一艘载有7000多个标箱的集装箱船在前往沙特吉达港的路途中，在距阿曼塞莱拉港430海里处，船舯突然断裂并导致货舱进水。幸运的是，所有船员都得到了及时营救，但24小时后，该船断为两截漂离。

2017年3月31日，一艘装载着26万吨铁矿石货物船籍为马绍尔群岛的大型矿砂船在大西洋沉没。事故发生在距离最近陆地约2500公里的海域，导致22名船员失踪，仅有2名幸存。

船舶静止状态时，可以通过船舶的数据在配载仪上计算各种强度参数。然而，在航行中，船舶会受到外力的影响，剪力和弯矩呈动态变化。在设计阶段，船舶需要考虑各种规范和法则来进行结构设计和疲劳强度计算，以确保船体的安全性。但在实际航行中，有诸多因素难以预测，可能会对船体造成不利影响。因此，在实际航行中需要不断监测船体状态并采取必要的措施来确保船舶的安全。为了实现船体状态的实时监测，船体应力监测系统应运而生。该系统通过处理从安装在船体上的传感器和驾驶台仪器中获取的数据，能够实时获取船舶在航行中所受到的各种力的信息。通过信息分析，可以计算出船体的应力情况，及时发现船体的疲劳状况和潜在的安全隐患，及时采取应对措施。

船体应力监测系统在船体结构的关键位置安装传感器，通过监测点进行应力监测和数据收集。该系统通过测量船体负荷和波浪相互作用下产生的相对变形，观测船体结构应力与加速度等参量，从风速仪、电罗经、定位系统、计程仪、雷达以及电源监测等获取数据。对收集到的数据通过软件算法进行分析判断船体应力的变化，以表格和曲线图等直观的视窗界面形式在屏幕上显示。监测数据不仅能预测和预警结构发展趋势，还有助于船员对装载和航行状况进行分析，并进行相应的安全评估和指导，以确保船体结构和设备的安全。

船体应力监测系统包括传感器、数据采集单元、主控制系统和显示/报警器（如图1）。传感器系统的具体分布如图2。

1.1 应力传感器系统

目前，应力传感器主要分为4种类型 ^[1]：电阻应变式传感器、光纤光栅传感器、振弦传感器和直线位移传感器。电阻应变传感器是通过受外力作用导致电阻丝带动电阻应变片变形，再将电阻变化转化为电信号输出。光纤光栅传感器是通过在船体位移时会产生折光率，利用光敏光纤纤芯上写入的光栅来测量物理量。振弦传感器利用振弦的震荡频率和材料的应力、长度及质量之间的关系来测量应力大小。直线位移应力传感器利用船体应力产生的位移，带动传感器中的传动连杆变形，将待测的物理量转变为电信号。

直线位移应力传感器分为长基线（LBSG）和短基线（SBSG）两种形式。笔者所在大型矿砂船使用长基线应力传感器 ^[3]，是共有4个标尺长度为2m的应力传感器（图3）。根据规范要求，安装位置距船艏和船艉1/4船长处各1个，船舯左右舷各1个，为纵向应力（弯矩）变化最大处。用螺栓将传感器座和盖子底座固定在支架上，再使用工具将支架焊接到甲板上。计算机接收到传感器的信号后进行处理并利用图表方式显示在系统界面上（图4）。

图1 船体应力系统组成

图2 船体应力监测系统安装位置

图3 船体应力监测系统的四个应力传感器

图4 应力传感器在系统的显示界面

1.2 加速度传感器

在船艏的水手长物料间中间柱上安装了加速度传感器（图5），用于监测船舶运动中所产生的艏部加速度，监测到的信号传送至遥控放大器并转换成电压信号。这些信号会被送至计算机的模拟数字转换器进行处理。船底在海水中受到冲击的状态可以通过比较测量到的加速度和速度阈值来判断，以指示在恶劣海况下发生撞击的可能性。该传感器是应变片悬臂式，满量程范围为±4G。

图5 船艏加速度传感器

1.3 倾斜仪

在船舶的驾驶台前部，设置了双轴倾斜传感器，用于回传船舶倾斜状态数据。这些传感器可以监控船舶横摇和纵摇的角度，并且当应力传感器测量的数据突然过度变化时，倾斜仪可以判断数据的精度和误差但不影响分析出的数据本身。系统可以模拟船体横摇和纵摇周期，并将结果以动画形式显示在显示器中（图6），并显示抨击计算结果。

图6 倾斜仪监控界面

1.4 海浪监控系统

系统主要由X波段雷达、波浪监测系统、导航信息监测系统、风力信息监测系统和操作软件组成。X波段雷达用于监测波的高度、长度、角度和周期等信息，以及引起波浪的海流和风力。系统接收雷达设备传输的海浪信号，并经过预处理后传输给处理单元。在获取其他端口的数据如风速和角度信息后，系统能够分析风对波浪的影响。处理单元对海浪信号进行计算，得出各种参数，并在计算机上显示（图7）。

图7 海浪监控系统界面

1.5 其他系统数据

通过连接驾驶台GPS、电罗经、主机转速、计程仪等设备终端，船体监控系统可以监测外部环境状态并评估结构健康状况。历史监控记录也可以用于后期的结构检查和周期性计划检查，具有积极的意义。为了满足系统的稳定性和可靠性，根据需要还可以配备UPS，以确保在主电源失电后，系统能够维持必要的时间供电和存储数据。船体应力监测系统将采集的数据处理后显示在显示器上（图8），同时数据也会传给VDR进行记录。当数值超过设定的报警值时，系统会发出声光报警，提醒船员及时采取相应的措施，帮助船舶及时发现并处理潜在的问题，提高船舶的安全性和稳定性。

图8 船体应力监测系统其他数据监控界面

船体应力监测系统^[3]采取模块化管理（图9），在主界面数据总览（General information）上可以查看包括传感器名称和位置的显示，实际数值和报警值的设置，报警信息的显示，过去四小时内传感器监测的最大、最小和平均数值的显示，以及选择菜单以更换传感器；弯距状态（Bending moment）模块监测船体梁弯矩，包括静水和海浪弯矩，每分钟记录一次，记录过去四小时的数据。根据海况和船舶状态，设定最大允许弯矩。如果实测应力超出允许范围，外部报警器将会触发。装卸货状态（Loading AND Unloading）模块可以通过配载仪自动或手动传输弯矩数据，将装卸货作业时的弯矩曲线显示出来，并将实测弯矩与预测结果进行比较。

图9 船体应力监测系统监控界面

统计数据（Statistical Data）模块对各传感器进行数据统计，记录过去五分钟的数据，并将结果存储在电脑上。此外，还可以选择时间段，查看各传感器的历史信息；动态和抨击（Motion and Slamming）模块显示船舶运动引起的纵摇角、平均纵摇周期、横摇角、平均横摇周期，并以动画形式展示运动和抨击画面。疲劳强度（Fatigue Strength）模块显示累积应力循环，右侧显示疲劳损伤比；

校准（Calibration）模块可以在校准时输入本船数据、传感器配置数据（如传感器位置）、船体应力和抨击报警限制。点击“Simulation（模拟）”可将警报选择设置为“Real time（实时）”。P1P2模块中P1显示的是与HSMS相连接的其他设备终端的接口状态，如GPS、VDR等；P2显示的是每个传感器的输入数据值。波浪监测系统（Wave Finder）使用测波仪控制面板显示监控信息，通过TPC/IP通信检查雷达图像、波浪信息、分析角度和历史等信息，并显示在测波仪画面上。

船体应力监测系统的校准是通过配载仪的弯矩调整来实现的。配载仪记录了与相关肋位有关的数值，并将这些数值线性内插到与传感器的位置相匹配。最理想的校准状态是中性的压载，即平吃水和零弯矩。然而，由于这种状态通常难以实现，因此在平吃水的压载状态下进行校准是可以接受的。

传感器的校准工作包括两个步骤。首先需要进行设备的零偏移调整，然后根据船上安装的配载仪的计算结果进行校准。配载仪能够计算出船体梁在仪表位置的弯矩，并将其转换为应力值。根据这些计算出的应力值，可以对系统中船体梁应力的偏移量进行调整。系统测试时，应力传感器使用插入1mm的测尺（见图 10右图）。1mm对应传感器增加的应力是固定的，比对系统插入测尺前后输出值的变化检查精度。将加速度传感器旋转90º来模拟1g加速度的变化（见图 10左图），检查输出值是否符合说明书要求。

图 10 船体应力监测系统加速器和应力传感器的校正

船长应当检查并妥善保管船体应力监测系统证书，确认证书与系统设备上的型号及序列号一致。同时，需要注意船级证书上是否有船体应力监测系统的船级社符号。有些公司的系统可能未经过船级社验证，因此需要检查船级证书上的符号以确认船载监测系统是否得到船级社认证。ABS船级社的船籍符号是HM2，CCS船级社的符号是HMS，LR船级社的符号是SEA，而DNV船级社的符号为HMON。相关说明可以在船级社规范中查找。

船长在上船后应与负责该设备的高级船员一同研读说明书，尽快熟悉和掌握该系统的管理和运用。正确的操作和维护可以提高设备的安全性和可靠性，从而保证船舶安全。为确保船体应力监测系统的正常运行和维护，船长应定期安排人员检查系统设备各个部件是否正常运行，做好维护保养工作。同时，定期备份数据可以防止数据丢失或损坏。最后，建立应力监测系统的记录和档案，以备日后参考和分析。

熟悉船体应力监测系统的操作，以便及时发现和解决应力问题。一旦船体应力监测系统出现故障或异常情况，要及时采取措施进行修复和调整。此外，还应根据船舶的航行和负载情况，合理设置应力监测系统的参数，以确保监测结果的准确性和可靠性。在船体应力监测系统的数据分析过程中，要及时根据需要调整船舶的航行速度和航向，避免过度应力和船体疲劳的发生。

正确管理船体应力监测系统对于延长船舶的使用寿命、降低维护费用、优化航行和节省成本具有重要作用。船舶从异常到事故的过程中，如果能够及时发现并采取相应措施，则可以避免或减轻灾难的发生。为了避免人为操作失误，应定期培训船员操作技能，并提高他们对船体应力监测系统的理解和运用能力。通过调整船舶状态和航线优化，可以提高船舶的运营效率。随着航运业的发展，相信船体应力监测系统将在各种船舶上得到越来越广泛的应用。