重力式化学品码头结构监测系统实施与应用

张烜 侯佳俊 渤海石油航务建筑工程有限责任公司

1.引言

中国海油某成品油外输码头位于广东省惠州市大亚湾区。一期、二期工程分别于2011年、2015年竣工验收并投产使用。该码头采用混凝土圆形沉箱重力式结构，共计十个外输泊位与一个工作船泊位。2017年，某外籍船由于不规范靠泊，两艘船舶分别撞击1#泊位k1-1靠船墩，2-2#泊位k2-3靠船墩。导致该靠船墩上部盖板整体偏移4.5°，最大偏移量700mm，连接桥与工作泊位连接处出现破损与裂缝。码头运营方委托我公司（渤海石油航务建筑工程有限责任公司）对该泊位实施港口设施结构安全健康监测系统，以便观察该靠船墩的整体结构变化趋势。

2.传感器防爆

该项目实施的某成品油外输泊位主要输油介质有航空煤油、混合二甲苯、煤油等，根据码头设计图纸、竣工图纸与《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》要求，传感器安装区域属于防爆2区，电气设备需满足2B T4防爆要求。目前，针对危险化学品环境的监测，通用的做法是采用光纤光栅传感器进行数据采集。基于光纤Bragg光栅（FBG）的光纤光栅传感器因其体积小、精度高、抗电磁干扰强、非电信号传输的优点，被应用在很多危化品环境结构监测中。但光纤传感器也因为其采集仪成本高、易损坏（折断）、监测参数（应变、位移、温度）无法适用本项目。本项目所监测码头位于广东沿海，每年会经历2～3次台风天气，若采用光纤传感器进行数据采集，将会存在光纤折断、数据不连续的风险。因此，本项目采用本安型传感器与隔爆型传感器结合的方式对泊位的结构数据进行采集。

本项目使用静力水准仪、倾角传感器、激光测距传感器、裂缝传感器、应变传感器、温湿度传感器、风速风向传感器共计22个传感器。倾角传感器、静力水准仪、激光测距传感器采用485串口进行数据传输，并将传感器放入防爆盒中。通讯电缆根据码头使用方要求采用A类阻燃铠装4芯带屏蔽通讯电缆，通讯电缆敷设于50＊50mm电缆桥架中。桥架与防爆盒连接处采用格兰头与防爆绕性管进行连接，其中格兰头需选择与通讯电缆线径匹配的防爆格兰头，以便将通讯电缆锁紧起到隔爆作用，一个格兰头只允许穿过一条通讯电缆。桥架盒与防爆绕性管连接处将桥架盒开30mm孔放置格兰头，用防爆绕性管连接。风速风向传感器、温湿度传感器、应变传感器采用本安型传感器，在采集箱中经由安全栅后，通过格兰头及防爆绕性管引出通讯电缆再行连接传感器，本安型传感器无需使用防爆盒。

3.BIM技术应用

BIM（Building Information Modeling）技术作为一种全新的表达方式，它能将工程项目中各类信息以3D数据模型的方式展示，能够有效的关联项目的全生命周期过程阶段，让周期内各阶段的数据和资源能够被完整和有效的关联和共享。

此次项目采用ThingJS软件进行三维建模。ThingJS是面向物联网应用的3D可视化PaaS开发平台，提供JavaScript的3DLibrary,配套3D开发工具和3D模型库，基于WebGL技术，支持PC和移动设备，能帮助用户零门槛、高效率、低成本地快速开发各类物联网3D可视化应用。

此次项目采用ThingJS软件根据该成品油外输码头的历史竣工图纸进行翻模。一个名熟练使用ThingJS软件的工程师两天时间即可完成该码头全部水工结构（包括沉箱、盖板、墩台、连接桥）的三维建模；一天时间完成所监测泊位的传感器编码、位置信息嵌入模型；一天时间完成施工所需的供电线缆与通讯电缆路由绘制；一天时间完成脚手架与吊架位置绘制。

通过三维模型可以查看项目所涉及到的工作内容，包括脚手架搭设位置、供电线缆与通讯线缆路由走向、传感器安装位置等信息。通过这种可视化的方式可以直观地与建设方进行项目沟通与展示，也可对作业人员进行可视化交底，明确项目所有的工作内容。在辅助设计、指导施工的同时，该三维模型作为模型资产在项目竣工之后移交建设方，在运营阶段可为运维人员直观的展示所选择传感器的位置与被监测参数相关信息。Thing JS模型具有极高的拓展性，将三维模型作为场景模型可导出至VR设备中，可实现人员模拟逃生训练等功能。

4.监测系统实施与数据分析

此次项目监测的泊位因受撞击发生整体位移，因此在被监测靠船墩四周放置四个静力水准仪，工作泊位放置一静力水准仪作为基准点以监测靠船墩整体在垂直方向的不均匀沉降情况；在靠船墩北侧与西侧分别放置一激光测距传感器，目标靶点分别选择相对稳定的工作泊位与栈桥以监测靠船墩整体在水平方向的位移。此次项目监测结构参数包括沉降、位移、倾斜、应变。环境参数有温度、湿度、风速、风向。现场传感器根据防爆认证要求进行安装，非本安型传感器通过外置防爆盒进行防爆处理。安装完成后利用DTU模块将数据每120秒一次发送至采集服务软件。通过公司自行开发的“港口设施4S管理平台采集服务软件”将不同项目、不同厂家的传感器集中采集，统一数据格式后写入港口设施4S管理平台后台数据库。再通过平台调用数据库数据对客户展示实时数据。

图1 项目三维模型

考虑到受损靠船墩已发生整体位移，无法通过靠船墩设计图纸的初始值设定传感器预警阈值。因此，该项目结构参数监测传感器预警阈值的设置参考《大跨度桥梁结构健康监测系统预警阈值标准T/CECS 529-2018》进行四级预警设置。

以激光测距传感器举例：经过数据修正过后，激光测距1传感器初始值为0，正值为距离变大，负值为距离变小。由于潮汐、温度、正常靠船的影响，传感器数据会在一定范围内波动。选取上线运行后第一个月（季度）的数据作为基础数据波动区间进行分析，将数据从小到大进行排序，数据分布在[amin，amax]内。统计最小的2.5%部分数据，确定a1的值，最大的2.5%部分数据，确定a6的值；统计最小的5%部分数据，确定a2的值，最大的5%部分数据，确定a5的值；统计最小的7.5%部分数据，确定a3的值，最大的7.5%部分数据，确定a4的值。这样，85%的数据便分布在[a3，a4]中。将a1，a2，a3，a4，a5，a6的值与传感器的预警值进行关联实现四级预警，当新收到的一条数据落在[a3，a4]（一级置信区间）中，便是四级（一般）预警；当新收到的一条数据落在[a2，a3）∪（a4，a5]（二级置信区间）中，便是三级预警；当新收到的一条数据落在[a1，a2）∪（a5，a6]（三级置信区间）中，便是二级预警；当新收到的一条数据落在其他范围内，便是一级预警（四级置信区间）。

5.总结

该系统的上线运行可以实时的掌握港口设施的结构安全状态，一旦发生船舶撞击可能导致结构损伤甚至安全事故时，可以第一时间告知相关人员启动应急预案。做到事故可报警、信息可留痕、事件可追溯，全面提升港口设施结构安全的信息化与智能化水平。

随着数据采集时间的延续，数据的积累量也会随之变大。考虑到季节与气候对传感器波动区间的影响以及港口设施运行服役的老化，最初设定的预警区间可能不满足后续的数据波动，极易造成误报警的发生。因此，在系统运行一年后需将基础数据波动区间的取值周期调整为一年，同时也要根据数据反馈的情况及时调整四级预警的置信区间范围。