CN114313148A - 一种船体结构状态长期监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于船舶安全监测技术领域，具体涉及一种船体结构状态长期监测系统。本发明通过船体总纵应力测试单元实时测量船体结构的变形量；通过船体振动测试单元监测船艏加速度，测试船体振动数据；通过船体运动测试单元测试船体总体横摇以及纵摇角度数据；通过船体局部应力测试单元实时监测船体危险位置的应力应变信息；通过主控中心计算得到作用于船体结构每个所需舱位横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向，并与提前设定的阈值进行比较，若处于危险应力状态则通过报警单元进行预警。本发明具有结构简单、安装方便、测量准确和无温漂等优点，适用于长期监测集装箱船装载、卸载以及航运过程中结构的变形及应力状态。
Description
技术领域
本发明属于船舶安全监测技术领域，具体涉及一种船体结构状态长期监测系统。
背景技术
当前为了保证船舶的结构和航行安全，国内外航运界对船体结构安全监测存在如下需求：
1)船舶在装载或卸载时可能会出现不均匀性，将导致船体结构处于危险状态，需要对装载或卸载时的结构载荷进行监测。
2)船舶在波浪中航行时，需要实时监测船体梁所经历的波浪载荷。
3)许多服役到期的舰船，如果基于实船载荷数据对剩余疲劳寿命进行评估，以确定船舶延寿方案，需要长期存储船体结构的载荷数据的支持。
4)许多服役一段时间的船舶，由于结构疲劳及腐蚀等因素作用，将导致船体强度下降，需要实时监测船体结构载荷，评估其结构剩余强度。
通过实时监测船舶装载、航行以及刚度降低(船体结构因种种原因发生腐蚀，造成船体抗弯、抗扭刚度降低)时的结构应力状态，从而评估船体梁的安全状态，对危险应力状态或者即将达到的危险应力状态进行预警。再通过分析船体梁应力的历史数据，计算船体梁的剩余疲劳寿命，为船舶延寿提供数据支持。因此开发出一套适合船体结构状态长期监测系统是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船体结构状态长期监测系统。
一种船体结构状态长期监测系统，包括船体总纵应力测试单元、船体振动测试单元、船体运动测试单元、船体局部应力测试单元、数据采集单元及交换单元、供电单元、危险状态报警单元、主控中心、数据存储单元；
所述船体总纵应力测试单元包括长基线应变仪；若船体为大开口类型船，则长基线应变仪安装在船中主甲板左舷及右舷、船中下甲板左舷及右舷，船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷；若船体为非大开口类型船，则长基线应变仪安装在船中主甲板左舷及右舷、船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷；所述长基线应变仪实时测量船体结构的变形量，计算船体总纵应力水平；
所述船体振动测试单元包括安装在船艏的振动传感器，用于监测船艏加速度并进行加速度峰值统计，实现上浪砰击计数，获取船体振动数据；
所述船体运动测试单元包括安装于船体重心处的姿态传感器，用于测试船体总体横摇以及纵摇角度数据；
所述船体局部应力测试单元包括含安装于船体结构薄弱点的单向表面应变计以及应变采集模块，用实时监测船体危险位置的应力应变信息；
所述数据采集及交换单元对船体结构所有监测位置的变形量信息进行实时采集，并实时发送给主控中心；所述供电单元为整个船体结构状态长期监测系统供电；所述主控中心对采集到的变形信息进行实时处理，得到所需的船舱区域结构变形量，并计算得到作用于船舱中部横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向，并将数据实时存储于数据存储单元；所述主控中心将船舱中部横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向与提前设定的阈值进行比较，若处于危险应力状态则通过危险状态报警单元进行预警。
进一步地，还包括监测控制单元；所述监测控制单元在系统运行过程中控制各单元的数据采集及传输并对监测数据实时滤波，滤波通过滤波器进行，可以进行高通、低通以及带通时域滤波，截止频率通过系统进行设定，滤波器被设计成具有40dB的阻带衰减。
进一步地，所述船体局部应力测试单元中的单向表面应变计按照0°、45°、90°或0°、135°、90°方向布置，形成三向应变计，采用惠斯通电桥结构保证测量结果的高精度；所述惠斯通电桥将阻值变化信息转化为电压变化信息，并采用桥式放大器放大电信号。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种船体结构状态长期监测系统，包括船体总纵应力测试单元、船体振动测试单元、船体运动测试单元、船体局部应力测试单元、数据采集单元及交换单元、供电单元、危险状态报警单元、主控中心、数据存储单元；船体总纵应力测试单元用于实时测量船体结构的变形量，并将测试数据数字化；船体振动测试单元监测船艏加速度，测试船体振动数据；船体运动测试单元用于测试船体总体横摇以及纵摇角度数据；船体局部应力测试单元实时监测船体危险位置的应力应变信息。数据采集及交换单元对船体结构所有监测位置的变形量信息进行实时采集，并实时发送给主控中心。主控中心对采集到的变形信息进行实时处理，得到所需的船舱区域结构变形量，计算得到作用于船体结构每个所需舱位横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向，并与提前设定的阈值进行比较，若处于危险应力状态则通过报警单元进行预警。本发明具有结构简单、安装方便、测量准确和无温漂等优点，适用于长期监测集装箱船装载、卸载以及航运过程中结构的变形及应力状态。
附图说明
图1为本发明中一种船体结构状态长期监测系统的总体框架图。
图2为本发明中一种船体结构状态长期监测系统的整体构成图。
图3为大开口船的船体总纵应力测试单元的布置示意图。
图4为非大开口船的船体总纵应力测试单元的布置示意图。
图5为本发明中船体总纵应力测试单元的构成原理图。
图6为本发明中船体振动测试单元的构成原理图。
图7为本发明中船体运动测试单元的构成原理图。
图8为本发明中船体局部应力测试单元的原理图。
图9为本发明的数据采集单元及交换单元中通信协议转换原理图。
图10为本发明中一种船体结构状态长期监测系统的功能原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的目的是研究一种船体应力监测与评估系统，可以实现对船舶在装载、卸载、航运过程中进行结构强度监测与实时评估，并评定船舶的在役状态。
一种船体结构状态长期监测系统，包括船体总纵应力测试单元、船体振动测试单元、船体运动测试单元、船体局部应力测试单元、数据采集单元及交换单元、供电单元、危险状态报警单元、主控中心、数据存储单元；
所述船体总纵应力测试单元包括长基线应变仪；若船体为大开口类型船，则长基线应变仪安装在船中主甲板左舷及右舷、船中下甲板左舷及右舷，船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷；若船体为非大开口类型船，则长基线应变仪安装在船中主甲板左舷及右舷、船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷；所述长基线应变仪实时测量船体结构的变形量，计算船体总纵应力水平；
所述船体振动测试单元包括安装在船艏的振动传感器，用于监测船艏加速度并进行加速度峰值统计，实现上浪砰击计数，获取船体振动数据；
所述船体运动测试单元包括安装于船体重心处的姿态传感器，用于测试船体总体横摇以及纵摇角度数据；
所述船体局部应力测试单元包括含安装于船体结构薄弱点的单向表面应变计以及应变采集模块，用实时监测船体危险位置的应力应变信息；
所述数据采集及交换单元对船体结构所有监测位置的变形量信息进行实时采集，并实时发送给主控中心；所述供电单元为整个船体结构状态长期监测系统供电；所述主控中心对采集到的变形信息进行实时处理，得到所需的船舱区域结构变形量，并计算得到作用于船舱中部横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向，并将数据实时存储于数据存储单元；所述主控中心将船舱中部横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向与提前设定的阈值进行比较，若处于危险应力状态则通过危险状态报警单元进行预警。
实施例1：
结合图1，船体结构状态监测系统包括安装于特定剖面的船体总纵应力测试单元、船体振动测试单元、船体运动测试单元以及船体局部应力测试单元，安装于驾驶甲板的数据采集单元及交换单元、供电单元、危险状态报警单元、主控中心、数据存储单元以及监测控制单元。其中船体总纵应力测试单元由安装于特定剖面的长基线应变仪组成，用于实时测量船体结构的变形量，并将测试数据数字化。船体振动测试单元主要元件为安装船艏的振动传感器，监测船艏加速度，测试船体振动数据。船体运动测试单元主要元件为安装于船体重心处的姿态传感器，用于测试船体总体横摇以及纵摇角度数据。船体局部应力测试单元主要元件包含安装于船体结构薄弱点的单向表面应变计以及应变采集模块，实时监测船体危险位置的应力应变信息。数据采集及交换单元对船体结构所有监测位置的变形量信息进行实时采集，将之转化成RS-485串口数据，并实时发送给主控中心。主控中心对采集到的变形信息进行实时处理，得到所需的船舱区域结构变形量，并按照一定的算法得到作用于船体结构每个所需舱位横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向，这些数据实时存储于数据存储单元，这些数据的存储是永久性的。然后把每个船舱横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向绘制成折线图并在显示单元中显示，监测得到的船舱中部横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向与提前设定的阈值进行比较，若处于危险应力状态则通过报警单元进行预警。报警单元包含视觉报警与听觉报警。本发明具有结构简单、安装方便、测量准确和无温漂等优点，适用于长期监测集装箱船装载、卸载以及航运过程中结构的变形及应力状态。
本发明还包括这样一些特征：
1.所述的总纵应力测试单元的长基线应变仪是采用LVDT技术设计的一种位移传感器，包含LVDT传感器、执行机构以及信号调理装置，其安装标距为2米或1.5米，通过测试标距长度内的平均位移，计算船体总纵应力水平；船型不同长基线应变仪安装位置不同，大开口类型船选取6个监测位置，分别为船中主甲板左舷及右舷、船中下甲板左舷及右舷，船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷；非大开口类型船选取4个监测位置，分别为船中主甲板左舷及右舷、船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷。
2.所述的船体振动测试单元由振动传感器，主控芯片，RS485电平转换芯片组成。选用数字输出的振动传感器，主控芯片负责接收传感器输出的测量结果数据，再转换为RS485串行信号输出。最少在船艏安装一个船体振动测试单元，其作用是通过测试船艏加速度并进行加速度峰值统计，实现上浪砰击计数；也可根据船东要求，在其它船体结构位置安装所述振动测试单元，测试其振动数据。
3.所述的船体运动测试单元和结构振动测量单元类似，由姿态传感器，主控芯片，RS485电平转换芯片组成。将选用数字输出的姿态传感器将所述测姿态传感器安装于船体重心处，测试船体总体横摇以及纵摇角度数据并输出给主控芯片，负责接收传感器输出的测量结果数据，转换为RS485串行信号输出。
4.所述的船体局部应力测试单元包含单向表面应变计以及应变采集模块，测点在船体结构强度计算报告中的结构薄弱点中选取，还可将3只封装好单向表面应变计按照0°、45°(135°)、90°方向布置，形成三向应变计，采用惠斯通电桥结构保证测量结果的高精度。惠斯通电桥将阻值变化信息转化为电压变化信息，即电信号，该电信号比较微弱，电压幅值较小，容易受到噪声干扰，故采用桥式放大器放大电信号。惠斯通电桥由四个电阻组成的四分之一桥式电路，通过输出两端电压的变化，实现了阻值变化信息到电压变化信息的转变。考虑到系统低功耗、低噪声以及高准确度要求，本系统选取桥式放大器，它功耗极低，消耗电流仅为0.9mA；噪声极低，1kHz频点处噪声仅为7.5nV/√Hz；准确度高，非线性度小于10ppm。
5.所述的数据采集及交换单元对船体结构所有监测位置的变形量信息进行实时采集，每个测量终端负责对一种物理量的采集，并统一使用RS485通信协议上传数据给通信协议转换机。通信协议转换机负责为与其连接的测量终端供电，同时实现将后者的RS485通信协议转换为网络协议(TCP\IP)，并保证每个测量终端拥有唯一的网络IP地址。多个通信协议转换机再通过网络交换机与主控计算机连接，实时把监测数据发送给主控中心。
6.所述供电单元5其中转换机的电源输入、输出端和信号输入、输出端都设置有电气保护电路。通信协议转换机与测量终端将采用标准船用电缆，保证数据传输的可靠性。
7.所述的报警单元安装于驾驶舱或控制中心，接收数据交换及供电单元所给予的报警或报警取消信号，接到报警信号后可进行声光报警。
8.所述主控中心以主控计算机作为服务器，含有触摸屏模块，用于控制装置各项功能操作和结果显示，主控中心对采集到的变形信息进行实时处理，得到所需的船舱区域结构变形量，并按照一定的算法得到作用于船体结构每个所需舱位横剖面总纵弯矩等监测信息，并且可以设置指令主对系统进行控制。
9.所述监测控制单元安装于驾驶舱或控制中心，在系统运行过程中控制各单元的数据采集及传输并对监测数据实时滤波，且对监测数据实时统计计算并显示。所述滤波通过数字滤波器进行，可以进行高通、低通以及带通时域滤波，截止频率可以通过系统进行设定，滤波器被设计成具有40dB的阻带衰减。
10.所述数据存储单元含有SD卡模块，负责存储数据，本系统选择SD卡，支持高密度持续写入，写入速度可达30MB/s，系统数据连续存储容量能够储存超过12个月的测试数据，支持一次连续监测时间大于1个月。
11.所述的主控中心以主控计算机作为服务器，含有触摸屏模块，用于控制装置各项功能操作和结果显示，主控中心对采集到的变形信息进行实时处理，执行如下操作：
a.为每个所选择的船体监测参数(主要包括总纵应力、局部应力、振动加速度、总体横摇、纵摇以及船体载荷)计算下列统计参数：最大值、最小值、平均值、标准偏差、偏度、峭度、平均跨零周期；
b.所述船体载荷，通过权利要求2所述的长基线应变仪实时监测的应力数据，首先进行应力应变分解计算，然后进行船体梁弯矩和扭矩计算，最后计算某一船体剖面的：总纵弯矩、横向弯矩、扭矩；
c.应力监测点的：第一主应力、第三强度理论等效应力、第四强度理论等效应力；
d.船艏部位的：垂向加速度、横向加速度；
e.船体运动的：横摇角速度、纵摇角速度；
结合图2，给出了系统中各部分的层次连接关系，系统由主控计算机、网络交换机、通信协议转换机和测量终端四级结构组成。系统采用星型网络连接结构实现局域网，主控计算机作为服务器，测量终端作为客户端。每个测量终端负责对一种物理量的采集，并统一使用RS485通信协议上传数据给通信协议转换机。通信协议转换机负责为与其连接的测量终端供电，同时实现将后者的RS485通信协议转换为网络协议(TCP\IP)，并保证每个测量终端拥有唯一的网络IP地址。多个通信协议转换机再通过网络交换机与主控计算机连接。以上连接方式保证了系统具有非常好的可扩展性。当测量种类和点位比较少时，系统可缩减到主控计算机、通信协议转换机和测量终端三级结构。
结合图3，大开口船中长基线应变仪1安装在船中主甲板左舷及右舷、船中下甲板左舷及右舷，船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷六处位置，振动传感器2安装在船艏位置，姿态传感器3安装于船体重心处，单向表面应变计安装在船体结构强度计算报告中的结构薄弱点，传感器的监测数据传输给各自连接的主控芯片，再转换为RS485串行信号输出。对于非大开口船，结合图4长基线应变仪1分别安装在船中主甲板左舷及右舷、船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷四处位置，振动传感器2，姿态传感器3，单向表面应变计安装位置与大开口船相同。结合图3，信号采集、转换单元、报警单元等安装于驾驶舱或控制中心。
结合图5，船体总纵应力测试单元的构成原理是这样的，采用高精度传感器激励信号发生器主控芯片负责调控，通过LVDT传感器进行对变形信息实时采集，采集数据由输出信号调理器传输至A\D转换器，并由RS485电平转换芯片将信号转换为RS485串行信号输出。结合图6，船体振动测试单元将选用数字输出的振动传感器，由主控芯片负责接收传感器输出的测量结果数据，再转换为RS485串行信号输出。结合图7，和船体振动测试单元终端类似，船体运动测试单元将选用数字输出的姿态传感器，传感器会给出纵横摇测量结果数据。结合图8，船体局部应力测试单元通过惠斯通电桥将布置在各危险位置的应变片采集的电阻变化信息转化为电信号，再对信号进行放大滤波及模数隔离及转换，使数据更加精确，之后信号由RS485电平转换芯片转换为RS485串行信号输出。上述几个测量终端都将由DC-DC稳压器进行供电及保护。
结合图9，通信协议转换机的原理是这样的，由各测试单元传递过来的RS485串行信号由转换机内置的多路RS485串信号接收器接收并将信号传输至主控芯片，信号再由多路(TCP\IP)网络信号发送器发送至控制中心进行数据处理，这样就可以保证每个测量终端拥有唯一的网络IP地址。同时设备由AC-DC转化器为系统供电，有保险丝保护电路以及电源滤波器来减小干扰。
结合图10，本系统的监测功能是这样实现的，长基线应变仪等数据采集单元对船体结构监测点进行实时监测，采集到的信号经过采集、转换传递至主控中心。在主控中心的数据处理模块对采集到的数据进行应变分解及应力计算，监测数据分解计算得到所需要的各种宏观及微观力学数据，如总纵弯矩、横向弯矩、双力矩、扭矩、第一主应力、第三强度理论等效应力和第四强度理论等效应力。通过这些力学数据评估船体的强度状态，这就要求确定这些力学数据的上限，即阈值，采用以下三种方法确定阈值：
(1)直接采用设计值
(2)按船级社规范计算船体力学参数的极限
(3)完全采用理论分析确定阈值
当这些力学数据超过阈值即船体结构强度处于危险状态时通过报警单元进行视觉与听觉报警。所有监测信息及数据分析结果可以以表格或者绘制为折线图的样式在显示单元进行显示，数据保存在储存单元，用于评估船体剩余疲劳寿命以及查看船舶航行记录。
本发明提供一种用于船体结构状态长期监测系统，包含测试单元、数据采集单元及处理单元、供电单元、危险状态报警单元、主控中心、数据存储单元以及监测控制单元。测试单元又分为船体总纵应力测试单元、船体振动测试单元、船体运动测试单元以及船体局部应力测试单元实时采集船体变形、应变应力以及运动信息。其中船体总纵应力测试单元使用的长基线应变仪是采用LVDT技术设计的一种位移传感器，用于实时测量船体结构的变形量；船体振动测试单元使用安装于船艏的振动传感器，监测船艏加速度，测试船体振动数据；船体运动测试单元使用安装于船体重心处的姿态传感器，监测船体总体横摇以及纵摇角度数据；船体局部应力测试单元采用安装于船体结构薄弱点的单向表面应变计以及应变采集模块，实时监测船体危险位置的应力应变信息。测试单元将采集的信号统一转换为RS485串行信号输出至信号采集、转换单元，并通过将RS485通信协议转换为网络协议(TCP\IP)输出至主控中心。主控中心可通过监测控制单元对监测数据实时滤波，最后对处理过的数据按一定的算法进行数据处理，这些数据实时存储于数据存储单元，这些数据的存储是永久性的。然后把每个货舱横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向绘制成折线图并在显示单元中显示，通过提前设定的阈值与船体状态实时监测的结果比对，对船体结构强度进行实时监测，达到危险时由危险报警单元发出警报。供电单元采用标准船用电缆，保证数据传输的可靠性，并设置有电气保护电路保障安全。
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 (3)
1.一种船体结构状态长期监测系统，其特征在于：包括船体总纵应力测试单元、船体振动测试单元、船体运动测试单元、船体局部应力测试单元、数据采集单元及交换单元、供电单元、危险状态报警单元、主控中心、数据存储单元；
所述船体总纵应力测试单元包括长基线应变仪；若船体为大开口类型船，则长基线应变仪安装在船中主甲板左舷及右舷、船中下甲板左舷及右舷，船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷；若船体为非大开口类型船，则长基线应变仪安装在船中主甲板左舷及右舷、船长1/4处主甲板左舷或右舷、船长3/4处主甲板左舷或右舷；所述长基线应变仪实时测量船体结构的变形量，计算船体总纵应力水平；
所述船体振动测试单元包括安装在船艏的振动传感器，用于监测船艏加速度并进行加速度峰值统计，实现上浪砰击计数，获取船体振动数据；
所述船体运动测试单元包括安装于船体重心处的姿态传感器，用于测试船体总体横摇以及纵摇角度数据；
所述船体局部应力测试单元包括含安装于船体结构薄弱点的单向表面应变计以及应变采集模块，用实时监测船体危险位置的应力应变信息；
所述数据采集及交换单元对船体结构所有监测位置的变形量信息进行实时采集，并实时发送给主控中心；所述供电单元为整个船体结构状态长期监测系统供电；所述主控中心对采集到的变形信息进行实时处理，得到所需的船舱区域结构变形量，并计算得到作用于船舱中部横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向，并将数据实时存储于数据存储单元；所述主控中心将船舱中部横剖面的总纵弯矩、横向弯矩、双力矩以及扭矩的大小和方向与提前设定的阈值进行比较，若处于危险应力状态则通过危险状态报警单元进行预警。
2.根据权利要求1所述的一种船体结构状态长期监测系统，其特征在于：还包括监测控制单元；所述监测控制单元在系统运行过程中控制各单元的数据采集及传输并对监测数据实时滤波，滤波通过滤波器进行，可以进行高通、低通以及带通时域滤波，截止频率通过系统进行设定，滤波器被设计成具有40dB的阻带衰减。
3.根据权利要求1所述的一种船体结构状态长期监测系统，其特征在于：所述船体局部应力测试单元中的单向表面应变计按照0°、45°、90°或0°、135°、90°方向布置，形成三向应变计，采用惠斯通电桥结构保证测量结果的高精度；所述惠斯通电桥将阻值变化信息转化为电压变化信息，并采用桥式放大器放大电信号。
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