結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在超大型集裝箱船上的應(yīng)用

賀 鑫，周學(xué)謙

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

0 引 言

超大型船相比一般船型具有更大、更柔的船體結(jié)構(gòu)，這可能導(dǎo)致其船體固有頻率更接近波浪遭遇頻率，同時(shí)其大外飄船首結(jié)構(gòu)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的艏部砰擊現(xiàn)象，更易受到波激振動(dòng)和砰擊顫振等因素的影響。目前針對(duì)超大型船舶結(jié)構(gòu)安全的要求或指南對(duì)波激振動(dòng)和砰擊顫振引起的船體疲勞強(qiáng)度和極限強(qiáng)度問(wèn)題等缺乏統(tǒng)一的要求，且相關(guān)研究缺少實(shí)船驗(yàn)證數(shù)據(jù)，考慮波激振動(dòng)和砰擊顫振水彈性效應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)能很好地解決該問(wèn)題。由此，本文對(duì)該船體結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在超大型集裝箱船上的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并基于監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)波激振動(dòng)進(jìn)行分析，為后續(xù)基于實(shí)船監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)開(kāi)展超大型船水彈性效應(yīng)研究提供參考。

1 系統(tǒng)的布置和工作原理

船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在船體結(jié)構(gòu)中布置傳感系統(tǒng)，使船體能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自我診斷，同時(shí)提供輔助決策的一種工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1]。針對(duì)超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)的船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用光纖傳感系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和船舶的縱搖角、橫搖角等信息，能計(jì)算分析水彈性效應(yīng)對(duì)船舶極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的影響，同時(shí)具有趨勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)警和報(bào)警等功能。

1.1 傳感器布置

通過(guò)在船體結(jié)構(gòu)中布設(shè)傳感系統(tǒng)獲取反映結(jié)構(gòu)變化的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船上重要結(jié)構(gòu)和敏感部位動(dòng)態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)?？紤]船體受到的各種環(huán)境載荷，結(jié)合超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出結(jié)構(gòu)受力敏感部位和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，進(jìn)行傳感器布置[2]。傳感器測(cè)點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖1。測(cè)點(diǎn)分為總強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)、高應(yīng)力測(cè)點(diǎn)、疲勞測(cè)點(diǎn)、砰擊載荷反演測(cè)點(diǎn)、加速度測(cè)點(diǎn)和船體姿態(tài)測(cè)點(diǎn)等6種[3]。

1) 總強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)共8組，其中2組采用長(zhǎng)基線光纖傳感器，另外6組每組有3臺(tái)單向光纖應(yīng)變傳感器，沿船長(zhǎng)方向平行布置，位于船中左右舷甲板和底部點(diǎn)，以及距艏艉L/4(L為船長(zhǎng))處的左右舷；

2) 高應(yīng)力測(cè)點(diǎn)共11組，其中8組采用單向光纖應(yīng)變傳感器，另外3組每組有3臺(tái)單向光纖應(yīng)變傳感器(組成直角應(yīng)變花)，位于甲板、艙口圍板、雙層底、船體外板、橫艙壁、縱桁和縱向骨材等處；

3) 疲勞測(cè)點(diǎn)共8組，其中3組每組有1臺(tái)單向光纖應(yīng)變傳感器，另外5組每組有3臺(tái)單向光纖應(yīng)變傳感器(組成直角應(yīng)變花)，位于大開(kāi)口艙室角隅處；

4) 砰擊載荷反演測(cè)點(diǎn)共10個(gè)，左右舷分別安裝4臺(tái)單向光纖應(yīng)變傳感器，對(duì)應(yīng)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，位于水線以上艏部外飄處，布置方式為2×2矩陣式，另外2個(gè)測(cè)點(diǎn)位于艉部底部砰擊區(qū)；

5) 加速度測(cè)點(diǎn)共4個(gè)，基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技術(shù)[4]，分別位于距離船首L/4處、距離船尾L/4處和船中左右舷處，每個(gè)測(cè)點(diǎn)有1臺(tái)雙向加速度傳感器；

6) 船體姿態(tài)測(cè)點(diǎn)共2個(gè)，艏部和艉部各安裝1臺(tái)六自由度傳感器。

圖1 傳感器測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)讀取傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)和測(cè)波雷達(dá)測(cè)量的數(shù)據(jù)，從智能平臺(tái)上讀取風(fēng)速、風(fēng)向、航速和全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)數(shù)據(jù)等，對(duì)不同類型的相關(guān)物理量進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析處理，得到各種狀態(tài)的分析結(jié)果，在屏幕上通過(guò)表格和圖形等方式顯示。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示船體監(jiān)測(cè)部位在船舶航行時(shí)的受力情況、船體結(jié)構(gòu)受振動(dòng)沖擊的影響情況、船體彎曲和扭轉(zhuǎn)變形情況及船舶運(yùn)動(dòng)加速度信息[5]，針對(duì)可能遇到的超閾值的結(jié)構(gòu)應(yīng)力等提供預(yù)警和輔助決策，并按需求提供相應(yīng)的記錄、報(bào)表和打印功能。

2 系統(tǒng)的組成

船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等5部分組成。

2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由光纖傳感系統(tǒng)、船體姿態(tài)采集模塊、海浪數(shù)據(jù)采集模塊和其他數(shù)據(jù)采集模塊等4部分組成。

1) 光纖傳感系統(tǒng)采用光纖傳感器采集船體應(yīng)變數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，采用光纖解調(diào)儀對(duì)光信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；

2) 船體姿態(tài)采集模塊采用六自由度姿態(tài)傳感器將船體橫搖、縱搖、艏搖和垂向加速度等數(shù)據(jù)直接傳輸給上位機(jī)儲(chǔ)存；

3) 海浪數(shù)據(jù)采集模塊采用X波段測(cè)波雷達(dá)監(jiān)測(cè)波浪，并將測(cè)得的波浪信號(hào)交由計(jì)算機(jī)處理，隨后將其傳輸給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)存儲(chǔ)；

4) 其他數(shù)據(jù)采集模塊主要通過(guò)智能平臺(tái)接入并讀取數(shù)據(jù)，包括艏艉吃水、風(fēng)速、風(fēng)向、船舶航速、船舶裝載情況和航線風(fēng)浪預(yù)報(bào)等。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)采用串口和網(wǎng)絡(luò)通信2種通信方式，主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)、系統(tǒng)與其他設(shè)備或平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸，確定各路信號(hào)與控制系統(tǒng)的接口格式和協(xié)議，保證各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸順暢。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，主要作用包括數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算評(píng)估。數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)判斷傳感器故障，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、擬合、校正、拆分和統(tǒng)計(jì)分析等處理，為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估模塊提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算評(píng)估模塊用于對(duì)結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。[6]

1) 數(shù)據(jù)處理包括濾波處理、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)融合處理和故障診斷。

(1) 濾波處理是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通、高通和帶通濾波處理；

(2) 統(tǒng)計(jì)分析是對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)測(cè)分量的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峭度、平均跨零周期、三一值和十一值等的統(tǒng)計(jì)分析；

(3) 數(shù)據(jù)融合處理是對(duì)由傳感器數(shù)據(jù)和接收的外來(lái)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確、及時(shí)的處理和存儲(chǔ)，并自動(dòng)地從大量數(shù)據(jù)中獲取潛在的依賴模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的智能化處理，達(dá)到監(jiān)測(cè)、記錄、分析和處理數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)性要求；

(4) 故障診斷是確定傳感器所發(fā)生故障的類型，如開(kāi)路故障、偏差故障、大漂移異常值故障和無(wú)規(guī)律異常值故障等。

2) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算評(píng)估包括：

(1) 船體梁評(píng)估，通過(guò)船體正應(yīng)力和翹曲應(yīng)力換算得到船體梁載荷，實(shí)時(shí)評(píng)估船體梁的極限強(qiáng)度；

(2) 屈服和屈曲評(píng)估，通過(guò)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行合成處理，得到用于進(jìn)行屈服和屈曲強(qiáng)度評(píng)估的等效應(yīng)力，實(shí)時(shí)評(píng)估船體結(jié)構(gòu)的屈服和屈曲狀態(tài)；

(3) 疲勞評(píng)估，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的疲勞應(yīng)力，采用雨流計(jì)數(shù)方法計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的疲勞損傷情況，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的疲勞狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估；

(4) 波激振動(dòng)響應(yīng)，采用雨流計(jì)數(shù)法得到疲勞應(yīng)力水平和對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，根據(jù)疲勞累計(jì)損傷理論計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷，將其與僅考慮低頻波浪應(yīng)力的疲勞累積損傷計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，分析波激振動(dòng)響應(yīng)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響；

(5) 砰擊顫振響應(yīng)，針對(duì)包含砰擊顫振應(yīng)力和低頻波浪應(yīng)力的合成應(yīng)力時(shí)歷，提取各遭遇波浪周期內(nèi)合成應(yīng)力的幅值樣本，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到合成應(yīng)力幅值的概率分布特征，進(jìn)而對(duì)其極值進(jìn)行預(yù)報(bào)，并將所得結(jié)果與低頻波浪應(yīng)力幅值的極值分析結(jié)果相對(duì)比，分析砰擊顫振響應(yīng)對(duì)極限強(qiáng)度的影響；

(6) 慣性運(yùn)動(dòng)載荷評(píng)估，根據(jù)加速度傳感器監(jiān)測(cè)的船體運(yùn)動(dòng)加速度，結(jié)合船載貨物質(zhì)量，導(dǎo)出船載貨物對(duì)應(yīng)的慣性力，對(duì)船體慣性運(yùn)動(dòng)載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估；

(7) 砰擊評(píng)估，根據(jù)由監(jiān)測(cè)的艏艉砰擊載荷產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)艏艉結(jié)構(gòu)砰擊進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，同時(shí)根據(jù)艏部加速度響應(yīng)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的砰擊次數(shù)；

(8) 安全作業(yè)輔助決策，基于監(jiān)測(cè)的應(yīng)力、加速度、橫傾和縱傾等數(shù)據(jù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和慣性載荷等超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)基于歷史數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)，若預(yù)報(bào)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)較為危險(xiǎn)，則進(jìn)行預(yù)警。

2.4 顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)包括船體梁應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警、船舶高應(yīng)力屈服點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警、船舶疲勞強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警、應(yīng)力歷史趨勢(shì)查詢、船舶橫縱搖角度、船舶垂向加速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、波激振動(dòng)烈度和船體砰擊顫振響應(yīng)等模塊。系統(tǒng)顯示界面見(jiàn)圖3，顯示的是船舶局部疲勞強(qiáng)度點(diǎn)，其中波激振動(dòng)烈度表征波激振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞的影響程度，對(duì)進(jìn)一步分析彈振對(duì)疲勞損傷的貢獻(xiàn)度有重要意義。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要用于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和調(diào)用等功能。這些數(shù)據(jù)主要包括：實(shí)測(cè)海浪、船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)；結(jié)構(gòu)的失效概率、屈服強(qiáng)度和累積損傷等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果數(shù)據(jù)；設(shè)置的船舶信息和系統(tǒng)參數(shù)等。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)積累在船舶實(shí)際航行過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)，合理評(píng)估海況和載況等因素對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全的影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，與智能平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為智能船舶集成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)該系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)可用來(lái)研究波激振動(dòng)和砰擊顫振對(duì)集裝箱船疲勞強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的影響。

下面以某超大型集裝箱船為例，對(duì)該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該船于2020年3月11日20:00:00—21:00:00在舟山海域航行，有義波高為1.5 m。對(duì)測(cè)點(diǎn)f2和f7進(jìn)行低通、帶通和高通濾波處理之后，得到其疲勞主應(yīng)力時(shí)程曲線見(jiàn)圖4，其中：f2測(cè)點(diǎn)位于船首艙口圍頂板角隅處；f7測(cè)點(diǎn)位于船中左舷縱向艙口圍板處。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)的分離，得到計(jì)及波激彈振的疲勞主應(yīng)力的實(shí)時(shí)變化情況和低頻波載疲勞主應(yīng)力時(shí)間歷程，測(cè)點(diǎn)f2和f7頻譜分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，疲勞測(cè)點(diǎn)的幅頻曲線都呈雙峰形式。通過(guò)對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析可知，各測(cè)點(diǎn)的次波

a) 測(cè)點(diǎn)f2

b) 測(cè)點(diǎn)f7

a) 測(cè)點(diǎn)f2

b) 測(cè)點(diǎn)f7

中心頻率普遍在0.54 Hz左右，主波中心頻率可能有所差異。以測(cè)點(diǎn)f2為例，第一個(gè)峰值中心頻率為0.080 6 Hz，可判定為低頻波浪載荷曲線應(yīng)力的低頻波頻分量，這是船體梁總體振動(dòng)引起的總振動(dòng)成分，而結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測(cè)量曲線中也包含明顯的船體高頻振動(dòng)成分，這種次波高頻成分的中心頻率為0.541 6 Hz，且高頻信號(hào)持續(xù)出現(xiàn)，沒(méi)有明顯的衰減，分析認(rèn)為這是船體梁結(jié)構(gòu)與遭遇波浪共振產(chǎn)生的波激彈振引起的能量集中導(dǎo)致的。

4 結(jié) 語(yǔ)

船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)集成多個(gè)傳感系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船體結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息和海況信息，綜合超大型集裝箱船的航行、載況、海況、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力和砰擊壓力等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)安全的綜合監(jiān)測(cè)，具有趨勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)警和報(bào)警等功能，能提高船舶在大風(fēng)浪等惡劣環(huán)境中航行的安全性。本文介紹了傳感器布置、系統(tǒng)的工作原理和組成，并以某超大型集裝箱船應(yīng)力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為例，分析了波激彈振對(duì)其安全性的影響。該系統(tǒng)記錄的應(yīng)力、加速度和海浪等實(shí)船數(shù)據(jù)對(duì)后期進(jìn)行實(shí)船模型與三維水彈性計(jì)算模型對(duì)比分析有重要參考意義，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期積累，可形成專家數(shù)據(jù)庫(kù)，為船舶設(shè)計(jì)優(yōu)化和建造提供技術(shù)支撐。根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)評(píng)估波激振動(dòng)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響，還有待后續(xù)結(jié)合大量實(shí)船數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的研究。