船体结构应力监测及健康评估系统

陈 乐

（中国人民解放军92493部队，辽宁葫芦岛 125000）

0 引言

可靠性和安全性是舰艇顺利完成任务的基础。舰艇服役一定时间后，船体结构不可避免地会存在腐蚀、裂纹、变形等缺陷，导致承载能力下降。在大风浪冲击等外载荷的作用下，船体结构存在发生塑性变形或断裂破坏的风险。因此，对舰艇船体结构开展实时应力监测与健康评估，在其未出现塑性变形或断裂破坏前发出预警，及时提醒舰员采取规避措施以保证船体结构安全，对舰艇的使用、维护、修理和建造具有重要指导意义。

国外对船体结构应力监测及健康评估技术的研究起步较早，并于20世纪90年代开始在多种船舶上开展探索性应用[1-2]。进入21世纪，船体结构性能的重要性越来越受到重视。SWARTZ等[3]将 20个无线传感器组成无线船体监测系统，用于美国高速近岸战斗舰（FSF-1）的船体结构监测中；KOBOEVIC等[4]利用船体结构监测系统实现船体性能监测，并根据船体的结构状态确定合理的维修周期；美国船级社（ABS）正在利用数字孪生技术为美国海军补给司令部的每艘船只建造一个数字化船体，目的是检测船体异常行为，并为早期故障提供预警。国内对船体结构应力监测及健康评估系统的研究尚处于起步阶段，该技术在民用船舶上得到初步应用[5-8]，并取得较好效果。在军用舰艇船体结构强度研究基础上，该类系统也开始得到试验性应用[9-11]，但还没得到广泛推广。

本文建立一套应用于舰艇的船体结构应力监测及健康评估系统，通过对总体和局部结构响应进行长期智能监测及健康评估，达到实时航行安全预警的目的，同时可以对优化船体结构设计提供依据。

1 系统功能模块

船体结构应力监测与健康评估系统主要是在船体结构中植入传感系统，赋予其结构应力实时监测与健康自诊断的智能功能。该系统综合应用船体结构参数识别技术、船体结构强度理论、光纤传感技术和多数据信息融合技术，对船上的重要结构及薄弱部位进行实时监控，并利用监测数据对当前海况下船体结构强度进行评估，对应力超限的监测点位发出报警信息，提醒舰员检查船体安全情况，采取适当措施保障船体结构安全可靠航行。

船体结构应力监测与健康评估系统主要包括数据采集、数据处理、应力监测、强度评估、报警与记录、数据库系统和界面显示7项功能。系统功能模块如图1所示。

图1 系统功能模块

1）数据采集

数据采集功能主要由光纤光栅应变传感器、转接盒和光缆等设备来完成，这些设备一般安装于待测船体结构中，主要用于采集传感系统中产生的数据信号，并通过光栅解调仪将其转换成系统识别的电信号。

2）数据处理

主要用来对各类监测数据进行预处理，剔除干扰信号。通过综合控制软件可对滤波器的滤波范围进行设定，并进行数据系统误差处理和数据异常处理。

3）应力监测

主要用来对船上重要结构、关键部位和敏感构件进行实时应力监测。监测应力包括总纵弯曲应力和结构局部应力。能够叠加静水弯矩并剔除温度影响，获取更加准确稳定的监测数据。

4）强度评估

依据实测数据、结构设计资料和材料的屈服强度，设置合理阈值，对结构总纵强度和局部强度进行评估。

5）报警与记录

主要用来对传感器故障、电源故障和船体结构潜在的危险状态进行报警，对达到阈值80%的信号进行视觉或听觉报警，并自动将报警原因记录到数据库中。

6）数据库系统

系统配备专用数据库用于实历数据、统计数据、评估结果、系统操作日志、维护和校准日志、报警记录和船体信息的管理。该数据库系统能够存储所有传感器至少一个季度的统计数据和24 h的实历数据，并能够方便快捷地对数据进行查询、调用和备份。

7）界面显示

通过综合控制软件对各类信息与监测信号进行实时显示。显示内容包括各类监测数据的实时信号、监测点位置、传感器状态以及阈值与报警等。

2 系统设计及实现

2.1 硬件系统设计

结构应力监测与健康评估系统硬件设计原理如图2所示。

图2 系统硬件原理框图

光纤传感器将船体结构应力、温度变化转换为不同波长的光信号，并通过光缆传输给光纤解调仪；光纤解调仪根据发送与接收光信号波长差值以及其他多项参数，经过复杂运算解算出船体结构实时应变及温度数值；同时，解调仪将解算完成的原始应变数据通过网口 TCP/IP实时传输给监控主机。监控主机将接收到的数据通过预处理并存储至内部的数据存储模块。

2.2 软件系统设计

软件系统采用单Server架构开发，具有很强的移植性。由于结构应力监测及健康评估系统的不同业务功能需要不同的控制模式，为了增强系统的可靠性，在软件设计时将采集、存储、分析和软硬件控制分别作为子系统进行开发。该软件系统包括4个子系统：光纤光栅传感器应力数据采集中转、监测数据存储转发、监测数据分析和综合控制4个子系统，如图3所示，软件安装于监控主机中。其中，光纤光栅传感器应力数据采集中转子系统负责处理光纤光栅传感器采集的数据，并将数据传输给监测数据存储转发子系统；监测数据存储转发子系统一方面负责收集所有的监测数据，另一方面向监测数据分析子系统发送数据；监测数据分析子系统负责对船体监测数据进行分析和评估，是系统的核心软件；综合控制子系统负责在系统加电后控制各软件模块的自动启动、设备故障检查以及报警。

1）光纤光栅传感器应力数据采集中转子系统

光纤光栅传感器应力数据采集中转子系统主要对光纤光栅传感器进行数据采集，属于光信号采集。光纤光栅传感器通过光纤进行信号传输，通过分析与解调将数据发送到该子系统。该子系统将数据进行解调处理，缓存相应的数据，同时将采集到的数据按照用户的需求进行分发，以便对整个系统进行全面的数据分析，如图4所示。

图3 系统软件组成

图4 光纤光栅传感器应力数据采集中转子系统框图

2）监测数据存储转发子系统

监测数据存储转发子系统的主要业务功能如图5所示，共有10个软件业务功能点。该子系统的核心业务是数据解析、状态判断、数据写入文件、数据转发和电源管理 5个业务功能，TCP Client、UDP Server/Client、配置文件、业务数据缓存和命令数据响应都在为5个核心业务功能做服务支撑。从以上业务功能可知，该子系统接收传感器采集的数据，通过数据解析来分析传感器状态，并将解析结果和状态判断结果转发给监测数据分析子系统，同时将数据解析结果写入存储文件。该子系统还将实时接收监测数据分析子系统下发的数据采集频率命令，并做出相应的频率调整。

图5 数据存储转发子系统外部接口及内部功能

3）监测数据分析子系统

监测数据分析子系统根据业务分为实时监测数据接收、数据处理、监测状态显示、实时数据分析、评估历史数据查询与导出和软件系统配置6个模块（见图6）。

图6 监测数据分析子系统主要功能

（1）实时监测数据接收。从数据存储系统实时接收应变数据。

（2）数据处理。将接收的数据进行滤波、零漂误差处理。

（3）监测状态显示。实时显示每个监测点的连接状态和应力超限情况。

（4）实时数据分析。对实时数据进行分段、分块，计算出均值、峰值、谷值、峰数、谷数等信息，并将评估结果数据同步存储到磁盘。

（5）评估历史数据查询与导出。历史数据的查询和导出功能。

（6）系统配置。系统能够根据配置文件对软件系统各项参数进行设置。各用户根据所配置的权限进入响应的界面。

4）综合控制子系统

综合控制子系统的主要功能如图7所示。系统开机后，自动按预设顺序启动监控主机操作系统中的光纤光栅传感器应力数据采集中转子系统、监测数据存储转发子系统和监测数据分析子系统，并进行设备状态故障检测。各功能的要求如下：

（1）系统自动登录。系统开机后可自动登录至指定的用户操作界面。

（2）发布系统服务。综合控制子系统随系统启动而自启动。

（3）用户权限控制。综合控制子系统安装在指定某一个或多个用户操作目录下，其他非授权用户登录软件不运行。

（4）启动数据接收、存储软件。综合控制子系统启动后，通过脚本启动数据存储软件；

（5）启动数据分析软件。综合控制子系统启动后，通过脚本启动数据分析软件。

图7 综合控制子系统主要功能

3 需解决的关键技术

3.1 测点选取

测点需要选取在最能反映船体受力状态的位置。根据船体的结构特点，分析、查找船体结构设计相关参数，分析确定承受总纵弯曲应力较大的结构和测点位置；通过实船勘验结果寻找出关键舱段、肋骨和腹板等存在应力集中的构件，分析确定承受局部应力较大的结构和测点位置。一般情况下，在船舯剖面的主甲板左右两舷和舱底位置选取3个～4个承受总纵弯曲应力较大的测点，在主甲板与上层建筑的接合处、承受砰击载荷较大的底板、舷侧板等位置计划选取8个～9个承受局部应力较大的测点，具体测点位置需根据实船勘验情况确定。

3.2 传感器选型及优化布置

光纤光栅传感器具有精度高、输出线性范围宽、电绝缘性能好、抗电磁干扰、便于海上实施和布放以及可实现不带电的全光型探头等独特的优点，在船体监测领域具有极好的市场前景[12]。但是，实践中需要对比分析该类传感器金属基底、聚合物基底等不同基底材质，棒状、片状等不同封装形式，以及埋入式、粘贴式和焊接式等不同安装方式在量程、寿命及施工难度等方面的区别，综合考虑光纤光栅解调仪波长范围、通道数量，以及舰船舱室数量和每个舱室传感器数量等因素，合理选型传感器中心波长，充分发挥光纤光栅传感器和解调仪的性能，满足系统高速、大量程应变数据采集的需求。

3.3 分布式光纤监测网络设计和拓扑结构优化

根据布置传感器的舱室数量、舱室位置、每个舱室传感器的数量等具体情况，合理设计网络拓扑结构，同时结合波分复用等技术，优化系统布线，节约线缆并且降低施工难度。相近区域范围内的光纤光栅传感器由光纤跳线串行连接，多个串行连接的光纤光栅传感器组通过采集箱汇聚至光电复合缆，光电复合缆穿舱后连接至光纤解调仪，由光纤解调仪将光信号解调为监控主机能够处理的电信号。

4 结论

本文设计了一套船体结构应力监测及健康评估系统，通过对船上的重要结构及薄弱部位进行实时监控、评估和健康管理，实现对船体状态的全面掌握，可及时预报故障，降低维护成本，对舰艇的使用、维护、修理和建造具有重要的指导意义。