CN117147036B - 一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测系统和方法，包括：数据采集模块、数据处理模块和数据分析模块；数据采集模块，用于采集船舶系泊缆绳的振动信息；数据处理模块，用于根据振动信息，得到船舶缆绳的自振频率；数据分析模块，根据船舶缆绳的自振频率，得到船舶缆绳的张力。采用本发明的技术方案，可以实现直接对船舶缆绳进行张力监测，利用船舶缆绳自振频率计算得到缆绳张力，对系泊工艺影响小并且不需要对码头进行改造。本发明装置安装便利，维护维修简单，易于操作，极大程度地降低了工作人员的作业风险，可适应对复杂港口环境下的船舶系泊缆力监测，提升了港口的水上交通安全保障能力和智能化应用水平。
Description
技术领域
本发明属于船舶系缆力测量领域，尤其涉及一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测系统和方法。
背景技术
目前, 我国港口建设仍然持续快速发展。有关资料显示，我国百分之四十以上的港口生产安全事故都与港口设施设备有关，港口设备的安全性能在一定程度上关系到港口的安全生产。其中，船舶缆绳作为港口码头与船舶的重要载体，其结构安全性直接影响整个码头的运营安全。由于船舶缆绳破旧、缆绳老化，带缆受力不均等种种因素都会导致缆绳突发断裂。缆绳断裂一方面会造成断缆回弹伤人，另一方面也会造成船舶断缆失控漂移，甚至还会造成船舶撞击码头等次生灾害。为此，对船舶缆绳进行实时的张力监测成为码头安全运行中亟需解决的重大问题。
目前直接对缆绳进行张力监测的研究方法单一。国内外最常用的方法为通过计算作用在船体上的风压力和计算船体整体吃水深度及船首尾水流速度等大量数据来计算船舶系缆力，并没有直接对船舶缆绳进行张力测量，此方法不仅监测过程复杂并且计算过程中还容易出现误差。由于现有的船舶系缆力测量装置在测量采集的数据时不能同时考虑到风成系缆力和流成系缆力的测量环境，需要将测量工作分开，这样加大了测量的准备工作，影响测量的效率，费时费力。此外，系缆力还可以通过反演系船柱上的应变来计算，但这种方法只针对单根船舶缆绳作业的情况，针对多根船舶缆绳同时作业的情况，只能得出合力，适用场景单一。现有直接对缆绳测量的方法多数是在缆绳上安装张力传感器或压力传感器。这些方法需要将传感器永久性的安装在缆绳上或码头上，面对长时间复杂恶劣的使用环境下，监测装置的精度也没办法得到保障，使用不方便且不可持续
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测系统和方法，既可以实现直接对船舶缆绳进行张力监测，而且易于工作人员操作，更大程度的减少工作人员的作业风险，还可以持续使用，更符合港口码头的系泊要求；并且还针对带缆受力不均所导致断缆这一问题上，进行了缆绳状态识别的研究，基于振动频率法结合缆绳在不同状态下的特性，实现对缆绳状态的识别，以此供带缆工人参考选择是否需要紧缆，最大程度的降低由带缆受力不均导致断缆船舶失控的风险
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测系统，包括：数据采集模块、数据处理模块和数据分析模块，其中，
数据采集模块，用于采集船舶缆绳的振动信息；
数据处理模块，用于根据振动信息，得到船舶缆绳的自振频率；
数据分析模块，根据船舶缆绳的自振频率，得到船舶缆绳的张力。
作为优选，数据采集模块利用加速度传感器采集船舶系泊缆绳的振动信息。
作为优选，还包括：激振模块，用于当船舶缆绳的自振频率不满足要求时，控制自振马达对缆绳进行激振。
作为优选，还包括：缆绳状态识别模块，用于对缆绳的状态进行识别。
作为优选，还包括：预设系缆力比较模块、数据显示模块和预警模块；其中，当判断缆绳为绷紧状态时，且预设系缆力比较模块判断缆绳张力值大于自设预警值时，将缆绳张力值发送至数据显示模块进行实时显示，同时启动预警模块进行声光预警。
本发明还提供一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测方法，包括： 步骤S1、采集船舶系泊缆绳的振动信息；
步骤S2、根据振动信息，得到船舶缆绳的自振频率；
步骤S3、根据船舶缆绳的自振频率，得到船舶缆绳张力。
作为优选，步骤S1中，利用加速度传感器采集船舶系泊缆绳的振动信息。
作为优选，还包括：当船舶缆绳的自振频率不满足要求时，控制自振马达对缆绳进行激振。
作为优选，还包括：对缆绳的状态进行识别；其中，当判断缆绳为绷紧状态时且缆绳张力值大于自设预警值时，将缆绳张力值发送至数据显示模块进行实时显示，同时启动预警模块进行声光预警。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）、将振动频率法或频率法引入到测量船舶缆绳张力中，解决了直接测量系缆力的问题，达到了测量装置的轻量化和不影响系泊工艺的效果。
（2）、本发明设计工艺结构简单，生产投入成本低，装置的功能设计集成化，装置自身小巧轻便，维护维修简单易操作，安装拆卸使用方便，极大地节省了人力与时间。
（3）、本发明解决了由于船舶缆绳的材质、粗细和长度的不同所导致的测量条件单一性的弊端，整套监测装置的适配性高，可持续性地使用，且适用的条件广泛，涵盖了大部分类型的船舶缆绳。
（4）、本发明可识别缆绳状态，可自主设定状态限定值和最大预警值，可供带缆工作人员参考并选择是需要紧缆，这样有效降低了由于带缆受力不均导致缆绳断裂事故地发生率。
（5）、无需对码头进行任何改造，张力测量误差小，具备大数据计算功能，数据上方式多样，任意对接系统平台进行数据展示
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的工作流程示意图；
图3是传感器安装方式图；
图4是缆绳松弛状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例提供一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测系统，包括：数据采集模块、数据处理模块和数据分析模块，其中，
数据采集模块，用于利用加速度传感器采集船舶系泊缆绳的振动信息，其中，所述加速度传感器为三轴压电式加速度传感器；
数据处理模块，用于根据振动信息，得到船舶缆绳的自振频率；
数据分析模块，根据船舶缆绳的自振频率，得到船舶缆绳的张力。
作为本发明实施例的一种实施方式，数据采集模块利用加速度传感器采集船舶系泊缆绳的振动信息；其中，数据采集模块还会根据系缆力监测值在一段时间内的变化趋势，自动优化选择采样的频率。
作为本发明实施例的一种实施方式，还包括：激振模块，用于当船舶缆绳的自振频率不满足要求时，控制自振马达对缆绳进行激振。其中，激振模块中还包括另一功能为：将激振模块与数据分析模块进行对接，数据分析模块将监测的系缆力值统计分析，当分析到系缆力值处于持续增加的状态，并且增加速率达到设定值后，就配合激振模块和数据采集模块，缩短采样间隔，频繁对缆绳进行缆力值监测，相反当缆绳长时间处于稳定状态就增加采样间隔。
作为本发明实施例的一种实施方式，还包括：缆绳状态识别模块，用于对缆绳的状态进行识别。针对船舶缆绳材质的特性，缆绳松弛状态的判别可以分为三种：完全松弛状态、相对松弛状态和小力张拉状态，如图4所示，针对不同状态的识别方法不一致。完全松弛状态将缆绳振幅阈值作为判断条件；相对松弛状态将缆绳功率谱密度的大小作为判断条件；小力张拉状态的判断方法是判断相同功能缆绳组中达到最大破断力的时候，最小系缆力值设定为小力张拉状态的判断值
作为本发明实施例的一种实施方式，还包括：预设系缆力比较模块、数据显示模块和预警模块；其中，当判断缆绳为绷紧状态时，且预设系缆力比较模块判断缆绳张力值大于自设预警值时，将缆绳张力值发送至数据显示模块进行实时显示，同时启动预警模块进行声光预警。
实施例2：
如图1所示，本发明实施例提供一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测系统，包括：监测装置和总控制台，监测装置包括：数据采集模块、激振模块、预警模块、传感器组件，传感器组件包含：加速度传感器、激光测距传感器和卡扣装置，所述加速度传感器为三轴压电式加速度传感器；总控制台包括：数据处理模块、数据分析模块、缆绳状态识别模块、预设系缆力比较模块、数据显示模块和预警模块。
如图2所示，本发明实施例的工作流程如下：
首先，将监测装置固定在船舶缆绳靠近系船柱1米远的的位置，固定方式如图3所示，高弹力带2将缆绳1固定住。打开设备与总控制台进行匹配联接。
接下来，将缆绳的材质、直径、长度、和线密度信息输入到计算机中，其中，缆绳的材质或者线密度通过总控制台的软件平台选择的，缆绳的长度、直径通过激光测距传感器和卡扣装置测量所得，同时这些数据会存入数据处理模块中，待船舶平稳靠泊及准备工作完成后。点击总控制台中开始键进行数据采集，数据采集模块通过加速度传感器会进行周期式（优选地，周期为30s）数据采集，同时激振装置启动，默认设定情况下，一个完整的采样周期为0~10s对缆绳进行激振，11~20s为采样空窗期目的是降低衰减信号，21~25是进行数据采集，在等待5s后再进行下一次数据采集，待采集结束将采集到的数据通过无线信号发射器发送到总控制台中的数据处理模块中，然后数据处理模块会对加速度数据进行快速傅里叶变换处理（FFT）及寻峰算法得出船舶缆绳的自振频率fn。若处理后的自振频率fn不满足公式1要求时，激振模块会启动工作，实现缆绳自振后并重新采集数据。
其中,f n 为拉索自振频率(Hz)，n为缆绳的振动阶数，f 1为拉索一阶自振频率(Hz)。
待数据处理成功，将满足要求的自振频率fn发送至数据分析模块中，再把得到的自振频率数据带入到预设的缆力计算公式（2）中，并计算得出船舶缆绳张力。
其中，T为拉索索力（N），f n 为拉索自振频率（Hz），L 为拉索的长度(m)，ρ为拉索的线密度（kg/m），n为缆绳的振动阶数，f 1为拉索一阶自振频率（Hz）。
对于缆绳状态的识别过程，需要根据几个递进的判断条件，若以下三个条件逐一满足，即视为缆绳处于绷紧状态。
(1)、对完成采集的数据进行振幅阈值判断，默认情况下，当振幅绝对值的最大值小于0.07g，就判断为松弛状态-完全松弛。
(2)、判断缆绳低频能量密度的大小。在程序中的判断条件是：如果60Hz以内的功率谱密度小于20，则判断为松弛状态-相对松弛。
(3)、当监测的同组缆绳中有一根达到了最大破断力的55%就把同组缆绳中最小值判定为松弛状态-小力张拉的最大值。
等待缆绳状态识别完成，缆绳状态识别模块会把判断结果发送给软件控制平台的数据显示模块中，以供技术人员选择是否对缆绳长度进行适度调整，防止由于缆绳受力分布不均导致断缆事故。
当判断为绷紧状态时，会把数据发送至预设系缆里比较模块中，对测得数据进行比较，当缆绳张力值小于用户自设的预警值时，会把测得数据发送至数据显示模块中。当缆绳张力值大于用户自设的预警值时启动预警模块，对码头的工作人员与控制室的监视人员同时进行声光预警，其中，预警值在默认情况下设为缆绳最大破断力的55%。
最后，若船舶靠泊结束时，工作人员只需将监测装置从船舶缆绳上取下，进行维护以便于下次继续使用。
本发明实施例采用振动法测量船舶缆绳的系缆力，利用加速度传感器来采集船舶缆绳上的振动数据，把数据经过处理分析后，先得出缆绳的状态；再带入到系缆力的计算公式中，最后得出缆绳的张力，提供给港口和船舶上的工作人员工作时参考。船上的系缆人员可以根据缆绳状态适当调节缆绳长度，防止由于带缆受力不均导致缆绳断裂。如果缆绳的张力超过了预设的限定值，也可以及时的给工作人员发出预警信号。
考虑到缆绳在无风无浪的自然环境中，由于缆绳内在张力值过大，导致缆绳绷紧缆绳刚度变大，此时在处于相对静止的状态下很难通过拾取振动信息求得系缆力，故本发明实施例设计了所述激振装置，激振装置采用内置8000rad/min的偏心马达和无级调速器。
本发明实施例的三轴压电式加速度传感器的本身有内部自带电荷放大器， 精密积分电路、可同时测量 X、 Y、 Z 方向利用压电材料的正压电效应、频响宽，灵敏度高的特点。在获得被测缆绳的长度信息和直径信息时，在缆绳监测装置中加入激光测距传感器和自动卡扣。在实现人机交互的过程，采用有线和无线设计，有线方式通过PoE交互机给加速度传感器供电，并把传感器采集到的数据传输到光纤收发器中，通过光纤收发器传输到工控机中计算，有线方式故障率低，持续供电可一直使用；无线方式内置锂电池，通过光纤收发器传输到工控机中计算，无线方式可实现快速组网，布置方便快捷，高效便捷。将传感器组件测得的振动加速度信息、缆绳长度信息和缆绳直径信息有线传输到工业路由器中，再通过工业路由器无线传输到中控室中的工控机中进行处理分析。在供电使用方面采用将传感器组件的数据采集仪和工业路由器通过安装在码头上的供电箱提供。
实施例3：
本发明实施例还提供一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测方法，包括：
步骤S1、采集船舶系泊缆绳的振动信息；
步骤S2、根据振动信息，得到船舶缆绳的自振频率；
步骤S3、根据船舶缆绳的自振频率，得到船舶缆绳的张力。
作为本发明实施例的一种实施方式，步骤S1中，利用加速度传感器采集船舶系泊缆绳的振动信息。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述加速度传感器为三轴压电式加速度传感器。
作为本发明实施例的一种实施方式，还包括：当船舶缆绳的自振频率不满足要求时，控制自振马达对缆绳进行激振。
作为本发明实施例的一种实施方式，还包括：对缆绳的状态进行识别；其中，当判断缆绳为绷紧状态时且缆绳张力值大于自设预警值时，将缆绳张力值发送至数据显示模块进行实时显示，同时启动预警模块进行声光预警。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测系统，其特征在于，包括：数据采集模块、数据处理模块和数据分析模块，其中，
数据采集模块，用于采集船舶缆绳的振动信息；
数据处理模块，用于根据振动信息，得到船舶缆绳的自振频率；
数据分析模块，根据船舶缆绳的自振频率，得到船舶缆绳的张力；
数据采集模块利用加速度传感器采集船舶系泊缆绳的振动信息；
还包括：激振模块，用于当船舶缆绳的自振频率不满足要求时，控制自振马达对缆绳进行激振；
还包括：缆绳状态识别模块，用于对缆绳的状态进行识别；针对船舶缆绳材质的特性，缆绳松弛状态的判别分为三种：完全松弛状态、相对松弛状态和小力张拉状态；完全松弛状态将缆绳振幅阈值作为判断条件；相对松弛状态将缆绳功率谱密度的大小作为判断条件；小力张拉状态的判断方法是判断相同功能缆绳组中达到最大破断力的时候，最小系缆力值设定为小力张拉状态的判断值；当振幅绝对值的最大值小于0.07g，判断为松弛状态-完全松弛；当60Hz以内的功率谱密度小于20，则判断为松弛状态-相对松弛；当同组缆绳中有一根达到最大破断力的55％就把同组缆绳中最小值判定为松弛状态-小力张拉的最大值；
还包括：预设系缆力比较模块、数据显示模块和预警模块；其中，当判断缆绳为绷紧状态时，且预设系缆力比较模块判断缆绳张力值大于自设预警值时，将缆绳张力值发送至数据显示模块进行实时显示，同时启动预警模块进行声光预警；
其中，数据采集模块通过加速度传感器会进行周期式数据采集，同时激振装置启动，待采集结束将采集到的数据通过无线信号发射器发送到总控制台中的数据处理模块中，数据处理模块会对加速度数据进行快速傅里叶变换处理FFT及寻峰算法得出船舶缆绳的自振频率fn；若处理后的自振频率fn不满足公式(1)要求时，激振模块会启动工作，实现缆绳自振后并重新采集数据；
Δf＝f1＝fn-fn-1，n＝1，2，3... (1)
其中，fn为拉索自振频率(Hz)，n为缆绳的振动阶数，f1为拉索一阶自振频率(Hz)；
待数据处理成功，将满足要求的自振频率fn发送至数据分析模块中，再把得到的自振频率数据带入到预设的缆力计算公式(2)中，并计算得出船舶缆绳张力，
其中，T为拉索索力(N)，fn为拉索自振频率(Hz)，L为拉索的长度(m)，ρ为拉索的线密度(kg/m)，n为缆绳的振动阶数，f1为拉索一阶自振频率(Hz)。
2.一种采用权利要求1所述的基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测系统实现基于振动频率测量港口船舶系缆力的监测方法，其特征在于，包括：步骤S1、采集船舶系泊缆绳的振动信息；
步骤S2、根据振动信息，得到船舶缆绳的自振频率；
步骤S3、根据船舶缆绳的自振频率，得到船舶缆绳张力；
步骤S1中，利用加速度传感器采集船舶系泊缆绳的振动信息；
还包括：当船舶缆绳的自振频率不满足要求时，控制自振马达对缆绳进行激振；
还包括：对缆绳的状态进行识别；其中，当判断缆绳为绷紧状态时且缆绳张力值大于自设预警值时，将缆绳张力值发送至数据显示模块进行实时显示，同时启动预警模块进行声光预警。
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