CN112533823B - 评估浅水影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评估作用于经推进功率驱动的机动船的浅水影响的方法，包括以下连续的步骤序列：a)确定与机动船邻接的水深，以及基于给定的推进功率预期的在深水中的目标速度；b)根据确定的水深，计算所述目标速度的预期的速度损失；c)确定推进功率的为了补偿预期的速度损失而需要的功率差；d)在显示装置上显示所述预期的功率损失和需要的功率差。

Description

评估浅水影响的方法

技术领域

本发明涉及一种评估作用于经推进功率驱动的机动船的浅水影响的方法。

背景技术

在常规的航运交通中，船长决定机动船的待航行路线，并且给定待安装的推进系统的功率。通过选择螺旋桨转速和/或螺旋桨的螺距来给定驱动或推进系统的功率。在此情况下，船长需要正确地评估运行条件，如水深、流体状况、风荷、当地交通量，并相应地根据预定的目的地调节推进系统的功率。

运河航道、内河航道和浅水被统称为“限制性航道”。当航道在竖直方向上、即在船体下方受限时，本领域技术人员称其为浅水。如就河流或运河而言，航道的侧向限制也常常会同时带来在向下方向上对河道的限制。

这些限制致使机动船的阻力显著增大。原因在于出现的回流、堵塞效应（阻塞）和更强烈的波浪形成。

DE 10 2008 032 394 A1揭示过根据水下形貌来调节目标船速。

Illies：船舶运行技术手册（Handbuch der Schiffsbetriebstechnik），第2版，Vieweg, Braunschweig 1984，第358页起，ISBN 3-528-18249-0以及HARVALD：船舶的阻力和推进力（Resistance and Propulsion of Ships），John Wiley & Sons 1983，第76-81页，ISBN 0-471-06353-3描述过依据Schlichting & Lackenby的用于确定在浅水中的速度损失的计算模型。

如果船长缺乏经验和/或数据不准确，会导致机动船的不受控运行。在限制性航道上的不受控运行会浪费能量并且产生额外的排放，而不反映为实际更快的航行方式。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种评估作用于经推进功率驱动的机动船的浅水影响的方法，即使是在船长资历尚浅的情况下，所述方法也能够在最大程度消除浅水影响的情况下，将可供使用的推进功率高效地转换成机动船的推进力。

为了达成上述目的，本发明提出一种评估作用于经推进功率驱动的机动船的浅水影响的方法。

一种评估作用于经推进功率驱动的机动船的浅水影响的方法，包括以下连续的步骤序列：

a) 确定与机动船邻接的水深，以及基于给定的推进功率预期的在深水中的目标速度；

b) 根据确定的水深，计算所述目标速度的预期的速度损失；

c) 确定推进功率的为了补偿预期的速度损失而需要的功率差；

d) 在显示装置上显示所述预期的功率损失和需要的功率差。

上述方法进一步包括，提供数据库，在所述数据库中，针对能够预设的水深数和机动船吃水，保存有根据预期的目标速度的预期的速度损失，并被读取和显示，作为对预期的速度损失的计算。

可选地，为了计算预期的速度损失，连续地确定和考虑到船舶的有关特定运行的数据，包含当前吃水、水深、流速和相对流体的船速。

上述方法进一步包括，根据机动船的保存于数据库中的推进曲线，用给定的推进功率确定在深水中的预期目标速度。

可选地，为了依照根据步骤b)确定的水深来计算预期的速度损失，确定所述机动船的弗鲁德深度数、水深与在机动船的船首处确定的波长之间的比率、机动船的船首波浪的角度和/或机动船的吃水与水深之间的比率。

上述方法进一步包括，计算所需的功率差与预期的速度损失的比率，并将其与能够预设的限值进行比较，并且在低于所述能够预设的限值的情况下增大机动船的推进功率和/或其速度，以及在超出所述能够预设的限值的情况下防止推进功率和/或速度增大。

上述方法进一步包括，根据水深对所述机动船的速度进行自动控制，其中使所需的功率差最小化。

上述方法进一步包括，确定所述机动船的位置，并且从提供的电子地图读入流体曲线和水深曲线，并且计算机动船的航线，基于所述航线使预期的速度损失最小化，或者，基于给定的航线和给定的航行时间计算具有最小化的所需的功率差的速度曲线。

具体实施方式

根据本发明，提出以下所述的连续步骤序列，用以例如在安装于机动船上的辅助系统的范围内对浅水影响进行评估和显示，或者用以在推进和/或转舵装置的自动化控制的范围内实现尽可能高效的驱动方式：

a)确定与机动船邻接的水深，以及基于给定的推进功率预期的在深水中的目标速度；

b)根据确定的水深，计算所述目标速度的预期的速度损失；

c)确定推进功率的为了补偿预期的速度损失而需要的功率差；

d)在显示装置上显示所述预期的速度损失和需要的功率差。

在步骤A中确定的在深水中的预期目标速度例如是在给定的吃水条件下，针对在深水上的特定速度，根据机动船的功率需求由船舶特有的推进力特性曲线而得知的。

依据确定的水深对浅水影响以及预期的速度损失的量化很大程度上取决于机动船在水下区域内的速度和形状设计，以及取决于水底的形貌和特性。

根据本发明的方法的一个替代方案，可采用所谓的线性波理论来判断：对于具有吃水T和速度V_S的机动船而言，在具有深度H的水体上是否存在浅水条件。在通常情况下，可检验数个标准，从而将水深条件归入“深水”、“过渡区域”和“浅水”类别。为了确定浅水，优选查询以下标准：

·水深H与波长λ之间的关系：

当H/λ < 1/25时为浅水

·水深H与机动船的速度V_S之间的随弗鲁德深度数F_nh [惯性力/重力 = （船速/重力波速度）]变化的关系

当F_nh=V_S / (g*H)^1/2 > x，其中x=0.7时，为浅水

·机动船的速度与水深之间的随船首波浪的角度变化的关系。在直至弗鲁德数F_n< 0.49 [=V_S / (g*L_wl)^1/2 = F_nh]（其中L_wl = 机动船在吃水线上的长度）的速度下，在深水上形成船首波浪的固定角度。其中，将船首波浪的一半张角称作开尔文角：

当开尔文角> 19.34°时，为浅水

·吃水T、水深H与船速V_S之间的关系

当2.5 < H/T < 11时，为浅水

H/T < 2.5的极浅水必须单独考虑。

然而，在判断浅水时，吃水T与水深H的比例的说服力不够。但结合弗鲁德深度数F_nh便能准确地界定浅水影响。

·根据船舶特有的推进力特性曲线已能得出针对在深水上的特定速度，机动船在特定吃水条件下的功率需求。相比而言，根据在航行中例如通过对应的传感器确定的功率需求判断是否存在浅水条件。在其他条件（例如纵倾、吃水、风、迎风面积和流体）相同的情况下考虑到测量精度后，如果测得的功率需求高于预测，则必须认定有显著的浅水影响。

除了理论分析以外，也可以检测运行参数在运行中的变化，借此确定浅水影响。可以利用此检测依据“机器学习”原理对系统进行训练，并产生特定的预测模型。

就此而言，本发明的方法基于：根据前述标准中的一个或者这些标准的组合来连续地判断究竟是否存在浅水条件。

如果存在浅水条件，则例如从依据Schlichting & Lackenby的用于测定弗鲁德深度数的方法根据确定的水深计算出目标速度的预期速度损失。

为了达到最大精度，可针对水深与吃水的每个比例计算预期速度损失，虽然在许多内河船舶应用中，吃水的变化不大，故借助单独的曲线便能实现足够的精度。针对三个显著分隔的吃水，得到带宽或一组曲线结果。

随后，针对当前速度，在先前步骤中计算出的目标速度的预期速度损失可用于确定对预期的速度损失进行补偿所需要的推进功率的必要的功率差。

随后，在最简单的情况下，将如此确定的预期速度损失和所需的功率差显示在例如位于机动船的桥楼上的适当的显示装置上，并就此知会船长。在本发明的一个实施例中，作为对速度变化范围的预测，向船长详细展示根据速度变化能够实现的功率变化。

以此显示为出发点，船长可结合航行时间表、航运交通和路线来决定：是否需要降低或提升航行速度来提高效率，或者是否需要通过航线修正来减小浅水影响，从而相对于能够实现的机动船速度而言提高使用的推进功率的效率。

根据本发明的一个提议，可以提供数据库，在所述数据库中，针对可预设的水深数和机动船吃水，保存根据预期目标速度的预期速度损失，且被读取和显示，以作为对预期速度损失的计算。

这种数据库例如可在流体模型中产生，抑或通过具体船舶以不同吃水、不同速度以及在不同程度的浅水影响下的测量航行产生。

在所述数据库中例如可保存有固定的船舶特有数据，如船舶的主要尺寸L_WL、B_WL、L_oa、主舱壁面、设计吃水，或者优选保存有船舶特有的流体静力学表、理论阻力曲线或推进力曲线和/或马达综合特性曲线。

根据本发明的另一提议，为了计算预期速度损失，也连续地确定和考虑到船舶的有关特定运行的数据，包含当前吃水、水深、流速和相对流体的船速。可选地，可以借助摄像机和对应的图像处理软件，将相片形式的波浪图用于确定开尔文角。

如此形成的船舶专有的数据库也可通过理论计算产生，作为替代方案，也可以通过学习系统产生并持续改进数据库。

根据本发明的另一提议，为了对浅水影响进行评价，计算所需的功率差与预期的速度损失的比例，并将其与可预设的限值进行比较，从而在低于这个可预设的限值的情况下增大机动船的推进功率和/或其速度，以及在超出这个可预设的限值的情况下防止推进功率和/或速度增大，具体方式为，在机动船的控制系统中允许或防止对应的干预。

除了纯粹将所需功率差和预期速度损失可视化以外，在本发明的范围内也可以构建辅助系统，其并入机动船的有关其推进功率和/或其航线的自动控制及调节系统。

在最简单的情形下，针对定义的水深范围，这种系统根据当前输入数据实施推进力的运行点优化，将功率优化潜力可视化，且船长自行选择其认为最合适的船速。

但也可以采用以下方案：针对定义的水深范围，这种系统根据当前输入数据实施推进力的运行点优化，并将此优化输出至推进系统的控制指令。借此对机动船的速度进行自动控制，其中将所需的功率差最小化。

此外，在流体曲线及水深曲线已知的情况下，所述系统例如能够根据刚航行过的区段的经提供的对应电子地图确定航道中的最佳位置，从而使绝对速度最大化，即，使预期速度损失最小化，或基于给定的航线和给定的航行时间计算出最小化的所需功率差的速度曲线，这伴随着有害物质排放和/或燃料消耗的最小化。

就此而言，在整个航线的各线路段中，这种系统实现根据预定目的地以及运行条件（例如水深、流体、风荷等）对船速的预测性控制。这个系统在将期望的航行时间以及当前水深考虑在内的情况下，自动地实现对螺旋桨转速和船速的优化。所需的船速能够根据指定的航线以及期望的到达时间确定。就速度影响对来自输入变量的当前信息进行评价，并且可为航线自动规划速度曲线。可连续地以可预先设定的时间间隔对速度曲线的规划进行更新。

此外，也可将交通条件或路线条件纳入考量。也可在系统中计算燃料箱的料位，从而生成自动剩余功率预测。

在本发明的方法的范围内使用的输入变量包括当前水深和吃水，其通过适合的船载传感机构检测，并报告给实施所述方法的对应的辅助系统。可选地，具有评价软件的摄影机能够记录波浪图和确定开尔文角，并且同样将其报告给辅助系统。

通过驱动系统借助传感器对当前性能数据进行检测和反馈。也可通过不同的参数检测性能数据，具体视在机动船上安装的是何种传感机构而定。也可以将当前运行状态以及燃料消耗的性能数据读入辅助系统。

通过电子导航系统，例如ECDIS，能够读入包含卫星导航系统的位置数据的地图展示，以及来自雷达数据和回声探测器数据的信息。从中可以看出路线信息，如给定的航线的长度、速度极限和水深，其可供辅助系统使用。

通过船载仪器检测船速，将当前速度反馈至辅助系统。

螺旋桨转速，以及在使用可变距螺旋桨情况下的螺旋桨螺距和控制角同样可通过对应的传感器确定，并反馈至辅助系统。

在未保存在电子导航系统中的情况下，可提供来自卫星导航系统的位置及速度信息。

可选地，也可以从外部数据库调阅有关各线路段的信息，并将其提供给辅助系统。示例包括交通量、流体曲线下的当前水深、诸如事故等的危险、诸如风和风向的当地气候数据、视距以及环境区。

此外，在提供的数据库中还保存有船舶专有信息，如不同吃水下的理论螺旋桨特性曲线（推力、随转速变化的功率）；机动船的风阻和流阻；机动船的主要尺寸或优选船舶专有的流体静力学表；理论阻力曲线或推进力曲线，以及可选的马达综合特性曲线。

借助前述方法能够为船长提供辅助系统，其检测并报告限制性航道的负面影响，以及在给定的极限内对推进功率进行优化，从而实现特别经济的航行方式。可将目前的基于经验的标准考虑在内，但也可将新的可测量的变量纳入评价。

针对预定的航行线路，在考虑到此处可能存在的浅水条件的情况下为各路线区段计算能源消耗，并规划航行曲线。视扩展级而定，这种辅助系统也能够自动地控制推进力。

这种自动化尤其适用于船上人员专业素质较低的内河船舶，这些人员无法轻易地以经济的方式运行船舶。

前述本发明的方法例如可以保存在形式为计算机程序的船载计算单元中。如此编程的计算单元可以整合在机动船的已有自动化系统中或是设为独立的组件并且与所述自动化系统进行通讯。

Claims (7)

1.一种评估作用于经推进功率驱动的机动船的浅水影响的方法，包括以下连续的步骤序列：

a)确定与机动船邻接的水深，以及基于给定的推进功率预期的在深水中的目标速度；

b)根据确定的水深，计算所述目标速度的预期的速度损失；

c)确定推进功率的为了补偿预期的速度损失而需要的功率差；

d)在显示装置上显示所述预期的速度损失和需要的功率差，计算所需的功率差与预期的速度损失的比率，并将其与能够预设的限值进行比较，并且在低于所述能够预设的限值的情况下增大机动船的推进功率和/或其速度，以及在超出所述能够预设的限值的情况下防止推进功率和/或速度增大。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供数据库，在所述数据库中，针对能够预设的水深数和机动船吃水，保存有根据预期的目标速度的预期的速度损失，并被读取和显示，作为对预期的速度损失的计算。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了计算预期的速度损失，连续地确定和考虑到船舶的有关特定运行的数据，包含当前吃水、水深、流速和相对流体的船速。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，根据机动船的保存于数据库中的推进曲线，用给定的推进功率确定在深水中的预期目标速度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了依照根据步骤b)确定的水深来计算预期的速度损失，确定所述机动船的弗鲁德深度数、水深与在机动船的船首处确定的波长之间的比率、机动船的船首波浪的角度和/或机动船的吃水与水深之间的比率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据水深对所述机动船的速度进行自动控制，其中使所需的功率差最小化。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述机动船的位置，并且从提供的电子地图读入流体曲线和水深曲线，并且计算机动船的航线，基于所述航线使预期的速度损失最小化，或者，基于给定的航线和给定的航行时间计算具有最小化的所需的功率差的速度曲线。