中山舰陈列安全性在线监测与预警系统

陶 韬， 向祖权， 郭 荣， 茅云生

(武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430063)

0 引 言

中山舰，原名永丰舰，1913年加入中国北洋政府海军第一舰队，1938年10月24日在武汉会战中遭日本侵略军机群轰炸，含恨沉入江夏金口长江江底。中山舰自加入中国海军以来，历经“护国运动” “护法运动” “孙中山广州蒙难事件” “中山舰事件” “武汉保卫战”等五大历史事件，是中国近代国民革命史和抗日战争史上最重要的历史见证。

中山舰于1997年1月28日整体打捞出水后，按照“修旧如旧，保留历史遗迹”的原则进行修复，并于2008年5月26日陈列于武汉市金口镇中山舰博物馆。

中山舰作为我国最大的可移动出水文物，十分珍贵，目前陈列馆保护条件有限，在保存环境、腐蚀损伤、结构变形、强度和陈列安全等方面均缺乏有效监控。特别是中山舰舰体陈列于一个钢质结构的承台上，该承台内部锈蚀严重，长此以往，承台结构强度将严重受损。中山舰重达数百吨，一旦因承台强度不够而发生坍陷与倾覆事件，不仅舰体会损毁，而且对人员安全是巨大的威胁。

目前，中山舰的陈列情况如图1所示。舰体通过木质墩木搁置在钢制承台上，舰体首尾两侧各布置4个钢质支撑以防止舰体倾覆。

图1 艏部侧面及承台支撑现场图

由于中山舰在江水中浸泡了近60年，舰体还被日军炸得伤痕累累，其结构强度受损严重。现场勘查后发现舰体虽然有木质墩木和侧面钢质支撑，但其摆放姿态出现了明显倾斜，这种舰体姿态的变化同样存在巨大的安全隐患。

为实时了解中山舰舰体陈列安全状况，对舰体陈列安全隐患做到早发现、早预警，基于现代测量技术，构建中山舰舰体陈列安全性在线监测与预警系统。该系统可实时在线监测中山舰舰体承台和侧面支撑的受力以及舰体姿态变化情况，并对潜在的安全隐患进行预警，为博物馆管理人员提供科学而准确的现场数据，从而在文物出现安全隐患时赢得抢救时间，该系统的成功建设对中山舰的长期保存并确保其安全性至关重要。

1 监测系统总体方案

中山舰安全监测预警系统采用如图2所示的分级分布结构。按照系统工作流程可以将整个系统分为3个层次：数据测量层、数据储存层以及中山舰监控预警层。

图2 中山舰安全监测系统结构

数据测量层由中山舰承台应力监测系统、侧面支柱应力监测系统和舰体姿态监测系统组成。各个系统采用一系列传感器测量相对应部分的实时应力值和承台上舰体的实时姿态。

数据储存层是把光纤光栅和激光测距仪的测量数据通过交互机和解调仪转换后，提供给监测主机进行数据储存与分析。

监控预警层主要体现在监测软件上，该软件可实时显示各监测点应力数据和舰体姿态数据，可对历史数据进行保存、查询与显示，也可实现紧急情况下的报警及安全隐患的定位功能。

2 监测系统的设计与实现

中山舰在线监测与预警系统主要由承台墩木受力在线监测子系统、侧面支撑受力在线监测子系统、舰体姿态在线监测子系统、监控系统软件、监控主机等5个部分组成。

2.1 承台受力在线监测子系统

中山舰几百吨的舰体通过木墩搁置在钢质承台上，由于舰体重量分布不均匀，每个墩木传递给承台的重量也不一样。钢质承台不断受到锈蚀，自身结构强度也在不断减弱，因此承台的结构健康监测对中山舰的安全陈列至关重要。

结构健康监测常用的测量方式是电测技术和光纤光栅技术。比较这两种测量方式的优缺点并结合现场施工需求，本项目采用光纤光栅测量技术[1-2]。通过在墩木旁边的钢质承台表面布置光纤光栅应变计感知承台的受力情况[3-5]。子系统现场布置如图3所示。

图3 承台受力监测子系统传感器布置

子系统由40个带温度补偿的光纤光栅应变计LC-FBG-SWBM、1台16通道光纤光栅解调仪以及现场光缆组成。

子系统中光纤光栅应变计的布置位置是监测系统的关键，为找到准确的应力危险点，对承台受力情况进行有限元建模分析，仿真结果如图4所示。

图4 承台受力应力云图

从图4可明显发现，承台应力危险点处于墩木处。因此，在承台受力监测子系统中将光纤光栅传感器焊接在承台表面的墩木上来监控承台的安全状态是合理可行的。

2.2 侧面支撑受力在线监测子系统

由于舰体受损和变形，舰体作用在8个侧面支撑上的作用力不均匀，一旦舰体摆放姿态出现倾斜，侧面支撑的结构强度将是保障舰体不发生倾覆的关键。

侧面支撑受力在线监测子系统构建原理与承台受力监测系统类似，每个侧面支撑上布置4个光纤光栅应变计LC-FBG-SWBM，一共32个，同时与承台受力监测系统共用同一个光纤光栅解调仪。现场传感器布置如图5所示。

图5 侧面支撑受力监测传感器布置

为确定侧面支撑光纤光栅应变计的安装位置，对其受力情况进行有限元建模分析，结果如图6所示。仿真应力云图中没有特别明显的应力危险点，但是根据应力集中的定义，在确定最大危险点时，需更多地考虑结构拐点或拼接处应力集中的可能性[6-8]，所以侧面支撑上的传感器布置位置如图6所示。

图6 支柱应力云图

2.3 舰体姿态在线监测子系统

舰体姿态发生改变主要体现在舰体的纵倾或横倾上，只要在舰体横向和纵向布置位移传感器，实时监测位移的变化大小，即可了解舰体姿态改变情况。位移传感器主要分为接触式和非接触式[9]，针对中山舰这一特定的测量对象，采用接触式测量会影响舰体陈列的美观性，安装传感器还会破坏船体表面，因此本文采用非接触式激光位移传感器感知舰体姿态的变化。

舰体姿态在线监测子系统的激光位移传感器布置在艏艉合适的位置上，艏艉各布置2个，且左右对称布置。传感器的布置方案如图7所示，现场安装情况如图8所示。

图7 舰体姿态传感器布置

图8 激光位移传感器现场安装图

实时监测左右激光位移传感器采集到的数据变化，可以了解船舶在艏艉处的横倾变化情况；实时监测前后激光位移传感器采集到的数据变化，可以了解船舶在艏艉处的纵倾变化情况。激光位移传感器采用日本基恩士的IL-300，该传感器采用激光三角形测量原理，测量精度高达±0.2 mm。

2.4 监测系统软件功能模块

中山舰舰体陈列安全性预防保护数据采集与处理系统是整个安全监测系统中最重要的一环，以LabVIEW为开发平台[10]，部分功能代码用C语言嵌入，采用TDMS数据库。

系统主要包括数据采集功能模块、数据存储、分析与处理功能模块、集中显示功能模块、安全预警与定位功能模块，主要功能和工作流程如图9所示。

图9 软件流程图

(1) 数据采集功能。系统首先在光纤光栅解调仪、激光位移传感器控制器和远距离通信模块上安装通信协议，然后通过监控主机与三者建立通信。光纤光栅传感器和激光位移传感器采集结构的动态应变信号，通过通信网络将信号传送到数据光纤光栅解调仪，通过对信号的解调得到相应的波长信号以供数据分析系统进行分析处理。

(2) 数据存储、分析与处理功能。将监测到的结构应变数据、位移数据按照一定的规则和要求存入数据库中，并对数据进行分析和处理，实时判断测量数据是否超出安全阈值，可实现数据的查询与管理，也可打印数据报表。

(3) 集中显示功能。将采集到的数据按照传感器布置位置、数据类型在监测主机上分类显示，让管理者随时查看各监测点的测量数据。软件集中显示界面如图10所示。

图10 软件集中显示界面

存储的历史数据可以通过数据库查找功能进行提取，并可通过图表、曲线等方式显示，如图11所示。

图11 历史数据查询显示

(4) 安全预警与定位功能。在实时监测过程中，一旦发现数据超出设定的安全阈值，监控系统会在软件界面上弹出报警对话框，并提示安全隐患类型和所处位置，同时通过声光报警器发出声光报警，以便管理人员不在电脑面前时可以接收到报警信息。该模块也可扩展短信自动发送功能，出现险情时可自动给管理人员发送短信，以便无人值守时及时了解安全信息。

2.5 监测主机

监测主机采用一体化设计，即主机和显示器集成在一个机壳内。在主机屏幕两侧一共有8个指示灯。右侧4个绿色指示灯分别是电源指示灯、支柱应力正常指示灯、承台应力正常指示灯和舰体姿态正常指示灯；左侧4个红色指示灯分别是报警灯、支柱应力异常指示灯、承台应力异常指示灯和舰体姿态异常指示灯。一旦舰体出现紧急情况，相对应的红色指示灯就会闪烁，配合蜂鸣报警器提醒工作人员。将光纤光栅解调仪、激光位移传感器上传的数据按照通信协议进行解释并读入监控计算机内存，以便其他模块读取。监控计算机1 T的内存能存储足够多的测量数据。

3 结束语

中山舰陈列安全性在线监测与预警系统是一个集现代传感技术、信号分析与处理技术、数据管理方法、预测技术、结构分析理论及现代控制技术于一体的集成系统。通过对该系统的研究开发，可对中山舰的各支撑结构物的强度安全以及舰体自身的安全状态进行系统有效的监测，监测主机上记录显示的各传感器的测量数据可直观地反映舰体实时安全性能，对潜在的安全隐患进行预警，为博物馆工作人员提供科学的数据，从而为应对文物可能出现的安全隐患赢得抢救时间。