多用途船船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)布置

殷華兵

（中遠(yuǎn)海運(yùn)特種運(yùn)輸股份有限公司，廣州510623）

0 前 言

中國船級社（CCS）2016 年3 月生效的《智能船舶規(guī)范》 對智能船附加標(biāo)志i-Ship（Nx、Hx、Mx、Ex、Cx、Ix）的技術(shù)要求做了詳細(xì)的描述。 目前市場上有少數(shù)新造船已經(jīng)獲得i-Ship（Nx、Mx、Ex、Ix）部分船級符號，但取得智能船體i-Ship（Hx）和智能貨物管理i-Ship（Cx）船級符號的卻很少，其主要原因在于相關(guān)技術(shù)處于研究階段，尚不成熟。 智能船體是基于船體數(shù)據(jù)庫的建立與維護(hù)，為船體全生命周期內(nèi)的安全和結(jié)構(gòu)維修保養(yǎng)提供輔助決策，同時(shí)還可以通過船體相關(guān)數(shù)據(jù)的自動采集與監(jiān)測，提供船舶操縱的輔助決策。 船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)包括船體監(jiān)測系統(tǒng)和航行輔助決策系統(tǒng)，可以對船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、船舶運(yùn)動狀態(tài)、船舶裝載以及海況、航向、航速等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、分析和顯示。 當(dāng)這些數(shù)據(jù)的變化超過了預(yù)設(shè)臨界值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警告，并提供指導(dǎo)船舶航行操作的輔助決策［1］。

某新型多用途船主要用于裝載超寬、超重、超大貨物（如機(jī)車車廂）和包裝貨（如紙漿包），在主甲板艙蓋面上可以裝載超長、超大尺寸貨物（如風(fēng)電塔筒和風(fēng)葉）。 在航行工況下，這些特種貨物會給船舶結(jié)構(gòu)安全帶來一定的挑戰(zhàn)。 以CCS《智能船舶規(guī)范》為指導(dǎo)，該型船上設(shè)計(jì)安裝了船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控貨艙乃至整個船體的結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度、關(guān)鍵區(qū)域船體應(yīng)力、艏部砰擊及船舶運(yùn)動加速度等參數(shù)，對評估船舶航行狀態(tài)下的船體結(jié)構(gòu)安全以及貨物安全有著重要的積極意義，通過實(shí)船數(shù)字模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)收集、實(shí)時(shí)處理等研究，探索數(shù)字孿生技術(shù)在智能船舶上的應(yīng)用前景。

1 船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)布置方案

1.1 某型多用途船船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該型多用途船共有6 個貨艙，其中1 艙和6 艙由于線型收窄原因設(shè)置了臺階結(jié)構(gòu)。 典型橫剖面圖（局部）如圖1 所示。 雙層底和舷側(cè)結(jié)構(gòu)均采用縱骨形式，并設(shè)有連續(xù)縱桁材。 雙層底結(jié)構(gòu)中間為管弄，雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)中設(shè)有2 層平臺甲板及1 個永久檢修通道（PMA 通道）。 雙層底強(qiáng)框間距為3 檔肋位，舷側(cè)強(qiáng)框間距在二甲板以下為3 檔肋位、二甲板以上為6 檔肋位。 貨艙區(qū)域采用了雙底雙殼大開口箱型結(jié)構(gòu)形式［2］，縱向艙口圍在貨艙范圍內(nèi)保持連續(xù)，增加了總縱強(qiáng)度。

圖1 典型橫剖面圖（局部）

貨艙結(jié)構(gòu)艙段有限元計(jì)算，能同時(shí)滿足CCS 散貨船和集裝箱船兩大不同船型規(guī)范要求，極大地提高了該型船舶的安全可靠性。 艙段有限元模型如圖2 所示，主甲板艙口角隅、二甲板與橫艙壁連接處等是該輪船體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域，對這些區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元細(xì)化分析，部分構(gòu)件型式和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。 為了保證了特種貨物裝載需求，在主甲板艙口端部縱橫艙壁交匯連接處取消了艙口角隅肘板，采用特殊的負(fù)角隅結(jié)構(gòu)［3］，大大改善了角隅處的疲勞強(qiáng)度。 為了保證貨艙內(nèi)艙壁平整，便于貨物裝卸及清理，在橫艙壁平臺與二甲板相交處通過增加板厚來滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，避免在艙壁上增設(shè)過渡肘板。

圖2 貨艙段有限元計(jì)算模型

1.2 船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)由系統(tǒng)層、應(yīng)用層和支撐層組成，如圖3 所示。 系統(tǒng)層包括大的信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換和通信（智能集成平臺、VAST和岸基）系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

應(yīng)用層由應(yīng)力采集分析模塊、信號采集箱、強(qiáng)度評估模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、信息和評估數(shù)據(jù)庫等處理單元組成，船員可以比較直觀地在應(yīng)用層得到相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的初始化和歷史記錄查詢、存儲、打印、分析等功能。

圖3 船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

支撐層主要由硬件組成。 為了獲得船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、海面波浪和船舶航行參數(shù)等數(shù)據(jù)，需要在全船布置長基線應(yīng)變傳感器、應(yīng)力傳感器、傾角傳感器、加速度傳感器等。 智能船集成平臺的AMS、VDR、傾斜儀、X 波段雷達(dá)、 風(fēng)速風(fēng)向儀、 裝載儀、 船舶吃水、DGPS 航速信息等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口與船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)共享。

整個船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備在船上具體布置如下：

1） 數(shù)據(jù)處理和顯示單元安裝在駕駛室，包括：電腦、鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器、打印機(jī)、報(bào)警裝置；

2）UPS 安裝在駕駛室；

3）信號采集箱安裝在甲板；

4）1 個傾斜儀安裝在駕駛室；

5）1 個加速度傳感器安裝在艏部纜索艙；

6）6 個長基線應(yīng)變儀和8 只單向應(yīng)變儀安裝在甲板上。

需要特別說明的是：船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的布置是保證船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)能有效監(jiān)測整個船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力變化的根本保證［4］。長基線應(yīng)變傳感器主要用于測量船體梁的應(yīng)力，應(yīng)力傳感器主要安裝在橫艙壁與主甲板的艙口負(fù)角隅結(jié)構(gòu)、二甲板與橫艙壁連接處等船體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域，加速度傳感器安裝在船艏的纜索艙能更精準(zhǔn)地測量船體姿態(tài)和船艏加速度，加速度數(shù)據(jù)主要用于砰擊計(jì)數(shù)。 上述傳感器是在對多用途船船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行布置的，這些傳感器是應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)核心關(guān)鍵元器件，具體布置如圖4 所示。

圖4 應(yīng)力傳感器在多用途船上布置示意圖

2 船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能

船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)分為船舶系統(tǒng)和岸基系統(tǒng)，軟件大部分功能是船岸協(xié)同一體的，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）初始參數(shù)設(shè)定修改。用來輸入船舶基本信息，傳感器安裝位置信息，長基線應(yīng)變儀的初始值校準(zhǔn)和校零，應(yīng)力報(bào)警值的設(shè)置；

2）船體縱向應(yīng)力實(shí)時(shí)值顯示，并有報(bào)警值標(biāo)志，超過報(bào)警值后，軟件界面出現(xiàn)紅色報(bào)警，同時(shí)向接入軟件的聲光報(bào)警裝置發(fā)送信號；

3） 歷史應(yīng)力值趨勢顯示，展示最近4 個小時(shí)的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)值，5 min 刷新1 次，顯示1 個數(shù)據(jù)；

4） 顯示靜水和波浪狀態(tài)下彎矩值，沿船長方向預(yù)測的各部分彎矩值；

5） 實(shí)測彎矩值與裝載計(jì)算機(jī)計(jì)算值互相比較，與裝載計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；

6） 傳感器測量值的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，分別為最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峭度、平均跨零周期；

7）疲勞強(qiáng)度分析。采用循環(huán)計(jì)數(shù)法中的雨流計(jì)算法，統(tǒng)計(jì)疲勞循環(huán)次數(shù)；

8）船首砰擊計(jì)數(shù)。利用加速度傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)船舶遭受到的砰擊次數(shù)；

9） 船舶運(yùn)動參數(shù)的顯示，船舶實(shí)時(shí)的縱橫傾角度及浮態(tài)；

10） 切換到波浪監(jiān)測模塊。 解析船舶周圍海域的波高、波長、波周期、浪向，可用于船舶應(yīng)力狀態(tài)的預(yù)測。

上述功能也可以根據(jù)需要劃分1、2、3 三個等級，根據(jù)不同船型對功能需求側(cè)重點(diǎn)不同，可以選擇不同的軟件功能，同時(shí)這些軟件可以更新迭代，具體如表1 所示。

3 船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)［5］，顧名思義，是指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段來構(gòu)建一個數(shù)字世界中一模一樣的實(shí)體，藉此來實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)是智能船體的關(guān)鍵技術(shù)。

現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛采用有限元（FEM）和計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）等軟件進(jìn)行建模、計(jì)算分析，優(yōu)化關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，提高設(shè)計(jì)效率，降低建造成本。 然而，當(dāng)船舶建造完畢，這些在船舶設(shè)計(jì)階段的模型往往被束之高閣，在船舶全生命周期管理中沒有起到應(yīng)有的作用。 船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)可以有效整合這些設(shè)計(jì)模型資源，利用混合孿生技術(shù)，將多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程在虛擬空間中完成映射和互聯(lián)，結(jié)合其他智能化分析手段，將可以指導(dǎo)船舶管理人員判斷在不同海況、不同裝載工況下的船體結(jié)構(gòu)安全、船舶振動等進(jìn)行綜合評估，并對發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測和報(bào)警。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)船舶全生命周期內(nèi)的管理。 在實(shí)船運(yùn)營中將定期從船端發(fā)回波浪監(jiān)測數(shù)據(jù)、典型部位船體梁應(yīng)力、關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力等數(shù)據(jù)，結(jié)合在設(shè)計(jì)和審圖階段建立的全船結(jié)構(gòu)有限元模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模型完全模擬實(shí)船環(huán)境的行為。 船舶在風(fēng)、浪、流以及各種惡劣海洋環(huán)境下，船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)可以增強(qiáng)船舶抵抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，提高船舶在大風(fēng)浪等環(huán)境中的航行安全性。 同時(shí)，船舶航行中長期積累的實(shí)船監(jiān)測數(shù)據(jù)可形成專家數(shù)據(jù)庫，在船舶需要塢修時(shí)能提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，有助于船舶的全壽命周期保障服務(wù)。

表1 船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能

實(shí)船和有限元模型組成的孿生體是一個動態(tài)模型構(gòu)建過程，會隨著船舶的運(yùn)營而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、增加和不斷演化［6］。 船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)船營運(yùn)過程中不斷迭代優(yōu)化，結(jié)合大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以對船舶進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)測。每個航次結(jié)束后，通過傳輸完整航次的監(jiān)測應(yīng)力數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行優(yōu)化修改，從而快速分析船舶所受疲勞情況。 這些不斷優(yōu)化迭代的數(shù)據(jù)可以對船舶設(shè)計(jì)階段的有限元模型進(jìn)行優(yōu)化，為提升未來船舶設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更多的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 語

本文分析了多用途船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)架和功能，并根據(jù)船舶典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來實(shí)船布置應(yīng)力傳感器測點(diǎn)，尤其是長基線應(yīng)變傳感器和應(yīng)力傳感器的布置。 結(jié)合CCS 智能船舶規(guī)范i-Ship（Hx、Mx）的要求，以獲取智能船舶符號為目標(biāo)，在多用途船實(shí)船上安裝了船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，并且將全船有限元模型作為反演數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。同時(shí)，該系統(tǒng)通過船舶智能平臺實(shí)現(xiàn)船舶系統(tǒng)平臺之間、船舶與岸基的通信，并通過軟硬件基礎(chǔ)建設(shè)，為將來智能平臺自主學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 后續(xù)將通過實(shí)船運(yùn)營，開展以下研究工作：

1） 實(shí)船安裝和運(yùn)行船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，驗(yàn)證實(shí)船布置的測點(diǎn)與有限元模型計(jì)算中該測點(diǎn)應(yīng)力值的接近程度，利用交叉驗(yàn)證的方式，最終的目標(biāo)是將誤差控制在10%之內(nèi)。

2） 接收船端定期發(fā)回的典型部位船體梁應(yīng)力、局部應(yīng)力等傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合全船結(jié)構(gòu)有限元詳細(xì)模型，使實(shí)船和模型形成數(shù)字孿生，解決實(shí)船船體強(qiáng)度評估分析，研發(fā)基于混合孿生技術(shù)的船舶結(jié)構(gòu)安全性綜合評估軟件。

3） 通過混合孿生技術(shù)和船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合，形成一套對船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度、營運(yùn)生命周期等進(jìn)行評估的方法，運(yùn)用于大開口貨艙艙口角隅處存在高應(yīng)力區(qū)域的多用途船舶，達(dá)到運(yùn)用最少的傳感器設(shè)備能夠監(jiān)測全船結(jié)構(gòu)應(yīng)力的目的，為保障船舶全生命周期安全運(yùn)營提供技術(shù)支撐。

4） 研究多用途船裝載超重、超高、超寬、超長貨物在不同海況下對船體結(jié)構(gòu)的影響，從而指導(dǎo)多用途船舶對重大件貨物的裝載。