CN107406126A - 集成有导航决策支持***的船舶的船体的结构监测*** - Google Patents

集成有导航决策支持***的船舶的船体的结构监测*** Download PDF

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Abstract

一种用于辅助驾驶船舶的***，该***被配置为估计由于直接波浪激励而导致的船舶的结构载荷，以及由于波浪砰击造成的搅打效应导致的船舶的结构载荷。***包括适于提供在船舶结构的预定点处的运动或应力幅度的指示的至少一个参考传感器(40')，并且还被配置为计算在船舶结构中的预定点处的所述幅度的估计，将所述幅度的指示与所述幅度的估计进行比较，以便确定偏移值，并且基于所述偏移值校正结构载荷的估计和/或所述幅度的估计。

Description

集成有导航决策支持***的船舶的船体的结构监测***
技术领域
本发明总体涉及造船和导航领域；更具体地，本发明涉及一种用于辅助驾驶船舶的***。
背景技术
传统的结构监测***包括记录船舶结构的全局和局部结构应力状态、影响船体的压力和平台的刚体运动的传感器。
使用有限数量的传感器是足够的，相关的采集硬件和软件符合寄存器的要求，以获得关于结构监测的附加类别符号(RINA的符号MON-HULL+S、BV的MON HULL、ABS的HM、DNV的HMON、劳埃德船级社的HSS)。
例如，关于RINA的符号MON-HULL，以下是足够的：
-1个长基准应变计，位于中心线上用于测量船体梁的弯曲应变；
-1个垂直加速度计，放置在船首处；
-1个双向倾斜计和3个加速度计(纵向、横向、垂直)，位于船舶的重心处，用于测量刚体运动。
在这种情况下，采集***包括放置在船体中部并包含传感器的电源/采集电子设备的面板，以及采集PC，该采集PC与船舶自动化(用于采集信号和发送报警/警告)以及任何其他船上设备、相关屏幕接口。
当然，比规则严格要求的更大的一组传感器允许具有船舶平台和结构的状态的更详细的图像，但是由于船上安装的传感器、电缆和硬件的数量导致***的更大的整体尺寸。
更完整的***由例如以下传感器组成：
-6个长基准应变计，放置在船长的1/4，1/2和3/4处，在龙骨上和主甲板下面；
-1个垂直加速度计，放置在船首处；
-1个垂直加速度计，放置在船尾处；
-1个双向倾斜计和3个加速度计(纵向、横向、垂直)，位于船舶的重心处，用于测量刚体运动；
-4个线性应变计，放置在船舶结构的关键点处；
-2个三轴应变计，放置在船舶结构的关键点处；
-1个压力探针，放置在船首的底部处。
在这种情况下，采集***包括三个面板，分别位于船尾、船体中部和船首处，以便最小化它们与应变计传感器之间的距离，从而使测量准确度最大化-包含传感器的电源/采集电子设备和与船舶自动化(用于采集信号和发送报警/警告)和任何其他船上设备和相关屏幕接口的采集PC。
使用波浪雷达测量定向海况(波高、方向和周期)以及与船载自动化的相互作用以获取船舶的运行参数(推进状态、轴上的功率、螺旋桨转速、设备的激活/停用等)，并向其发送关于结构的报警/警告信号，一方面能够全面地记录船舶的运行状态，从而将由传感器测量的应力状态相关联，并且另一方面，能够向船长提供关于可能超过关于船舶结构安全的警告阈值设置的即时反馈。
使用波浪雷达来测量定向海况需要使用船载X波段雷达，或者如果不允许使用它，安装专用的X波段雷达，可能的信号放大单元和电源单元；此外，需要控制PC和用于数字化来自雷达的信号的单元。
在结构监测***的管理软件中存在疲劳周期的计算和计算模块，允许通过适当的离线后处理方法评估船上测量的结构元件的过去和剩余疲劳寿命。
“主动指导”***(EP2167916中描述的***所属的)是基于从船舶的FEM/CFD模型得出的计算表，即基于船舶运动、船舶的全局结构应力和前进阻力的响应算子。
根据与海况以及当前航线/速度(由船上设备获取)有关的数据、预期(由天气预报***获得)或假设(手动输入)条件，这些***可以提供有关指定时间段的当前或预期最大船舶运动、关于船舶和相关子***(“安全作业范围”图)的效率、关于短期的航线经济性和整体结构完整性(部分的弯矩和垂直剪切)的信息。这些***的最佳性能是当它们与波浪雷达接口以确定定向海况时，优选地具有朝向船首的视觉。
船舶的响应算子从船舶的流体力学/结构数值模型中获得，该模型考虑了船舶的船体形状、重量、惯性、截面特性、附加质量：通过考虑静止水中的静态贡献以及通过砰击产生的动态波和搅打贡献获得结果。
因此，这些模型考虑了结构在刚体运动和船体梁弯曲方面的整体响应，并基于当前/预期的最大运动、全局应变或其短期组合来评估当前/预期海上天气条件下的船舶效率。
通过流体力学/结构数值计算模型获得的高可靠性以及更复杂的水力弹性效应(砰击/搅打)的预测和模拟技术的进展允许在计算值与真实值之间获得极好的匹配：在坦克和实际模型上进行实验性活动允许验证这些方法并且使其可用于船舶的运行管理的真实性。
“主动引导***的”船上安装需要：
-计算船舶运动的响应算子和有关船舶的全局结构应力：刚体运动，波浪的弯曲响应和砰击/搅打贡献，前进阻力等；
-基于有关船舶的软件和所需图表的定制；
-与船舶位置、航线、速度信号、风速和方向等的船上自动化连接；
-提供PC和屏幕以安装软件；
-提供用于测量定向海况的雷达波***(X波段雷达、信号放大单元、功率单元、控制PC和用于数字化来自雷达的信号的单元)；
-与天气预报***的可能连接。
因此，船上可利用的“安全使用状态范围(作业范围)”将基于目前的海上天气(海洋/风)和运行条件进行实时更新，并且是交互式的，从而允许船长进入预测或尝试运行和/或海上天气数据：对应于例如在未来几小时或几天内预期的航线或速度或海上天气条件的变化的新图由软件叠加到当前条件的图表上，提供对预见的运行变化的效果的清晰和即时的视觉比较。
这些图是基于船舶或其子***可以承受的极限条件的包络来确定的并且可包括，例如：
-船舶的稳定性的极坐标图；
-直升机(和飞机)起飞/着陆的极坐标图，所谓的“直升机/船舶接口”
-船舶拖拉/恢复的极坐标图；
-表示在中心线或其他部分的弯矩和剪切强度方面的牵引梁的结构完整性的极坐标图；
-基于对由于海洋和风造成的附加阻力的评估，表示短期航线经济的极坐标图。一些波浪雷达***也能够评估导航区域中的水流，其影响可包括在航线经济分析中。
如此组成的主动引导***的结果仅基于从流体力学/结构模型计算出的响应算子，并且在船上具有小的总体尺寸(不需要传感器)。
发明内容
本发明的目的是提供可以延伸结构监测***和主动引导***的能力的技术。
为此，本发明的目的是用于辅助驾驶船舶的***，包括：
导航检测装置，适于提供船舶的运动的指示；
环境检测装置，适于提供海浪运动的指示；以及
至少一个处理单元，被配置为在船舶的运动期间实时执行以下步骤：
-基于船舶运动的指示和海浪运动的指示确定由于直接波浪激励引起的刚体船舶运动，
-估计由于直接波浪激励引起的船舶的结构载荷，所述估计是基于刚体船舶运动的所述确定来计算的，
-评估并提供船舶上波浪砰击的指示，
-估计由于由波浪砰击所引起的搅打效应导致的船舶的结构载荷，所述估计是基于船舶上的波浪砰击的所述指示计算的，其中，所述结构载荷的估计基于3D有限元模型，其再现船舶结构的动态行为，
-计算估计的结构载荷的组合，并且
-图形地和/或数字地呈现所估计的结构载荷的组合；
其中，所述***包括适于提供在船舶结构的预定点处的运动或应力幅度的指示的至少一个参考传感器，
所述至少一个处理单元被进一步配置为在船舶的运动期间实时执行以下步骤：
计算在船舶结构的预定点处的所述幅度的估计，所述计算包括：
-计算由于直接波浪激励引起的第一估计贡献，所述第一估计贡献是基于刚体船舶运动的所述确定来计算的，
-计算由于由波浪砰击所引起的搅打效应导致的第二估计贡献，所述第二估计贡献是基于船舶上的波浪砰击的所述指示计算的，其中，所述估计贡献基于3D有限元模型，其再现船舶结构在所述预定点处的区域的动态行为，
-计算所述第一估计贡献和第二估计贡献的组合，
比较在船舶运动期间由参考传感器提供的幅度的所述指示与所述幅度的估计，以确定偏移值；并且
基于所述偏移值校正结构载荷的估计和/或所述幅度的估计。
根据本发明的优选实施方式，所述至少一个处理单元进一步配置用于：
计算在船舶结构的没有传感器的至少第二预定点处的所述幅度的估计，所述计算包括：
-计算由于直接波浪激励引起的第一估计贡献，所述第一估计贡献是基于刚体船舶运动的所述确定来计算的，
-计算由于由波浪砰击所引起的搅打效应导致的第二估计贡献，所述第二估计贡献是基于船舶上的波浪砰击的所述指示计算的，其中，所述估计贡献基于3D有限元模型，其再现船舶结构在所述第二预定点处的区域的动态行为，
-计算所述第一估计贡献和第二估计贡献的组合；
图形地和/或数字地呈现所述第一估计贡献和第二估计贡献的组合。
具体地，所述至少一个处理单元进一步配置用于：
基于由参考传感器提供的所述幅度指示与在设置有参考传感器的第一预定点处的所述幅度的估计之间的比较确定的偏移值来校正没有传感器的第二预定点处的所述幅度的估计。
具体地，优选地：
计算在没有传感器的第二预定点处的所述幅度的估计的所述步骤包括在参考时刻(T0)之前的曝光(exposure time，暴露时间)时间间隔(T0-Texp，T0)内的每个采集时刻计算第二预定点的所述幅度的预期最大值和最小值，并且
在参考时刻T0计算第二预定点的曝光时间间隔(T0-Texp，T0)内的预期最大值和最小值的最大值、最小值、平均值和RMS值；
计算在设置有参考传感器的第一预定点处的所述幅度的估计的所述步骤包括在参考时刻(T0)之前的时间间隔(T0-Texp，T0)内的每个采集时刻计算第一预定点的所述幅度的预期最大值和最小值，并且
在参考时刻T0计算第一预定点的曝光时间间隔(T0-Texp，T0)中的预期最大值和最小值的最大值、最小值、平均值和RMS值；
比较所述幅度的指示与所述幅度的估计的所述步骤包括
从由参考传感器在时间间隔(T0-Texp，T0)中提供的测量的记录数据中提取最大值、最小值、平均值和RMS测量值，以及
将偏差值确定为在时间间隔(T0-Texp，T0)中的第一预定点中的最大值、最小值、平均值和RMS测量值与所述幅度的预期最大值、最小值、平均值和RMS值之间的差值。
根据本发明的***具有结合结构监测***和“主动引导”导航支持***的能力和优点的特点。
在这种***中，寄存器获取与结构监测有关的附加的类符号(RINA的符号MONHULL+S或其他寄存器的等效符号)要求的最小传感器数量与船体梁的运动和全局应力(如主动引导***)以及结构的局部应力的响应算子的结构监测软件集成结合，后者从关注的结构点的详细FEM模型获得。因此，在结构监测***中集成“主动引导”***相当于在结构监测***中合并一些“虚拟”传感器用于评估船舶的未测量面积中的应力。
通过真实传感器测量的数据的存在进一步允许极坐标图的校准/缩放：对于船舶运动，数据由双向倾斜计和由放置在船舶的重心的加速度计三元组和陀螺仪提供；对于船体梁的全局应力，数据由位于中心线的长基座应变计提供；对于局部应力，数据由位于临界点的应变计提供。
因此，根据本发明的集成***仅需要少量的传感器实时地具有一些真实数据，从结构和/或流体动力模型的计算结果获得的信息可以利用真实数据校准和集成，从而获得其更高的准确度；同时，模型结果用于外推船舶结构的其他关注点上的几个点的测量，以确定相对于船舶的全局(如在主动引导***)和局部结构应力的“安全使用状态范围”。
因此获得上述***的性能的多个改善：
-与“传统”结构监测***相比，根据本发明的集成***允许使用在船舶设计过程中通常(至少部分地)进行的数值分析来减少安装在船上的传感器的数量。***成本，特别是船上安装设施的整体尺寸减少到仅几个关注点：在船舶已经交付的情况下，或从监管的角度来看(例如，具有火灾/***危险的环境)难以安装传感器或从待监测的空间或者区域的可接近性的角度来看，这更为重要；
-与“传统”结构监测***相比，根据本发明的集成***可以包括“主动引导”***的所有功能，因为其基于此刻运行和天气(海洋/风)条件向船长提供了实时更新的交互式“安全使用状态范围”；
-与“主动引导”导航支持***相比，根据本发明的集成***允许访问用于结构监测的附加类符号，并且由于从具有由传感器记录的值的数值模型提取的数据的实时校准，具有数据提供的和预期的更大的准确度；
-与“主动引导”导航支持***相比，根据本发明的集成***允许使用由真实传感器测量的值的结果来校正为“虚拟”测量点计算的值，从而通过在软件中预连线的响应算子提高了应力计算的已经良好的准确度；
-与“主动引导”导航支援***相比，根据本发明的集成***允许记录(在真实测量点)和估计(在“虚拟”测量点)疲劳应力循环的宽度和数量，以便计算最关注的结构元件的剩余寿命。
除了“传统”监测***所需要的以及“主动引导”***所需要的之外，为了在船上开发和安装根据本发明的***，考虑到在每个“虚拟”测量点周围的结构区域中的详细网格，还需要对整个船舶的FEM模型进行初步结构计算的重要行动：当从船舶通过波浪运动经受的全局应力得出局部电压时，实际上有必要获取局部电压的响应算子。
在由于砰击/搅打效应评估局部应力贡献的情况下，这一步骤尤其复杂：船舶的全局/局部FEM模型的动态响应在计算上是繁重的，并且需要在设置计算参数方面的丰富经验；近几年在这类分析中积累的经验以及获得的结果与真实实验监测活动中记录的数据的比较，也使得这些流程绝对可靠。
由于砰击/搅打造成的局部应力贡献与波浪的应力贡献的重叠进一步需要在软件中实现特设流程：不应局限于使用在某些点测量的局部电压值来校准参考测量点和“虚拟”点的局部响应算子，以便计算当前/预期海上天气条件下短期的当前/预期最大值，但也应该评估波浪的图案和砰击/搅打应力之间的定相(phasing，相位)，以免高估两种效应的结合。
估计在考虑期间预期的砰击事件的数量特别困难。只有在出现砰击/搅打事件之后，由于全局砰击/搅打应力，必须将由于全局波应力引起的局部应力加到分量上，并且必须用正确的相位进行重叠。
最后，使用围绕“虚拟”测量点的结构的详细FEM模型来基于结构本身的刚度和阻尼特性来估计疲劳周期的数量和幅度，所考虑的结构细节(结构元件)响应于由于砰击/搅打引起的动态应力状态经受疲劳周期。
在这样做时，除了估计预期的最大应力之外，还可以计算经历的疲劳应力循环的数量和振幅以构建相对直方图。因此，与真实测量相比，“虚拟”测量点在结构监测方面同样有效。
附图说明
现在将描述根据本发明的用于辅助驾驶船舶的***的实施方式的功能和结构特征。参考附图，其中：
-图1示意性地示出根据本发明的***的组件；
-图1A示出根据本发明的***的硬件架构的实例；
-图2示出表示从海洋的雷达图像开始的波动的重建的过程的框图；
-图3示出表示结构监测模块管理软件的主面板的框图；
-图4示出表示图3中的模块的监测板的框图；
-图5示出表示结构监测模块中的警报管理的框图；
-图6示出显示处理警报信号的实例的时间曲线图；
-图7示出结构监测软件的主屏幕；
-图8示出表示根据本发明的***的主动引导模块的框图；
-图9示出表示主动引导软件中实现的计算模型的框图；
-图10示出了极坐标图，该图以示例性的方式示出对于不同的船舶速度和海洋方向的预定海况中的游轮的统计RVV预测；
-图10A示出了显示由于砰击对船舶的总弯矩的搅打贡献的影响的时间曲线图；
-图11示出主动引导软件的主屏幕；
-图12示出了汇总根据本发明的用于辅助驾驶船舶的***的操作原理的示图；
-图12A示出了显示根据本发明的用于辅助驾驶船舶的***的架构的框图；
-图12B示出了在校正流程中考虑的幅度的时间曲线图；以及
-图13示出作为校正流程的参考的时间轴。
具体实施方式
在详细说明本发明的实施方式之前，应注意，本发明不限于将其应用于以下描述中所呈现的或在附图中示出的组件的构造细节和布置。本发明可以采取其他实施方式并且以不同的方式实现或实际地执行。还应当理解的是，用语和术语仅仅是为了描述的目的，而不应被视为是限制。
根据本发明的***在其中集成了结构监测***(“船体监测***”，以下称为HMS)和导航支持主动引导***，例如文档EP2167916中论述的“安全导航***”(在下文中，SNS)，其描述通过引用并入本文。在下文中，根据本发明的***还称为“增强安全导航***”(ESNS)。
参考图1，该***基本上包括：导航检测装置10(例如由加速度计、倾斜计、GPS、陀螺仪组成)，适于提供船舶运动的指示；环境检测装置20(例如由波浪雷达组成)，适于提供海洋波动的指示；以及至少一个处理单元30，可操作地连接到上述装置。
该***还包括共同用附图标记40表示的局部应变传感器和全局应变传感器。在图1中，用附图标记40'表示的传感器之一表示以下将称为参考传感器的传感器。在图1中用附图标记50表示的点表示“虚拟传感器”，即没有传感器的点，但是此处可以估计诸如加速度和/或应变的幅度值，这将在下文中阐明。
ESNS***硬件架构
根据本发明的***开发所必需的硬件基本上与申请人过去开发的HMS监测***已经使用的硬件兼容。事实上，根据本发明的***可以使用结构监测***提供的应变传感器。
相比之下，虚拟传感器的数量在理论上是无限的；目前，它仅限于用于放置在船上的物理传感器和虚拟传感器组的软件(48)内可用的信道的数量。
该***由主数据采集和处理单元(主处理单元，MPU)和位于主甲板处以最小化与应变计传感器的距离的一个或多个额外的***处理单元(PPU)组成。
以由3PPU组成的***为例，***架构如图1A所示。
嵌入式采集硬件基于BUS/EtherCAT架构，具有最大的可扩展性和可扩充性，诸如可重构控制和监测***cRIO，其使用FPGA技术，可实现一系列数字处理，从而使主要采集计算机的工作更加简单。
***可配置底盘中的控制器从***底盘的模块以及从***经由EtherCAT连接的辅助底盘中的模块获取数据，提供专为实时应用而设计的独立嵌入式执行。
根据HMS***的要求，必要的模块是应变计(用于局部和全局应变测量)和模拟(用于加速度计和/或倾斜计或本规范要求的其他模拟传感器)。
PPU内部由具有可编程逻辑的采集硬件和为远程传感器和采集硬件提供稳定电压的电源组成。
本说明书以同等地特定组件为例说明了具体的硬件架构；然而，应当理解，这些实例不应被解释为对本发明的限制。事实上，可以构想不同的实施方式变体；特别地，ESNS***可以由不同的架构(例如PPU之间的星形而不是串行连接)和/或不同的硬件组件(例如基于光纤技术而不是传统的电气技术的采集单元和传感器)组成。
图1A所示的主要PPU的采集硬件由具有通过实时控制器(NI9022)和应变计信号(NI9237)和电流(NI9203)或电压(NI9201)信号采集模块集成的可编程FPGA的单元NI9111组成；所需的任何远程PPU的采集硬件由以应变计信号(NI9237)和电流(NI9203)或电压(NI9201)信号采集模块集成的从模式操作的单元NI9144组成。
PPU之间的连接经由电缆CAT6并且必须专用于***而不穿过网络交换机。
以上组件的规范如下：
NI9144:
-8-模块EtherCAT单元
-通过高性能确定性EtherCAT的I/O
-可重构集成FPGA门用于控制、并行处理和定时
-工作温度范围-40/+70℃，50g震动，5g振动
NI9111:
-集成的可重构FPGAXilinx Virtex-5栅极
-自定义控制和信号处理电路的自动烧结
-工作温度范围-40/+70℃，50g震动，5g振动
NI9022
-用于确定性控制、数据记录和分析的实时嵌入式控制器
-533MHz处理器、2GB非易失存储器、256MBDDR2存储器-具有集成服务器和服务器文件的双以太网端口
-工作温度范围-20/+55℃
NI9237
-4信道同步桥模块、24位分辨率，25mV模拟输入
-4个同时采样的模拟输入，50kS/s最大采样率
-可编程半桥和全桥完成，10V最大激励
-与1000Vrms瞬时绝缘
-工作温度范围-40/+70℃
NI9203
-8信道电流输入模块
-可编程输入范围4-20mA或者0-20mA
-工作温度范围-40/+70℃
-16位分辨率，200kS/s聚合采样率
NI9201
-8信道电压输入模块
-可编程输入范围+/-10V
-工作温度范围-40/+70℃
-12位分辨率，500kS/s聚合采样率
在最简单的配置(未显示)中，其特征在于满足RINA符号MON-HULL的要求所需的最小传感器数量，只需要主单元从传感器采集信号。
对于更复杂的配置(如图1A所示)，其中，必须获取沿着整个船舶长度部署的更多数量的传感器，必须安装一些从单元，以使采集模块足够靠近应变计传感器，以便最小化由于电缆而获取的信号上的噪声。
主要采集***，即主处理单元(MPU)，由工业计算机组成，执行以下任务：
-从PPU接收数据；
-从自动化(自动机)接收数据；
-接收并处理与海况有关的数据；
-执行ESNS程序，包括结构监测程序的特征和功能以及主动引导程序的特征和功能；
-显示并且保存数据；
-检查限制设置；
-在其控制台上显示任何警报；
-向船舶自动化和/或VDR(航行数据记录仪)发送数据和警报。
主要采集***由坚固的无风扇工业计算机组成，ESNS***与嵌入式采集硬件一起安装在该计算机上。
计算机配备有至少以下：
-IntelCore i7-620LE2.0GHz+QM57芯片组
-128 GB SSD HD SATA 2.0
-RS232/422/485可配置的串行端口
-2个以太网端口
-嵌入式VGA板、分辨率2048x1536
-4 GB 800/1066MHz DDR3
采集单元配备有显示所获取的值和与操作员交互的屏幕。
根据本发明的***包括一组传感器和检测装置。具体地，包括真实应变传感器。这些传感器是物理测量船舶结构上真实应变的装置。它们由换能器和可能的温度补偿器组成。
特别地，本文包括局部应变计传感器。这些传感器是用于测量船上发生的真实应变和与ESNS内部计算例程相互作用的主要传感器，该ESNS内部计算例程基于预先计算的响应算子，基于当前/预期的操作和导航条件计算船舶未测量点的电压/应变。应变计传感器必须完全粘附在结构上，而不会有分离和热漂移的危险：因此，只应考虑焊接应变计，而不是粘接应变计，温度测量传感器(热电偶)将放置成紧邻传感器，或者***将通过虚拟应变计提供应变计补偿。然而，优选后者以便具有半桥测量配置：一个由应变计组成的分支放置在测量点处，而另一个由应变计补偿器组成的分支放置在测量点附近但与第一分支机械隔离以补偿由于温度引起的应变。以这种方式，只需要已经热补偿的应变计测量，而不必进行两个不同的测量(应变计和热)，并且必须对热补偿进行额外的处理。
此外，传感器必须适当地密封防止水分和灰尘渗透(IP56)并机械保护。
还包括用于全局应变的传感器。这些传感器是监测***的主要元件。它们的位置由船级社和客户的要求确定，牢记该传感器的高尺寸，长度约为2.5米。
所讨论的传感器可以基本上由钢棒组成，该钢棒作用于具有无限分辩率的应变计位移转换器。船体梁应变意味着棒的位移，因此转换器的压缩/延伸测量。考虑到传感器的类型(具有4个主动分支的惠斯通电桥)和为棒选择的材料类型(钢，类似船体梁的结构)，由热梯度引起的应变由传感器直接补偿，因此不需要温度传感器或热补偿器。
该传感器的保护必须至少为IP56。
如果传感器必须安装在可能被淹没的区域中，例如舱底，则必须优化组件的保护，使其抗浸入(IP67)。
还提供模拟传感器。在分析后步骤中，船舶运动测量传感器(加速度计、倾斜计、压力探针)除了列出在用于获得结构监测的附加等级符号的寄存器要求中之外，还要求与测量的船体应变相关。考虑到架构提供的灵活性，可以根据客户的要求随时添加模拟信道。
ESNS***具有以下输入/输出连接：GPS、回转仪和VDR。
***经由标准串行连接从船舶GPS接收数据，其中语句可用于定义位置、速度和时间。需要的语句如下：GLL、VTG、ZDA。
该***还经由标准串行连接从船舶陀螺仪接收数据，其中HDG或HDT语句可用于定义相对于北的船首的方向。
***必须如由船舶的船级社的要求表示的，向船上航行数据记录仪传送必要的信息。连接是与VDR***的制造商不时约定的语句的标准串行。如果自动化***与VDR有连接，则可将此设备设置为将数据传送到VDR。
ESNS***还与船舶自动化连接。与自动化的连接可以提供入站和出站信息的交换。例如，自动化可以提供需要进行监视的一些仪器的状态，或者它可以传递一些点对点不可用的信息(例如gps、陀螺仪，风数据，...)。
自动化***的输出需要符合寄存器的关于桥上任何报警报告的要求。
ESNS***还与用于测量海况的***连接。测量海况的***是ESNS***的基本组成部分。
信息源是已经存在于适当配置和使用的任何船舶上的X波段导航雷达，其数据(ACP+ARP、图像、触发器等)由接口装置(集成视频数字化仪)获取，该接口装置允许专用软件从有效高度、方向和周期等方面提取有关海况的信息。
当雷达在导航期间用于路由检查操作时，雷达在波浪上的反射通常被认为是噪声，因此通常由桥上的***进行滤波。相反，这签名(signature)表示当目的是提取海况参数时需要处理的信号。
雷达图像不是海况的直接表示，因此需要一个变换流程：特别是数据处理是转化问题，其中从不同时刻收集的一组雷达图像开始，将确定根据两个空间(与雷达观察到的区域相关)和时间(见图2)变量理解的海面升高。
从雷达获取的原始图像开始，在数据的第一次3D傅里叶变换之后，进行第一次滤波，从海面水流的知识开始构建，以消除由于分散引起的任何不期望的现象。然后使用称为调制传递函数的传递函数来转换雷达的图像，并获取关于海况的数据。
该信息-除了被ESNS用作输入数据以计算未测量点的运动和应力之外，还将与来自真实和虚拟传感器的数据一起保存，以允许用户在后处理步骤中关联船舶和结构应力的操作条件。
HMS***软件架构
由申请人开发的用于检查HMS结构监测***的Sh.A.M.An.(船舶先进监测与分析)软件设计有动态架构：主面板托管管理用户要求的具体特征的每个动态子面板(见图3)。
执行的第一个测试是在访问程序之前检查***状态。在机器不正确关闭或强制重新启动的情况下，注册表中的标志允许管理关于所讨论的错误条件的警告。
软件读取程序的配置文件以初始化变量，并检查正确的最小屏幕分辨率，以确保按照寄存器的要求进行适当的显示：如果分辨率不足，程序将以错误消息停止。
在启动过程之后，使用最后一个有效配置文件中包含的信息直接打开监测面板。
用户可以使用位于主应用栏上的按钮从一个子面板切换到另一个子面板。
监测板的主要功能块在图4的示图中示出。以上功能块的主要方面为：
数据读取：从配置的串行端口和TCP/IP连接中接收数据，并将它们放置在跟踪缓冲区中
数据解码：从缓冲区接收数据，并按照配置模块中表示的检查数据类型。允许的字符串如下：
oN:导航数据：GPS、波高传感器、风速、...
oT:来自采集***的所有传感器，诸如加速计、应变计、...
单独处理每个信号类别：根据连接类型(串行或TCP/IP)，在两个并行进程上处理字符串。
每个字符串包含等于采样率乘以硬件传感器数量的多个样本。字符串中包含的值从文本转换为数字，并组织在一个向量中。接收到的数据按照配置模块中的预期进行缩放，并转换为双数字精度向量。
统计：以两种方式统计上地分析数据向量。管理第一个分析以更新屏幕上显示的数据：用户可使用位于屏幕上的特殊控件手动更改刷新间隔。第二个分析涉及要保存到磁盘的统计数据的收集：该计算的频率在配置模块中设置。两个分析计算每个传感器的以下统计值：最大值、最小值、平均值和标准偏差。
警报：当程序更新屏幕上显示的数据时，执行警报验证。根据在图5中示出的算法激活警报。
当传感器达到报警状态时，即使传感器返回到可接受的值，“主报警”被激活，保持活跃直到用户确认为止。
如果发生以前确认的传感器的警报状态继续发生的情况，则仅当新传感器出现新警报以防止重复显示相同警报时，才会激活“主警报”。
HMS软件中的警报管理根据警报和指示器上的IMO代码的规则实现。
作为示例，图6示出如何处理警报信号的演化。
***检查和交互：检查软件的正确操作，并允许用户与监测程序进行交互，例如更改刷新率、查看事件日志、停止采集。程序的该部分还管理并控制其他平行和并行进程。
关于HMS软件的架构和算法的更多细节被描述在G.Cusano，M.Garbarino，'Sh.A.M.An.(SHip Advanced Monitoring and Analysis)system：Principles andalgorithm used for data processing’，CETENA Report no.11222，Genova，2012年3月16日，通过引用并入本文。
在图7中示出HMSSh.A.M.An.的主屏幕。
SNS***软件架构
建议***的目的是向海关联络员说明根据当时船舶实际遇到的海况，决定改变当前方向/速度的短期后果。
为此，需要两个主要要素：
-在高度和波浪周期方面，船舶附近海况的可靠测量；
-船舶的数学模型能够根据操作和海况以合理精度预测船舶的动态行为。
SNS软件没有对船舶的动态行为进行直接计算，而只是在从船上***(GPS和波浪雷达)的接口获得的当前航海/运行条件内插预先计算的结果，并将其显示在专用图形用户界面(参见图8)。
因此，软件核心是由运动和压力的响应算子的表格组成的船舶的模型。在使用适当的软件工具在船上安装***之前，必须准备它们：在SNS的情况下，为了预测由波浪形海洋直接引起的刚体运动和全局动态载荷，计算模型PRECAL在国际财团CRS(合作研究船)的20多年研究中得到使用、开发和验证。这样的计算包能够执行频域中的常规线性预测和时域中的非线性模拟。
为了预测冲击压力引起的船体梁振动对全局动态载荷的影响，另一方面，使用了由“SafenVShip”项目产生的专有技术。
计算通常在以下条件下进行：
·13会合角度，在船首0°海洋和船尾180°海洋之间的每15°；
·6船速，在0和25结点的每5个结点之间；
·8海洋周期，在6和22秒的每2秒之间。
这些结果的准备需要准确了解船舶的几何形状、其载荷条件及其结构特征。
符合计算软件的处理如下：
·评估船舶的船首区域的冲击力；
·评估由冲击力导致的剪切和力矩贡献；
·波浪贡献和冲击贡献的组合、或搅打。
波浪和搅打贡献的正确组合对于可靠地预测船舶上所产生的剪切/力矩至关重要。
然后软件提供以下特征：
·离线：根据船速、有效波高和与船首的波会角利用弯矩产生表格。
·在线：图形显示以下数据：
o位置(纬度和经度)；
o GPS时间；
o速度和航向；
o有效波高和方向；
o基于船舶方向或速度变化的具有弯矩、垂直剪切或垂直加速度的图案的极坐标图；
o显示的历史数据的存储。
软件中实现的计算模型的功能图如图9中示出的框图中所示。
***可以被分成6个主要部分：
·计算相对垂直速度和波应力(VSF和VBM)的加速度(垂直和横向)频率的响应算子；
·计算砰击载荷；
·预测搅打压力(VBM和VSF)；
·确定波浪载荷的下垂/扭曲比率；
·计算载荷组合系数；
·根据船舶当前载荷条件，将添加到静止水中的载荷的搅打和波浪载荷的组合输入到软件中。
所有这些部分都需要使用合适的耐波性模型：通常，使用PRECAL代码，它提供了3D耐波性代码(线性和非线性)。
以下是SNS主要块的描述：
·船舶数据：该块是指必须输入以便能够执行计算***所需的所有操作的关于船舶的数据；特别地，必须详细地了解船体的几何形状和船舶的结构。
·耐波性模型：耐波性模型的作用是在刚体和线性假设下在所谓的传递函数或响应算子(RAO，响度幅值算子)方面提供船舶对波浪状海洋的机械响应。线性度的假设，即波浪激励与船舶响应之间的比例性，允许根据船舶响应相对于单个规则波放大和变相多少来描述后者。PRECAL的流体动力模型需要通过四边形平板的***来描绘湿船表面，每个四边形平板的中心放置数学上表示波浪干扰的脉冲源。因此，由每个源所施加的单个动作的重叠提供所产生的波浪的作用。
在SNS的情况下，针对海洋船舶在宽范围规则波浪中遇到的不同船速和方向确定船舶的船首区域(RVV)的相对垂直速度和中心线(VBM)处的弯矩的RAO。
·短期分析：通过海洋的JONSWAP频谱与响应算子的组合来执行针对给定的海况和用户输入的暴露时间的RVV和VBM(根据更可能的最大值)的统计预测：事实上，在线性假设中，船舶对海洋的预定状态的响应仅通过其对构成所述海况的单一规则波浪的响应的重叠来提供。
·SAG/HOG报告：由于PRECAL根据线性理论(框WAVEVBM船舶中心线)计算中心线的弯矩，因此基于合适的分类规则引入SAG/HOG比率的校正因子，以区分下垂波浪矩和扭曲波浪矩。事实上，线性理论不能通过绝对值而是仅通过符号区分上述两个贡献：从物理观点来看，两个波浪值之间的差异是由于与船舶的船首部分在水中的出入相关联的非线性效应，这可以相对于静态水线显著变化。
·砰击载荷:它从相关船首垂直速度(RVV)开始并从等于Lpp/20的长度和几何倾斜角(船底斜度)b的楔处的水线上方的船舶的船首端的近似值开始计算船舶的船首部分上的砰击载荷，由块等效楔的定义执行的操作。框瓦格纳理论(WagnerTheory)允许从在自由的未受干扰的表面中以恒定的垂直速度穿透的等效楔上的冲击压力的值开始评估施加在船舶的船首部分上的砰击力。最大压力的系数Cp冲击力和砰击力F为：
F＝p·S
其中
基于最大冲击力，模块砰击载荷决定了砰击脉冲的时间历史，其特征在于平均长度取决于船舶的类型。
图10通过举例的方式示出了对于不同的船舶速度和海洋方向，在确定的海况中的游轮的统计RVV预测。
·船舶中心线处的VBM搅打:使用船体梁(简化模型)的简化物理模型计算船舶中心线处的搅打矩，具有一个扭转自由度-由通过模拟弹性的扭转弹簧连接的两个梁和模拟扭转阻尼的扭转阻尼器组成-分析上可解的。
·搅打和波浪载荷的组合:基于等效波概念(框等效波)来执行作为SNS***核心的波浪弯矩和搅打弯矩之间的组合以确定适当的组合系数(框载荷同期系数)。主要假设是相对垂直速度和砰击冲击力的最大值处于理想的相位，因此通过框船舶中心线处的VBM搅打根据RVV的最大值计算搅打贡献至剪切/弯矩的最大值。
然而，波矩和搅打矩是两个不相关的幅度，所以相应的最大值的简单总和导致过度过高估计预期的载荷。通过以基于与相关垂直速度和波应力之间的移相(失相)有关的考虑而计算的合适的系数组合波浪和搅打贡献的最大贡献(相对于单位波高)并且通过适当地缩放关于确定为生成等于通过短期统计计算的垂直的扭曲弯矩的规则波的参考波高度获得的值，出现波浪和搅打贡献的重叠。为此，图10A示出了由于砰击对总弯矩(与波浪贡献相同的幅度，取决于船舶和导航条件的相位)的搅打贡献的影响。
在图11中示出SNS的主屏幕。
ESNS***软件架构
图12中的示图汇总了根据本发明的ESNS***的操作特征。
图12A中的示图示出了从船体监测***和安全导航***中已经存在的原理开始的ESNS***的架构原理。点划线示出了ESNS***中引入的特征。
HMS***已配置为与船上的GPS、陀螺仪和X波段导航雷达接口。除了被HMS***用于了解速度、位置和路线之外，GPS信息也由子***处理，用于测量海况，允许获得与波浪运动的波高、周期和会合方向相关的数据。
直接向SNS模块提供关于海况的信息(相对于船舶船首的有效波高、平均周期和会合方向)，船舶航向来自回转仪并且船速来自GPS：而在早期版本的SNS中，通过读取具有读取/写入同步问题的文本文件来完成信息的传递，通过集成两个***，信息可以直接在软件的内核层发送。
原始的SNS***一旦获取了波浪和方向/速度数据，查询响度幅值算子(RAO)，其中在输出中允许估计弯矩、张力和加速度。该信息提供给OED(使用状态范围图)，其显示极坐标图上的当前船舶情况，允许模拟一些可能的变化(路线、速度、位移)，在将它们投入实践之前在视觉上验证这些动作的准确性。
物理安装在船上的传感器的可用性允许以高精度实时地校正由RAO预测的值，从而提高与HMS集成的SNS模块的有效性。此外，通过对真实传感器测量值的反馈，始终使用响应算子和实时校正，可以估计未测量的船舶点的应变和运动，从而允许虚拟传感器在HMS内与传统的传感器相结合。
因此，HMS***将把这些传感器视为物理安装在船上的传感器，监测其值，在超过阈值的情况下创建适当的报警，保存统计数据。
以下说明ESNS与先前的SNS相比的附加特征。
由于滚动的非线性
在船舶运动和对船体梁的整体压力(VBM和VSF)的计算流程中，ESNS考虑到由于与滚动耦合的横向运动导致的非线性，提供更准确和逼真的结果。同时，根据船舶的扭曲或下垂条件区分波浪和砰击贡献的组合。
局部应变计算
虽然SNS专门针对仅与船体梁(运动、加速、VBM、VSF)相关的应力的当前和估计计算，但ESNS还包括根据结构细节的变形的预期/预测局部应力的当前和估计计算的例程。
目的是用虚拟应变计替换目前存在于监测***中的一些局部应变计，并添加结构状况的其他检查点，而不会使***更具侵入性。
计算从先前计算的并且组合成相应的搅打和波分量的全局载荷(VBM和VSF)，并且从离线适当计算并在类似全局应力的RAO的软件内实现的局部应力的响应算子开始发生。
局部应力的RAO通过对所讨论的结构的有限元模型的计算确定，加载了具有增加值的全局应力，其中待计算的局部响应的点周围的区域的“网格”充分增厚(详细应力分析)。
通常需要使用各种值和全局应力的组合进行计算，以获得全局/局部匹配表并***它们之间，以便了解与SNS模块内计算出的全局应力相对应的局部应力值。由于与局部结构相关的几何非线性和不连续性可以使全局和局部应力之间的匹配非线性，所以认为仅对统一的全局应力运行该计算，然后缩放对局部应力获得的结果是不足够的。
因此，如通过SNS模块计算的，可以仅计算扭曲和下垂的波应力贡献和总波应力和砰击贡献的局部应变。因此，可将仅由于砰击贡献而导致的局部应变份额确定为前两者之间的差异：通过对局部RAO的直接缩放对全局应力的砰击贡献的计算可能导致由于全局应力和全局应力之间的传递函数中的可能的非线性而导致的误差。
计算局部和全局应变的疲劳周期
SNS模块允许估计通过虚拟传感器监测的结构细节所经历的疲劳周期的数量和幅度。
仅由于考虑在曝光时间期间预期的对结构细节的砰击贡献，估计可以从局部应变份额开始。
从工程的角度(可靠计算算法的定义)和实现方面来看，实现这个特征是具有挑战性的。
对于涉及已知范围应力的砰击事件，考虑到细节经受根据阻尼ζ随时间变化减小幅度和对应于考虑的结构件的振动模式的频率的振动，可以计算载荷周期的数量和幅度。可以从文献中确定阻尼值，而使用用于确定局部应力的RAO的相同的FEM模型来计算固有频率。
了解初始振动幅度(即仅由于砰击贡献引起的局部应变)、阻尼和频率，软件可以计算达到阈值所需的周期数(和每个的振幅)，认为低于阈值的应力不影响结构的疲劳寿命，结构的疲劳寿命的值根据材料的类型和结构细节来确定。
在所考虑的曝光时间内预期的砰击事件的数量很难确定。
可以基于考虑的速度和海况的砰击事件的出现概率提前估计：这种概率与船首垂直速度超过相对临界垂直砰击速度的次数成正比，但由于砰击是随机现象，因此不能直接确定该比例。但是，如果来自测量的真实的或容器耐波性试验的足够的信息和数据可用于考虑的船舶或船舶类型，则可以足够的可靠程度进行估计：在这种情况下，可以在SNS模块内创建实现表，以确定每单位时间的事件数量。
替代地，如果后者提供有该特征，则可以参考由HMS模块导航期间直接检测到的砰击事件的数量。先前的HMS模块未提供该特征，此调整涉及硬件和软件层面的重大变化。
然后将如此计算的疲劳循环的数量和幅度保存在类似于真实传感器情况下所做的雨流(rainflow)文件中，在这种情况下，通过以与为SNS模块设置的曝光时间Texp相对应的间隔更新这些文件。
使用来自物理传感器的值校正通过SNS估计的数据
根据本发明，使用由HMS模块通过物理地在船上的传感器测量的值(长基准应变计、应变计、加速计)来实时校正SNS模块做出的计算(如有必要)。
实现此特征涉及由SNS模块进行的计算的反馈回路，并且需要确定使用哪些真实传感器来尽可能可靠地校正单个虚拟传感器。
关于全局应力，参考传感器通常是在关于其他部分的弯矩的计算值的船舶中心线处安装的长应变计；靠近关于船舶运动的重心定位的加速计和倾斜计。
对于局部应力，参考传感器必须在ESNS的设计和定制步骤中进行识别，包括(如有必要)，在与客户商定的并由处理数值计算的设计者熟知的位置安装一个或多个应变计传感器。在执行结构计算(其最终输出是由SNS模块查询用于基于海洋和船舶状况计算应力的RAO)时，设计者也必须在参考位置计算RAO，使得SNS模块可以将其用作虚拟传感器的比较点。
一旦***已经安装在船上并进行了配置，校正程序如下(图12B)：
1、HMS模块检测由参考传感器GR-M(t)测量的幅度，并根据SNS模块中设定的曝光时间的持续时间内的最大值、最小值、平均值和RMS(均方根)值将其提供给SNS模块；
2、SNS模块(接收速度、路线和海况数据)通过RAO计算HMS模块测量物理传感器获取的值的每个时刻的在参考点GR-C(t)和虚拟传感器点GV-C(t)中的相同幅度的曝光时间的预期最小值和最大值；
3、ESNS***从由计算的预期最大值和最小值组成的这种时间经历提取最大值、最小值、平均值和RMS值；
4、ESNS比较真实数据的最大值、最小值、平均值和RMS值与在相同参考点计算的值并且根据相同的偏移百分比校正通过SNS模块计算的所有虚拟传感器中的涉及该参考点的数据。
图13表示时间轴，其中点T0表示进行校正程序的参考时刻。校正步骤实际上是在ESNS***运行期间实时应用的；然后根据在参考点计算和测量的内容不断校正计算值，从而允许***对船舶运行的任何导航和环境条件进行连续实时校准。Texp表示通常由SNS模块进行的幅度估计的曝光时间。时间间隔(T0，T0+Texp)表示预期幅度采用SNS模块估计的期望值的时间间隔。相反，参考时刻T0之前的时间间隔(T0-Texp，T0)，校正程序“回到之前”。因此，在没有传感器的关注点(所讨论的点因此是“虚拟传感器”)处计算关注幅度的估计GV-C(t)，在参考时刻T0之前的曝光时间(T0-Texp，T0)的范围内的每个时刻计算这种虚拟传感器点中的关注幅度的预期最大值和最小值。此外，对于包括在相同时间间隔中的每个时刻，在参考传感器处计算关注幅度的估计GR-C(t)，在参考时刻T0之前的曝光时间(T0-Texp，T0)的范围内的每个时刻计算参考传感器的点中的关注幅度的预期最大值和最小值。为了获得与参考传感器的点处的幅度估计进行比较的幅度的指示，从由参考传感器提供的记录测量数据GR-M(t)中提取在时刻T0之前的曝光时间(T0-Texp，T0)的范围内的最大值、最小值、平均值和RMS测量值。然后将由参考传感器提供的幅度指示的时间历史的最大值、最小值、平均值和RMS值与参考传感器的点的关注幅度的估计进行比较；根据该比较，将要应用于虚拟传感器的点的幅度的计算结果的偏移值确定为最大值、最小值、平均值和RMS测量值与传感器的点的所述幅度的预期最大值、最小值、平均值和RMS值之间的差值。
根据特别简单的实施方式，在关注幅度的估计值的虚拟点中直接应用校正，定义为偏移值与参考传感器点中关注幅度的值之间的比率。根据本发明的实施方式，为参考传感器计算的偏移值用于大多数虚拟点中的估计的校正。根据其他实施方式，可以将针对若干参考传感器计算的多个偏移值组合，例如以线性组合添加，并用于一个或多个虚拟点中的估算的校正。
使用状态范围图
关于先前的SNS，其中仅绘制了船体梁的主应力的极坐标图，ESNS还可以对特定船舶定制并且根据客户的要求提供使用状态范围图的显示，如上所述。
这些示图要求根据单一情况适当组合运动和应力所得结果的特征定义：因此，ESNS必须提供用于实现可基于客户的规范和单船的运行限制进行配置的一定数量的O.E.D.。
现在将描述与HMS-SNS集成相关的互连问题。
来自外部设备的共享数据
除了来自海况测量***的输入，HMS***已经设置用于采集船上信号(GPS、陀螺仪等)，并且这些数据必须发送到SNS模块，用于评估作为速度和路线的函数的应力。
还应该认为，海况测量***的计算机与ESNS***是分开的。在先前的HMS中，***通过与子产品制造商商定的串联NMEA串接收有效波高、平均过零周期、主波方向等信息。
先前SNS***的软件安装在波高测量***运行的同一台计算机上，通过读取保存到公用文件夹的文本文件来执行所需信息的交换。该模式除了由于频繁访问磁盘而导致减小磁盘的使用寿命外，还会减慢不直接访问存储器中的该信息的程序执行。
关于ESNS，由于用于确定海况的软件由第三方开发商制造，并且驻留在与ESNS分离的计算机上，所以最佳解决方案是放弃读取文件并使用经由串行连接的NMEA语句来传输必要的信息。
由ESNS***的经由串行连接的两个模块(HMS和SNS)使用来自外部设备的信息在任何情况下都应考虑到当两个不同***同时访问来自同一串行连接的数据流中包含的信息时出现的时序问题。
HMS模块中的虚拟传感器集成
SNS模块用于获取关于甚至在未被传感器覆盖的点中的应力(应变或者加速)的信息。
该信息应显示在屏幕上并且视为类似真实存在于船上的传感器。因此，产生了一种虚拟传感器，其值不由放置在船上的换能器提供，而是数值计算的结果。
HMS***提供监测多达48个信道的能力，无论是应变计(全局应变的长基准应变计还是局部应变的短基准应变计)或模拟(加速计、倾斜计、压力探针等)。虚拟信道的引入涉及两种不同的干预级别：信道配置干预级别和数据访问干预级别。
HMS软件目前独立提供48个信道中的每一个的配置，允许在几种不同类型的传感器之间进行选择。添加认为是新“型”传感器的虚拟传感器，因此意味着需要修改配置文件的配置界面和架构。
根据该添加，关于虚拟传感器需要修改信号和警报的整个管理模式。
最关键的是：
·虚拟传感器可以与真实传感器同时或非同时获取。后者具有良好限定的采样率(取决于注册要求)，并且他们的统计数据至少每秒发送到MPU。
另一方面，虚拟传感器值的刷新率直接取决于RAO的响应，这反过来取决于与海况相关的数据的等待延迟时间以及在SNS中设置的曝光时间。因此，根据ESNS模块的设置，来自RAO的输出值的输出时间可能或可能不与来自现场数据的输出时间相当，结果在显示和由软件适当管理的报警管理中均存在时序问题。
·虽然在真实传感器的情况下，HMS接收时间历史，在其上计算统计数据(最大值、最小值、平均值、标准偏差)，在虚拟传感器的情况下，它仅接收与考虑的曝光时间的预期扭曲和下垂条件有关的最大值、最小值、平均值和RMS值。
·HMS的主要功能之一是验证正确的传感器操作和计算测量幅度的统计值。检查传感器的质量主要通过监测所获得的值的平均值和标准偏差来进行。在传感器不工作的情况下，对上述值没有变化，因此在一定数量的循环后，将具有恒定平均值和零标准偏差的传感器称为不工作(G.Cusano，M.Garbarino，'Sh.AMAn.(Ship Advanced Monitoring andAnalysis)system：Principles and algorithm used to data processing”，CETENAReport no.122222，Genova，2012年3月16日)。
直接在管理报警的HMS模块内***虚拟传感器无疑将导致由于相对于来自现场的数据接收速度的计算延迟和由虚拟传感器在定义的时间间隔上指示的常数值而报告假错误：因此，应该对报警管理部分进行评估，实现其对于虚拟传感器的规范。
·与海况有关的数据的可能缺少或无效(由于雷达或测量***故障或数据通信故障)将使SNS模块无法计算船舶响应并且因此无法计算虚拟传感器处的应力，因此认为不工作。因此，适用于评估数据保护方法(例如，采样并保持以接收新值)和适当的警报管理：比较与海况测量相关的数据缺少与虚拟传感器的“断裂”。
ESNS***界面
ESNS***的主界面基本反映了HMS***界面，HMS***界面显示了来自真实传感器的数据和虚拟传感器计算出的数据：数据和相关的报警将如上所述进行管理，并且原则上，用户无需区分真实传感器和虚拟传感器。在任何情况下，例如利用不同于真实传感器的颜色的标签或以替代方式识别虚拟传感器。
此外，专用于***模拟的屏幕与HMS的屏幕相同，其中适当指示了真实传感器的位置添加到虚拟传感器的位置。
与当前的HMS相比，添加了额外的窗口，该窗口可以由用户检索，显示与预测功能ex-SNS相关的部分。类似于先前的SNS的图形界面显示当前和/或预测或尝试导航和海况的虚拟传感器的预期值/预测值的极坐标图。
此外，在这种情况下，它会根据客户的要求显示专门为单个船舶实现的“使用状态范围图”。
已经描述了根据本发明的用于辅助驾驶船舶的***的实施方式。应当理解，本发明不限于这样的实施方式，而是可以在由所附权利要求限定的范围内变化。

Claims (6)

1.一种用于辅助驾驶船舶的***，包括：
导航检测装置(10)，适于提供所述船舶的运动的指示；
环境检测装置(20)，适于提供海浪运动的指示；以及
至少一个处理单元(30)，被配置为在所述船舶的运动期间实时执行以下步骤：
-基于所述船舶运动的指示和所述海浪运动的指示确定由于直接波浪激励导致的刚体船舶运动，
-估计由于所述直接波浪激励引起的所述船舶的结构载荷，所述估计是基于所述刚体船舶运动的所述确定来计算的，
-评估并提供所述船舶上波浪砰击的指示，
-估计由于由所述波浪砰击所引起的搅打效应导致的所述船舶的结构载荷，所述估计是基于所述船舶上的波浪砰击的所述指示计算的，其中，所述结构载荷的估计基于3D有限元模型，所述3D有限元模型再现所述船舶结构的动态行为，
-计算所估计的结构载荷的组合，并且
-图形地和/或数字地呈现所估计的结构载荷的组合；
其特征在于，该***包括适于提供在所述船舶结构的预定点处的运动或应力幅度的指示的至少一个参考传感器(40')，
所述至少一个处理单元另外被配置为在所述船舶的运动期间实时执行以下步骤：
计算在所述船舶结构的预定点处的所述幅度的估计，所述计算包括：
-计算由于所述直接波浪激励引起的第一估计贡献，所述第一估计贡献是基于所述刚体船舶运动的所述确定来计算的，
-计算由于由所述波浪砰击所引起的所述搅打效应导致的第二估计贡献，所述第二估计贡献是基于所述船舶上的波浪砰击的所述指示计算的，其中，所述估计贡献基于3D有限元模型，所述3D有限元模型再现所述船舶结构在所述预定点处的区域的动态行为，
-计算所述第一估计贡献和第二估计贡献的组合，
比较在所述船舶运动期间由所述参考传感器(40')提供的幅度的所述指示与所述幅度的估计，以确定偏移值；并且
基于所述偏移值校正所述结构载荷的估计和/或所述幅度的估计。
2.根据权利要求1所述的***，其中，估计由于所述波浪砰击引起的所述搅打效应导致的所述船舶的结构载荷包括
估计搅打分量与波浪砰击分量之间的定相。
3.根据权利要求1或2所述的***，其中，所述至少一个处理单元另外配置为在所述船舶的运动期间实时执行以下步骤：
计算在所述船舶结构的无传感器的至少第二预定点(50)处的所述幅度的估计，所述计算包括：
-计算由于所述直接波浪激励引起的第一估计贡献，所述第一估计贡献是基于所述刚体船舶运动的所述确定来计算的，
-计算由于由所述波浪砰击所引起的所述搅打效应导致的第二估计贡献，所述第二估计贡献是基于所述船舶上的波浪砰击的所述指示计算的，其中，所述估计贡献基于3D有限元模型，所述3D有限元模型再现所述船舶结构在所述第二预定点(50)处的区域的动态行为，
-计算所述第一估计贡献和第二估计贡献的组合；
图形地和/或数字地呈现所述第一估计贡献和第二估计贡献的组合。
4.根据权利要求3所述的***，其中，所述至少一个处理单元另外配置为在所述船舶的运动期间实时执行以下步骤：
基于由所述参考传感器(40')在所述船舶运动期间提供的所述幅度指示与在设置有所述参考传感器(40')的第一预定点处计算的所述幅度的估计之间的比较确定的所述偏移值来校正没有传感器的所述第二预定点(50)处的所述幅度的估计。
5.根据权利要求4所述的***，其中，
计算无传感器的所述第二预定点(50)处的所述幅度的估计的所述步骤包括
在参考时刻(T0)之前的曝光时间间隔(T0-Texp，T0)内的每个采集时刻计算所述第二预定点(50)的所述幅度的预期最大值和最小值，以及
在所述参考时刻T0计算所述第二预定点的所述曝光时间间隔(T0-Texp，T0)中的预期最大值和最小值的最大值、最小值、平均值和RMS值；
计算在设置有参考传感器(40')的所述第一预定点处的所述幅度的估计的所述步骤包括在所述参考时刻T0之前的曝光时间间隔(T0-Texp，T0)内的每个采集时刻计算所述第一预定点的所述幅度的预期最大值和最小值，并且
在所述参考时刻T0计算所述第一预定点的所述曝光时间间隔(T0-Texp，T0)中的预期最大值和最小值的最大值、最小值、平均值和RMS值；
比较所述幅度的指示与所述幅度的估计的所述步骤包括
从由所述参考传感器(40')在所述曝光时间间隔(T0-Texp，T0)内提供的测量的记录数据中提取最大值、最小值、平均值和RMS测量值，以及
将偏差值确定为在所述时间间隔(T0-Texp，T0)内的所述第一预定点中的所述幅度的最大值、最小值、平均值和RMS测量值与预期的最大值、最小值、平均值和RMS值之间的差值。
6.根据权利要求5所述的***，其中，校正在无传感器的所述第二预定点(50)处的所述幅度的估计的所述步骤包括
基于所述偏移值校正所述第二预定点处的所述幅度的预期的最大值、最小值、平均值及RMS值。
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