船體結構應力監測及健康評估系統

陳 樂

（中國人民解放軍92493部隊，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的基礎。艦艇服役一定時間后，船體結構不可避免地會存在腐蝕、裂紋、變形等缺陷，導致承載能力下降。在大風浪沖擊等外載荷的作用下，船體結構存在發生塑性變形或斷裂破壞的風險。因此，對艦艇船體結構開展實時應力監測與健康評估，在其未出現塑性變形或斷裂破壞前發出預警，及時提醒艦員采取規避措施以保證船體結構安全，對艦艇的使用、維護、修理和建造具有重要指導意義。

國外對船體結構應力監測及健康評估技術的研究起步較早，并于20世紀90年代開始在多種船舶上開展探索性應用[1-2]。進入21世紀，船體結構性能的重要性越來越受到重視。SWARTZ等[3]將 20個無線傳感器組成無線船體監測系統，用于美國高速近岸戰斗艦（FSF-1）的船體結構監測中；KOBOEVIC等[4]利用船體結構監測系統實現船體性能監測，并根據船體的結構狀態確定合理的維修周期；美國船級社（ABS）正在利用數字孿生技術為美國海軍補給司令部的每艘船只建造一個數字化船體，目的是檢測船體異常行為，并為早期故障提供預警。國內對船體結構應力監測及健康評估系統的研究尚處于起步階段，該技術在民用船舶上得到初步應用[5-8]，并取得較好效果。在軍用艦艇船體結構強度研究基礎上，該類系統也開始得到試驗性應用[9-11]，但還沒得到廣泛推廣。

本文建立一套應用于艦艇的船體結構應力監測及健康評估系統，通過對總體和局部結構響應進行長期智能監測及健康評估，達到實時航行安全預警的目的，同時可以對優化船體結構設計提供依據。

1 系統功能模塊

船體結構應力監測與健康評估系統主要是在船體結構中植入傳感系統，賦予其結構應力實時監測與健康自診斷的智能功能。該系統綜合應用船體結構參數識別技術、船體結構強度理論、光纖傳感技術和多數據信息融合技術，對船上的重要結構及薄弱部位進行實時監控，并利用監測數據對當前海況下船體結構強度進行評估，對應力超限的監測點位發出報警信息，提醒艦員檢查船體安全情況，采取適當措施保障船體結構安全可靠航行。

船體結構應力監測與健康評估系統主要包括數據采集、數據處理、應力監測、強度評估、報警與記錄、數據庫系統和界面顯示7項功能。系統功能模塊如圖1所示。

圖1 系統功能模塊

1）數據采集

數據采集功能主要由光纖光柵應變傳感器、轉接盒和光纜等設備來完成，這些設備一般安裝于待測船體結構中，主要用于采集傳感系統中產生的數據信號，并通過光柵解調儀將其轉換成系統識別的電信號。

2）數據處理

主要用來對各類監測數據進行預處理，剔除干擾信號。通過綜合控制軟件可對濾波器的濾波范圍進行設定，并進行數據系統誤差處理和數據異常處理。

3）應力監測

主要用來對船上重要結構、關鍵部位和敏感構件進行實時應力監測。監測應力包括總縱彎曲應力和結構局部應力。能夠疊加靜水彎矩并剔除溫度影響，獲取更加準確穩定的監測數據。

4）強度評估

依據實測數據、結構設計資料和材料的屈服強度，設置合理閾值，對結構總縱強度和局部強度進行評估。

5）報警與記錄

主要用來對傳感器故障、電源故障和船體結構潛在的危險狀態進行報警，對達到閾值80%的信號進行視覺或聽覺報警，并自動將報警原因記錄到數據庫中。

6）數據庫系統

系統配備專用數據庫用于實歷數據、統計數據、評估結果、系統操作日志、維護和校準日志、報警記錄和船體信息的管理。該數據庫系統能夠存儲所有傳感器至少一個季度的統計數據和24 h的實歷數據，并能夠方便快捷地對數據進行查詢、調用和備份。

7）界面顯示

通過綜合控制軟件對各類信息與監測信號進行實時顯示。顯示內容包括各類監測數據的實時信號、監測點位置、傳感器狀態以及閾值與報警等。

2 系統設計及實現

2.1 硬件系統設計

結構應力監測與健康評估系統硬件設計原理如圖2所示。

圖2 系統硬件原理框圖

光纖傳感器將船體結構應力、溫度變化轉換為不同波長的光信號，并通過光纜傳輸給光纖解調儀；光纖解調儀根據發送與接收光信號波長差值以及其他多項參數，經過復雜運算解算出船體結構實時應變及溫度數值；同時，解調儀將解算完成的原始應變數據通過網口 TCP/IP實時傳輸給監控主機。監控主機將接收到的數據通過預處理并存儲至內部的數據存儲模塊。

2.2 軟件系統設計

軟件系統采用單Server架構開發，具有很強的移植性。由于結構應力監測及健康評估系統的不同業務功能需要不同的控制模式，為了增強系統的可靠性，在軟件設計時將采集、存儲、分析和軟硬件控制分別作為子系統進行開發。該軟件系統包括4個子系統：光纖光柵傳感器應力數據采集中轉、監測數據存儲轉發、監測數據分析和綜合控制4個子系統，如圖3所示，軟件安裝于監控主機中。其中，光纖光柵傳感器應力數據采集中轉子系統負責處理光纖光柵傳感器采集的數據，并將數據傳輸給監測數據存儲轉發子系統；監測數據存儲轉發子系統一方面負責收集所有的監測數據，另一方面向監測數據分析子系統發送數據；監測數據分析子系統負責對船體監測數據進行分析和評估，是系統的核心軟件；綜合控制子系統負責在系統加電后控制各軟件模塊的自動啟動、設備故障檢查以及報警。

1）光纖光柵傳感器應力數據采集中轉子系統

光纖光柵傳感器應力數據采集中轉子系統主要對光纖光柵傳感器進行數據采集，屬于光信號采集。光纖光柵傳感器通過光纖進行信號傳輸，通過分析與解調將數據發送到該子系統。該子系統將數據進行解調處理，緩存相應的數據，同時將采集到的數據按照用戶的需求進行分發，以便對整個系統進行全面的數據分析，如圖4所示。

圖3 系統軟件組成

圖4 光纖光柵傳感器應力數據采集中轉子系統框圖

2）監測數據存儲轉發子系統

監測數據存儲轉發子系統的主要業務功能如圖5所示，共有10個軟件業務功能點。該子系統的核心業務是數據解析、狀態判斷、數據寫入文件、數據轉發和電源管理 5個業務功能，TCP Client、UDP Server/Client、配置文件、業務數據緩存和命令數據響應都在為5個核心業務功能做服務支撐。從以上業務功能可知，該子系統接收傳感器采集的數據，通過數據解析來分析傳感器狀態，并將解析結果和狀態判斷結果轉發給監測數據分析子系統，同時將數據解析結果寫入存儲文件。該子系統還將實時接收監測數據分析子系統下發的數據采集頻率命令，并做出相應的頻率調整。

圖5 數據存儲轉發子系統外部接口及內部功能

3）監測數據分析子系統

監測數據分析子系統根據業務分為實時監測數據接收、數據處理、監測狀態顯示、實時數據分析、評估歷史數據查詢與導出和軟件系統配置6個模塊（見圖6）。

圖6 監測數據分析子系統主要功能

（1）實時監測數據接收。從數據存儲系統實時接收應變數據。

（2）數據處理。將接收的數據進行濾波、零漂誤差處理。

（3）監測狀態顯示。實時顯示每個監測點的連接狀態和應力超限情況。

（4）實時數據分析。對實時數據進行分段、分塊，計算出均值、峰值、谷值、峰數、谷數等信息，并將評估結果數據同步存儲到磁盤。

（5）評估歷史數據查詢與導出。歷史數據的查詢和導出功能。

（6）系統配置。系統能夠根據配置文件對軟件系統各項參數進行設置。各用戶根據所配置的權限進入響應的界面。

4）綜合控制子系統

綜合控制子系統的主要功能如圖7所示。系統開機后，自動按預設順序啟動監控主機操作系統中的光纖光柵傳感器應力數據采集中轉子系統、監測數據存儲轉發子系統和監測數據分析子系統，并進行設備狀態故障檢測。各功能的要求如下：

（1）系統自動登錄。系統開機后可自動登錄至指定的用戶操作界面。

（2）發布系統服務。綜合控制子系統隨系統啟動而自啟動。

（3）用戶權限控制。綜合控制子系統安裝在指定某一個或多個用戶操作目錄下，其他非授權用戶登錄軟件不運行。

（4）啟動數據接收、存儲軟件。綜合控制子系統啟動后，通過腳本啟動數據存儲軟件；

（5）啟動數據分析軟件。綜合控制子系統啟動后，通過腳本啟動數據分析軟件。

圖7 綜合控制子系統主要功能

3 需解決的關鍵技術

3.1 測點選取

測點需要選取在最能反映船體受力狀態的位置。根據船體的結構特點，分析、查找船體結構設計相關參數，分析確定承受總縱彎曲應力較大的結構和測點位置；通過實船勘驗結果尋找出關鍵艙段、肋骨和腹板等存在應力集中的構件，分析確定承受局部應力較大的結構和測點位置。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～4個承受總縱彎曲應力較大的測點，在主甲板與上層建筑的接合處、承受砰擊載荷較大的底板、舷側板等位置計劃選取8個～9個承受局部應力較大的測點，具體測點位置需根據實船勘驗情況確定。

3.2 傳感器選型及優化布置

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、便于海上實施和布放以及可實現不帶電的全光型探頭等獨特的優點，在船體監測領域具有極好的市場前景[12]。但是，實踐中需要對比分析該類傳感器金屬基底、聚合物基底等不同基底材質，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別，綜合考慮光纖光柵解調儀波長范圍、通道數量，以及艦船艙室數量和每個艙室傳感器數量等因素，合理選型傳感器中心波長，充分發揮光纖光柵傳感器和解調儀的性能，滿足系統高速、大量程應變數據采集的需求。

3.3 分布式光纖監測網絡設計和拓撲結構優化

根據布置傳感器的艙室數量、艙室位置、每個艙室傳感器的數量等具體情況，合理設計網絡拓撲結構，同時結合波分復用等技術，優化系統布線，節約線纜并且降低施工難度。相近區域范圍內的光纖光柵傳感器由光纖跳線串行連接，多個串行連接的光纖光柵傳感器組通過采集箱匯聚至光電復合纜，光電復合纜穿艙后連接至光纖解調儀，由光纖解調儀將光信號解調為監控主機能夠處理的電信號。

4 結論

本文設計了一套船體結構應力監測及健康評估系統，通過對船上的重要結構及薄弱部位進行實時監控、評估和健康管理，實現對船體狀態的全面掌握，可及時預報故障，降低維護成本，對艦艇的使用、維護、修理和建造具有重要的指導意義。