СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ШТОРМОВОГО ПЛАВАНИЯ СУДНА Российский патент 2024 года по МПК G06Q10/04 G08G99/00 B63B39/14 

Изобретение относится к области морского судоходства и может быть использовано на судах при получении прогноза штормовых условий по маршруту своего движения.

Практика мореплавания, теория корабля и искусство управления судном накопили достаточно обширную линейку методов оценки воздействия штормовых условий на судно и методов предотвращения опасных явлений, ставших классикой штормового плавания, например, [1. Шарлай Г.Н. Управление морским судном. – Владивосток: МГУ им. адм. Г.И.Невельского, 2013. - 574 с.; 2. Липис В.Б., Ремез Ю.В. Безопасные режимы штормового плавания судов. – М.: Транспорт, 1982. – 117 с.; 3. Максимаджи А.И. Капитану о прочности корпуса судна. – Л.: Судостроение, 1988. – 224 с.; 4. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Мореходность судов. – Л.: Судостроение, 1982. – 288 с.; 5. РД 31.00.57.2-91. Выбор безопасных скоростей и курсовых углов при штормовом плавании судна на попутном волнении. – СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2001. – 58 с.; 6. MSC. 1 / Circ. 1228, 11.01.2007. Пересмотренное руководство для капитана по избежанию опасных ситуаций при неблагоприятных ветро-волновых условиях// Российский морской регистр судоходства: сборник нормативно-методических материалов. Книга 18. НД № 2-139902-023. – СПб.: 2008. – 13 с.].

Эти методы представлены судоводителю в виде диаграмм, графиков, например, диаграмма Ремеза, диаграмма Липиса-Кондрикова, диаграмма Макова, диаграммы Власова, Благовещенского, Ногида, Аэртссена, Тасаки, Такезавы, Такаиши, Крукшанка, Ландсбурга, консультативные диаграммы Линдемана, диаграммы и графики Богданова и др. Штормовые диаграммы оперируют такими параметрами, как скорость судна, курсовой угол волнения, собственный период качки (преимущественно – бортовой), осадками судна носом и кормой. Основная цель штормовых диаграмм – выявление условий резонансной качки, предотвращение резонансной качки.

Общий недостаток всех известных судоводительских методов оценки воздействия штормовых условий на судно состоит в использовании косвенных параметров, каким-либо образом связанных с амплитудами бортовой или килевой качки судна. При этом наиболее употребительным параметром принимается собственный период бортовой или килевой качки судна, который характеризует возможность возникновения резонансной качки при появлении волн с кажущимися частотами, близкими к собственным частотам качки судна. Спектральный характер волнения либо не учитывается, либо учитывается введением диапазона собственных периодов качки. Получение реального спектра качки (или амплитуд качки) на волнении разных частот не предусматривается, что существенно снижает информативность и точность получаемых судоводительских решений, поскольку значительные амплитуды качки могут возникать и не при резонансных условиях. Однако определение амплитуд качки по штормовым диаграммам не предусмотрено.

В рубрике МПК G 06 Q 10/04 технических решений, направленных на контроль безопасности штормового плавания судов по получаемому спектру качки судна на заданном волнении, не обнаружено.

Таким образом, в патентной информации аналоги и прототип заявляемому изобретению не обнаружены, что приводит к необходимости сравнивать заявляемое изобретение с общенаучным уровнем техники, недостатки которого описаны выше.

Заявляемое изобретение нацелено на получение первоосновы контроля безопасности штормового плавания, а именно на получение спектра качки судна, анализ которого позволяет выявить зону кажущихся частот волнения, вызывающих максимальные амплитуды качки судна. Поскольку кажущиеся частоты волнения весьма чувствительны к таким параметрам движения судна, как скорость v и курсовой угол q волнения, то полученная информация о кажущихся частотах максимальных амплитуд качки позволяет принять судоводительские управленческие решения по изменению курса и/или скорости судна для обеспечения безопасности штормового плавания через снижение максимальных амплитуд качки до безопасного для данного судна значения. Таким образом, заявляемое изобретение расширяет арсенал методов оценки воздействия штормовых условий на судно и методов предотвращения опасной качки при штормовом плавании судна.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в реализации расширения арсенала судоводительских методов оценки воздействия штормовых условий на судно и методов предотвращения опасной качки при штормовом плавании судна.

Указанная цель получения спектра качки судна на любом прогнозируемом волнении для контроля безопасности штормового плавания достигается тем, что по выходу в рейс выполняется запись качки движущегося судна, сопровождающаяся получением параметров волнения из собственных наблюдений или из внешних источников информации с доведением до фактического спектра волнения. Обработкой записи качки получают спектр качки судна, а с использованием спектра волнения рассчитывают амплитудно-частотную характеристику бортовой качки судна. Далее получают прогноз волнения по маршруту своего движения и рассчитывают истинный спектр прогнозируемого волнения. Истинные частоты волнового спектра преобразуют в кажущиеся с учётом параметров движения судна скорость v – курсовой угол q волнения, после чего применяют полученную амплитудно-частотную характеристику качки судна для расчёта прогностического спектра качки судна. По полученному прогностическому спектру качки определяют максимальные амплитуды качки, сопоставляют их с допустимыми амплитудами для данного судна и принимают решение о допустимости движения с принятыми параметрами v – q или о необходимости изменения параметров движения v – q на безопасные. Для получения безопасных параметров движения задаются серией значений v – q, вычисляют новые значения кажущихся частот, с которыми рассчитывают новые прогностические спектры качки, из которых выбирают приемлемые параметры движения v – q, исходя из условия, что максимальные амплитуды качки не должны превышать допустимых для данного судна значений.

Существенные признаки заявляемого изобретения связаны с достигаемым техническим результатом следующим образом.

Запись качки с одновременным получением информации о фактическом волнении после соответствующих вычислительных преобразований позволяет получить спектр качки и кажущийся спектр волнения и, далее, амплитудно-частотную характеристику качки судна на основе теоремы Хинчина-Винера

где Ф (Ω) – амплитудно-частотная характеристика качки;

– спектр качки судна;

– спектр волнения в кажущихся частотах;

Ω – истинная частота процесса качки и одновременно кажущаяся частота волнения.

Эта амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) качки соответствует фактической загрузке судна и фактическому пространственному распределению масс судна, груза и запасов, определяющему моменты инерции судна и косвенные контрольные параметры, например, собственные периоды качки судна. Полученная таким путём физическая характеристика судна более точная, чем получаемая расчётным путём. Она становится инвариантом для данного судна практически на всё время рейса. Поэтому полученную АЧХ можно использовать в данном рейсе для прогностических расчётов спектров качки, которые являются основой для оценки безопасности судна в штормовом плавании путём сравнения максимальных прогностических амплитуд качки в полученных спектрах качки с допустимыми амплитудами качки для данного судна. Полученная АЧХ будет справедлива и в любом другом рейсе, если пространственное распределение масс судна, груза и запасов будет совпадать с тем, при котором определена АЧХ.

Получение прогноза волнения по маршруту следования судна, описание его истинного спектра и преобразование истинного спектра в кажущийся по начальным параметрам движения судна v – q позволяет перейти к фазе прогностических оценок воздействия штормовых условий на судно. Для этого необходимо из формулы Хинчина-Винера рассчитать спектр качки судна по полученному прогностическому спектру волнения и рассчитанной АЧХ качки судна. Выявление прогностических максимальных амплитуд качки из полученного спектра качки и сравнение их с допустимыми амплитудами качки для данного судна позволяет провести контроль безопасности штормового плавания и обосновать судоводительское решение о допустимости или недопустимости движения с принятыми параметрами v – q. Если обосновано решение о недопустимости движения с принятыми параметрами v – q, то необходимо провести поиск таких параметров движения, при которых максимальные амплитуды качки не превышают допустимых для данного судна. Для этого задаются серией значений v – q, вычисляют для них новые значения относительных частот, с которыми рассчитывают новые прогностические спектры качки и повторяют анализ максимальных прогностических амплитуд качки. Из множества значений v – q, при которых максимальные амплитуды качки не превышают допустимых для данного судна, выбирают наиболее приемлемые исходя из задач рейса.

Отсутствие решения по указанной схеме служит основанием для принятия судоводительского решения о переходе судна к режиму штормования – особому виду плавания, имеющего целью сохранение судна.

Таким образом, все существенные признаки изобретения связаны с достигаемым техническим результатом изобретения по расширению арсенала судоводительских методов оценки воздействия штормовых условий на судно и методов предотвращения опасной качки при штормовом плавании судна.

Конкретный пример способа контроля и обеспечения безопасности штормового плавания судна, соответствующий изобретению, рассмотрен со ссылкой на фиг. 1, 2, 3, где в виде блок-схем представлена последовательность операций, описывающих предлагаемый способ.

На фиг. 1 показана общая блок-схема получения АЧХ по записи качки и получения спектров качки по прогнозируемому волнению. На фиг. 2 показана блок-схема алгоритма расчёта спектра качки судна. На фиг. 3 представлена блок-схема алгоритма расчёта спектра волнения. Все блок-схемы представлены в последовательности выполняемых операций или в параллельно – последовательном виде операций.

На начальном этапе на судне выполняют запись непрерывных или дискретных замеров качки, которую по алгоритму-1, фиг. 2, преобразуют в спектр качки. Параллельно выполняется определение параметров волнения, которое по алгоритму-2, фиг. 3, преобразуется в истинный спектр волнения с дальнейшим его преобразованием в кажущийся спектр. Операция со спектрами даёт АЧХ качки судна Ф(Ω).

При появлении прогноза опасного волнения по маршруту судна, параметры волнения по алгоритму-2, фиг. 3, преобразуются в истинный спектр волнения S(ω), который по маршрутным параметрам движения судна v – q преобразуется в кажущийся спектр S(Ω). Привлекая полученную АЧХ качки судна Ф(Ω), по прогностическому кажущемуся спектру волнения S(Ω) получают спектр качки судна .

Полученный прогностический спектр качки судна является новым судоводительским инструментом оценки безопасности штормового плавания судна, поскольку непосредственно показывает распределение амплитуд качки судна, а не влияние косвенных параметров на качку. Анализ допустимости максимальных прогнозируемых амплитуд качки даёт судоводителю основание для принятия решения о допустимости принятых параметров движения судна v – q. В случае неприемлемости принятых параметров движения судна v – q выполняется поиск оптимальных (точнее - лучших) параметров движения, задаваясь иными значениями v – q и рассчитывая новые спектры качки судна.

Обработка записей качки по алгоритму-1, фиг. 2, предусматривает разделение записи на полупериоды τ/2 качки без учёта вторичных колебаний и определение наибольшего из локальных экстремумов, принимаемого за амплитуду θ. Далее выполняют ранжирование массива θ(τ/2). Затем создают шкалу с равномерным шагом полупериодов Δτ/2 и распределяют массив амплитуд θ по интервалам Δτ/2 равномерной шкалы полупериодов. Полученное распределение амплитуд по равномерным интервалам полупериодов Δτ/2 преобразуют в распределение по интервалам частот ΔΩ/2. При этом интервалы частот оказываются неравномерными. Для преобразования распределения амплитуд в шкалу равномерных интервалов частот вначале выполняют расчёт интервальной плотности ρ амплитуд в неравномерных интервалах частот, затем создают шкалу равномерных интервалов частот и выполняют перерасчёт распределения амплитуд θ(ΔΩ/2) через полученные плотности ρ. Полученное распределение амплитуд по равномерной шкале частот аппроксимируют аналитической функцией, контролируя точность аппроксимации по дисперсиям. Затем значения амплитуд преобразуют в значения спектральной плотности и получают в итоге спектр качки судна θ(Ω).

Получение спектра волнения по алгоритму-2, фиг. 3, начинается с получения гидрометеорологической информации о волнении, которую надо подвергнуть анализу на наличие нескольких систем волн.

Если волновая система одна, то устанавливают степень развития волнения, по которой подбирают соответствующий аналитический спектр волнения, связанный с полученной гидрометеорологической информацией.

Если волновых систем несколько, то в соответствии со степенью развития каждой системы подбирают для неё аналитический спектр. Объединить воздействие волновых систем на судно можно только по кажущимся спектрам, поэтому далее для всех вариантов выполняют преобразование истинных спектров в кажущиеся, используя для каждой волновой системы своё значение курсовых углов q_i и общее значение скорости судна v. Суперпозиция спектров каждой волновой системы или спектр одной волновой системы аппроксимируют аналитической функцией; точность аппроксимации контролируют сравнением дисперсий исходной суперпозиции и аппроксимированной.

Способ контроля и обеспечения безопасности штормового плавания судна относится к области морского судоходства при получении прогноза штормовых условий по маршруту движения. Предлагаемый способ реализуется путём получения спектра качки судна на прогнозируемом волнении и реализуется в ходе следующих этапов: запись качки движущегося судна с получением параметров волнения и доведением до фактического спектра волнения; обработка записи качки с получением спектра качки; получение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) бортовой качки; получение прогноза волнения по маршруту движения и истинного спектра прогнозируемого волнения; преобразование истинных частот волнового спектра в кажущиеся с учётом параметров движения судна; получение прогностического спектра качки с помощью полученной АЧХ качки; определение максимальных амплитуд качки по полученному прогностическому спектру качки и их сопоставление с допустимыми амплитудами для данного судна; принятие решения о допустимости движения с принятыми параметрами или о необходимости изменения параметров движения на безопасные. Технический результат изобретения состоит в расширении арсенала судоводительских методов оценки воздействия штормовых условий на судно и методов предотвращения опасной качки при штормовом плавании. 3 ил.

Способ контроля и обеспечения безопасности штормового плавания судна, характеризующийся записью качки движущегося судна, сопровождающейся получением параметров волнения из собственных наблюдений или из внешних источников информации и доведённых до фактического спектра волнения, обработкой записи качки получают спектр качки судна, а с использованием спектра волнения рассчитывают амплитудно-частотную характеристику бортовой качки судна, далее получают прогноз волнения по маршруту своего движения и рассчитывают его истинный спектр, истинные частоты которого преобразуют в кажущиеся с учётом параметров движения судна скорость v – курсовой угол q волнения, после чего применяют полученную амплитудно-частотную характеристику качки судна для расчёта спектра качки судна, по которому определяют максимальные амплитуды качки, сопоставляют их с допустимыми амплитудами для данного судна и принимают решение о допустимости движения с принятыми параметрами v – q или о необходимости изменения параметров движения v – q на безопасные, для получения которых задаются серией значений v – q, вычисляют новые значения кажущихся частот, с которыми рассчитывают новые прогностические спектры качки, из которых выбирают приемлемые параметры движения v – q по непревышению максимальными амплитудами качки допустимых для данного судна значений.