船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測及健康評(píng)估系統(tǒng)

陳 樂

（中國人民解放軍92493部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000）

0 引言

可靠性和安全性是艦艇順利完成任務(wù)的基礎(chǔ)。艦艇服役一定時(shí)間后，船體結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)存在腐蝕、裂紋、變形等缺陷，導(dǎo)致承載能力下降。在大風(fēng)浪沖擊等外載荷的作用下，船體結(jié)構(gòu)存在發(fā)生塑性變形或斷裂破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)艦艇船體結(jié)構(gòu)開展實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測與健康評(píng)估，在其未出現(xiàn)塑性變形或斷裂破壞前發(fā)出預(yù)警，及時(shí)提醒艦員采取規(guī)避措施以保證船體結(jié)構(gòu)安全，對(duì)艦艇的使用、維護(hù)、修理和建造具有重要指導(dǎo)意義。

國外對(duì)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測及健康評(píng)估技術(shù)的研究起步較早，并于20世紀(jì)90年代開始在多種船舶上開展探索性應(yīng)用[1-2]。進(jìn)入21世紀(jì)，船體結(jié)構(gòu)性能的重要性越來越受到重視。SWARTZ等[3]將 20個(gè)無線傳感器組成無線船體監(jiān)測系統(tǒng)，用于美國高速近岸戰(zhàn)斗艦（FSF-1）的船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測中；KOBOEVIC等[4]利用船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船體性能監(jiān)測，并根據(jù)船體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)確定合理的維修周期；美國船級(jí)社（ABS）正在利用數(shù)字孿生技術(shù)為美國海軍補(bǔ)給司令部的每艘船只建造一個(gè)數(shù)字化船體，目的是檢測船體異常行為，并為早期故障提供預(yù)警。國內(nèi)對(duì)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測及健康評(píng)估系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，該技術(shù)在民用船舶上得到初步應(yīng)用[5-8]，并取得較好效果。在軍用艦艇船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究基礎(chǔ)上，該類系統(tǒng)也開始得到試驗(yàn)性應(yīng)用[9-11]，但還沒得到廣泛推廣。

本文建立一套應(yīng)用于艦艇的船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測及健康評(píng)估系統(tǒng)，通過對(duì)總體和局部結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行長期智能監(jiān)測及健康評(píng)估，達(dá)到實(shí)時(shí)航行安全預(yù)警的目的，同時(shí)可以對(duì)優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)功能模塊

船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測與健康評(píng)估系統(tǒng)主要是在船體結(jié)構(gòu)中植入傳感系統(tǒng)，賦予其結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測與健康自診斷的智能功能。該系統(tǒng)綜合應(yīng)用船體結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別技術(shù)、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論、光纖傳感技術(shù)和多數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)，對(duì)船上的重要結(jié)構(gòu)及薄弱部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前海況下船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，對(duì)應(yīng)力超限的監(jiān)測點(diǎn)位發(fā)出報(bào)警信息，提醒艦員檢查船體安全情況，采取適當(dāng)措施保障船體結(jié)構(gòu)安全可靠航行。

船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測與健康評(píng)估系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)力監(jiān)測、強(qiáng)度評(píng)估、報(bào)警與記錄、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和界面顯示7項(xiàng)功能。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集功能主要由光纖光柵應(yīng)變傳感器、轉(zhuǎn)接盒和光纜等設(shè)備來完成，這些設(shè)備一般安裝于待測船體結(jié)構(gòu)中，主要用于采集傳感系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過光柵解調(diào)儀將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)識(shí)別的電信號(hào)。

2）數(shù)據(jù)處理

主要用來對(duì)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除干擾信號(hào)。通過綜合控制軟件可對(duì)濾波器的濾波范圍進(jìn)行設(shè)定，并進(jìn)行數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差處理和數(shù)據(jù)異常處理。

3）應(yīng)力監(jiān)測

主要用來對(duì)船上重要結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部位和敏感構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測。監(jiān)測應(yīng)力包括總縱彎曲應(yīng)力和結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力。能夠疊加靜水彎矩并剔除溫度影響，獲取更加準(zhǔn)確穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4）強(qiáng)度評(píng)估

依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料和材料的屈服強(qiáng)度，設(shè)置合理閾值，對(duì)結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

5）報(bào)警與記錄

主要用來對(duì)傳感器故障、電源故障和船體結(jié)構(gòu)潛在的危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，對(duì)達(dá)到閾值80%的信號(hào)進(jìn)行視覺或聽覺報(bào)警，并自動(dòng)將報(bào)警原因記錄到數(shù)據(jù)庫中。

6）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

系統(tǒng)配備專用數(shù)據(jù)庫用于實(shí)歷數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、評(píng)估結(jié)果、系統(tǒng)操作日志、維護(hù)和校準(zhǔn)日志、報(bào)警記錄和船體信息的管理。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)所有傳感器至少一個(gè)季度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和24 h的實(shí)歷數(shù)據(jù)，并能夠方便快捷地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、調(diào)用和備份。

7）界面顯示

通過綜合控制軟件對(duì)各類信息與監(jiān)測信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。顯示內(nèi)容包括各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)信號(hào)、監(jiān)測點(diǎn)位置、傳感器狀態(tài)以及閾值與報(bào)警等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測與健康評(píng)估系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖

光纖傳感器將船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度變化轉(zhuǎn)換為不同波長的光信號(hào)，并通過光纜傳輸給光纖解調(diào)儀；光纖解調(diào)儀根據(jù)發(fā)送與接收光信號(hào)波長差值以及其他多項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)過復(fù)雜運(yùn)算解算出船體結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)應(yīng)變及溫度數(shù)值；同時(shí)，解調(diào)儀將解算完成的原始應(yīng)變數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口 TCP/IP實(shí)時(shí)傳輸給監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)通過預(yù)處理并存儲(chǔ)至內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用單Server架構(gòu)開發(fā)，具有很強(qiáng)的移植性。由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測及健康評(píng)估系統(tǒng)的不同業(yè)務(wù)功能需要不同的控制模式，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將采集、存儲(chǔ)、分析和軟硬件控制分別作為子系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。該軟件系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)：光纖光柵傳感器應(yīng)力數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和綜合控制4個(gè)子系統(tǒng)，如圖3所示，軟件安裝于監(jiān)控主機(jī)中。其中，光纖光柵傳感器應(yīng)力數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理光纖光柵傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)；監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)一方面負(fù)責(zé)收集所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，另一方面向監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)；監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)船體監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，是系統(tǒng)的核心軟件；綜合控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)在系統(tǒng)加電后控制各軟件模塊的自動(dòng)啟動(dòng)、設(shè)備故障檢查以及報(bào)警。

1）光纖光柵傳感器應(yīng)力數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

光纖光柵傳感器應(yīng)力數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，屬于光信號(hào)采集。光纖光柵傳感器通過光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，通過分析與解調(diào)將數(shù)據(jù)發(fā)送到該子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)處理，緩存相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)按照用戶的需求進(jìn)行分發(fā)，以便對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)分析，如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)軟件組成

圖4 光纖光柵傳感器應(yīng)力數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)框圖

2）監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)

監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)功能如圖5所示，共有10個(gè)軟件業(yè)務(wù)功能點(diǎn)。該子系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)是數(shù)據(jù)解析、狀態(tài)判斷、數(shù)據(jù)寫入文件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和電源管理 5個(gè)業(yè)務(wù)功能，TCP Client、UDP Server/Client、配置文件、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存和命令數(shù)據(jù)響應(yīng)都在為5個(gè)核心業(yè)務(wù)功能做服務(wù)支撐。從以上業(yè)務(wù)功能可知，該子系統(tǒng)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)解析來分析傳感器狀態(tài)，并將解析結(jié)果和狀態(tài)判斷結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)，同時(shí)將數(shù)據(jù)解析結(jié)果寫入存儲(chǔ)文件。該子系統(tǒng)還將實(shí)時(shí)接收監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)下發(fā)的數(shù)據(jù)采集頻率命令，并做出相應(yīng)的頻率調(diào)整。

圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)外部接口及內(nèi)部功能

3）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)分為實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、評(píng)估歷史數(shù)據(jù)查詢與導(dǎo)出和軟件系統(tǒng)配置6個(gè)模塊（見圖6）。

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)接收。從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收應(yīng)變數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理。將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、零漂誤差處理。

（3）監(jiān)測狀態(tài)顯示。實(shí)時(shí)顯示每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的連接狀態(tài)和應(yīng)力超限情況。

（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段、分塊，計(jì)算出均值、峰值、谷值、峰數(shù)、谷數(shù)等信息，并將評(píng)估結(jié)果數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)到磁盤。

（5）評(píng)估歷史數(shù)據(jù)查詢與導(dǎo)出。歷史數(shù)據(jù)的查詢和導(dǎo)出功能。

（6）系統(tǒng)配置。系統(tǒng)能夠根據(jù)配置文件對(duì)軟件系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。各用戶根據(jù)所配置的權(quán)限進(jìn)入響應(yīng)的界面。

4）綜合控制子系統(tǒng)

綜合控制子系統(tǒng)的主要功能如圖7所示。系統(tǒng)開機(jī)后，自動(dòng)按預(yù)設(shè)順序啟動(dòng)監(jiān)控主機(jī)操作系統(tǒng)中的光纖光柵傳感器應(yīng)力數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)，并進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)故障檢測。各功能的要求如下：

（1）系統(tǒng)自動(dòng)登錄。系統(tǒng)開機(jī)后可自動(dòng)登錄至指定的用戶操作界面。

（2）發(fā)布系統(tǒng)服務(wù)。綜合控制子系統(tǒng)隨系統(tǒng)啟動(dòng)而自啟動(dòng)。

（3）用戶權(quán)限控制。綜合控制子系統(tǒng)安裝在指定某一個(gè)或多個(gè)用戶操作目錄下，其他非授權(quán)用戶登錄軟件不運(yùn)行。

（4）啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)軟件。綜合控制子系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過腳本啟動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件；

（5）啟動(dòng)數(shù)據(jù)分析軟件。綜合控制子系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過腳本啟動(dòng)數(shù)據(jù)分析軟件。

圖7 綜合控制子系統(tǒng)主要功能

3 需解決的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 測點(diǎn)選取

測點(diǎn)需要選取在最能反映船體受力狀態(tài)的位置。根據(jù)船體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析、查找船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，分析確定承受總縱彎曲應(yīng)力較大的結(jié)構(gòu)和測點(diǎn)位置；通過實(shí)船勘驗(yàn)結(jié)果尋找出關(guān)鍵艙段、肋骨和腹板等存在應(yīng)力集中的構(gòu)件，分析確定承受局部應(yīng)力較大的結(jié)構(gòu)和測點(diǎn)位置。一般情況下，在船舯剖面的主甲板左右兩舷和艙底位置選取3個(gè)～4個(gè)承受總縱彎曲應(yīng)力較大的測點(diǎn)，在主甲板與上層建筑的接合處、承受砰擊載荷較大的底板、舷側(cè)板等位置計(jì)劃選取8個(gè)～9個(gè)承受局部應(yīng)力較大的測點(diǎn)，具體測點(diǎn)位置需根據(jù)實(shí)船勘驗(yàn)情況確定。

3.2 傳感器選型及優(yōu)化布置

光纖光柵傳感器具有精度高、輸出線性范圍寬、電絕緣性能好、抗電磁干擾、便于海上實(shí)施和布放以及可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光型探頭等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在船體監(jiān)測領(lǐng)域具有極好的市場前景[12]。但是，實(shí)踐中需要對(duì)比分析該類傳感器金屬基底、聚合物基底等不同基底材質(zhì)，棒狀、片狀等不同封裝形式，以及埋入式、粘貼式和焊接式等不同安裝方式在量程、壽命及施工難度等方面的區(qū)別，綜合考慮光纖光柵解調(diào)儀波長范圍、通道數(shù)量，以及艦船艙室數(shù)量和每個(gè)艙室傳感器數(shù)量等因素，合理選型傳感器中心波長，充分發(fā)揮光纖光柵傳感器和解調(diào)儀的性能，滿足系統(tǒng)高速、大量程應(yīng)變數(shù)據(jù)采集的需求。

3.3 分布式光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)布置傳感器的艙室數(shù)量、艙室位置、每個(gè)艙室傳感器的數(shù)量等具體情況，合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合波分復(fù)用等技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)布線，節(jié)約線纜并且降低施工難度。相近區(qū)域范圍內(nèi)的光纖光柵傳感器由光纖跳線串行連接，多個(gè)串行連接的光纖光柵傳感器組通過采集箱匯聚至光電復(fù)合纜，光電復(fù)合纜穿艙后連接至光纖解調(diào)儀，由光纖解調(diào)儀將光信號(hào)解調(diào)為監(jiān)控主機(jī)能夠處理的電信號(hào)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測及健康評(píng)估系統(tǒng)，通過對(duì)船上的重要結(jié)構(gòu)及薄弱部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、評(píng)估和健康管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)船體狀態(tài)的全面掌握，可及時(shí)預(yù)報(bào)故障，降低維護(hù)成本，對(duì)艦艇的使用、維護(hù)、修理和建造具有重要的指導(dǎo)意義。