用于监测船舶稳定性的系统和方法
【专利说明】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 MonitoringStability 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Μ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Μ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ΚΜ计算从龙骨Κ到定倾中心Μ之间的垂直距离：
[0007]KM = ΚΒ+ΒΜ
[0008]BM = I/V
[0009]其中ΚΒ是从龙骨Κ到浮力中心Β的距离，所述浮力中心Β是船体排水的水的体积的中心，ΒΜ是从浮力中心Β到定倾中心Μ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Μ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。
[0013]相关技术的前述实例和与此相关的局限性旨在为说明性的且非排他性的。对于本领域技术人员而言，通过阅读说明书和研究附图，将清楚了解相关技术的其他限制。
【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。此夕卜，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Μ和浮力中心B。主传感器是提供惯性测量的惯性测量单元（頂1])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10D0F頂U，所述10D0F頂U包含四个集成多轴传感器：1)三轴数字加速度计、?)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10D0F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。
[0032]船舶的监督监测系统可订阅远程服务结构，以在操作中更新、扩展和/或修改所述设备的能力。所述网络服务可包括商业软件应用、硬件供应和用于远程位置报告的维护资产管理。
[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