“雪龍2”船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 慧，趙炎平，汪大立，顧捷偉，李中月

(1. 中國船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司第七〇八研究所，上海 200000；2. 中國極地研究中心，上海 200000)

0 引 言

“雪龍2”號船是我國第1 艘自主建造的極地科學(xué)考察破冰船，滿足無限航區(qū)要求、具備全球航行能力?！把?”設(shè)計(jì)航速12 ～15 kn，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足PC3 要求，可首、尾雙向破冰，首向能在覆蓋0.2 m 厚積雪的1.5 m 厚冰層上以2～3 kn 航速連續(xù)破冰。該船可實(shí)現(xiàn)極區(qū)原地360°自由轉(zhuǎn)動，可突破極區(qū)20 m 當(dāng)年冰冰脊，破冰能力良好。

船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是影響“雪龍2”破冰航行作業(yè)安全性的一個(gè)重要因素。為提高“雪龍2”抵御結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的能力，該船設(shè)計(jì)安裝船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)與船體全生命管理系統(tǒng)合并組成智能船體。近年來，國內(nèi)外的船體監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速，許多國家的船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)在破冰船上都有實(shí)際應(yīng)用，韓國在ARAON 號破冰船和Arctic 號LNG 船的肋骨、船殼等部位安裝應(yīng)變片對結(jié)構(gòu)應(yīng)力與冰載荷進(jìn)行了測量，美國在Varandey 極地運(yùn)輸船的首、尾肋骨上安裝單向陣列式應(yīng)變片對冰載荷進(jìn)行了測量，加拿大在CCGS Louis S.St-Laurent 號破冰船和Terry Fox 號破冰船的肋骨上安裝陣列式45°雙片對剪應(yīng)力進(jìn)行了測量[1-5]。我國季順迎等在“雪龍”號破冰船上多次安裝傳感器對船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)及艙室聲壓進(jìn)行了測試[6]。

本文對“雪龍2”號船上的船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行介紹，具體包括系統(tǒng)組成、功能模塊、業(yè)務(wù)流程、測點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)分析方法、輔助決策方式以及系統(tǒng)部分功能界面等。

1 “雪龍2”船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)概況

“雪龍2”號船上的船體監(jiān)測與輔助決策系統(tǒng)通過在船體冰帶區(qū)、重要結(jié)構(gòu)和敏感部位中植入傳感器，結(jié)合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、屈服強(qiáng)度評估、疲勞強(qiáng)度評估、總縱強(qiáng)度評估、冰載荷反演、首部砰擊計(jì)算、振動監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫管理以及輔助決策等技術(shù)，形成具備船體結(jié)構(gòu)健康自診斷功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測“雪龍2”號船上指定區(qū)域的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對危險(xiǎn)應(yīng)力進(jìn)行報(bào)警，給船員提供及時(shí)有效的輔助決策信息，從而降低在惡劣海況下航行以及破冰作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig. 1 System structure diagram

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。其中，首部砰擊壓力計(jì)算模塊只在敞水航行時(shí)開啟，冰載荷反演及海冰圖像識別模塊只在冰區(qū)航行作業(yè)時(shí)開啟。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖如圖2 所示。由圖2 可知，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的來源分為兩部分：一部分來自系統(tǒng)自身安裝的溫度、應(yīng)變與加速度傳感器采集的測點(diǎn)應(yīng)變與測點(diǎn)加速度信息，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)利用“雪龍2”號船上已有的設(shè)備采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)或串口形式傳輸至本系統(tǒng)，如氣象、冰情、運(yùn)動信息等。采集數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、強(qiáng)度評估、報(bào)警及輔助決策等工作，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)篩選存入數(shù)據(jù)庫中。

2 “雪龍2”船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測點(diǎn)類型與設(shè)計(jì)

圖 2 業(yè)務(wù)流程圖Fig. 2 Flow chart

系統(tǒng)包含屈服評估、疲勞評估、總強(qiáng)度評估、冰載荷反演、振動計(jì)算、首部砰擊計(jì)算等功能模塊。系統(tǒng)根據(jù)“雪龍2”號船的航行作業(yè)特點(diǎn)和自身結(jié)構(gòu)形式布置了一系列測點(diǎn)[7]，部分測點(diǎn)示意圖如圖3 所示。

圖 3 “雪龍2”測點(diǎn)位置示意圖Fig. 3 Location map of “Xuelong 2” measuring points

具體測點(diǎn)布置情況介紹如下：

屈服測點(diǎn)60 個(gè)，疲勞測點(diǎn)5 個(gè)。每個(gè)屈服或疲勞測點(diǎn)含3 個(gè)光柵光纖應(yīng)變傳感器（構(gòu)成直角應(yīng)變花）與1 個(gè)光柵光纖溫度傳感器，布置形式如圖4（a）所示。

總強(qiáng)度測點(diǎn)4 組，每組測點(diǎn)含3 個(gè)光柵光纖應(yīng)變傳感器（單向應(yīng)變片平行布置）與1 個(gè)光柵光纖溫度傳感器，布置形式如圖4（b）所示。

冰載荷測點(diǎn)88 個(gè)，布置方式為8×11 矩陣式，共包含85 個(gè)單向應(yīng)力測點(diǎn)（每個(gè)測點(diǎn)含1 個(gè)光柵光纖應(yīng)變傳感器）與3 個(gè)復(fù)用的屈服測點(diǎn)，布置形式如圖5所示，第43，45，47 號測點(diǎn)為復(fù)用的屈服測點(diǎn)。

振動測點(diǎn)3 個(gè)，首部砰擊加速度測點(diǎn)1 個(gè)。每個(gè)測點(diǎn)含1 個(gè)三向加速度傳感器。

圖 4 布置形式Fig. 4 Strain gauge arrangement

圖 5 “雪龍2”冰載荷測點(diǎn)示意圖Fig. 5 Diagram of Xuelong 2 ice load measuring points

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與強(qiáng)度評估

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要指對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。傳感器采集的應(yīng)變與加速度信息既包含波浪或海冰引起的船體響應(yīng)信號，也包含船用設(shè)備的高頻機(jī)械振動、裝載變化引起的低頻響應(yīng)等。根據(jù)采集信號的類型與頻譜特征、采集工況（敞水區(qū)域或冰區(qū)）等設(shè)計(jì)合理的濾波器，進(jìn)而進(jìn)行強(qiáng)度評估[8]。本系統(tǒng)采用基于Kaiser 窗的FIR 數(shù)字濾波器，對屈服、疲勞、總強(qiáng)度及冰載荷測點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行帶通濾波，對加速度信號，進(jìn)行高通濾波。濾波器的阻帶衰減、截止頻率等參數(shù)可以調(diào)節(jié)。

屈服及總縱強(qiáng)度評估分為實(shí)時(shí)評估與統(tǒng)計(jì)評估。實(shí)時(shí)評估根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的應(yīng)變信息計(jì)算測點(diǎn)的合成應(yīng)力，與閾值比較后進(jìn)行分級報(bào)警工作。統(tǒng)計(jì)評估默認(rèn)30 min 進(jìn)行一次，系統(tǒng)對測點(diǎn)30 min 的合成應(yīng)力序列進(jìn)行濾波處理后，計(jì)算結(jié)構(gòu)的失效概率，當(dāng)失效概率高于一定范圍后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評估報(bào)警工作。

疲勞強(qiáng)度評估默認(rèn)每5 min 進(jìn)行一次。系統(tǒng)首先對疲勞測點(diǎn)的監(jiān)測應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，然后計(jì)算主應(yīng)力與方向角，提取疲勞評估應(yīng)力序列，再通過雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算幅值、均值和循環(huán)次數(shù)，經(jīng)平均應(yīng)力修正后采用S-N 曲線法計(jì)算破壞循環(huán)次數(shù)，最后依據(jù)得到的循環(huán)次數(shù)和破壞循環(huán)次數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷并預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)剩余壽命[9]，評估結(jié)果以表單形式顯示在系統(tǒng)界面中。

冰載荷計(jì)算采用反演方法[10]。首先建立冰載荷測點(diǎn)及附近區(qū)域的局部有限元模型，設(shè)置合理的邊界約束條件，對單位面加載單元載荷，計(jì)算得到影響系數(shù)矩陣，然后根據(jù)冰載荷測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變信息計(jì)算各單位面的冰載荷，并以云圖形式顯示。

砰擊計(jì)算也采用反演方法。敞水航行時(shí)，根據(jù)首部砰擊加速度測點(diǎn)數(shù)據(jù)識別砰擊發(fā)生情況，記錄發(fā)生砰擊的時(shí)間及次數(shù)。砰擊發(fā)生后，對采集的6 個(gè)首部應(yīng)變測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波，結(jié)合影響系數(shù)矩陣反演出首部總的砰擊壓力。

振動分析基于振動加速度測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對采集的振動加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波，結(jié)合振動規(guī)范中的不同部位與結(jié)構(gòu)對應(yīng)的振動標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置安全等級，評估振動強(qiáng)度，提供界面顯示與聲響報(bào)警功能。

2.3 航行作業(yè)輔助決策

敞水航行輔助決策依據(jù)報(bào)警信息及海況工況等信息提供航向與航速推薦建議。首先建立不同海況不同航速不同浪向角下的各危險(xiǎn)剖面的剖面載荷百一值數(shù)據(jù)庫，然后在實(shí)際航行中依據(jù)測得的波高、航速、浪向、應(yīng)力報(bào)警位置及報(bào)警值信息，篩選出滿足敞水航行結(jié)構(gòu)安全的航速與航向角集合，找出與原航速與航向角最接近的組合作為輔助意見提供給用戶。

冰區(qū)航行作業(yè)輔助決策依據(jù)報(bào)警信息給出航速和航向更改提示，用戶根據(jù)冰情信息綜合判斷具體的更改操作。首先判斷破冰船操作工況（沖撞操作、轉(zhuǎn)彎操作、斜向操作、尾向操作、淺水區(qū)操作），然后根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果與安全閾值的比值信息，選擇相應(yīng)的輔助決策方案。暫定當(dāng)比值小于0.8，顯示按計(jì)劃正常航行，當(dāng)比值大于0.8 并小于1 時(shí)，進(jìn)行預(yù)警并提示注意航速與航向，當(dāng)比值大于1 時(shí)，進(jìn)行報(bào)警并提示建議降低航速/調(diào)整航向/停止操作。

3 “雪龍2”船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)顯示

“雪龍2”船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)用戶權(quán)限分為管理員與普通用戶。普通用戶主要針對大副及其他船員，普通用戶的界面簡潔、方便、容易操作，不能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、一鍵還原等功能。管理員用戶主要針對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)人員，擁有系統(tǒng)的所有權(quán)限，包括各類參數(shù)（船體結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、初始應(yīng)力參數(shù)、濾波器參數(shù)、閾值參數(shù)等）的修改，數(shù)據(jù)導(dǎo)出，濾波前后曲線對比分析等權(quán)限。

圖6 顯示了普通用戶的系統(tǒng)主界面，不同類型測點(diǎn)以不同的形狀（圓形、正方形或菱形）表示。屈服強(qiáng)度、總縱強(qiáng)度測點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)報(bào)警分為3 級，以紅、黃、綠三色常亮顯示進(jìn)行區(qū)分，1 級紅色報(bào)警時(shí)提供聲響提示；實(shí)時(shí)報(bào)警以閾值為界限，超過閾值后進(jìn)行紅色閃爍及聲響報(bào)警。振動報(bào)警以相應(yīng)閾值為界限，正常狀態(tài)以菱形透明顯示，觸發(fā)報(bào)警機(jī)制后紅色閃亮并聲響報(bào)警。傳感器故障時(shí)，界面上的測點(diǎn)形狀變?yōu)榛疑鏍?，同時(shí)提供聲音警示。輔助決策意見顯示在界面的中部上方。右側(cè)以表格形式顯示了疲勞測點(diǎn)的累計(jì)損傷與剩余壽命情況、屈服及總縱強(qiáng)度測點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)評估結(jié)果及報(bào)警等級信息等。船舶航行至冰區(qū)時(shí)，用戶可以切換為冰區(qū)航行及作業(yè)模式。

圖 6 敞水航行系統(tǒng)主界面Fig. 6 Main interface of open water navigation

用戶需要了解某測點(diǎn)詳細(xì)信息時(shí)，點(diǎn)擊主界面圖中測點(diǎn)會出現(xiàn)如圖7 所示的懸浮窗口，用戶可以得到該測點(diǎn)的強(qiáng)度評估信息、繪制相應(yīng)時(shí)歷曲線圖與峰谷值柱狀圖，也可以看到未來1 h 的應(yīng)力趨勢預(yù)測信息。

圖8 顯示了冰載荷評估應(yīng)力云圖，由8×11 個(gè)小方格組成，圖右邊為載荷大小的標(biāo)尺。圖9 為參數(shù)設(shè)置界面，僅管理員用戶可以訪問及修改，系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)人員可在該界面對各類參數(shù)進(jìn)行調(diào)試修改。圖10 為數(shù)據(jù)庫查詢顯示界面，用戶可以查詢歷史評估數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄、系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)等。

圖 8 冰載荷顯示界面Fig. 8 Display interface of ice load

4 結(jié) 語

圖 9 參數(shù)設(shè)置界面Fig. 9 Interface of parameter settings

圖 10 數(shù)據(jù)庫查詢顯示Fig. 10 Display of database query

本文對“雪龍2”號船上設(shè)計(jì)安裝的船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。系統(tǒng)可以利用實(shí)時(shí)監(jiān)測的應(yīng)變信息在線評估船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)可利用評估信息與外部環(huán)境信息等給出航行建議。在船舶后期營運(yùn)過程中，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步完善。