陶 韜， 向祖權(quán)， 郭 榮， 茅云生

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)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(jī)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(hù)國運(yùn)動” “護(hù)法運(yùn)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(jìn)行修復(fù)，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(hù)條件有限，在保存環(huán)境、腐蝕損傷、結(jié)構(gòu)變形、強(qiáng)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(jié)構(gòu)的承臺上，該承臺內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重，長此以往，承臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將嚴(yán)重受損。中山艦重達(dá)數(shù)百噸，一旦因承臺強(qiáng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度受損嚴(yán)重。現(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(yù)警，基于現(xiàn)代測量技術(shù)，構(gòu)建中山艦艦體陳列安全性在線監(jiān)測與預(yù)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(jìn)行預(yù)警，為博物館管理人員提供科學(xué)而準(zhǔn)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(shè)對中山艦的長期保存并確保其安全性至關(guān)重要。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

中山艦安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用如圖2所示的分級分布結(jié)構(gòu)。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(yù)警層。

圖2 中山艦安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)測量層由中山艦承臺應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、側(cè)面支柱應(yīng)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(yīng)部分的實時應(yīng)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(jī)和解調(diào)儀轉(zhuǎn)換后，提供給監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存與分析。

監(jiān)控預(yù)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(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)和艦體姿態(tài)數(shù)據(jù)，可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計與實現(xiàn)

中山艦在線監(jiān)測與預(yù)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(jī)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度也在不斷減弱，因此承臺的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對中山艦的安全陳列至關(guān)重要。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測常用的測量方式是電測技術(shù)和光纖光柵技術(shù)。比較這兩種測量方式的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)場施工需求，本項目采用光纖光柵測量技術(shù)[1-2]。通過在墩木旁邊的鋼質(zhì)承臺表面布置光纖光柵應(yīng)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(bǔ)償?shù)墓饫w光柵應(yīng)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(yīng)變計的布置位置是監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵，為找到準(zhǔn)確的應(yīng)力危險點(diǎn)，對承臺受力情況進(jìn)行有限元建模分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 承臺受力應(yīng)力云圖

從圖4可明顯發(fā)現(xiàn)，承臺應(yīng)力危險點(diǎn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度將是保障艦體不發(fā)生傾覆的關(guān)鍵。

側(cè)面支撐受力在線監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)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(yīng)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(yīng)變計的安裝位置，對其受力情況進(jìn)行有限元建模分析，結(jié)果如圖6所示。仿真應(yīng)力云圖中沒有特別明顯的應(yīng)力危險點(diǎn)，但是根據(jù)應(yīng)力集中的定義，在確定最大危險點(diǎn)時，需更多地考慮結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)或拼接處應(yīng)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(yīng)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(dá)±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(yù)防保護(hù)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(yù)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(yuǎn)距離通信模塊上安裝通信協(xié)議，然后通過監(jiān)控主機(jī)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(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)變信號，通過通信網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的波長信號以供數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)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(jié)構(gòu)應(yīng)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(jìn)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(jī)上分類顯示，讓管理者隨時查看各監(jiān)測點(diǎn)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(jìn)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(yù)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(shè)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(kuò)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(jī)

監(jiān)測主機(jī)采用一體化設(shè)計，即主機(jī)和顯示器集成在一個機(jī)殼內(nèi)。在主機(jī)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(yīng)力正常指示燈、承臺應(yīng)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(yīng)力異常指示燈、承臺應(yīng)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(yīng)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(jìn)行解釋并讀入監(jiān)控計算機(jī)內(nèi)存，以便其他模塊讀取。監(jiān)控計算機(jī)1 T的內(nèi)存能存儲足夠多的測量數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

中山艦陳列安全性在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)是一個集現(xiàn)代傳感技術(shù)、信號分析與處理技術(shù)、數(shù)據(jù)管理方法、預(yù)測技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析理論及現(xiàn)代控制技術(shù)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(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度安全以及艦體自身的安全狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)有效的監(jiān)測，監(jiān)測主機(jī)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(jìn)行預(yù)警，為博物館工作人員提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，從而為應(yīng)對文物可能出現(xiàn)的安全隱患贏得搶救時間。