用于监测船舶稳定性的系统和方法 |
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申请号 | CN201480036395.9 | 申请日 | 2014-05-13 | 公开(公告)号 | CN105339256A | 公开(公告)日 | 2016-02-17 |
申请人 | 稳定解决方案股份有限公司; | 发明人 | P·J·尼克尔; | ||||
摘要 | 本公开提供一种自动式 稳定性 系统,所述自动式稳定性系统准确但足够简单以在如渔船的小型 船舶 上实现。它通过整合用于计算所述船舶的固有摇动周期的数字磁 力 计、数字 加速 度计 和数字 陀螺仪 的测量值来提供这种准确而简单的实现,所述船舶的固有摇动周期进而允许计算GM(定倾中心高度)。也可提供GPS以提供时间和速度修正。 | ||||||
权利要求 | 1.一种自动式连续监测船舶的稳定性的方法,所述方法包括: |
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说明书全文 | 用于监测船舶稳定性的系统和方法[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求2013年5月13日提交的题为“System and Method f or Monitoring Stability of a Vessel”的美国临时申请No.61/822,765在美国35 U.S.C§119(e)下的权益,所述申请以引用的方式并入本文中。 技术领域[0003] 本发明涉及用于测量和监测海上船舶稳定性的方法和装置的领域。 背景技术[0004] 稳定性是船舶向一个方向或另一个方向旋转以矫正自身或者倒头的倾向。维持海上船舶的稳定性对于避免船舶倾覆是至关重要的。在船舶失去稳定性并且因此失去矫正自身的能力时,倾覆可能发生。船舶的稳定性的标准测量值是其定倾中心高度或者GM值,所述定倾中心高度或者GM值被限定为船舶的重心G和其定倾中心M之间的距离。安全规则需要最低的定倾中心高度。对于横向的摇摆运动和纵向的俯仰运动,GM被分别地计算。 [0005] 船舶的横摇具有固有频率,所述固有频率类似钟摆由物块的尺寸以及通过其该物块被悬挂在引力场中的摆动臂的长度来确定。GM基本上是那个摆动臂的长度。可根据GM以及船舶环绕通过重心的纵轴的回转半径计算摇动的周期。 [0006] 船舶的定倾中心M在很大程度上被船舶的结构固定。这由船舶的惯性阻力和船舶的体积之间的比率确定。可由下式、根据KM计算从龙骨K到定倾中心M之间的垂直距离: [0007] KM=KB+BM [0008] BM=I/V [0009] 其中KB是从龙骨K到浮力中心B的距离,所述浮力中心B是船体排水的水的体积的中心,BM是从浮力中心B到定倾中心M的距离,I是以米为单位的水线面的面积二阶矩的四次方,并且V是以立方米为单位的排水的体积。 [0010] 船舶的重心G的位置取决于如船员和货物负载和移动、燃油消耗量、船舶外部上结冰、水的吸收等的许多因素而变化。G的位置变化改变船舶的GM值并且因此改变所述船舶的稳定性。如果G移动至高于定倾中心M的点,GM变成负值并且船将不校正自身并处于倾覆的危险之中。因为GM可由于移动的船员和货物、燃油消耗量、结冰等等持续变化,出于安全原因,考虑船舶中的燃料和货物的重量和分布,持续监测和重新计算GM是重要的。 [0011] 能够持续计算船舶的GM的仪器在美国专利No.1,860,345中描述。在那个专利中示出的装置包括用于通过确定陀螺仪的轴承上的最大力来测量船舶的最大摇动速率的陀螺仪、以及用于测量船舶的最大摇动角的摆。所述设备在机械上是复杂的,并且只有在仔细校准的情况下才能有效工作。美国专利No.2,341,563公开用于确定船的定倾中心高度的包括摆的机电式设备。美国专利No.3,982,424也公开用于确定船的定倾中心高度的包括包含悬锤精密陀螺仪的摇动传感器的机电式设备。这些系统对于自动监测和报警不是自动的。 [0012] 美国专利No.4,549,267和No.4,647,928公开用于海上船舶的计算机实现的稳定性系统。前述自动化系统趋于适合于大型远洋船舶并且是复杂且昂贵的。更小的船也需要稳定性系统的安全性,所以存在对可在如渔船的小型船舶上实现的廉价且简单的系统的需要。 发明内容[0014] 结合示例性和说明性而非限制范围的系统、工具和方法来描述和说明下面的实施方式及其各个方面。在各种实施方式中,上文描述的问题中的一个或多个已经被减少或消除,而其他的实施方式涉及其他的改进。 [0015] 所述实施方式因此提供准确但足够简单以在如渔船的小型船舶上实现的自动化稳定性系统。它通过结合数字磁力计、数字加速度计和数字陀螺仪的测量值来提供这些。此外,可提供GPS以提供时间和速度修正。 [0016] 除上文描述的示例性方面和实施方式外,其他方面和实施方式通过参考附图及研究以下详述将变得清楚。 附图说明[0017] 在附图的参照的图示中说明示例性实施方式。本文公开的实施方式和各个图旨在被视为说明性的而非限制性的。 [0018] 图1为设置有本发明的系统的船舶的示意图。 [0019] 图2为示出用于摇动测试和动态稳定性监测的自相关的过程的流程图。 [0020] 图3为示出使用用于摇动测试和动态稳定性监测的Welch法的快速傅里叶变换过程的流程图。 [0021] 图4为示出用于平均斜度实验脚本的过程的流程图。 [0022] 图5为示出用于最大摇动角值的过程的流程图。 [0023] 图6为示出用于根据摇动周期来计算GM(定倾中心高度)的过程的流程图。 [0024] 图7为示出用于电源管理过程的流程图。 具体实施方式[0025] 在下述整个描述中,阐述了许多具体细节,以向本领域技术人员提供透彻了解。然而,可能没有示出或详细描述众所周知的元件,以免不必要地使本公开变得模糊。因此,本描述和附图应视为说明性的,而非限制性的。 [0026] 所述实施方式可包含便携式计算设备,以将物流船舶信息同步至联网的计算机基础结构。可提供使用无线网络的嵌入式传感器网络、蜂窝以及卫星RF通信的组合。这些网络技术允许自动交换关于船舶、货物和环境情况的数据。 [0027] 参看图1,漂浮在带有吃水线14的水体12上的船舶10具有船体16、龙骨K、重心G、定倾中心M和浮力中心B。主传感器是提供惯性测量的惯性测量单元(IMU)20。全球定位系统/全球导航卫星系统(GPS/GNSS)接收器24提供定位数据。多个附加传感器设备26可被提供用于感测/提供关于燃料、压载物和货物稳定性的附加信息,并且处理器28实施所述系统需要的计算。处理器28具有数据存储器30。也可提供可视或可听的报警器(未示出)。 [0028] IMU 20优选是10DOF IMU,所述10DOF IMU包含四个集成多轴传感器:I)三轴数字加速度计、ii)三轴数字陀螺仪、iii)三轴数字磁力计和iv)大气压传感器。这提供10度的惯性测量。在这些设备中使用的一些典型芯片组为:ADXL345数据表;L3G4200D数据表;HMC5883L数据表和BMP085数据表。符合形状因数并在它们的芯片组中使用这些或类似的芯片的任意10DOF传感器将在所述系统中起作用。 [0029] 处理器28优选是具有至少64M RAM或更多的cpu。GPS/GNSS设备24优选为包括TM集成芯片天线的用于提供独立定位的u-blox GPS/GNSS天线模块。带有嵌入式GPS天线的u-blox UP501 GPS接收器模块启用导航和位置数据。GPS数据也用于提供数据上的密封且自主的时间戳。这被用于安全性和正当性并且防止篡改。 [0030] 为了将传感器信息传达至处理器28,使用电池驱动的无线智能路由器22。这可以是带有合适的规格和兼容性的任意智能USB路由器。优选的是Comfast:具有50m-200m无线范围和USB接口的CF-WU710N。智能路由器22还可将本地移动设备或计算机网络连接至全球监测系统。用于感测/提供关于燃料、压载物和货物稳定性的附加信息的设备26可包括雷达传感器以及用于测量温度、湿度、应变力和背景辐射水平的其他的由用户限定的变换器。 [0031] 来自所述传感器的数据输入因此包括:GPS位置记录、惯性运动、温度、湿度、应变力和背景辐射水平。映射系统可自动聚集多个船舶的传感器数据和导航历史。此外,此类系统可被独立使用或者与自动式导航或警报通知系统结合使用。 [0033] 所述系统扩展报警器的概念,以通知本地和远程的操作员异常的船舶操作和/或情况。例如,这些警报状态可报告超过船舶的规定容量、指示操作异常,或者一般的安全警报状态。 [0034] 监测设备可以可选地包括用于确保不间断操作的便携式独立电源。所述设备还通过本地的有线或无线网络分享信息,并且自动地选择相关的信息以与中央服务部交换。 [0035] 在IMU 20中的磁力计用于提供空间中的绝对矢量。陀螺仪漂移由这个矢量补偿。所述磁力计可能不能足够快地采样(10Hz)以防止来自更高频率谐波的折叠。它因此允许以8kHz的过度采样,同时在进入样本集之前过滤光谱的更高部分。加速度计独立于磁偏角操作,并且因此还可通过三维空间中真实姿态的加权估计来协助补偿平移位移。 [0036] 使用光谱分析和统计方法来分析所述定向运动以确定优势次声波长。这个信息在理想的情况下被递增地采样至船舶的校准的数字模型中以分辨安全限界。这信息与自动式事件触发阈值相比较以在本地网络发布警告警报,并且在无线通信网络上转发自动式管理通知。 [0037] GPS设备24具有两个功能:作为对于船速度的修正因数以及修正时钟漂移。在一组事件中全球地同步船队信息需要每个机器分享近乎完美的近似的相同时间。因此,假设所有机器分享相同的网络时间源,可使用GPS接收器的时间同步来持续地修正时钟漂移,而不用必须通过不稳定的网络源连续地近似所述时间。姿态估计样本在这个子第二采样间隔内被严格地排序,并且通过跟踪固定的延迟间隔,所述系统自动修正以紧密匹配真实的时间而不是多任务环境的时间估计。此外,GPS位置信息可被离线用来重建增量位置变化,并且通过了解近似的速度矢量来协助传感器系统对于运动的估计。在每个传感器的采样窗口内修正不均匀的样本间隔允许经由内插方法重建并发事件以建立固定的间隔样本。因此,使得类似顺序蒙特卡罗的标准姿态分析方法更精确,并且派生的光谱分析噪声被减弱。因此,船舶上的扭转应变的分析可以完成,否则在不能够及时准确地交叉比较同一个时刻处于不同位置的多个姿态估计的情况下,所述分析将是困难的。 [0038] 参看图2,这个流程图示出由处理器28实施的第一步骤,即,摇动测试和动态监测的自相关。数据库32被加载并且向其查询来自惯性测量单元(IMU)20的传感器数据。内插程序被用于使用如在图3中解释的现有算法来处理所述数据并且准备其用于自相关。来自IMU20的数据用于计算固有摇动频率。所返回的结果是固有频率或者无应答。重复这个过程直到固有频率是已知的。 [0039] 参考图3,使用Welch法的快速傅里叶变换(FFT)用于在图2中示出的摇动测试和动态稳定性测量信号。数据库30被加载并且向其查询来自IMU 20的传感器数据。内插程序用于处理所述数据并且准备其用于傅里叶变换。采样频率被用来作为Welch法程序的输入。利用Welch法的程序用于处理FFT。所返回的结果是固有频率或者无应答。如上文所提及的,重复这个过程直到固有频率是已知的。 [0040] 参考图4,也可计算平均斜度实验脚本。所述数据库被加载并且向其查询来自IMU20的传感器数据。所述数据被传递到求平均程序,所述求平均程序返回船舶斜度的平均值。 这个斜度实验可用于确定从龙骨K到重心G的长度。 [0041] 参考图5,也可计算最大摇动角值。数据库30被加载并且向其查询来自IMU 20的传感器数据,以确定最大允许的摇动角是否已经被超过。所述数据库元件随后与最大警报值相比较。警报开(ON)或关(Off)的结果被返回,并且这个警报状态的布尔值被记录在所述数据库中。所述数据库随后被作用于警报状态值的其他程序所查询。 [0042] 参考图6,根据摇动周期计算GM(定倾中心高度)。可以以已知的计算从固有频率导出固有摇动周期。使用根据来自图2、3的固有频率获取的仪器计算的固有摇动周期和用于船舶的登记的回转半径以及特定船舶的GM常数,所述GM程序计算当前的GM值。回转半径对于给定的船舶来说是唯一的并且从由造船技师所准备的流体静力学曲线导出。所述GM常数对于一种类型的船舶来说是唯一的,并且根据Principles of Naval Architecture(第78页),对于表面船舶所述GM常数为0.8,其中单位是公制的。所述GM随后被计算如下: [0043] GM=(GM常数*回转半径/固有摇动周期)2 [0044] 由处理器28所计算的以下状态将产生警报信号,无论所述警报信号为可听的或可视的或两者: [0045] 1 大角度摇动 [0046] 2 小GM [0047] 3 大加速度 [0048] 4 突然的湿度变化 [0049] 5 未授权供电周期 [0050] 6 列表-静态 [0051] 7 列表-动态 [0052] 8 一般失灵 [0053] 9 CPU故障 [0055] 11 光子检测器 [0056] 12 其他用户专用的警报 [0057] 在IMU 20中的加速度计还可检测可致使处理器28产生警报信号的冲击。 [0058] 所述系统具有可选的功能,所述功能可包括:i)电池操作的智能路由器,其将本地移动设备或计算机网络连接至全球监测系统并且ii)其中继关于导向和遥测、GPS、天气、背景辐射、温度和湿度的信息;iii)独立电源管理系统,该独立电源管理系统具有柴油电力混合发动机管理和自主导向系统,具有从雷达和声纳动态更新的安全信息;iv)用于保险公司的船队管理和跟踪,中继实时使用情况和位置信息;v)具有内部防干扰时间代码的防干扰数据收集和管理;vi)独立和防干扰AIS系统(自动识别系统)信息和管理;vii)与经由移动连接网络被中继至中央位置的燃料、压载物以及货物稳定性有关的附加信息;viii)具有充电管理系统的独立备用电源系统,用于对在部署其的船舶上或附近发生的事故进行长期诊断监测和取证恢复;ix)用于警告船舶拥有者或操作员电源故障、燃料状态等的全系统电力监视器;x)安全中继,其监测经由移动设备或连接的计算机通过可编程设备网络或者监测系统控制的次级可编程逻辑设备被中继的关于船员和/或货物的信息; xi)与PLD(可编程逻辑设备)人机界面系统整合,所述人机界面系统将状态信息从所述设备中继到在现有平台上的操作员,同时将安全连接性和报告隧道提供到中央机构;xii)安全工具,所述安全工具用于监测资产的位置,同时提供远程禁止和/或启用响应系统来减轻问题的能力;xiii)具有警报状态的预测范围路径规划,以通知操作员可能事件(如由于燃料问题的触礁);天气警告系统、火灾警告系统、操作员不活动、计划偏离,未授权登船(如海盗)的接近;xiv)与电网和海洋装备通信基础结构、雷达基础结构、潜水器和表面船舶的整合;xv)监测异常钻探活动、机械噪声、地震活动、细化和库存控制、计数信息等的平台;xvi)经由远程链接的所述子系统的控制;信息交换,更新和操作员通知;xvii)协议转换和网络协议适配;xviii)系统监测,安全审核和监测,工作负荷监测,电力系统监测和控制,与太阳风、石油化工和核动力系统、空气质量监测系统、大气监测系统、爆炸气体监测系统、毒性化学物质监测系统、医疗检测系统(如血糖水平、氧水平、诊断装备)的整合;xix)牵引绳索监测系统,张力诊断监测系统,腐蚀监测系统,应力监测系统,疲劳、裂缝破裂和泄露监测系统。 [0059] 所述系统具有其他可选特征,所述特征可包括:xx)社交网络整合,如将公共信息TM报告至全球网络(如Twitter );xxi)移动电话整合,如对转接站或无线连接性,不必须是网络;xxii)全球支付和订阅管理,以及账务整合,关于燃料消耗和成本优化航程的账户; xxiii)惰性气体氛围监测,大气气体监测(如低温系统);xxiv)界面和无头(headless)操作(“无头”是指没有屏幕);xxv)声音的文本到语音以及远程操作员通信;xxvi)光学系统接口;xxvii)声学接口系统;xxviii)基于雷达的接口;xxix)气动和液压系统接口;xxx)盐度和浮力监测,水温监测。 [0060] 供电过程 [0061] 优选地,所述电源接受较大范围的DC和AC电压电源输入(从9v-48v DC,高达110v AC),不考虑输入极性。用于多个传感器和辅助负载的电力整流、调整和分布;并且还提供带有过滤以防止噪声馈送返回到供应系统的内置噪声抑制。本发明包括计算机控制的逐步减低转换部(step down conversion),该逐步减低转换部包括带有热防护的系统控制和监测算法并且利用当前限制程序来进行关断。 [0062] 欠电压保护装置可以是经由肖特基二极管。有效的环芯变压器可供应第二级降压转换,用于传递电力至处理器。这将它带到3.3v,用于低电压高速度逻辑控制和传感器。也可提供用于次级电压转换器的旁路保护二极管。电力变换和调整因此准备分布至辅助部件,所述辅助部件不限于处理器、IMU、GPS、湿度和温度等。 [0064] 可提供以类似于涓流充电设备的方式起作用的微处理器控制的充电管理系统,所述微处理器控制的充电管理系统提供具有瞬时切换的备用电池保护,用于具有用于电力水平监测的独立式监督微处理器的所述系统的持续操作。这可包括电池放电限制以确保复苏和数据恢复,并且提供有序的关断程序,以确保数据存储并且防止系统掉电(brown out)。它触发经由串行通信端口传输的系统状态信息以警告电源断开或故障。如果存在短路,所述电池经由二极管保护的非闭锁继电器被隔离,所述非闭锁继电器的故障模式被正常打开以确保总体系统安全。这提供全系统电力监视器以警告船舶拥有者和操作员电源故障、燃料状态等。 [0065] 电源管理 [0066] 参考图7,所述系统可包含可接受具有内置电池充电的范围广且种类多的DC和AC输入的降压转换器。当所述监测电路感测到主电源降到低于最小电压阈值时,所述电池通过切换至调节器的输入来接管所述系统的电力供应。在船上的监督电路监测总体电源管理。如果所述电源被切断并且所述监督电路确定它已经断电持续超过所允许的时长(通常大约为5分钟)并且所感测的电压小于最低阈值电压,那么主机系统被通知开始着手有序地关断所述设备,以确保系统完整性而不会掉电,因为所述监督系统需要清洁电源。所述系统被通知并且被发送供电周期的无线通知。所述监督电路具有盖革计数器(Geiger counter),应变仪以及执行后板监测的湿度和光子传感器。如果监视计时器感测到系统是无响应的,所述系统自身重置。 [0067] 尽管无线通信系统已经被描述用于将传感器测量值传达至处理器28,此类通信也可以是有线的。尽管来自各种传感器的所述测量值优选是连续性的,通信网络的实际限制可能需要此类通信的此类测量和/或通信是周期性的。术语“连续性的”旨在涵盖用于实际连续目的此类周期性测量。 [0068] 尽管多个示例性方面和实施方式已经在上文被讨论,本领域技术人员将认识到特定的修改、排列、添加以及它们的子组合。因此下述的所附权利要求以及今后引入的权利要求旨在被解释成包括如在它们真实范围内的所有此类修改、排列、添加以及子组合。 |