黃河防汛船體安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐寶強(qiáng)，劉建強(qiáng)，王曉杰，李鳳杰，袁國(guó)強(qiáng)，孟令冰，曹春梅

(1.開(kāi)封黃河河務(wù)局,河南 開(kāi)封 475004；2.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶設(shè)備和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能日臻完善，自動(dòng)化程度不斷提高，不僅同一系統(tǒng)的各組成部分之間互相關(guān)聯(lián)，而且不同系統(tǒng)之間的聯(lián)系也日益緊密，因此對(duì)系統(tǒng)可靠性和安全性的要求也越來(lái)越高。 現(xiàn)代船舶應(yīng)配備功能強(qiáng)大、技術(shù)先進(jìn)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，以確保船舶各系統(tǒng)有機(jī)協(xié)同、安全可靠地運(yùn)行。 黃河防汛船船體安全預(yù)警系統(tǒng)就是其中一種。 船體安全預(yù)警系統(tǒng)作為船舶自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，其主要功能是：實(shí)時(shí)掌握船舶運(yùn)行狀態(tài)和趨勢(shì)，人員在出現(xiàn)工作異常時(shí)聲光系統(tǒng)立即報(bào)警， 呼叫操作人員及時(shí)處理報(bào)警故障，以確保船舶航運(yùn)的安全[1]。

1 船體預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成和布設(shè)

1.1 安全預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成

本系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的模塊將所有的傳感器信號(hào)予以處理[2]，然后再將處理后的結(jié)果傳回監(jiān)測(cè)主站，由監(jiān)測(cè)主站進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而實(shí)現(xiàn)全船高效率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警[3]。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分由若干I/O 模塊、監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)、底層傳感器以及RS-485 通信線(xiàn)路組成。

圖1 防汛船船體安全預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Components of flood control ship body safety early warning system

如圖1 所示，底層傳感器與具有數(shù)字輸入輸出、模擬輸入輸出等功能的I/O 模塊相連接。 所有模塊再用RS-485 網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，將其作為數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收媒介。網(wǎng)內(nèi)每個(gè)模塊需要設(shè)置一個(gè)地址號(hào)，通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)的通信，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。

圖2 防汛船安全預(yù)警系統(tǒng)平面布置圖Fig.2 Flood control ship safety early warning system layout

1.2 安全預(yù)警系統(tǒng)的布設(shè)

如圖2 所示，在船體容易受到撞擊的部位裝上壓力傳感器， 并對(duì)不同部位傳感器分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、編號(hào)，傳感器類(lèi)型為壓阻式壓力式。 傳感器安裝在船體鋼板內(nèi)側(cè)，用以測(cè)量鋼板在外力作用下的應(yīng)力變形。 在船體受到撞擊或碰撞后、鋼板瀕臨破壞前，由終端設(shè)備向船員發(fā)出報(bào)警信號(hào)， 并標(biāo)明具體部位。 船員在收到信號(hào)后，便能迅速采取措施，保證船只安全。

2 傳感器的選擇及注意事項(xiàng)

2.1 傳感器的選擇

壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，它廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、生產(chǎn)自控等諸多行業(yè)。 力學(xué)傳感器的種類(lèi)繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。 但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線(xiàn)性特性。

壓阻式壓力傳感器的主要由電阻應(yīng)變片元件組成。 電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件（電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖3 所示）。 電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲（或應(yīng)變箔）、絕緣保護(hù)片和引出線(xiàn)等部分組成。 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是：吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，其電阻值也會(huì)發(fā)生改變。 假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。 當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小、截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻上的變化（通常是測(cè)量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。

圖3 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of strain gauge

通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的黏和劑緊密地黏合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變的基體上，當(dāng)基體受力、發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變， 從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋（如圖4[2]所示），并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D 轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖4 圓形應(yīng)變片及電橋模型Fig.4 Circle foil gauge and bridge model

在船只容易受到撞擊的部位，分別裝上壓力傳感器。 當(dāng)一個(gè)或多個(gè)傳感器遭到碰撞時(shí)，壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，各路電的信號(hào)經(jīng)電路放大器分別放大后，根據(jù)實(shí)際測(cè)驗(yàn)結(jié)果和需要，調(diào)整比較器的閥值。當(dāng)撞擊強(qiáng)度超過(guò)一定的壓力后，比較器有一正信號(hào)輸出。 該信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器處理后，可識(shí)別是來(lái)來(lái)自哪個(gè)部位的信號(hào)。 再經(jīng)過(guò)電路放大器將信號(hào)放大，就可驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行報(bào)警，并由數(shù)碼管顯示撞擊部位的信號(hào)，進(jìn)行編碼，即確定船只的撞擊部位。 電源的作用是為整個(gè)電路系統(tǒng)供電。

2.2 選用傳感器注意事項(xiàng)

(1)壓力傳感器的應(yīng)用技術(shù)。 由于該傳感器裝在船只的底部，且撞擊時(shí)的壓力很大，因此，在選用器件時(shí)，既要考慮到安裝方便，更要注意傳感器的量程及使用條件(尤其要防水)。

(2)小信號(hào)電路放大器。 最好選用對(duì)數(shù)放大器，以便使電路不易飽和，對(duì)小信號(hào)又有足夠的放大量。因?yàn)槭侨跣盘?hào)放大，因此更應(yīng)注意電路的干擾問(wèn)題。

(3)信號(hào)處理器。 信號(hào)處理器的作用是對(duì)各個(gè)比較器的輸入信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、編碼、確定發(fā)生故障的部位，從而進(jìn)行報(bào)警。

(4)數(shù)字信號(hào)放大器。 其作用是進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)喇叭工作的數(shù)碼管顯示。

(5) 系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)。 在各部件工作正常的情況下，系統(tǒng)聯(lián)試技術(shù)十分關(guān)鍵，電路的匹配，壓力傳感器閥值大小的確定等，都要按照實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)確定，只有這樣，才能滿(mǎn)足實(shí)際工用需要。

根據(jù)以上原則，開(kāi)封河務(wù)局水上搶險(xiǎn)隊(duì)的防汛船選用AS10 系列硅壓阻式壓力傳感器。 該傳感器將擴(kuò)散硅壓力敏感芯片封裝到不銹鋼外殼中，外加壓力從不銹鋼膜片通過(guò)硅油傳遞到敏感芯片上，敏感芯片不直接接觸被測(cè)介質(zhì)，形成壓力測(cè)量的全固態(tài)結(jié)構(gòu)，因此可以應(yīng)用于各種惡劣的腐蝕性介質(zhì)環(huán)境。

性能參數(shù)如下：

電橋電阻25℃:3KΩ～6KΩ；

供電電源:恒流最大4mA、恒壓最大10V；

使用溫度:-45℃～125℃；

補(bǔ)償范圍:-10℃～70℃；

振動(dòng)：20g/（20～5000Hz）；

耐用性周期：＞100×106FS；

外殼和膜片:不銹鋼316L；

密封圈: 丁晴φ16×1.7mm、 氟化橡膠φ16×1.7mm；

注入油:硅油、橄欖油（衛(wèi)生型）；

精度：0.1、0.3、0.5 級(jí)可選；

零點(diǎn)：±2mV；

零點(diǎn)溫漂：0.02%FS/℃；

靈敏度溫漂：0.02%FS/℃。

3 應(yīng)用效果

3.1 與傳統(tǒng)方法比較的優(yōu)點(diǎn)

黃河防汛船在抗洪搶險(xiǎn)期間，主要依靠船長(zhǎng)多年在黃河上行船的經(jīng)驗(yàn)判別河勢(shì)及船員手持探水桿判斷水深，來(lái)確保航行安全。 船體在航行中易受到撞擊而發(fā)生滲水或漏洞情況，但此種情況往往不易覺(jué)察，一般采取以下方法來(lái)確保安全：間隔一段時(shí)間檢查各艙是否有積水；在出現(xiàn)積水后及時(shí)用水泵抽排，并用水泥快速封堵。 但情況嚴(yán)重時(shí)將威脅船只的安全。 本文所講的安全預(yù)警系統(tǒng)是通過(guò)在船體不同部位安裝壓力傳感器，在船只控制臺(tái)按照控制終端設(shè)備， 能夠快速準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到船體破壞、變形的情況，及早采取應(yīng)對(duì)措施，做到防患于未然，使船只安全性得到提高。

3.2 應(yīng)用效果

開(kāi)封河務(wù)局水上搶險(xiǎn)隊(duì)目前有3 艘防汛船，均為1977 年投入使用，船只設(shè)計(jì)使用年限為15 年，現(xiàn)已超期服役19 年。 船只整體狀況較差，存在較大安全隱患，尤其船體鋼板嚴(yán)重銹蝕，最薄處僅為4mm，在執(zhí)行水上搶險(xiǎn)、遷安救護(hù)、凌汛期間極易發(fā)生船體漏洞。 當(dāng)船只在河道中航行時(shí)，常會(huì)遇到以下危險(xiǎn)情況：樹(shù)樁等漂浮物的撞擊；凌汛期間浮冰的撞擊；在靠近丁壩搶險(xiǎn)過(guò)程中，當(dāng)壩體根石探測(cè)不明時(shí)，船體易撞擊到水下根石；因船體鋼板已嚴(yán)重銹蝕，當(dāng)受到較大的撞擊力時(shí)會(huì)產(chǎn)生漏洞。 在黃河“2003.8”洪水蔡集搶險(xiǎn)期間，船體碰撞出多個(gè)漏洞，給船只及人員安全帶來(lái)極大威脅。 黃河防汛船船體安全預(yù)警系統(tǒng)由開(kāi)封河務(wù)局水上搶險(xiǎn)隊(duì)研發(fā)，通過(guò)在船體容易撞擊的部位鋼板內(nèi)側(cè)分別裝上壓力傳感器，用以測(cè)量鋼板在承受外力作用下的應(yīng)力變形，在鋼板瀕臨破壞前，由終端設(shè)備向船員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并標(biāo)明具體部位，船員在收到信號(hào)后便能迅速采取措施保證船只安全。 該系統(tǒng)在該搶險(xiǎn)隊(duì)3 艘防汛船上安裝運(yùn)用，在黃河2009-2010 年度防汛搶險(xiǎn)中取得了良好的效果，為船只的安全運(yùn)行提供了保障。

4 結(jié)論

黃河防汛船安全預(yù)警系統(tǒng)的投入運(yùn)用，為水上搶險(xiǎn)隊(duì)防汛船的運(yùn)用提供了保障，能有效地減少船只及人員安全事故，使船只在今后黃河抗洪搶險(xiǎn)中發(fā)揮更大作用，此項(xiàng)技術(shù)還需進(jìn)一步在實(shí)踐中完善。

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