多用途船船体应力监测系统布置

殷华兵

（中远海运特种运输股份有限公司，广州510623）

0 前 言

中国船级社（CCS）2016 年3 月生效的《智能船舶规范》 对智能船附加标志i-Ship（Nx、Hx、Mx、Ex、Cx、Ix）的技术要求做了详细的描述。 目前市场上有少数新造船已经获得i-Ship（Nx、Mx、Ex、Ix）部分船级符号，但取得智能船体i-Ship（Hx）和智能货物管理i-Ship（Cx）船级符号的却很少，其主要原因在于相关技术处于研究阶段，尚不成熟。 智能船体是基于船体数据库的建立与维护，为船体全生命周期内的安全和结构维修保养提供辅助决策，同时还可以通过船体相关数据的自动采集与监测，提供船舶操纵的辅助决策。 船体监测及辅助决策系统包括船体监测系统和航行辅助决策系统，可以对船体结构应力、船舶运动状态、船舶装载以及海况、航向、航速等数据进行采集、储存、分析和显示。 当这些数据的变化超过了预设临界值时，系统发出警告，并提供指导船舶航行操作的辅助决策［1］。

某新型多用途船主要用于装载超宽、超重、超大货物（如机车车厢）和包装货（如纸浆包），在主甲板舱盖面上可以装载超长、超大尺寸货物（如风电塔筒和风叶）。 在航行工况下，这些特种货物会给船舶结构安全带来一定的挑战。 以CCS《智能船舶规范》为指导，该型船上设计安装了船体应力监测系统，能实时采集和监控货舱乃至整个船体的结构总纵强度、关键区域船体应力、艏部砰击及船舶运动加速度等参数，对评估船舶航行状态下的船体结构安全以及货物安全有着重要的积极意义，通过实船数字模型构建、数据收集、实时处理等研究，探索数字孪生技术在智能船舶上的应用前景。

1 船体应力监测系统布置方案

1.1 某型多用途船船体结构特点

该型多用途船共有6 个货舱，其中1 舱和6 舱由于线型收窄原因设置了台阶结构。 典型横剖面图（局部）如图1 所示。 双层底和舷侧结构均采用纵骨形式，并设有连续纵桁材。 双层底结构中间为管弄，双舷侧结构中设有2 层平台甲板及1 个永久检修通道（PMA 通道）。 双层底强框间距为3 档肋位，舷侧强框间距在二甲板以下为3 档肋位、二甲板以上为6 档肋位。 货舱区域采用了双底双壳大开口箱型结构形式［2］，纵向舱口围在货舱范围内保持连续，增加了总纵强度。

图1 典型横剖面图（局部）

货舱结构舱段有限元计算，能同时满足CCS 散货船和集装箱船两大不同船型规范要求，极大地提高了该型船舶的安全可靠性。 舱段有限元模型如图2 所示，主甲板舱口角隅、二甲板与横舱壁连接处等是该轮船体结构的关键区域，对这些区域的船体结构进行了有限元细化分析，部分构件型式和尺寸进行了优化。 为了保证了特种货物装载需求，在主甲板舱口端部纵横舱壁交汇连接处取消了舱口角隅肘板，采用特殊的负角隅结构［3］，大大改善了角隅处的疲劳强度。 为了保证货舱内舱壁平整，便于货物装卸及清理，在横舱壁平台与二甲板相交处通过增加板厚来满足结构强度要求，避免在舱壁上增设过渡肘板。

图2 货舱段有限元计算模型

1.2 船体应力监测系统硬件架构

船体应力监测系统的逻辑架构由系统层、应用层和支撑层组成，如图3 所示。 系统层包括大的信息采集系统、数据交换和通信（智能集成平台、VAST和岸基）系统、控制系统和数据库系统。

应用层由应力采集分析模块、信号采集箱、强度评估模块、状态监测模块、信息和评估数据库等处理单元组成，船员可以比较直观地在应用层得到相关信息，实现了实时数据的初始化和历史记录查询、存储、打印、分析等功能。

图3 船体应力监测系统架构图

支撑层主要由硬件组成。 为了获得船体结构应力、海面波浪和船舶航行参数等数据，需要在全船布置长基线应变传感器、应力传感器、倾角传感器、加速度传感器等。 智能船集成平台的AMS、VDR、倾斜仪、X 波段雷达、 风速风向仪、 装载仪、 船舶吃水、DGPS 航速信息等数据通过网络接口与船体应力监测系统共享。

整个船体应力监测系统的设备在船上具体布置如下：

1） 数据处理和显示单元安装在驾驶室，包括：电脑、鼠标、键盘、显示器、打印机、报警装置；

2）UPS 安装在驾驶室；

3）信号采集箱安装在甲板；

4）1 个倾斜仪安装在驾驶室；

5）1 个加速度传感器安装在艏部缆索舱；

6）6 个长基线应变仪和8 只单向应变仪安装在甲板上。

需要特别说明的是：船体结构应力监测点的布置是保证船体应力监测系统能有效监测整个船舶结构应力分布和关键区域应力变化的根本保证［4］。长基线应变传感器主要用于测量船体梁的应力，应力传感器主要安装在横舱壁与主甲板的舱口负角隅结构、二甲板与横舱壁连接处等船体结构的关键区域，加速度传感器安装在船艏的缆索舱能更精准地测量船体姿态和船艏加速度，加速度数据主要用于砰击计数。 上述传感器是在对多用途船船体结构特点进行分析的基础上进行布置的，这些传感器是应力监测系统核心关键元器件，具体布置如图4 所示。

图4 应力传感器在多用途船上布置示意图

2 船体应力监测系统软件功能

船体应力监测系统分为船舶系统和岸基系统，软件大部分功能是船岸协同一体的，可以实现如下功能：

1）初始参数设定修改。用来输入船舶基本信息，传感器安装位置信息，长基线应变仪的初始值校准和校零，应力报警值的设置；

2）船体纵向应力实时值显示，并有报警值标志，超过报警值后，软件界面出现红色报警，同时向接入软件的声光报警装置发送信号；

3） 历史应力值趋势显示，展示最近4 个小时的应力统计值，5 min 刷新1 次，显示1 个数据；

4） 显示静水和波浪状态下弯矩值，沿船长方向预测的各部分弯矩值；

5） 实测弯矩值与装载计算机计算值互相比较，与装载计算机进行数据通信；

6） 传感器测量值的数据统计显示，分别为最大值、最小值、平均值、标准偏差、偏度、峭度、平均跨零周期；

7）疲劳强度分析。采用循环计数法中的雨流计算法，统计疲劳循环次数；

8）船首砰击计数。利用加速度传感器监测到的数据和阈值数据进行比较，统计船舶遭受到的砰击次数；

9） 船舶运动参数的显示，船舶实时的纵横倾角度及浮态；

10） 切换到波浪监测模块。 解析船舶周围海域的波高、波长、波周期、浪向，可用于船舶应力状态的预测。

上述功能也可以根据需要划分1、2、3 三个等级，根据不同船型对功能需求侧重点不同，可以选择不同的软件功能，同时这些软件可以更新迭代，具体如表1 所示。

3 船体应力监测系统与数字孪生技术

数字孪生技术［5］，顾名思义，是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段来构建一个数字世界中一模一样的实体，藉此来实现对物理实体的了解、分析和优化。数字孪生技术是智能船体的关键技术。

现代船舶设计已经广泛采用有限元（FEM）和计算流体动力学（CFD）等软件进行建模、计算分析，优化关键区域结构和构件，提高设计效率，降低建造成本。 然而，当船舶建造完毕，这些在船舶设计阶段的模型往往被束之高阁，在船舶全生命周期管理中没有起到应有的作用。 船体应力监测系统可以有效整合这些设计模型资源，利用混合孪生技术，将多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程在虚拟空间中完成映射和互联，结合其他智能化分析手段，将可以指导船舶管理人员判断在不同海况、不同装载工况下的船体结构安全、船舶振动等进行综合评估，并对发展趋势进行预测和报警。利用数字孪生技术，可以实现船舶全生命周期内的管理。 在实船运营中将定期从船端发回波浪监测数据、典型部位船体梁应力、关键区域结构应力等数据，结合在设计和审图阶段建立的全船结构有限元模型，实现数字化模型完全模拟实船环境的行为。 船舶在风、浪、流以及各种恶劣海洋环境下，船体应力监测系统可以增强船舶抵抗风险的能力，提高船舶在大风浪等环境中的航行安全性。 同时，船舶航行中长期积累的实船监测数据可形成专家数据库，在船舶需要坞修时能提供关键数据，有助于船舶的全寿命周期保障服务。

表1 船体应力监测系统软件功能

实船和有限元模型组成的孪生体是一个动态模型构建过程，会随着船舶的运营而实现数据的产生、增加和不断演化［6］。 船体应力监测系统在实船营运过程中不断迭代优化，结合大数据和机器学习技术，可以对船舶进行疲劳寿命的预测。每个航次结束后，通过传输完整航次的监测应力数据和环境数据，对模型进行优化修改，从而快速分析船舶所受疲劳情况。 这些不断优化迭代的数据可以对船舶设计阶段的有限元模型进行优化，为提升未来船舶设计优化提供更多的数据支撑。

4 结 语

本文分析了多用途船结构特点，重点介绍了船体应力监测系统的构架和功能，并根据船舶典型结构特点来实船布置应力传感器测点，尤其是长基线应变传感器和应力传感器的布置。 结合CCS 智能船舶规范i-Ship（Hx、Mx）的要求，以获取智能船舶符号为目标，在多用途船实船上安装了船体应力监测系统，并且将全船有限元模型作为反演数据的基础。同时，该系统通过船舶智能平台实现船舶系统平台之间、船舶与岸基的通信，并通过软硬件基础建设，为将来智能平台自主学习打下基础。 后续将通过实船运营，开展以下研究工作：

1） 实船安装和运行船体应力监测系统，验证实船布置的测点与有限元模型计算中该测点应力值的接近程度，利用交叉验证的方式，最终的目标是将误差控制在10%之内。

2） 接收船端定期发回的典型部位船体梁应力、局部应力等传感器监测数据，结合全船结构有限元详细模型，使实船和模型形成数字孪生，解决实船船体强度评估分析，研发基于混合孪生技术的船舶结构安全性综合评估软件。

3） 通过混合孪生技术和船舶结构安全监测技术的结合，形成一套对船舶结构疲劳强度、营运生命周期等进行评估的方法，运用于大开口货舱舱口角隅处存在高应力区域的多用途船舶，达到运用最少的传感器设备能够监测全船结构应力的目的，为保障船舶全生命周期安全运营提供技术支撑。

4） 研究多用途船装载超重、超高、超宽、超长货物在不同海况下对船体结构的影响，从而指导多用途船舶对重大件货物的装载。