CN208476203U - 大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，包括用于检测系船柱表面关键部位应变值的检测单元和与检测单元相连的处理单元；所述检测单元为光纤光栅传感器组件；所述光纤光栅传感器组件包括至少5个光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅应变传感器依次串联，并均匀分布在系船柱表面的关键部位；所述系船柱表面的关键部位为系船柱根部靠岸侧130°的周向范围部分；本实用新型采用系缆力作用下系船柱关键部位的应变值作为监测参数，直接、细致、全面的反映复杂系缆力作用下系船柱自身的结构受力状态；此外，本系统结构简单、布置方便，可同时监测多个系船柱的安全状态，不影响系缆工艺，使用寿命长、可靠性高、实用性强。

Description

大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种船舶监测技术领域，具体涉及一种大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统。

背景技术

系船柱用于将船舶停靠时的系缆力传递给码头结构，是码头上不可或缺的附属设施之一。船舶不规范系泊、风浪流等作用引起的船舶摇摆等均会引起系缆力异常，一旦系缆力超过设计值，就会导致系船柱结构发生破坏，进而导致船舶脱缆的严重安全事故，因此对系船柱安全状态进行监测具有重大工程价值。系船柱安全状态的监测主要是对系船柱受力状态的监测。现有的对系船柱受力状态的监测装置主要分为两种：第一种装置是利用安装组件将拉力传感器固定在缆绳上，使拉力传感器处于张紧状态，并使缆绳处于松弛状态，该装置虽然可以直接测得系缆力，但监测装置尺寸大，传感器安装繁琐，影响船舶正常系缆工艺流程，特别是对于大型码头，可操作性不强；且该装置仅能测得单根缆绳上的系缆力数值大小，一个系船柱上通常有多根缆绳，多根缆绳作用力的矢量叠加才是最终作用在系船柱上的力，仅测得多根缆绳作用力的数值大小，而不知道力的方向，无法利用该方法判断系缆力是否超过设计值，从而也就无法确定系船柱安全与否；第二种装置是在系船柱表面贴应变片，基于材料力学原理计算系缆力，该装置中的系缆力计算公式中除了需要知道表面测点的应变外，还需要知道缆绳系缆高度，而系缆高度每次系泊时都不一样，实际操作存在困难，实用性差，且码头环境恶劣，对应变片的损耗比较大，不适合长期持续监测。此外，目前对系船柱安全状态进行监测的装置主要是对单个系船柱或者少数几个系船柱进行监测的装置，而没有对一定数量规模的系船柱的安全状态数据进行监测的装置。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供一种大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，采用系缆力作用下系船柱表面关键部位的应变值作为监测参量，直接、细致、全面的反映复杂系缆力作用下系船柱自身的结构受力状态；此外，本系统结构简单、布置方便，可同时监测多个系船柱的安全状态，不影响系缆工艺，使用寿命长、可靠性高、实用性强。

本实用新型提供一种大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，包括安装在所述系船柱表面用于检测系船柱表面关键部位应变值的检测单元和与检测单元相连用于对检测单元输出信号进行处理的处理单元；

所述检测单元为光纤光栅传感器组件；所述光纤光栅传感器组件包括至少5个光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅应变传感器依次串联；

所述光纤光栅应变传感器均匀分布在系船柱表面的关键部位；

所述光纤光栅传感器组件的输出端接入处理单元；

所述系船柱表面关键部位为系船柱根部靠岸侧130°的周向范围部分。

进一步，所述光纤光栅应变传感器的长度方向与系船柱的轴线平行。

进一步，所述处理单元包括光路切换模块、解调模块和主机；

所述光路切换模块的输入端与光纤光栅传感器组件输出端连接，用于接收多个光纤光栅传感器组件的输出信号；所述光路切换模块的输出端与解调模块的输入端连接，用于对光纤光栅传感器组件的输出信号进行切换选择，并传输到解调模块进行信号解调；

所述主机和光路切换模块通信连接，用于控制光路切换模块的切换选择操作；

所述主机的输入端与解调模块的输出端连接。

进一步，所述光路切换模块包括若干个光开关、和至少1个控制器；

所述光开关为1×N光开关，所述1×N光开关包括N个输入端口和1个输出端口，所述光开关的输入端口与光纤光栅传感器组件的输出端一一对应连接；所述光开关的输出端口与解调模块的输入端连接；

所述若干个光开关的控制端口并联连接后，接入控制器；

所述控制器和主机均连接有通信模块，所述控制器与主机通过各自连接的通信模块通信连接。

进一步，所述控制器为单片机或DSP芯片。

进一步，所述通信模块为无线通信模块。

进一步，所述解调模块为光纤光栅解调仪。

进一步，所述处理单元还包括报警模块；所述报警模块的输入端与主机的输出端连接，用于接收主机输出的报警控制信号并进行报警。

本实用新型的有益效果：本实用新型采用系缆力作用下系船柱关键部位的应变值作为监测参量，直接、细致、全面的反映复杂系缆力作用下系船柱自身的结构受力状态；此外，本系统结构简单、布置方便，可同时监测多个系船柱的安全状态，不影响系缆工艺，使用寿命长、可靠性高、实用性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为布置有光纤光栅传感器组件的系船柱的俯视图；

图2为布置有光纤光栅传感器组件的系船柱的剖视图；

图3为船舶缆绳系在系船柱上的示意图；

图4为缆绳变化范围示意图；

图5为系船柱安装位置的示意图；

图6为系船柱保护罩安装示意图；

图7为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型提供一种大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，包括安装在所述系船柱1表面用于检测系船柱表面关键部位应变值的检测单元和与检测单元相连用于对检测单元输出信号进行处理的处理单元；

所述检测单元为光纤光栅传感器组件；所述光纤光栅传感器组件包括至少5个光纤光栅应变传感器2，所述光纤光栅应变传感器2依次串联；

所述光纤光栅应变传感器2均匀分布在系船柱1表面的关键部位；

所述光纤光栅传感器组件的输出端接入处理单元；

所述系船柱表面的关键部位为系船柱根部靠岸侧130°的周向范围部分。

通过上述系统，采用系缆力作用下系船柱1关键部位的应变值作为监测参量，直接、细致、全面的反映复杂系缆力作用下系船柱自身的结构受力状态；此外，本系统结构简单、布置方便，可同时监测多个系船柱1的安全状态，不影响系缆工艺，使用寿命长、可靠性高、实用性强。

如图3所示，船舶3停靠在码头前沿4，缆绳5用于连接船舶3和系船柱1。进一步，根据《码头附属设施技术规范》(JTS 169–2017)，船舶首、尾缆水平投影与船舶3纵轴所成的夹角β宜为30°～45°，但不得小于25°。所述船舶3纵轴在船舶3停靠在码头时与码头前沿4平行。如图4所示，由此，可以得到缆绳5水平投影角变化范围为130°，所述缆绳5牵拉系船柱，使系船柱受到的系缆力出现与缆绳5水平投影角相反的方向范围内，即系船柱1根部靠岸侧130°的周向范围内，因此，将光纤光栅应变传感器2布置在系船柱1根部靠岸侧130°的周向范围内。

同时，通过有限元分析发现，系船柱1根部靠岸侧为应力集中区域，应变最大，而所述最大应变的值直接反应系船柱1的安全状态，故将系船柱1根部靠岸侧130°的周向范围作为系船柱1关键部位，将光纤光栅应变传感器2均匀分布并固定在系船柱根部靠岸侧130°的周向范围内，对系船柱1表面应变进行检测。

所述均匀分布是指以所有光纤光栅应变传感器2的安装点所在平面与系船柱1轴线的交点为基准点，任意2个相邻光纤光栅应变传感器2的安装点与基准点连线的夹角相等。

本实施例中，所述系船柱1包括底盘6、柱颈7和柱帽8；所述柱颈7固定于底盘6顶部，且柱颈7与底盘6同轴设置，所述柱帽8固定于柱颈7顶部，且柱帽8的帽沿向靠岸侧延伸；所述系船柱1根部为柱颈7与底盘6连接处的外表面；所述底盘6通过安装组件9固定在码头上，此为现有技术，在此不赘述。

本实施例中，所述离岸侧为远离码头陆域的一侧。所述靠岸侧为靠近码头陆域的一侧。如图5所示，系船柱位于码头前沿4和陆域之间。

本实施例中，采用改性环氧胶将光纤光栅传感器组件粘接固定在系船柱1的根部，或采用电流焊工艺将光纤光栅传感器组件固定在系船柱1的根部。

本实施例中，光纤光栅传感器组件包括5个光纤光栅应变传感器2。5个光栅应变传感器2均匀设置在系船柱1的根部，且所述光栅应变传感器2均匀分布于系船柱1根靠岸侧130°的周向范围内，且紧贴柱颈4表面。

以所有光纤光栅应变传感器2的安装点所在平面与系船柱1轴线的交点为基准点，任意2个相邻光纤光栅应变传感器2的安装点与基准点连线的夹角均为32.5°。而位于两端的光纤光栅应变传感器2在所有光纤光栅应变传感器2的安装点和柱颈7轴线的连线与码头前沿线4的夹角分别为25°和155°。本实施例中，在所述光纤光栅传感器组件的检测环境内还设置有与光纤光栅传感器组件串联的光纤光栅温度传感器10。所述光纤光栅温度传感器10通过扎带绑扎方式固定在光纤光栅传感器组件的检测环境内。所述光纤光栅温度传感器10用于对光纤光栅应变传感器2进行温度补偿，以避免周围温度对光纤光栅应变传感器2的检测精度的影响。所述光纤光栅传感器组件包含的光纤光栅应变传感器2数量越多，检测精度越高，布置5个光纤光栅应变传感器2，保证了检测精度在误差允许的范围内。

进一步，所述光纤光栅应变传感器2的长度方向与系船柱1的轴线平行。通过上述系统，可获得用于计算系船柱1的轴向方向的应变值的数据。

进一步，本实施例中，如图6所示，所述光纤光栅传感器组件和光纤光栅温度传感器10固定安装在系船柱1根部，在光纤光栅传感器组件和光纤光栅温度传感器10的外侧外罩有保护罩11，所述保护罩11固定在系船柱1根部，用于保护光纤光栅传感器组件和光纤光栅温度传感器10不受水汽侵蚀和外力破坏。

进一步，如图7所示，所述处理单元包括光路切换模块、解调模块和主机；

所述光路切换模块的输入端与光纤光栅传感器组件输出端连接，用于接收多个光纤光栅传感器组件的输出信号；所述光路切换模块的输出端与解调模块的输入端连接，用于对光纤光栅传感器组件的输出信号进行切换选择，并传输到解调模块进行信号解调；

所述主机和光路切换模块通信连接，用于控制光路切换模块的切换选择操作；

所述主机的输入端与解调模块的输出端连接。

所述光路切换模块包括若干个光开关、和至少1个控制器；

所述光开关为1×N光开关，所述1×N光开关包括N个输入端口和1个输出端口，所述光开关的输入端口与光纤光栅传感器组件的输出端一一对应连接；所述光开关的输出端口与解调模块的输入端连接；

所述若干个光开关的控制端口并联连接后，接入控制器；

所述控制器和主机均连接有通信模块，所述控制器与主机通过各自连接的通信模块通信连接。

所述控制器为单片机或DSP芯片。所述通信模块为无线通信模块。所述解调模块为光纤光栅解调仪。

本实施例中，大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统对具有4个泊位的码头进行监测。所述每个泊位具有16个系船柱，所述4个泊位一共具有64个系船柱。所述64个系船柱各自布置了一组光纤光栅传感器组件，64个系船柱共需布置64组光纤光栅传感器组件。

所述光开关选用1×4光开关，所述1×4光开关包括4和输入端口和1个输出端口。

本实施例中，所述光纤光栅解调仪选用16个通道的光纤光栅解调仪，所述单片机选用STM32单片机、或AT89CXX系列单片机、或MSP430系列单片机。所述1×4光开关的输入端口与光纤光栅传感器组件的输出端一一对应连接，共需安装16个1×4光开关。16个1×4光开关的输出端口与光纤光栅解调仪的16个通道的输入端一一对应连接。16个1×4光开关的IO控制端口并联在一起，接入单片机2个IO接口上。所述主机通过无线通信模块向单片机发送传输通道切换信号，由单片机对传输通道切换信号解析后，通过单片机2个IO接口发送控制信号给16个1×4光开关，控制每个1×4光开关中其中1路光纤光栅传感器组件的输出信号的传输通道导通，将该光纤光栅传感器组件的输出信号传输到光纤光栅解调仪的其中一个通道，而另外3路光纤光栅传感器组件的输出信号的传输通道断开。上述控制信号通过单片机的现有功能即可产生。通过上述结构，设置光开关对光纤光栅传感器组件检测到的多路信号进行选择传输，解决了光纤光栅解调仪通常只有8通道或16通道，无法同时解调超过16路的信号的问题，实现了解调通道的分时复用，节省了资源。

本实施例中，所述光纤光栅应变传感器2检测到的系船柱1表面关键部位应变值是以中心波长的形式进行记录和传输的；所述解调模块是对光纤光栅传感器组件和光纤光栅温度传感器10中的中心波长数据进行解调，并将解调后的中心波长数据发送到主机。

本实施例中，所述主机为监测控制中心的主机或服务器，所述主机可控制光路切换模块的切换时序、根据解调后的中心波长数据计算得到系船柱的应变值，并根据应变值的大小判断系船柱的安全状态。所述主机通过事先内置的现有算法完成上述3种功能。

所述处理单元还包括报警模块；所述报警模块的输入端与主机的输出端连接，用于接收主机输出的报警控制信号并进行报警。

所述主机根据根据应变值的大小判断系船柱的安全状态，并根据判断结果向向报警模块发送报警控制信号，控制报警模块报警。

本实施例中，所述该系船柱外壳铸钢型号为ZG230-450，屈服强度为230MPa，弹性模量按200GPa估算，屈服强度对应的应变值为1150με，考虑30％的安全裕量，分级预警最大容许应变控制值可设定为805με。通过数值仿真，得到本系船柱1500KN缆力作用下的最大应变值为779με，与根据屈服强度值计算的最大应变控制值基本一致。结合系船柱外壳屈服极限与数值仿真分析结果，制定如表1所示的系船柱安全状态分级预警策略。

表1

等级	应变范围	紧急程度	颜色标识
				I级	>800με	特别严重	红色
II级	(700με,800με]	严重	橙色
				III级	(600με,700με]	较重	黄色
IV级	≤600με	一般(正常)	蓝色

不同结构参数系船柱的应变预警值，应根据本方法进行具体分析。

本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”、“外”、“平行”、“水平”、“竖直”、“长度方向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，其特征在于：包括安装在所述系船柱表面用于检测系船柱表面关键部位应变值的检测单元和与检测单元相连用于对检测单元输出信号进行处理的处理单元；

所述检测单元为光纤光栅传感器组件；所述光纤光栅传感器组件包括至少5个光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅应变传感器依次串联；

所述光纤光栅应变传感器均匀分布在系船柱表面的关键部位；

所述光纤光栅传感器组件的输出端接入处理单元；

所述系船柱表面的关键部位为系船柱根部靠岸侧130°的周向范围部分。

2.根据权利要求1所述的大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器的长度方向与系船柱的轴线平行。

3.根据权利要求2所述的大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，其特征在于：所述处理单元包括光路切换模块、解调模块和主机；

所述光路切换模块的输入端与光纤光栅传感器组件输出端连接，用于接收多个光纤光栅传感器组件的输出信号；所述光路切换模块的输出端与解调模块的输入端连接，用于对光纤光栅传感器组件的输出信号进行切换选择，并传输到解调模块进行信号解调；

所述主机和光路切换模块通信连接，用于控制光路切换模块的切换选择操作；

所述主机的输入端与解调模块的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，其特征在于：所述光路切换模块包括若干个光开关、和至少1个控制器；

所述光开关为1×N光开关，所述1×N光开关包括N个输入端口和1个输出端口，所述光开关的输入端口与光纤光栅传感器组件的输出端一一对应连接；所述光开关的输出端口与解调模块的输入端连接；

所述若干个光开关的控制端口并联连接后，接入控制器；

所述控制器和主机均连接有通信模块，所述控制器与主机通过各自连接的通信模块通信连接。

5.根据权利要求4所述的大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，其特征在于：所述控制器为单片机或DSP芯片。

6.根据权利要求5所述的大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，其特征在于：所述通信模块为无线通信模块。

7.根据权利要求6所述的大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，其特征在于：所述解调模块为光纤光栅解调仪。

8.根据权利要求3所述的大型港工设施系船柱结构安全状态监测系统，其特征在于：所述处理单元还包括报警模块；所述报警模块的输入端与主机的输出端连接，用于接收主机输出的报警控制信号并进行报警。