用于監(jiān)測(cè)船舶穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于監(jiān)測(cè)船舶穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013 年 5 月 13 日提交的題為“System and Method f or MonitoringStability of a Vessel” 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng) No. 61/822，765 在美國(guó) 35 U. S. C § 119(e)下的權(quán)益，所述申請(qǐng)以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及用于測(cè)量和監(jiān)測(cè)海上船舶穩(wěn)定性的方法和裝置的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0004]穩(wěn)定性是船舶向一個(gè)方向或另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)以矯正自身或者倒頭的傾向。維持海上船舶的穩(wěn)定性對(duì)于避免船舶傾覆是至關(guān)重要的。在船舶失去穩(wěn)定性并且因此失去矯正自身的能力時(shí)，傾覆可能發(fā)生。船舶的穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值是其定傾中心高度或者GM值，所述定傾中心高度或者GM值被限定為船舶的重心G和其定傾中心Μ之間的距離。安全規(guī)則需要最低的定傾中心高度。對(duì)于橫向的搖擺運(yùn)動(dòng)和縱向的俯仰運(yùn)動(dòng)，GM被分別地計(jì)算。
[0005]船舶的橫搖具有固有頻率，所述固有頻率類(lèi)似鐘擺由物塊的尺寸以及通過(guò)其該物塊被懸掛在引力場(chǎng)中的擺動(dòng)臂的長(zhǎng)度來(lái)確定。GM基本上是那個(gè)擺動(dòng)臂的長(zhǎng)度。可根據(jù)GM以及船舶環(huán)繞通過(guò)重心的縱軸的回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算搖動(dòng)的周期。
[0006]船舶的定傾中心Μ在很大程度上被船舶的結(jié)構(gòu)固定。這由船舶的慣性阻力和船舶的體積之間的比率確定?？捎上率健⒏鶕?jù)ΚΜ計(jì)算從龍骨Κ到定傾中心Μ之間的垂直距離：
[0007]KM = ΚΒ+ΒΜ
[0008]BM = I/V
[0009]其中ΚΒ是從龍骨Κ到浮力中心Β的距離，所述浮力中心Β是船體排水的水的體積的中心，ΒΜ是從浮力中心Β到定傾中心Μ的距離，I是以米為單位的水線(xiàn)面的面積二階矩的四次方，并且V是以立方米為單位的排水的體積。
[0010]船舶的重心G的位置取決于如船員和貨物負(fù)載和移動(dòng)、燃油消耗量、船舶外部上結(jié)冰、水的吸收等的許多因素而變化。G的位置變化改變船舶的GM值并且因此改變所述船舶的穩(wěn)定性。如果G移動(dòng)至高于定傾中心Μ的點(diǎn)，GM變成負(fù)值并且船將不校正自身并處于傾覆的危險(xiǎn)之中。因?yàn)镚M可由于移動(dòng)的船員和貨物、燃油消耗量、結(jié)冰等等持續(xù)變化，出于安全原因，考慮船舶中的燃料和貨物的重量和分布，持續(xù)監(jiān)測(cè)和重新計(jì)算GM是重要的。
[0011]能夠持續(xù)計(jì)算船舶的GM的儀器在美國(guó)專(zhuān)利No. 1，860, 345中描述。在那個(gè)專(zhuān)利中示出的裝置包括用于通過(guò)確定陀螺儀的軸承上的最大力來(lái)測(cè)量船舶的最大搖動(dòng)速率的陀螺儀、以及用于測(cè)量船舶的最大搖動(dòng)角的擺。所述設(shè)備在機(jī)械上是復(fù)雜的，并且只有在仔細(xì)校準(zhǔn)的情況下才能有效工作。美國(guó)專(zhuān)利No. 2，341，563公開(kāi)用于確定船的定傾中心高度的包括擺的機(jī)電式設(shè)備。美國(guó)專(zhuān)利No. 3，982，424也公開(kāi)用于確定船的定傾中心高度的包括包含懸錘精密陀螺儀的搖動(dòng)傳感器的機(jī)電式設(shè)備。這些系統(tǒng)對(duì)于自動(dòng)監(jiān)測(cè)和報(bào)警不是自動(dòng)的。
[0012]美國(guó)專(zhuān)利No. 4，549，267和No. 4，647，928公開(kāi)用于海上船舶的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性系統(tǒng)。前述自動(dòng)化系統(tǒng)趨于適合于大型遠(yuǎn)洋船舶并且是復(fù)雜且昂貴的。更小的船也需要穩(wěn)定性系統(tǒng)的安全性，所以存在對(duì)可在如漁船的小型船舶上實(shí)現(xiàn)的廉價(jià)且簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的需要。
[0013]相關(guān)技術(shù)的前述實(shí)例和與此相關(guān)的局限性旨在為說(shuō)明性的且非排他性的。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，通過(guò)閱讀說(shuō)明書(shū)和研究附圖，將清楚了解相關(guān)技術(shù)的其他限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]結(jié)合示例性和說(shuō)明性而非限制范圍的系統(tǒng)、工具和方法來(lái)描述和說(shuō)明下面的實(shí)施方式及其各個(gè)方面。在各種實(shí)施方式中，上文描述的問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)被減少或消除，而其他的實(shí)施方式涉及其他的改進(jìn)。
[0015]所述實(shí)施方式因此提供準(zhǔn)確但足夠簡(jiǎn)單以在如漁船的小型船舶上實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化穩(wěn)定性系統(tǒng)。它通過(guò)結(jié)合數(shù)字磁力計(jì)、數(shù)字加速度計(jì)和數(shù)字陀螺儀的測(cè)量值來(lái)提供這些。此夕卜，可提供GPS以提供時(shí)間和速度修正。
[0016]除上文描述的示例性方面和實(shí)施方式外，其他方面和實(shí)施方式通過(guò)參考附圖及研究以下詳述將變得清楚。
【附圖說(shuō)明】
[0017]在附圖的參照的圖示中說(shuō)明示例性實(shí)施方式。本文公開(kāi)的實(shí)施方式和各個(gè)圖旨在被視為說(shuō)明性的而非限制性的。
[0018]圖1為設(shè)置有本發(fā)明的系統(tǒng)的船舶的示意圖。
[0019]圖2為示出用于搖動(dòng)測(cè)試和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的自相關(guān)的過(guò)程的流程圖。
[0020]圖3為示出使用用于搖動(dòng)測(cè)試和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的Welch法的快速傅里葉變換過(guò)程的流程圖。
[0021]圖4為示出用于平均斜度實(shí)驗(yàn)?zāi)_本的過(guò)程的流程圖。
[0022]圖5為示出用于最大搖動(dòng)角值的過(guò)程的流程圖。
[0023]圖6為示出用于根據(jù)搖動(dòng)周期來(lái)計(jì)算GM(定傾中心高度)的過(guò)程的流程圖。
[0024]圖7為示出用于電源管理過(guò)程的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]在下述整個(gè)描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供透徹了解。然而，可能沒(méi)有示出或詳細(xì)描述眾所周知的元件，以免不必要地使本公開(kāi)變得模糊。因此，本描述和附圖應(yīng)視為說(shuō)明性的，而非限制性的。
[0026]所述實(shí)施方式可包含便攜式計(jì)算設(shè)備，以將物流船舶信息同步至聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。可提供使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)、蜂窩以及衛(wèi)星RF通信的組合。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)允許自動(dòng)交換關(guān)于船舶、貨物和環(huán)境情況的數(shù)據(jù)。
[0027]參看圖1，漂浮在帶有吃水線(xiàn)14的水體12上的船舶10具有船體16、龍骨K、重心G、定傾中心Μ和浮力中心B。主傳感器是提供慣性測(cè)量的慣性測(cè)量單元（頂1])20。全球定位系統(tǒng)/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GPS/GNSS)接收器24提供定位數(shù)據(jù)。多個(gè)附加傳感器設(shè)備26可被提供用于感測(cè)/提供關(guān)于燃料、壓載物和貨物穩(wěn)定性的附加信息，并且處理器28實(shí)施所述系統(tǒng)需要的計(jì)算。處理器28具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器30。也可提供可視或可聽(tīng)的報(bào)警器（未示出）。
[0028]IMU 20優(yōu)選是10D0F頂U(kuò)，所述10D0F頂U(kuò)包含四個(gè)集成多軸傳感器：1)三軸數(shù)字加速度計(jì)、?)三軸數(shù)字陀螺儀、iii)三軸數(shù)字磁力計(jì)和iv)大氣壓傳感器。這提供10度的慣性測(cè)量。在這些設(shè)備中使用的一些典型芯片組為：ADXL345數(shù)據(jù)表；L3G4200D數(shù)據(jù)表；HMC5883L數(shù)據(jù)表和BMP085數(shù)據(jù)表。符合形狀因數(shù)并在它們的芯片組中使用這些或類(lèi)似的芯片的任意10D0F傳感器將在所述系統(tǒng)中起作用。
[0029]處理器28優(yōu)選是具有至少64M RAM或更多的cpu。GPS/GNSS設(shè)備24優(yōu)選為包括集成芯片天線(xiàn)的用于提供獨(dú)立定位的u-blox? GPS/GNSS天線(xiàn)模塊。帶有嵌入式GPS天線(xiàn)的u-blox UP501 GPS接收器模塊啟用導(dǎo)航和位置數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)也用于提供數(shù)據(jù)上的密封且自主的時(shí)間戳。這被用于安全性和正當(dāng)性并且防止篡改。
[0030]為了將傳感器信息傳達(dá)至處理器28，使用電池驅(qū)動(dòng)的無(wú)線(xiàn)智能路由器22。這可以是帶有合適的規(guī)格和兼容性的任意智能USB路由器。優(yōu)選的是Comfast :具有50m-200m無(wú)線(xiàn)范圍和USB接口的CF-WU710N。智能路由器22還可將本地移動(dòng)設(shè)備或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接至全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用于感測(cè)/提供關(guān)于燃料、壓載物和貨物穩(wěn)定性的附加信息的設(shè)備26可包括雷達(dá)傳感器以及用于測(cè)量溫度、濕度、應(yīng)變力和背景輻射水平的其他的由用戶(hù)限定的變換器。
[0031]來(lái)自所述傳感器的數(shù)據(jù)輸入因此包括：GPS位置記錄、慣性運(yùn)動(dòng)、溫度、濕度、應(yīng)變力和背景輻射水平。映射系統(tǒng)可自動(dòng)聚集多個(gè)船舶的傳感器數(shù)據(jù)和導(dǎo)航歷史。此外，此類(lèi)系統(tǒng)可被獨(dú)立使用或者與自動(dòng)式導(dǎo)航或警報(bào)通知系統(tǒng)結(jié)合使用。
[0032]船舶的監(jiān)督監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可訂閱遠(yuǎn)程服務(wù)結(jié)構(gòu)，以在操作中更新、擴(kuò)展和/或修改所述設(shè)備的能力。所述網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可包括商業(yè)軟件應(yīng)用、硬件供應(yīng)和用于遠(yuǎn)程位置報(bào)告的維護(hù)資產(chǎn)管理。
[0033]所述系統(tǒng)擴(kuò)展報(bào)警器的概念，以通知本地和遠(yuǎn)程的操作員異常的船舶操作和/或情況。例如，這些警報(bào)狀態(tài)可報(bào)告超過(guò)船舶的規(guī)定容量、指示操作異常，或者一般的安全警報(bào)狀態(tài)。
[0034]監(jiān)測(cè)設(shè)備可以可選地包括用于確保不間斷操作的便攜式獨(dú)立電源。所述設(shè)備還通過(guò)本地的有