技术领域
[0001] 本
发明属于
船舶结构监测领域，具体涉及一种能够将数据反馈到配载系统中，为配载方案的合理、逻辑制定提供必要决策的远洋渔船尾门架结构监测系统。
背景技术
[0002] 大型远洋拖网渔船尾门架结构监测系统是实时根据远洋渔船的性能计算模型和规范等相关的
知识库，不断的对船舶的稳性、强度、
吃水差等应
力指标进行校核，并参考船舶的实时状态(如航行、装货、卸货等)等实施情况进行分析和预期，并将数据反馈到自动配载系统中为配载方案的合理、逻辑制定提供必要的依据。同时，在船舶的日常捕捞工作中，通过采用光纤光栅传感技术和光
信号处理等实现对
钢制结构定点
应力监测和整体受力分析，实时的监测船舶钢制结构应力集中处应力参数，及时提醒船员在船体受到过大的情况下采取有效的处理手段，保证了船体的运行安全。
[0003]
传感器在船舶上安装点选择的基本原则，是基于少而优、安装简便和节约成本等方面考虑的。监测
位置的选择要得到船级社的认可，其次是安装的位置不能损害结构的整体性能，再者是尽量减少传感器的布置，这样有利于节约成本和方便网络的构建。
[0004] 大型远洋拖网渔船在起网时，拉网钢绳通过尾门架的
支撑，利用起网绞车将网具沿尾滑道拖到甲板上。门架在起网时受到较大的拉力，该
载荷最终作用到门架结构及支撑门架的船体结构上，因此门架与支撑门架的船体结构的局部强度倍受关注。但由于门架与支撑门架的船体结构受力过程较为复杂，单纯的结构力学分析较难确定结构强度是否合格，而有限元方法在船体结构强度校核中的到了普遍的应用，此时门架和船体支撑结构受到较大的载荷。
[0005] 大型远洋拖网渔船尾门架为钢性结构，在建造初期结合智能材料可对埋入船体内部进行传感器布置，这样的传感器布置在船舶运营过程中，损坏后不易维修，但是对尾门架的内部应力监测起到很好的效果。其次，在尾门架维修阶段，对一些缝隙的
焊接，可以对此布置传感器。
[0006] 在确保光纤光栅传感器测量
精度的情况下，针对尾门架应力结构选取相应的应力测量点，搭建光纤光栅结构监测系统。结构监测系统主要由现场传感器、光纤接续盒、光纤解调仪、结构监测数据存储处理单元、声光报警灯板组成。光纤光栅传感器作为
数据采集单元，完成对船舶上被测量点的
温度、应力等参数的测量，测量后的数据通过光纤进行传输，同一测量通道内的光纤光栅传感器采用串并联的方式，共用一根光纤完成测量和传输工作。每个通道内的传感器最终接入到解调仪中，解调仪完成对光纤光栅传感器采集到的
光信号的处理，处理完成的数据通过结构监测数据存储处理单元进行数据存储和运算，通过分析测点的监测状态可以得出该结构点的是否处于超负荷状态，如果测量值超过钢结构的正常承受范围则通过声光报警系统向船员提示船体受力处于危险状态，船员针对实际情况采取相应的处理方式减少船体局部承载受力过度，避免船体钢制结构遭到不可逆损伤。
[0007] 目前，国内外一些学者对船舶船体结构监测做了一定研究：
[0008] 在美国海军研究室支持下，SPA(Systems Planning and Analysis)公司开发了一套高速的光纤光栅解调系统(HS-FOIS)，用于对船体的结构进行健康监测。并与英国国防科技实验室(DSTL)合作在英国的Research Vessel(RV)Triton舰艇上安装了该系统。
[0009] 美国海上作战中心对其所属的接合标准模驳船系统JMLS使用光纤布拉格光栅传感器进行结构健康监测。
[0010] 美国SPA公司在潜艇的结构监测方面也进行了研究，他们在一个私人潜艇上安装了光纤光栅传感器，并将检测结果与
有限元分析的结果进行对比。
[0011] 上海海事大学科研小组于2007年5月在
集装箱船“育锋”轮上安装了集装箱船结构状态监测和评估系统(CSSMAS)。能够实时显示船舶受力情况和运动情况。
[0012] 武汉理工大学的侯超在其硕士毕业论文中以集装箱船为应用对象，分析了集装箱船进行强度监测在技术上的可行性，优选了监测传感器，并针对集装箱船疲劳裂纹区域和应力集中区域状态监测进行了实验研究。SPA公司开发的光栅光纤解调系统主要用来监测船体的弯矩和波浪载荷冲击船体所引起的砰击信号，无法实现船体稳性、吃水差等性能指标的监测。
[0013] 美国海上作战中心开发的系统可对舰船表面、导弹发射系统和舰船垂直发射系统进行长期监测，以避免和减少由于船舶的震动、冲击、湿度和高热等对舰载导弹发射物
健康状态的影响。无法完成度局部构件应力强度的监测，更不具有支持配载决策的功能。
[0014] 但是，对于现有的研究，都存在着一定的问题：
[0015] 美国SPA公司所做的研究主要是监测潜艇下潜时的深水压力，对于总纵强度、弯矩、剪力以及局部载荷没有监测，并且没有将收集的数据用于配载决策。
[0016] 上海海事大学科研小组使用的该系统使用了
电阻式应变传感器、振动传感器以及海浪视频传感器，并没有用到光纤光栅传感技术。
[0017] 武汉理工大学侯超的研究主要应用于集装箱船的结构监测中，而集装箱船的结构特点以及需要监测关注的部位跟拖网渔船尤其是远洋拖网渔船的尾门架结构有着巨大的不同，并且该研究并未将数据用于配载决策系统中。
发明内容
[0018] 为了解决
现有技术存在的不足，本发明提供了一种大型远洋拖网渔船尾门架结构监测系统。
[0019] 本发明的技术方案：
[0020] 一种大型远洋拖网渔船尾门架结构监测系统，该系统包括5个子系统：
传感器系统、信息采集与处理系统、信息通信与传输系统、信息分析与
监控系统和智能配载系统，各个子系统具体如下：
[0021] (1)传感器系统
[0022] 传感器系统包括光纤光栅应变传感器、光纤接续盒和光缆盘线盒；所述的光纤光栅应变传感器至少为7个，分别设置于：尾门架顶部横梁的中部，记为C测点；右舷主立柱中部，记为A5测点；右舷斜立柱中部，记为A2测点；右舷中部横梁，记为A1测点；中部主横梁中部，记为A3测点；左舷中部横梁，记为A4测点；左舷斜立柱中部，记为B测点；其中，A1测点与A5测点、A2测点与A5测点、A3测点与A4测点之间分别通过光纤相连，然后接入光纤接续盒；B测点直接通过光纤接入光纤接续盒；光纤接续盒通过光纤与光缆盘线盒相连，C测点直接通过光纤与光缆盘线盒相连；光纤光栅应变传感器采集大型远洋拖网渔船尾门架的结构应变数据，并采集收到外界物理量变化的影响，改变反射光波
波长信号；
[0023] 所述光纤光栅应变传感器应满足的指标有：光栅中心波长为1510nm～1590nm，光栅反射率≧85％，标准量程为±1000με，
分辨率<0.5με，
工作温度为-30℃～+80℃；光纤光栅应变传感器的封装方式为基片式、嵌入式或两端夹持式；安装方式为与支座连接后表面焊接或表面粘接，级连方式为熔接或连接器连接，光纤形式为铠装光缆。
[0024] 所述光纤盘绕的弯曲半径大于40mm，避免光传输损失大于0.5db。
[0025] 由于裸光纤光栅的外径只有125pm，为避免在施工以及使用过程中造成的物理性伤害，布设工艺要求如下：
[0026] ①打磨：用打磨机对钢结构表面进行打磨处理，使光纤光栅应变传感器与钢结构表面充分
接触。
[0027] ②光纤光栅应变传感器的保护：在安装后的光纤光栅应变传感器表面涂敷环
氧树脂，防止恶劣的海洋环境对光纤光栅应变传感器进行
腐蚀。
[0028] ③光纤与接头保护：用
环氧树脂胶将光纤固定在钢结构上，并在钢结构表面焊接钢管作为保护，以避免传输光纤在施工过程中的损坏。
[0029] (2)信息采集与处理系统
[0030] 信息采集与处理系统包括光纤光栅解调仪和结构监测数据存储处理单元，光纤光栅解调仪对来自光纤光栅应变传感器的反射光波波长信号进行处理后，转换成计算机可识别的
电信号；结构监测数据存储处理单元用于数据的存储，以便后期查询和使用。
[0031] 光纤光栅解调仪的参数不低于以下标准：通道数为8，
采样速率为0～20HZ，波长范围为1285nm～1325nm，分辨率为1pm，工作方式为多通道同步测量。
[0032] (3)信息通信与传输系统
[0033] 信息通信与传输系统包括网络
操作系统平台、安全监测局域网和因特网，用于各个子系统之间的通信；
[0034] 所述网络操作系统平台采用Netware 5及以上版本。
[0035] (4)信息分析与监控系统
[0036] 信息分析与监控系统包括信息分析计算机、结构安全显示平台、声光报警系统、安全信息远程传输系统和安全动态
数据库；信息分析计算机利用具备损伤诊断工程的
软件分析来自模型数据库和监测数据库的数据，判断损伤的发生位置和鉴定损伤程度，对结构健康状况作出评估，并将评估结果显示在结构安全显示平台上；评估结果异常时，信息分析计算机将
信号传输至声光报警系统，发出报警信息；结构安全显示平台
和声光报警系统在显示与报警的同时，将结构应变传感数据通过安全信息远程传输系统传送给智能配载系统，并将数据保存在安全动态数据库，用以历史数据的查询。
[0037] 其中，所述具备损伤诊断工程的软件选用有限元分析软件，该软件通过构建大型远洋拖网渔船尾门架的船舶结构模型，施加实际航行工作中尾门架可能受到的各个方向不同大小以及规律变化的力，以便真实的反映船舶实际受力情况，而且外部人员能直观的了解整个尾门架的受力以及
变形情况；该软件能将各个构件的受力以及局部点的受力情况，以三维的方式显示船舶结构的应力场分布；所述模型数据库为大型远洋拖网渔船尾门架建设方提供的原始数据，监测数据库为来自信息采集与处理系统的数据。
[0038] 所述信息分析计算机的各项性能指标为：计算机配置为586以上型号的IBMPS/2计算机或者IBM兼容性计算机；运行系统为Microsoft Windows(微软)7版本以上系统；显示器为VGA显示设备；分辨率为1024×768或800×600；
鼠标为MS兼容性鼠标；
打印机为激光打印机或EPSON行式打印机。
[0039] 所述有限元分析软件的功能要求：多国语言操作界面，易学易用，方便快捷的载荷条件，边界条件、求解参数设置界面；Windows系统下64位处理能力和并行计算功能。安全信息远程传输通过网线传输，网线规格指标为：五类双绞线并应满足100M/bps的以太网。数据库采用SQL Server数据库。
[0040] (5)智能配载系统
[0041] 智能配载系统包括智能配载平台和通信
服务器；
[0042] 所述的智能配载平台，一方面能够根据结构监测数据存储处理单元实时存储的结构应力数据，建立船舶配载的约束条件及安全目标，确定船舶安全的控制原则及控制目标，对智能配载平台进行需求分析和功能分析，完成智能配载系统的顶层设计。另一方面，智能配载平台采用TCP/IP协议与通信服务器相连，能够被动接收
传感器数据；并利用通信服务器校验预处理后的结构应变传感数据，通过协议转换技术，把采集到的尾门架结构表面应变信息变换为TCP/IP协议数据，对数据进行编码，利用
计算机网络把信息传输到通信服务器。
[0043] 所述的通信服务器基于多线程开发技术，一方面，接收来自安全信息远程传输系统的结构应变传感数据，并对数据进行校验和预处理，之后将结构应变传感数据发送给智能配载平台。另一方面，接收智能配载系统编码后的信息，对多信息源的数据进行信息融合，把数据存储到数据库中，提供给智能配载平台，智能配载平台实时计算船舶稳性、船舶强度和结构应力。
[0044] 本发明的有益效果：与其他学者所采取的方法相比，该系统实现了配载系统与远洋拖网渔船尾门架结构监测的有机结合，并以直观的形式显示尾门架受力情况。利用光纤光栅传感器采集到的数据可以为配载系统提供决策支持，并且可以存储尾门架受力数据，通过分析获得结构构件的疲劳程度。智能配载系统是对现有船舶配载仪的改进与创新，现有配载仪的数据来源为人工输入，该系统的数据来自于之前构建的信息分析与监控系统。
附图说明
[0045] 图1为大型远洋拖网渔船尾门架结构监测系统示意图。
[0046] 图2为大型远洋拖网渔船尾门架结构监测系统部件组成图。
[0047] 图3为尾门架传感器安放简化实
体模型图。
[0048] 图4为大型远洋拖网渔船尾门架结构监测系统数据流向图。
具体实施方式
[0049] 下面将结合具体
实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
[0050] 一种大型远洋拖网渔船尾门架结构监测系统，该系统包括5个子系统：传感器系统、信息采集与处理系统、信息通信与传输系统、信息分析与监控系统和智能配载系统，各个子系统具体如下：
[0051] (1)传感器系统
[0052] 传感器系统包括光纤光栅应变传感器、光纤接续盒和光缆盘线盒；所述的光纤光栅应变传感器至少为7个，分别设置于：尾门架顶部横梁的中部，记为C测点；右舷主立柱中部，记为A5测点；右舷斜立柱中部，记为A2测点；右舷中部横梁，记为A1测点；中部主横梁中部，记为A3测点；左舷中部横梁，记为A4测点；左舷斜立柱中部，记为B测点；其中，A1测点与A5测点、A2测点与A5测点、A3测点与A4测点之间分别通过光纤相连，然后接入光纤接续盒；B测点直接通过光纤接入光纤接续盒；光纤接续盒通过光纤与光缆盘线盒相连，C测点直接通过光纤与光缆盘线盒相连；光纤光栅应变传感器采集大型远洋拖网渔船尾门架的结构应变数据，并采集收到外界物理量变化的影响，改变反射光波波长信号；
[0053] 所述光纤光栅应变传感器应满足的指标有：光栅中心波长为1510nm～1590nm，光栅反射率≧85％，标准量程为±1000με，分辨率<0.5με，工作温度为-30℃～+80℃；光纤光栅应变传感器的封装方式为基片式、嵌入式或两端夹持式；安装方式为与支座连接后表面焊接或表面粘接，级连方式为熔接或连接器连接，光纤形式为铠装光缆。
[0054] 所述光纤盘绕的弯曲半径大于40mm，避免光传输损失大于0.5db。
[0055] 由于裸光纤光栅的外径只有125pm，为避免在施工以及使用过程中造成的物理性伤害，布设工艺要求如下：
[0056] ①打磨：用打磨机对钢结构表面进行打磨处理，使光纤光栅应变传感器与钢结构表面充分接触。
[0057] ②光纤光栅应变传感器的保护：在安装后的光纤光栅应变传感器表面涂敷环氧树脂，防止恶劣的海洋环境对光纤光栅应变传感器进行腐蚀。
[0058] ③光纤与接头保护：用环氧树脂胶将光纤固定在钢结构上，并在钢结构表面焊接钢管作为保护，以避免传输光纤在施工过程中的损坏。
[0059] (2)信息采集与处理系统
[0060] 信息采集与处理系统包括光纤光栅解调仪和结构监测数据存储处理单元，光纤光栅解调仪对来自光纤光栅应变传感器的反射光波波长信号进行处理后，转换成计算机可识别的电信号；结构监测数据存储处理单元用于数据的存储，以便后期查询和使用。
[0061] 光纤光栅解调仪的参数不低于以下标准：通道数为8，采样速率为0～20HZ，波长范围为1285nm～1325nm，分辨率为1pm，工作方式为多通道同步测量。
[0062] (3)信息通信与传输系统
[0063] 信息通信与传输系统包括网络操作系统平台、安全监测局域网和因特网，用于各个子系统之间的通信；
[0064] 所述网络操作系统平台采用Netware 5及以上版本。
[0065] (4)信息分析与监控系统
[0066] 信息分析与监控系统包括信息分析计算机、结构安全显示平台、声光报警系统、安全信息远程传输系统和安全动态数据库；信息分析计算机利用具备损伤诊断工程的软件分析来自模型数据库和监测数据库的数据，判断损伤的发生位置和鉴定损伤程度，对结构健康状况作出评估，并将评估结果显示在结构安全显示平台上；评估结果异常时，信息分析计算机将信号传输至声光报警系统，发出报警信息；结构安全显示平台和声光报警系统在显示与报警的同时，将结构应变传感数据通过安全信息远程传输系统传送给智能配载系统，并将数据保存在安全动态数据库，用以历史数据的查询。
[0067] 其中，所述具备损伤诊断工程的软件选用有限元分析软件，该软件通过构建大型远洋拖网渔船尾门架的船舶结构模型，施加实际航行工作中尾门架可能受到的各个方向不同大小以及规律变化的力，以便真实的反映船舶实际受力情况，而且外部人员能直观的了解整个尾门架的受力以及变形情况；该软件能将各个构件的受力以及局部点的受力情况，以三维的方式显示船舶结构的应力场分布；所述模型数据库为大型远洋拖网渔船尾门架建设方提供的原始数据，监测数据库为来自信息采集与处理系统的数据。
[0068] 所述信息分析计算机的各项性能指标为：计算机配置为586以上型号的IBMPS/2计算机或者IBM兼容性计算机；运行系统为Microsoft Windows(微软)7版本以上系统；显示器为VGA显示设备；分辨率为1024×768或800×600；鼠标为MS兼容性鼠标；打印机为激光打印机或EPSON行式打印机。
[0069] 所述有限元分析软件的功能要求：多国语言操作界面，易学易用，方便快捷的载荷条件，边界条件、求解参数设置界面；Windows系统下64位处理能力和并行计算功能。安全信息远程传输通过网线传输，网线规格指标为：五类双绞线并应满足100M/bps的以太网。数据库采用SQL Server数据库。
[0070] (5)智能配载系统
[0071] 智能配载系统包括智能配载平台和通信服务器；
[0072] 所述的智能配载平台，一方面能够根据结构监测数据存储处理单元实时存储的结构应力数据，建立船舶配载的约束条件及安全目标，确定船舶安全的控制原则及控制目标，对智能配载平台进行需求分析和功能分析，完成智能配载系统的顶层设计。另一方面，智能配载平台采用TCP/IP协议与通信服务器相连，能够被动接收传感器数据；并利用通信服务器校验预处理后的结构应变传感数据，通过协议转换技术，把采集到的尾门架结构表面应变信息变换为TCP/IP协议数据，对数据进行编码，利用计算机网络把信息传输到通信服务器。
[0073] 所述的通信服务器基于多线程开发技术，一方面，接收来自安全信息远程传输系统的结构应变传感数据，并对数据进行校验和预处理，之后将结构应变传感数据发送给智能配载平台。另一方面，接收智能配载系统编码后的信息，对多信息源的数据进行信息融合，把数据存储到数据库中，提供给智能配载平台，智能配载平台实时计算船舶稳性、船舶强度和结构应力。
[0074] 当通信链路意外断开时，智能配载系统能够判断通信故障并具备自动重连功能。
