CN111695198B - 船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，包括浮式系船柱应变实时监测系统、信号箱、接收存储服务器和终端服务器；浮式系船柱应变实时监测系统实时监测浮式系船柱柱身由于船舶系缆力作用所产生的应变数据信息；信号箱设置在船闸浮式系船柱顶部；接收存储服务器接收信号箱的无线传输模块输出的数字应变信号，并将该数字应变信号转化成应变幅值谱数据信息后储存；终端服务器内设置有数据处理与分析模块、浮式系船柱受荷安全评估模块和浮式系船柱预警控制模块；本发明既能有效评估船舶过闸通航安全状态，又能实现对过闸通航船舶的全覆盖监测，适用于目前国内大部分通航船闸。

Description

船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体涉及船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统。
背景技术
船闸浮式系船柱受荷机理相当复杂，除了与闸室内的水流条件有关以外，还与船舶吨位、船型、载重量、船舶初始停靠速度、闸门的启闭、缆绳系缆状况等一系列因素有关。当浮式系船柱受超载外力作用而发生变形或断裂时可能导致缆绳脱钩，进而引起闸室内船舶侧翻等安全事故。同时浮式系船柱由于滑轮变形或导槽锈蚀等导致其不能随水位升降而卡死或不能受力，就有可能造成吊船或拉船入水，或者崩断钢缆、损坏浮式系船柱并造成船员伤亡或船体损伤等事故。
现有技术中，一般通过安装在船舶缆绳上的缆绳载荷监测系统进行系缆安全评估。实际情况中，在同样大小的系缆力下，不同的系泊高度、不同的系缆角度对浮式系船柱的作用并不相同，单一的系缆力数值大小仅能描述缆绳所受张力的情况，无法完全反映系缆力对浮式系船柱结构受力状态的影响，不能有效地评估船舶过闸通航安全状态；同时这类监测技术对于通航枢纽管理单位来说不具有主动性，难以覆盖监测所有通航船舶。
因此，十分有必要开发一套以浮式系船柱为主体的船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，既能有效避免各种安全事故的发生，又能全面覆盖监测所有通航船舶。
发明内容
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，包括浮式系船柱应变实时监测系统、信号箱、接收存储服务器和终端服务器。
所述浮式系船柱应变实时监测系统固定在船闸浮式系船柱表面。所述浮式系船柱应变实时监测系统实时监测浮式系船柱柱身由于船舶系缆力作用所产生的应变数据信息。
所述信号箱设置在船闸浮式系船柱顶部。所述信号箱内设置有数据调理模块和无线传输模块。
所述数据调理模块收集浮式系船柱应变实时监测系统监测到的应变数据信息，并将该应变数据信息转换成数字应变信号。
所述无线传输模块接收数据调理模块的数字应变信号，并将该数字应变信号输出至接收存储服务器。
所述接收存储服务器接收无线传输模块输出的数字应变信号，并将该数字应变信号转化成应变幅值谱数据信息后储存。
所述终端服务器内设置有数据处理与分析模块、浮式系船柱受荷安全评估模块和浮式系船柱预警控制模块。
所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器内的应变幅值谱数据信息，并计算该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱柱身所受的系缆力F，并输出至浮式系船柱受荷安全评估模块。
所述浮式系船柱受荷安全评估模块将该浮式系船柱柱身所受的系缆力F与对比预设阈值σ进行比较。若F≥σ，所述浮式系船柱受荷安全评估模块将该系缆力F评估为危险信号，并输出至浮式系船柱预警控制模块。
所述浮式系船柱预警控制模块根据浮式系船柱受荷安全评估模块的评估结果发出预警信号。
进一步，所述接收存储服务器包括无线接收模块、频谱分析模块和数据存储模块。
所述无线接收模块接收无线传输模块发送的数字应变信号。所述频谱分析模块对无线接收模块接收的数字应变信号进行频谱分析，获得应变幅值谱。所述数据存储模块将频谱分析模块处理后的应变幅值谱数据信息进行储存。
进一步，所述数据处理与分析模块中搭载有数据库和浮式系船柱受荷响应模型。
所述数据库中存储有用于反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息。
所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器的应变幅值谱数据信息与数据库进行数据信息匹配。
若该应变幅值谱数据信息与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息能够匹配，则数据处理与分析模块直接输出该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱柱身所受的系缆力F。
若该应变幅值谱数据信息与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息不能匹配，则将该应变幅值谱数据信息传输至浮式系船柱受荷响应模型。
所述浮式系船柱受荷响应模型接收不能与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息匹配的应变幅值谱数据信息，计算确定该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱柱身所受的系缆力F。
进一步，所述浮式系船柱受荷响应模型将计算得到的应变幅值谱数据信息下的浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者之间的特性关系传输到数据库中并存储。
进一步，所述浮式系船柱受荷响应模型包括浮式系船柱力学理论模型。所述浮式系船柱力学理论模型是基于浮式系船柱实际受力情况经简化后推导建立。所述浮式系船柱受荷响应模型是基于浮式系船柱力学理论模型并通过采用浮式系船柱室内物理模型试验的实测值以及浮式系船柱有限元模型的数值模拟分析结果经修正后建立得到。
所述浮式系船柱应变实时监测系统的主要构件为应变计。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明公开的船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，不依赖于传统的缆绳监测技术，通过监测船闸浮式系船柱应变实时反映浮式系船柱受力状态，既能有效评估船舶过闸通航安全状态，又能实现对过闸通航船舶的全覆盖监测，适用于目前国内大部分通航船闸，原理简单，使用方便。
附图说明
图1为本发明船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统工作原理图；
图2为本发明数据处理与分析模块工作原理图；
图3为本发明浮式系船柱受荷响应模型原理图；
图4为本发明船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统结构示意图；
图5为本发明浮式系船柱应变实时监测系统和信号箱布置示意图1；
图6为本发明浮式系船柱应变实时监测系统和信号箱布置示意图2；
图7为图6的I-I向剖视图。
图中：浮式系船柱应变实时监测系统1、信号箱2、接收存储服务器3、终端服务器4和浮式系船柱5。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开一种船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，参见图1和图4，包括浮式系船柱应变实时监测系统1、信号箱2、接收存储服务器3和终端服务器4。
参见图6，所述浮式系船柱应变实时监测系统1主要构件为应变计，应变计固定在船闸浮式系船柱5的柱表面上。所述浮式系船柱应变实时监测系统1的应变计实时监测浮式系船柱5柱身由于船舶系缆力作用所产生的应变数据信息，应变计测量原理为：当浮式系船柱5柱身的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出浮式系船柱5柱身的应变量。
参见图7，所述信号箱2固定在船闸浮式系船柱5顶部。所述信号箱2内布置有数据调理模块和无线传输模块。
所述数据调理模块收集浮式系船柱应变实时监测系统1监测到的应变数据信息。所述数据调理模块对应变数据信息依次进行放大、滤波、平滑处理后，将应变数据信息从模拟应变信号转换成数字应变信号。
所述无线传输模块接收数据调理模块的数字应变信号，并将该数字应变信号输出至接收存储服务器3。
所述接收存储服务器3接收无线传输模块输出的数字应变信号，并将该数字应变信号转化成应变幅值谱数据信息后储存。所述接收存储服务器3包括无线接收模块、频谱分析模块和数据存储模块。所述无线接收模块接收无线传输模块发送的浮式系船柱柱身数字应变信号。所述频谱分析模块对无线接收模块接收的浮式系船柱柱身数字应变信号进行频谱分析，获得应变幅值谱。所述数据存储模块将频谱分析模块处理后的应变幅值谱数据信息进行储存。
所述终端服务器4内设置有数据处理与分析模块、浮式系船柱受荷安全评估模块和浮式系船柱预警控制模块。
参见图2和图3，所述数据处理与分析模块中搭载有数据库和浮式系船柱受荷响应模型。
所述数据库中存储有用于反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息。
所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器3的应变幅值谱数据信息与数据库进行数据信息匹配。
若该应变幅值谱数据信息与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息能够匹配，则数据处理与分析模块直接输出该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱5柱身所受的系缆力F。
若该应变幅值谱数据信息与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息不能匹配，则将该应变幅值谱数据信息传输至浮式系船柱受荷响应模型。
浮式系船柱受荷响应模型的核心主体为浮式系船柱力学理论模型。浮式系船柱力学理论模型是基于浮式系船柱实际受力情况经简化后推导建立。浮式系船柱受荷响应模型是基于浮式系船柱力学理论模型并通过采用浮式系船柱室内物理模型试验的实测值以及浮式系船柱有限元模型的数值模拟分析结果经修正后建立得到。浮式系船柱受荷响应模型用于确定船闸浮式系船柱柱身应变与船舶缆绳系缆力的定量换算关系。
所述浮式系船柱受荷响应模型接收不能与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息匹配的应变幅值谱数据信息，计算确定该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱5柱身所受的系缆力F，并得到该应变幅值谱数据信息下的浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者之间的特性关系。
所述浮式系船柱受荷响应模型将计算得到的应变幅值谱数据信息下的浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者之间的特性关系传输到数据库中并存储。即所述用于反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据库是通过浮式系船柱受荷响应模型计算得到的应变幅值谱数据信息下的浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者之间的特性关系所建立，并由其不断补充完善。该数据库用于构建浮式系船柱应变幅值谱数据信息的快速处理通道。
所述浮式系船柱受荷安全评估模块将该浮式系船柱5柱身所受的系缆力F与对比预设阈值σ进行比较，评估浮式系船柱的安全性。若F≥σ，所述浮式系船柱受荷安全评估模块将该系缆力F评估为危险信号，并输出至浮式系船柱预警控制模块。
所述浮式系船柱预警控制模块根据浮式系船柱受荷安全评估模块的评估结果适时发出预警信号。
本实施例公开的船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，不依赖于传统的缆绳监测技术，通过监测船闸浮式系船柱应变实时反映浮式系船柱受力状态，既能有效评估船舶过闸通航安全状态，又能实现对过闸通航船舶的全覆盖监测，适用于目前国内大部分通航船闸，原理简单，使用方便。
实施例2：
本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，参见图1和图4，包括浮式系船柱应变实时监测系统1、信号箱2、接收存储服务器3和终端服务器4。
参见图6，所述浮式系船柱应变实时监测系统1主要构件为应变计，应变计固定在船闸浮式系船柱5的柱表面上。所述浮式系船柱应变实时监测系统1的应变计实时监测浮式系船柱5柱身由于船舶系缆力作用所产生的应变数据信息，应变计测量原理为：当浮式系船柱5柱身的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出浮式系船柱5柱身的应变量。
参见图7，所述信号箱2固定在船闸浮式系船柱5顶部。所述信号箱2内布置有数据调理模块和无线传输模块。
所述数据调理模块收集浮式系船柱应变实时监测系统1监测到的应变数据信息。所述数据调理模块对应变数据信息依次进行放大、滤波、平滑处理后，将应变数据信息从模拟应变信号转换成数字应变信号。
所述无线传输模块接收数据调理模块的数字应变信号，并将该数字应变信号输出至接收存储服务器3。
所述接收存储服务器3接收无线传输模块输出的数字应变信号，并将该数字应变信号转化成应变幅值谱数据信息后储存。
所述终端服务器4内设置有数据处理与分析模块、浮式系船柱受荷安全评估模块和浮式系船柱预警控制模块。
所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器3内的应变幅值谱数据信息，并计算确定该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱5柱身所受的系缆力F，并输出至浮式系船柱受荷安全评估模块。
所述浮式系船柱受荷安全评估模块将该浮式系船柱5柱身所受的系缆力F与对比预设阈值σ进行比较，评估浮式系船柱的安全性。若F≥σ，所述浮式系船柱受荷安全评估模块将该系缆力F评估为危险信号，并输出至浮式系船柱预警控制模块。
所述浮式系船柱预警控制模块根据浮式系船柱受荷安全评估模块的评估结果适时发出预警信号。
本实施例公开的船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，不依赖于传统的缆绳监测技术，通过监测船闸浮式系船柱应变实时反映浮式系船柱受力状态，既能有效评估船舶过闸通航安全状态，又能实现对过闸通航船舶的全覆盖监测，适用于目前国内大部分通航船闸，原理简单，使用方便。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述接收存储服务器3包括无线接收模块、频谱分析模块和数据存储模块。
所述无线接收模块接收无线传输模块发送的浮式系船柱柱身数字应变信号。所述频谱分析模块对无线接收模块接收的浮式系船柱柱身数字应变信号进行频谱分析，获得应变幅值谱。所述数据存储模块将频谱分析模块处理后的应变幅值谱数据信息进行储存。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，参见图2和图3，所述数据处理与分析模块中搭载有数据库和浮式系船柱受荷响应模型。
所述数据库中存储有用于反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息。
所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器3的应变幅值谱数据信息与数据库进行数据信息匹配。
若该应变幅值谱数据信息与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息能够匹配，则数据处理与分析模块直接输出该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱5柱身所受的系缆力F。
若该应变幅值谱数据信息与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息不能匹配，则将该应变幅值谱数据信息传输至浮式系船柱受荷响应模型。
所述浮式系船柱受荷响应模型接收不能与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息匹配的应变幅值谱数据信息，计算确定该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱5柱身所受的系缆力F，并得到该应变幅值谱数据信息下的浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者之间的特性关系。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例4，进一步，所述浮式系船柱受荷响应模型将计算得到的应变幅值谱数据信息下的浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者之间的特性关系通过数据处理与分析模块传输到数据库中并存储。即所述用于反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据库是通过浮式系船柱受荷响应模型计算得到的应变幅值谱数据信息下的浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者之间的特性关系所建立，并由其不断补充完善。该数据库用于构建浮式系船柱应变幅值谱数据信息的快速处理通道。
实施例6：
本实施例主要结构同实施例4，进一步，浮式系船柱受荷响应模型的核心主体为浮式系船柱力学理论模型。浮式系船柱力学理论模型是基于浮式系船柱实际受力情况经简化后推导建立。浮式系船柱受荷响应模型是基于浮式系船柱力学理论模型并通过采用浮式系船柱室内物理模型试验的实测值以及浮式系船柱有限元模型的数值模拟分析结果经修正后建立得到。浮式系船柱受荷响应模型用于确定船闸浮式系船柱柱身应变与船舶缆绳系缆力的定量换算关系。

Claims (5)

1.船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，其特征在于：包括浮式系船柱应变实时监测系统(1)、信号箱(2)、接收存储服务器(3)和终端服务器(4)；
所述浮式系船柱应变实时监测系统(1)固定在船闸浮式系船柱(5)的柱表面上；所述浮式系船柱应变实时监测系统(1)实时监测浮式系船柱(5)柱身由于船舶系缆力作用所产生的应变数据信息；
所述信号箱(2)设置在浮式系船柱(5)顶部；所述信号箱(2)内设置有数据调理模块和无线传输模块；
所述数据调理模块收集浮式系船柱应变实时监测系统(1)监测到的应变数据信息，并将该应变数据信息转换成数字应变信号；
所述无线传输模块接收数据调理模块的数字应变信号，并将该数字应变信号输出至接收存储服务器(3)；
所述接收存储服务器(3)接收无线传输模块输出的数字应变信号，并将该数字应变信号转化成应变幅值谱数据信息后储存；
所述终端服务器(4)内设置有数据处理与分析模块、浮式系船柱受荷安全评估模块和浮式系船柱预警控制模块；
所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器(3)内的应变幅值谱数据信息，并计算该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱(5)柱身所受的系缆力F，并输出至浮式系船柱受荷安全评估模块；所述数据处理与分析模块中搭载有数据库和浮式系船柱受荷响应模型；
所述数据库中存储有用于反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息；
所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器(3)的应变幅值谱数据信息与数据库进行数据信息匹配；
若该应变幅值谱数据信息与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息能够匹配，则数据处理与分析模块直接输出该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱(5)柱身所受的系缆力F；
若该应变幅值谱数据信息与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息不能匹配，则将该应变幅值谱数据信息传输至浮式系船柱受荷响应模型；
所述浮式系船柱受荷响应模型接收不能与数据库中存储的反映浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者特性关系的数据信息匹配的应变幅值谱数据信息，计算确定该应变幅值谱数据信息所对应的浮式系船柱(5)柱身所受的系缆力F；
所述浮式系船柱受荷安全评估模块将该浮式系船柱(5)柱身所受的系缆力F与对比预设阈值σ进行比较；若F≥σ，所述浮式系船柱受荷安全评估模块将该系缆力F评估为危险信号，并输出至浮式系船柱预警控制模块；
所述浮式系船柱预警控制模块根据浮式系船柱受荷安全评估模块的评估结果发出预警信号。
2.根据权利要求1所述的船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，其特征在于：所述接收存储服务器(3)包括无线接收模块、频谱分析模块和数据存储模块；
所述无线接收模块接收无线传输模块发送的数字应变信号；所述频谱分析模块对无线接收模块接收的数字应变信号进行频谱分析，获得应变幅值谱；所述数据存储模块将频谱分析模块处理后的应变幅值谱数据信息进行储存。
3.根据权利要求2所述的船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，其特征在于：所述浮式系船柱受荷响应模型将计算得到的应变幅值谱数据信息下的浮式系船柱柱身应变-船舶缆绳系缆力二者之间的特性关系通过数据处理与分析模块传输到数据库中并存储。
4.根据权利要求3所述的船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，其特征在于：所述浮式系船柱受荷响应模型包括浮式系船柱力学理论模型；所述浮式系船柱力学理论模型是基于浮式系船柱(5)实际受力情况经简化后推导建立；所述浮式系船柱受荷响应模型是基于浮式系船柱力学理论模型并通过采用浮式系船柱室内物理模型试验的实测值以及浮式系船柱有限元模型的数值模拟分析结果经修正后建立得到。
5.根据权利要求1所述的船闸浮式系船柱受力特征自动化感知及预警系统，其特征在于：所述浮式系船柱应变实时监测系统(1)的主要构件为应变计。
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