CN202795770U - 一种智能护舷运动姿态监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能护舷运动姿态监测装置，包括监控端组件和中央控制端组件，所述监控端组件包括传感器单元、控制单元和通信单元，所述中央控制端组件包括通信单元和中央控制计算机，其特征在于：所述传感器单元由安装于待监测的护舷的防冲板上的至少2个传感器构成，所述传感器为至少具有6自由度的惯导器件，各传感器在防冲板内侧分散布置；所述通信单元由无线通信模块构成。本实用新型适用于港口单个护舷监测及泊位宏观靠岸冲击监测；测量数据受到外界干扰较小，利于真实反映靠泊状态，数据可重复性高。

Description

一种智能护舷运动姿态监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种码头防护装置，具体涉及一种对码头防护用的护舷的运动姿态进行监测的装置。

背景技术

随着社会经济的快速发展，港口的运作日益繁忙，这对港口的安全和运行效率提出了更高的要求。港口的一大威胁，是船舶靠岸对于港口结构的冲击。如果能够实时量化监测船舶靠岸时对码头的冲击，就可以对于靠岸事故尽早报警并提供分析数据，并且对于码头防护装置（护舷）的维护提供及早提示，由此可以显著提高港口的安全标准，减少因维护不及时造成的损失；同时为港口设计，船舶设计，航行研究等领域提供此前无法获得的靠岸冲击历史数据。

现有的靠泊监控系统，如辅助系统BSM（用于船舶靠岸姿态监测和预警），缆绳拉力检测系统MLM（用于船舶系缆拉力监测），港口环境检测系统MEM（靠岸系缆相关的风，流，潮位，气温，危险气体监测）以及远程快脱钩控制系统ACM（用于船舶缆绳脱缆自动化）。这些系统可以从某一方面对船舶的靠泊作业进行监控，但是，一方面，这些系统各自独立工作，增加了检测预警的工作量和工作复杂程度；另一方面，这些系统都是通过对船舶或者周边环境进行监控，而没有直接对码头进行监控。

护舷，是码头或船舶边缘使用的一种弹性缓冲装置，主要用以减缓船舶与码头或船舶之间在靠岸或系泊过程中的冲击力，防止或消除船舶、码头受损坏。常见的码头护舷结构由护舷本体、防冲板和多个锚链构成，护舷本体多由橡胶或聚氨酯材料制作，其一端连接码头，另一端连接防冲板。护舷本体结构包括D型、鼓形、圆筒形等，根据受力情况又可分为剪切型、转动型、压缩型等。当船舶靠泊时，与防冲板接触，压迫护舷本体，护舷本体受力压缩变形而吸能，从而减小船舶靠岸时对码头的冲击。

由于船舶对于港口的冲击，都是通过码头防护装置，即护舷，进行传递的，如果能够对护舷装置进行监测，获得护舷的运动状态和姿态，就有可能推导出单个护舷上的冲击；再通过数据汇总对于整个港口的护舷进行监测，得出整个泊位所承受的冲击量。另一方面，通过护舷运动和姿态，可以监测靠岸事故的发生并及时发出护舷警报和维修通知。因此，如何对护舷运动姿态进行监测，是本领域急需解决的技术问题。

发明内容

本实用新型的发明目的是提供一种可及时准确监测护舷三维姿态，且对于码头设计及日常工作程序不产生干扰的智能监测装置。

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种智能护舷运动姿态监测装置，包括监控端组件和中央控制端组件，所述监控端组件包括传感器单元、控制单元和通信单元，所述中央控制端组件包括通信单元和中央控制计算机，所述传感器单元由安装于待监测的护舷的防冲板上的至少2个传感器构成，所述传感器为至少具有6自由度的惯导器件，各传感器在防冲板内侧分散布置；所述通信单元由无线通信模块构成。

上述技术方案中，在监控端，惯导器件的传感信号输入控制单元，控制单元经分析获得护舷的三维姿态和运动状态，由无线通信模块传送至中央控制端的中央控制计算机上，进行集中显示、存储，或根据情况发出报警。根据具体应用场合的情况，监控端的控制单元也可以仅负责信号收集、传递，由中央控制计算机分析护舷的三维姿态和运动状态。一般地，整个码头区域的各个护舷装置上分别设置有监控端，监控端的通信单元与中央控制端的通信单元构成无线网络，使中央控制计算机能够同时收集各护舷的三维姿态和运动状态，进而进行数据统计、处理。

上述技术方案中，所述传感器单元内可以设有九自由度惯导器件，设有多个CPU运算兼顾低功耗和高性能，可根据需要切换原始采样模式和滤波采样模式两种工作模式。控制单元内采用扩展Kalman滤波算法，采用“姿态四元数”表示，四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)数值积分，并取一阶地球自转近似，以及一种能在船只靠岸时抗干扰的动态磁阻补偿算法。所述无线通信模块为遵循于IEEE802.1x协议，采用Zigbee或其他490MHz无线通信方式，将本地数据汇总于中央控制计算机，由中央控制计算机进行集中处理，存储，显示靠岸冲击信息，护舷状态信息，及靠岸事故及护舷维护报警。

进一步的技术方案，在控制单元上预留传感器输入及控制输出。可根据需要增加或减少传感器单元，自适应扩展需要以达到更高的监测精度要求。

上述技术方案中，所述惯导器件至少由加速度传感器和角速度传感器构成，至少具有上下，左右，前后，航向角，俯仰角，横滚角6个自由度，构成基本测量单元。

进一步的技术方案，所述惯导器件中还设有磁阻传感器，并具有地磁角X，地磁角Y，地磁角Z这3个测量自由度，构成9自由度惯导器件。引入地磁信号扩展为9自由度提高复位精度，根据需要，可进一步增加自由度。

上述技术方案中，所述监控端组件中，与所述控制单元连接，设有振动传感器。振动传感器的输出可以与控制单元的唤醒电路连接，控制单元可自动根据现场情况，关闭传感器单元以及无线通信模块，使监控端组件处于低功耗状态。而当船舶靠岸时，接触到护舷，引起振动，振动传感器输出信号唤醒控制单元，对各传感器单元和无线通信模块供电操作，开始进入监控状态。

上述技术方案中，所述传感器单元、控制单元和通信单元设于防冲板的内部。

或者，所述传感器单元、控制单元和通信单元具有外挂壳体，安装在防冲板的内侧面上。

本实用新型的工作原理为：整个装置可以有内置和外挂两种安装方式，分别满足于新护舷安装，和现有护舷改造，安装于防冲板的预设位置。装置内的传感器单元采用内联结构，不易受到外界恶劣环境干扰，用于采集多点姿态和位移等信息，将该信息汇总于装置的控制单元中进行姿态融合运算，并将结果经由无线发射装置传输到现场设备或控制中心。

控制中心则根据接收到各装置发来的姿态位移数据，结合不同的护舷产品的压缩比与吸能反力数据对应表，综合每个护舷的吸能反力情况，计算每套护舷的吸能和反力值，并审核护舷的压缩速度，压缩角度，三轴偏转和位移。若任一护舷运动超过极限设计性能，系统即发出靠岸事故警报及护舷损坏警报。若任一护舷的累计压缩或位移超过极限，系统即发出护舷检修建议。所有数据均被实时记录下来，可备事故分析，或者相关水工研究使用。

整个装置有极低的电源消耗，一年甚至更长的维护周期，特殊的快速更换电池箱设计。所有组件均采用整体更换式结构，使得传感器单元发生故障时可整个替换，缩短现场安装，标定，和维护的时间和难度。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1．由于本实用新型监控装置可对于护舷运动和姿态实现监测，具有专门为护舷监测设计的特殊定位软件，可直观地显示护舷吸能反力、三维运动速度、偏转角度和位移，适用于港口单个护舷监测及泊位宏观靠岸冲击监测；测量数据受到外界干扰较小，利于真实反映靠泊状态，数据可重复性高。

2．本实用新型监控装置采用无线通讯，快速更换式的采用内置电池供电，无电源线或信号线。适合长期监测且维护简便，对于码头现有设计和运作不提出任何要求，也没有任何影响。

3．由于采用中央控制计算机对数据进行处理和记录，不但在事故发生后及时发出护舷检修警报，还能根据护舷长期使用情况，对于较为疲劳的护舷提供维护建议，尽量减少事故隐患，提高港口效率。

4．本实用新型可置于护舷前部结构防冲板的内部或外挂安装，兼顾现有码头的信息化改造。

5．本实用新型结构简单，使用和维护方便，适合推广；可预留多种输入输出接口，具有良好的扩展性能；装置成本达到了现代码头建设的实用化水平。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的安装结构示意图。

图2是实施例一的整体系统监控示意图。

图3是实施例一的架构功能框图。

图4是实施例一的能耗管理休眠唤醒策略框图。

图5是实施例一的控制单元的数据处理过程框图。

图6是实施例一的中央控制计算机的数据处理过程框图。

其中：1、传感器；2、电缆导管；3、外置天线；4、监测控制箱；5、扩展电源；6、防冲板；7、护舷本体；8、锚链。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：一种智能护舷运动姿态监测装置，包括监控端组件和中央控制端组件，所述监控端组件包括传感器单元、控制单元和通信单元，所述中央控制端组件包括通信单元和中央控制计算机。

参见附图1所示，护舷本体7的一端与码头连接，另一端经法兰盘与防冲板6连接，防冲板上连接有多个锚链8。

控制单元和通信单元设置在监测控制箱4中，与扩展电源5、传感器单元分别安装于护舷防冲板内部，传感器单元根据精度要求设置有二至四个不等的传感器1，各传感器分散布置，分别通过设在电缆导管2中的预埋线缆将信号汇集到所述控制单元处；通信单元采用无线通信模块，其天线为外置天线3。本实施例中，传感器采用九自由度惯导器件。

所述控制单元可配快速更换的模块式电池箱，即扩展电源，满足超长时间待机等特殊需要并可在必要时随时更换电池；所述电源为蓄电池或锂电池中的一种。所述控制单元预留了电源接口，未来可以加装其他电源组件，利用太阳能，潮汐能，风能，电热或振动电池自行供电。

参见附图2和附图3，可以在每个护舷处加装监控端组件，与中央控制端一起，构成整体监控系统。

参见附图4，为节能，设置有振动传感器，在大型船只靠岸时，接触到护舷，引起振动，唤醒控制单元，对传感器单元进行供电操作。

参见附图5和附图6，各传感器取得电源后打开，将高速采集的九自由度信息滤波采集后，传输至控制单元作本地化运算。该控制单元综合所有传感器数据，计算出防冲板三维姿态以及运动状态后，实时将数据无线发射至中央控制端。一旦监测到护舷姿态有异常，中央控制计算机将及时发布靠岸事故及护舷损坏报警，报警可以经由电脑屏幕，电邮，短消息，大屏幕显示屏，声光报警器等发布。

待船只靠岸结束进入系泊阶段，传感器单元陆续转为低功耗模式，根据可调的条件，采集关键风浪振动数据并保存于控制单元中，每小时集中将数据无线传输到中央控制计算机。中央控制计算机综合护舷产品型号以及性能，累计护舷疲劳数据，根据可调的预设条件，发出护舷维护建议。

在船只离岸后，控制单元将切断传感器的供电信号，并将自身转为低功耗模式，进一步提高对现场电池组件的利用率。

本实施例可提供多泊位船舶靠岸冲击宏观即时监测，即时警告靠岸事故并提供定性依据；提供自动护舷维护建议，减少维护不当造成的停工损失，通过提高港口安全维护标准，保障港口效率；同时以较低成本和极少维护，精确可靠地提供即时全泊位的详细护舷系统状态（吸能，反力，三维速度位移角度等），数据精确到单体护舷和单套护舷系统；能够为长期码头结构设计分析，船舶设计分析，航行行为分析等学术领域提供靠岸冲击历史数据库。采用无线传输，电池供电，码头前沿除了少数无线接收装置，无需安装任何设备；对于现有码头操作没有任何影响；维护工作可基本忽略不计。

适用于所有具有前部结构（如防冲板或管桩）的主流护舷系统之上，有全新安装和现有系统改装两种方案。

本实用新型所属的船舶靠岸冲击监测系统BIM，填补了现有港口靠泊监控技术的空白，与现有的靠泊智能系统，如辅助系统BSM（用于船舶靠岸姿态监测和预警），缆绳拉力检测系统MLM（用于船舶系缆拉力监测），港口环境检测系统MEM（靠岸系缆相关的风，流，潮位，气温，危险气体监测）以及远程快脱钩控制系统ACM（用于船舶缆绳脱缆自动化），可在统一的MMCS平台下无缝集成，以提供港口靠泊安全一揽子解决方案。

Claims (6)

1.一种智能护舷运动姿态监测装置，包括监控端组件和中央控制端组件，所述监控端组件包括传感器单元、控制单元和第一通信单元，所述中央控制端组件包括第二通信单元和中央控制计算机，其特征在于：所述传感器单元由安装于待监测的护舷的防冲板上的至少2个传感器构成，所述传感器为至少具有6自由度的惯导器件，各传感器在防冲板内侧分散布置；所述第一通信单元和第二通信单元由无线通信模块构成。

2.根据权利要求1所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于：所述惯导器件至少由加速度传感器和角速度传感器构成，至少具有上下，左右，前后，航向角，俯仰角，横滚角6个自由度，构成基本测量单元。

3.根据权利要求2所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于：所述惯导器件中还设有磁阻传感器，并具有地磁角X，地磁角Y，地磁角Z这3个测量自由度，构成9自由度惯导器件。

4.根据权利要求1所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于：所述监控端组件中，还设有振动传感器并与所述控制单元连接。

5.根据权利要求1所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于：所述传感器单元、控制单元和第一通信单元设于防冲板的内部。

6.根据权利要求1所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于：所述传感器单元、控制单元和第一通信单元具有外挂壳体，安装在防冲板的内侧面上。

Images