“雪龍2”船體監測及輔助決策系統設計

孫 慧，趙炎平，汪大立，顧捷偉，李中月

(1. 中國船舶工業集團有限公司第七〇八研究所，上海 200000；2. 中國極地研究中心，上海 200000)

0 引 言

“雪龍2”號船是我國第1 艘自主建造的極地科學考察破冰船，滿足無限航區要求、具備全球航行能力?！把?”設計航速12 ～15 kn，結構強度滿足PC3 要求，可首、尾雙向破冰，首向能在覆蓋0.2 m 厚積雪的1.5 m 厚冰層上以2～3 kn 航速連續破冰。該船可實現極區原地360°自由轉動，可突破極區20 m 當年冰冰脊，破冰能力良好。

船體結構強度是影響“雪龍2”破冰航行作業安全性的一個重要因素。為提高“雪龍2”抵御結構安全風險的能力，該船設計安裝船體監測及輔助決策系統。該系統與船體全生命管理系統合并組成智能船體。近年來，國內外的船體監測系統發展迅速，許多國家的船體應力監測系統在破冰船上都有實際應用，韓國在ARAON 號破冰船和Arctic 號LNG 船的肋骨、船殼等部位安裝應變片對結構應力與冰載荷進行了測量，美國在Varandey 極地運輸船的首、尾肋骨上安裝單向陣列式應變片對冰載荷進行了測量，加拿大在CCGS Louis S.St-Laurent 號破冰船和Terry Fox 號破冰船的肋骨上安裝陣列式45°雙片對剪應力進行了測量[1-5]。我國季順迎等在“雪龍”號破冰船上多次安裝傳感器對船體結構響應及艙室聲壓進行了測試[6]。

本文對“雪龍2”號船上的船體監測及輔助決策系統進行介紹，具體包括系統組成、功能模塊、業務流程、測點布置、數據分析方法、輔助決策方式以及系統部分功能界面等。

1 “雪龍2”船體監測及輔助決策系統概況

“雪龍2”號船上的船體監測與輔助決策系統通過在船體冰帶區、重要結構和敏感部位中植入傳感器，結合數據采集、數據預處理、屈服強度評估、疲勞強度評估、總縱強度評估、冰載荷反演、首部砰擊計算、振動監測、數據庫管理以及輔助決策等技術，形成具備船體結構健康自診斷功能的系統。該系統能夠實時監測“雪龍2”號船上指定區域的結構狀態，對危險應力進行報警，給船員提供及時有效的輔助決策信息，從而降低在惡劣海況下航行以及破冰作業時可能出現的結構安全風險。

圖 1 系統結構組成Fig. 1 System structure diagram

系統結構組成如圖1 所示。其中，首部砰擊壓力計算模塊只在敞水航行時開啟，冰載荷反演及海冰圖像識別模塊只在冰區航行作業時開啟。系統業務流程圖如圖2 所示。由圖2 可知，系統采集數據的來源分為兩部分：一部分來自系統自身安裝的溫度、應變與加速度傳感器采集的測點應變與測點加速度信息，另一部分數據利用“雪龍2”號船上已有的設備采集相應數據，通過網絡或串口形式傳輸至本系統，如氣象、冰情、運動信息等。采集數據傳輸至上位機后進行數據預處理、強度評估、報警及輔助決策等工作，相關數據經篩選存入數據庫中。

2 “雪龍2”船體監測及輔助決策系統設計

2.1 測點類型與設計

圖 2 業務流程圖Fig. 2 Flow chart

系統包含屈服評估、疲勞評估、總強度評估、冰載荷反演、振動計算、首部砰擊計算等功能模塊。系統根據“雪龍2”號船的航行作業特點和自身結構形式布置了一系列測點[7]，部分測點示意圖如圖3 所示。

圖 3 “雪龍2”測點位置示意圖Fig. 3 Location map of “Xuelong 2” measuring points

具體測點布置情況介紹如下：

屈服測點60 個，疲勞測點5 個。每個屈服或疲勞測點含3 個光柵光纖應變傳感器（構成直角應變花）與1 個光柵光纖溫度傳感器，布置形式如圖4（a）所示。

總強度測點4 組，每組測點含3 個光柵光纖應變傳感器（單向應變片平行布置）與1 個光柵光纖溫度傳感器，布置形式如圖4（b）所示。

冰載荷測點88 個，布置方式為8×11 矩陣式，共包含85 個單向應力測點（每個測點含1 個光柵光纖應變傳感器）與3 個復用的屈服測點，布置形式如圖5所示，第43，45，47 號測點為復用的屈服測點。

振動測點3 個，首部砰擊加速度測點1 個。每個測點含1 個三向加速度傳感器。

圖 4 布置形式Fig. 4 Strain gauge arrangement

圖 5 “雪龍2”冰載荷測點示意圖Fig. 5 Diagram of Xuelong 2 ice load measuring points

2.2 數據預處理與強度評估

數據預處理主要指對采集的數據進行濾波處理。傳感器采集的應變與加速度信息既包含波浪或海冰引起的船體響應信號，也包含船用設備的高頻機械振動、裝載變化引起的低頻響應等。根據采集信號的類型與頻譜特征、采集工況（敞水區域或冰區）等設計合理的濾波器，進而進行強度評估[8]。本系統采用基于Kaiser 窗的FIR 數字濾波器，對屈服、疲勞、總強度及冰載荷測點數據，進行帶通濾波，對加速度信號，進行高通濾波。濾波器的阻帶衰減、截止頻率等參數可以調節。

屈服及總縱強度評估分為實時評估與統計評估。實時評估根據實時監測的應變信息計算測點的合成應力，與閾值比較后進行分級報警工作。統計評估默認30 min 進行一次，系統對測點30 min 的合成應力序列進行濾波處理后，計算結構的失效概率，當失效概率高于一定范圍后進行統計評估報警工作。

疲勞強度評估默認每5 min 進行一次。系統首先對疲勞測點的監測應力數據進行濾波處理，然后計算主應力與方向角，提取疲勞評估應力序列，再通過雨流計數法計算幅值、均值和循環次數，經平均應力修正后采用S-N 曲線法計算破壞循環次數，最后依據得到的循環次數和破壞循環次數計算結構的疲勞累積損傷并預報結構剩余壽命[9]，評估結果以表單形式顯示在系統界面中。

冰載荷計算采用反演方法[10]。首先建立冰載荷測點及附近區域的局部有限元模型，設置合理的邊界約束條件，對單位面加載單元載荷，計算得到影響系數矩陣，然后根據冰載荷測點實測應變信息計算各單位面的冰載荷，并以云圖形式顯示。

砰擊計算也采用反演方法。敞水航行時，根據首部砰擊加速度測點數據識別砰擊發生情況，記錄發生砰擊的時間及次數。砰擊發生后，對采集的6 個首部應變測點數據進行高通濾波，結合影響系數矩陣反演出首部總的砰擊壓力。

振動分析基于振動加速度測點數據進行分析。對采集的振動加速度數據進行高通濾波，結合振動規范中的不同部位與結構對應的振動標準設置安全等級，評估振動強度，提供界面顯示與聲響報警功能。

2.3 航行作業輔助決策

敞水航行輔助決策依據報警信息及海況工況等信息提供航向與航速推薦建議。首先建立不同海況不同航速不同浪向角下的各危險剖面的剖面載荷百一值數據庫，然后在實際航行中依據測得的波高、航速、浪向、應力報警位置及報警值信息，篩選出滿足敞水航行結構安全的航速與航向角集合，找出與原航速與航向角最接近的組合作為輔助意見提供給用戶。

冰區航行作業輔助決策依據報警信息給出航速和航向更改提示，用戶根據冰情信息綜合判斷具體的更改操作。首先判斷破冰船操作工況（沖撞操作、轉彎操作、斜向操作、尾向操作、淺水區操作），然后根據結構應力監測結果與安全閾值的比值信息，選擇相應的輔助決策方案。暫定當比值小于0.8，顯示按計劃正常航行，當比值大于0.8 并小于1 時，進行預警并提示注意航速與航向，當比值大于1 時，進行報警并提示建議降低航速/調整航向/停止操作。

3 “雪龍2”船體監測及輔助決策系統顯示

“雪龍2”船體監測及輔助決策系統用戶權限分為管理員與普通用戶。普通用戶主要針對大副及其他船員，普通用戶的界面簡潔、方便、容易操作，不能進行參數設置、數據導出、一鍵還原等功能。管理員用戶主要針對系統的設計開發人員，擁有系統的所有權限，包括各類參數（船體結構材料參數、初始應力參數、濾波器參數、閾值參數等）的修改，數據導出，濾波前后曲線對比分析等權限。

圖6 顯示了普通用戶的系統主界面，不同類型測點以不同的形狀（圓形、正方形或菱形）表示。屈服強度、總縱強度測點的統計報警分為3 級，以紅、黃、綠三色常亮顯示進行區分，1 級紅色報警時提供聲響提示；實時報警以閾值為界限，超過閾值后進行紅色閃爍及聲響報警。振動報警以相應閾值為界限，正常狀態以菱形透明顯示，觸發報警機制后紅色閃亮并聲響報警。傳感器故障時，界面上的測點形狀變為灰色叉狀，同時提供聲音警示。輔助決策意見顯示在界面的中部上方。右側以表格形式顯示了疲勞測點的累計損傷與剩余壽命情況、屈服及總縱強度測點的統計評估結果及報警等級信息等。船舶航行至冰區時，用戶可以切換為冰區航行及作業模式。

圖 6 敞水航行系統主界面Fig. 6 Main interface of open water navigation

用戶需要了解某測點詳細信息時，點擊主界面圖中測點會出現如圖7 所示的懸浮窗口，用戶可以得到該測點的強度評估信息、繪制相應時歷曲線圖與峰谷值柱狀圖，也可以看到未來1 h 的應力趨勢預測信息。

圖8 顯示了冰載荷評估應力云圖，由8×11 個小方格組成，圖右邊為載荷大小的標尺。圖9 為參數設置界面，僅管理員用戶可以訪問及修改，系統設計開發人員可在該界面對各類參數進行調試修改。圖10 為數據庫查詢顯示界面，用戶可以查詢歷史評估數據、報警記錄、系統操作數據等。

圖 8 冰載荷顯示界面Fig. 8 Display interface of ice load

4 結 語

圖 9 參數設置界面Fig. 9 Interface of parameter settings

圖 10 數據庫查詢顯示Fig. 10 Display of database query

本文對“雪龍2”號船上設計安裝的船體監測及輔助決策系統進行了詳細介紹。系統可以利用實時監測的應變信息在線評估船體結構強度，同時可利用評估信息與外部環境信息等給出航行建議。在船舶后期營運過程中，系統可根據實際情況進一步完善。