结构安全监测系统在超大型集装箱船上的应用

贺 鑫，周学谦

(1.上海船舶运输科学研究所有限公司 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135；2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨 150001)

0 引 言

超大型船相比一般船型具有更大、更柔的船体结构，这可能导致其船体固有频率更接近波浪遭遇频率，同时其大外飘船首结构会引发严重的艏部砰击现象，更易受到波激振动和砰击颤振等因素的影响。目前针对超大型船舶结构安全的要求或指南对波激振动和砰击颤振引起的船体疲劳强度和极限强度问题等缺乏统一的要求，且相关研究缺少实船验证数据，考虑波激振动和砰击颤振水弹性效应的船体结构监测技术能很好地解决该问题。由此，本文对该船体结构安全监测系统在超大型集装箱船上的应用进行介绍，并基于监测的数据对波激振动进行分析，为后续基于实船监测的数据开展超大型船水弹性效应研究提供参考。

1 系统的布置和工作原理

船舶结构安全监测系统是在船体结构中布置传感系统，使船体能实现结构自我诊断，同时提供辅助决策的一种工程结构系统[1]。针对超大型集装箱船结构安全监测开发的船舶结构安全监测系统主要采用光纤传感系统，能实时监测船体结构应力和船舶的纵摇角、横摇角等信息，能计算分析水弹性效应对船舶极限强度和疲劳强度的影响，同时具有趋势预测、预警和报警等功能。

1.1 传感器布置

通过在船体结构中布设传感系统获取反映结构变化的数据，实现对船上重要结构和敏感部位动态参数的监测。考虑船体受到的各种环境载荷，结合超大型集装箱船的结构特点，找出结构受力敏感部位和关键结构，进行传感器布置[2]。传感器测点布置示意图见图1。测点分为总强度测点、高应力测点、疲劳测点、砰击载荷反演测点、加速度测点和船体姿态测点等6种[3]。

1) 总强度测点共8组，其中2组采用长基线光纤传感器，另外6组每组有3台单向光纤应变传感器，沿船长方向平行布置，位于船中左右舷甲板和底部点，以及距艏艉L/4(L为船长)处的左右舷；

2) 高应力测点共11组，其中8组采用单向光纤应变传感器，另外3组每组有3台单向光纤应变传感器(组成直角应变花)，位于甲板、舱口围板、双层底、船体外板、横舱壁、纵桁和纵向骨材等处；

3) 疲劳测点共8组，其中3组每组有1台单向光纤应变传感器，另外5组每组有3台单向光纤应变传感器(组成直角应变花)，位于大开口舱室角隅处；

4) 砰击载荷反演测点共10个，左右舷分别安装4台单向光纤应变传感器，对应8个测点，位于水线以上艏部外飘处，布置方式为2×2矩阵式，另外2个测点位于艉部底部砰击区；

5) 加速度测点共4个，基于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术[4]，分别位于距离船首L/4处、距离船尾L/4处和船中左右舷处，每个测点有1台双向加速度传感器；

6) 船体姿态测点共2个，艏部和艉部各安装1台六自由度传感器。

图1 传感器测点布置示意图

1.2 系统工作原理

系统读取传感器测量的数据和测波雷达测量的数据，从智能平台上读取风速、风向、航速和全球定位系统(Global Positioning System，GPS)数据等，对不同类型的相关物理量进行数据融合，形成协调统一的数据格式，并进行计算机分析处理，得到各种状态的分析结果，在屏幕上通过表格和图形等方式显示。系统能实时显示船体监测部位在船舶航行时的受力情况、船体结构受振动冲击的影响情况、船体弯曲和扭转变形情况及船舶运动加速度信息[5]，针对可能遇到的超阈值的结构应力等提供预警和辅助决策，并按需求提供相应的记录、报表和打印功能。

2 系统的组成

船舶结构安全监测系统主要由监测数据采集系统、通信系统、数据处理系统、显示系统和数据库系统等5部分组成。

2.1 监测数据采集系统

监测数据采集系统主要由光纤传感系统、船体姿态采集模块、海浪数据采集模块和其他数据采集模块等4部分组成。

1) 光纤传感系统采用光纤传感器采集船体应变数据、加速度数据和温度数据，采用光纤解调仪对光信号进行识别，并将其转化为数字信号；

2) 船体姿态采集模块采用六自由度姿态传感器将船体横摇、纵摇、艏摇和垂向加速度等数据直接传输给上位机储存；

3) 海浪数据采集模块采用X波段测波雷达监测波浪，并将测得的波浪信号交由计算机处理，随后将其传输给监测系统主机存储；

4) 其他数据采集模块主要通过智能平台接入并读取数据，包括艏艉吃水、风速、风向、船舶航速、船舶装载情况和航线风浪预报等。

监测数据采集系统架构见图2。

图2 监测数据采集系统架构

2.2 通信系统

通信系统采用串口和网络通信2种通信方式，主要用于实现系统内部各子系统、系统与其他设备或平台之间的数据传输，确定各路信号与控制系统的接口格式和协议，保证各系统之间的数据传输顺畅。

2.3 数据处理系统

数据处理系统是船舶结构安全监测系统的核心，主要作用包括数据处理和结构强度计算评估。数据处理模块通过判断传感器故障，并对实时数据和历史数据进行滤波、拟合、校正、拆分和统计分析等处理，为结构强度评估模块提供数据基础；结构强度计算评估模块用于对结构的屈服强度、屈曲强度和疲劳强度进行评估。[6]

1) 数据处理包括滤波处理、统计分析、数据融合处理和故障诊断。

(1) 滤波处理是对采集的数据进行低通、高通和带通滤波处理；

(2) 统计分析是对监测的数据进行统计分析，可实现对各监测分量的最大值、最小值、平均值、标准偏差、偏度、峭度、平均跨零周期、三一值和十一值等的统计分析；

(3) 数据融合处理是对由传感器数据和接收的外来数据产生的海量异构数据进行正确、及时的处理和存储，并自动地从大量数据中获取潜在的依赖模型，实现对数据的智能化处理，达到监测、记录、分析和处理数据的协调性要求；

(4) 故障诊断是确定传感器所发生故障的类型，如开路故障、偏差故障、大漂移异常值故障和无规律异常值故障等。

2) 结构强度计算评估包括：

(1) 船体梁评估，通过船体正应力和翘曲应力换算得到船体梁载荷，实时评估船体梁的极限强度；

(2) 屈服和屈曲评估，通过对应力进行合成处理，得到用于进行屈服和屈曲强度评估的等效应力，实时评估船体结构的屈服和屈曲状态；

(3) 疲劳评估，根据监测系统得到的疲劳应力，采用雨流计数方法计算得到结构的疲劳损伤情况，对船体结构的疲劳状态进行实时评估；

(4) 波激振动响应，采用雨流计数法得到疲劳应力水平和对应的循环次数，根据疲劳累计损伤理论计算结构的疲劳累积损伤，将其与仅考虑低频波浪应力的疲劳累积损伤计算结果相对比，分析波激振动响应对疲劳强度的影响；

(5) 砰击颤振响应，针对包含砰击颤振应力和低频波浪应力的合成应力时历，提取各遭遇波浪周期内合成应力的幅值样本，对其进行统计分析，得到合成应力幅值的概率分布特征，进而对其极值进行预报，并将所得结果与低频波浪应力幅值的极值分析结果相对比，分析砰击颤振响应对极限强度的影响；

(6) 惯性运动载荷评估，根据加速度传感器监测的船体运动加速度，结合船载货物质量，导出船载货物对应的惯性力，对船体惯性运动载荷进行实时评估；

(7) 砰击评估，根据由监测的艏艉砰击载荷产生的应力对艏艉结构砰击进行实时评估，同时根据艏部加速度响应测量单位时间内的砰击次数；

(8) 安全作业辅助决策，基于监测的应力、加速度、横倾和纵倾等数据，当结构应力和惯性载荷等超过设定的阈值时进行报警，同时基于历史数据对未来结构的状态进行预报，若预报的结构状态较为危险，则进行预警。

2.4 显示系统

显示系统包括船体梁应力实时监测及预警、船舶高应力屈服点实时监测及预警、船舶疲劳强度测点实时监测及预警、应力历史趋势查询、船舶横纵摇角度、船舶垂向加速度实时监测、波激振动烈度和船体砰击颤振响应等模块。系统显示界面见图3，显示的是船舶局部疲劳强度点，其中波激振动烈度表征波激振动对结构疲劳的影响程度，对进一步分析弹振对疲劳损伤的贡献度有重要意义。

2.5 数据库系统

数据库系统主要用于对系统内的数据进行统一管理，具有数据存储、查询和调用等功能。这些数据主要包括：实测海浪、船体结构应力数据和加速度数据；结构的失效概率、屈服强度和累积损伤等结构强度评估结果数据；设置的船舶信息和系统参数等。

3 监测数据分析

船舶结构安全监测系统通过积累在船舶实际航行过程中收集的数据，合理评估海况和载况等因素对船体结构安全的影响，实时监测船舶的运营状态，与智能平台进行数据交互，为智能船舶集成系统开发奠定基础。同时，通过该系统获取的数据可用来研究波激振动和砰击颤振对集装箱船疲劳强度和极限强度的影响。

下面以某超大型集装箱船为例，对该系统监测的数据进行分析。该船于2020年3月11日20:00:00—21:00:00在舟山海域航行，有义波高为1.5 m。对测点f2和f7进行低通、带通和高通滤波处理之后，得到其疲劳主应力时程曲线见图4，其中：f2测点位于船首舱口围顶板角隅处；f7测点位于船中左舷纵向舱口围板处。

通过对监测信号进行滤波处理，实现对不同信号的分离，得到计及波激弹振的疲劳主应力的实时变化情况和低频波载疲劳主应力时间历程，测点f2和f7频谱分析结果见图5。

通过频谱分析发现，疲劳测点的幅频曲线都呈双峰形式。通过对多个测点进行分析可知，各测点的次波

a) 测点f2

b) 测点f7

a) 测点f2

b) 测点f7

中心频率普遍在0.54 Hz左右，主波中心频率可能有所差异。以测点f2为例，第一个峰值中心频率为0.080 6 Hz，可判定为低频波浪载荷曲线应力的低频波频分量，这是船体梁总体振动引起的总振动成分，而结构应力的测量曲线中也包含明显的船体高频振动成分，这种次波高频成分的中心频率为0.541 6 Hz，且高频信号持续出现，没有明显的衰减，分析认为这是船体梁结构与遭遇波浪共振产生的波激弹振引起的能量集中导致的。

4 结 语

船舶结构安全监测系统通过集成多个传感系统和数据采集模块，实时监测船体结构状态信息和海况信息，综合超大型集装箱船的航行、载况、海况、结构动态应力和砰击压力等数据，实现对船舶结构安全的综合监测，具有趋势预测、预警和报警等功能，能提高船舶在大风浪等恶劣环境中航行的安全性。本文介绍了传感器布置、系统的工作原理和组成，并以某超大型集装箱船应力测点数据为例，分析了波激弹振对其安全性的影响。该系统记录的应力、加速度和海浪等实船数据对后期进行实船模型与三维水弹性计算模型对比分析有重要参考意义，通过对监测的数据进行长期积累，可形成专家数据库，为船舶设计优化和建造提供技术支撑。根据监测的数据评估波激振动对船体结构的影响，还有待后续结合大量实船数据作进一步的研究。