航行船舶在波浪中響應長期監測技術

汪雪良，顧學康，魏納新，徐國徽，吳宴華

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

船舶結構的安全性一直為船舶研究設計人員所關注。在已往的設計實踐中，在設計階段一般都通過模型試驗模擬船舶在海上航行時可能遭遇的海況來考核船舶遭遇的波浪載荷和評估結構的安全性;在實船建造完成后通過短期的海上試航來考核船體結構在所遭遇海況下的結構響應。這2種考核船舶結構安全性的方法的局限性就是不能從真正意義上反映船舶實際可能遭遇的惡劣海況。為此，國內外對航行船舶在波浪中的長期監測技術開展過大量的研究，以期掌握實際海浪環境下的航行船舶安全狀態。

劉承民等［1］在文獻中提到在大連新船重工為伊朗國家石油公司承建的30萬t級大型油船上安裝了船體應力監測系統。該系統實時監測船體桁材的應力和船體的運動，并在船體垂蕩的大小和頻率接近于設計許可值時向操航人員提供警示信息，及時對船舶的操縱或裝卸載計劃進行調整以免船舶免受損失;并對船舶的控制、航行、操縱和船體的反應等信息進行記錄以便日后進行海事分析。

Yu［2］等對1艘大型集裝箱船在遠東到歐洲航線上進行了實船測量。采用的船體應力監測系統由船體應力監測系統(HSMS)和安裝在甲板上的波浪監測系統(WaveFinder)組成。HSMS一般安裝在商船接近于船中的剖面上，采用長基的應變傳感器監測總體的船體梁應力和相關的彎矩。HSMS上所有傳感器的信號都以20 Hz的頻率采樣，每5 min對信號時間歷程進行常規的統計分析，并記錄在計算機的硬盤上。

DNV［3－4］和 BV［5］等船級社研究人員對遠洋航行的船舶如大型集裝箱船、散貨船、LNG船等進行了結構、運動響應以及海洋環境的長期監測，對船舶結構遭受的長期波浪載荷及其響應進行分析，對其航行的安全性進行評估，為后續船舶的營運和設計提供了非常寶貴的數據積累。ABS［6］還曾對船舶的長期監測系統制定過相應的規范。

本文在大量實船結構和運動響應測試技術研究工作的基礎上，針對船舶遠洋航行的特點，開發了1套航行船舶在波浪中響應的長期監測系統(LOTEMS)。安裝該系統的船舶在海上航行時，船舶結構的強度和運動狀態信息都可通過該系統得到實時的跟蹤測量與分析。在此基礎上，該系統可向船舶的操航人員提供輔助的航行決策依據，從而對惡劣海況中航行船舶的結構安全性提供重要的保障。

1 長期監測系統的開發

航行船舶在波浪中響應的長期監測與模型試驗及短期的海上航行測試不同，長期監測過程中船舶和測量系統遭受了更為惡劣的環境條件，如高浪級、高低溫、高濕、振動、鹽霧、電磁干擾等。如此嚴酷的實船長期測試環境對長期監測系統的可靠性設計提出了十分嚴格的要求，以滿足監測系統長期安全性和有效性的使用要求。因而，長期監測系統的所有硬件模塊都必須經過專業的性能試驗、電磁試驗、環境試驗和可靠性試驗等的驗證。除此之外，在長期監測系統LOTEMS的研制過程中，還重點解決了斷電保護、巨量數據儲存、故障自動恢復、系統冗余、傳感器長期保護、線路簡化等關鍵技術，實現了系統的長期無人自動運行。

1.1 硬件組成

長期監測系統LOTEMS的硬件主要包括傳感器、信號采集與調理器、系統主機和UPS這幾個部分，相互之間通過相應的專用電纜連接，見圖1。

圖1 長期監測系統(LOTEMS)硬件組成Fig.1 Hardware of long term monitoring system(LOTEMS)

船舶結構應變響應的傳統測量方法采用粘貼式的應變計，這種應變計采用專用的膠水與被測結構物進行粘貼。這種應變測量方式對于短期的應變測試是可行的，也是便利的。但是，這種專用的膠水都有時效性，特別是在海上惡劣的環境下其老化問題不容忽視，否則應變測試信號容易失真。因而，對需要進行長期測量的結構響應來說，這種粘貼式的應變計是不可行的，即可靠性不滿足要求。為此，中國船舶科學研究中心科研小組針對船舶結構響應長期監測的需求，研制了如圖1所示的用于結構應變長期測試的傳感器。通過高靈敏度的變形傳感元件使得被測結構物的變形得到有效傳遞，從而實現結構應變的長期測量。該傳感器可采用栓接或焊接的方式安裝，避免了采用受時效限制的專用膠水粘貼的安裝方式，從而實現長期監測傳感器技術的創新。

1.2 軟件方案

系統的軟件主要包括系統控制、測量參數配置、定時數據同步采集、數據實時分析、數據存儲與回放、監測數據顯示、監測系統校準等功能模塊。

1)系統控制模塊

系統控制模塊通過路由器為各分布式數據采集模塊分配地址，并保持與各模塊之間的數據通訊和數據傳輸。

2)測量參數配置模塊

該模塊通過用戶界面，對各測量通道進行測量參數配置，主要包括傳感器的靈敏度、數據采集的采樣頻率和記錄長度、采樣的開始時間和時間間隔、頻譜分析的計算參數、數據的存儲方式等內容。

3)定時的數據同步采集模塊

根據用戶在測量參數配置界面上設置的采樣開始時間和采樣時間間隔，啟動監測系統各數據采集模塊進行同步采集。

4)數據實時分析模塊

該模塊主要實現對各測量通道的信號在時域和頻域內進行數據實時分析的功能。時域分析主要包括最大值、最小值、平均值、有效值等統計分析，頻域分析主要通過FFT變換獲得各監測部位的頻譜信息。同時該模塊還有具備細化分析的功能，以便進行安全性評估和提示。

5)數據的存儲與回放模塊

該模塊根據用戶在測量參數配置界面上對數據存儲方式的設置，有選擇地保存測量數據，包括時頻信號和分析結果，并實現歷史數據的回放功能。

6)數據的顯示模塊

該模塊提供時域波形、頻譜圖、數據列表等多種數據顯示控件，可根據用戶的需求在相應的控件中顯示和回放測量數據。

7)系統的校準模塊

該模塊主要用于對監測系統各測量通道的定期周檢，以確保測量數據的準確性。周檢的內容包括靈敏度、幅值線性度、頻響特性等，檢定的結果將自動應用于檢定日期后的測量參數配置中。

圖2 長期監測系統軟件界面Fig.2 Software interface of long term monitoring system

2 LOTEMS系統長期監測實例

為驗證LOTEMS系統在船舶結構和運動響應長期監測中的有效性和可靠性，科研小組在1艘遠洋航行的船舶上安裝了該系統，并進行了為期3個月左右的無人值守自動監測。該船遠洋航行過程中穿過2個大洋(太平洋和印度洋)和3個海區(東海、南海和阿拉伯海)。在航行過程中，監測系統工作正常，積累了大量的第一手長期實測資料。根據監測資料的分析表明，該船在遠洋航行過程中遭遇了短期海上試航時不曾遭遇的復雜海況，進一步考核了該船的結構安全性。

監測得到的船體在波浪中的運動響應的典型記錄曲線如圖3～圖5所示。船體結構在波浪中的應力應變記錄曲線如圖6所示，對原始記錄進行譜分析的結果如圖7所示。可以看到圖7中的低頻部分(0.2 Hz左右)有1個較大的峰值，它和遭遇波浪的運動特征相近;高頻部分(1.6 Hz左右)有1個較小的峰值，它的主要頻率為船體梁一階垂向總振動頻率，高頻部分的峰值較低，表示砰擊次數較少或砰擊不強烈。

3 結語

對1艘遠洋航行船舶在波浪中響應的長期實時監測結果的分析表明，本文所述的LOTEMS長期測量系統的研發是成功的。系統研發過程中經過了軟硬件的專項試驗，解決了結構響應長期監測所面臨的系統可靠性和有效性等問題，實現了船舶結構響應長期無人值守的實時監測。

實船測量過程中獲得了該船在各種風浪條件下航行過程中運動和結構響應的豐富資料，對進一步科學地評估該船總體和結構的適航性能和航行安全能力，改進該型船舶的后續設計和發展相關設計標準起到了積極的作用。

［1］劉承民，梁信眾.船體應力監測系統簡介［J］.世界海運，2001，(1):22 －23.LIU Cheng-min，LIANG Xin-zhong.The new trend of shipping company development［J］.World Shipping，2001，(1):22－23.

［2］YU H C(AM)，CHOI J W(V)，PARK G I(V)，et al.FULL Sale Measurement of a Large Container Carrier on the Far East-Europe Route［C］//SMTC －074 －2008，1 －11.

［3］CASTBERG G，GRAN S.Signal processing of long term stress measurements on TT Bonn［R］.DNV technical report，1976.76 －067.

［4］HEGGLUND S E，STORHAUG G，OMA N.Consequence of Whipping and Springing on Fatigue and Extreme loading for a LNG Vessel Based on Onboard measurements［C］//11thinternational symposium on practical design of ships and other floating structures，Rio de Janerio，RJ，Brazil，2010.1173 －1179.

［5］AALBERTS P J，NIEUWENHUIJS M W.Full Scale Wave and Whipping Induced HullGirderLoads［C］//Hydroelasticity in Marine Technology，Wuxi，China，2006.65－78.

［6］ABS.Guide for hull condition monitoring systems［S］.1995(Updated December，2003).