陶 韜， 向祖權， 郭 榮， 茅云生

(武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

中山艦，原名永豐艦，1913年加入中國北洋政府海軍第一艦隊，1938年10月24日在武漢會戰(zhàn)中遭日本侵略軍機群轟炸，含恨沉入江夏金口長江江底。中山艦自加入中國海軍以來，歷經(jīng)“護國運動” “護法運動” “孫中山廣州蒙難事件” “中山艦事件” “武漢保衛(wèi)戰(zhàn)”等五大歷史事件，是中國近代國民革命史和抗日戰(zhàn)爭史上最重要的歷史見證。

中山艦于1997年1月28日整體打撈出水后，按照“修舊如舊，保留歷史遺跡”的原則進行修復，并于2008年5月26日陳列于武漢市金口鎮(zhèn)中山艦博物館。

中山艦作為我國最大的可移動出水文物，十分珍貴，目前陳列館保護條件有限，在保存環(huán)境、腐蝕損傷、結構變形、強度和陳列安全等方面均缺乏有效監(jiān)控。特別是中山艦艦體陳列于一個鋼質(zhì)結構的承臺上，該承臺內(nèi)部銹蝕嚴重，長此以往，承臺結構強度將嚴重受損。中山艦重達數(shù)百噸，一旦因承臺強度不夠而發(fā)生坍陷與傾覆事件，不僅艦體會損毀，而且對人員安全是巨大的威脅。

目前，中山艦的陳列情況如圖1所示。艦體通過木質(zhì)墩木擱置在鋼制承臺上，艦體首尾兩側(cè)各布置4個鋼質(zhì)支撐以防止艦體傾覆。

圖1 艏部側(cè)面及承臺支撐現(xiàn)場圖

由于中山艦在江水中浸泡了近60年，艦體還被日軍炸得傷痕累累，其結構強度受損嚴重?，F(xiàn)場勘查后發(fā)現(xiàn)艦體雖然有木質(zhì)墩木和側(cè)面鋼質(zhì)支撐，但其擺放姿態(tài)出現(xiàn)了明顯傾斜，這種艦體姿態(tài)的變化同樣存在巨大的安全隱患。

為實時了解中山艦艦體陳列安全狀況，對艦體陳列安全隱患做到早發(fā)現(xiàn)、早預警，基于現(xiàn)代測量技術，構建中山艦艦體陳列安全性在線監(jiān)測與預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時在線監(jiān)測中山艦艦體承臺和側(cè)面支撐的受力以及艦體姿態(tài)變化情況，并對潛在的安全隱患進行預警，為博物館管理人員提供科學而準確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，從而在文物出現(xiàn)安全隱患時贏得搶救時間，該系統(tǒng)的成功建設對中山艦的長期保存并確保其安全性至關重要。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

中山艦安全監(jiān)測預警系統(tǒng)采用如圖2所示的分級分布結構。按照系統(tǒng)工作流程可以將整個系統(tǒng)分為3個層次：數(shù)據(jù)測量層、數(shù)據(jù)儲存層以及中山艦監(jiān)控預警層。

圖2 中山艦安全監(jiān)測系統(tǒng)結構

數(shù)據(jù)測量層由中山艦承臺應力監(jiān)測系統(tǒng)、側(cè)面支柱應力監(jiān)測系統(tǒng)和艦體姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成。各個系統(tǒng)采用一系列傳感器測量相對應部分的實時應力值和承臺上艦體的實時姿態(tài)。

數(shù)據(jù)儲存層是把光纖光柵和激光測距儀的測量數(shù)據(jù)通過交互機和解調(diào)儀轉(zhuǎn)換后，提供給監(jiān)測主機進行數(shù)據(jù)儲存與分析。

監(jiān)控預警層主要體現(xiàn)在監(jiān)測軟件上，該軟件可實時顯示各監(jiān)測點應力數(shù)據(jù)和艦體姿態(tài)數(shù)據(jù)，可對歷史數(shù)據(jù)進行保存、查詢與顯示，也可實現(xiàn)緊急情況下的報警及安全隱患的定位功能。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

中山艦在線監(jiān)測與預警系統(tǒng)主要由承臺墩木受力在線監(jiān)測子系統(tǒng)、側(cè)面支撐受力在線監(jiān)測子系統(tǒng)、艦體姿態(tài)在線監(jiān)測子系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、監(jiān)控主機等5個部分組成。

2.1 承臺受力在線監(jiān)測子系統(tǒng)

中山艦幾百噸的艦體通過木墩擱置在鋼質(zhì)承臺上，由于艦體重量分布不均勻，每個墩木傳遞給承臺的重量也不一樣。鋼質(zhì)承臺不斷受到銹蝕，自身結構強度也在不斷減弱，因此承臺的結構健康監(jiān)測對中山艦的安全陳列至關重要。

結構健康監(jiān)測常用的測量方式是電測技術和光纖光柵技術。比較這兩種測量方式的優(yōu)缺點并結合現(xiàn)場施工需求，本項目采用光纖光柵測量技術[1-2]。通過在墩木旁邊的鋼質(zhì)承臺表面布置光纖光柵應變計感知承臺的受力情況[3-5]。子系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖3所示。

圖3 承臺受力監(jiān)測子系統(tǒng)傳感器布置

子系統(tǒng)由40個帶溫度補償?shù)墓饫w光柵應變計LC-FBG-SWBM、1臺16通道光纖光柵解調(diào)儀以及現(xiàn)場光纜組成。

子系統(tǒng)中光纖光柵應變計的布置位置是監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵，為找到準確的應力危險點，對承臺受力情況進行有限元建模分析，仿真結果如圖4所示。

圖4 承臺受力應力云圖

從圖4可明顯發(fā)現(xiàn)，承臺應力危險點處于墩木處。因此，在承臺受力監(jiān)測子系統(tǒng)中將光纖光柵傳感器焊接在承臺表面的墩木上來監(jiān)控承臺的安全狀態(tài)是合理可行的。

2.2 側(cè)面支撐受力在線監(jiān)測子系統(tǒng)

由于艦體受損和變形，艦體作用在8個側(cè)面支撐上的作用力不均勻，一旦艦體擺放姿態(tài)出現(xiàn)傾斜，側(cè)面支撐的結構強度將是保障艦體不發(fā)生傾覆的關鍵。

側(cè)面支撐受力在線監(jiān)測子系統(tǒng)構建原理與承臺受力監(jiān)測系統(tǒng)類似，每個側(cè)面支撐上布置4個光纖光柵應變計LC-FBG-SWBM，一共32個，同時與承臺受力監(jiān)測系統(tǒng)共用同一個光纖光柵解調(diào)儀?，F(xiàn)場傳感器布置如圖5所示。

圖5 側(cè)面支撐受力監(jiān)測傳感器布置

為確定側(cè)面支撐光纖光柵應變計的安裝位置，對其受力情況進行有限元建模分析，結果如圖6所示。仿真應力云圖中沒有特別明顯的應力危險點，但是根據(jù)應力集中的定義，在確定最大危險點時，需更多地考慮結構拐點或拼接處應力集中的可能性[6-8]，所以側(cè)面支撐上的傳感器布置位置如圖6所示。

圖6 支柱應力云圖

2.3 艦體姿態(tài)在線監(jiān)測子系統(tǒng)

艦體姿態(tài)發(fā)生改變主要體現(xiàn)在艦體的縱傾或橫傾上，只要在艦體橫向和縱向布置位移傳感器，實時監(jiān)測位移的變化大小，即可了解艦體姿態(tài)改變情況。位移傳感器主要分為接觸式和非接觸式[9]，針對中山艦這一特定的測量對象，采用接觸式測量會影響艦體陳列的美觀性，安裝傳感器還會破壞船體表面，因此本文采用非接觸式激光位移傳感器感知艦體姿態(tài)的變化。

艦體姿態(tài)在線監(jiān)測子系統(tǒng)的激光位移傳感器布置在艏艉合適的位置上，艏艉各布置2個，且左右對稱布置。傳感器的布置方案如圖7所示，現(xiàn)場安裝情況如圖8所示。

圖7 艦體姿態(tài)傳感器布置

圖8 激光位移傳感器現(xiàn)場安裝圖

實時監(jiān)測左右激光位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)變化，可以了解船舶在艏艉處的橫傾變化情況；實時監(jiān)測前后激光位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)變化，可以了解船舶在艏艉處的縱傾變化情況。激光位移傳感器采用日本基恩士的IL-300，該傳感器采用激光三角形測量原理，測量精度高達±0.2 mm。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能模塊

中山艦艦體陳列安全性預防保護數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)是整個安全監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，以LabVIEW為開發(fā)平臺[10]，部分功能代碼用C語言嵌入，采用TDMS數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集功能模塊、數(shù)據(jù)存儲、分析與處理功能模塊、集中顯示功能模塊、安全預警與定位功能模塊，主要功能和工作流程如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

(1) 數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)首先在光纖光柵解調(diào)儀、激光位移傳感器控制器和遠距離通信模塊上安裝通信協(xié)議，然后通過監(jiān)控主機與三者建立通信。光纖光柵傳感器和激光位移傳感器采集結構的動態(tài)應變信號，通過通信網(wǎng)絡將信號傳送到數(shù)據(jù)光纖光柵解調(diào)儀，通過對信號的解調(diào)得到相應的波長信號以供數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行分析處理。

(2) 數(shù)據(jù)存儲、分析與處理功能。將監(jiān)測到的結構應變數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則和要求存入數(shù)據(jù)庫中，并對數(shù)據(jù)進行分析和處理，實時判斷測量數(shù)據(jù)是否超出安全閾值，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢與管理，也可打印數(shù)據(jù)報表。

(3) 集中顯示功能。將采集到的數(shù)據(jù)按照傳感器布置位置、數(shù)據(jù)類型在監(jiān)測主機上分類顯示，讓管理者隨時查看各監(jiān)測點的測量數(shù)據(jù)。軟件集中顯示界面如圖10所示。

圖10 軟件集中顯示界面

存儲的歷史數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)庫查找功能進行提取，并可通過圖表、曲線等方式顯示，如圖11所示。

圖11 歷史數(shù)據(jù)查詢顯示

(4) 安全預警與定位功能。在實時監(jiān)測過程中，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出設定的安全閾值，監(jiān)控系統(tǒng)會在軟件界面上彈出報警對話框，并提示安全隱患類型和所處位置，同時通過聲光報警器發(fā)出聲光報警，以便管理人員不在電腦面前時可以接收到報警信息。該模塊也可擴展短信自動發(fā)送功能，出現(xiàn)險情時可自動給管理人員發(fā)送短信，以便無人值守時及時了解安全信息。

2.5 監(jiān)測主機

監(jiān)測主機采用一體化設計，即主機和顯示器集成在一個機殼內(nèi)。在主機屏幕兩側(cè)一共有8個指示燈。右側(cè)4個綠色指示燈分別是電源指示燈、支柱應力正常指示燈、承臺應力正常指示燈和艦體姿態(tài)正常指示燈；左側(cè)4個紅色指示燈分別是報警燈、支柱應力異常指示燈、承臺應力異常指示燈和艦體姿態(tài)異常指示燈。一旦艦體出現(xiàn)緊急情況，相對應的紅色指示燈就會閃爍，配合蜂鳴報警器提醒工作人員。將光纖光柵解調(diào)儀、激光位移傳感器上傳的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進行解釋并讀入監(jiān)控計算機內(nèi)存，以便其他模塊讀取。監(jiān)控計算機1 T的內(nèi)存能存儲足夠多的測量數(shù)據(jù)。

3 結束語

中山艦陳列安全性在線監(jiān)測與預警系統(tǒng)是一個集現(xiàn)代傳感技術、信號分析與處理技術、數(shù)據(jù)管理方法、預測技術、結構分析理論及現(xiàn)代控制技術于一體的集成系統(tǒng)。通過對該系統(tǒng)的研究開發(fā)，可對中山艦的各支撐結構物的強度安全以及艦體自身的安全狀態(tài)進行系統(tǒng)有效的監(jiān)測，監(jiān)測主機上記錄顯示的各傳感器的測量數(shù)據(jù)可直觀地反映艦體實時安全性能，對潛在的安全隱患進行預警，為博物館工作人員提供科學的數(shù)據(jù)，從而為應對文物可能出現(xiàn)的安全隱患贏得搶救時間。