CN114705342A - 趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统及方法，包括用于实时监测趸船位移变化的现场监测设备、用于接收趸船位移实时变化信号的接收存储服务器，最后由终端服务器调取接收存储服务器内的趸船位移实时变化信号，并计算确定该趸船位移实时变化信号所对应的缆绳系缆力大小，并与缆绳受荷预设阈值进行对比，从而对趸船码头的系缆安全性进行判断。本发明提供的系统，通过监测趸船上某一个点的位移变化，结合弹性悬链线理论计算趸船码头每根缆绳的受力大小，并与趸船码头缆绳受荷预设阈值相对比。可以实现由于靠泊船舶过大、极端条件等情况下造成的缆绳受力过大的适时预警，预防安全事故的发生或用于当安全事故发生后的责任追溯。

Description

趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统及方法
技术领域
本发明涉及水运、港口工程技术领域，特别是一种趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统及方法。
背景技术
斜坡趸船码头对水位变化适应性强，是长江中上游地区常见的码头结构形式，趸船通过缆绳与地牛或锚桩与河岸连接。但缆绳的受力不仅与水流、风、水位等自然条件有关，还与缆绳系缆的角度、靠泊船舶的吨位级以及多根缆绳共同作用下的竞争机制有关。一旦缆绳的受力超过其能承受的最大承载能力，缆绳就会发生断裂，趸船被拉入水中，造成人员伤亡或趸船船体损伤等事故。
现有技术中，可通过在缆绳上安装压阻式传感器测量缆绳的固有频率继而换算得到缆绳上的受力。但该方法在实际工程运用中颇受限制，例如前期准备工作量大，耗费大量的人力、财力、物力；其次，由于缆绳表面并不平整，加上缆绳的锈蚀，导致所测的固有频率与真实值之间存在差异，无法实时监测缆绳上的受力大小，并且通过该方法只能测量某一具体工况下的缆绳受力，对趸船管理单位来说不具有主动性。
因此，十分有必要形成一套能够实施监测缆绳上的受力的方法，既能准确的监测缆绳受力情况，又能有效避免安全事故的发生。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，该方法利用利用趸船的位移结合缆绳连接方式计算缆绳受力情况，实现了实时监测缆绳受力状况。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，包括现场监测设备、接收存储服务器和终端服务器；
所述现场监测设备用于实时监测趸船的位移变化，并将监测的数据通过无线传输的式到接收储存服务器中；
所述接收存储服务器用于接收无线传输模块发送的趸船位移实时变化信号，将接收到的趸船位移实时变化信号进一步处理后存储；
所述终端服务器调取接收存储服务器内的趸船位移实时变化信号，通过数据处理与分析模块计算确定该趸船位移实时变化信号所对应的缆绳系缆力大小，并与缆绳受荷预设阈值进行对比，从而对趸船码头的系缆安全性进行判断。
进一步，所述现场监测设备包括趸船位移实时监测系统和数据传输模块两部分，所述趸船位移实时监测系统安装于河岸上固定不动，用于实时监测由于趸船受外力所产生的位移，所述数据传输模块设置于信号箱内，所述信号箱与趸船位移实时监测系统相连接，用于传输监测到的趸船实时位移变化，并将信号传输至接收存储服务器中。
进一步，所述接收存储服务器包括数据接收模块和数据存储模块，所述数据接收模块接收数据传输模块发送的趸船位移实时变化信号；所述数据存储模块将接收到的数据信息进行储存。
进一步，所述终端服务器包括数据处理与分析模块和缆绳安全预警模块组成，所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器内的趸船位移实时变化信号，并计算确定该趸船位移实时变化信号所对应的缆绳系缆力大小；所述缆绳安全预警模块根据数据处理与分析模块所计算确定的缆绳所受的系缆力大小，对比该系缆力与缆绳受荷阈值相对大小，适时发出预警信号。
进一步，所述数据处理与分析模块按照以下步骤进行计算：
计算每根缆绳两个端点的水平距离和竖直距离；
根据弹性悬链线理论计算每根缆绳的受力情况，具体计算缆绳受力的公式如下：
Figure BDA0003580139070000021
Figure BDA0003580139070000022
式中：X表示缆绳两个端点的水平距离，Y表示缆绳两个端点的纵向距离，H表示缆绳所受水平力，V表示缆绳所受纵向力。A0为不受力的截面积，L0为锚泊线线未拉伸时的长度，W0为锚泊线的重度，G为锚泊线的重量，E为弹性模量。
进一步，所述缆绳安全预警模块按照以下步骤进行计算：
将数据处理与分析模块计算得到的实际系缆力大小分别与缆绳受荷预设阈值进行对比，若计算得到实际系缆力小于缆绳受荷预设阈值的K％倍，则表示缆绳受力正常；若计算得到实际系缆力大于缆绳受荷预设阈值的的K％倍而小于M％倍时，则表示危险；若计算得到实际系缆力大于缆绳破断力的M％倍时，则表示高危险，其中，K、M为预设值。
进一步，所述缆绳受荷预设阈值为缆绳破断力。
本发明提供的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警方法，包括以下步骤：
获取趸船位移实时改变量信号；
根据趸船位移实时改变量计算趸船缆绳连接点位移实时改变量；
根据趸船缆绳连接点位移实时改变量计算趸船上各缆绳连接点的水平、竖直改变量；
根据趸船上各缆绳连接点的水平、竖直改变量实时计算每根缆绳两个端点的水平距离和竖直距离；
根据每根缆绳两个端点的水平距离和竖直距离实时计算每根缆绳的系缆力，所述系缆力包括缆绳水平受力和缆绳竖直受力。
进一步，所述每根缆绳水平受力和缆绳竖直受力是按照以下公式进行计算的：
Figure BDA0003580139070000031
Figure BDA0003580139070000032
式中：X表示缆绳两个端点的水平距离，Y表示缆绳两个端点的纵向距离，H表示缆绳所受水平力，V表示缆绳所受纵向力。A0为不受力的截面积，L0为锚泊线线未拉伸时的长度，W0为锚泊线的重度，G为锚泊线的重量，E为弹性模量。
进一步，还包括以下步骤：
获取缆绳破断力；
计算得到的实际系缆力大小分别与缆绳受荷预设阈值进行对比，若计算得到实际系缆力小于缆绳受荷预设阈值的K％倍，则表示缆绳受力正常；若计算得到实际系缆力大于缆绳受荷预设阈值的的K％倍而小于M％倍时，则表示危险；若计算得到实际系缆力大于缆绳破断力的M％倍时，则表示高危险，其中，K、M为预设值。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，通过监测趸船上某一个点的位移变化，结合弹性悬链线理论计算趸船码头每根缆绳的受力大小，并与趸船码头缆绳的破断力相对比。可以实现由于靠泊船舶过大、极端条件等情况下造成的缆绳受力过大的预警，预防安全事故的发生或发生安全事故以后的追责。适用于目前国内大部分趸船码头，原理简单，使用方便。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统工作原理图；
图2是本发明趸船位移实时监测原理图；
图3是本发明数据处理模块原理图；
图4是本发明趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统结构示意图；
图5是本发明趸船位移实时监测系统和信号箱布置示意图。
图6为泵船及缆绳受力位移关系原理分析示意图。
图中，1-趸船位移实时监测系统，2-信号箱，3-接收储存服务器，4-终端服务器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
对于趸船码头缆绳安全性方面的问题，大都在趸船码头设计时进行考虑。但随着近些年来内河航运事业的发展，码头靠泊船舶大型化趋势明显，缆绳的安全性亟需进一步考虑。当缆绳受力超过缆绳破断力的时候缆绳就会断裂，然而现在还没有一种专门针对趸船码头系缆力大小的实时监测方法，对码头运营管理带来不便。本实施例提供的方法通过对趸船码头系缆力进行实时监测，进而对趸船码头缆绳的安全进行评估。
参见图1、图4所示，本实施例提供的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，包括现场监测设备、接收存储服务器和终端服务器；
所述现场监测设备用于实时监测趸船的位移变化，并将监测的数据通过无线传输的式到接收储存服务器中；
如图2所示，所述现场监测设备包括趸船位移实时监测系统和数据传输模块两部分，所述趸船位移实时监测系统安装于河岸上固定不动，用于实时监测由于趸船受外力所产生的位移，所述数据传输模块设置于信号箱内，所述信号箱与趸船位移实时监测系统相连接，用于传输监测到的趸船实时位移变化，并将信号传输至接收存储服务器中，参见图5所示。
所述接收存储服务器用于接收无线传输模块发送的趸船位移实时变化信号，将接收到的趸船位移实时变化信号进一步处理后存储；所述接收存储服务器包括数据接收模块和数据存储模块。所述数据接收模块接收数据传输模块发送的趸船位移实时变化信号；所述数据存储模块将接收到的数据信息进行储存，本实施例中的数据传输模块和数据接收模块均可采用有线或无线方式进行传输和接收。
所述终端服务器调取接收存储服务器内的趸船位移实时变化信号，通过数据处理与分析模块计算确定该趸船位移实时变化信号所对应的缆绳系缆力大小，并与缆绳受荷预设阈值进行对比，从而对趸船码头的系缆安全性进行判断。
所述终端服务器包括数据处理与分析模块和缆绳安全预警模块组成，所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器内的趸船位移实时变化信号，并计算确定该趸船位移实时变化信号所对应的缆绳系缆力大小；所述缆绳安全预警模块根据数据处理与分析模块所计算确定的缆绳所受的系缆力大小，对比该系缆力与缆绳受荷预设阈值相对大小，并根据预先设定的阈值适时发出预警信号。
如图3所示，所述数据处理与分析模块的核心内容：把趸船视为刚体，监测到得趸船位移实时改变量实际上就代表了趸船缆绳各个连接点位移的实时该变量；
如图6所示，图6为泵船及缆绳受力位移关系原理分析示意图，以任一固定位置为坐标原点建立坐标系，由于缆绳与河岸的连接点A、B是固定的，即A点坐标(Ax，Ay，Az)和B点坐标(Bx，By，Bz)是不变的；当趸船受力发生位置变化时，趸船上面的A′(Ax′,Ay′,Az′)和B′(Bx′,By′,Bz′)点的坐标发生变化，通过实时监测趸船上各连接点的变化(Δx，Δy，Δz),实时计算A′和B′点发生变化后的位置坐标A″(Ax″,Ay″,Az″)，B″(Bx″,By″,Bz″)其中Ax″,Ay″,Az″,Bx″,By″,Bz″可按下式进行计算：
Ax″＝Ax′+Δx Ay″＝Ay′+Δy Az″＝Az′+Δz
Bx″＝Bx′+Δx By″＝By′+Δy Bz″＝Bz′+Δz
通过计算得到的A″和B″的坐标，在分别计算每根缆绳两个端点之间的水平距离和竖直距离，可按下式进行计算：
A A″的水平距离
Figure BDA0003580139070000051
A A″的竖直距离z＝Az-Az″；
B B″的水平距离
Figure BDA0003580139070000052
B B″的竖直距离z＝Bz-Bz″；
在此基础之上，计算趸船上各缆绳连接点的水平、竖直改变量；由于每根缆绳的另一端与河岸上位置固定的锚墩或锚桩相连接，因此可以计算每根缆绳两个端点的水平距离和竖直距离；最后根据弹性悬链线理论计算每根缆绳的受力情况，具体计算缆绳受力的公式如下：
Figure BDA0003580139070000061
Figure BDA0003580139070000062
式中：X表示缆绳两个端点的水平距离，Y表示缆绳两个端点的纵向距离，H表示缆绳所受水平力，V表示缆绳所受纵向力。A0为不受力的截面积，L0为锚泊线线未拉伸时的长度，W为锚泊线的重度，G为锚泊线的重量，E为弹性模量。
所述趸船位移实时监测系统的核心内容：在趸船上选取一个特征点，监测此特征点的三个方向的位移就代表了趸船三个方向的位移改变量；然后将监测得到趸船的位移变化通过数据传输模块进行传输。
所述缆绳安全预警模块的核心内容：将数据处理与分析模块计算得到的实际系缆力大小分别与缆绳受荷预设阈值进行对比，步骤如下：
将数据处理与分析模块计算得到的实际系缆力大小分别与缆绳受荷预设阈值进行对比，若计算得到实际系缆力小于缆绳受荷预设阈值的K％倍，则表示缆绳受力正常；若计算得到实际系缆力大于缆绳受荷预设阈值的的K％倍而小于M％倍时，则表示危险；若计算得到实际系缆力大于缆绳破断力的M％倍时，则表示高危险，其中，K、M为预设值。
所述缆绳受荷预设阈值为缆绳破断力。其中，K可以取33，M取50。
本实施中缆绳安全预警模块的分析处理，也可以按照以下步骤进行计算：
计算得到的系缆力大小分别与缆绳破断力进行对比，若计算得到系缆力小于缆绳破断力的33％，则表示缆绳受力正常；若计算得到系缆力大于缆绳破断力的33％且小于缆绳破断力的50％，则表示缆绳受力较大，警示为危险；若计算得到系缆力大于缆绳破断力的50％，则表示缆绳受力非常大，警示为高危险。同时采用不同颜色来显示不同危险等级的预警信号，其中，正常时预警色为绿色，无预警声音；危险时预警色为黄色，间歇性预警声音；高危险时预警色为红色，警钟长鸣。
具体如下：
将数据处理与分析模块计算得到的实际系缆力大小分别与缆绳受荷预设阈值的最大值和最小值进行对比，若计算得到实际系缆力小于缆绳受荷预设阈值的最小值，则表示缆绳受力正常，预警色为绿色；若计算得到实际系缆力大于缆绳受荷预设阈值的最小值而小于缆绳受荷阈值的最大值，则表示缆绳受力较大，警示为危险，预警色为黄色，间歇性预警声音；若计算得到实际系缆力大于缆绳破断力预设范围最大值，则表示缆绳受力非常大，警示为高危险，预警色为红色，警钟长鸣。
所述缆绳受荷预设阈值表示缆绳破断力除以安全系数，当安全系数为3时，为缆绳受荷预设阈值的最小值，大小为缆绳破断力的33％；当安全系数为2时，为缆绳受荷预设阈值的最大值，大小为缆绳破断力的50％；所述缆绳受荷预设阈值为大于缆绳破断力的33％且小于缆绳破断力的50％。
本实施例中的缆绳破断力表示缆绳破断力。
实施例2
如图3所示，本实施例提供的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警方法，包括以下步骤：
获取趸船位移实时改变量信号；
根据趸船位移实时改变量计算趸船缆绳连接点位移实时改变量；
根据趸船缆绳连接点位移实时改变量计算趸船上各缆绳连接点的水平、竖直改变量；
根据趸船上各缆绳连接点的水平、竖直改变量实时计算每根缆绳两个端点的水平距离和竖直距离；
根据每根缆绳两个端点的水平距离和竖直距离实时计算每根缆绳的系缆力，所述系缆力包括缆绳水平受力和缆绳竖直受力。
本实施例中每根缆绳水平受力和缆绳竖直受力是按照以下公式进行计算的：
Figure BDA0003580139070000071
Figure BDA0003580139070000072
式中：X表示缆绳两个端点的水平距离，Y表示缆绳两个端点的纵向距离，H表示缆绳所受水平力，V表示缆绳所受纵向力。A0为不受力的截面积，L0为锚泊线线未拉伸时的长度，W为锚泊线的重度，G为锚泊线的重量，E为弹性模量。
本实施例还包括以下步骤：
获取缆绳破断力；
计算得到的实际系缆力大小分别与缆绳受荷预设阈值的最大值和最小值进行对比，若计算得到实际系缆力小于缆绳受荷预设阈值的最小值，则表示缆绳受力正常；若计算得到实际系缆力大于缆绳受荷预设阈值的最小值而小于缆绳受荷阈值的最大值，则表示缆绳受力较大，警示为危险；若计算得到实际系缆力大于缆绳破断力预设阈值的最大值，则表示缆绳受力非常大，警示为高危险。
本实施例中的缆绳破断力表示缆绳破断力。
本实施例中的缆绳破断力范围的最小值可以选择缆绳破断力30-35％，优选的选择33％；本实施例中的缆绳破断力范围的最大值可以选择缆绳破断力35-55％，优选的选择50％。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，其特征在于：包括现场监测设备、接收存储服务器和终端服务器；
所述现场监测设备用于实时监测趸船的位移变化，并将监测的数据通过无线传输的方式传输至接收储存服务器中；
所述接收存储服务器用于接收无线传输模块发送的趸船位移实时变化信号，将接收到的趸船位移实时变化信号进一步处理后存储；
所述终端服务器调取接收存储服务器内的趸船位移实时变化信号，通过数据处理与分析模块计算确定该趸船位移实时变化信号所对应的缆绳系缆力大小，并与缆绳破断力进行对比，从而对趸船码头的系缆安全性进行判断。
2.如权利要求1所述的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述现场监测设备包括趸船位移实时监测系统和数据传输模块两部分，所述趸船位移实时监测系统安装于河岸上固定不动，用于实时监测由于趸船受外力所产生的位移，所述数据传输模块设置于信号箱内，所述信号箱与趸船位移实时监测系统相连接，用于传输监测到的趸船实时位移变化，并将信号传输至接收存储服务器中。
3.如权利要求1所述的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述接收存储服务器包括数据接收模块和数据存储模块，所述数据接收模块接收数据传输模块发送的趸船位移实时变化信号；所述数据存储模块将接收到的数据信息进行储存。
4.如权利要求1所述的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述终端服务器包括数据处理与分析模块、缆绳安全预警模块组成，所述数据处理与分析模块调取接收存储服务器内的趸船位移实时变化信号，并计算确定该趸船位移实时变化信号所对应的缆绳系缆力大小；所述缆绳安全预警模块根据数据处理与分析模块所计算确定的缆绳所受的系缆力大小，对比该系缆力与缆绳破断力二者之前的数值大小，并根据预先设定的阈值适时发出预警信号。
5.如权利要求4所述的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述数据处理与分析模块按照以下步骤进行计算：
计算每根缆绳两个端点的水平距离和竖直距离；
根据弹性悬链线理论计算每根缆绳的受力情况，具体计算缆绳受力的公式如下：
Figure FDA0003580139060000011
Figure FDA0003580139060000021
式中：X表示缆绳两个端点的水平距离，Y表示缆绳两个端点的纵向距离，H表示缆绳所受水平力，V表示缆绳所受纵向力。A0为不受力的截面积，L0为锚泊线线未拉伸时的长度，W0为锚泊线的重度，G为锚泊线的重量，E为弹性模量。
6.如权利要求4所述的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述缆绳安全预警模块按照以下步骤进行计算：
将数据处理与分析模块计算得到的实际系缆力大小分别与缆绳受荷预设阈值进行对比，若计算得到实际系缆力小于缆绳受荷预设阈值的K％倍，则表示缆绳受力正常；若计算得到实际系缆力大于缆绳受荷预设阈值的的K％倍而小于M％倍时，则表示危险；若计算得到实际系缆力大于缆绳破断力的M％倍时，则表示高危险，其中，K、M为预设值。
7.如权利要求6所述的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警系统，其特征在于：所述缆绳受荷预设阈值为缆绳破断力。
8.趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
获取趸船位移实时改变量信号；
根据趸船位移实时改变量计算趸船缆绳连接点位移实时改变量；
根据趸船缆绳连接点位移实时改变量计算趸船上各缆绳连接点的水平、竖直改变量；
根据趸船上各缆绳连接点的水平、竖直改变量实时计算每根缆绳两个端点的水平距离和竖直距离；
根据每根缆绳两个端点的水平距离和竖直距离实时计算每根缆绳的系缆力，所述系缆力包括缆绳水平受力和缆绳竖直受力。
9.如权利要求8所述的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警方法，其特征在于：所述每根缆绳水平受力和缆绳竖直受力是按照以下公式进行计算的：
Figure FDA0003580139060000022
Figure FDA0003580139060000023
式中：X表示缆绳两个端点的水平距离，Y表示缆绳两个端点的纵向距离，H表示缆绳所受水平力，V表示缆绳所受纵向力。A0为不受力的截面积，L0为锚泊线线未拉伸时的长度，W0为锚泊线的重度，G为锚泊线的重量，E为弹性模量。
10.如权利要求8所述的趸船码头缆绳受力实时监测及安全预警方法，其特征在于：还包括以下步骤：
获取缆绳破断力；
计算得到的实际系缆力大小分别与缆绳受荷预设阈值进行对比，若计算得到实际系缆力小于缆绳受荷预设阈值的K％倍，则表示缆绳受力正常；若计算得到实际系缆力大于缆绳受荷预设阈值的K％倍而小于的M％倍，则警示为危险；若计算得到实际系缆力大于缆绳破断力预设阈值的的M％倍，则警示为高危险，其中，K、M为预设值。
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