中山艦陳列安全性在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)

陶 韜， 向祖權(quán)， 郭 榮， 茅云生

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

中山艦，原名永豐艦，1913年加入中國(guó)北洋政府海軍第一艦隊(duì)，1938年10月24日在武漢會(huì)戰(zhàn)中遭日本侵略軍機(jī)群轟炸，含恨沉入江夏金口長(zhǎng)江江底。中山艦自加入中國(guó)海軍以來(lái)，歷經(jīng)“護(hù)國(guó)運(yùn)動(dòng)” “護(hù)法運(yùn)動(dòng)” “孫中山廣州蒙難事件” “中山艦事件” “武漢保衛(wèi)戰(zhàn)”等五大歷史事件，是中國(guó)近代國(guó)民革命史和抗日戰(zhàn)爭(zhēng)史上最重要的歷史見(jiàn)證。

中山艦于1997年1月28日整體打撈出水后，按照“修舊如舊，保留歷史遺跡”的原則進(jìn)行修復(fù)，并于2008年5月26日陳列于武漢市金口鎮(zhèn)中山艦博物館。

中山艦作為我國(guó)最大的可移動(dòng)出水文物，十分珍貴，目前陳列館保護(hù)條件有限，在保存環(huán)境、腐蝕損傷、結(jié)構(gòu)變形、強(qiáng)度和陳列安全等方面均缺乏有效監(jiān)控。特別是中山艦艦體陳列于一個(gè)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的承臺(tái)上，該承臺(tái)內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重，長(zhǎng)此以往，承臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將嚴(yán)重受損。中山艦重達(dá)數(shù)百噸，一旦因承臺(tái)強(qiáng)度不夠而發(fā)生坍陷與傾覆事件，不僅艦體會(huì)損毀，而且對(duì)人員安全是巨大的威脅。

目前，中山艦的陳列情況如圖1所示。艦體通過(guò)木質(zhì)墩木擱置在鋼制承臺(tái)上，艦體首尾兩側(cè)各布置4個(gè)鋼質(zhì)支撐以防止艦體傾覆。

圖1 艏部側(cè)面及承臺(tái)支撐現(xiàn)場(chǎng)圖

由于中山艦在江水中浸泡了近60年，艦體還被日軍炸得傷痕累累，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受損嚴(yán)重?，F(xiàn)場(chǎng)勘查后發(fā)現(xiàn)艦體雖然有木質(zhì)墩木和側(cè)面鋼質(zhì)支撐，但其擺放姿態(tài)出現(xiàn)了明顯傾斜，這種艦體姿態(tài)的變化同樣存在巨大的安全隱患。

為實(shí)時(shí)了解中山艦艦體陳列安全狀況，對(duì)艦體陳列安全隱患做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警，基于現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建中山艦艦體陳列安全性在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)中山艦艦體承臺(tái)和側(cè)面支撐的受力以及艦體姿態(tài)變化情況，并對(duì)潛在的安全隱患進(jìn)行預(yù)警，為博物館管理人員提供科學(xué)而準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而在文物出現(xiàn)安全隱患時(shí)贏得搶救時(shí)間，該系統(tǒng)的成功建設(shè)對(duì)中山艦的長(zhǎng)期保存并確保其安全性至關(guān)重要。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

中山艦安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用如圖2所示的分級(jí)分布結(jié)構(gòu)。按照系統(tǒng)工作流程可以將整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)層次：數(shù)據(jù)測(cè)量層、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層以及中山艦監(jiān)控預(yù)警層。

圖2 中山艦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)測(cè)量層由中山艦承臺(tái)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、側(cè)面支柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和艦體姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。各個(gè)系統(tǒng)采用一系列傳感器測(cè)量相對(duì)應(yīng)部分的實(shí)時(shí)應(yīng)力值和承臺(tái)上艦體的實(shí)時(shí)姿態(tài)。

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層是把光纖光柵和激光測(cè)距儀的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)交互機(jī)和解調(diào)儀轉(zhuǎn)換后，提供給監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與分析。

監(jiān)控預(yù)警層主要體現(xiàn)在監(jiān)測(cè)軟件上，該軟件可實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)和艦體姿態(tài)數(shù)據(jù)，可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、查詢與顯示，也可實(shí)現(xiàn)緊急情況下的報(bào)警及安全隱患的定位功能。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中山艦在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主要由承臺(tái)墩木受力在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、側(cè)面支撐受力在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、艦體姿態(tài)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、監(jiān)控主機(jī)等5個(gè)部分組成。

2.1 承臺(tái)受力在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

中山艦幾百噸的艦體通過(guò)木墩擱置在鋼質(zhì)承臺(tái)上，由于艦體重量分布不均勻，每個(gè)墩木傳遞給承臺(tái)的重量也不一樣。鋼質(zhì)承臺(tái)不斷受到銹蝕，自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也在不斷減弱，因此承臺(tái)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)中山艦的安全陳列至關(guān)重要。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)常用的測(cè)量方式是電測(cè)技術(shù)和光纖光柵技術(shù)。比較這兩種測(cè)量方式的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工需求，本項(xiàng)目采用光纖光柵測(cè)量技術(shù)[1-2]。通過(guò)在墩木旁邊的鋼質(zhì)承臺(tái)表面布置光纖光柵應(yīng)變計(jì)感知承臺(tái)的受力情況[3-5]。子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。

圖3 承臺(tái)受力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)傳感器布置

子系統(tǒng)由40個(gè)帶溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變計(jì)LC-FBG-SWBM、1臺(tái)16通道光纖光柵解調(diào)儀以及現(xiàn)場(chǎng)光纜組成。

子系統(tǒng)中光纖光柵應(yīng)變計(jì)的布置位置是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，為找到準(zhǔn)確的應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)承臺(tái)受力情況進(jìn)行有限元建模分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 承臺(tái)受力應(yīng)力云圖

從圖4可明顯發(fā)現(xiàn)，承臺(tái)應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)處于墩木處。因此，在承臺(tái)受力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中將光纖光柵傳感器焊接在承臺(tái)表面的墩木上來(lái)監(jiān)控承臺(tái)的安全狀態(tài)是合理可行的。

2.2 側(cè)面支撐受力在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

由于艦體受損和變形，艦體作用在8個(gè)側(cè)面支撐上的作用力不均勻，一旦艦體擺放姿態(tài)出現(xiàn)傾斜，側(cè)面支撐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將是保障艦體不發(fā)生傾覆的關(guān)鍵。

側(cè)面支撐受力在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)構(gòu)建原理與承臺(tái)受力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類似，每個(gè)側(cè)面支撐上布置4個(gè)光纖光柵應(yīng)變計(jì)LC-FBG-SWBM，一共32個(gè)，同時(shí)與承臺(tái)受力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共用同一個(gè)光纖光柵解調(diào)儀?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器布置如圖5所示。

圖5 側(cè)面支撐受力監(jiān)測(cè)傳感器布置

為確定側(cè)面支撐光纖光柵應(yīng)變計(jì)的安裝位置，對(duì)其受力情況進(jìn)行有限元建模分析，結(jié)果如圖6所示。仿真應(yīng)力云圖中沒(méi)有特別明顯的應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)，但是根據(jù)應(yīng)力集中的定義，在確定最大危險(xiǎn)點(diǎn)時(shí)，需更多地考慮結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)或拼接處應(yīng)力集中的可能性[6-8]，所以側(cè)面支撐上的傳感器布置位置如圖6所示。

圖6 支柱應(yīng)力云圖

2.3 艦體姿態(tài)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

艦體姿態(tài)發(fā)生改變主要體現(xiàn)在艦體的縱傾或橫傾上，只要在艦體橫向和縱向布置位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位移的變化大小，即可了解艦體姿態(tài)改變情況。位移傳感器主要分為接觸式和非接觸式[9]，針對(duì)中山艦這一特定的測(cè)量對(duì)象，采用接觸式測(cè)量會(huì)影響艦體陳列的美觀性，安裝傳感器還會(huì)破壞船體表面，因此本文采用非接觸式激光位移傳感器感知艦體姿態(tài)的變化。

艦體姿態(tài)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的激光位移傳感器布置在艏艉合適的位置上，艏艉各布置2個(gè)，且左右對(duì)稱布置。傳感器的布置方案如圖7所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖8所示。

圖7 艦體姿態(tài)傳感器布置

圖8 激光位移傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)左右激光位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)變化，可以了解船舶在艏艉處的橫傾變化情況；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前后激光位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)變化，可以了解船舶在艏艉處的縱傾變化情況。激光位移傳感器采用日本基恩士的IL-300，該傳感器采用激光三角形測(cè)量原理，測(cè)量精度高達(dá)±0.2 mm。

2.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能模塊

中山艦艦體陳列安全性預(yù)防保護(hù)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)是整個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)[10]，部分功能代碼用C語(yǔ)言嵌入，采用TDMS數(shù)據(jù)庫(kù)。

系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集功能模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析與處理功能模塊、集中顯示功能模塊、安全預(yù)警與定位功能模塊，主要功能和工作流程如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

(1) 數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)首先在光纖光柵解調(diào)儀、激光位移傳感器控制器和遠(yuǎn)距離通信模塊上安裝通信協(xié)議，然后通過(guò)監(jiān)控主機(jī)與三者建立通信。光纖光柵傳感器和激光位移傳感器采集結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)光纖光柵解調(diào)儀，通過(guò)對(duì)信號(hào)的解調(diào)得到相應(yīng)的波長(zhǎng)信號(hào)以供數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。

(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析與處理功能。將監(jiān)測(cè)到的結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則和要求存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)時(shí)判斷測(cè)量數(shù)據(jù)是否超出安全閾值，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢與管理，也可打印數(shù)據(jù)報(bào)表。

(3) 集中顯示功能。將采集到的數(shù)據(jù)按照傳感器布置位置、數(shù)據(jù)類型在監(jiān)測(cè)主機(jī)上分類顯示，讓管理者隨時(shí)查看各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。軟件集中顯示界面如圖10所示。

圖10 軟件集中顯示界面

存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查找功能進(jìn)行提取，并可通過(guò)圖表、曲線等方式顯示，如圖11所示。

圖11 歷史數(shù)據(jù)查詢顯示

(4) 安全預(yù)警與定位功能。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出設(shè)定的安全閾值，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)在軟件界面上彈出報(bào)警對(duì)話框，并提示安全隱患類型和所處位置，同時(shí)通過(guò)聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警，以便管理人員不在電腦面前時(shí)可以接收到報(bào)警信息。該模塊也可擴(kuò)展短信自動(dòng)發(fā)送功能，出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)可自動(dòng)給管理人員發(fā)送短信，以便無(wú)人值守時(shí)及時(shí)了解安全信息。

2.5 監(jiān)測(cè)主機(jī)

監(jiān)測(cè)主機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)，即主機(jī)和顯示器集成在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)。在主機(jī)屏幕兩側(cè)一共有8個(gè)指示燈。右側(cè)4個(gè)綠色指示燈分別是電源指示燈、支柱應(yīng)力正常指示燈、承臺(tái)應(yīng)力正常指示燈和艦體姿態(tài)正常指示燈；左側(cè)4個(gè)紅色指示燈分別是報(bào)警燈、支柱應(yīng)力異常指示燈、承臺(tái)應(yīng)力異常指示燈和艦體姿態(tài)異常指示燈。一旦艦體出現(xiàn)緊急情況，相對(duì)應(yīng)的紅色指示燈就會(huì)閃爍，配合蜂鳴報(bào)警器提醒工作人員。將光纖光柵解調(diào)儀、激光位移傳感器上傳的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行解釋并讀入監(jiān)控計(jì)算機(jī)內(nèi)存，以便其他模塊讀取。監(jiān)控計(jì)算機(jī)1 T的內(nèi)存能存儲(chǔ)足夠多的測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

中山艦陳列安全性在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)集現(xiàn)代傳感技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)、數(shù)據(jù)管理方法、預(yù)測(cè)技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析理論及現(xiàn)代控制技術(shù)于一體的集成系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)，可對(duì)中山艦的各支撐結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度安全以及艦體自身的安全狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)有效的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)主機(jī)上記錄顯示的各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)可直觀地反映艦體實(shí)時(shí)安全性能，對(duì)潛在的安全隱患進(jìn)行預(yù)警，為博物館工作人員提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，從而為應(yīng)對(duì)文物可能出現(xiàn)的安全隱患贏得搶救時(shí)間。