CN114216599B - 一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船体结构应力监测技术领域，具体涉及一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法。本发明通过船舶监测结构的结构分析，获得与各种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数；通过由传感器获取的应力数据，获得在实际外部载荷的作用下监测点间的应力关系系数；然后，结合由传感器数据获得的监测点间的应力关系系数、与各种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数，即可判断船舶监测结构实际遭受的外部载荷，实现了对船舶监测结构实际遭受外部载荷的准确、快速识别。

Description

一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法

技术领域

本发明属于船体结构应力监测技术领域，具体涉及一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法。

背景技术

在船体结构应力监测中，通过采用在监测点位置布置传感器的方式，实现了对船舶结构进行健康监测的目的，但这仅能获得监测点位置的应力状态；而若想得到船舶监测结构更多位置的应力状态，就需要相应地增加传感器的布置数量。而布置的传感器数量过多，会带来许多问题，如：不利于经济性的要求；数据量成倍地增加，会给监测系统的数据处理带来很大困难等。因此，这就造成了目前的结构监测方法很难获得船舶监测结构整体应力状态的问题。事实上，由于船上人员作业、传感器的安装工艺和走线、选定的监测点位置结构复杂等因素的制约，会造成传感器的实际安装位置不在事先选定的监测点位置的情况；同时，对于在实际海洋环境中营运的船舶，我们也无法确定事先选定的监测点位置是否一直是结构的最危险位置，而这将会给船体结构的安全性带来很大的隐患。若能通过布置有限数量的传感器，根据由其获得的监测数据得到船舶监测结构的整体应力状态，就可以很好地解决上述问题。而结构实际遭受外部载荷的准确、快速识别，是船舶监测结构整体应力状态快速获取的关键，应该给予足够的重视和研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法。

一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法，包括以下步骤：

步骤1：根据船舶监测结构可能遭受两种形式外部载荷F_s1、F_s2作用的情况，确定在船舶监测结构上布置两个监测点；

步骤2：对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型；然后，分别对该离散模型施加上述两种形式外部载荷的单位载荷F_s10、F_s20，完成船舶监测结构的结构分析；结合船舶监测结构的结构分析结果，初步选定船舶监测结构的两个监测点位置r1、r2；

步骤3：获取与两种形式外部载荷F_s1、F_s2对应的各监测点位置的单位应力数据σ′_r1(F_s10)、σ′_r1(F_s20)、σ′_r2(F_s10)、σ′_r2(F_s20)；计算与两种形式外部载荷F_s1、F_s2应的监测点间的应力关系系数

步骤4：若则重新选择两个监测点位置r1、r2，返回步骤3；若/>则确定选定的两个监测点位置r1、r2即为船舶监测结构最终的两个监测点位置；

步骤5：获取布置在监测点位置r1、r2的传感器在遭受实际外部载荷的作用下的应力数据σ′_r1(F_s)、σ′_r2(F_s)，计算船舶监测结构的监测点间的应力关系系数k₁₂；

步骤6：若存在则表明船舶监测结构此时仅遭受了外部载荷F_s1的作用，外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1为：/>i＝1或2；船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s1的数值大小为：F_s1＝k_s1·F_s10；此时，由布置在监测点位置r1的传感器获得的应力数据σ′_r1(F_s)即为与船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s1对应的监测点位置的应力数据σ′_r1(F_sj)；

若存在则表明船舶监测结构此时仅遭受了外部载荷F_s2的作用，外部载荷F_s2的应力放大系数k_s2为：/>i＝1或2；船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s2的数值大小为：F_s2＝k_s2·F_s20；此时，由布置在监测点位置r2的传感器获得的应力数据σ′_r2(F_s)即为与船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s2对应的监测点位置的应力数据σ′_r2(F_sj)；

步骤7：若k₁₂的大小介于与/>之间，则说明船舶监测结构遭受了两种形式外部载荷F_s1、F_s2的组合作用；此时，通过求解下列方程，计算得到外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1、外部载荷F_s2的应力放大系数k_s2；

在分别获得了外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1、外部载荷F_s2的应力放大系数k_s2后，依次计算外部载荷F_s1、F_s2的数值大小：F_s1＝k_s1·F_s10、F_s2＝k_s2·F_s20；此时，由传感器获得的、与外部载荷F_s1、F_s2对应的监测点r1、r2位置的应力数据σ′_r1(F_sj)、σ′_r2(F_sj)为：

σ′_r1(F_sj)＝k_sj·σ′_r1(F_sj0)

σ′_r2(F_sj)＝k_sj·σ′_r2(F_sj0)。

本发明的有益效果在于：

本发明通过船舶监测结构的结构分析，获得与各种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数；通过由传感器获取的应力数据，获得在实际外部载荷的作用下监测点间的应力关系系数；然后，结合由传感器数据获得的监测点间的应力关系系数、与各种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数，即可判断船舶监测结构实际遭受的外部载荷，实现了对船舶监测结构实际遭受外部载荷的准确、快速识别。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

在现有的船体结构应力监测中，仅能获得结构在传感器布置位置的应力状态，而无法知晓船舶监测结构的整体应力状态。事实上，由于部分现实因素的制约，会造成传感器的实际安装位置不在事先选定的监测点位置的情况；同时，对于在实际海洋环境中营运的船舶，我们也无法确定事先选定的监测点位置是否一直是船舶监测结构的最危险位置。若出现监测点位置并非船舶监测结构最危险位置的情况，就会给船舶的安全性带来很大的隐患。事实上，若能通过由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，得到船舶监测结构的整体应力状态，就可以很好地解决上述问题。而结构实际遭受外部载荷的准确、快速识别，是船舶监测结构整体应力状态快速获取的关键，应该给予足够的重视和研究。

基于此，本发明提出了一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法，具体流程见图1。该方法通过由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，实现了对船舶监测结构实际遭受外部载荷形式的准确、快速识别，进而为实现船舶监测结构整体应力状态的快速获取提供了有力支撑。

针对船舶监测结构实际遭受外部载荷的识别研究，本发明采用了这样的研究思路：首先，在分析了结构可能遭受的外部载荷形式不超过两种后，确定在船舶监测结构上布置相应数量的监测点。其次，对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型；分别对该离散模型施加上述两种形式外部载荷的单位载荷，由船舶监测结构的监测点优化布置方法确定两个监测点的具体位置，并获得与这两种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数。然后，结合由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，对应地计算得到在遭受实际外部载荷的作用下，监测点间的应力关系系数。最后，结合已获得的上述监测点间的应力关系系数，由一种形式外部载荷单独作用对应的载荷识别方法、两种形式外部载荷组合作用对应的载荷识别方法，具体判断船舶监测结构实际遭受的外部载荷作用情况。

首先，根据船舶监测结构可能遭受两种形式外部载荷作用的情况，确定在结构上布置两个监测点。其次，对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型；分别对该离散模型施加上述两种形式外部载荷的单位载荷，完成船舶监测结构的结构分析。然后，结合上述结构分析结果，初步选定船舶监测结构的两个监测点的位置，并获得与每种形式外部载荷对应的各监测点位置的单位应力数据。之后，由已获得的上述各单位应力数据，分别计算得到与上述两种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数，并判断二者之间是否存在恒等关系；若有恒等关系的存在，则需要重新确定监测点位置，直至获得满足要求的两个监测点位置。再后，结合由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，对应地计算得到在遭受实际外部载荷的作用下，船舶监测结构的监测点间的应力关系系数。最后，结合由传感器数据获得的监测点间的应力关系系数、与各种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数，判断船舶监测结构实际遭受的外部载荷作用情况。

本发明的原理如下：

1)船舶监测结构的监测点优化布置方法

由于船舶监测结构可能遭受两种形式外部载荷F_s1、F_s2的作用，进而需要相应地在船舶监测结构上布置两个监测点。首先，分别对船舶监测结构施加上述两种形式外部载荷的单位载荷F_s10、F_s20，结合结构分析结果，初步选定两个监测点位置r1、r2，并获得与每种形式外部载荷对应的各监测点位置的单位应力数据σ′_r1(F_s10)、σ′_r1(F_s20)、σ′_r2(F_s10)、σ′_r2(F_s20)。

然后，由公式(1a)、(1b)分别计算得到与上述两种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数

最后，结合已获得的监测点间的应力关系系数判断是否存在这样的关系：/>若没有这样的恒等关系存在，则确定初步选定的监测点位置为最终的监测点位置；若有这样的恒等关系存在，则应考虑更换监测点的位置，并重复上述过程，直至获得满足要求的两个监测点位置r1、r2，以避免出现无法判断船舶监测结构实际遭受的外部载荷的情况。

2)一种形式外部载荷单独作用对应的载荷识别方法

结合由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据σ′_r1(F_s)、σ′_r2(F_s)，首先获得监测点r1与监测点r2间的应力关系系数k₁₂：

然后，判断k₁₂与间的关系：若存在/>则表明船舶监测结构此时仅遭受了外部载荷F_s1的作用；从而，由公式(3a)可对应地计算得到外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1。同样地，若存在/>则表明船舶监测结构此时仅遭受了外部载荷F_s2的作用，由公式(3b)可对应地计算得到其应力放大系数k_s2。

之后，由公式(4a)或(4b)可相应地计算得到船舶监测结构实际遭受的某种形式外部载荷的大小。

F_s1＝k_s1·F_s10 (4a)

F_s2＝k_s2·F_s20 (4b)

此时，由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据σ′_r1(F_s)、σ′_r2(F_s)，即为与船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_sj(j＝1或2)对应的监测点位置的应力数据σ′_r1(F_sj)、σ′_r2(F_sj)。

3)两种形式外部载荷组合作用对应的载荷识别方法

假定有若存在/>则说明船舶监测结构遭受了两种形式外部载荷的组合作用。此时，通过求解下列方程，可计算得到对应形式外部载荷的应力放大系数k_s1、k_s2。

在分别获得了与船舶监测结构实际遭受的两种形式外部载荷F_sj(j＝1、2)对应的应力放大系数k_sj(j＝1，2)后，同样可由公式(4a)、(4b)依次计算得到外部载荷F_s1、F_s2的实际大小；进而，由公式(6a)、(6b)可依次计算得到由传感器获得的、与外部载荷F_sj(j＝1，2)对应的监测点r1、r2位置的应力数据σ′_r1(F_sj)、σ′_r2(F_sj)。

σ′_r1(F_sj)＝k_sj·σ′_r1(F_sj0) (6a)

σ′_r2(F_sj)＝k_sj·σ′_r2(F_sj0) (6b)

本发明的具体方法如下：

1)根据船舶监测结构可能遭受两种形式外部载荷F_s1、F_s2作用的情况，确定在船舶监测结构上布置两个监测点。

2)对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型；然后，分别对该离散模型施加上述两种形式外部载荷的单位载荷F_s10、F_s20，完成船舶监测结构的结构分析。

3)结合船舶监测结构的结构分析结果，初步选定船舶监测结构的两个监测点位置r1、r2，并获得与每种形式外部载荷对应的各监测点位置的单位应力数据σ′_r1(F_s10)、σ′_r1(F_s20)、σ′_r2(F_s10)、σ′_r2(F_s20)。

4)由已获得的上述各单位应力数据σ′_r1(F_s10)、σ′_r1(F_s20)、σ′_r2(F_s10)、σ′_r2(F_s20)，由公式(1a)、公式(1b)分别计算得到与上述两种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数 并判断二者之间是否存在恒等关系。

5)结合4)中监测点间的应力关系系数的判断结果，若有则需要重新确定监测点位置，并重复上述3)、4)的过程，直至获得满足要求的船舶监测结构的两个监测点位置；若有/>则可确定初步选定的监测点位置即为船舶监测结构的两个监测点位置。

6)结合由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据σ′_r1(F_s)、σ′_r2(F_s)，由公式(2)对应地计算得到在遭受实际外部载荷的作用下，船舶监测结构的监测点间的应力关系系数k₁₂。

7)结合由传感器数据获得的监测点间的应力关系系数k_s12、与各种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数由一种形式外部载荷单独作用对应的载荷识别方法、两种形式外部载荷组合作用对应的载荷识别方法，具体判断船舶监测结构实际遭受的外部载荷作用情况。

8)若判定船舶监测结构仅遭受了一种形式外部载荷的单独作用，则由公式(3a)或(3b)给出对应形式外部载荷的应力放大系数k_s1或k_s2；由公式(4a)或(4b)给出作用于船舶监测结构上的外部载荷实际数值的大小。此时，由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据σ′_r1(F_s)、σ′_r2(F_s)，即为与船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_sj(j＝1或2)对应的监测点位置的应力数据σ′_r1(F_sj)、σ′_r2(F_sj)。

9)若判定船舶监测结构同时遭受了两种形式外部载荷的组合作用，则通过求解方程(5)给出对应形式外部载荷的应力放大系数k_s1、k_s2；由公式(4a)、(4b)给出作用于船舶监测结构上的外部载荷实际数值的大小F_s1、F_s2；由公式(6a)、(6b)给出由传感器获得的、与外部载荷F_sj(j＝1,2)对应的监测点位置r1、r2的应力数据σ′_r1(F_sj)、σ′_r2(F_sj)。

本发明给出了一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法，通过分析船舶监测结构可能遭受的外部载荷形式，并据此确定监测点的布置数量；进而，结合由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，识别给出船舶监测结构实际遭受的外部载荷形式。其具体特点如下：

1)该方法能实现对船舶监测结构实际遭受外部载荷的准确、快速识别。该方法具体通过船舶监测结构的监测点优化布置方法、一种形式外部载荷单独作用对应的载荷识别方法、两种形式外部载荷组合作用对应的载荷识别方法，实现了对船舶监测结构实际遭受外部载荷的准确、快速识别。

2)该方法简便易行，实用性强。该方法主要通过船舶监测结构的结构分析，获得与各种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数；通过由传感器获取的应力数据，获得在实际外部载荷的作用下监测点间的应力关系系数；然后，结合由传感器数据获得的监测点间的应力关系系数、与各种形式外部载荷对应的监测点间的应力关系系数，即可判断船舶监测结构实际遭受的外部载荷。

3)该方法有助于船舶监测结构整体应力状态的获取。结构实际遭受外部载荷的准确、快速识别，是船舶监测结构整体应力状态获取的关键。因而，在由本发明中的方法准确识别出了船舶监测结构实际遭受的外部载荷后，结合相关船舶监测结构整体应力状态的快速获取方法，即可快速地获得船舶监测结构的整体应力状态。

进一步限定，本发明方法对于船舶监测结构可能遭受的外部载荷形式最多为两种的情况具有很好的适用性，而当船舶监测结构可能遭受的外部载荷形式超过两种时，应考虑采用其它船舶监测结构的载荷识别方法。

进一步限定，对于初步选定的两个监测点，应分别对应于在两种形式外部载荷的单位载荷作用下，船舶监测结构的结构应力最大的位置。若与这两种形式外部载荷对应的结构应力最大位置重合，则应考虑适当更换与其中某种形式外部载荷对应的监测点位置。

进一步限定，在需要更换初步选定的监测点位置时，应按照与相应形式外部载荷对应的结构应力由大到小的顺序进行，以保证选取的监测点位置具有较好的代表性。

进一步限定，若判断出船舶监测结构仅遭受了某种形式的外部载荷的单独作用，则应采用由与该种形式外部载荷对应的监测点获得的应力数据进行后续研究，而删除由另一个监测点获得的应力数据，以解决出现的数据冗余问题。

进一步限定，若在监测点位置布置了三向传感器，则对于专利中所涉及的各监测点间的应力关系系数的获取，应是基于合成应力进行的。

实施例1：

一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法，包括以下步骤：

步骤1：根据船舶监测结构可能遭受两种形式外部载荷F_s1、F_s2作用的情况，确定在船舶监测结构上布置两个监测点；

步骤2：对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型；然后，分别对该离散模型施加上述两种形式外部载荷的单位载荷F_s10、F_s20，完成船舶监测结构的结构分析；结合船舶监测结构的结构分析结果，初步选定船舶监测结构的两个监测点位置r1、r2；

步骤3：获取与两种形式外部载荷F_s1、F_s2对应的各监测点位置的单位应力数据σ′_r1(F_s10)、σ′_r1(F_s20)、σ′_r2(F_s10)、σ′_r2(F_s20)；计算与两种形式外部载荷F_s1、F_s2应的监测点间的应力关系系数

步骤4：若则重新选择两个监测点位置r1、r2，返回步骤3；若/>则确定选定的两个监测点位置r1、r2即为船舶监测结构最终的两个监测点位置；

步骤5：获取布置在监测点位置r1、r2的传感器在遭受实际外部载荷的作用下的应力数据σ′_r1(F_s)、σ′_r2(F_s)，计算船舶监测结构的监测点间的应力关系系数k₁₂；

步骤6：若存在则表明船舶监测结构此时仅遭受了外部载荷F_s1的作用，外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1为：/>i＝1或2；船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s1的数值大小为：F_s1＝k_s1·F_s10；此时，由布置在监测点位置r1的传感器获得的应力数据σ′_r1(F_s)即为与船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s1对应的监测点位置的应力数据σ′_r1(F_sj)；

若存在则表明船舶监测结构此时仅遭受了外部载荷F_s2的作用，外部载荷F_s2的应力放大系数k_s2为：/>i＝1或2；船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s2的数值大小为：F_s2＝k_s2·F_s20；此时，由布置在监测点位置r2的传感器获得的应力数据σ′_r2(F_s)即为与船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s2对应的监测点位置的应力数据σ′_r2(F_sj)；

步骤7：若k₁₂的大小介于与/>之间，则说明船舶监测结构遭受了两种形式外部载荷F_s1、F_s2的组合作用；此时，通过求解下列方程，计算得到外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1、外部载荷F_s2的应力放大系数k_s2；

在分别获得了外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1、外部载荷F_s2的应力放大系数k_s2后，依次计算外部载荷F_s1、F_s2的数值大小：F_s1＝k_s1·F_s10、F_s2＝k_s2·F_s20；此时，由传感器获得的、与外部载荷F_s1、F_s2对应的监测点r1、r2位置的应力数据σ′_r1(F_sj)、σ′_r2(F_sj)为：

σ′_r1(F_sj)＝k_sj·σ′_r1(F_sj0)

σ′_r2(F_sj)＝k_sj·σ′_r2(F_sj0)。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于传感器数据分析的船舶监测结构载荷识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据船舶监测结构可能遭受两种形式外部载荷F_s1、F_s2作用的情况，确定在船舶监测结构上布置两个监测点；

步骤2：对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型；然后，分别对该离散模型施加上述两种形式外部载荷的单位载荷F_s10、F_s20，完成船舶监测结构的结构分析；结合船舶监测结构的结构分析结果，初步选定船舶监测结构的两个监测点位置r1、r2；

步骤3：获取与两种形式外部载荷F_s1、F_s2对应的各监测点位置的单位应力数据σ′_r1(F_s10)、σ′_r1(F_s20)、σ′_r2(F_s10)、σ′_r2(F_s20)；计算与两种形式外部载荷F_s1、F_s2应的监测点间的应力关系系数

步骤4：若则重新选择两个监测点位置r1、r2，返回步骤3；若/>则确定选定的两个监测点位置r1、r2即为船舶监测结构最终的两个监测点位置；

步骤5：获取布置在监测点位置r1、r2的传感器在遭受实际外部载荷的作用下的应力数据σ′_r1(F_s)、σ′_r2(F_s)，计算船舶监测结构的监测点间的应力关系系数k₁₂；

步骤6：若存在则表明船舶监测结构此时仅遭受了外部载荷F_s1的作用，外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1为：/>i＝1或2；船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s1的数值大小为：F_s1＝k_s1·F_s10；此时，由布置在监测点位置r1的传感器获得的应力数据σ′_r1(F_s)即为与船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s1对应的监测点位置的应力数据σ′_r1(F_sj)；

若存在则表明船舶监测结构此时仅遭受了外部载荷F_s2的作用，外部载荷F_s2的应力放大系数k_s2为：/>i＝1或2；船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s2的数值大小为：F_s2＝k_s2·F_s20；此时，由布置在监测点位置r2的传感器获得的应力数据σ′_r2(F_s)即为与船舶监测结构实际遭受的外部载荷F_s2对应的监测点位置的应力数据σ′_r2(F_sj)；

步骤7：若k₁₂的大小介于与/>之间，则说明船舶监测结构遭受了两种形式外部载荷F_s1、F_s2的组合作用；此时，通过求解下列方程，计算得到外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1、外部载荷F_s2的应力放大系数k_s2；

在分别获得了外部载荷F_s1的应力放大系数k_s1、外部载荷F_s2的应力放大系数k_s2后，依次计算外部载荷F_s1、F_s2的数值大小：F_s1＝k_s1·F_s10、F_s2＝k_s2·F_s20；此时，由传感器获得的、与外部载荷F_s1、F_s2对应的监测点r1、r2位置的应力数据σ′_r1(F_sj)、σ′_r2(F_sj)为：

σ′_r1(F_sj)＝k_sj·σ′_r1(F_sj0)

σ′_r2(F_sj)＝k_sj·σ′_r2(F_sj0)。