船舶环境条件评估系统和方法与流程

本发明涉及对船舶对环境条件的响应的评估。具体地，通过将能量算子应用于运动信号来确定表示船舶的环境条件的能量信号。

背景技术：

船舶在航行时可能经历海况和天气条件的大的变化。船舶动力装置的能量平衡受船舶运行的海况和天气条件的影响。关于环境条件的了解可以用于在动力系统设计中从总能量平衡分析中排除天气效应的影响以及用于船载咨询系统。该信息对于动力系统设计者考虑动态负载变化和适当地确定系统尺寸以用于例如动态定位(dp)或运输操作是至关重要的。因此，需要一种影响船舶使用的动力和能量的环境条件指示器。此外，关于环境条件的了解使得能够比较不同的船舶设计和船舶性能。

海况即大海表面的一般条件随时间变化，并且存在各种方法通过统计来表征海况，包括波浪的各种特性，例如波高、周期和功率谱。

海况通常由浮标、波浪雷达或卫星来评估。使用不同的液压机械方法，包括对波高、方向、周期、能量谱等的统计表征。由于复杂性，现有的波浪测量传感器系统往往是昂贵的。传感器系统通常可以利用不同类型的陀螺传感器、加速计等。

为了降低仪器成本，已经研究了识别海况的其他方法。该方法使用对环境的船舶响应或船运动响应来估计海况估计。这些方法依靠计算波谱、复杂的变换和特征提取。由于复杂的方法，对海况的计算需要很大的处理能力，并且引入了使船舶的动态定位操作复杂化的延迟。

因此，需要用于船舶环境评估的系统和方法，其容易在真实系统中实现、数值成本低并且引入延迟小。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的问题，并且公开了一种系统和方法。

解决上述问题的本发明是根据独立权利要求的船舶环境条件评估方法和船舶环境条件评估系统。

附图说明

图1以简化框图示出了船舶环境条件感测方法的实施方式。

图2以简化框图示出了船舶环境条件感测方法的实施方式。

图3是针对船舶确定的纵摇能量和横摇能量的示例性图。

图4以简化框图示出了船舶环境条件感测系统的实施方式。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了本发明的各种示例和实施方式，以便为技术人员提供对本发明的更透彻理解。在各种实施方式的上下文中并且参照附图描述的具体细节不旨在被解释为限制。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

对下面描述的实施方式进行编号。此外，描述了关于编号的实施方式所限定的相关实施方式。除非另有说明，否则可以与一个或更多个被编号的实施方式组合的任何实施方式也可以直接与所提及的被编号的实施方式(多个)的任何相关实施方式组合。

参照图1，在第一实施方式中本发明是船舶环境条件感测方法，包括从船舶上的运动测量单元接收运动信号1。将能量算子2应用于运动信号1以确定表示船舶的环境条件的能量信号3。

能量信号描述了船舶在海上运动的动态。能量信号的值反映了船舶对环境条件例如天气条件和/或波浪条件的响应。

不同的船舶可能对相同的天气条件作出不同的响应。因此，在相同的天气条件下，两艘不同船舶的能量信号的值对于每艘船舶可能不同。

在可以与上面第一实施方式组合的第二实施方式中，能量算子2是teagerkaiser(tk)瞬时能量算子。tk算子表示为

ψd(x[n])＝x²[n]-x[n+1]x[n-1]

其中，ψd(x[n])是信号x[n]的tk算子，并且x[n]是离散时间信号。离散信号的瞬时能量算子的实现简单，数值成本低，并且只引入了1sa(采样延迟)，因此被认为是无延迟的解决方案。

在可以与上面任何实施方式组合的第三实施方式中，该方法还包括将能量信号分类为船舶的多个环境条件类别，每个环境条件类别由能量信号阈值限定。在一个示例中，存在三个环境条件类别，其中低于第一阈值的能量信号表示良好的环境条件，在第一阈值与第二阈值之间的能量信号表示中等环境条件，其中第二阈值高于第一阈值，并且高于第三阈值的能量信号表示恶劣的环境条件，其中第三阈值高于第二阈值。然而，可以使用任何数目的类别。基于能量信号构建分类器的示例性方法是感知器或k-均值聚类。可以使用任何其他适用的聚类方法。

运动测量单元感测所述运动测量单元定位在其上的船舶的运动，并将这些运动转换成电信号。海上的船舶具有六个自由度或运动；三个旋转运动，纵摇、横摇和艏摇；以及三个平移运动，垂荡、横荡和纵荡。运动测量单元包括一个或更多个移动传感器，该移动传感器测量这六个自由度中的一个或更多个自由度中的移动。在一个实施方式中，运动测量单元包括惯性测量单元、倾角仪或角速率传感器中的至少一个。

参照图2，运动测量单元4包括移动传感器5。移动传感器5输出模拟电信号x(t)。然后，模拟电信号x(t)通过公知技术经历数字信号处理(dsp)6成为离散时间信号。第一步骤是信号调节7，通常使用放大器8和抗混叠滤波器9。在信号调节7之后，经调节的模拟信号x_a(t)由模数转换器(adc)10转换成数字序列。到adc的输入x_a(t)是连续变量t的实值函数。对于t的每个值，函数x_a(t)可以是任意实数。adc10的输出是对应于离散时间序列x_a[n]的比特流，对于n的每个值，该离散时间序列的幅值被量化为有限数目的可能值中的一个。在adc10之后，数字信号x[n]可以由采样速率转换过程11从一个采样速率转换为另一采样速率，例如从10hz信号变为1hz信号。采样速率转换可以在dsp6单元和/或在dsp单元外部的数据记录器中执行。在处理器12中将能量算子应用于离散运动信号x[n]，以确定能量信号ψd(x[n])。

能量算子被应用于纵摇、横摇、垂荡、艏摇、纵荡或横荡信号的离散信号。在可以与上面任何实施方式组合的第四实施方式中，运动信号包括纵摇、横摇、垂荡、艏摇、纵荡或横荡信号中的至少一个，并且表示环境条件的能量信号分别是纵摇能量信号、横摇能量信号、垂荡能量信号、艏摇能量信号、纵荡能量信号或横荡能量信号。可以基于纵摇能量信号、横摇能量信号、垂荡能量信号、艏摇能量信号、纵荡能量信号、横荡能量信号中的一种或这些能量信号的任意组合对环境条件进行分类。对于确定船舶对环境条件的响应，纵摇能量信号、横摇能量信号和垂荡能量信号是更优选的，并且特别有效的是纵摇能量信号。图3是所确定的船舶的纵摇能量和横摇能量的示例性图。如图3所示，确定信号能量对于使船舶运动测量中包括的信息清楚地分开特别有效，这提供了船舶对环境条件的响应的分类。在一个相关实施方式中，环境条件是天气条件。

图4示意性地示出了位于船舶17上的运动测量单元4。运动测量单元4输出离散运动信号x[n]。离散运动信号x[n]可以被输入到数据记录器13以用于存储和/或采样速率转换。离散运动信号x[n]从数据记录器13被输出到计算机12，以将能量算子应用于离散运动信号x[n]并确定如上所述的能量信号ψd(x[n])。计算机12还可以直接从运动测量单元4接收离散运动信号x[n]。在一个替选实施方式中，能量信号可以在船舶上被确定并用于船载咨询系统14，例如其中纵摇能量信号可以是波指示输入的能量管理。

数据记录器13还可以被配置成将离散运动信号x[n]从船舶17传输到岸18。可以使用到数据记录器13的任何合适的无线通信、有线连接或物理连接来执行该传输。在岸上，计算机15将能量算子应用于离散运动信号x[n]，并确定如上所述的能量信号ψd(x[n])。在岸上，还可以根据存档数据确定能量信号。然后，能量信号可以用于船设计与系统16以：

i)比较以下情况下的动力消耗：ψd(x[n])为高和低。这使得能够看到环境对动力消耗的影响，增加关于动态环境及其对动力的影响的了解，动力系统、船舶设计中可以包括哪些内容来增加或减少环境裕度。

ii)比较船舶的不同的船体形式，例如不同的船体在相同的环境条件下对波浪的响应如何。相同的天气条件下不同的ψd(x[n])的值指示船体形式的特性。

iii)对于高的和低的ψd(x[n])，比较一艘船舶在相同的环境条件下不同的吃水。

iv)比较减摇箱(rollreductiontank)的性能。

在第五实施方式中，本发明是一种船舶环境条件评估系统，该船舶环境条件评估系统包括在船舶17上的被配置成感测船舶运动的运动测量单元4。运动测量单元4被配置成将船舶17的运动信号1输出到适于接收船舶的运动信号的处理器12、15。处理器12、15将能量算子2应用于运动信号1以确定表示环境条件的能量信号3。

在相关实施方式中，环境条件评估系统的运动测量单元4包括惯性测量单元、倾角仪或角速率传感器中的至少一个。

在可以与第五实施方式组合的第六实施方式中，处理器12、15应用teagerkaiser能量算子。

在可以与第五实施方式和第六实施方式组合的第七实施方式中，处理器12、15还适于将能量信号3分类为船舶的多个环境条件类别，每个环境条件类别由能量信号阈值限定。输入到处理器12、15的船舶17的运动信号1包括纵摇信号、横摇信号、垂荡信号、艏摇信号、纵荡信号或横荡信号中的一个或更多个，并且表示环境条件的能量信号3是纵摇能量信号、横摇能量信号、垂荡能量信号、艏摇能量信号、纵荡能量信号或横荡能量信号中的一个或更多个。处理器12、15可以基于纵摇能量信号、横摇能量信号、垂荡能量信号、艏摇能量信号、纵荡能量信号、横荡能量信号中的一种或这些能量信号的任意组合来对环境条件进行分类。

在第八实施方式中，能量信号3可以被输入到船舶17上的船载咨询系统14。

在第九实施方式中，能量信号3可以被输入到岸上18的船设计与系统16。

在示例性实施方式中，各种特征和细节以组合方式示出。关于特定示例描述了若干特征的事实不应被解释为暗示这些特征必须被一起包括在本发明的所有实施方式中。相反，参照不同实施方式描述的特征不应被解释为相互排斥的。如本领域技术人员将容易理解的，发明人已经设想了并入本文所述的特征的任何子集并且不是明确地相互依赖的实施方式，并且这些实施方式是预期公开内容的一部分。然而，所有这些实施方式的明确描述将不会有助于理解本发明的原理，因此为了简单或简洁起见，已经省略了特征的一些排列。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种船舶环境条件评估方法，包括：

从船舶(17)上的运动测量单元(4)接收运动信号(1)；

将能量算子(2)应用于所述运动信号以确定表示所述船舶的环境条件的能量信号(3)，其中，所述方法还包括：

将所述能量信号分类为所述船舶的多个环境条件类别，每个环境条件类别由能量信号阈值限定。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能量算子是teagerkaiser能量算子。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述船舶的运动信号包括纵摇、横摇、垂荡、艏摇、纵荡或横荡信号中的一个或更多个，并且表示所述环境条件的所述能量信号是纵摇能量信号、横摇能量信号、垂荡能量信号、艏摇能量信号、纵荡能量信号或横荡能量信号。

4.根据权利要求4所述的方法，其中，基于所述纵摇能量信号、所述横摇能量信号、所述垂荡能量信号、所述艏摇能量信号、所述纵荡能量信号、所述横荡能量信号中的一种或上述能量信号的任意组合对所述环境条件进行分类。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述环境条件是天气条件。

6.一种船舶环境条件评估系统，包括：

船舶(17)上的被配置成感测船舶运动的运动测量单元(4)，其中，所述运动测量单元被配置成输出所述船舶的运动信号(1)；

处理器(12，15)，其适于：

接收所述船舶的运动信号；

将能量算子(2)应用于所述运动信号以计算表示所述船舶的环境条件的能量信号(3)，并且

其中，所述处理器还适于将所述能量信号分类为所述船舶的多个环境条件类别，每个环境条件类别由能量信号阈值限定。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述能量算子是teagerkaiser能量算子。

8.根据权利要求6至7中任一项所述的系统，其中，所述船舶的运动信号包括纵摇信号、横摇信号、垂荡信号、艏摇信号、纵荡信号或横荡信号中的一个或更多个，并且表示所述环境条件的所述能量信号是纵摇能量信号、横摇能量信号、垂荡能量信号、艏摇能量信号、纵荡能量信号或横荡能量信号的一个或更多个。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，基于所述纵摇能量信号、所述横摇能量信号、所述垂荡能量信号、所述艏摇能量信号、所述纵荡能量信号、所述横荡能量信号中的一种或上述能量信号的任意组合对所述环境条件进行分类。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的系统，其中，所述运动测量单元包括惯性测量单元、倾角仪或角速率传感器中的至少一个。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的系统，其中，所述环境条件是天气条件。

12.根据权利要求6至11中任一项所述的系统，其中，所述能量信号被输入到所述船舶上的船载咨询系统(14)。

13.根据权利要求6至12中任一项所述的系统，其中，所述能量信号被输入到岸上(18)的船设计与系统(16)。