DNV船體監(jiān)控系統(tǒng)的分析及運用

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

船舶在海上航行時，由于各種損傷的存在，對船體結(jié)構(gòu)強度有著極大的考驗，特別是大型船舶很容易發(fā)生海損事件。船東和航運公司越來越重視運營船舶的結(jié)構(gòu)安全，各大船級社也陸續(xù)發(fā)布關(guān)于船體監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)范，充分體現(xiàn)了船舶加裝此系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年對大型船舶訂單均考慮加裝船體監(jiān)控系統(tǒng)。例如,40萬t礦砂船和20 000 TEU集裝箱船加裝了船體監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時監(jiān)控船體結(jié)構(gòu)狀態(tài)，可及時給出安全預(yù)警，提高了船舶航行的安全性。

1 DNV船籍符號HMON的解讀

HMON(hull monitoring systems)是DNV船級社關(guān)于船體監(jiān)控系統(tǒng)的船籍符號，授予安裝了監(jiān)控船體應(yīng)力、海況和操作參數(shù)的船舶。當(dāng)船舶應(yīng)力水平和加速度等值超過設(shè)定值，需要采取措施進(jìn)行調(diào)整時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，可以讓船長及時知曉船舶狀態(tài)，調(diào)整航速或者航向，修改裝載計劃，降低船舶航行風(fēng)險，提高安全性。系統(tǒng)長期記錄的歷史數(shù)據(jù)，可以用于航次航線優(yōu)化和研究。

各船級社針對船體監(jiān)控系統(tǒng)的船籍符號都不盡相同。例如，LR船級社船體監(jiān)控系統(tǒng)的船籍符號為SEA(Hss-4)；CCS船級社對應(yīng)的船籍符號為HMS；而DNV船級社對應(yīng)的船籍符號為HMON，還用字母代表附加符號，不同的字母表示此系統(tǒng)包含了何種類型的傳感器，傳感器數(shù)量或者具有的特性。在DNV規(guī)范Part6, chapter11中有詳細(xì)說明，附加符號中14個字母對應(yīng)不同的含義[1]。

DNV規(guī)范的HMON船籍附加符號內(nèi)容全面，針對性強，要求明確詳盡，對整個系統(tǒng)的功能、主要設(shè)備構(gòu)成、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲存都提出了具體要求。其中對強制和推薦配備的最低傳感器數(shù)量要求也有明確說明。對于不同船型和船長，布置傳感器的數(shù)量和位置都有所不同。以散貨船為例，裝載計算機的接口和安裝在船舯左右舷的應(yīng)力傳感器為強制要求，安裝在離船舯1/4船長(左舷或者右舷)的應(yīng)力傳感器為推薦要求。船東可以根據(jù)實際需求的選取其中的一個或者多個字母作為附加符號，例如HMON(G4, A1, W1)表示船舶需要安裝4個應(yīng)力傳感器，1個加速度傳感器和1套風(fēng)速風(fēng)向儀。

2 實船應(yīng)對方案

對于超大型船舶，高強度鋼的大范圍使用，船體梁相對剛度降低，就會造成水彈性效應(yīng)明顯增大。而且40萬t礦砂船具有艏部平底的線型特點，航行時會引起較為嚴(yán)重的艏部砰擊，對船體結(jié)構(gòu)疲勞強度和極限強度都是很大的考驗。安裝船體監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控船體應(yīng)力，運動姿態(tài)和浮態(tài)，超過臨界值會給出報警，船員可以結(jié)合海況信息調(diào)整裝載或者改變航線，來確保船舶結(jié)構(gòu)安全[2]。

2.1 系統(tǒng)概述

通常噸位比較大的油船和集裝箱船會考慮配備船體監(jiān)控系統(tǒng)，但一般只安裝船體應(yīng)力傳感器和加速度傳感器，也無需取得船級社的船籍符號。本公司承接的40萬t超大型礦砂船需要滿足DNV的HMON(G4,C1,W1,O1,A1,S1,E1)，其中船籍附加符號S1比較特殊，此前的船舶建造未涉及，在方案選擇和尋找滿足要求的供應(yīng)商上都有一定的難度。為了能滿足此船籍符號，將系統(tǒng)原理[3-4]繪于圖1。

圖1 船體監(jiān)控系統(tǒng)組成

此系統(tǒng)主要由船體應(yīng)力和海浪監(jiān)控兩大子系統(tǒng)組成。

船體應(yīng)力系統(tǒng)需要滿足附加符號G4,C1,W1,O1,A1,E1的要求。其中安裝4個應(yīng)力傳感用于滿足G4的要求，安裝1個加速度傳感器為了滿足A1的要求，船體應(yīng)力系統(tǒng)還通過連接箱采集各種外部信號，包括裝載狀態(tài)、風(fēng)速風(fēng)向、DGPS及主機轉(zhuǎn)速等，來滿足其余的附加符號的要求。船體應(yīng)力系統(tǒng)一方面將采集的應(yīng)力和加速度信號傳輸給VDR用于記錄，另一方面將所有采集的信號傳輸給處理單元進(jìn)行計算、統(tǒng)計，并在顯示器上顯示應(yīng)力值，彎矩，裝載狀態(tài)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)，砰擊值，疲勞強度等數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)值超過設(shè)定報警值時，會給出聲光報警。

海浪監(jiān)控系統(tǒng)是為了滿足S1的要求而設(shè)置的。系統(tǒng)通過圖像轉(zhuǎn)換裝置接收外接設(shè)備傳輸?shù)暮＠诵盘枺瑢D像信號預(yù)處理后傳輸給處理單元，經(jīng)過計算后得出海浪的各種參數(shù)并在計算機顯示。根據(jù)DNV規(guī)范，整個系統(tǒng)還配備了UPS，以滿足當(dāng)主電源失電后，系統(tǒng)能維持至少10 min供電的要求。

2.2 船體應(yīng)力系統(tǒng)

2.2.1 應(yīng)力傳感器

目前應(yīng)力傳感器的類型有三種[6]：電阻應(yīng)變式傳感器、光纖光柵傳感器[7-8]和直線位移傳感器，40萬t礦砂船選用的就是直線位移傳感器。根據(jù)DNV要求，大型礦砂船要用長基線應(yīng)力傳感器(LBSG)，標(biāo)尺長度為2 m，數(shù)量為4個。規(guī)范不僅對傳感器選型和數(shù)量有要求，對安裝位置也有明確要求，船舯左右舷各1個，離船艏和船艉1/4船長處各1個。結(jié)合40萬t礦砂船的實際情況，右舷甲板為船舶主通道，不易布置過多設(shè)備，故將離船艏艉1/4船長處的傳感器布置在左舷。傳感器的精確定位還需要根據(jù)甲板面的實際布置情況，首先要避開其他設(shè)備，尤其是大物件，其次是避開板縫[5，9]。最終4個傳感器的肋位號分別為Fr.70P, Fr.110P, Fr.110S, Fr.150P。應(yīng)力傳感器的布置位置見圖2。

圖2 傳感器布置示意

2.2.2 加速度傳感器

加速度傳感器布置在艏部水手長儲藏室中線位置，此加速度傳感器為單片加速度傳感器，量程為(+、-)4倍的加速度。傳感器可以測出船舶移動造成的艏部加速度。測量的加速度與速度閾值相比較，可表明在波濤洶涌的海水中艏底受到?jīng)_擊的概率。

2.2.3 傾斜儀

安裝在駕控臺的傾斜儀為雙軸電解傾斜傳感器，用于監(jiān)控船舶橫搖和縱搖的角度，此傳感器可以測量在4 Hz頻率范圍內(nèi)傾斜角高達(dá)20°。在監(jiān)測系統(tǒng)的運動和砰擊界面中，有船體橫搖和縱搖角度的模擬動畫，動畫的周期和測量所得的橫搖縱搖數(shù)量一致，砰擊計算結(jié)果也在此界面顯示。

2.3 海浪監(jiān)控系統(tǒng)

為了滿足船籍附加符號S1，船舶必須有監(jiān)控海況的能力，通常會裝載海浪監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由海浪分析控制單元，雷達(dá)掃描轉(zhuǎn)換裝置，海浪監(jiān)控處理器等組成。除了上述設(shè)備，還需要采集海況信息的設(shè)備與之配合使用，目前能采集海況信號的手段有多種，主要是雷達(dá)，衛(wèi)星，浮標(biāo)形式等，詳見表1。

表1 海況信息采集方案比較

通過衛(wèi)星輸送海況信號雖然有信息全面的特點，但是接收信息會因為網(wǎng)絡(luò)速度有限產(chǎn)生延時，最致命的一點就是成本太高，還需要耗費流量。浮標(biāo)是比較傳統(tǒng)的測量方式，準(zhǔn)確度最高，但機動性太差，只能在相對固定的海域進(jìn)行測量，而且很容易損壞和丟失，不適于在遠(yuǎn)洋船舶中使用。利用雷達(dá)進(jìn)行海況信息采集，具有信息準(zhǔn)確度相對較高，機動性，時效性都很強的特點。一般海況雷達(dá)有X波段和C波段兩種雷達(dá)可選，而大多數(shù)船舶X波段雷達(dá)都作為標(biāo)準(zhǔn)配置，故從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，選用X波段雷達(dá)作為海況信息采集裝置更為合理。

在40萬t礦砂船設(shè)計初期，進(jìn)行了多方咨詢和方案比較，認(rèn)為無論從可實現(xiàn)性，實時性和經(jīng)濟(jì)性各方面考慮，最終選擇X波段雷達(dá)做為海況信息采集設(shè)備的方案。X波段雷達(dá)除了能監(jiān)控海上的移動目標(biāo)，還可以用于測量海況。雷達(dá)的海面回波會形成海雜波，基于三維快速傅里葉變換，從雷達(dá)圖像中獲得方向性的海雜波雷達(dá)波譜，并采用濾波、積分等修正手段最終可以獲得海浪波譜，進(jìn)而計算出波浪的高度、角度和周期等海況參數(shù)。

3 結(jié)論

一般船舶安裝的船體監(jiān)控系統(tǒng)僅僅是監(jiān)控本船舶的應(yīng)力水平，但40萬t礦砂船由于需要滿足DNV的HMON船籍符號，系統(tǒng)還可同步監(jiān)測風(fēng)、浪，流等外部環(huán)境狀態(tài)，通過大量環(huán)境信息的收集，將船體結(jié)構(gòu)狀況與外部環(huán)境相結(jié)合，從而給出更科學(xué)的船體結(jié)構(gòu)健康報告，預(yù)警和航行輔助決策[10]，更大程度地提高了船舶航行時的安全性。

船舶安裝船體監(jiān)控系統(tǒng)除了為船舶安全航行提供實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，還具有其他眾多積極意義。監(jiān)控系統(tǒng)記錄的歷史數(shù)據(jù)也將對船舶未來進(jìn)塢的結(jié)構(gòu)檢查提供理論依據(jù)。營運公司可以根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)的全生命周期的應(yīng)力水平記錄，把全船所有結(jié)構(gòu)的周期性的計劃檢查列為局部結(jié)構(gòu)的視情維護(hù)。同時，隨著運營船的船體應(yīng)力數(shù)據(jù)的積累和分析，在未來船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中用實際測量數(shù)據(jù)模型替代預(yù)估經(jīng)驗?zāi)Ｐ停瑢Υ敖Y(jié)構(gòu)精益設(shè)計提供有力的數(shù)據(jù)支撐。