СПОСОБ КОНТРОЛЯ НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ СУДНА
METHOD FOR MONITORING VESSEL INSUBMERSIBILITY

Изобретение относится к судостроению, а именно к способам контроля мореходных качеств аварийных судов, и может быть использовано при создании интеллектуальных систем мониторинга безопасности мореплавания.
Цель изобретения - повышение безопасности плавания судна путем повышения достоверности оценки мореходных качеств аварийного судна.
Наиболее близким техническим решением оперативного контроля непотопляемости в условиях эксплуатации является «Способ контроля непотопляемости судна» по патенту РФ №2016812 от 30.07.94. Этот патент использован в качестве прототипа.
Известен способ контроля непотопляемости, заключающийся в измерении периода бортовой качки, амплитуд угловых перемещений и ускорений судна относительно продольной и поперечной его центральных осей, осадок носом и кормой, курсового угла и скорости судна в условиях волнения и определении расчетом метацентрической высоты.
Недостатком этого способа является отсутствие датчиков, обеспечивающих контроль линейных перемещений и ускорений относительно вертикальной центральной оси и влившейся в затопленные отсеки воды, а также адаптивных свойств алгоритма, обеспечивающего идентификацию ситуации и настройку параметров моделей преобразования информации в процессе затопления отсеков.
Технический результат достигается тем, что дополнительно измеряют линейные перемещения и ускорения судна относительной вертикальной центральной оси и уровни жидкости в затопленных отсеках, устанавливают случай затопления и параметры равновесной посадки, вырабатывают практические рекомендации по проведению мероприятий по поддержанию плавучести и остойчивости аварийного судна.
На фиг.1 представлена обобщенная структурная схема устройства, реализующая предлагаемый способ.
1
N
Устройство содержит измерительный блок 1, включающий датчики угловых перемещений 2 и ускорений 3 судна относительно продольной и поперечной его центральных осей, датчики линейных перемещений 4 и 5, определяющие осадки судна носом и кормой, датчик «кажущегося» периода бортовой качки судна 6, датчик курсового угла волны 7, датчик скорости судна 8, датчик линейных перемещений и ускорений судна относительно вертикальной оси 9, датчики уровней жидкости 10 в затопленных отсеках h-h, сигналы от которых поступают на средство обеспечения совместимости 11, состоящее из блока нормирования и коммутации сигналов 12 управляющего процессора АЦП 13 и интерфейса 14, осуществляющих преобразование и фильтрацию исходной информации и ввод ее в ЭВМ 15 с периферийным оборудованием, включающим накопитель на магнитном диске, цветной графический дисплей 16 и печатающее устройство 17, позволяющее реализовать разработанный алгоритм обработки данных измерений и отобразить результаты в виде, удобном для восприятия судоводителем.
Способ контроля непотопляемостиоси судна осуществляют следующим образом.
Н
К
K
K
1
N
Измеряют угловые и линейные перемещения θ,Ψ и ускорения θ",Ψ" судна относительно продольной и поперечной его центральных осей, осадки судна носом Т и кормой Т, «кажущийся» период волны τ, курсовой угол волны φ и скорость судна на нерегулярном волнении V, дополнительно измеряют линейные перемещения Т и ускорения Т" судна относительно вертикальной оси и уровни жидкости в затопленных отсеках h-h.
При построении алгоритма контроля непотопляемости использованы данные работы:
Нечаев Ю.И., Анищенко О.П., Кирюхин И.А. Интеллектуальная система контроля непотопляемости судна // Системы искусственного интеллекта в интеллектуальных технологиях XXI века. - Санкт-Петербург: Арт-Экспресс, 2011, с.83-98.
По данным измерений устанавливают:
1. Информационный вектор, представляющий результаты измерений
<mrow><mi>J</mi><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>θ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>ψ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>T</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>ϕ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>T</mi><mi>H</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>T</mi><mi>K</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>…</mo><mtext> </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>h</mi><mi>N</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
G
и позволяющий получить фактические значения водоизмещения D судна, метацентрическую высоту h и аппликату центра масс Z
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mi>H</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>T</mi><mi>K</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msup><mi>C</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>θ</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>W</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>Z</mi><mi>G</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Z</mi><mi>m</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
W
m
где C=f(D) - инерционный коэффициент; B - ширина судна, м; (τ) - средний период крупных колебаний при бортовой качке, с; Z - аппликата метацентра, м.
1
N
3. Случай затопления S - путем обработки сигналов от датчиков уровней жидкости в затопленных отсеках h, …, h и текущих значений углов крена и дифферента θ(t) и Ψ(t).
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo>…</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>h</mi><mi>N</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>ψ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
4. Выборку данных измерений и «скользящее окно» угловых и линейных перемещений и ускорений судна относительно его продольной, поперечной и вертикальной центральных осей в процессе выполнения трех шагов обработки измерительной информации: на первом шаге обработка ведется в течение 2 минут, на втором - 4 минут, на третьем 6 минут, а далее формируется «скользящее окно», длительностью 6 минут.
<mrow><mi>J</mi><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mo>→</mo><msub><mi>J</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mo>→</mo><msub><mi>J</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mo>→</mo><msub><mi>J</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mo>→</mo><msub><mi>W</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo>…</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>W</mi><mi>N</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
3
1
N
где J(X) - информационный вектор (1), определяющий поток измерительной информации после инициализации алгоритма; J(X), …, J(X) - поток информации на первом - третьем шагах работы алгоритма; W(X), …, W(X) - поток информации при движении «скользящего окна».
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mrow><mtext> X</mtext></mrow><mrow><mtext>max</mtext></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
5. Функцию
в общей модели взаимодействия аварийного судна с внешней средой
<mrow><msub><mi>X</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msup><mi>X</mi><mo>∗</mo></msup><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>±</mo><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
на основе которой выполняют оценку особенностей режимов качки в соответствии со следующей структурой:
<mrow><mi>Pr</mi><mi>o</mi><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>d</mi><mi>u</mi><mi>r</mi><mi>e</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>I</mi><mi>d</mi><mi>e</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>∈</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>L</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Pr</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>N</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>l</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Pr</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
линейная модель - Linear(Pr):
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>0</mn><mo>;</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
нелинейная модель - Nonlinear(Pr):
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>≠</mo><mn>0.</mn><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
показывающей, что при линейном характере колебаний (9) равновесное и среднее значения колебательного процесса оказываются близкими в пределах допустимой погрешности алгоритма, работа которого завершается оценкой текущей погрешности обработки информации и выдачей результатов анализа на выход системы контроля. При выполнении условия (10) алгоритм продолжает работу в рамках нелинейной интерпретации данных динамических измерений.
o
1
m
m
*
В приведенных формулах (7)-(10) X - равновесное значение параметра посадки; X - среднее значение процесса колебательного движения судна относительно продольной, поперечной и вертикальной центральных осей; F(X) - функция идентификации, учитывающая особенности динамики аварийного судна в процессе «настройки» модели взаимодействия; X - средний размах;
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mrow><mtext> X</mtext></mrow><mrow><mtext>max</mtext></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow>
- функция интерпретации, позволяющая выделять «скрытые» эффекты в зависимости от особенностей колебательного движения судна при линейной и нелинейной качке;
и
- экстремальные значения средних амплитуд ускорений судна относительно продольной, поперечной и вертикальной центральных осей. Знаки + или - в формуле (7) определяют смещение области равновесных значений в зависимости от особенностей асимметричной качки. В процессе функционирования алгоритма эти знаки выбираются автоматически в зависимости от особенностей колебательного режима: знаку плюс соответствует смещение области средних значений на правый борт, а знаку минус - на левый борт.
6. Параметры адаптивной модели, обеспечивающей идентификацию алгоритма в рамках «скользящего окна» применительно к конкретному судну на основе регрессионной зависимости
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><msub><mi>X</mi><mi>m</mi></msub><mo>−</mo><mi>B</mi><msubsup><mi>X</mi><mi>m</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
коэффициенты A и В которой «настраиваются» на основе данных измерений бортовой, килевой и вертикальной качки.
7. Параметры равновесной посадки аварийного судна в соответствии с физическими закономерностями исследуемых процессов:
<mrow><msub><mi>θ</mi><mn>0</mn></msub><mo>∈</mo><mi>W</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>ψ</mi><mn>0</mn></msub><mo>∈</mo><mi>W</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>∈</mo><mi>W</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>12</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
0
0
0
0
0
где θ, Ψ, Т - параметры равновесной посадки (крен, дифферент, осадка); W(t) - «скользящее окно», в пределах которого вычислены значения θ, Ψ, Т; t - интервал времени формирования «скользящего окна».
1
N
8. Аварийную метацентрическую высоту на основе данных измерений уровней жидкости в затопленных отсеках h-h
<mrow><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>h</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>13</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
где h - метацентрическая высота, определенная по формуле (3); Δh - изменение метацентрической высоты, вызванное непрерывным затоплением отсеков поврежденного судна.
CR
9. Оценку аварийной остойчивости судна путем сопоставления величины текущей метацентрической высоты h(t) с критическим значением h, определенным по Правилам Морского Регистра Судоходства
<mrow><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>C</mi><mi>R</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>14</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
CR
где h(t) и h=f(D) - текущее и предельно допустимое для данного судна значения метацентрической высоты.
t
t
t
min
*
*
*
10. Предельные значения параметров равновесной посадки θ , Ψ , T , заданные исходя из требований обеспечения плавучести и остойчивости аварийного судна, и интервал времени τ=τ, в пределах которого обеспечиваются условия безопасности:
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><msup><mi>θ</mi><mo>∗</mo></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>ψ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><msup><mi>ψ</mi><mo>∗</mo></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo>…</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>T</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><msup><mi>T</mi><mo>∗</mo></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>15</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
На основе соотношений (1)-(15) реализуются процедуры преобразования информации в рамках алгоритма контроля параметров равновесной посадки, представленного в виде блок-схемы (фиг.2).
Операции по обработке данных динамических измерений выполняются в вычислительном блоке с помощью бортового вычислительного комплекса 15. Полученные данные заносят на внешнюю память, выводят на дисплей 16 и документируют с помощью принтера 17.
Устройство, реализующее способ контроля непотопляемости судна, работает следующим образом.
С помощью датчиков, размещенных в блоке 1, производят измерения угловых перемещений 2 и ускорений 3 судна относительно продольной и поперечной его центральных осей, осадок судна носом 4 и кормой 5, «кажущегося» периода волны 6, курсового угла волны 7 и скорости судна на нерегулярном волнении 8, дополнительно измеряют перемещения и ускорения относительно вертикальной центральной оси 9 и уровни жидкости в затопленных отсеках 10, сигналы от которых поступают на средство обеспечения совместимости 11, состоящее из блока нормирования и коммутации сигналов 12 управляющего процессора АЦП 13 и интерфейса 14, осуществляющих преобразование и фильтрацию исходной информации и ввод ее в ЭВМ 15 с периферийным оборудованием, включающим накопитель на магнитном диске, цветной графический дисплей 16 и печатающее устройство 17, позволяющее реализовать разработанный алгоритм обработки данных измерений и отобразить результаты в виде, удобном для восприятия судоводителем.
Результаты работы алгоритма, реализующего способ контроля непотопляемости, используют в бортовой интеллектуальной системе обеспечения безопасности мореплавания.