Brevet FR2990681A1 — publié le 20131122

Procédé de prévision d'au moins un mouvement d'un navire sous l'effet de la houle La présente invention concerne un procédé de prévision d'au moins un mouvement d'un navire se trouvant sur une étendue d'eau, sous l'effet de la houle de cette étendue d'eau. Dans la présente description, on appelle « un mouvement du navire » un mouvement de translation le long d'un axe, ou de rotation autour d'un axe. En particulier, le mouvement considéré sera généralement choisi parmi : un mouvement de translation du navire le long d'un axe longitudinal (également appelé cavalement), un mouvement de translation du navire le long d'un axe transversal (également appelé embardée), un mouvement de translation du navire le long d'un axe vertical (également appelé pilonnement), un mouvement de rotation du navire autour de l'axe longitudinal (également appelé roulis), un mouvement de rotation du navire autour de l'axe transversal (également appelé tangage), ou un mouvement de rotation du navire autour de l'axe vertical (également appelé lacet). Certaines opérations effectuées par le navire ou à partir du navire, telles que des opérations de déploiement ou de récupération d'un drone, nécessitent une bonne stabilité du navire. Or, la houle entraîne le navire selon au moins un des mouvements précités. Afin de pouvoir réaliser en toute sécurité une opération nécessitant une stabilité du navire, il est nécessaire de prévoir les mouvements du navire sous l'effet de la houle, pour anticiper des moments adaptés pour la réalisation de l'opération et/ou pour compenser les mouvements induits par la houle. A cet effet, on connaît déjà, dans l'état de la technique, divers procédés de prévision d'au moins un mouvement d'un navire sous l'effet de la houle. Toutefois, de tels procédés de l'état de la technique ne permettent généralement pas d'anticiper suffisamment à l'avance et de manière suffisamment précise les mouvements du navire sous l'effet de la houle, ou sont très complexes à mettre en oeuvre. L'invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients, en fournissant un procédé de prévision relativement simple, et permettant une prévision suffisamment précise et suffisamment en avance des mouvements du navire sous l'effet de la houle. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un procédé de prévision d'au moins un mouvement d'un navire sous l'effet de la houle d'une étendue d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape d'estimation d'une direction de propagation de la houle, et une étape d'estimation d'une vitesse de propagation de cette houle dans ladite direction de propagation, une étape de mesure de l'évolution d'une grandeur caractéristique de la houle, en au moins un point de mesure situé en amont du navire dans la direction de propagation, en mesurant périodiquement ladite grandeur, une étape de détection d'une accalmie de la houle au point de mesure, réalisée à l'aide de la mesure de l'évolution de la grandeur caractéristique, cette étape de détection comportant une mesure d'une durée d'une accalmie détectée, et lorsqu'une accalmie de la houle est détectée au point de mesure : - une étape de calcul d'un intervalle de temps entre la détection de l'accalmie de la houle au point de mesure détectée et un moment où cette accalmie se répercute sur le mouvement du navire, ce calcul étant notamment effectué en fonction de la vitesse de propagation estimée de la houle. L'invention propose de mesurer la houle en amont du navire, de détecter les accalmies de la houle en amont et d'estimer la propagation de ces accalmies en aval jusqu'au navire, afin de prévoir les moments où le navire se trouve au droit d'une accalmie de la houle. Ce principe de l'invention repose notamment sur le fait que pour des périodes d'accalmie suffisamment longues, il est possible de négliger la déformation de l'enveloppe de la houle entre un point de mesure amont et la position du navire en aval. Ainsi, il est possible de ne considérer qu'une vitesse unique de propagation de l'accalmie, plutôt qu'une vitesse différente pour chaque composante du spectre de la houle. Un tel procédé est particulièrement simple à mettre en oeuvre, car il recherche simplement à prévoir une accalmie pour le mouvement du navire, et non pas à prévoir le comportement précis de ce mouvement. En effet, il apparaît que pour la réalisation de certaines opérations nécessitant une stabilité du navire, il est suffisant de connaître un moment où le mouvement du navire est faible (accalmie), sans qu'il soit nécessaire de connaître le comportement précis de ce navire. Ainsi, le procédé selon l'invention présente une précision suffisante. Le procédé selon l'invention peut comporter en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Le procédé comporte, suite à l'étape de mesure, une étape de filtrage de l'évolution de la grandeur caractéristique mesurée, au moyen d'un filtre discret dont les entrées sont les grandeurs caractéristiques mesurées périodiquement, et les sorties formant un signal de sortie représentent l'effet de cette évolution de la grandeur caractéristique sur le mouvement considéré d'un navire fictif qui serait identique au navire et situé au point de mesure, et une étape de calcul d'une enveloppe du signal de sortie du filtre. L'étape de détection d'une accalmie de la houle au point de mesure comprend : une comparaison de l'enveloppe avec un seuil d'amplitude prédéterminé, et la mesure de la durée d'accalmie, réalisée en mesurant la durée pendant laquelle l'enveloppe est inférieure audit seuil d'amplitude, une accalmie étant considérée comme détectée lorsque ladite durée d'accalmie est supérieure à un premier seuil de durée prédéterminé. L'étape de calcul d'une enveloppe comporte l'application d'une transformée de Hilbert au signal de sortie de filtre. La transformée de Hilbert est effectuée sur une fenêtre glissante appliquée au signal de sortie de filtre, la fenêtre glissante étant choisie pour coïncider entre deux passages par O. Le procédé comporte, suite à l'étape de calcul d'une enveloppe et préalablement à l'étape de détection d'une accalmie, une étape de décomposition de l'enveloppe en ondelettes. Les ondelettes sont des ondelettes de Meyer. L'étape de filtrage est réalisée au moyen d'un filtre discret linéaire et causal, et présentant la forme suivante : s(t) = C - X (t, )+ D - h(tt) avec : h(t) la grandeur caractéristique de la houle à un instant de mesure ti, s(t) la valeur du signal de sortie de filtre à l'instant de mesure ti, X(t) une fonction matrice causale de la forme X(t1) = A - X (t, ) + B - h(t,), avec X(to)= 0 , et A, B, C et D des matrices constantes. Le procédé comporte, suite à l'étape de calcul de l'intervalle de temps, une étape d'estimation d'une probabilité que le mouvement du navire sous l'effet de la houle, au moment où l'accalmie détectée se répercute sur le mouvement du navire, soit inférieur à un seuil de mouvement prédéterminé pendant une durée supérieure à un second seuil de durée prédéterminé, cette estimation étant notamment effectué en fonction de la durée de l'accalmie détectée. La grandeur caractéristique de la houle est choisi parmi une élévation de la surface de l'étendue d'eau au point de mesure, une vitesse d'élévation de la surface de l'étendue d'eau au point de mesure, ou une pression de l'eau au point de mesure. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées, parmi lesquells : - la figure 1 un navire se trouvant sur une étendue d'eau ; - la figure 2 représente les étapes du procédé selon l'invention, pour la prévision d'au moins un mouvement du navire de la figure 1. On a représenté sur la figure 1 un navire N se trouvant sur une étendue d'eau, destiné à réaliser au moins une opération nécessitant une stabilité du navire, telle qu'une opération de déploiement ou de récupération d'un drone. Afin de prévoir une telle stabilité du navire N, il est nécessaire de prévoir au moins un mouvement du navire N sous l'effet de la houle de l'étendue d'eau, et ainsi prévoir un moment où ce mouvement est faible. Le mouvement considéré est choisi parmi le cavalement, l'embardée, le pilonnement, le roulis, le tangage ou le lacet du navire N. A cet effet, on a représenté sur la figure 2 les étapes d'un procédé de prévision d'au moins un mouvement du navire N sous l'effet de la houle de l'étendue d'eau, selon un exemple de mode de réalisation de l'invention. Le procédé selon l'invention comporte une étape préalable 10 d'estimation d'une direction D de propagation de la houle, ainsi qu'une étape 20 d'estimation d'une vitesse de propagation de cette houle dans ladite direction de propagation D. Ces étapes d'estimation 10, 20 sont réalisées à l'aide de moyens d'estimation de la direction et de la vitesse de propagation de la houle. De tels moyens sont connus en soi, et ne seront donc pas décrits en détail. Par exemple, ces moyens d'estimation comportent un système de monitoring de type RADAR connu en soi, porté par le navire N, et/ou des bouées adaptées disposées sur l'étendue d'eau pour réaliser des mesures, et propres à communiquer ces mesures au navire N. Ces étapes d'estimation 10, 20 pourront être réalisées de nouveau à tout moment du procédé de prévision, afin, si nécessaire, de réaliser une mise à jour de la direction D et de la vitesse de propagation de la houle. Une fois la direction D de propagation de la houle connue, le procédé comporte une étape 30 de mesure de l'évolution d'une grandeur caractéristique de la houle, en au moins un point P de mesure situé en amont du navire N dans la direction de propagation D, comme cela est représenté sur la figure 1. L'évolution de la grandeur est mesurée en mesurant périodiquement ladite grandeur. La grandeur mesurée peut être toute grandeur caractéristique de la houle, permettant d'obtenir l'énergie instantanée de la houle, par exemple l'élévation de la surface libre, la vitesse d'élévation de cette surface libre, ou la pression à une hauteur déterminée. On notera que la mesure peut être effectuée en un point P, ou sur un espace délimité, par exemple sur une grille de mesure. Ces mesures peuvent être effectuées à l'aide de moyens connus en soi, tels qu'un système de type RADAR, de type LIDAR, ou autre, porté par le navire, ou par des bouées adaptées disposées sur l'étendue d'eau pour réaliser les mesures, et propres à communiquer ces mesures au navire N. Dans ce qui suit, on notera h(t) une mesure de la grandeur effectuée à un instant t. =t0 +i - dt , où to est l'instant de la première mesure effectuée, dt est la période à laquelle sont effectuées les mesures, dite période d'échantillonage, et i est le rang de la mesure considérée. L'ensemble des mesures périodiques de la grandeur forme une suite discrète, représentant l'évolution de cette grandeur caractéristique mesurée. Le procédé comporte ensuite une étape 40 de filtrage de l'évolution de la grandeur caractéristique mesurée, au moyen d'un filtre discret dont les entrées sont les mesures h(t) de la grandeur caractéristique mesurée périodiquement, et les sorties représentent l'effet de l'évolution de cette grandeur caractéristique sur le mouvement considéré. On notera que, si l'on souhaite étudier plusieurs mouvements du navire, il est nécessaire de prévoir autant de filtres que de mouvements considérés, afin d'étudier l'effet de la houle sur chacun de ces mouvements. On notera par ailleurs que les mesures étant effectuées en amont du navire, les sorties du filtre correspondent au mouvement fictif, sous l'effet de la houle, d'un navire fictif (désigné par la référence N' sur la figure 1), présentant les mêmes caractéristiques que le navire N, qui serait situés au niveau du point de mesure P. Dans la suite de la présente description, le signal formé par sorties de ce filtre sera appelé « mouvement fictif amont ». Dans ce qui suit, la sortie du filtre à un moment t, sera notée s(t, ). Conformément au mode de réalisation décrit, le filtre choisi est un filtre discret linéaire et causal, présentant la forme suivante : s(t, ) = C - X (t, ) + D - h(t,), où X est une fonction vectorielle causale telle que : X(t1) = A - X (t, ) + B-h(t,), avec X(to) = 0 , et A, B, C et D sont des matrices constantes. Les valeurs des matrices constantes A, B, C et D sont déterminées expérimentalement, et sont choisies pour minimiser l'écart entre les mouvements réels du navire en réponse à la houle, et les mouvements fictifs reconstitués par ce filtre. En particulier, ces valeurs sont fonction des caractéristiques du navire, de la vitesse de ce navire et de l'incidence de la houle par rapport au cap de ce navire, ainsi que du mouvement de navire considéré. Lorsque le mouvement considéré est le roulis du navire, le filtre est par exemple d'ordre 4, à savoir un premier filtre d'ordre 2 permettant d'approximer la résonance mécanique naturelle du navire, et un second filtre d'ordre 2 en cascade permettant d'approximer l'excitation en moment de roulis générée par la houle. Afin d'étudier le signal de mouvement fictif amont, le procédé comporte une étape 50 de calcul d'une enveloppe de ce signal de mouvement fictif amont. A cet effet, on applique une transformée de Hilbert H(s(t)) au signal de sortie du filtre s(t), afin d'obtenir la partie imaginaire d'un signal analytique Sanaiytique(t). ^^ Ainsi : H(s(tp=1 I dr, Et S analytique(t)- S(t)± i - II(S(t)) L'enveloppe du signal s(t), notée S env(t), est la norme du signal analytique. Senv(1-)=IS unallimu(1-) Dans le cas d'un signal s(t) discret, l'enveloppe est calculée par l'algorithme suivant: a) on calcule la transformée de Fourier rapide du signal S(f)=FFT(s(t)) b) on calcule un signal S'(f) défini de la manière suivante : pour les fréquences f positives, S'(f)= 2x S(f) pour les fréquences f négatives, S'(f)= O, pour la fréquence nulle et la fréquence de Shannon, S'(f)= S(f). c) on calcule la transformée inverse du signal Slf), et on obtient ainsi l'enveloppe S. (t)- IFFT(Sla De préférence, la transformée de Hilbert est effectuée sur une fenêtre glissante appliquée au signal de sortie de filtre. Avantageusement, la fenêtre glissante est choisie pour coïncider entre deux passages par zéro, c'est-à-dire que s(t)=0 en entrée et en sortie de la fenêtre. Le signal est ensuite étendu par une opération de miroir qui permet d'assurer une continuité de la fonction périodique et de sa dérivée, et atténue ainsi les effets de fenêtrage. Cette opération de miroir, connue en soi, consiste à considérer que le signal en amont, respectivement en aval, de la fenêtre, est symétrique au signal à l'intérieur de la fenêtre, par rapport au point du signal à l'entrée, respectivement à la sortie, de la fenêtre. En effet, en appliquant une simple fenêtre rectangulaire, sans aucun traitement amont, des artefacts (également appelés effets de bord) apparaissent sur les bords du signal. En revanche, si on effectue l'opération de miroir avant d'appliquer la transformée de Hilbert dans la fenêtre, les discontinuités disparaissent. Grâce à l'enveloppe obtenue, il sera possible de détecter une accalmie de la houle, par rapport au mouvement considéré, c'est-à-dire une accalmie de la houle qui n'entraîne qu'un mouvement considéré suffisamment faible. A cet effet, le procédé comporte une étape 60 de décomposition de l'enveloppe en ondelettes, qui permet d'isoler les plus basses composantes fréquentielles de cette enveloppe. Le nombre de composantes à prendre en considération peut être prédéterminé, ou établi sur un critère de fractions de l'énergie. Par exemple, on pourra utiliser des ondelettes de Meyer. Le procédé comporte ensuite une étape 70 de détection d'une accalmie de la houle au point de mesure P, cette étape étant réalisée à partir des ondelettes obtenues. Au cours de cette étape de détection 70, l'enveloppe est comparée avec un seuil d'amplitude prédéterminé. Cette étape de détection 70 prévoit également une mesure d'une durée d'accalmie, c'est-à-dire une durée pendant laquelle cette enveloppe est inférieure au dit seuil d'amplitude prédéterminé. On considère alors qu'une accalmie est détectée lorsque la durée d'accalmie mesurée est supérieure à un premier seuil de durée prédéterminé. Lorsqu'une telle accalmie est détectée, on peut considérer qu'elle se propage dans la direction D de propagation de la houle, à la vitesse de propagation de cette houle, donc en direction du navire N. Le procédé comporte donc ensuite une étape 80 de calcul d'un intervalle de temps entre la détection de l'accalmie de la houle au point de mesure P et un moment où cette accalmie se répercute sur le mouvement du navire N. Ce calcul est notamment effectué en fonction de la vitesse de propagation de la houle estimée précédemment, au cours de l'étape d'estimation 20. On notera que le calcul de l'intervalle de temps dépend également de la distance du point P par rapport au navire N. Ainsi, si l'on souhaite disposer d'un intervalle de temps suffisamment important pour préparer l'opération, on pourra choisir un point P plus éloigné. Lorsqu'une opération du navire nécessite sa stabilité selon plusieurs mouvements, on considère que cette opération pourra être effectuée lorsqu'une accalmie sera détectée simultanément pour chacun de ces mouvements. On notera qu'il peut survenir qu'une accalmie ne se propage pas depuis le point de mesure P jusqu'au navire N, notamment lorsque ce point de mesure P est particulièrement éloigné du navire N. Ainsi, le procédé comporte de préférence, suite à l'étape 80 du calcul de l'intervalle de temps, une étape 90 de calcul d'une probabilité pour que l'accalmie détectée se répercute effectivement sur le mouvement du navire, c'est-à-dire pour que ce mouvement du navire sous l'effet de la houle soit inférieur à un seuil de mouvement prédéterminé pendant une durée supérieure à un second seuil de durée prédéterminée. Ce second seuil de durée prédéterminée correspond au temps minimal nécessaire pour réaliser l'opération. Ce calcul est notamment effectué en fonction de la durée de l'accalmie détectée. Cette estimation de probabilité peut être effectuée par calcul, à l'aide de la Théorie de la détection, connue en soi, de formules de probabilités de détection, et de fausses alarmes. En variante, l'estimation de probabilité peut être réalisée par apprentissage, cet apprentissage peut par exemple être effectué en comptant, pour un nombre déterminé d'accalmies détectées, combien se propagent jusqu'au navire, afin d'en déduire un pourcentage. On a représenté dans le tableau ci-dessous des exemples de probabilités obtenues au cours de tests du procédé selon l'invention. En particulier, on a considéré un premier seuil de durée (durée d'une accalmie au point P) de 50 secondes, et un second seuil de durée (durée pendant laquelle le mouvement du navire est inférieur au seuil de mouvement prédéterminé) de 40 secondes. Ainsi, dans le tableau ci-dessous : la première colonne précise la distance du point P au navire N, en mètres chaque double colonne concerne un exemple de mouvement particulier, et comporte : o une colonne indiquant l'intervalle de durée mesurée entre l'accalmie au point P et l'accalmie au navire N, en secondes o une colonne indiquant la probabilité d'une accalmie d'au moins 40 seconde au navire lorsqu'une accalmie d'au moins 50 secondes a été détectée au point P, en %. Les mouvements considérés sont le pilonnement, le roulis et le tangage. En effet, une accalmie de ces trois mouvements est généralement nécessaire pour une opération de déploiement ou de récupération d'un drone. Pilonnement Roulis Tangage Distance Probabilité Temps Probabilité Temps Probabilité Temps 480m 90% 18s 98% 13s 90% 31s 720 m 50% 47 s 90% 40 s 90% 66 s 960 m 55% 76 s 90% 67 s 70% 101 s Il apparaît clairement que, plus le point P est éloigné, et plus la probabilité d'une accalmie au navire est faible, mais plus l'intervalle de temps pour préparer l'opération est grand. La distance du navire au point P sera donc généralement choisie selon le meilleur compromis entre la nécessité d'un intervalle de temps important pour préparer la mission et le souhait d'une probabilité suffisante d'accalmie. On notera que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit, et pourrait présenter diverses variantes sans sortir du cadre des revendications.25 REVENDICATIONS1. Procédé de prévision d'au moins un mouvement d'un navire (N) sous l'effet de la houle d'une étendue d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte : une étape (10) d'estimation d'une direction (D) de propagation de la houle, et une étape (20) d'estimation d'une vitesse de propagation de cette houle dans ladite direction de propagation (D), une étape (30) de mesure de l'évolution d'une grandeur caractéristique de la houle, en au moins un point de mesure (P) situé en amont du navire dans la direction de propagation (D), en mesurant périodiquement ladite grandeur, une étape (70) de détection d'une accalmie de la houle au point de mesure (P), réalisée à l'aide de la mesure de l'évolution de la grandeur caractéristique, cette étape de détection (70) comportant une mesure d'une durée d'une accalmie détectée, et lorsqu'une accalmie de la houle est détectée au point de mesure (P) : une étape (80) de calcul d'un intervalle de temps entre la détection de l'accalmie de la houle au point de mesure détectée (P) et un moment où cette accalmie se répercute sur le mouvement du navire (N), ce calcul étant notamment effectué en fonction de la vitesse de propagation estimée de la houle. 2. Procédé de prévision selon la revendication 1, comportant : suite à l'étape de mesure (30), une étape (40) de filtrage de l'évolution de la grandeur caractéristique mesurée, au moyen d'un filtre discret dont les entrées sont les grandeurs caractéristiques mesurées périodiquement, et les sorties formant un signal de sortie représentent l'effet de cette évolution de la grandeur caractéristique sur le mouvement considéré d'un navire fictif (N') qui serait identique au navire (N) et situé au point de mesure (P), une étape (50) de calcul d'une enveloppe du signal de sortie du filtre. 3. Procédé de prévision selon la revendication 2, dans lequel l'étape (70) de détection d'une accalmie de la houle au point de mesure (P) comprend : une comparaison de l'enveloppe avec un seuil d'amplitude prédéterminé, la mesure de la durée d'accalmie, réalisée en mesurant la durée pendant laquelle l'enveloppe est inférieure audit seuil d'amplitude, une accalmie étant considérée comme détectée lorsque ladite durée d'accalmie est supérieure à un premier seuil de durée prédéterminé. 4. Procédé de prévision selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l'étape (50) de calcul d'une enveloppe comporte l'application d'une transformée de Hilbert au signal de sortie de filtre. 5. Procédé de prévision selon la revendication 4, dans lequel la transformée de Hilbert est effectuée sur une fenêtre glissante appliquée au signal de sortie de filtre, la fenêtre glissante étant choisie pour coïncider entre deux passages par 0. 6. Procédé de prévision selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, comportant, suite à l'étape (50) de calcul d'une enveloppe et préalablement à l'étape (70) de détection d'une accalmie, une étape (60) de décomposition de l'enveloppe en ondelettes. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les ondelettes sont des ondelettes de Meyer. 8. Procédé de prévision selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel l'étape de filtrage (40) est réalisée au moyen d'un filtre discret linéaire et causal, et présentant la forme suivante : s(t) = C - X (t, ) + D - h(tt) avec : h(t) la grandeur caractéristique de la houle à un instant de mesure ti, s(t) la valeur du signal de sortie de filtre à l'instant de mesure X (t, ) une fonction matrice causale de la forme X(ti,i) = A - X (t, ) + B - h(t,), avec X(to) = 0 , et A, B, C et D des matrices constantes. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant, suite à l'étape (80) de calcul de l'intervalle de temps, une étape (90) d'estimation d'une probabilité que le mouvement du navire (N) sous l'effet de la houle, au moment où l'accalmie détectée se répercute sur le mouvement du navire (N), soit inférieur à un seuil de mouvement prédéterminé pendant une durée supérieure à un second seuil de durée prédéterminé, cette estimation étant notamment effectué en fonction de la durée de l'accalmie détectée. 10. Procédé de prévision selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la grandeur caractéristique de la houle est choisi parmi une élévation de la surface de l'étendue d'eau au point de mesure, une vitesse d'élévation de la surface de l'étendue d'eau au point de mesure, ou une pression de l'eau au point de mesure.