船舶結構監測技術研究進展

汪雪良，朱全華，張 濤，楊華偉，陳國材

（1.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣州 511458；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

船舶結構監測系統的目的是幫助船舶感知自身的結構狀態，在結構失效初期及時發出預警，避免結構問題引發的設備運行問題及安全問題，保障人身安全、資產安全、生態安全及船舶功能性的實現。船舶結構監測技術發展至今，已實現對船體結構應力、結構振動和船體運動等的實時監測，并具備了一定程度的結構安全評估、結構危險預警等功能。

智能化是未來船舶與海洋工程結構物發展的必然趨勢，而船舶結構監測技術是智能船舶的先行技術。對智能船舶而言，船舶結構監測技術被賦予了更高的功能期望，除了實時監測結構響應參量外，還需實時評估結構安全狀態，實時給出結構損傷預報分析結論以及剩余強度預測結論，輔助用戶快速制定應對策略，甚至在有必要的情況下直接控制相應設備采取正確的應對措施。

船舶結構監測技術發展的深度是決定智能船舶發展質量的關鍵共性技術之一，船舶結構監測設備也是智能船舶高端核心配套產品。現有船舶結構監測系統功能上存在以下短板：（1）監測內容僅僅局限于物理量實時顯示，預警機制基于簡單的閾值報警，預警質量往往不高，不能量化結構狀態；（2）受制于傳感器密度，很難掌控全局或無傳感器區域的變化情況，用戶無法直觀把握危險區域結構狀態，不利于及時采取應對措施，并且由于監測軟件內評估模型的缺失，尚未實現結構安全實時在線評估功能；（3）監測歷史數據的價值尚未充分挖掘，數據中隱藏的規律和知識未能充分獲取，難以服務于控制決策。

當前，物聯網技術、人工智能、大數據分析等前沿技術的興起與發展，為解決上述功能短板提供了新手段。同時要求船舶結構監測系統在現有信息化、自動化條件下，構建虛實融合架構，適應各類用戶需求的評估、分析、預測和優化體系，以“多源數據條件下的多維評估與預測、實現協同優化”為核心，形成面向全生命周期的智能化船舶結構監測技術。

1 研究現狀

1.1 船舶結構監測國外研究現狀

國外船舶結構監測系統的開發應用可以劃分為三個發展階段：（1）20 世紀70 至90 年代，船舶結構監測技術的提出和監測系統的探索性開發階段；（2）20世紀最后十年，監測系統的硬件技術成熟與實用化階段；（3）21世紀至今，監測數據多元化、監測數據應用多樣化與監測系統智能化研究階段。

在第一階段，船舶結構監測技術最早于1978年由Lindemann[1-2]提出，但由于當時計算機技術和傳感器技術無法達到船舶實際應用要求，研究止步于理論設計階段，沒有實現成果應用。隨后數年由于相關電子技術和計算機技術的發展進步，船舶結構監測技術也因此取得了突破性進展，1989年英國勞氏船級社（LR）與英國船舶與海洋數據系統公司（Ship&Marine Data Systems）合作開發了應用于VLCC的航行記錄儀，目的是記錄VLCC 船體結構應力數據，但是該記錄儀的功能僅限于記錄并保存測量數據，并不具備數據處理與計算的能力[3]。

在第二階段，各類電子技術快速發展成熟，由此發展起精度及可靠性更高、實用性更強、種類更加齊全的船用監測傳感器，同時船用計算機的性能也有了大幅提高。因此，船舶結構監測進入了實用化大發展時期。1994年，英國海運技術公司、法國船級社以及歐洲多家輪船公司合作開發研制了一種船舶健康監測系統，該系統可以對船體結構服役期內的裂縫擴展和疲勞損傷情況進行監測[4]。1995 年，挪威的FFI（Forsvarets Forsknings Institution）開始研究基于光纖光柵傳感技術的船舶結構監測系統，通過多項研究工作表明光纖光柵傳感技術非常適用于船舶結構監測[5-9]。此階段的諸多研究主要是船舶結構監測系統的開發與應用，從中可以總結出三點：（1）研究重點集中于監測系統的硬件開發，各類硬件技術已發展成熟，可以滿足船舶實用化需求；（2）光纖光柵傳感技術成功應用于船舶結構監測系統，并且由于光纖光柵傳感器抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、靈敏度高、集成方便等優點，光纖光柵傳感系統逐漸成為船舶結構監測的應用主流；（3）硬件研發的成熟促使監測數據的應用算法研究開始出現。

在第三階段，船舶結構監測系統的硬件開發研究已經基本成熟，研究工作開始著力于監測數據的應用算法研究，即研究如何由監測的物理量反算推演出無法直接監測的目標物理量，從而實現監測數據的多樣化應用，比如冰區船通過監測結構應變來反演冰載荷[10-12]，航行船舶通過監測自身運動情況來推演波浪譜[13-14]，此外還包括波浪彎/扭矩推算[15]、結構損傷識別[16-18]等。在此基礎上，2018年起人工智能、大數據分析等新興技術開始應用于船舶結構監測，重點研究智能化監測技術，旨在攻克智能在線評估與預測難題。挪威船級社于2018年底開發了一種基于數字孿生技術監測船體狀況的方法，該方法將物理傳感器數據與數字孿生技術相結合，充分利用設計階段準備的計算分析模型，結合真實遭遇的波浪環境和位置數據，有效提高船體狀態預測的精度，這種技術已經應用于優化物理傳感器安裝位置、改善檢驗與維修計劃、延長資產使用壽命以及減少船體損傷等。美國海軍信息戰系統司令部（NAVWAR）2018 年完成了首個數字孿生模型“數字林肯”的開發工作，將裝備于“林肯”號與“艾森豪威爾”號航母。

1.2 船舶結構監測國內研究現狀

國內船舶結構監測技術的發展開始于20 世紀90 年代，其大致可分為三個階段：（1）1991 至2005年，船舶結構監測的介紹和引入階段；（2）2005 至2017 年，船舶結構監測系統硬件開發與評估算法研究階段；（3）2018年至今，智能化船舶結構監測技術興起階段。

在第一階段，王振國[19]于1991年在國內首次提及船舶結構監測系統，介紹了船舶與航海數據系統公司（SMDSL）開發的船體應力監測系統，該系統可實時顯示船體監測位置的結構應力，并且具備閾值報警功能。此后陸續出現介紹國外船舶結構監測系統的文獻，并且開始在船舶建造中安裝國外的監測系統。然而從公開的文獻資料來看，2005年之前我國并沒有出現自主研發船體監測系統的情況。

在第二階段，2005 年國內開始出現對船舶結構監測的軟硬件系統開發、信號在線處理技術、監測數據在線評估算法以及多源監測數據融合應用等方面的研究工作。江南大學楊朝龍[20]提出了一種基于CAN總線和Windows CE 嵌入式操作系統的船舶結構監測系統方案，并通過相關試驗驗證了該設計可以實現航行船舶的結構應力監測。上海海事大學金永興等[21]研究開發了一套集裝箱船舶結構狀態監測與評估系統（CSSMAS），該系統可實時監測并顯示船體受力和運動情況，并且包含對海浪實況的視頻記錄。哈爾濱工程大學任慧龍等[22-24]開發了一套船體結構狀態監測系統，該監測系統通過多次實船測試驗證了實船應用可行性，同時開展了信號在線處理技術、結構安全在線評估方法、傳感器優化布置策略以及冰載荷反演算法等研究。中國船舶科學研究中心汪雪良[25-26]等開發了基于電阻應變和光纖光柵傳感技術的船舶結構長期監測系統（LOTEMS），可以實現船體結構總縱強度及局部強度、船體加速度及六自由度運動狀態的實時監測與評估，同時將其拓展應用至水下工程結構裝備，該系統已在包括國產航母、驅逐艦、護衛艦、7000 米載人潛器、4500 米載人潛器[27]、11000 米載人潛器、“永樂科考”號科學試驗平臺[28]、風帆混動超大型油輪等重大項目中成功應用；在此基礎上，通過融合雙目立體視覺波浪觀測技術[29]、消防安全監測技術、生態環境監測技術等，逐步研究開發多源異構監測系統。在該階段，國內船舶結構監測技術得到了充分發展，通過學習和借鑒國外優秀的研究成果，國內先進研究機構已經趕上國外船舶結構監測技術領域的發展水平。

在第三階段，從2018 年起，國內開始興起智能化船舶結構監測技術研究，重點開展載荷反演、復雜間接監測、實時損傷評估、趨勢預測等研究，取得了部分創新成果。中國船舶科學研究中心、哈爾濱工程大學、中國艦船研究設計中心等研究機構開始將數字孿生技術運用于船舶結構監測，其中中國船舶科學研究中心于2020年率先研制出基于數字孿生技術的船舶結構長期監測系統初代原理樣機，該系統可根據少量應力傳感器的實時數據實現全場動態應力響應輸出與可視化，并且具備載荷反演、趨勢預測等功能。

2 基本理論與最新進展

船舶結構監測系統的基本原理是通過布設傳感器感知船體結構應力與加速度等參量，利用系統軟件的內嵌算法進行結構安全評估以及結構危險報警，同時根據監測數據對結構發展趨勢進行預測與預警。其基本理論包含結構安全評估方法、趨勢預測方法等。

2.1 結構安全評估方法

船體結構安全評估分為兩部分內容：（1）船體總縱強度評估；（2）局部高應力區域疲勞強度評估。總縱強度監測即獲取船體總體應力分布，包括甲板和船底沿水平方向的應力分布。高應力區域是指在整體結構中應力幅值較大的區域，這些區域往往存在應力集中現象，容易產生疲勞問題。

2.1.1 總縱強度評估

船舶結構監測系統采用基于梁彎曲理論的總縱強度評估方法，選取最危險區域剖面計算總縱彎曲應力，與規范的許用應力對比完成總縱強度校核。總縱彎曲應力σ由下式獲得：

式中：σs為靜水彎曲應力；Ms為靜水彎矩，可由裝載儀直接獲取或通過靜水力計算獲得；W為剖面抗彎模量，通過剖面圖計算獲得，為定值；σw為波浪彎曲應力，由應力傳感器直接測量獲得。

船級社規范中對于甲板、船底板的最大許用應力作出了規定，將甲板和船底板總縱彎曲應力σ與規范中的許用應力對比校核危險剖面的總縱強度。

2.1.2 疲勞強度評估

船舶結構監測系統通常采用熱點應力法進行船體結構危險點的疲勞強度評估，船體疲勞危險點一般位于結構趾端，其熱點應力很難通過傳感器直接測量的方式獲得，通常的做法是通過數值關系推算間接獲取，然后基于熱點的應力時間歷程曲線進行累積損傷計算，以此評估熱點疲勞強度。其中的關鍵點為熱點應力間接推算方法。

熱點應力間接推算一般采用朗格朗日插值方法，在熱點附近受力構件的表面上選取4個插值點，距焊趾t/2和3t/2處的應力讀取點應位于4個插值點之間，4個插值點的應力由其左側與右側單元中心點的應力平均得到，如圖1所示。傳感器布置在插值點兩側的單元中心點并測量其應力。

圖1 插值方法示意圖Fig.1 Sketch of interpolation method

距焊趾t/2和3t/2處應力讀取點的應力σt/2和σ3t/2，根據所選插值點處的應力用拉格朗日插值法按下式計算：

式中：σ1、σ2、σ3、σ4分別代表插值點1、2、3、4處的應力，單位為N/mm2；C1、C2、C3和C4應按下列各式計算：

式中：x、x1、x2、x3、x4分別表示應力讀取點、插值點1、插值點2、插值點3、插值點4與熱點間的距離。

通 過σ1、σ2、σ3、σ4內 插 得 到σt/2和σ3t/2后，σt/2和σ3t/2處應力再線性外插至熱點即可得到熱點主應力，如圖2所示。

圖2 熱點應力推算示意圖Fig.2 Sketch of hot spot stress calculation

由上圖線性插值關系，熱點主應力可表示為

2.2 趨勢預測方法

船舶結構監測技術期望基于歷史監測數據預判結構響應發展趨勢，及時制定結構檢修策略或調整船舶航行方案，從而達到規避風險的目的。基于統計預測方法的本質，預測方法可分為三類：定性預測法、回歸預測法和時間序列預測法。船舶結構監測系統通常采用時間序列預測方法進行應力發展趨勢預測。時間序列預測方法是一種定量分析方法，在時間序列變量分析的基礎上，運用一定的數學方法建立預測模型，使時間趨勢向外延伸，從而預測變量未來的發展變化趨勢，并確定變量預測值；時間序列預測方法包括時間序列分解分析方法、移動平均法、指數平滑法、趨勢外推法和自我自適應濾波方法、平穩時間序列預測方法、灰色預測方法、狀態空間模型和卡爾曼濾波器；從目前的應用研究來看，灰色預測法是適用于船舶結構監測系統的最佳預測方法[30]。

灰色預測法的基本理論是：根據系統的內部知識已知程度將其分為黑色系統和白色系統，黑色系統表示內部知識完全未知，白色系統表示內部知識完全已知。灰色系統是指系統的內部知識只有部分己知，介于黑色系統和白色系統之間。灰色預測方法通過識別系統原始數據的時間發展規律并且生成具有較強規律性的數據序列，然后建立相應的微分方程模型來預測系統的未來發展趨勢。灰色預測方法的微分方程建模過程如下：

記時段t內的數據原始時間序列為

式中，a為發展灰數，b為內生控制灰數，這兩個參數通過下式求解：

3 總結與展望

3.1 總結

從上世紀90年代至今，船舶結構監測技術經過三十年的發展，實現了對船體結構應力、結構振動和船體運動等的實時監測，并具備了一定程度的結構安全評估、結構危險預警等功能。然而在智能船舶發展的時代背景下，船舶結構監測系統被賦予了更高的功能期望，還需要具備識別并處理異常數據、識別外部載荷環境、預測結構響應發展趨勢并進行輔助建議、系統故障自診斷等智能化功能。

智能化船舶結構監測技術是多個學科交融形成的綜合性技術，包括傳統結構力學、現代傳感技術、通信技術、信號處理與分析技術、物聯網技術、機器學習方法、數據挖掘技術、趨勢預測技術等。通過嵌入多源異構傳感系統到船體結構中，利用數據融合技術、結構安全評估技術和數據庫技術，架構具有自主感知和自主識別功能的結構安全監測體系，實現覆蓋船舶結構整體和局部細節的結構響應在線監測，進一步通過數據分析技術對監測數據進行規律和知識的深入挖掘，對當前工況下結構出現的危險報警，對短期可能發生的危險預警，基于歷史數據進行結構安全性能退化趨勢預測，為用戶提供科學合理的作業指導與輔助決策，提高船體結構的安全性能。

在智能化船舶結構監測技術上我國與國外同處于探索階段，為攻克相關技術壁壘，使得我國在這一技術研究上取得關鍵突破，進而在國際市場競爭中取得優勢，需重視對智能化船舶結構監測技術的研究。

3.2 需要研究的基礎科學問題/發展方向

近兩年，國內外主要研究機構均力推“船舶全生命周期管理”，主要含義是“重新整合船舶在設計階段產生的計算模型、設計圖紙、試驗數據、交驗收據等，在船舶運營階段結合傳感器實時反饋，通過數字孿生技術實時修正計算模型，使虛擬模型等價實體結構，更好地服務于結構安全監測，改善檢驗和維修計劃，延長船舶使用壽命，減少船體結構損傷，使建造階段所有結構計算分析投資收益最大化，增加船舶、監測系統競爭力”，其中核心關鍵技術就是數字孿生技術。因此，發展數字孿生技術不僅有利于提升船舶結構監測系統的智能化，也將推動整個船舶制造業前沿科技與管理方法的雙向進步。

現階段需要重點研究的問題，即在目前船舶結構監測技術基礎上進一步提升船舶結構監測設備的實用性，運用物聯網技術、大數據分析、人工智能等前沿科學技術，將計算和通信深深“嵌入”船舶實體，使監測信息與船舶實體密切互動，并以龐大的數據量為基礎，讓人工智能服務于船舶全生命周期管理，分階段地建設感知、分析、評估、預測、決策、控制、管理、遠程支持等船舶人工智能體系。具體包括以下研究方向：

（1）發展新一代船舶結構安全性實時監測技術，建立多源數據融合機制，拓展結構響應監測物理量種類，拓寬數據帶寬，實現不同物理量數據的互聯互用。

（2）發展結構損傷概率與后果評估及預警技術，建立源數據機器自動分析識別機制，運用數字孿生技術發展虛實交互式結構安全監測、評估及預警技術，提升結構全局響應監測能力，覆蓋更廣泛的結構細節。

（3）基于船舶結構監測數據，研究船體應急處置與航行操控智能決策。