瞻时间窗，为在当前时刻

t基于前瞻时间窗得到的预测最小曲率半径，为当前时刻的动态安全判别阈值；

31、所述预计越限时间的计算公式为：

32、；

33、；

34、其中，为当前最小曲率半径的变化率，为当前最小曲率半径，为当前时刻的动态安全判别阈值，为预计越限时间，为当前最小曲率半径的变化率绝对值，

为极小阈值，为预计越限时间上限值；

35、所述持续风险指标的计算公式为：

36、；

37、其中，为当前时刻持续风险指标，为统计时间窗，为指示函数，为统计时间窗内的时间变量，为统计时间窗内时刻

s对应的预测安全裕度。

38、优选地，根据过弯风险判别量对船舶并靠软管过弯风险进行等级划分，得到划分结果的具体内容包括：

39、预设预警安全裕度阈值、危险安全裕度阈值、预警预计越限时间阈值、控制预计越限时间阈值、危险预计越限时间阈值、第一持续风险指标阈值、第二持续风险指标阈值、极限处置阈值、危险级持续时间阈值和应急触发时间阈值；所述预警预计越限时间阈值大于控制预计越限时间阈值大于危险预计越限时间阈值；所述第二持续风险指标阈值大于第一持续风险指标阈值；所述应急触发时间阈值大于危险级持续时间阈值；

40、将预测安全裕度与预警安全裕度阈值、0、负危险安全裕度阈值进行比较，得到第一判定结果；

41、将预计越限时间分别与预警预计越限时间阈值、控制预计越限时间阈值、危险预计越限时间阈值进行比较，得到第二判定结果；

42、将持续风险指标分别与第一持续风险指标阈值、第二持续风险指标阈值进行比较，并判断持续风险指标大于等于第二持续风险指标阈值的持续时间是否超过危险级持续时间阈值，得到第三判定结果；

43、将当前最小曲率半径和预测最小曲率半径分别与极限处置阈值进行比较，得到第四判定结果；

44、根据第一判定结果、第二判定结果、第三判定结果和第四判定结果，并在判定为危险级后判断危险级状态的持续时间是否超过应急触发时间阈值，综合判定当前软管过弯风险等级，具体为：

45、当预测安全裕度大于预警安全裕度阈值、预计越限时间大于预警预计越限时间阈值且持续风险指标小于第一持续风险指标阈值时，判定为正常级；

46、当预测安全裕度大于0且小于等于预警安全裕度阈值，或预计越限时间大于控制预计越限时间阈值且小于等于预警预计越限时间阈值，或持续风险指标大于等于第一持续风险指标阈值且小于第二持续风险指标阈值时，判定为预警级；

47、当预测安全裕度小于等于0，或预计越限时间大于危险预计越限时间阈值且小于等于控制预计越限时间阈值，或持续风险指标大于等于第二持续风险指标阈值时，判定为控制级；

48、当预测安全裕度小于等于负危险安全裕度阈值，或预计越限时间大于0且小于等于危险预计越限时间阈值，或持续风险指标大于等于第二持续风险指标阈值且持续时间超过危险级持续时间阈值时，判定为危险级；

49、当当前最小曲率半径小于等于极限处置阈值，或预测最小曲率半径小于等于极限处置阈值，或危险级状态的持续时间超过应急触发时间阈值时，判定为应急级。

50、优选地，所述预警安全裕度阈值的表达式为：

51、；

52、其中，为预警安全裕度阈值，为预警安全裕度系数，为允许最小弯曲半径；

53、所述危险安全裕度阈值的表达式为：

54、；

55、其中，为危险安全裕度阈值，为危险安全裕度系数；

56、所述极限处置阈值的表达式为：

57、；

58、其中，为危险安全裕度阈值，为极限处置系数；

59、所述预警预计越限时间阈值为20s~60s；

60、所述控制预计越限时间阈值为10s~30s；

61、所述危险预计越限时间阈值为3s~10s；

62、所述第一持续风险指标阈值为0.2~0.4；

63、所述第二持续风险指标阈值为0.5~0.8；

64、所述危险级持续时间阈值为3s~10s；

65、所述应急触发时间阈值为5s~15s。

66、优选地，根据划分结果执行对应等级的分级处置动作，并持续复核软管状态，得到复核结果的具体内容包括：

67、当判定为正常级时，维持当前输送和并靠作业状态，仅进行常规监测；

68、当判定为预警级时，执行增强监视，包括缩短刷新周期、提高数据采样频率、提示操作人员关注软管跨越区并记录预警状态；

69、当判定为控制级时，执行控制处置，包括降低输送流量、限制两船横荡和艏摇调整幅度、限制船舶推进器快速操纵、要求作业人员进入控制工况；

70、当判定为危险级时，执行危险处置，包括暂停输送、维持船位稳定、禁止不必要的相对运动调整、必要时释放局部附加载荷或转入软管保护姿态；

71、当判定为应急级时，执行应急处置，包括紧急停输、启动应急广播、执行软管解脱或卸载预案、通知相关岗位进入事故防控流程；

72、在执行各等级对应的分级处置动作后，持续监测当前最小曲率半径和预测最小曲率半径，并滚动计算预测安全裕度、预计越限时间和持续风险指标，得到复核结果。

73、优选地，根据复核结果执行升级处置、维持处置或降级恢复的具体内容包括：

74、根据复核结果，判断过弯风险判别量是否继续恶化、保持稳定或持续缓解；

75、若过弯风险判别量继续恶化，则升级至更高等级处置；

76、若过弯风险判别量稳定但未满足退出条件，则维持当前等级处置；

77、若过弯风险判别量连续满足退出滞回条件并持续达到恢复观察时间窗，则降级恢复至下一较低等级；所述退出滞回条件包括：恢复阈值高于进入阈值、恢复观察时间长于进入判断时间，且相邻等级切换需满足连续多帧或连续多周期判定一致；所述恢复观察时间窗随风险等级升高而增大；

78、若恢复至正常级后再次触发预警条件，则重新进入分级处置流程。

79、本发明还提供了一种船舶并靠软管过弯预测分级处置系统，用于实现上述的船舶并靠软管过弯预测分级处置方法，包括：

80、数据获取模块，用于获取船舶并靠软管的允许最小弯曲半径、当前最小曲率半径、预测最小曲率半径、及关联工况信息；所述关联工况信息包括：海况信息、船体运动信息、软管输送状态信息及数据质量信息；

81、阈值构造模块，用于根据允许最小弯曲半径和关联工况信息，构造动态安全判别阈值；

82、风险判别模块，用于根据当前最小曲率半径、预测最小曲率半径分别与动态安全判别阈值之间的关系，计算过弯风险判别量；所述过弯风险判别量包括：预测安全裕度、预计越限时间和持续风险指标；

83、等级划分模块，用于根据过弯风险判别量对船舶并靠软管过弯风险进行等级划分，得到划分结果；所述等级包括：正常级、预警级、控制级、危险级和应急级；

84、处置复核模块，用于根据划分结果执行对应等级的分级处置动作，并持续复核软管状态，得到复核结果；

85、等级处置模块，用于根据复核结果执行升级处置、维持处置或降级恢复。

86、综上所述，本发明提供的一种船舶并靠软管过弯预测分级处置方法及系统，相比传统技术，有益效果如下：将软管过弯风险处置的核心判据由“当前是否越限”提升为“预测最小曲率半径是否逼近动态安全阈值”，能够在风险真正形成前提前采取措施，显著增强处置的前瞻性；不局限于具体测量手段，只要能够提供当前最小曲率半径和预测最小曲率半径，即可接入判别与处置流程，因而具有良好的通用性和扩展性；通过构造动态安全判别阈值，将软管允许最小弯曲半径、测量不确定度、海况扰动和作业状态统一纳入判别逻辑，避免了固定阈值在复杂海况下适应性差的问题；将预测安全裕度、预计越限时间和持续风险程度联合用于过弯分级判别，相比单一阈值报警，更能准确反映软管过弯风险的严重程度和演化趋势；将风险等级与分级处置动作一一对应，并设置升级、维持和恢复机制，形成了完整的闭环处置方法，现场人员可直接按流程执行，工程可复制性强。

87、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。