CN104215379A - 斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及码头安全监控技术领域，提供了一种斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统及方法，适用于人工操作的码头系泊，特别是不需要经常性的系解缆作业的斜坡式码头趸船的系泊缆绳载荷监测，其中所述系统包括：加速度传感器，固定设置在斜坡式码头趸船的系泊缆绳上，用于采集系泊缆绳的振动加速度信号；信号处理模块，采集加速度传感器的信号，处理后传输到服务器；以及服务器，接收信号处理模块发送的数据，计算获得缆绳载荷，并对比预设阈值发出预警信号。本发明不依赖快速脱缆钩进行缆绳载荷的测量，不需要针对码头系泊设备进行专业性改造，方便实用，具有良好的抗干扰能力，适用于目前国内绝大多数斜坡码头趸船缆绳，并能将对码头作业的影响降到最小。

Description

斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及码头安全监控技术领域，特别涉及一种系泊缆绳载荷监测预警系统及方法。

背景技术

斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷机理相当复杂，除了与风、浪、流等环境因素有关外，还与船舶吨位、船型、载重量、泊位水深、布缆方式、缆绳技术状况、趸船与靠泊船舶的相互作用等一系列因素有关。当缆绳载荷大于其破断力时就可能发生断缆事故，影响码头装卸作业，而且趸船一般无自航能力，一旦失控下漂将对下游码头、航行船舶、桥梁、大坝构成极大威胁，带来难以估计的生命财产损失。有必要对斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷进行实时监测和预警，以避免各种安全事故发生。

现有技术中，缆绳载荷监测原理是利用内嵌在快速脱缆钩里的载荷测量针进行测量，并把测得的数据转换成数字信号。但目前部分码头，特别是国内的码头，专业化程度不高，绝大对数的码头系泊尚处于人工操作阶段，特别是斜坡式码头趸船并不需要经常性的系解缆作业，并没有装备快速脱缆钩，现有技术并不适用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，适用于人工操作的码头系泊，特别是不需要经常性的系解缆作业的斜坡式码头趸船的系泊缆绳载荷监测。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，包括：

加速度传感器，固定设置在斜坡式码头趸船的系泊缆绳上，用于采集系泊缆绳的振动加速度信号；

信号处理模块，采集加速度传感器的信号，处理后传输到服务器；以及

服务器，接收信号处理模块发送的数据，计算获得缆绳载荷，并对比预设阈值发出预警信号。

进一步，所述信号处理模块包括：

信号调理电路，采集加速度传感器获得的信号，进行放大、滤波、平滑处理；

A/D转换电路，将经信号调理电路处理后的信号由模拟信号转换为数字信号；以及

无线通信模块，将A/D转换电路输出的数字信号发送到服务器。

进一步，所述信号调理电路包括依次电联接的放大衰减电路、隔离电路和滤波电路。

进一步，所述信号处理模块设置于信号箱中，所述信号箱设置于码头系泊缆绳系泊点一侧。

进一步，所述服务器包括

无线接收模块，接收信号处理模块发送的信号；

频谱分析模块，对无线接收模块接收的信号进行频谱分析，获得幅值谱；以及

缆绳载荷模块，通过系泊缆绳的振动基频获得缆绳载荷。

进一步，所述缆绳载荷模块将幅值谱上峰值最高点的频率作为主振频率f_n；从幅值谱上依次拾取峰值作为缆绳的自振频率F₁、F₂……F_m，以幅值谱上相邻两峰点之间的频率最小值作为基频，以主振频率f_n除以该基频值并取整作为主振频率的阶次n，如下式所示：

$f_n=\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right);$

$n=\mathrm{round}\left[\frac{\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right)}{\underset{2\≤i\≤m}{\min }(F_i-F_{i-1})}\right];$

缆绳载荷模块通过下式获得缆绳载荷T：

$T=\frac{4w{L}^2{f}_n^2}{n^{2}g}=K\frac{f_n^2}{n^2}$

式中：L为缆索的索长；w为单位长度索重；g为重力加速度；f_n为缆索的第n阶自振频率；n为振动阶次；K为预设修正系数。

进一步，还包括预警控制模块，所述预警控制模块根据缆绳载荷模块获得的缆绳载荷，超过预设阈值时发出预警信号。

本发明还提供一种斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警方法，包括如下步骤：

1）采集系泊缆绳的振动加速度信号；

2）将步骤1）采集的信号调理后发送到服务器；

3）服务器对接收的信号进行频谱分析，获得幅值谱；

4）服务器对幅值谱进行分析计算，获得缆绳载荷。

进一步，所述步骤4）具体包括如下步骤：

41）将幅值谱上峰值最高点的频率作为主振频率f_n；从幅值谱上依次拾取峰值作为缆绳的自振频率F₁、F₂……F_m，以幅值谱上相邻两峰点之间的频率最小值作为基频，以主振频率f_n除以该基频值并取整作为主振频率的阶次n，如下式所示：

$f_n=\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right);$

$n=\mathrm{round}\left[\frac{\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right)}{\underset{2\≤i\≤m}{\min }(F_i-F_{i-1})}\right];$

42）通过下式获得缆绳载荷T：

$T=\frac{4w{L}^2{f}_n^2}{n^{2}g}=K\frac{f_n^2}{n^2}$

式中：L为缆索的索长；w为单位长度索重；g为重力加速度；f_n为缆索的第n阶自振频率；n为振动阶次；K为预设修正系数。

进一步，所述步骤4）之后还包括如下步骤：

5）将获得的各系泊缆绳的缆绳载荷数据保存于数据库中，并显示在显示器上；

6）当缆绳载荷超过预设阈值时发出预警信号。

本发明的斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统及方法具有如下优点：

1、基于振动频率检测，不依赖快速脱缆钩进行缆绳载荷的测量，不需要针对码头系泊设备进行专业性改造，方便实用，适用于目前国内绝大多数斜坡码头趸船缆绳。

2、斜坡式码头地形复杂且缆绳布置分散，采用无线方式传输数据，避免了错综复杂的通信线路布置，节约安装费用，并将对码头作业的影响降到最小。

3、通过信号调理电路对通过加速度传感器实时获得的振动加速度响应模拟信号进行了放大、滤波、平滑处理，有效抑制了外环境造成的噪声，提高了缆绳载荷监测预警系统的抗干扰能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统布置结构示意图；

图2为本发明斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1、2所示：斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，包括：加速度传感器、信号处理模块和服务器。

其中：

所述加速度传感器固定设置在斜坡式码头趸船的系泊缆绳上，用于采集系泊缆绳的振动加速度信号。

信号处理模块设置于信号箱中，所述信号箱设置于码头系泊缆绳系泊点一侧。所述信号处理模块用于采集加速度传感器的信号，处理后传输到服务器；所述信号处理模块具体包括信号调理电路、A/D转换电路和无线通信模块。

所述信号调理电路用于采集加速度传感器获得的信号，进行放大、滤波、平滑处理。具体包括依次电联接的放大衰减电路、隔离电路和滤波电路，由于加速度传感器获取的响应模拟信号的幅度比较小，所以通过放大衰减电路的放大器将其幅度进行放大，提高了测量精度；然后对放大的振动加速度响应时程信号通过隔离电路进行电气隔离，可有效的抑制信号箱不合适的接地；再对电气隔离后的模拟信号进行滤波、平滑处理，可有效地抑制白噪音。

所述A/D转换电路用于将经信号调理电路处理后的信号由模拟信号转换为数字信号。

所述无线通信模块，将A/D转换电路输出的数字信号发送到服务器。

所述服务器接收信号处理模块发送的数据，计算获得缆绳载荷。所述服务器具体包括无线接收模块、频谱分析模块、缆绳载荷模块和预警控制模块。

所述无线接收模块，接收信号处理模块发送的信号。

所述频谱分析模块，对无线接收模块接收的信号进行频谱分析，获得幅值谱。

所述缆绳载荷模块，通过系泊缆绳的振动基频获得缆绳载荷。

具体的：所述缆绳载荷模块将幅值谱上峰值最高点的频率作为主振频率f_n；从幅值谱上依次拾取峰值作为缆绳的自振频率F₁、F₂……F_m，以幅值谱上相邻两峰点之间的频率最小值作为基频，以主振频率f_n除以该基频值并取整作为主振频率的阶次n，如下式所示：

$f_n=\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right);$

$n=\mathrm{round}\left[\frac{\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right)}{\underset{2\≤i\≤m}{\min }(F_i-F_{i-1})}\right];$

缆绳载荷模块通过下式获得缆绳载荷T：

$T=\frac{4w{L}^2{f}_n^2}{n^{2}g}=K\frac{f_n^2}{n^2}$

式中：L为缆索的索长；w为单位长度索重；g为重力加速度；f_n为缆索的第n阶自振频率；n为振动阶次；K为预设修正系数。

所述预警控制模块根据缆绳载荷模块获得的缆绳载荷，超过预设阈值时发出预警信号。

本发明还提供一种斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警方法，包括如下步骤：

1）采集系泊缆绳的振动加速度信号；

2）将步骤1）采集的信号调理后发送到服务器；

3）服务器对接收的信号进行频谱分析，获得幅值谱；

频谱分析的主要方法是“快速傅立叶变换（fast Fourier transform；FFT）”，其原理为：任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。可将时程信号（加速度随时间变化）转换为幅值谱（横坐标为频率，纵坐标为幅值）。

4）服务器对幅值谱进行分析计算，获得缆绳载荷。具体包括如下步骤：

41）基频即结构的一阶自振频率f₁，按照弦振动理论，各阶次自振频率应该是基频的整数倍，即f₁=f_n/n。快速傅立叶变换后得到的幅值谱上会有多个峰值点出现，每个峰值点代表缆绳的一个自振频率，其中峰值最高点的频率称为主振频率。如果缆绳的各阶次自振频率均出现在幅值谱上，那么每两个相邻自振频率的间距应与基频相等，但实际上缆绳振动时某些阶次的振动信号会很微弱，而在幅值谱上看不到，造成两峰值点之间的距离不相等。因此，将幅值谱上峰值最高点的频率作为主振频率f_n，以幅值谱上相邻两峰点之间的频率最小值作为基频，以主振频率f_n除以该基频值并取整作为主振频率的阶次n，从幅值谱上依次拾取峰值作为缆绳的自振频率F₁、F₂……F_m，，如下式所示：

$f_n=\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right);$

$n=\mathrm{round}\left[\frac{\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right)}{\underset{2\≤i\≤m}{\min }(F_i-F_{i-1})}\right];$

42）通过下式获得缆绳载荷T：

$T=\frac{4w{L}^2{f}_n^2}{n^{2}g}=K\frac{f_n^2}{n^2}$

式中：L为缆索的索长；w为单位长度索重；g为重力加速度；f_n为缆索的第n阶自振频率；n为振动阶次；K为预设修正系数，用以修正缆绳抗弯刚度、垂度、长度、两端约束条件、环境温度、加速度传感器附加质量、环境阻尼等因素的影响。

5）将获得的各系泊缆绳的缆绳载荷数据保存于数据库中，并显示在服务器的显示器上；

6）当缆绳载荷超过预设阈值时发出预警信号，可包括声、光警告，在服务器的显示器上用警示色显示对应缆绳编号及其载荷，通知相关人员采取应急措施。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，其特征在于：包括：

加速度传感器，固定设置在斜坡式码头趸船的系泊缆绳上，用于采集系泊缆绳的振动加速度信号；

信号处理模块，采集加速度传感器的信号，处理后传输到服务器；以及

服务器，接收信号处理模块发送的数据，计算获得缆绳载荷，并对比预设阈值发出预警信号。

2.如权利要求1所述的斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，其特征在于：所述信号处理模块包括：

信号调理电路，采集加速度传感器获得的信号，进行放大、滤波、平滑处理；

A/D转换电路，将经信号调理电路处理后的信号由模拟信号转换为数字信号；以及

无线通信模块，将A/D转换电路输出的数字信号发送到服务器。

3.如权利要求2所述的斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，其特征在于：所述信号调理电路包括依次电联接的放大衰减电路、隔离电路和滤波电路。

4.如权利要求2所述的斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，其特征在于：所述信号处理模块设置于信号箱中，所述信号箱设置于码头系泊缆绳系泊点一侧。

5.如权利要求1-4中任一项所述的斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，其特征在于：所述服务器包括

无线接收模块，接收信号处理模块发送的信号；

频谱分析模块，对无线接收模块接收的信号进行频谱分析，获得幅值谱；以及

缆绳载荷模块，通过对幅值谱进行分析，获得系泊缆绳的载荷。

6.如权利要求5所述的斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，其特征在于：所述缆绳载荷模块将幅值谱上峰值最高点的频率作为主振频率f_n；从幅值谱上依次拾取峰值作为缆绳的自振频率F₁、F₂……F_m，以幅值谱上相邻两峰点之间的频率最小值作为基频，以主振频率f_n除以该基频值并取整作为主振频率的阶次n，如下式所示：

$f_n=\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right);$

$n=\mathrm{round}\left[\frac{\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right)}{\underset{2\≤i\≤m}{\min }(F_i-F_{i-1})}\right];$

缆绳载荷模块通过下式获得缆绳载荷T：

$T=\frac{4w{L}^2{f}_n^2}{n^{2}g}=K\frac{f_n^2}{n^2}$

式中：L为缆索的索长；w为单位长度索重；g为重力加速度；f_n为缆索的第n阶自振频率；n为振动阶次；K为预设修正系数。

7.如权利要求5所述的斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警系统，其特征在于：还包括预警控制模块，所述预警控制模块根据缆绳载荷模块获得的缆绳载荷，超过预设阈值时发出预警信号。

8.斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）采集系泊缆绳的振动加速度信号；

2）将步骤1）采集的信号调理后发送到服务器；

3）服务器对接收的信号进行频谱分析，获得幅值谱；

4）服务器对幅值谱进行分析计算，获得缆绳载荷。

9.如权利要求8所述的斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警方法，其特征在于：所述步骤4）具体包括如下步骤：

41）将幅值谱上峰值最高点的频率作为主振频率f_n；从幅值谱上依次拾取峰值作为缆绳的自振频率F₁、F₂……F_m，以幅值谱上相邻两峰点之间的频率最小值作为基频，以主振频率f_n除以该基频值并取整作为主振频率的阶次n，如下式所示：

$f_n=\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right);$

$n=\mathrm{round}\left[\frac{\underset{1\≤i\≤m}{\max }\left(F_i\right)}{\underset{2\≤i\≤m}{\min }(F_i-F_{i-1})}\right];$

42）通过下式获得缆绳载荷T：

$T=\frac{4w{L}^2{f}_n^2}{n^{2}g}=K\frac{f_n^2}{n^2};$

式中：L为缆索的索长；w为单位长度索重；g为重力加速度；f_n为缆索的第n阶自振频率；n为振动阶次；K为预设修正系数。

10.如权利要求8或9所述的斜坡式码头趸船系泊缆绳载荷监测预警方法，其特征在于：所述步骤4）之后还包括如下步骤：

5）将获得的各系泊缆绳的缆绳载荷数据保存于数据库中，并显示在显示器上；

6）当缆绳载荷超过预设阈值时发出预警信号。