(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211037203.9 (22)申请日 2022.08.29 (71)申请人 南通中远海运川崎船舶工程有限公 司 地址 226000 江苏省南 通市长江中路901号 (72)发明人 陆明锋　葛沛　熊文　刘灿波　 李林海　郑金伟　易小峰　王同山　 应续华　 (74)专利代理 机构 南京钟山专利代理有限公司 32252 专利代理师 陈亮亮 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/15(2020.01) G01D 21/02(2006.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于大数据技术的集装箱船安全航行 系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于大数据技术的集装 箱船安全航行系统及方法， 包括船体应力监测模 块、 有限元强度分析模块、 装载计算机模块和航 行线路优化模块。 通过实时监测船体的应力， 当 船体的应力超 过目标值时发出警报； 采用有限元 强度分析系统找到应力较小的航行方向， 然后改 变船舶相对波浪的航行方向、 避开风浪， 降低波 浪载荷引起的应力， 调整船舶压载舱内压载水的 分布， 降低静水载荷引起的应力， 从而两方面共 同降低船体总的应力水平， 防止集装箱船体发生 断裂。 本发明在保证安全的前提下， 利用航行线 路优化模块， 规划最有的航线、 航速， 保证船舶在 整个航程能耗最低， 既安全又节能。 权利要求书3页 说明书6页 附图5页 CN 115392085 A 2022.11.25 CN 115392085 A 1.一种基于大数据技术的集装箱船安全航行系统， 其特征在于： 包括船体应力监测模 块、 有限元强度分析模块、 装载计算机模块和航行线路优化模块； 船体应力监测模块用于获取 船体应力脆弱部位的应力值； 有限元强度分析模块根据船体应力监测模块获取的应力值， 采用有限元强度分析系统 计算出应力最小的航行 方向； 装载计算机模块根据 液舱液位、 吃水计数据、 货物装载计算船体的总纵强度， 计算出船 舶的完整 稳性、 破舱稳性、 总纵强度和浮态， 并判断是否超 出预设的安全 范围， 若超 出， 则计 算并调整船舶压载舱内压在水的分布， 降低静水 载荷引起的应力； 航行线路优化模块根据航行班期规划、 航路、 天气海况， 并结合有限元强度分析模块和 装载计算机模块分析和调整结构， 在安全航行前提下计算出最合理的航线、 航向、 航速、 压 载水布置， 确保航 运安全前提下减少船舶航 程能耗。 2.根据权利要求1所述的一种基于大数据技术的集装箱船安全航行系统， 其特征在于： 所述船体应力监测模块包括多个光纤光栅传感器， 多个光纤传感器根据应力计算结果或航 运经验布置在船舶应力脆弱处， 用于监测船体的整体 应力。 3.根据权利要求1所述的一种基于大数据技术的集装箱船安全航行系统， 其特征在于： 还包括服务器显示控制模块， 服务器显示控制模块包括显示器和 服务器， 显示器设置在船 舶驾驶室、 甲板办公室和机舱集控制中的一处或多处， 用于显示船体各部位的应力和运动 状态的实时和历史数据记录； 服务器用于采集船舶各航次的多个船体部位的应力和运动状 态数据， 利用数据库技术对采集的数据进行存储并建立数据库， 对船体的应力状态进行评 估， 预测应力的变化趋势和结构损伤趋势。 4.根据权利要求1所述的一种基于大数据技术的集装箱船安全航行系统， 其特征在于： 还包括应急电力模块， 应力电力模块通过应急电源在船舶发电机无法供电时为服务器提供 电力。 5.根据权利要求1所述的一种基于大数据技术的集装箱船安全航行系统， 其特征在于： 还包括报警单 元， 报警单 元用于当监测的船体的应力数据超过目标值时进行报警。 6.根据权利要求1所述的一种基于大数据技术的集装箱船安全航行系统， 其特征在于： 还包括液位遥测系统模块， 液位遥测系统模块包括液舱液位计、 吃水计和数据显示屏， 用于 实时测量液舱的液位， 并将液位信号传输 至装载计算机系统。 7.根据权利要求1所述的一种基于大数据技术的集装箱船安全航行系统， 其特征在于： 还包括加速度和压力 传感器， 加速度和压力传感器设置在集装箱船最首部船中线位置的外 板内部， 用于监测船 首水线处的加速度和压力数据。 8.根据权利要求1所述的一种基于大数据技术的集装箱船安全航行系统， 其特征在于： 所述应力监测传感器设置在自动轨道车上， 自动轨道车设置在甲板上的运行轨道上且能够 沿着运行轨道行 走， 应力监测传感器自动移动至高应力危险区域。 9.一种权利要求1 ‑8任一项所述的基于大数据技术的集装箱船安全航行系统的安全航 行方法， 其特 征在于包 含以下步骤： 步骤一： 通过船体应力监测模块中的应力监测传感器采集各航 次的多个船体部位的应 力， 通过超声 波探测器采集波浪以及船体的运动状态数据； 步骤二： 收集目标航线上的洋流、 风浪气象预报以及实测数据资料；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115392085 A 2步骤三： 将步骤一以及步骤二中采集到的数据汇总至服务器显示控制模块， 进而形成 数据库； 数据库对上述两种方式的来的海浪信息进行判断， 得 出实时风浪海况信息； 步骤四： 服务器显示控制模块分析采集到的船体应力数据， 基于预设标准对船体的应 力状态进行评估， 如果采集的船体应力超过该位置的预设应力标准许用值， 则判断该处船 体位置有可能发生损坏； 步骤五： 根据采集的船体应力实时数据， 利用时间序列预测方法， 基于历史时计数据， 通过考虑变量随时间的演变和使用历史统计来建立数学模型来预测出未来一段周期 内船 体的应力， 预测船体的应力变化趋势和结构损伤趋势， 进而通过航行线路优化合理安排是 否需要做出相应措施来应对航行危险。 10.根据权利要求9所述的安全航行方法， 其特征在于： 所述步骤一中， 超声波探测器采 集波浪以及船体的运动状态数据的具体过程为： 超声波探测器采集横摇、 纵摇、 首部垂向加 速度的船舶运动信号， 通过船中部两舷侧和船首安装的超声波探测器得到三处的相对波 高， 然后从船上的雷达海面图像处理得到波浪方向， 实时推算海浪谱及其统计值， 从而反推 出海况的信息如浪高、 浪向。 11.根据权利要求9所述的安全航行方法， 其特征在于： 所述步骤一中， 目标航线上的洋 流、 风浪气象预报以及实测数据资料 的收集方式为： 服务器通过岸基卫星系统传输进而获 取风浪海况信息 。 12.根据权利要求9所述的安全航行方法， 其特征在于： 所述步骤三中， 数据库对上述两 种方式的来的海浪信息进 行判断实时风 浪海况信息的具体过程为： 将步骤一中得出的海浪 信息与步骤二中得出 的海浪信息进行比对， 如果步骤一中反推出 的海浪的浪高、 浪向与步 骤二中收集的海浪预报信息相差10%以上， 则对步骤二中 收集的海浪预报信息进 行纠正， 即 最终采用步骤一中根据船舶运动推算得到的海浪信息 。 13.根据权利要求9所述的安全航行方法， 其特征在于： 所述步骤一中船体应力监测模 块中的应力监测传感器采集信息的具体过程 为： 1.1、 应力监测传感器监测到的应力较大的位置， 反馈至装载计算机模块和服务器显示 控制模块； 1.1、 装载计算机模块在软件系统内模拟调 节压载水在各压载舱之间的分布， 并计算船 舶在不同船长处的总纵弯 矩分布和剪力分布； 1.3有限元强度分析模块模拟分析当前海况下压载水在各压载舱分布时的货舱开口角 隅等典型节点处的局部应力； 1.4、 通过循环步骤1.2和步骤1.3过程， 调节压载 水在各压载舱间的分布方案； 1.5、 根据调 节载水在各压载舱间的分布方案后的计算结果， 比较压载水在各压载舱间 的不同分布方案时的应力监测传感器监测到的应力较危险的位置处的应力， 得到较佳的压 载水分布工况； 1.6、 根据步骤1.5中得到的较佳的压载水分布工况进而选择较佳的压载水泵调拨压载 舱的压载 水量， 进而降低船体 应力水平。 14.根据权利要求9所述的安全航行方法， 其特征在于： 所述步骤四具体为： 评估在 当前 装载工况吃水、 不同波浪方向、 不同波浪频率和不同船速下 的典型的较危险部位的船体应 力， 并筛选出船体应力水平较低的波浪方向， 根据筛选得到的当前装载工况吃水和海况下，权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115392085 A 3