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摘要：在船舶大型化和高强度钢广泛使用的背景下，船舶在航行中的动态变形愈发明显。为补偿甲板上各关注位置与主惯导之间的姿态差异，通常在关注位置安装角变形监测装置。从实际角度出发，不可能对所有的关注位置均进行监测，因而有必要采用一种合理的方法对监测位置进行优化，进而通过实时监测到的角变形信息预报其他关注位置的角变形响应。
关键词：船舶；动态变形测点；优化；变形预报；方法
1船舶动态变形测量方法
船体动态挠曲变形测量是国内外船舶界研究的难点问题。目前常见的方法主要有：自准直平行光管测量法、布拉格光栅测量法、惯性测量匹配法、应变传感器测量法、摄影/摄像测量法和GPS测量法等。其中，摄影/摄像测量法和惯性测量匹配法以原理直观、工程实施难度低等优点得到广泛关注。
1.1摄像测量法
摄像机位置和姿态转移的摄像机测量方法是摄像机和标志相结合形成图像链，将空间中的任意区域进行联系，并利用图像处理与视觉标定算法来测量待测目标并得到测量的基准位子及其变化量的相关信息。像机链摄影的测量可以得到同等 及位姿的传递，例如图1。测量基准与待测目标间从n-1个传递站到S1，S2…，Sn-1，以此来形成像机链，测量基准和第1级传递站之间、相邻传递站之间以及最后1级传递站与待测目标之间须保证存在可见光路。
1.2惯性测量法
惯性测量单元分别在参考点和待测目标点安装惯性测量设备，测量安装点的姿态角或角速度信息，计算两点间的角变形。根据惯性数据处理方法的不同，可分为以下几个方面：
（1）将惯性测量输出比与滤波方法进行比较。在基准点与测量点分别安装一组三轴光纤陀螺和彝族三轴的加速度计量器，分别对该点的姿态角进行计算，两点姿态角所的到的差就是船体的变形较。由于当前所使用的惯性器降准度较差所以会有一定的误差出现呈现出低频振荡的情况；船舶出现动态绕曲变形主要是由于船体的运动、船体的摆动与海水的拍打，与惯性器测量件误差性比绕曲变形量属于高频分量。在进行高通数字滤波器进行设计时可以从惯性测量信息中提取动态的角变量。
（2）卡尔曼滤波估计法。根据船体变形角和两套三轴光纤陀螺输出差值之间的关系，建立状态方程，以陀螺输出角速率差值为观测量建立量测方程，对船体变形角进行估计。假设：船体三维角变形量θ=φ+ξ，其中：φ为静态变形角，ξ为动态挠曲变形角，θ=ξ；基准点光纤陀螺角速率Ω1陀螺漂移D1；待测点光纤陀螺角速率Ω2，陀螺漂移D2。由待测点陀螺坐标系变换到基准点陀螺坐标系的方向余弦阵为B，因船体变形角为小角度，忽略其二阶小量，方向余弦阵B简化为：
式中：状态向量x（t）=[φ，ξ，ξ，D1，D2]T；观测向量z（t）=Ω2-Ω1；W和v分别为系统过程噪声和量测噪声。可以将船体动态变形假设为二阶马尔可夫过程，然后在结合式算式推导出状态的转移矩阵A、过程噪声的矩阵B，根据算式推导出量测的矩阵H。通过上述的卡尔曼滤波模型可以得知，利用陀螺角速率差值的量测值，对船体的变形角θ进行相应的估算。通过以上所描述的两种惯性的测量方法，可以看出输出比对滤波法原理要更加简单、计算量也相对较小，由于数字滤波器所引起的引入会所带来时延问题，因此，可以看出，滤波器的选可以对其产生较大的影响；在使用卡尔曼滤波估计法，就不须要使用加速度计，可以实时的估算出陀螺漂移的位置并对其进行相应的补偿，但是这种方法的计算量相对较大，估算出的效果对于船体动态变形模型的准确性要求较高。
2变形提取方法研究
加板变形可以直接影响到船舶导航的精准度，所以应考虑基座范围内的整体变形情况，由于存在局部变形情况，所以，甲板中心线上的不通相邻节点角度变化也不是连续性的，所以有限元分析可以用来直接提取节点变形角度的数值，但是，此数值不能直接反应出甲板区域的变形情况。因此应对船舶变形的提取方法进行进一步的研究，找寻到其变化的规律，并引入以下假设方法。首先，船舶甲板的结构应具有较好的强度，不会轻易的发生破损、塑性变形以及不稳定的情况；其次，甲板只有在弹性范围内才会发生变化并且会遵循一定的变形连续性的规律；再次，在进行制造的过程中不同的装备基座应使用加筋方式对其进行固定，因此，可以将基座视为刚体并会产生变形的情况，只会随着甲板的板架变化产生小角度的倾斜情况；最后，如果是迎着海浪行驶的船舶甲板时不会存在变形情况的。可以在甲板的中心线上选择三个测量点，其中测点1S所在位置对应节点（Node279315）坐标为（-55m，0m，15.6m），测点2S所在位置对应节点（Node219194）坐标为（-0.5m，0m，15.6m），测点3S所在位置对应节点（Node154518）坐标为（70.5m，0m，15.6m）。如果甲板上与甲板上设备基座连接成矩形区域1P、2P、3P分别以1S、2S、3S单个测点为中心点，并且沿着船长的方向长度均为1.6米，其宽度均为2米。
3船体结构变形预报
在海上实际的海浪是随机的，具有不规则性。海浪还具有一定的随机线性模式，可可以将海浪看着多个频率不相同、方向不相同、振幅变化较强并且相位比较混乱的微幅简谐波叠加所形成的不规则波形。在概率论的基础上可以证明，这种构成的海浪它的波面位移服从至均为零的动态过程，此过程相对平稳并具有一定的各态历经性。为了使所描述的船舶航行波浪環境更加真实，一般会使用经过充分发展的波浪谱来进行表征，波浪谱主要包含波浪能量与波浪总量按照频率分布相关信息。目前，比较常用的博能谱有PM谱、JONSWAP谱等。当前在船舶与海洋工程中使用最广泛的为PM谱。在1964年相关人员根据北大西洋相关资料首先提出了PM谱，但是单数参数谱不能够合理的表征非充分海浪特征。所以，在1969年举办的第12届ITTC推荐双参数PM谱来模拟海浪，成为现今海洋船舶行业内最为大家所知晓的一种波能谱经验表达公式。
结语：
本文针对船舶变形监测点的选取和变形响应预报问题进行分析，计算表明：
（1）利用船舶结构的模态信息，采用有效独立法可以对初步拟定的若干变形监测位置进行筛选，给出优化的布置方案。
（2）结合波浪载荷预报技术和结构有限元分析技术，实现了在设计阶段不同海况下船舶变形响应的预报，可为传感器量程等设备技术参数的选取提供参考。
（3）对比不存在截断问题的仿真方法与模态叠加法，论证了当前所选前4阶模态的数目能够充分反映出关注位置处的变形响应，同时也反映了利用模态叠加法和实时监测的变形信息，验证了对其他未监测位置进行实时预报的可行性。
（4）考虑到实船模态与理论模态可能存在偏差，为降低偏差影响，实测中应根据实际条件尽可能多地布置传感器，传感器的布置位置优化和未监测位置的实时预报依然可以采用本文所提方法。
参考文献：
[1]柳爱利，马宏绪，戴洪德.大船甲板变形监测系统中IMU的优化布局[J].计算机测量与控制，2010，18（10）.
关键词：船舶；动态变形测点；优化；变形预报；方法
1船舶动态变形测量方法
船体动态挠曲变形测量是国内外船舶界研究的难点问题。目前常见的方法主要有：自准直平行光管测量法、布拉格光栅测量法、惯性测量匹配法、应变传感器测量法、摄影/摄像测量法和GPS测量法等。其中，摄影/摄像测量法和惯性测量匹配法以原理直观、工程实施难度低等优点得到广泛关注。
1.1摄像测量法
摄像机位置和姿态转移的摄像机测量方法是摄像机和标志相结合形成图像链，将空间中的任意区域进行联系，并利用图像处理与视觉标定算法来测量待测目标并得到测量的基准位子及其变化量的相关信息。像机链摄影的测量可以得到同等 及位姿的传递，例如图1。测量基准与待测目标间从n-1个传递站到S1，S2…，Sn-1，以此来形成像机链，测量基准和第1级传递站之间、相邻传递站之间以及最后1级传递站与待测目标之间须保证存在可见光路。
1.2惯性测量法
惯性测量单元分别在参考点和待测目标点安装惯性测量设备，测量安装点的姿态角或角速度信息，计算两点间的角变形。根据惯性数据处理方法的不同，可分为以下几个方面：
（1）将惯性测量输出比与滤波方法进行比较。在基准点与测量点分别安装一组三轴光纤陀螺和彝族三轴的加速度计量器，分别对该点的姿态角进行计算，两点姿态角所的到的差就是船体的变形较。由于当前所使用的惯性器降准度较差所以会有一定的误差出现呈现出低频振荡的情况；船舶出现动态绕曲变形主要是由于船体的运动、船体的摆动与海水的拍打，与惯性器测量件误差性比绕曲变形量属于高频分量。在进行高通数字滤波器进行设计时可以从惯性测量信息中提取动态的角变量。
（2）卡尔曼滤波估计法。根据船体变形角和两套三轴光纤陀螺输出差值之间的关系，建立状态方程，以陀螺输出角速率差值为观测量建立量测方程，对船体变形角进行估计。假设：船体三维角变形量θ=φ+ξ，其中：φ为静态变形角，ξ为动态挠曲变形角，θ=ξ；基准点光纤陀螺角速率Ω1陀螺漂移D1；待测点光纤陀螺角速率Ω2，陀螺漂移D2。由待测点陀螺坐标系变换到基准点陀螺坐标系的方向余弦阵为B，因船体变形角为小角度，忽略其二阶小量，方向余弦阵B简化为：
式中：状态向量x（t）=[φ，ξ，ξ，D1，D2]T；观测向量z（t）=Ω2-Ω1；W和v分别为系统过程噪声和量测噪声。可以将船体动态变形假设为二阶马尔可夫过程，然后在结合式算式推导出状态的转移矩阵A、过程噪声的矩阵B，根据算式推导出量测的矩阵H。通过上述的卡尔曼滤波模型可以得知，利用陀螺角速率差值的量测值，对船体的变形角θ进行相应的估算。通过以上所描述的两种惯性的测量方法，可以看出输出比对滤波法原理要更加简单、计算量也相对较小，由于数字滤波器所引起的引入会所带来时延问题，因此，可以看出，滤波器的选可以对其产生较大的影响；在使用卡尔曼滤波估计法，就不须要使用加速度计，可以实时的估算出陀螺漂移的位置并对其进行相应的补偿，但是这种方法的计算量相对较大，估算出的效果对于船体动态变形模型的准确性要求较高。
2变形提取方法研究
加板变形可以直接影响到船舶导航的精准度，所以应考虑基座范围内的整体变形情况，由于存在局部变形情况，所以，甲板中心线上的不通相邻节点角度变化也不是连续性的，所以有限元分析可以用来直接提取节点变形角度的数值，但是，此数值不能直接反应出甲板区域的变形情况。因此应对船舶变形的提取方法进行进一步的研究，找寻到其变化的规律，并引入以下假设方法。首先，船舶甲板的结构应具有较好的强度，不会轻易的发生破损、塑性变形以及不稳定的情况；其次，甲板只有在弹性范围内才会发生变化并且会遵循一定的变形连续性的规律；再次，在进行制造的过程中不同的装备基座应使用加筋方式对其进行固定，因此，可以将基座视为刚体并会产生变形的情况，只会随着甲板的板架变化产生小角度的倾斜情况；最后，如果是迎着海浪行驶的船舶甲板时不会存在变形情况的。可以在甲板的中心线上选择三个测量点，其中测点1S所在位置对应节点（Node279315）坐标为（-55m，0m，15.6m），测点2S所在位置对应节点（Node219194）坐标为（-0.5m，0m，15.6m），测点3S所在位置对应节点（Node154518）坐标为（70.5m，0m，15.6m）。如果甲板上与甲板上设备基座连接成矩形区域1P、2P、3P分别以1S、2S、3S单个测点为中心点，并且沿着船长的方向长度均为1.6米，其宽度均为2米。
3船体结构变形预报
在海上实际的海浪是随机的，具有不规则性。海浪还具有一定的随机线性模式，可可以将海浪看着多个频率不相同、方向不相同、振幅变化较强并且相位比较混乱的微幅简谐波叠加所形成的不规则波形。在概率论的基础上可以证明，这种构成的海浪它的波面位移服从至均为零的动态过程，此过程相对平稳并具有一定的各态历经性。为了使所描述的船舶航行波浪環境更加真实，一般会使用经过充分发展的波浪谱来进行表征，波浪谱主要包含波浪能量与波浪总量按照频率分布相关信息。目前，比较常用的博能谱有PM谱、JONSWAP谱等。当前在船舶与海洋工程中使用最广泛的为PM谱。在1964年相关人员根据北大西洋相关资料首先提出了PM谱，但是单数参数谱不能够合理的表征非充分海浪特征。所以，在1969年举办的第12届ITTC推荐双参数PM谱来模拟海浪，成为现今海洋船舶行业内最为大家所知晓的一种波能谱经验表达公式。
结语：
本文针对船舶变形监测点的选取和变形响应预报问题进行分析，计算表明：
（1）利用船舶结构的模态信息，采用有效独立法可以对初步拟定的若干变形监测位置进行筛选，给出优化的布置方案。
（2）结合波浪载荷预报技术和结构有限元分析技术，实现了在设计阶段不同海况下船舶变形响应的预报，可为传感器量程等设备技术参数的选取提供参考。
（3）对比不存在截断问题的仿真方法与模态叠加法，论证了当前所选前4阶模态的数目能够充分反映出关注位置处的变形响应，同时也反映了利用模态叠加法和实时监测的变形信息，验证了对其他未监测位置进行实时预报的可行性。
（4）考虑到实船模态与理论模态可能存在偏差，为降低偏差影响，实测中应根据实际条件尽可能多地布置传感器，传感器的布置位置优化和未监测位置的实时预报依然可以采用本文所提方法。
参考文献：
[1]柳爱利，马宏绪，戴洪德.大船甲板变形监测系统中IMU的优化布局[J].计算机测量与控制，2010，18（10）.