DNV船体监控系统的分析及运用

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

船舶在海上航行时，由于各种损伤的存在，对船体结构强度有着极大的考验，特别是大型船舶很容易发生海损事件。船东和航运公司越来越重视运营船舶的结构安全，各大船级社也陆续发布关于船体监控系统的规范，充分体现了船舶加装此系统的重要性和必要性。近几年对大型船舶订单均考虑加装船体监控系统。例如,40万t矿砂船和20 000 TEU集装箱船加装了船体监控系统，实现了实时监控船体结构状态，可及时给出安全预警，提高了船舶航行的安全性。

1 DNV船籍符号HMON的解读

HMON(hull monitoring systems)是DNV船级社关于船体监控系统的船籍符号，授予安装了监控船体应力、海况和操作参数的船舶。当船舶应力水平和加速度等值超过设定值，需要采取措施进行调整时，系统会发出报警，可以让船长及时知晓船舶状态，调整航速或者航向，修改装载计划，降低船舶航行风险，提高安全性。系统长期记录的历史数据，可以用于航次航线优化和研究。

各船级社针对船体监控系统的船籍符号都不尽相同。例如，LR船级社船体监控系统的船籍符号为SEA(Hss-4)；CCS船级社对应的船籍符号为HMS；而DNV船级社对应的船籍符号为HMON，还用字母代表附加符号，不同的字母表示此系统包含了何种类型的传感器，传感器数量或者具有的特性。在DNV规范Part6, chapter11中有详细说明，附加符号中14个字母对应不同的含义[1]。

DNV规范的HMON船籍附加符号内容全面，针对性强，要求明确详尽，对整个系统的功能、主要设备构成、数据处理、数据储存都提出了具体要求。其中对强制和推荐配备的最低传感器数量要求也有明确说明。对于不同船型和船长，布置传感器的数量和位置都有所不同。以散货船为例，装载计算机的接口和安装在船舯左右舷的应力传感器为强制要求，安装在离船舯1/4船长(左舷或者右舷)的应力传感器为推荐要求。船东可以根据实际需求的选取其中的一个或者多个字母作为附加符号，例如HMON(G4, A1, W1)表示船舶需要安装4个应力传感器，1个加速度传感器和1套风速风向仪。

2 实船应对方案

对于超大型船舶，高强度钢的大范围使用，船体梁相对刚度降低，就会造成水弹性效应明显增大。而且40万t矿砂船具有艏部平底的线型特点，航行时会引起较为严重的艏部砰击，对船体结构疲劳强度和极限强度都是很大的考验。安装船体监控系统可以实时监控船体应力，运动姿态和浮态，超过临界值会给出报警，船员可以结合海况信息调整装载或者改变航线，来确保船舶结构安全[2]。

2.1 系统概述

通常吨位比较大的油船和集装箱船会考虑配备船体监控系统，但一般只安装船体应力传感器和加速度传感器，也无需取得船级社的船籍符号。本公司承接的40万t超大型矿砂船需要满足DNV的HMON(G4,C1,W1,O1,A1,S1,E1)，其中船籍附加符号S1比较特殊，此前的船舶建造未涉及，在方案选择和寻找满足要求的供应商上都有一定的难度。为了能满足此船籍符号，将系统原理[3-4]绘于图1。

图1 船体监控系统组成

此系统主要由船体应力和海浪监控两大子系统组成。

船体应力系统需要满足附加符号G4,C1,W1,O1,A1,E1的要求。其中安装4个应力传感用于满足G4的要求，安装1个加速度传感器为了满足A1的要求，船体应力系统还通过连接箱采集各种外部信号，包括装载状态、风速风向、DGPS及主机转速等，来满足其余的附加符号的要求。船体应力系统一方面将采集的应力和加速度信号传输给VDR用于记录，另一方面将所有采集的信号传输给处理单元进行计算、统计，并在显示器上显示应力值，弯矩，装载状态，统计数据，砰击值，疲劳强度等数据。当数值超过设定报警值时，会给出声光报警。

海浪监控系统是为了满足S1的要求而设置的。系统通过图像转换装置接收外接设备传输的海浪信号，将图像信号预处理后传输给处理单元，经过计算后得出海浪的各种参数并在计算机显示。根据DNV规范，整个系统还配备了UPS，以满足当主电源失电后，系统能维持至少10 min供电的要求。

2.2 船体应力系统

2.2.1 应力传感器

目前应力传感器的类型有三种[6]：电阻应变式传感器、光纤光栅传感器[7-8]和直线位移传感器，40万t矿砂船选用的就是直线位移传感器。根据DNV要求，大型矿砂船要用长基线应力传感器(LBSG)，标尺长度为2 m，数量为4个。规范不仅对传感器选型和数量有要求，对安装位置也有明确要求，船舯左右舷各1个，离船艏和船艉1/4船长处各1个。结合40万t矿砂船的实际情况，右舷甲板为船舶主通道，不易布置过多设备，故将离船艏艉1/4船长处的传感器布置在左舷。传感器的精确定位还需要根据甲板面的实际布置情况，首先要避开其他设备，尤其是大物件，其次是避开板缝[5，9]。最终4个传感器的肋位号分别为Fr.70P, Fr.110P, Fr.110S, Fr.150P。应力传感器的布置位置见图2。

图2 传感器布置示意

2.2.2 加速度传感器

加速度传感器布置在艏部水手长储藏室中线位置，此加速度传感器为单片加速度传感器，量程为(+、-)4倍的加速度。传感器可以测出船舶移动造成的艏部加速度。测量的加速度与速度阈值相比较，可表明在波涛汹涌的海水中艏底受到冲击的概率。

2.2.3 倾斜仪

安装在驾控台的倾斜仪为双轴电解倾斜传感器，用于监控船舶横摇和纵摇的角度，此传感器可以测量在4 Hz频率范围内倾斜角高达20°。在监测系统的运动和砰击界面中，有船体横摇和纵摇角度的模拟动画，动画的周期和测量所得的横摇纵摇数量一致，砰击计算结果也在此界面显示。

2.3 海浪监控系统

为了满足船籍附加符号S1，船舶必须有监控海况的能力，通常会装载海浪监控系统，系统主要由海浪分析控制单元，雷达扫描转换装置，海浪监控处理器等组成。除了上述设备，还需要采集海况信息的设备与之配合使用，目前能采集海况信号的手段有多种，主要是雷达，卫星，浮标形式等，详见表1。

表1 海况信息采集方案比较

通过卫星输送海况信号虽然有信息全面的特点，但是接收信息会因为网络速度有限产生延时，最致命的一点就是成本太高，还需要耗费流量。浮标是比较传统的测量方式，准确度最高，但机动性太差，只能在相对固定的海域进行测量，而且很容易损坏和丢失，不适于在远洋船舶中使用。利用雷达进行海况信息采集，具有信息准确度相对较高，机动性，时效性都很强的特点。一般海况雷达有X波段和C波段两种雷达可选，而大多数船舶X波段雷达都作为标准配置，故从经济性角度考虑，选用X波段雷达作为海况信息采集装置更为合理。

在40万t矿砂船设计初期，进行了多方咨询和方案比较，认为无论从可实现性，实时性和经济性各方面考虑，最终选择X波段雷达做为海况信息采集设备的方案。X波段雷达除了能监控海上的移动目标，还可以用于测量海况。雷达的海面回波会形成海杂波，基于三维快速傅里叶变换，从雷达图像中获得方向性的海杂波雷达波谱，并采用滤波、积分等修正手段最终可以获得海浪波谱，进而计算出波浪的高度、角度和周期等海况参数。

3 结论

一般船舶安装的船体监控系统仅仅是监控本船舶的应力水平，但40万t矿砂船由于需要满足DNV的HMON船籍符号，系统还可同步监测风、浪，流等外部环境状态，通过大量环境信息的收集，将船体结构状况与外部环境相结合，从而给出更科学的船体结构健康报告，预警和航行辅助决策[10]，更大程度地提高了船舶航行时的安全性。

船舶安装船体监控系统除了为船舶安全航行提供实时监控数据，还具有其他众多积极意义。监控系统记录的历史数据也将对船舶未来进坞的结构检查提供理论依据。营运公司可以根据船舶结构的全生命周期的应力水平记录，把全船所有结构的周期性的计划检查列为局部结构的视情维护。同时，随着运营船的船体应力数据的积累和分析，在未来船舶结构设计中用实际测量数据模型替代预估经验模型，对船舶结构精益设计提供有力的数据支撑。