摘要：海洋平臺長期服役在惡劣的海洋環(huán)境里，特別是進(jìn)入中后期服役階段，其安全問題越來越成為制約海洋平臺正常作業(yè)的重要因素，對海洋平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、便捷、實(shí)時動態(tài)檢測是進(jìn)行平臺結(jié)構(gòu)安全評估、維修決策、保障海洋平臺正常使用的重要前提。文章介紹了一種用于海洋平臺快速振動檢測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分析了系統(tǒng)中加速度傳感器的選取方法，完成了無線傳感節(jié)點(diǎn)的原理及架構(gòu)設(shè)計(jì)，最后通過在海洋平臺結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行模擬海冰撞擊的敲擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)在海洋平臺結(jié)構(gòu)振動檢測中的應(yīng)用可行性。
關(guān)鍵詞：海洋平臺；安全評估；振動檢測；無線傳感器；加速度傳感器

0 引言
    近年來，隨著對海洋油氣資源開發(fā)的不斷深入，海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性問題越來越引起人們的重視。海洋平臺長時間在惡劣的海洋環(huán)境中服役，受到環(huán)境侵蝕、材料老化和海浪、臺風(fēng)、海冰撞擊、海洋生物等各種荷載的長期作用而使其產(chǎn)生疲勞效應(yīng)和損傷積累，導(dǎo)致抗力衰減。海洋平臺抵抗自然災(zāi)害、甚至在正常環(huán)境中的工作能力下降，極端情況下極易引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。如不能對海洋平臺結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和健康狀況做出及時的檢測和正確的評價，一旦發(fā)生事故，將會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，污染海洋環(huán)境，造成不好的社會政治影響。
    海洋平臺結(jié)構(gòu)在服役期間損傷不可避免，只有準(zhǔn)確診斷出結(jié)構(gòu)的損傷情況，并及時地進(jìn)行修繕，才能確保人員的生命安全和減少財產(chǎn)損失。海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用在保障海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全、可靠運(yùn)行，延長平臺結(jié)構(gòu)的使用壽命等方面具有重大意義。

1 海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀
    因海洋平臺結(jié)構(gòu)造價昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其服役期間不能中斷使用，故對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測、評估其安全與可靠性，就必須采用微損或無損檢測技術(shù)。無損檢測技術(shù)是在物理學(xué)、材料科學(xué)、斷裂力學(xué)、機(jī)械工程、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能等學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門應(yīng)用工程技術(shù)。目前常規(guī)的檢測技術(shù)主要有目測、磁粉檢測、超聲波檢測、射線檢測、滲透檢測、磁膜檢測以及進(jìn)水構(gòu)件檢測等方法，表1列舉了常用的幾種結(jié)構(gòu)檢測方法。

    表1所列的各種檢測技術(shù)雖各有其獨(dú)特的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，但都存在一個共同的局限性，或不能用于水下檢測，或不能同時檢測裂縫的深度和長度，或測試儀器造價昂貴，需要受過專業(yè)培訓(xùn)的人員才能操作，故在海洋平臺的大規(guī)模檢測中都不適用。
    與上述方法相比，基于振動的海洋平臺無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)則具有簡單、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式系統(tǒng)，通常由傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和用戶端節(jié)點(diǎn)等組成。傳感節(jié)點(diǎn)集成有傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元及電源管理單元等，它們可以大量隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域，并可無線自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種檢測技術(shù)的基本原理是：首先實(shí)測到結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用參數(shù)識別技術(shù)判定結(jié)構(gòu)動力參數(shù)的變化，再據(jù)此判定結(jié)構(gòu)有無損傷以及損傷的位置和程度。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)設(shè)計(jì)
2．1 無線低頻振動檢測系統(tǒng)的總體架構(gòu)
    無線低頻振動檢測系統(tǒng)實(shí)際上是把現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在海洋平臺結(jié)構(gòu)低頻振動檢測領(lǐng)域，就是把傳統(tǒng)的振動檢測傳感器與數(shù)據(jù)采集中心的有線連接改用無線通信的方式實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到快速、便攜式低頻振動檢測的目的。它由放置在海洋平臺結(jié)構(gòu)上的無線傳感采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成低頻振動信號數(shù)據(jù)采集部分，采集節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集中心的無線通信模塊之間的通信協(xié)議構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸部分，無線數(shù)據(jù)采集中心構(gòu)成數(shù)據(jù)處理部分。圖1所示是無線低頻振動檢測系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

    研究選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個構(gòu)架由一個數(shù)據(jù)采集中心和多個無線傳感采集節(jié)點(diǎn)組成。每個無線傳感采集節(jié)點(diǎn)具有8個16位精度的AD通道，用于采集力平衡加速度傳感器的加速度振動信號；無線傳感采集節(jié)點(diǎn)主要完成對平臺在各類荷載作用下的振動數(shù)據(jù)采集、初步分析、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)無線收發(fā)等功能，主要由振動傳感單元、嵌入式低功耗處理器(包括8通道16位ADC+大容量存儲)、無線收發(fā)單元、高容量電源單元等組成。數(shù)據(jù)采集中心主要完成對多個無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的協(xié)同控制、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)識別等功能，由高性能計(jì)算單元(PC機(jī))、無線通信模塊、移動電源以及與數(shù)據(jù)采集分析相應(yīng)的嵌入式軟件構(gòu)成：數(shù)據(jù)以2．4 GHz的通用無線信道進(jìn)行傳輸，分為數(shù)據(jù)信道與控制信道，每條數(shù)據(jù)信道獨(dú)立占用一個頻點(diǎn)，控制信道公用一個頻點(diǎn)。數(shù)據(jù)信道負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的傳輸，控制信道負(fù)責(zé)完成各傳感采集節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置。
2．2 低頻振動傳感器的選擇
2．2．1 海洋平臺結(jié)構(gòu)振動特性
    海洋平臺結(jié)構(gòu)長期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，受到海風(fēng)、波浪、海冰、船舶以及海洋生物等作用，會產(chǎn)生各種形式的振動。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，這些振動多屬于低頻振動(一般地說，0．1～10 Hz的振動被稱為低頻振動)，因此，海洋平臺結(jié)構(gòu)是一類具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的低頻結(jié)構(gòu)物。
    海洋平臺的受力情況可以劃分為自由振動和受迫振動。海洋平臺振動時受到的力主要有彈性恢復(fù)力、振動慣性力、阻止振動的阻尼力以及引起振動的干擾力等。自由振動是以海洋平臺結(jié)構(gòu)的固有頻率振動的，可以用于檢測平臺結(jié)構(gòu)的自身頻率的變化。受迫振動是指受經(jīng)常性或持續(xù)干擾力作用的海洋平臺振動，受迫振動以干擾力的頻率為振動頻率，可用于測量結(jié)構(gòu)的受力情況等。
    海洋平臺的振動情況是隨機(jī)的，對其進(jìn)行低頻振動檢測目前應(yīng)用最多的振動檢測儀器是低頻加速度計(jì)，也即低頻加速度傳感器。對加速度傳感器的分析選取是檢測技術(shù)的關(guān)鍵，直接關(guān)系到測量的精度與準(zhǔn)確性。
2．2．2 低頻振動傳感器的選擇
    目前，應(yīng)用在結(jié)構(gòu)振動檢測領(lǐng)域的測振傳感器主要是加速度傳感器。加速度傳感器是指可以把加速度這一物理量轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的測試儀器，它是工業(yè)、國防等許多領(lǐng)域中進(jìn)行沖擊、振動測量常用的測試儀器。目前，常用的加速度傳感器主要有機(jī)械傳感器、MEMS加速度傳感器、壓電加速度傳感器、力平衡加速度傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器等。低頻振動檢測屬于弱信號檢測范疇，對加速度傳感器的低頻特性、靈敏度要求較高。
    MEMS加速度傳感器是采用獨(dú)立的芯片式結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，它具有較好的靈敏度、線性動態(tài)范圍和穩(wěn)定性，但是一味地追求小型化導(dǎo)致其精度變差，在精度要求不高的振動測試中應(yīng)用廣泛；壓電加速度傳感器采用壓電晶體制備，具有工作頻帶寬、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)要求設(shè)定精度，但造價昂貴；力平衡加速度傳感器通過測量振動位移求取振動加速度，具有動態(tài)范圍廣、頻響范圍寬、低頻效應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，造價適中，能夠滿足低頻振動檢測對傳感器的需求?；诖耍驹O(shè)計(jì)選用力平衡加速度傳感器來作為低頻振動信號的拾取單元。
2．3 無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的原理設(shè)計(jì)
    無線傳感采集節(jié)點(diǎn)是無線低頻振動檢測系統(tǒng)的重要組成部分，采用模塊化設(shè)計(jì)方式，主要包括超低頻加速度傳感器、傳感器接口單元、微處理器、無線模塊、存儲器、電源管理等幾個模塊。各模塊的組成框圖如圖2所示。

    無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)主要完成對平臺在各類荷載作用下的振動數(shù)據(jù)采集、初步分析、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)無線收發(fā)等功能。主要完成的功能：一是提供8通道16位ADC通道，完成力平衡加速度傳感器模擬量輸入的采集和處理；二是超低功耗處理單元，可在低功耗下實(shí)現(xiàn)對各傳感器、各單元電路、各接口的控制；三是大容量存儲器系統(tǒng)，主要提供采集數(shù)據(jù)的存儲；四是與數(shù)據(jù)采集中心的無線通信接口，用于提供采集數(shù)據(jù)的傳輸、命令的設(shè)定；五是電源系統(tǒng)，可保障各傳感器件、各單元電路的穩(wěn)定可靠的電源供給。
2．4 無線數(shù)據(jù)采集中心架構(gòu)設(shè)計(jì)
    無線數(shù)據(jù)采集中心是無線低頻振動檢測系統(tǒng)的核心，主要完成對各無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的端口配置、初始化設(shè)定、采集指令的發(fā)送、振動數(shù)據(jù)包的接收、振動數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、存儲、時頻分析等功能。該部分采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，主要由無線模塊(數(shù)據(jù)信道、控制信道)、串口服務(wù)器、計(jì)算機(jī)單元(PC機(jī))及其嵌入式采集軟件構(gòu)成，圖3所示是無線數(shù)據(jù)采集中心模塊的結(jié)構(gòu)框圖。

    無線模塊用于實(shí)現(xiàn)與無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的無限交互，由8個無線接收模塊和1個無線控制模塊組成，分為8個數(shù)據(jù)信道和1個控制信道。無線接收模塊對應(yīng)各自的無線傳感采集節(jié)點(diǎn)，用于接收其振動數(shù)據(jù)包：無線控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對各無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的控制功能。串口服務(wù)器是無線模塊與計(jì)算機(jī)單元(PC機(jī))通訊的中介，把通過串口形式接收的振動數(shù)據(jù)通過USB的方式傳送到計(jì)算機(jī)單元中。計(jì)算機(jī)單元是無線振動檢測系統(tǒng)的中心，在計(jì)算機(jī)單元上嵌入智能控制采集軟件可以實(shí)現(xiàn)對無線傳感采集節(jié)點(diǎn)的控制，并完成對采集到的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理等功能。

3 海洋平臺結(jié)構(gòu)模型振動測試試驗(yàn)
3．1 試驗(yàn)方案
    海洋平臺結(jié)構(gòu)在海上服役期間會受到各種荷載對其造成的影響，但對其結(jié)構(gòu)造成傷害最大、影響最為嚴(yán)重的主要是海冰的撞擊與臺風(fēng)的侵襲。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的無線振動檢測系統(tǒng)能夠應(yīng)用在海洋平臺結(jié)構(gòu)的振動檢測當(dāng)中，可在海洋平臺結(jié)構(gòu)的模型上進(jìn)行模擬海冰撞擊的敲擊試驗(yàn)。試驗(yàn)的海洋平臺結(jié)構(gòu)模型與真實(shí)的海洋平臺結(jié)構(gòu)具有相似性，其結(jié)構(gòu)固有頻率、高度、強(qiáng)度等方面均與真實(shí)的海洋平臺結(jié)構(gòu)有一定的相似比。
    試驗(yàn)前，應(yīng)將力平衡加速度傳感器布設(shè)在平臺結(jié)構(gòu)模型的平臺兩個對角線處，并緊緊地固定好。運(yùn)用無線低頻振動檢測系統(tǒng)進(jìn)行振動數(shù)據(jù)的采集與測試分析。平臺敲擊試驗(yàn)使用重錘在與水平力平衡加速度傳感器的相同方向上進(jìn)行敲擊，模擬海冰撞擊，采集振動加速度信號。海洋平臺結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元仿真模型與真實(shí)的海洋平臺結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

    無線數(shù)據(jù)采集中心在采集到振動數(shù)據(jù)后，可對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出并運(yùn)用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)的時域與頻域分析，從而得到結(jié)構(gòu)的振動頻率。敲擊后平臺模型做有阻尼的自由振動，振動頻率即為平臺模型的固有頻率，從中得出平臺模型的一階與二階固有頻率。平臺模型在受到損傷時，其振動的一階與二階固有頻率將會發(fā)生變化。平臺模型浪涌試驗(yàn)的振動頻率為液壓振動臺設(shè)定的頻率，此時平臺模型做的是有阻尼的受迫振動。
3．2 平臺敲擊作用下響應(yīng)數(shù)據(jù)分析
    對平臺模型進(jìn)行重錘敲擊試驗(yàn)后，平臺模型做有阻尼的自由振動，對其進(jìn)行頻域分析，可以得出結(jié)構(gòu)的一階與二階固有頻率。為了盡量減小隨機(jī)誤差對平臺振動固有頻率的影響，對平臺敲擊試驗(yàn)時，本文采集了3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對這三種工況的時域與頻域分析圖如圖5所示。

    從圖中可以看出，其時域顯示的是有阻尼的振動波形，頻域顯示為一階與二階頻率。三種工況條件下的頻率誤差如表3所列。

    根據(jù)上述時域和頻域波形圖及頻率誤差表可見，平臺模型的一階頻率在6 Hz左右，二階頻率在9．43 Hz左右，說明無線振動檢測系統(tǒng)能夠很好地反映平臺模型的振動情況，具有較好的精度與準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語
    本文針對海洋平臺低頻結(jié)構(gòu)的振動檢測，并結(jié)合無線傳感器系統(tǒng)技術(shù)，給出了一種無線低頻振動檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)集成了低頻加速度傳感器、無線傳感節(jié)點(diǎn)、基站等裝置，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該檢測系統(tǒng)應(yīng)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測中的可行性，所開發(fā)的無線傳感節(jié)點(diǎn)具有低功耗、無需布線、可超低頻測量的優(yōu)點(diǎn)，本文的檢測系統(tǒng)技術(shù)為海洋平臺結(jié)構(gòu)的檢測提供了一種新的方法和思路。
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)剛剛興起，特別是將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測也正處于起步階段，開展基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的海洋平臺結(jié)構(gòu)健康檢測研究，無疑具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。隨著海洋石油資源的不斷開發(fā)，海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的發(fā)展將會非常迅速，立足于對現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)檢測方法和手段的綜合分析和驗(yàn)證，從檢測技術(shù)方法、工藝過程控制、檢測記錄的采集與保存以及提高檢測結(jié)果的可靠性等若千方面所進(jìn)行的研究和改進(jìn)，必將成為現(xiàn)役海洋平臺結(jié)構(gòu)物檢測評估的研究熱點(diǎn)。