(57)【要約】  船舶（０）の制御システム（５）を試験する方法である。制御システムは、望ましい位置、速度などの入力命令（５１）を入力命令装置（５０）から受け取り、かつ制御信号（６、６２）を電気スラスタ又はプロペラモータ（３２、３５）などの作動装置（３）に送る。船舶は、信号（７、７１、７２、．．）を制御システムに送り返す位置センサ（８１）などのセンサ（８）を備えている。作動装置は、電力管理システム（２）有する船上の電力システム（１）からエネルギーを受け取る。この方法は以下を含む、すなわち、シュミレータ（１００）が船から信号（６、７）を受け取り、シミュレート作動装置モジュール（３’）が、シミュレートされた船（０’）の動的な動作を計算するためのアルゴリズムを含むシミュレート力をシミュレート船モジュールに提供し、またシミュレートセンサモジュール（８’）がシミュレートされた船の計算された動的な状態を記述するシミュレートセンサ信号（７’）を与え、風や潮流などのシミュレート外乱（９’）のもとで作られたシミュレートセンサ信号（７’）を、制御信号を実の作動装置に送り続ける制御システムに送る。
2008502076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御システムは、望ましい位置、船首方位、及び速度などの入力命令（５１）を入力命令装置（５０）から受け取り、かつ制御信号（６、６２）をスラスタ（３１）用の電気スラスタ駆動モータ（３２）及び固定軸プロペラ（３４）用の電気プロペラモータ（３５）などの作動装置（３）に送り、
船舶（０）は、センサ信号（７、７１、７２、．．）を前記制御システム（５）に送り返す位置基準センサ（８１、８２、．．）などのセンサ（８）を備え、
前記作動装置（３）は、電力管理システム（２）によって制御される船上の電力システム（１）により与えられる電気エネルギーを受け取る、船舶（０）の制御システム（５）を試験する方法であって、
前記船舶（０）から１つ以上の信号（６、７）を受け取るシュミレータ（１００）を有し、
前記シュミレータが、
シミュレート作動装置の力を提供するシミュレート作動装置モジュール（３’）と、
前記シミュレートされた船（０’）の動的な動作を計算するためのアルゴリズムを含むシミュレート船モジュールと、
前記シミュレートされた船（０’）の計算された動的な状態を記述するシミュレートセンサ信号（７’）を提供し、シミュレートされた風、潮流、及び波などのシミュレート外乱（９’）のもとで作られた１つ以上の前記シミュレートセンサ信号（７’）を前記制御システム（５）に戻し、それと同時に前記制御システムが制御信号（６、６２）を前記作動装置（３）に送るためのシミュレートセンサモジュール（８’）と
を備え、
前記実の電力システム（１）が、前記シミュレートセンサ信号（７’）及び前記シミュレート外乱（９’）のもとで、前記制御システム（５）によって命令されたときに、前記実の電力管理システム（２）によって制御された十分な電力を提供できるかどうかを試験する、方法。
【請求項２】
前記外乱（９’）、信号（７’）、センサ（８’）及び作動装置（３’）が前記シミュレートされた船（０’）のシミュレート故障モード（９５’）を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記船（０）から前記シュミレータ（１００）に送られた前記信号（６）が、軸速度、プロペラのピッチ、電力消費量又はスラスタのアジマス角を測定する、スラスタ駆動モータ（３２）システム内のセンサ（８８）からの信号（７８）を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記制御システム（５）が動的位置決めすなわち「ＤＰ」システムである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記環境条件が天候状態を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記シミュレート外乱（９５’）がセンサ、作動装置及び信号送信などの機械的、電気的及び電子的な装置における１つ又は複数の故障を含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記試験が、前記実の電力システム（１）が機械的、電気的及び電子的な構成要素における前記シミュレートされた１つ及び複数の故障に対してフォールトトレランスを与えるかどうかを試験することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記船（０）が動的位置決めを維持するように配列された石油プラットフォームである請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記センサ信号（７）送る前記センサ（８）が、位置信号（７１）を提供する位置センサ（８１）、速度信号（７２）を提供する速度センサ（８２）、及び船首方位信号（７３）を提供するジャイロコンパスなどのコンパス（８３）を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記シミュレートセンサ信号（７’）が、シミュレート位置信号（７１’）、シミュレート速度信号（７２’）及びシミュレート船首方位信号（７３’）を含み、前記船シュミレータ（０’）が１つ以上のシミュレートされた風、シミュレートされた潮流、シミュレートされた波などの外部又は内部のシミュレート障害（９’）に応答する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記制御信号（６）を前記シュミレータ（１００）に向かうシュミレータ制御信号回線（６０’）に分岐するための前記制御信号回線（６０）上の制御信号用コネクタ（６１）を使用し、またシミュレート電力管理システム（２’）を用いてシミュレート発電機（１’）と相互接続するシミュレート作動装置用電気モータ（３２’、３５’）を含んで、作動装置シュミレータ（３’）がスラスタシュミレータ（３１’、３４’）を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記電力管理システム（２）から前記制御システム（５）に電力管理システムのフィードバック信号（２２）を送信するための電力管理システム用フィードバック回線（２１）が加えられる請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記シュミレータ（１００）が、フィードバック回線（２１’）を用いてシミュレートフィードバック信号（２２’）を前記制御システム（５）に送るシミュレート電力管理システム（２’）を有するシミュレート電力システム（３’）を備える請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記シュミレータ（１００）が、シミュレート電力管理システム（２’）を有するシミュレート電力システム（３’）と、前記実の電力管理システム（２）から前記制御システム（５）に電力管理システムのフィードバック信号（２２）を送信するための電力管理システム用フィードバック回線（２１）とを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記発電機（１ｇ）が発電機用モータ（１ｅ）によって駆動される請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記１つ以上のプロペラ（３３）が電気プロペラ用モータ（３４）によって駆動される請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記センサ信号回線（８０）を切り離す信号回線用コネクタ（８８）と、前記シミュレートセンサ信号（７’）を前記制御システム（５）に送るためのシミュレート信号回線（８０’）を接続するシミュレート信号用コレクタ（８９）とを有する前記制御システム（５）が、制御信号（６）を前記大部分の電力を消費する作動装置用モータ（３２、３５）に提供するために引き続き接続されている請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
制御システム（５）は、望ましい位置、船首方位、及び速度などの入力命令（５１）を入力命令装置（５０）から受け取り、かつ制御信号（６、６２）をスラスタ（３１）用の電気スラスタ駆動モータ（３２）及び固定軸プロペラ（３４）用の電気プロペラモータ（３５）などの作動装置（３）に送り、
船舶（０）は、センサ信号（７、７１、７２、．．）を前記制御システム（５）に送り返す位置基準センサ（８１、８２、．．）などのセンサ（８）を備え、
前記作動装置（３）は、電力管理システム（２）によって制御される船上の電力システム（１）により与えられる電気エネルギーを受け取る、船舶（０）の制御システム（５）を試験するシステムであって、
前記船舶（０）から１つ以上の信号（６、７）を受け取るように構成されたシュミレータ（１００）を有し、
前記シュミレータが、
シミュレート作動装置の力を提供するように構成されたシミュレート作動装置モジュール（３’）と、
前記シミュレートされた船（０’）の動的な動作を計算するアルゴリズムを含むシミュレート船モジュールと、
前記シミュレートされた船（０’）の計算された動的な状態を記述するシミュレートセンサ信号（７’）を計算するように構成され、シミュレートされた風、潮流、及び波などのシミュレート外乱（９’）のもとで作られた１つ以上の前記シミュレートセンサ信号（７’）を前記制御システム（５）に戻すように構成され、それと同時に前記制御システムが制御信号（６、６２）を前記作動装置（３）に連続的に送るように構成されたシミュレートセンサモジュール（８’）とを備え、
前記システムが、前記実の電力システム（１）が前記シミュレートセンサ信号（７’）及び前記シミュレート外乱（９’）のもとで、前記制御システム（５）によって命令されたときに、前記実の電力管理システム（２）によって制御された十分な電力を提供できるかどうかを試験する、システム。
【請求項１９】
前記システムが、前記制御システム及び前記電力管理システム（２）が共に正確に機能しているかどうか、かつ前記シミュレートセンサ信号（７’）及び前記シミュレート外乱（９’）のもとでフォールトトレラントであるかどうかを試験するように構成される請求項１８に記載のシステム。
【請求項１９】
前記センサ信号回線（８０）を切り離す信号回線用コネクタ（８８）と、前記シミュレートセンサ信号（７’）を前記制御システム（５）に送るためのシミュレート信号回線（８０’）を接続するシミュレート信号用コレクタ（８９）とを有する前記制御システム（５）が、制御信号（６）を前記大部分の電力を消費する作動装置用モータ（３２、３５）に提供するために引き続き接続されている請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記制御システム（５）が位置フィードバックのないジョイステック入力装置を備え、好ましくは自動船首方位制御機能及び風又は潮流に対する補償機能を有する請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記制御システム（５）が命令入力（５１）を切り離すための命令入力用コネクタ（８７）及びシミュレート命令入力装置（５０’）を接続するためのシミュレート命令入力用コネクタ（８６）を有する請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
自らの位置を保つこと又は他の用途に関して動的位置決め（dynamic positioning）（ＤＰ）システムを有する船舶は、多くの場合、プロペラ（３４）及びスラスタ（３１）を用いるディーゼル電気パワーリング（diesel-electrical powering）を有する。従来技術を概略的に例示する図１を参照されたい。図１にさらに例示されるように、電気エネルギーは、ディーゼルエンジン及び／又はガスタービン（１ｅ）によって駆動される発電機（１ｇ）、及び電力管理システム（ＰＭＳ）（２）を含む船舶オートメーションシステム（marine automation system）を備えた発電装置（１）によって船上で発生される。プロペラ（３４）及びスラスタ（３１）用の電気エンジンによって消費される電力は、船上で消費される生産された電力の大部分を占める。その結果、動的位置決め「ＤＰ」制御システム（５）からのプロペラ又はスラスタ（３４、３１）用の電気モータ（３５、３２）に対する制御信号が大きく急速に変化する電力消費を受ける場合は、結果として電力の過負荷、大きな電力の変動、又は発電装置の設計外動作（off-design operation）を生じる可能性がある。このことは、発電装置（１）の運転停止及び電力の供給の中断につながる可能性がある。このブラックアウト（black-out）と呼ばれる状態は、損害が大きく、潜在的に危険であり、また任務の喪失、機器の破損、重大事故及び船舶の難破をもたらす可能性がある。この背景にあっては、ブラックアウト、許容できない電力の変動、又は他の不適切な事象若しくは状態が船舶のＤＰ動作のもとでは確実に起こらないようにするために、ＤＰ制御システム（５）と電力管理システム（２）及び船舶オートメーションシステムの一部を含む発電装置（１）との間の相互作用を試験することが重要であると思われる。現在用いられている試験方法は、要求の厳しいシミュレートされているが現実的な条件のもとでは、発電装置と組み合わせてＤＰシステムを系統的に試験することはできない。このことは、ＤＰシステムが要求は厳しいが現実的な運転条件で正確に動作するか否かを試験及び検証できる試験の方法及びシステムに対する要求があることを意味する。これには、天候などの環境条件、並びにセンサ、作動装置及び信号送信などの機械的、電気的及び電子的な装置における１つ又は複数の障害に対する故障許容範囲の両方が含まれる。
【０００２】
従来技術が、ローマ数字で区別された添付の図面の中で例示される。これらの図面は本発明を単に例示するものであり、本発明を限定すると解釈してはならない。本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【０００３】
図１から図５の図面は全体的に信号フローのブロック図を示し、この図では、各ブロックは機械的及び／又は論理的に接続され、入力信号の組と出力信号の組とを有するシステムの機能的部分である。これらの信号はアナログ及び／又はディジタルとすることができ、データバス又はネットワークを含む１つ以上の信号線上を送信される。図面は機能ブロック間の信号フローを示す。この図面では、信号は１つのブロックから別のブロックへ信号の方向を示す矢印の付いた回線に沿って送信される。
【０００４】
標準的な専門用語によれば、位置及び進行方向を測定するセンサは、「位置基準（position reference）」センサと呼ばれ、他方では他の全ての測定では「センサ」という用語にまとめられる。さらに、船の舵は、主プロペラと組み合わせて推力を発生するようにＤＰシステムによって実際に使用される場合は「スラスタ」に含まれる。
【０００５】
図１は、船舶に対する制御システムを有する従来技術を例示する。制御システム（５）は、共通の数字（８）を有する位置基準センサ及び多数の他のセンサから、アナログ又はディジタルの測定値（７）を受け取るように配列される。この制御システム（５）は、ジョイスティック、ＤＰシステム用の位置設定装置、望ましい船首方位又は舵又はスラスタの角度を設定するヘッディング命令装置、望ましい速度を設定する速度命令装置などの命令入力装置（５０）からの入力された命令をさらに受け取る。測定値及び入力された命令に基づいて、制御システム（５）は、船上の幾つかの装置に、最も重要なことは、電気スラスタエンジン（３２）及び電気プロペラエンジン（３５）によって駆動されるスラスタ（３１）及びプロペラ（３４）などの作動装置（３）に制御信号を送る。これは通常、周波数変換器などの電力変換器を備えている。ディーゼルエンジンなどの電力エンジン（１ｅ）によって駆動される発電機（１ｇ）は、電力管理システム（２）によって制御されて、作動装置（３）が制御システム（５）から命令を受けるときに作動装置（３）からの命令に応じて、発電機（１ｇ）は配電盤に十分で安定した電力を提供する。船舶は、船の位置、船首方位又は速度を妨害する可能性がある風、潮流及び波の影響を受ける。電力管理システム（２）は、制御システム（５）にＰＭＳフィードバック信号（２２）を送る電力管理システム用フィードバック回線（２１）を有する。ＰＭＳはそのようなフィードバック回線なしで配列され、作動装置（３）などの電力消費者及び船に乗っている他の電力消費者及び供給者からの要求に応じて発電機や電力エンジン（１ｇ、１ｅ）に対して直接動作することができる。
【０００６】
通信及び信号は、一般に下記の形式である。
センサ及び位置・船首方位基準センサ（８）からＤＰ制御システム（５）への信号（７）は一般に、アナログ信号と、ＮＭＥＡ０１８３などの規格に適合するＲＳ４８５シリアルラインのような信号回線（８０）上で送信されるＡＳＣ２電文、又は供給業者によって定義されたネットワークメッセージの形式との組合せである。
ＤＰ制御システム（５）からスラスタ用の電気スラスタモータ（３２）などのスラスタ装置への信号、及び電気推進モータ（３５）から推進プロペラ（３４）への信号は、アナログ回線上を送信されるアナログ信号又はＣＡＮ又はＵＤＰなどの通信プロトコルの供給業者の定義によるメッセージ形式を用いるフィールドバス（Fieldbus）又は通信ネットワーク上を送られるメッセージのいずれかである。
電力管理システム「ＰＭＳ」（５）及び船舶オートメーションシステム（電力システムを含む）からＤＰ又は制御システム（５）への信号は、アナログ／ディジタル回線、又はＣＡＮ又はＵＤＰなどの通信プロトコルの供給業者の定義によるメッセージ形式を用いるフィールドバス又は通信ネットワーク上を送られるメッセージのいずれかである。
【発明の開示】
【０００７】
電力管理システム（ＰＭＳ）
本発明は、プロペラ（３４）及びスラスタ（３１）用の全面的又は部分的な電気付勢モータ（３５、３２）を備える船舶（０）に関する。船舶（０）は、一般にディーゼルエンジン及び／又はガスタービン（１ｅ）で駆動される発電機（１ｇ）を含む電力システム（１）を備えている。この発電機（１ｇ）は、電力を消費する船のユニットに供給される電力を発生する。この電力は、通常の動作では指定された電圧の要求された電流を提供する電力バス（１ｂ）を介して、発電機（１ｇ）から船のプロペラモータ（３５）及びスラスタモータ（３２）などの電気ユニットに供給される。電力システムが破壊されないこと及び船の重要な構成要素が給電されなくなる状態を避けることは、船の安全動作に対する重要な要求事項である。特に、スラスタが電力を失うことは避ける必要がある。さらに、「ブラックアウト」又は「ブラックベッセル（black vessel）」と呼ばれる状態、すなわち船の給電が完全に故障することによって特徴付けられる状態は避ける必要がある。
【０００８】
電力システムは、通常は電力管理システム（ＰＭＳ）（２）を備えている船舶オートメーションシステム又は船舶管理システムによって制御される。ＰＭＳシステム（２）は、データプロセッサで実行されるアルゴリズムを有するコンピュータプログラムを含む特別な種類のコンピュータシステムである。このデータプロセッサは、入力信号を電力システムから受け取り、制御信号を電力システムに出力する。このＰＭＳシステム（２）は、後述する幾つかの機能を備えている。
【０００９】
ＰＭＳシステム（２）は、電力システムから送られた電気エネルギーが指定及び要求された電流、電圧及び周波数を実現するように電力システム（１）を制御する。電力に対する要求は、船の運転状態に極めて大きく依存する。すなわち、船が港に停泊しているときは電力の需要は小さく、船が移動中又は船が大きな波や強い風を受けている状態に対処しているとは電力に対する需要は大きくなる。船は、例えばディーゼルエンジン（１ｅ）によって駆動される幾つかの発電機（１ｇ）を備えることができる。電力に対する需要が少ないときは、１つの発電機及び関連するディーゼルエンジンのみを運転させて、残りの発電機及びディーゼルエンジンを停止させることがエネルギー効率が良い。電力需要が最大レベルに近付く場合は、全ての発電機及び関連するディーゼルエンジンを動かす必要がある。電力の範囲が中間の場合は、幾つかの発電機及び関連するディーゼルエンジンを運転することが望ましい。ＰＭＳシステムを一般に使用して、必要な数の発電機のエンジン（１ｅ）の始動及び停止を自動的に管理し、十分な電力を供給すると共に燃費が良い発電に関する経済的な要求事項に適合させる。またＰＭＳシステム（２）は、これに関連して、発電機のエンジン（１ｅ）の始動及び停止にシステムを同期させる。
【００１０】
ＰＭＳシステム（２）は、電力システムの構成要素が設計外の状態及び故障の間に確実に損傷されないようにする機能を有する安全装置（２ｄ）を備えている。
【００１１】
ＰＭＳシステム（２）はリアルタイムで動作して、電力システム（１ｅ、１ｇ）の状態及び電力を消費するユニット（３２、３５）からの電力に対する需要を分析する。電力の需要が電力システム（１）の現在の生産状態と比較すると極めて高いと、ＰＭＳシステムが判断するときの状態を検討する。この時、ＰＭＳシステムにとって幾つかの選択肢がある。
ＰＭＳシステム（２）は、現在稼働していない利用可能な発電機がある場合は、もう１つの発電機（１ｇ、１ｅ）を始動できる。
ＰＭＳシステム（２）は、電力を消費する電気ユニット（３２、３５など）に、例えばある比率又は指定された量の電力を減少させる必要があることを知らせることができる。これは「負荷制限」と呼ばれる。この負荷制限は一時的であり、より多くの発電機を始動させるために必要な時間に関連付けることができる。ブラックアウトとは無関係に、負荷制限の形式の防止機能は、ＤＰシステムにも組み込まれることが多い。
ＰＭＳシステム（２）は、電力を消費するユニットに対して電力の供給を停止することを決定できる。これは、「負荷トリッピング（load tripping）」と呼ばれる。負荷トリッピングは、幾つかの問題が発生する可能性がある望ましくない操作である。それでも、電力システムの中で別の装置が故障している状態では、負荷トリッピングは最終的に必要である。
【００１２】
ＰＭＳシステム（２）は通常、特定のユニットに十分な電力を供給する優先順位を与える目的の優先順位機能を備えている。このことは、電力の需要が極めて高い場合は、船の運転に重要とは思われないユニットに対して、負荷制限及び負荷トリッピングが最初に適用されることを意味する。
【００１３】
負荷不足は、例えば多量の電力を電力ネットワークに一時的に送るように設計されるヒーブ補償装置を備えた船では問題になることがある。さらに、例えば海の状態が極めて穏やかなためにスラスタが多量の電力を消費しない場合は、発電機は最小限の電力を供給することになり、負荷不足が生じる可能性がある。この場合も、ブラックアウトをもたらすことがある。
【００１４】
幾つかの船については、電力システムは幾つかの独立した電力システムに分割されるため、第１の電力システム（１Ａ）は対応する第１の発電機（１ｇＡ）及び第１の電力バス（１ｂＡ）を有する第１の電力エンジン（１ｅＡ）の組みを備え、第２の電力システム（１Ｂ）は第２の発電機（１ｇＢ）及び第２の電力バス（１ｂＢ）を有する第２の電力エンジン（１ｅＢ）の組みを備え、等々となる。この目的は、第１の電力システム（１Ａ）が故障しても、第２の電力システム（１Ｂ）からの電力が依然として利用できることである。２つの別個の電力システム（１Ａ、１Ｂ）の電力バス（１ｂＡ、１ｂＢ）は、タイブレーカ（tie-breaker）と呼ばれる電力スイッチ（１Ｔ）に接続又はそれから切断することができる。大きな電力の需要がある状態では、幾つかの独立した電力システム（１Ａ、１Ｂ、．．．）が関連するタイブレーカ（１Ｔ）と接続して十分な電力容量を得ることは好都合であり、一方他の状態では、タイブレーカが切り離されて独立した電力システムが別個に動作して、ディーゼルエンジンの故障、発電機の故障、又は電力バスの異常などの故障状態により１つの電力システムが破損しても、他の電力システムから利用できる電力が依然として存在するため、ブラックシップ（black ship）の状態が回避される。このタイブレーカ（１Ｔ）は、ＰＭＳシステム（２）によって制御される。別個の電力システムに属する２つの独立した電力バスを接続又は切断することは、２つの電力バス上に大きくかつ急激な電流及び電圧の変動をもたらす可能性があるため、タイブレーカの開閉は重要な動作である。これらの電流及び電圧における変動が過度に大きくなると、結果として１つ以上の独立した電力システムが故障することがある。このことは、タイブレーカの開閉が故障又は他の動作不具合を引き起こさないように、ＰＭＳシステムを設計することが重要であることを意味する。
【００１５】
本発明の第１の実施形態
図２は、本発明の第１の実施形態を例示する。この図では、船用シュミレータ（１００）が、電気スラスタモータ（３２、３５）におけるセンサ（８８）からのスラスタ駆動信号を受け取るように接続される。本発明の第１の実施形態の中に含まれる船用シュミレータ（１００）は、シミュレートされた力をシミュレートされた船（０’）に与えるシミュレート作動装置（３’）を有する。このシミュレートされた船（０’）は、シミュレート位置センサ（８１’）からシミュレート位置（７１’）、シミュレート速度センサ（８２’）からシミュレート速度（７２’）、シミュレート・ジャイロコンパス（８３’）からシミュレート船首方位（７３’）などのようなシミュレートセンサ（８’）からシミュレート測定値（７’）を与える。シミュレートされた船（０’）は、この明細書の別の節の中で説明されたように、シミュレートされた風、シミュレートされた潮流、シミュレートされた波などのようなシミュレート外乱（９’）によっても影響される。シミュレートされた船（０’）は、センサの機能不全、舵の機能不全、スラスタの機能不全、バラストポンプ（ballast pump）の機能不全、電磁的な外乱による信号エラーなどのシミュレート故障モード（９５’）も受ける。センサ（８）からの真の測定値（７）は、制御システム（５）から遮られる。シミュレート測定値（７’）が、真のスラスタ（３２、３５）に依然として接続されている制御システム（５）に送られ、作動装置に真の制御システムを送る。さらに、命令入力装置（５０）が制御システムから切り離されて、シミュレート命令入力装置（５０’）が一連のシミュレート入力命令を制御システム（５）に送る。このため、命令システムは、スラスタ駆動モータに対して一連のシミュレート外乱と組み合わされた一連のシミュレート入力命令に実際に応答するように命令する。一方、船の動力学は、スラスタ駆動モータの応答を除いて別の方法でシミュレートされる。この方法では、シミュレートされた実際的ではあるが滅多に起こらない状態のもとで、電力システムが要求された電力を提供できるか否かについての優れた試験を得ることができる。このシミュレートされた状態には、周知の潮流、風、及び波、又は信号エラー若しくは構成要素の故障などの任意の他の関心のある試験条件を含むことができる。
【００１６】
本発明の第２の実施形態
図３は、本発明の第２の実施形態を例示する。この第２の実施形態は、図２に例示した本発明の第１の実施形態の変形例であり、相違点は、スラスタモータ駆動センサ信号（７８）が制御システム（５）にフィードバックされること、及び電力管理システム（２）からの電力管理フィードバック信号（２２）がＰＭＳフィードバック回線（２１）を通って制御システム（５）に送られることである。発電機（１ｇ）及びこの発電機を駆動するエンジン（１ｅ）は１つの箱の中に結合されて、図面を簡単にしている。
【００１７】
本発明の第３の実施形態
図４は、本発明の第３の実施形態を例示する。この第３の実施形態は、図２及び図３に示された第１および第２の実施形態に類似しているが、シュミレータの中により多くの構成要素を含むため、より高範囲にわたるシミュレーションがシュミレータ（１００）の中で行われる。すなわち、実のスラスタ電気駆動モータ（３２、３５）に対応するシミュレートされた電気駆動モータ（３２’、３５’）が、シュミレータの中に含まれる。シミュレートモータ（３２’、３５’）は、実のスラスタ駆動モータ（３２、３５）に送られる信号と同じ制御信号（６）を制御システム（５）から受け取る。シミュレートモータ（３２’、３５’）のステータスがシミュレートスラスタ駆動センサ（８８’）によって測定され、フィードバック回線（８０’）を通って制御システム（５）にフィードバックされる。シミュレート駆動モータ（３２’、３５’）はシュミレータ（１００）の中でシミュレートされて、シミュレートスラスタ（３１’）及びシミュレートプロペラ（３４’）を備えるシミュレート作動装置（３’）に物理的に接続されるが、シュミレータ（１００）はシミュレート電力管理システム（２’）が付いたシミュレート発電機（１’）をさらに備えている。本発明の前述した実施形態のように、シュミレータはシミュレート測定値（７’）を船のシュミレータ（１００）から実の制御システム（５）に送信する。この実の制御システム（５）は、あたかも船舶（０）が通常の運転をしているがシミュレート外乱（９’）及びシミュレート故障（９５’）によって影響されるように、制御信号（６）を実のスラスタ駆動モータ（３２、３５）及び好ましくは全ての他の作動装置に送り続ける。
【００１８】
本発明の第４の実施形態
図５は、本発明の第４の実施形態を例示するが、図４に示された第３の実施形態とは僅かに異なっている。相違点は、実のＰＭＳ（２）が実のＰＭＳフィードバック信号（２２）を制御システム（５）に提供するように配列され、シミュレートＰＭＳ（２’）が制御システム（５）には接続されず、シュミレータ（１００）の内部で電力生産を制御するシミュレートを続けることである。シュミレータは引き続きセンサ信号（７’）を制御システム（５）に送り、実の船（０）は制御システム（５）を通して命令された作動装置（３）の実際の動作になおも反応する。
【００１９】
ＰＭＳ、電力システム、機械装置及びスラスタ
電気モータ（３２）駆動のスラスタ（３１）によって動力が供給される船（０）を検討する。ＤＰシステム（５）はこの時、制御信号（６）をスラスタに出力する。図１、図２、図３、図４及び図５を参照されたい。制御信号（６）は、各スラスタ（３１）に対する望ましい軸速度、望ましいプロペラピッチ、又は望ましい軸動力の形式とすることができる。スラスタがほとんど即座に望ましい軸速度、プロペラピッチ、又は軸動力を提供することが理想的である。スラスタが電気的に駆動されるという事実のために、スラスタ（３１）に対する軸速度又は軸動力の変化は、電気的スラスタモータ（３２）によって消費される電力の変化を伴う。この電力における変化が消費電力の大きな増加をもたらす場合、電力管理システム（２）の管理のもとにある電力システム（１）は、１つ以上の負荷制限、負荷トリッピング、タイブレーカの閉鎖及び／又は開放、及びエンジン（１ｅ２，１ｅ３，．．．）及び非活動状態であった発電機（１ｇ２，１ｇ３，．．．）を駆動するために必要なポンプやコンデンサなどの他の補助機械装置の始動を含む一連の動作を行う必要がある。そのような一連の動作の後で、電力システム（１）は、必要な電力をスラスタに供給できることになる。（要求されたスラスタの電力の増加は小さいが、電力消費量が別の発電機が始動することを要求されるような限度に近い状態を想像できる。）スラスタ（３１）に対する電力の要求された変化が大きくまた急激である場合は、電力システム（１）及び電力管理システム（２）が要求された電力を供給することが不可能になる前にはかなりの遅延が存在する。このことは、ＤＰシステムの動作の性能に対して重大な影響を有している。オペレータは通常、船の運転を操作し計画するために警告や警報を受け取ることになる。
【００２０】
スラスタ駆動装置
電気モータ（３２）駆動のスラスタ（３１）を用いて動力が供給される船（０）を検討する。スラスタ（３１）は、プロペラが軸上に、多くはトンネル又はダクトの中に取り付けられる船舶用の特殊なプロペラユニットである。スラスタの方向は、これはスラスタが備えるスラストの方向であるが、幾つかのスラスタに対しては主に垂直軸の周りに回転される。そのようなスラスタは、アジマススラスタと呼ばれる。
【００２１】
最初に、方向が固定したスラスタ（３１）を説明する。スラスタ（３１）は、２つのサブシステム、すなわちスラスタ駆動モータ（３２）及びスラストユニット（３１）を含むとみなすことができる。スラストユニット（３１）は、スラスタのプロペラ羽根とプロペラ軸とを備えている。それらはスラスタの一部であり、プロペラ軸が回転するときに水に対して推進力を与える。スラストユニット（３１）は、軸速度に依存する推進力を与える。スラスタ駆動装置は、プロペラ軸を駆動するモータ（３２）並びに関連する電子機器及び制御ソフトウェアを備えている。スラスタに対する入力信号（６１）は一般に望ましい軸速度であるが、場合によっては、それは軸動力とすることができる。スラスタ駆動モータ（３２）の電子機器及び制御ソフトウェアは次に、望ましい軸速度を得るために、スラスタ駆動モータ（３２）の電気モータ（３２）を制御する。スラスタ（３１）の軸速度に対して望ましい値を得るために、スラスタモータ（３２）は、電力管理システム（２）によって制御される電力システム（１）からの十分な供給電力を要求する。
【００２２】
例えば、シュミレータの設計との関連においてスラスタ（３１）の力学の説明の中で、スラスタ（３１）を２つのサブシステムの組合せとして説明すると好都合である。第１のサブシステムはスラスタ駆動装置である。このスラスタ駆動装置は、入力信号として望ましい軸速度が与えられ、また駆動装置の電気モータ（３２）を制御して、十分な電力が電力システムから供給される場合、一定の修正時間の後で測定された軸速度を望ましい速度に収束させる。第２のサブシステムはスラストユニット（３１）であり、これは軸速度の関数として推進力を与える。
【００２３】
ＤＰ制御システム（５）の設計及び調整に関する理想的な状態は、スラスタ駆動システム（３１）が軸速度を直接すなわち修正時間がゼロで望ましい値に駆動することである。これにより、ＤＰ制御システム（５）の設計が簡単になる。しかしながら、実際の応用例では、スラスタ駆動システム（３１）は、軸速度を望ましい値に収束させるためにはいくらかの修正時間を必要とし、ＤＰ制御システム（５）の設計にはこのことを考慮する必要がある。特に、ＤＰ制御システムは、軸速度や電力消費量を測定するスラスタ駆動モータ（３２）システム内のセンサ（８８）からフィードバック信号（７８）を必要とし、さらにＤＰ制御システム（５）は、電力管理システムの状態、特に電圧や周波数、及び電力システム（２）の論理的状態を測定するセンサによる電力管理システム（２）からのフィードバック信号（２２）を必要とする。そのようなフィードバック信号（２２）を用いて、ＤＰ制御システム（５）は、スラスタ駆動モータ（３２）に送られる望ましい軸速度信号（６２）を調整して、電力システム（１）が過負荷にならないように、また軸速度の希望される変動が急速な場合に、スラスタ駆動装置の修正時間がＤＰ制御システム（５）の中で考慮されるようにすることができる。
【００２４】
スラスタ駆動システム（３２）からＤＰシステムへのフィードバック信号（７８）、及び電力管理システム（２）からＤＰ制御システム（５）へのフィードバック信号（２２）が存在することは前述したように有用であるが、それは電力及び推進力に望まれない発振を引き起こすことがある予想外の安定性の問題をもたらす可能性があり、またそれはトリッピング及び重大な事例ではブラックアウトさえももたらす可能性がある。
【００２５】
ＤＰシステム、電力管理システム及びスラスタ駆動装置間の相互作用から結果として発生する潜在的な問題のために、ＤＰ、電力管理及びスラスタ駆動装置と接続されたシステムに対して系統的な試験を行うことが重要である。さらに、そのような試験は、動作モード、天気概況、海の状態及び故障モードの点に関して、高範囲の動作条件で行う必要がある。今日の試験技術は、ソフトウェア及びハードウェアに対して望ましくない修正を行わずに系統的な方法でそのような試験を行うには十分ではない。
【００２６】
別の推進構成
１つの別の推進構成では、アジマススラスタ（３２）が使用される。ここで、スラスタ駆動システムは、スラスタ方向をアジマス角によって垂直軸の周りに回転させるアジマスモータ（３６）と、関連する電子機器及び制御システムとを備えている。さらに推進力の方向は、トンネル方向のアジマス角に依存する。この場合、アジマススラスタに対する入力信号（６２）は、望ましい軸速度及び望ましいアジマス角を含む。スラスタ駆動装置は次に、第１の修正時間の後に軸速度を望ましい軸速度になるように制御し、またスラスタのアジマスモータを制御して、第２の修正時間の後で垂直軸の周りのプロペラ角の方向が望ましいアジマス角の方向に向けられるようにする。
【００２７】
第２の別の推進構成では、プロペラはプロペラ羽根に対してピッチ角度が可変の可変ピッチ式プロペラとすることができる。この種のプロペラでは、推進力は軸速度とプロペラ羽根のピッチ角度とに依存する。この場合、スラスタ駆動システムは、プロペラ羽根のピッチ角度を調整するモータを備えている。スラスタ駆動システムに対する入力信号は、望ましい軸速度及びプロペラ羽根の望ましいピッチ角度である。次に、スラスタ駆動装置は、第１の修正時間の後で軸速度を望ましい軸速度になるように制御し、またプロペラ羽根のピッチ角度が第２の修正時間の後でプロペラ羽根の望ましいピッチ角度になるように制御する。
【００２８】
第３の別の推進構成には、それぞれが水力伝動装置を有するディーゼルエンジンによって駆動される１つ以上の機械駆動プロペラ、及び／又は電気モータによって駆動される１つ以上の電気スラスタがある。この場合は、船のスラスタ駆動システムには、機械駆動プロペラのディーゼルエンジン及び電気スラスタのスラスタ駆動装置が含まれる。船のスラスタ駆動システムは入力信号として、プロペラの望ましい軸速度、可変ピッチ式プロペラの望ましいピッチ角度、及びアジマススラスタの望ましいアジマス角を有する。次に、船のスラスタ駆動システムはスラスタ駆動システムのエンジン及びモータを使用して、軸速度を関連した修正時間で望ましい値に、ピッチ角度を関連した修正時間で望ましい値に、またアジマス角を関連した修正時間で望ましい値になるように制御する。
【００２９】
船の動き及びこの動きのシミュレーション
船（０）の動きは、サージ、スウェイ及びヨーにおける船の速度の点に関して、質量中心の位置によって、またロール、ピッチ及びヨーにおける角度によって説明される。図６を参照されたい。船は、船の動きに影響する力及びモーメントを受ける。これらの力及びモーメントは、風、潮流及び波からの、プロペラ（３４）、スラスタ（３１）及び舵からの、ロール及びピッチの角度並びにヒーブの位置によるスプリング力の作用に対応する静水力学的な力からの、船（０）の速度及び加速度に関連した流体力学的な力からの励起に起因している。船（０）に作用する力及びモーメントは船の動きに依存するが、これに対して船の動きは船に作用する力及びモーメントの結果と見なすことができる。船舶に関する船体、質量及び質量分布の幾何学的配置は周知である。さらに、船の流体力学的なパラメータの評価は周知である。船の動きが与えられる場合、船に作用する力及びモーメントは、例えばアルゴリズムを使用することによってシュミレータの中で計算することができる。ここで船の加速度及び角加速度は、ニュートン及びオイラーの法則から見出された船に関する運動方程式から計算される。そのような運動方程式は、教科書の中で説明されている。運動方程式の中に、次のパラメータが現れる。すなわち、船の質量、質量中心の位置、浮力の中心位置、船の慣性モーメント、長さ、梁及びドラフトを含む船体の幾何学的配置、流体力学的に加えられた質量、流体力学上の潜在的な減衰、粘性減衰、ヒーブ、ピッチ及びロールの動きによる船体の復元力及びモーメントに関連するパラメータ、船体に対して結果として生ずる力及びモーメントに対する波成分の振幅、周波数及び方向に関するパラメータ、である。さらに、運動方程式には、プロペラの速度及びピッチの関数としてプロペラからの作動装置の力、舵の角度及び船の速度の関数として舵からの力、及びスラスタの速度及び方向の関数としてスラスタからの力に関する数学モデルが含まれる。
【００３０】
下記の方法を使用して、Ｔ０からＴＮの時間間隔にわたる船（０，０’）の動きを計算できる。
【００３１】
船の動きは初期時刻Ｔ０において与えられて、力及びモーメントはこの時刻で計算されると仮定する。時刻Ｔ０における船の加速度及び角加速度は、船（０，０’）に対する運動方程式から計算することができる。次に、時刻Ｔ１＝Ｔ０＋ｈにおける船の動きを計算するために、数値積分アルゴリズムを使用できる。ここで、ｈは積分アルゴリズムの時間ステップである。船に対して、時間ステップｈは一般に、０．１〜１ｓの範囲にある。時刻Ｔ１における船（０，０’）の動きが計算されるときに、時刻Ｔ１の力及びモーメントを計算することができ、Ｔ１における加速度及び角加速度は運動方程式から求められる。再び数値積分を用いて、時刻Ｔ２＝Ｔ１＋ｈにおける船の動きが計算される。この手順は、時刻ＴＮに達するまで各時刻ＴＫ＝Ｔ０＋ｈ＊Ｋにおいて繰り返すことができる。
【００３２】
船に作用する波は、波成分の合計として説明される。ここで、１つの波成分は、所定の周波数、振幅及び方向を有する正弦波の長い波高波（long-crested wave）である。海における所定の位置に対して、波成分の振幅及び周波数の一般的な分布は、ＪＯＮＳＷＡＰ又は１ＴＴＣスペクトルなどの周知の波スペクトルによって与えられる。ここで、波スペクトルの強度は、有義波高（significant wave height）によってパラメータ化される。船に作用する結果として生ずる力及びモーメントは、波の振幅、周波数及び方向の関数であり、また船の速度及び進路の関数である。風からの力及びモーメントは、風方向に対する船の進路の関数として、風速、風の方向、船の速度及び海面上の船の投影面積によって与えられる。潮流からの力及びモーメントは、潮流の速度、潮流の方向、海面下の船体の投影面積によって与えられ、また潮流の方向に対する船の速度及び進路によって与えられる。
【００３３】
動的位置決め−ＤＰ
動的位置決め、いわゆるＤＰでは、船（０）は３つの自由度（ＤＯＦ）で制御される。ｘ及びｙ並びに進路における望ましい位置は、入力命令装置又はコントロールパネル（５０）上のキーボード、ローラボール（roller ball）、マウス又はジョイスティックを使用するオペレータからの入力として与えられる。制御システム（５）を使用して、船が望ましい位置及び進路を得るために、サージ及びスウェイ方向の必要な作動装置の力、及びヨー軸周りの作動装置のモーメントを計算する。制御システム（５）は、命令された作動装置の力及びモーメントに対応するプロペラ力、舵力及びスラスタ力の計算を含む作動装置割当て（actuator allocation）も含む。制御システム（５）は、船（０）に搭載されたコンピュータ上でアルゴリズムを走らせることによって実行される。この制御システムのアルゴリズムは、望ましい位置及び進路を測定された位置及び進路と比較し、これを基礎にしてアルゴリズムは教科書で見出される制御理論を用いて、必要な作動装置の力及びモーメントを計算する。さらに、アルゴリズムは、プロペラ力、舵力及びスラスタ力が計算される割当てモジュールを備えている。位置及び船首方位は、ＤＧＰＳセンサ、ジャイロコンパス、トランスポンダが海底に配置される水中音響センサシステム（hydro-acoustic sensor system）、レーザ又はレーダーをベースにした位置基準センサ、及び海底に固定されたトートワイヤ（taut-wire）の傾斜が測定されるトートワイヤによって測定される。
【００３４】
ジョイスティックシステム
そのようなシステムはＤＰシステムに類似しており、位置フィードバックがない場合を除いて、ＤＰシステムの中に組み込まれることが多い。オペレータは、ジョイスティックを用いて全体的なスラストの方向及び大きさを命令することによって、船を手入力で位置決めする。そのようなシステムは、ＤＰ制御システムとまさに同じようにスラスタ、電力システム及び電力管理システムに依存する。ジョイスティックシステムの中には、風又は潮力に対する自動船首方位制御機能及び補償機能を備えるものもある。
【００３５】
短い図面の説明
従来技術は図１にブロック図で示されている。この図面では、制御システムは、対応する入力命令装置から入力命令を、またいわゆる位置基準センサから測定値を受け取る。制御システムは動的位置決めシステムとすることができ、制御信号を作動装置用の電気モータに送る。外力と組み合わされた作動装置の力は、前記センサによって感知された動的な船の動きを結果として生じて、制御システムがさらに反応するようにさせる。作動装置は、船上に電力エンジンを有する発電機からの電気エネルギーが与えられている。発電機及びエンジンは、電力管理システムによって制御される。
【００３６】
本発明は、添付した図２から図５の中で例示されている。図面は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を限定すると解釈してはならない。本発明の範囲は、添付した請求の範囲によってのみ制限される。
【００３７】
動的位置決めシステム（ＤＰ）と組み合わせた電力管理システム（ＰＭＳ）
ＰＭＳ及び電力システムに関する最大の問題点は、電力システムの中で大きく急速に変化する電力の変動が起こることである。特に、大きくまた突然の電力増加は潜在的な問題点であり、電力トリッピング又はブラックアウトをもたらす可能性がある。そのような突然で大きな電力需要の増加は、電気スラスタの電力が大きくまた突然増加することによってもたらされる可能性がある。このことは、ＤＰ運転のもとで大きな波又は突風が生じることにより、又は位置又は船首方位が一時的に損なわれる何らかの構成要素の故障の結果として発生することがある。ＤＰシステムのもとで動作している船のスラスタの電力消費量は、ＤＰシステムのきめ細かい特性及び性能に依存する。このことは、電気スラスタ及びＤＰ機能を有する船に対するＰＭＳシステムの性能は、ＤＰシステムに大きく依存していることを意味する。
【００３８】
電気で動力が供給されるスラスタを有する船で動作状態のＤＰシステムのブロック図が、図１に示されている。このＤＰ制御システムは、制御信号をスラスタシステムに送る。このスラスタシステムは電力システムによって動力が与えられ、これは次に船舶自動化・ＰＭＳシステムによって制御される。ＤＰ制御システムはＰＭＳシステムからフィードバック信号を受け取って、電力システムのブラックアウトをもたらす可能性があるような潜在的に厄介な状況を避けるために自身の制御信号を調整できる。これは通常、ＤＰシステムにおけるブラックアウト予防機能と呼ばれる。船舶自動化・ＰＭＳシステムは、多くの論理的条件及び規則ベースの制御を行う複雑なシステムであるため、電力システム及びＰＭＳシステムからＤＰ制御システムへのフィードバック相互接続は分析するのが困難であり、このためそれは、許容できない電力の変動又は電力のブラックアウトなどの望ましくない事象をもたらすことがある予期しない安定性の問題を引き起こす可能性がある。
【００３９】
ＤＰを有する船に対するＰＭＳの試験
ＰＭＳシステムは複雑なシステムであり、ＰＭＳシステムが成功している動作は、電気的に駆動されるスラスタ及びプロペラを有する船の動作にとって重要である。このことは明らかに、ＰＭＳシステムの機能を高範囲に試験する要求を取り入れる。現在利用可能な試験システムを用いて、ＰＭＳシステムはＦＡＴ試験（工場承認試験（Factory Acceptance Test））ではＰＭＳシステムの製造業者の施設で試験され、それが据え付けられた後の海上試験では、船上で試験される。しかしながら、ＰＭＳシステムの性能は、それが制御する特定の電力システムの特性に密接に依存している。特に、ＤＰシステムによって制御されたときのプロペラ及びスラスタの電力に関する要求事項は、電力全体の中の重要な部分である。このために、要求された電力をＤＰシステムに供給しているときに、ＰＭＳシステムが適切に機能していることを調べるために、ＰＭＳシステムをＤＰシステムと組み合わせて試験する必要がある。さらに、そのような試験は、高範囲の動作条件、すなわち様々な海の状態、様々な潮流、種々のセンサ及び作動装置の故障、及び種々のオペレータの間違いに対応する必要がある。
【００４０】
このことは、ＰＭＳシステムの製造業者の施設におけるＦＡＴ試験で別個のユニットとしてＰＭＳシステムを試験することは十分でないことを意味している。さらに、ＰＭＳシステムが船上に据え付けられた後の海での試運転の中でそれを試験する必要がある。しかしながら、予想される条件でＰＭＳシステム及びＤＰシステムの完全に実際的な試験を行うためには、予想されるが滅多に発生しない天候条件及び海の状態を待つ又は求めること、又は何らかのエラーが発生する場合に予想できる状態を待つ又は引き起こすことが必要であるが、そのような状態が偶発的に又は刺激によって発生することは危険である。制御システムがエラーを適切に補償するための制御信号を発生するかどうかを確認するために、選択項目として、船をエンジン又は発電機を損傷させるような極端な状態に合わせることはほとんど考えられない。そのような種類の試験は、通常は行われない。
【００４１】
従来技術：閉ループＤＰ制御システムのＨ１Ｌ試験
図１は、ＤＰシステムの動作状態のブロック図を示す。ＤＰ制御システムへの入力には、位置基準センサ及び他のセンサからのセンサ信号、船舶自動化・ＰＭＳシステムからのフィードバック信号、及び入力命令装置からの入力命令がある。ＤＰシステムからの出力は、プロペラ及び／又はスラスタを含む作動装置への制御信号である。
【００４２】
図２では、シュミレータ（１００）を有する閉ループの中で、ＤＰ制御システム（５）を本発明に基づいてどのように動的に試験することができるかを例示している。この種の試験は、ループ内ハードウェア試験（hardware-in-the loop testing）（Ｈ１Ｌ試験）と呼ばれる。シュミレータ（１００）は、作動装置シュミレータモジュール（３’）、シミュレートされた中核の電力管理システム（３’）の機能を有するシミュレートされたディーゼル電力システム（１’）、シミュレートされた船モジュール（０’）、及びシミュレートセンサ及び位置基準モジュール（８’）を備えている。シミュレート作動装置モジュール（３’）は、シミュレートされた船（０’）に作用するシミュレートされた力及びモーメントを発生し、次にシミュレートされた船（０’）の動きがリアルタイムで計算される。従来技術の通常のＨ１Ｌ試験では、ＤＰ制御システムへの入力は、シュミレータ（１００）からのシミュレートセンサ信号及びシミュレート入力命令装置（５０’）からのシミュレート入力命令（５１’）である。このシミュレート入力命令装置（５０’）は、シュミレータ（１００）の一部を構成することができる。ＤＰ制御システム（５）の出力命令は、シュミレータ内のシミュレート作動装置（３１’、２４’）に送られる制御信号（６、６２）である。通常のＨ１Ｌ試験では、ＤＰ制御システムの出力制御信号（６、６２）は船の作動装置（３）には接続されず、またＤＰ制御システムの入力信号は実の位置基準センサ及び他のセンサ（８）からは到達しない。
【００４３】
図２に示したＨ１Ｌ試験の様式は、海の状態及び天候条件の形式で高範囲の動作状態のもとで、またシュミレータ内の関連する状態を設定することによって高範囲の故障状態に対して、ＤＰシステムを試験するのに極めて有用である。作動装置信号に応答する船の動き及び船の動きに応答するセンサ信号の詳細で正確な動的シュミレータを開発することが可能であるという事実に基づいて、このことは実現可能である。これとは対照的に、電力システム（１’）及びＰＭＳシステムのシュミレータ（２’）に対して正確なシュミレータを開発することは容易ではない。その理由は、これらのシステムは極めて複雑で、十分詳細に設計することは困難であり、また利用可能な方法及び技術を用いてＰＭＳシステムを正確にシミュレートすることを困難にする不連続な出力を有する多数のスイッチング素子を含むためである。このことは、この様式のＨ１Ｌ試験は、電力システム及びＰＭＳシステムの機能及び性能を系統的かつ包括的に試験できないことを意味する。
【００４４】
通常のＨ１Ｌ試験では、ＤＰ制御システムへの入力はシュミレータからのシミュレートセンサ信号、及び場合によってはシミュレートされた電力システム及びＰＭＳシステムからのシミュレート信号、及びシュミレータからのシミュレート入力命令である。ＤＰ制御システムの出力は、シュミレータの中のシミュレート作動装置に送られる制御信号である。通常のＨ１Ｌ試験では、ＤＰ制御システムの出力は船の作動装置には接続されず、またＤＰ制御システムの入力は実の位置基準センサ及び他のセンサからは到達しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
本発明の説明
本発明の第１の実施形態
本発明の第１の実施形態は、次の相互接続されたモジュール、すなわちＤＰシステム、スラスタ駆動システム、電力システム、及び電力管理システムを備えるシステムを試験するための新しいＨ１Ｌ試験配列に関連して図２に例示されている。
【００４６】
その動作状態において、これらのモジュールは次のように段取りを付けられている。
ＤＰ制御システム（５）の出力信号は、スラスタ駆動モータ（３２）システムへの制御信号（６、６２）である。このスラスタ駆動モータ（３２）システムは、電力管理システム（２）によって制御される電力システム（１、１ｇ、１ｅ）から供給される電気エネルギーを消費する。スラスタ駆動モータ（３２）システムは、命令された望ましい軸速度、ピッチ角度及びアジマス角を有するプロペラの形式の推進ユニット（３１）を駆動する。また、これに応答して、推進ユニット（３１）は、風や波などの外力を考慮に入れて船を駆動する推進力を設定する。船の動きにとっては、サージ、スウェイ及びヨーが船を動的に位置決めすることに関して一層重要である。船の動きは位置基準センサ（８）によって測定され、この位置基準センサからのセンサ信号（７）はＤＰ制御システム（５）に入力され、これが今度は、船に対してサージ、スウェイ及びヨーの望ましい指定された動きを実現させる適切なスラスタ駆動信号（６、６２）を計算する。
【００４７】
本発明の第１の基本的な実施形態は、下記のステップを含んでいる。
スラスタ駆動モータ（３２）システムによって設定される軸速度、ピッチ角度及びアジマス角は、スラスタ駆動信号（７８）を発生する市販のスラスタセンサ（８８）を用いて測定される。
スラスタ駆動システム（３２）のスラスタ駆動センサ信号（７８）は、シュミレータ（１００）への入力信号として使用される。シュミレータ（１００）は、シミュレート変数（７’）をリアルタイムで計算するアルゴリズムを有する。このシミュレート変数（７’）は、軸速度、ピッチ角度及びアジマス角、すなわちシュミレータ（１００）に入力されたスラスタ駆動信号（７８）に応答してシミュレートされた船（０’）の動きを記述する。
シュミレータ（１００）は、起こり得るシミュレート故障モード（９５’）を含むシミュレート外乱（９’）のもとで、船（０’）のシミュレートされた動作に対応するシミュレート位置基準センサ信号（７’）をリアルタイムで計算する位置基準センサ用のシュミレータモジュール（８’）を備えている。
【００４８】
位置基準センサ（８）からの実のセンサ信号（７）は、本発明の動作中はＤＰ制御システム（５）から切り離され、その代わり、シミュレート位置基準信号（７’）がＤＰ制御システム（５）に入力される。
【００４９】
第１及び第２の実施形態を通して、スラスタ駆動センサ信号（７８）はＤＰ制御システム（５）に入力されることから切り離されて、ＤＰ制御システム（５）への入力として使用されるシミュレートされたスラスタ駆動センサ信号（７８’）に置き換えられる。
【００５０】
本発明によるシステムは、前記制御システム（５）及び前記電力管理システム（２）が共に正しく機能するか、及び前記シミュレートセンサ信号（７’）及び前記シミュレート外乱（９’）のもとでフォールトトレラント（fault tolerant）であるかどうかを試験するように構成されている。シミュレート故障（９５’）は、センサ、作動装置及び信号送信部などの機械的、電気的及び電子的な機器におけるシミュレートされた１つ及び複数の故障とすることができる。本発明によるシステムの試験には、制御システム（５）、実の電力システム（１）及び電力管理システム（２）が機械的、電気的及び電子的な構成要素における前記シミュレートされた１つ及び複数の故障に対してフォールトトレランス（fault tolerance）を与えるかどうかに関する試験を含むことができる。
【００５１】
本発明の第２の実施形態（代案３）
本発明の第２の実施形態では、システムは動作状態では第１の実施形態とほぼ同じであるが、システムが軸速度、電力消費量、ピッチ角度及びアジマス角を測定するスラスタモータ用センサ（８８）を含むという特徴に加えて、スラスタセンサからのセンサ信号（７８）及び電力管理システム（２）からの実のＰＭＳフィードバック信号（２２）はＤＰ制御システム（５）への入力信号である。本発明は、本発明の基本的な実施形態と同じステップを有する。
【００５２】
本発明の第３の実施形態（代案２）
図４に例示された本発明の第３の実施形態では、システムはその動作状態ではかなり第２の実施形態に似ているが、幾つかの僅かであるが重要な相違点がある。本発明の第３の実施形態は、次のステップを含んでいる。
ＤＰ制御システム（５）からの出力信号（６、６２）は、第１及び第２の実施形態と同様に、スラスタ駆動システム（３２、３１）への制御信号（６２）を含む。
ＤＰ制御システム（５）の出力信号（６）はスラスタ駆動システムへの制御信号（６２）を含み、さらにシュミレータ（１００）内のシミュレート駆動モータ（３２’）への実の入力制御信号（６２）として使用される。図４を参照されたい。
シュミレータ（１００）は、スラスタ（３１’）用のシミュレート電気駆動モータ（３２’）の動力学を記述するシミュレート変数をリアルタイムで計算するアルゴリズムを有するシュミレータモジュール（３２’）を有する。さらに、シュミレータモジュールは、シミュレートスラスタ（３１’）のシミュレートされた軸速度、電力消費量、ピッチ角度及びアジマス角を含むシミュレート電力システム（１’）及びシミュレート電流管理システム（２’）を備えている。
シュミレータ（１００）の中の船の動力学アルゴリズム用モジュールは、シミュレート外乱（９’）及び場合によってはシミュレート故障モード（９５’）のもとでシミュレートされた軸速度、ピッチ角度及びアジマス角に応答して、シミュレートされた船（０’）の動きを記述するシミュレート変数をリアルタイムで計算する。
シュミレータは、スラスタ駆動システムの動力学を記述する変数に対応するシミュレートセンサ信号を計算するシュミレータモジュール（８’）を備えている。
シュミレータ（１００）は、シミュレートされた船（０’）のシミュレートされた動きに対応するシミュレート位置基準センサ信号（７’）をリアルタイムで計算する位置基準センサ用のシュミレータモジュール（８’）を備えている。
位置基準センサ（８）からのセンサ信号（７）はＤＰ制御システム（５）から切り離されて、その代わりシミュレート位置基準信号（７’）がＤＰ制御システム（５）に入力される。
【００５３】
シミュレート電力管理システム（２’）から出力されるフィードバック測定信号（２２’）は、図４に例示されるように、ＤＰ制御システム（５）に送り返されるが、シミュレートＰＭＳ（２’）の出力信号（２２’）は記録され、実の電力管理システム（２）から出力される実の測定信号（２２）と比較されて、シミュレート電力管理システム（２’）のシミュレーションの品質が確認される。（十分に類似している場合は、作られたすなわちシミュレートされたＰＭＳ（２’）は、シミュレートされた条件のもとで、実のＰＭＳ（２）に対する実際的なシミュレーションモジュールとして確認され、将来のモデリングに使用される。）前述したように、電力システム用の正確なシュミレータ（１’）及びＰＭＳシステム用のシュミレータ（２’）を開発することは容易ではない。その理由は、これらのシステムは十分詳細に形作るには極めて複雑で難しく、また利用可能な方法及び技術を用いてＰＭＳシステムを正確にシミュレートすることを困難にするような、不連続な出力を有する多数のスイッチング素子を備えているため、不十分に設計された電力管理システム（２’）からのフィードバックは実際的に使うことができないためである。
【００５４】
本発明の第４の実施形態
図５に例示された本発明の第４の実施形態では、システムはその動作状態では、第３の実施形態に良く似ている。本発明の第４の実施形態は、本発明の第３のステップに加えて下記の別のステップを含む。
実の電力管理システム（２）からの信号（２２）が、ＰＭＳフィードバック回線（２１）を経由してＤＰ制御システム（５）に接続される。シミュレート電力管理システム（２’）からのシミュレート信号は、ＤＰ制御システム（５）には入力されない。
【００５５】
本発明の種々の実施形態の利点
本発明の第１の実施形態
図２に例示した本発明の第１の実施形態は、ＤＰ制御システム（５）、スラスタ駆動モータ（３２）システム、電力システム（１）、及び電力管理システム（２）を備えるシステムのループ内ハードウェア（「Ｈ１Ｌ」）試験である。スラスタ駆動システム（３２）が実際のスラスタ（３１）ユニットを駆動し、これが今度は船（０）を駆動するため、スラスタ駆動システム（３２）上の負荷は実際的である。ＤＰ制御システムがＨ１Ｌ試験において試験される従来技術と比較すると、本発明の利点は、スラスタ駆動システム（３２）、電力システム（１）、及び電力管理システム（２）もＤＰ制御システム（５）と組み合わせてループ内ハードウェア構成で試験されることである。このことは、ＤＰ制御システム（５）と電力管理システム（２）との間の接続が、負荷トリッピング及びブラックアウトを含む潜在的に危険な又は犠牲の大きい状態をもたらすことがある予期せぬ問題の原因になる可能性があるため重要である。
【００５６】
スラスタセンサ信号（７８）を入力信号として受け取る船のシュミレータ（１００）を含めることにより、天候条件、海の状態、運転中のシナリオ、及びシミュレート故障モード（９５’）に関するシミュレート外乱（９’）を用いてシステムを高範囲のシミュレートされた状態に対して試験することが可能になる。システムを通常の海の中でそのような高範囲の実際的な状態で試験をすることは可能ではあるが、実現することはできない。その理由は、これは高範囲の天候条件及び海の状態を求める必要があり、また船を潜在的に危険な故障状態にすることになるため、このことは民間の船に対して許容できない試験時間及び法外な費用及び船に対して潜在的な危険をもたらす可能性があるためである。
【００５７】
本発明の第２の実施形態
図３で例示された本発明の第２の実施形態は、基本的な実施形態と同じ利点を有するが、さらにスラスタ駆動装置（３２）からのフィードバック信号（７２）及び電力管理システム（２）からＤＰ制御システム（５）へのフィードバック信号（２２）が試験に含まれる。これらのフィードバック相互接続を含めることはＤＰシステムでは一般的であり、ＤＰシステム及び電力管理システムの組み合わされた動力学の複雑性を増加させる。そしてＨ１Ｌ構成で組み合わされたシステムの試験の数は大きな値になる。
【００５８】
本発明の第３の実施形態
図４に例示された第３の実施形態は、ＤＰ制御システム（５）、スラスタ駆動モータシステム（３２）、電力システム（１）、及び電力管理システム（２）を備えるシステムのループ内ハードウェア試験である。この実施形態では、シュミレータ（１００）は、スラスタ駆動システム（３２’）、電力システム（１’）及び電力管理システム（２）のモデルを含む。この解決策の利点はスラスタ駆動センサ（８８）にアクセスする必要がないことであり、このことは、この解決策がより簡単な接続をもたらすことができるため、試験システムをスラスタ駆動センサに接続する必要がある第１及び第２の実施形態の場合よりも、試験前の準備に時間がかからないことを意味する。
【００５９】
第１の実施形態及び第２の実施形態と比較すると、この第３の実施形態には、スラスタ電気駆動システム（３２’）、電力システム（１’）、及び電力管理システム（２’）に対してシミュレーションモジュールを備える必要があるという考えられる不都合がある。前述したように、これらのモジュールは正確にシミュレートすることは困難である。しかしながら、この実施形態では、実のスラスタ駆動システム（３２、３１）、実の電力システム（１）、及び実の電力管理システム（２）は、例えスラスタ駆動システム（３２’）、電力システム（１’）、及び電力管理システム（２’）に対するシミュレーションモジュールが不正確であっても完全に試験される。この理由は、実のスラスタ駆動システム、実の電力システム、及び実の電力管理システムは試験ではＤＰシステムによって駆動され、また試験のシナリオがこれら実のモジュールの故障や破損を招く場合は、これは試験で検出されるからである。
【００６０】
また、この実施形態では、スラスタ駆動システムは実際のスラスタユニット（３１）を駆動し、そのスラスタユニットが今度は船（０）を駆動するため、スラスタ駆動システム（３２）上の負荷がかなり実際的になる。このことは、従来技術と比べた場合、この実施形態も利点を有することを意味する。ＤＰシステムがＨ１Ｌ試験で試験されるこの実施形態では、スラスタ駆動システム、電力システム、及び電力管理システムもＤＰシステムと組み合わされて高範囲の動作条件でシュミレータの中に設定されているように試験される。
【００６１】
本発明の第４の実施形態
この第４の実施形態は、第３の実施形態と多少とも同じ利点を有する。シミュレート電力管理システム（２’）からのフィードバックがなく、実の電力管理システムからのフィードバックを受け取る場合、シミュレーションにおける不正確又はエラーによる障害は避けられる。さらに、まれではあるが直面する可能性があるシミュレートされた状態におけるＰＭＳ（２）と制御システム（５）との間の結合による誤動作を、明らかにすることができる。試験されるシステムの詳細な特性、特に電力管理システムからＤＰシステムへのフィードバックの配置は、４つの実施形態のうち３つを使用すべきかどうかを決定することになる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】船舶に対して制御システムを用いる従来技術を例示する図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を例示する図であり、船舶シュミレータが、電気スラスタモータにおいてスラスタ駆動信号をセンサから受け取るように接続されている。
【図３】本発明の第２の実施形態を例示する図である。この第２の実施形態は、図２に例示された本発明の第１の実施形態の変形例であり、相違点は、スラスタモータ駆動用センサ信号が制御システムにフィードバックされること、及び電力管理システムからの電力管理フィードバック信号が制御システムに送られることである。
【図４】本発明の第３の実施形態を例示する図である。この第３の実施形態は、図２及び図３に示された第１および第２の実施形態に類似しているが、より多くの構成要素がシミュレートされるため、より高範囲にわたるシミュレーションがシュミレータの中で行われる。すなわち、実のスラスタ電気駆動モータに対応するシミュレートされた電気駆動モータが、シュミレータの中に含まれる。この実施形態は、シュミレータからＤＰ制御システムへのスラスタフィードバックを備えている。
【図５】本発明の第４の実施形態を例示する図であり、図４に示された第３の実施形態とは僅かに異なっている。相違点は、実のＰＭＳが実のＰＭＳフィードバック信号を制御システムに提供するように配列されることである。この実施形態は、シュミレータからＤＰ制御システムへのスラスタフィードバックも備えている。
【図６】海上の船の可能な回転運動を例示する図であり、長手方向の軸の周りのロール、船の横方向の軸の周りのピッチ、及び垂直軸の周りのヨーが同じ軸に沿ったサージ、スウェイ及びヒーブと共に示されている。
【図７】水平なｘ−ｙ面におけるサージ、スウェイ及びヨーを例示する図である。
【図８】スラスタ用プロペラを用いることによって、動的なステーション維持ドリリング動作（station-keeping drilling operation）において配列されるドリリングプラットフォーム（drilling platform）の、前の図に類似した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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