CN102632967A

CN102632967A - 分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统

Info

Publication number: CN102632967A
Application number: CN2012100898059A
Authority: CN
Inventors: 黄进浩; 张金佐; 杨华伟; 吴国庆; 向杨君; 葛沈瑜
Original assignee: 702th Research Institute of CSIC
Current assignee: 702th Research Institute of CSIC
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开了一种分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统，由结构监测传感器、CAN或RS485应变采集器、船用一体化加固计算机、船舶结构在线安全监测评估模块以及电源通信电缆组成。本发明以应变采集器为基本单元组成分布式监测网络，每个应变采集器布置于结构监测传感器附近，由船用一体化加固计算机内部电源集中供电，所有应变采集器将采集的数据通过CAN或RS485总线实时传输至一体化加固计算机，由上位机船舶结构在线安全监测评估模块对采集的数据进行解码分析、数字信号处理及存储，并对船舶结构典型部位和整体安全状态进行在线评估，本系统也可扩展用于土木工程和海洋平台等大型结构的安全监测。

Description

分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统

技术领域

本发明涉及分布式船舶结构实时在线长期安全监测评估系统，该监测评估系统主要用于船舶结构安全监测，将采集器以分布式形式布置于船舶的各个测量部位，对船舶结构典型部位和整体安全状态进行在线评估，也可扩展用于土木工程和海洋平台等大型结构的安全监测。

背景技术

随着社会发展和人们安全意识的增强，人们对安全生产越来越重视，人们希望及时掌控进行生产作业的大型承载机构的安全性能状况，使设备始终处于安全状态，避免事故的发生，例如避免船舶壳体破坏，桥梁垮塌，起重塔架过载折断等。

目前应用于船舶结构健康监测的分布式采集系统存在体积大、功耗大、不能远距离传输、配置不灵活、需单独供电、应变导线较长容易受干扰、不能长时间连续工作以及不具备在线结构安全评估功能等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统，用于测量船舶结构承载变化时结构受力变化情况，通过监测结构的应力应变情况来评估结构的健康状况，从而避免危险事故发生。

本发明的技术方案如下：

一种分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统，由结构监测传感器、CAN或RS485应变采集器、船用一体化加固计算机、船舶结构在线安全监测评估模块以及电源通信电缆组成；

所述结构监测传感器与CAN或RS485应变采集器连接，CAN或RS485应变采集器采集结构监测传感器输入的模拟信号；CAN或RS485应变采集器之间，以及CAN或RS485应变采集器与船用一体化加固计算机之间通过电源通信电缆相连接；船用一体化加固计算机内部的30V直流电源提供CAN或RS485应变采集器的工作电压；船用一体化加固计算机内部的CAN/RS485通信模块实现CAN或RS485应变采集器与船用一体化加固计算机之间的通信；船舶结构在线安全监测评估模块与船用一体化加固计算机连接，实现自动数据采集、分析、存储及结构评估功能。

其进一步的技术方案为：所述结构监测传感器包括电阻应变计、压力传感器以及加速度传感器。

其进一步的技术方案为：所述CAN或RS485应变采集器具有四个通道，具有全桥、半桥、1/4桥、三线制1/4桥形式，具有恒流源和恒压源两种桥源形式，功耗小于0.5w。

其进一步的技术方案为：所述船用一体化加固计算机内部具有CAN/RS485通信模块、30V直流稳压电源、显示器、小键盘，具有金属防震外壳。

其进一步的技术方案为：所述电源通信电缆线为5芯船用阻燃屏蔽电缆。

其进一步的技术方案为：所述结构监测传感器与CAN或RS485应变采集器之间的距离小于2m。

本发明的有益技术效果是：

本发明应用于实船安全监测，具有导线用量少、测量信号受干扰小、组网灵活、组网规模大、单电源供电、传输距离远、通信可靠性高、功耗低以及体积小等优点。能够实时长期在线监测船舶结构受力情况，并实时做出结构状态评估，一次安装可以连续使用数年，对保证船舶的安全使用以及维修、设计具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是船舶结构在线安全监测评估模块的结构框图。

图3是本发明的实施布置示意图。

图中：1—结构监测传感器，2—CAN或RS485应变采集器，3—船用一体化加固计算机，4—船舶结构在线安全监测评估模块，5—电源通信电缆，6—船体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本发明由结构监测传感器1、CAN或RS485应变采集器2，船用一体化加固计算机3、上位机的船舶结构在线安全监测评估模块4以及电源通信电缆5组成。

结构监测传感器1包括：电阻应变计、压力传感器、加速度传感器等，结构监测传感器1与CAN或RS485应变采集器2连接，将感知的模拟变化信号输入至CAN或RS485应变采集器2。

CAN或RS485应变采集器2是指以CAN或RS485总线作为通信方式的应变采集器，该应变采集器能够将结构监测传感器1输入的模拟量转化为数字量并经数字信号处理后经CAN或RS485总线以数字信号形式传输至船用一体化加固计算机3。每个CAN或RS485应变采集器2有四个通道，每个通道可以根据需要设置成全桥、半桥、1/4桥、三线制1/4桥等桥路形式，桥源模式可以选择恒压激励或恒流激励。功耗小于0.5w。CAN或RS485应变采集器2还可以根据监测系统网络规模大小进行通信波特率和采样频率设置。CAN或RS485应变采集器2同时具有功耗低、体积小、工作距离远等优点。

船用一体化计加固算机3是将计算机和液晶显示器集成为一体的加固计算机系统，核心模块是主板模块，内含CPU、存贮器、图形控制器、IDE控制器、以太网控制器以及PCI-TO-PCI桥等；同时，通过CPCI总线上配置CAN总线管理模块和异步通信模块，实现CAN总线通讯、异步通讯等功能。船用一体化计加固算机3内部具有供CAN或RS485应变采集器2正常工作使用的专用30V直流稳压电源，由船用一体化加固计算机3集中供电；外部附带方便用户交互操作的仪表化小键盘，共12个按键，实现使用人员与监测系统的人机交互，查看监测数据，并进行参数设置。还具有金属防震外壳。

船舶结构在线安全监测评估模块4安装在与船用一体化计加固算机3连接的上位机内，由用户管理模块、界面显示模块、传感器测点设置模块、采集控制模块、结构状态评估模块、数据管理模块、数据查询模块以及数据通信解析模块等组成，如图2所示。用户管理模块用于管理不同级别用户的信息和操作权限，针对不同的用户具有不同的操作界面，这样可以保证未经授权的用户不能登录管理员界面进行参数设置、历史数据查看等操作。界面显示模块用于实时显示各测点处的应变值及在一段时间内的结构应力应变趋势图，压力、加速度和各个统计量的结果显示，以及船舶结构典型部位和整体安全评估显示等。测点设置模块用于对船舶结构每个测点对应的采集器通道号进行设置，对各采集器通道的测量系数、测点位置及属性等进行设置，所有参数保存在数据库文件中。测点设置模块同时还具备修改、添加、删除测点等功能。采集控制模块具有手动启动采集功能和开机自动采集功能，为便于用户的操作，船用一体化加固计算机上电时，监测模块便直接进入数据采集状态，进行数据自动采集。结构状态评估模块具有船舶结构典型部位和船舶结构整体状态评估功能。数据管理模块具有对采集数据的存储、回放和数据统计等功能。查询模块具有客户界面下实时显示指定测点测量数据变化趋势和管理员界面下查询指定测点不同时段数据功能。数据通信解析模块用于实现CAN或RS485通信接口的打开、初始化、关闭，实现监测系统各种命令的发送，并将接收到的数据按照规定协议格式进行解析和判断，获取正确的测量数据。

实际使用时，按以下步骤进行实施：

（1）根据船舶结构监测任务对结构监测传感器1的种类和数量进行统计，即统计电阻应变计、压力传感器和加速度传感器的数量。一般情况下，电阻应变计传感器应用最多；而加速度传感器、压力传感器较少，分别为1～2个。

（2）根据结构监测传感器1的数量配置CAN或RS485应变采集器2的数量。每个CAN或RS485应变采集器2可连接4个结构监测传感器1，CAN或RS485应变采集器2就近布置于结构监测传感器1的附近，用于连接的导线长度小于2米。

（3）根据船舶结构监测任务确定结构监测传感器1和船用一体化加固计算机3的具体安装位置。

（4）确定电源通信电缆5的总长度，并制作电源通信连接电缆5。总长度根据相邻CAN或RS485应变采集器2之间的安装距离和数目确定，并留有20%的余量。电源通信电缆线5为一根5芯船用屏蔽阻燃电缆线，实现单线供电和通信传输。制作时根据每两个CAN或RS485应变采集器2之间的实际长度进行截取，电缆的第1、2芯用于电源供电，第3、4芯用于CAN或RS485通信，第5芯用作通信地线，相应地用5芯航空连接器作为连接头，实现每两个CAN或RS485应变采集器2之间、以及CAN或RS485应变采集器2与船用一体化加固计算机3之间的连接。

（5）结构监测传感器1的安装。根据结构监测传感器1的相应安装规程进行安装和保护。

（6）硬件系统安装。结构监测传感器1安装完成后，将CAN或RS485应变采集器2和船用一体化加固计算机3按照预计位置进行安装，并将结构监测传感器1分别连接于各个CAN或RS485应变采集器2的各个通道，用制作好的电源通信电缆5将各个CAN或RS485应变采集器2和船用一体化加固计算机3连接贯通为一个分布式网络结构，即以CAN或RS485应变采集器2为基本单元的分布式监测网络，如图3所示。

（7）船舶结构在线安全监测评估模块4的配置。根据结构监测传感器1的种类进行CAN或RS485应变采集器2的每个通道桥路和系数的设置，并建立结构监测传感器1和CAN或RS485应变采集器2通道之间的对应关系。

（8）系统综合联调。系统安装完成后，进行系统的整体联调，联调主要对以下几方面进行验证：

a）船用一体化加固计算机3、所有应变采集器2是否上电正常；

b）船舶结构实时在线安全监测评估模块4启动运行是否正常；

c）系统通信是否正常；

d）结构监测传感器1工作是否正常；

e）结构监测传感器1与应变采集器2的设置通道是否对应。

（9）执行监测任务。系统综合联调正常后，进入连续执行监测任务阶段。系统工作流程为：在执行监测任务过程中，CAN或RS485应变采集器2实时采集监测点处的船舶结构应力应变、加速度等信息，并按照规定的通信协议将数据经CAN或RS485总线网络传送给船用一体化加固计算机3，船用一体化加固计算机3接收各CAN或RS485应变采集器2上传的数据后对数据进行处理并存储，实时显示各监测点结构受力变化的趋势图，并由上位机的船舶结构在线安全监测评估模块4对船舶结构状态进行评估判断。安全状态的评估分为两种模式，分别是基于单个测点数据和多个测点数据的评估。基于单个测点数据的局部高应力的安全评估主要引入相应规范标准中的阈值进行处理，这类监测主要针对船体结构的典型部位和需要关注的应力集中区域。基于多个测点数据的整体结构安全评估结合船舶结构的力学分析从而合理的布置测点位置，通过对多个测点数据特征变化的分析，对结构随载荷历程和时间历程下的整体安全状态进行一定置信概率下的统计推断。系统设置自动预警功能，若评估结果在可接受安全范围内，则安全预警灯显示为绿色；反之，则预警灯显示为红色并闪烁，同时发出警报声以示提醒，警报发生前后的数据、时间等相关信息将会自动保存于数据库之中，以备查验。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统，其特征在于：由结构监测传感器（1）、CAN或RS485应变采集器（2）、船用一体化加固计算机（3）、船舶结构在线安全监测评估模块（4）以及电源通信电缆（5）组成；

所述结构监测传感器（1）与CAN或RS485应变采集器（2）连接，CAN或RS485应变采集器（2）采集结构监测传感器（1）输入的模拟信号；CAN或RS485应变采集器（2）之间，以及CAN或RS485应变采集器（2）与船用一体化加固计算机（3）之间通过电源通信电缆（5）相连接；船用一体化加固计算机（3）内部的30V直流电源提供CAN或RS485应变采集器（2）的工作电压；船用一体化加固计算机（3）内部的CAN/RS485通信模块实现CAN或RS485应变采集器（2）与船用一体化加固计算机（3）之间的通信；船舶结构在线安全监测评估模块（4）与船用一体化加固计算机（3）连接，实现自动数据采集、分析、存储及结构评估功能。

2.根据权利要求1所述分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统，其特征在于：所述结构监测传感器（1）包括电阻应变计、压力传感器以及加速度传感器。

3.根据权利要求1所述分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统，其特征在于：所述CAN或RS485应变采集器（2）具有四个通道，具有全桥、半桥、1/4桥、三线制1/4桥形式，具有恒流源和恒压源两种桥源形式，功耗小于0.5w。

4.根据权利要求1所述分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统，其特征在于：所述船用一体化加固计算机（3）内部具有CAN/RS485通信模块、30V直流稳压电源、显示器、小键盘，具有金属防震外壳。

5.根据权利要求1所述分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统，其特征在于：所述电源通信电缆线（5）为5芯船用阻燃屏蔽电缆。

6.根据权利要求1所述分布式船舶结构实时在线安全监测评估系统，其特征在于：所述结构监测传感器（1）与CAN或RS485应变采集器（2）之间的距离小于2m。