CC BY
82
УДК 629.5.023.4.004.58:004.45 ББК 39.42-044-082.05:32.973.2-18
В. Н. Тряскин, Хоанг Минь Шон
СТРУКТУРА МОДЕЛИ ДАННЫХ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСА СУДНА
V. N. Tryaskin, Hoang Minh Son
STRUCTURE OF THE DATA MODEL IN AUTOMATED SYSTEMS FOR HULL CONDITION ASSESSMENT
Рассматривается структура модели данных о корпусе судна в унифицированном формате HCM (HCM-модель), который формируется на основе XML-технологий. HCM-модель предполагается использовать в автоматизированной системе для оценки технического состояния конструкций корпуса судна «SYSCHECK_CAS». Применение такой автоматизированной системы позволит значительно ускорить процесс оценки технического состояния конструкций корпуса судов, снизить его трудоемкость и в итоге - затраты на данный вид работ. HCM-модель в перспективе позволит производить определение технического состояния на основе методологии оценки риска (Risk Based Inspection - RBI).
Ключевые слова: оценка технического состояния корпуса, замер толщин, XML-технология, оценка на основе риска.
The structure of the data model about the ship hull is considered in the unified format HCM (HCM-model), which is formed on the basis of XML-technologies. The HCM-model is supposed to be used in the automated system for hull technical condition assessment "SYSCHECK_CAS". The application of such an automated system will significantly speed up the process of hull technical condition assessment, to reduce its complexity, and ultimately the cost of this type of work. The HCM-model in the long term will enable to perform hull technical condition assessment, basing on the Risk Based Inspection (RBI).
Key words: hull technical condition assessment, thickness measurement, XML-technology, risk based inspection.
Введение
В процессе эксплуатации судна происходит коррозионный износ элементов корпуса (листов и балок набора). В целях контроля технического состояния корпуса судна классификационные общества осуществляют периодические проверки в соответствии с существующими правилами, которые требуют визуального осмотра и замеров остаточных толщин листов и элементов балок набора. Измерения остаточных толщин обычно производятся специализированными компаниями. Объем замеров обычно достаточно велик. Так, для большого танкера он достигает 20 000 точек [1]. Трещины и повреждения покрытий также выявляются и регистрируются. Отчет по замерам проверяется инспектором классификационной организации.
До настоящего времени отсутствовала возможность автоматизированной передачи информации по замерам в автоматизированные системы классификационных обществ, которые выполняют оценку технического состояния на основе соответствующих нормативных требований. Обработка информации по замерам выполнялась в основном вручную. Это обусловливает высокую трудоемкость такой процедуры и приводит к значительным затратам времени. Кроме того, нет возможности установить положение реальных координат точки замера в конструкции корпуса судна.
Модель данных о состоянии корпуса судна
Преодоление отмеченных недостатков процедуры оценки технического состояния корпуса судна было одной из главных задач международного проекта CAS (Condition Assessment of aging ships for real-time Structural maintenance decision) в 2005-2008 гг. [2]. Партнерами в CAS-проекте были следующие фирмы и организации: Bureau Veritas (Франция), Germanischer Lloyd (Германия), Materiaal Metingen (Нидерланды), Sener (Испания), Instituto Superior Tecnico (Португалия), Russian Maritime Register (Россия), Lisnave (Португалия), Total (Франция), Inter-tanko (Int’l), Cybernetix (Франция).
В рамках проекта CAS была разработана структура модели данных о состоянии корпуса судна (Hull Condition Data Model - HCM-модель); предложены методические основы автоматизированных процедур выполнения замера толщины в диалоговом режиме, показана возможность использования роботов для замера остаточных толщин и передачи результатов замера в HCM-модель [2]. HCM-модель - это модель данных для описания корпуса судна с целью дальнейшего ее использования в задачах оценки технического состояния корпуса судна. Предложенная модель данных позволяет хранить результаты измерения толщины элемента конструкции при наличии или отсутствии 3D-модели судна. Точки замеров связываются с конкретным положением их на корпусе судна путем введения дополнительных атрибутов, обеспечивающих их привязку к соответствующим структурным компонентам.
В качестве базовой технологии для представления модели данных (XML) был выбран «Extensible Mark-up Language». Для определения структуры HCM используется именно подход схемы XML.
HCM-модель была разработана для поддержки процесса мониторинга и оценки состояния корпуса судна - Hull Condition Monitoring and Assessment (HCMA). Один из главных аспектов -поддержка процедуры замеров остаточных толщин, как это требуется такими международными правилами, как IMO MEPC.94(46), известными также как «Condition Assessment Scheme» [3], и Программой расширенного освидетельствования (Enhanced Survey Programme (ESP)), как определено в резолюции IMO A.744(18) с поправками [4].
В связи с этим при разработке HCM обеспечивалось следующее:
— простота: модель поддерживает существующую процедуру измерения остаточных толщин, т. е. использование информации в виде файла измерений, структура которого похожа на содержание таблиц МАКО в сочетании с эскизами (как это делается в настоящее время);
— гибкость: можно использовать модель данных, даже если нет полной структурной модели корпуса (например, как при работе с программным обеспечением для проверки соответствия конструкций требованиям Правил);
— наглядность: обеспечение легкой визуализации результатов измерений;
— однозначность: при наличии структурной модели корпуса судна обеспечивается согласование замеров толщины с конкретным их положением на элементе структурной модели;
— независимость: файлы с замерами могут быть обработаны различными приложениями и различными организациями;
— совместимость: обеспечивается совместимость с принятой в настоящее время рабочей процедурой оценки технического состояния. В частности, обеспечивается возможность генерации таблиц МАКО по замерам толщин. При этом структура модели данных не зависит от организации данных в таблицах МАКО;
— автономность: один файл содержит все данные по одному измерению компании. Данные модели не зависят от внешних схем XML;
— компактность: файлы с замерами достаточно малы (например, в связи с отсутствием длинных имен элементов и атрибутов);
— расширяемость: разработчики имеют право увеличить размеры модели данных в соответствии с требованиями для конкретных целей;
— открытость: HCM (в плане не данных измерений, а модели данных) будет свободно доступна для всех сторон, заинтересованных в разработке программного обеспечения, поддерживающего процедуру мониторинга и оценки технического состояния корпуса судна (HCMA), например классификационных обществ, поставщиков программного обеспечения.
Основой замеров остаточных толщин (Thickeness Measurement (TM)) являются знания о конструкции корпуса. Эти знания используются:
— для определения положения места замеров перед началом выполнения замеров;
— определения положения листов и балок во время измерения;
— установления соответствия замеренных толщин (или других данных) с листами и балками в отчете по замерам.
Информация о конструкции корпуса содержится в конструктивных чертежах. Компания, выполняющая замеры, после заключения контракта получает такие чертежи от судовладельца. На основе этих чертежей компания готовит адекватный чертеж (эскиз), пригодный для выпол-
нения замеров. При отсутствии чертежей (такая ситуация может быть при выполнении замеров для старых судов, которые неоднократно меняли судовладельца) эскизы для проведения замеров разрабатываются обычно самой компанией по месту.
В настоящее время результаты замеров толщин вместе с эскизами являются достаточной информацией для последующих шагов в оценке технического состояния корпуса, поэтому основной вопрос, возникавший при разработке модели данных для HCMA, - как эту информацию организовать, чтобы:
— не вводить большее количество информации, чем требуется;
— данные, полученные один раз, вводились бы только один раз;
— обеспечить максимальную поддержку для компьютерной визуализации результатов и оценки общей продольной прочности.
При ТМ представляет интерес только та информация, которая необходима для идентификации листов и балок в составе корпуса судна (положение сварных швов, построечные толщины листов, тип и расположение профилей). В отличие от анализа прочности корпуса судна модель данных для HCMA не нуждается в топологической информации (связанность элементов конструкций - листов, балок). Следует отметить также достаточно приближенное описание границ листов. В частности, зазоры между соседними листами или их частичное наложение друг на друга не представляют никакой проблемы для персонала, выполняющего замеры, в плане идентификации конкретного листа в составе корпуса судна. Таким образом, может создаваться и храниться только упрощенная 3-D модель корпуса. Её сложность должна соответствовать точности процесса измерений.
Использование упрощенной модели данных по корпусу судна при реализации процедуры HCMA позволит повысить ее эффективность, как описано выше. В частности, возможны быстрые оценки состояния посредством визуализации и расчета продольной прочности.
Целесообразность применения HCM-файла
Основное преимущество HCM заключается в том, что он может поддерживать процесс измерения в различной степени.
В минимальном сценарии - только с использованием электронных таблиц Excel с заменой файлов в текущей процедуре:
— Excel-таблицы, используемые в настоящее время большинством классификационных обществ, можно заменить на HCM-файлы, содержащие ту же информацию. В этом случае информация о геометрии листов или профилей не поступает в систему, в файле сохраняются только имена листов и результаты замеров. Хотя подготовка эскизов вручную или, например, с использованием AutoCAD будет продолжена, эффективность передачи данных повышается за счет использования стандартизированных форматов, которые легко обрабатываются в электронном виде.
В оптимальном сценарии весь процесс будет осуществляться в электронном виде. Пример такого процесса - следующая схема:
— судно (или части судна, которые должны быть рассмотрены, например несколько грузовых трюмов) моделируется классификационным обществом с использованием их программного обеспечения, при помощи которого выполняются проверочные расчеты конструкций. Это более сложная модель, но такая «классификационная модель» будет в дальнейшем необходима для выполнения проверочных расчетов местной и общей продольной прочности;
— упрощенная 3D-модель судна в формате HCM является производной от «классификационной модели»;
— упрощенная модель, содержащая только упрощенную геометрию листов и балок (профилей), представляется фирме, выполняющей замеры. Эта же модель в формате HCM-файла может быть использована для описания нужного количества измерений;
— результаты замеров толщин добавляются в HCM-файл фирмой, выполняющей замеры;
— в случае, если замеры толщин листов и элементов балок были сделаны без учета их геометрии, соответствующие геометрические данные могут быть добавлены в HCM-файл компанией, выполняющей замеры. Для этого требуются компьютерные инструменты, обеспечивающие быстрый и простой ввод такой информации;
— завершенный HCM-файл отправляется обратно, результаты замеров толщин анализируются и оцениваются классификационным обществом;
— судовладелец может получить доступ к данным о состоянии корпуса своего судна и отчету о замерах.
В будущем, как было отмечено выше, создание «упрощенных моделей», вероятно, будет задачей классификационных обществ. Такой подход обеспечит краткое и последовательное управление данными и интеграцию с системами анализа. Действительно, централизованное размещение TM-данных и другой информации, касающейся состояния судна, имеет явные преимущества для судовладельца. Согласно концепции, разработанной в рамках проекта CAS, эти документы будут в HCM-файлах нового поколения или базах данных.
Разработка программного обеспечения на основе HCM играет важную роль в разработке концепции проектирования судна. Новая функциональность необходима на различных этапах. Это может содержаться как в отдельной программе, так и в виде специализированного инструмента в существующих программах:
— выходной интерфейс для классификационных программ, таких как POSEDON (GL) или VeriSTAR (BV); с использованием этого интерфейса геометрическая информация для листов и профилей создается с помощью классификационного программного обеспечения;
— инструмент для ввода результатов замеров используется для сбора и хранения ТМ-данных в формате HCM;
— инструмент для создания эскизов; это особенно важно, если в процессе выполнения замеров становится необходимым расширение объема замеров и возникает потребность в новой геометрической информации о листах и профилях;
— инструмент для визуализации и оценки технического состояния, обеспечивающий поддержку быстрого анализа коррозионной деградации конструкции;
— модуль для генерации таблиц МАКО в соответствии с рекомендованными процедурами;
— входной интерфейс для чтения результатов измерений из файла HCM в классификационную программу.
— HCM-формат, будучи открытым, нейтральным форматом данных, предназначенным для поддержки программных систем различных классификационных обществ или других компаний, предоставляет программное обеспечение для морского судоходства. В частности, описание конструкции судна в CAD-программах, таких как NAPA-Steel, FORAN, TRIBON и NUPAS, может быть использовано для создания упрощенной геометрической информации, необходимой для мониторинга состояния корпуса.
Использование HCM-файла в российской практике
Длительное время кафедра конструкции судов Санкт-Петербургского государственного морского технического университета сотрудничает с государственным учреждением «Российский морской Регистр судоходства» (РМРС), участвует в разработке Правил, экспертизе проектов, выполняет работы по проблемам автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна и оценке их технического состояния. Специалистами кафедры были разработаны методические основы, алгоритмы и программное обеспечение специализированного программного комплекса (ПК) «SYSCHECK_CAS» [5]. Программный комплекс предназначен для автоматизированной оценки технического состояния корпуса судна и отдельных корпусных конструкций на основе нормативов «Инструкции по оценке технического состояния, обновлению и ремонту корпусов морских судов» РМРС, требований общих Правил МАКО и некоторых других нормативных документов (требований Правил Бюро Веритас, Германского Ллойда).
Для нормальной работы по оценке технического состояния корпуса судна в общем случае необходима техническая документация по корпусу практически в объеме технического проекта. Обычно оценка технического состояния корпуса эксплуатирующегося, особенно старого судна, выполняется в условиях дефицита проектной документации. Оригинальные методики, используемые в ПК «SYSCHECK_CAS» для геометрического и конструктивного моделирования корпуса судна и его конструктивных составляющих, обеспечивают возможность создания упрощенной 3D-модели корпуса судна в условиях такого дефицита.
Разработанный ПК «SYSCHECK_CAS» позволяет решать следующие задачи:
— диалоговый ввод результатов ТМ элементов корпуса судна и дополнение * .HCM-файла этими данными;
— оценка технического состояния корпуса судна как при наличии проектной документации, так и при ее дефиците;
— визуализация результатов оценки технического состояния;
— прогнозирование состояния корпусных конструкций;
— визуализация результатов прогнозирования;
— оценка «эквивалентного возраста» - некоторой обобщенной характеристики технического состояния конструкции и корпуса в целом [6].
Диалоговый ввод результатов замеров остаточных толщин элементов корпуса судна выполняется в процессе работы с моделью корпуса судна. Точки замеров указываются при помощи манипулятора «мышь». При этом они привязываются к соответствующему элементу конструкции и автоматически определяются их реальные трехмерные координаты.
Оценка технического состояния осуществляется путем сопоставления замеренных толщин и допускаемых остаточных, определяемых как разность построечной толщины и максимально допустимого уменьшения толщины связи. Возможно определение объема ремонта (количества, массы и площади заменяемых листов, а также стоимости ремонтных работ). Прогнозирование технического состояния основано на гипотетических законах деградации конструкции по причине износа или соответствующих закономерностям износа, принятым в Правилах. Предложены также и нелинейные законы деградации.
Результаты оценки технического состояния систематизируются в табличной форме в виде отчетного документа.
Заключение
Современный процесс мониторинга технического состояния корпуса судна основывается на обмене Excel-таблицами данных или печатными документами. С использованием модели данных в формате HCM и специализированного программного обеспечения для её поддержки становится возможным значительно повысить эффективность этого процесса на основе современных информационных технологий. Информация о состоянии корпуса судна, накапливаемая в базе данных, будет доступна в течение жизненного цикла судна. Эта информация может быть использована для построения статистических законов коррозионного износа элементов конструкций, планирования ремонта и т. п.
Благодаря улучшению мониторинга технического состояния корпуса и процесса его оценки, предложенная модель данных (HCM-модель) и специализированное программное обеспечение будут способствовать повышению безопасности судоходства и охране окружающей среды.
Более того, HCM-модель в перспективе позволит решать широкий круг задач, возникающих при обработке результатов замеров остаточных толщин, которые в настоящее время не решены или слишком сложны для реализации. Например, статистические предсказания (прогнозирование) коррозионного износа конструкций или определение технического состояния на основе оценки риска (Risk Based Inspection - RBI).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Efficient Data Management for Hull Condition Assessment // 12th International Conference on Computer Applications in Shipbuilding ICCAS 2005, 23-26 August 2005, Busan, Korea.
2. Condition Assessment Scheme for Ship Hull Maintenance / Cabos C., Jaramillo D., Stadie-Frohbos G. et al. // 7th International Conference on Computer and IT Applications in Maritime Industries (COMPIT) 2008, 21-23 April 2008, Liege, Belgium.
3. IMO Resolution MEPC.94(46), 2001. Condition Assessment Scheme.
4. IMO Resolution A.744(18), 1993. Guidelines on the enhanced programme of inspections during surveys of bulk carriers and oil tankers.
5. Разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения Регистра по оценке и прогнозированию технического состояния корпуса судна на основе анализа и систематизации существующих электронных баз данных и унификации электронно-цифровой модели корпуса судна / СПбГМТУ: отчет по теме № РС-4/2010-I-H-288. - 2010. - 142 c.
6. Тряскин В. Н., Лам В. Х. Научно-методические основы алгоритмов определения технического состояния корпуса судна по требованиям нормативных документов классификационных организаций // Морской вестник. - 2007. - № 4. - C. 9-12.
Статья поступила в редакцию 27.01.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Тряскин Владимир Николаевич - Санкт-Петербургский государственный морской технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Конструкции судов»; ssdgmtu@gmail.com.
Tryaskin Vladimir Nikolaevich - St. Petersburg State Marine Technical University; Doctor of Technical Science; Professor; Professor of the Department "Ships Construction"; ssdgmtu@gmail.com.
Хоанг Минь Шон - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; hminhson@yahoo.com.
Hoang Minh Son - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Sea Technological Equipment"; hminhson@yahoo.com.
