CN110087985B - 拖船接近控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操纵船舶的拖船，所述拖船包括在接触区域中的至少一个接近度传感器，所述接近度传感器被构造为检测所述接触区域与所述船舶之间的距离，以及拖船控制器单元，所述拖船控制器单元基于检测到的所述接触区域与所述船舶之间的距离控制所述拖船朝向所述船舶的接近。

Description

拖船接近控制
技术领域
本发明涉及一种包括控制拖船朝向待拖曳的船舶的接近的拖船控制器单元的拖船。
背景技术
拖船或拖轮是用于拖曳和推动船舶的强大的船或船只。通过拖曳和推动船舶，一个或多个拖船可以在困难的操纵操作期间(例如在港口中、在狭窄的运河中或在遇险船舶的救援操作期间)操纵船舶。在推动操作期间，拖船通过将力传递到船舶的船体的一侧来操纵船舶。为了将要执行的操作，拖船必须接近船舶并与船体接触。如果没有正确地这样做，则会严重损坏拖船或船舶。
为了在不损坏拖船或船舶的情况下进行该操作，拖船船长必须逐渐接近船舶并轻轻地与船舶的船体接触。这即使是对于经验丰富的船长也可能具有挑战性，尤其是在恶劣天气下。站在拖船船头上的观察员可以观察拖船和船舶之间的距离并向船长报告，但这会使观察员面临人身伤害的风险。
发明内容
根据第一个方面，本发明提供了一种用于操纵船舶的拖船，所述拖船包括：在接触区域中的至少一个接近度传感器，所述接近度传感器被构造(配置)为检测所述接触区域与所述船舶之间的距离；以及拖船控制器单元，所述拖船控制器单元基于检测到的所述接触区域与所述船舶之间的距离控制所述拖船朝向所述船舶的接近。所述拖船可以被构造为检测所述拖船朝向所述船舶的接近速度，并且所述拖船控制器单元还基于检测到的所述拖船朝向所述船舶的接近速度控制所述拖船朝向所述船舶的接近。所述拖船还可以包括在所述接触区域中的至少一个力传感器，所述力传感器被构造为测量所述接触区域与所述船舶之间的冲击力，并且所述拖船控制器单元还基于测量到的所述接触区域与所述船舶之间的冲击力控制所述拖船朝向所述船舶的接近。所述至少一个力传感器可以包括多个力传感器的阵列。所述至少一个力传感器可以集成在拖船护舷中。所述拖船控制器单元可以被构造为从所述船舶接收所述船舶的速度和航向的信息，并且所述拖船控制器单元还基于接收到的所述船舶的速度和航向的信息控制所述拖船朝向所述船舶的接近。控制所述接近可以由所述拖船控制器单元自主地执行。所述拖船控制器单元还可包括动态定位控制***，所述动态定位控制***基于多个输入参数控制所述拖船的接近，并且所述多个输入参数可以包括所述接触区域与所述船舶之间的距离、所述拖船朝向所述船舶的接近速度、所述接触区域与所述船舶之间的冲击力、水面交通、气象数据、环境数据、所述船舶的移动、所述船舶的位置以及电子航海图中的至少一个。所述接近度传感器可以是声纳、无线电探测与测距装置(雷达)、激光探测与测距装置(激光雷达)、多普勒雷达、电感式接近度传感器和超声波传感器中的一种。
根据第二个方面，本发明提供了一种用于操纵船舶的拖船，所述拖船包括：在所述拖船和所述船舶之间的接触区域中的至少一个力传感器，所述力传感器被构造为测量传递到所述船舶的力的大小；以及拖船控制单元，所述拖船控制器单元基于测量到的传递到所述船舶的力的大小控制由所述拖船提供到所述船舶上的推力的大小。所述至少一个力传感器可以集成在拖船护舷中。所述至少一个力传感器可以包括多个力传感器的阵列。控制推力的大小可以由拖船控制器单元自主地执行。所述拖船控制器单元还可以包括动态定位控制***，所述动态定位控制***基于多个输入参数控制由所述拖船提供到所述船舶上的推力的大小，并且所述多个输入参数可以包括传递到所述船舶的力、水面交通、气象数据、环境数据、所述船舶的移动、所述船舶的位置和电子航海图中的至少一个。
根据第三个方面，本发明提供了一种拖船控制器单元，其中所述拖船控制器单元被构造为从拖船的接触区域中的至少一个接近度传感器接收数据，接收到的数据包括关于所述接触区域与船舶之间的距离的信息，并且所述拖船控制器单元基于接收到的数据控制所述拖船朝向所述船舶的移动。接收到的数据还可以包括所述拖船朝向所述船舶的接近速度。此外，所述拖船控制器单元可以被构造为从在接触区域中的至少一个力传感器接收数据，接收到的数据包括关于所述接触区域和所述船舶之间的冲击力的信息。所述至少一个力传感器可以包括多个力传感器的阵列。所述拖船控制器还可以被构造为从所述船舶接收所述船舶的速度和航向的信息，并且所述拖船控制器单元还基于接收到的所述船舶的速度和航向的信息控制所述拖船朝向所述船舶的接近。所述拖船控制器单元可以自主地控制所述接近。所述拖船控制器单元还可以包括动态定位控制***，所述动态定位控制***基于多个输入参数控制所述拖船的接近，并且所述多个输入参数可以包括所述接触区域与所述船舶之间的距离、所述拖船朝向所述船舶的接近速度、所述接触区域与所述船舶之间的冲击力、水面交通、气象数据、环境数据、所述船舶的移动、所述船舶的位置以及电子航海图中的至少一个。所述接近度传感器可以是声纳、无线电探测与测距装置(雷达)、激光探测与测距装置(激光雷达)、多普勒雷达、电感式接近度传感器和超声波传感器中的一种。
根据第五个方面，本发明提供了一种拖船控制器单元，其中所述拖船控制器单元被构造为从在拖船和船舶之间的接触区域中的至少一个力传感器接收数据，接收到的数据包括关于传递到所述海洋船舶的力的大小的信息，并且所述拖船控制单元基于传递到所述船舶的力的大小控制由所述拖船提供到所述船舶上的推力的大小。所述至少一个力传感器可以包括多个力传感器的阵列。所述的控制推力的大小可以由所述拖船控制器单元自主地执行。所述拖船控制器单元还可以包括动态定位控制***，所述动态定位控制***基于多个输入参数控制由所述拖船提供到所述船舶上的推力的大小，并且所述多个输入参数可以包括传递到所述船舶的力、水面交通、气象数据、环境数据、所述船舶的移动、所述船舶的位置和电子航海图中的至少一个。
附图说明
现在将参考以下附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出了接近海洋船舶的拖船的顶部透视图。
图2a-图2b示出了接近海洋船舶的拖船的顶部透视图。
图3图解了示例性拖船控制器单元。
图4图解了示例性动态定位控制***。
具体实施方式
将参照附图描述本发明。在所有附图和整个说明书中，对于相同或类似的特征使用相同的附图标记。
拖船
图1示出了接近海洋船舶105(以下称为船舶105)的拖船100的透视图。拖船100即将开始对船舶105进行推动操作，以通过推动船舶的船体的侧面104来操纵船舶。为了进行该操作，拖船100接近船舶105，并且拖船的接触区域101最终与船舶的侧面104接触。接触区域101设置有弹性拖船护舷，其在接触期间吸收能量并保护两个碰撞表面。拖船100包括在接触区域101中的至少一个接近度传感器102。接近度传感器102被构造为检测接触区域101和船舶105之间的距离106。拖船100还设置有基于检测到的接触区域101和海洋船舶105之间的距离106控制拖船朝向船舶105的接近的拖船控制器单元107。以这种方式可以调整该接近以允许在船体的侧面104上的轻轻的触碰。在示例中，当距离较长时拖船可以以相较于距离较短时的更高的速度移动。接近度传感器102还可以被构造为检测拖船100朝向船舶105的接近速度。于是，拖船控制器单元107还可以基于检测到的拖船朝向船舶的接近速度控制拖船100朝向船舶105的接近。以这种方式可以将接近速度与拖船和船舶之间的剩余距离组合以进一步调整拖船100的接近。接近度传感器102可以是任何合适的接近度传感器，例如是声纳、无线电探测与测距装置(雷达)、激光探测与测距装置(激光雷达)、多普勒雷达、电感式接近度传感器和超声波传感器中的一种。
拖船100还可以包括在接触区域101中的至少一个力传感器103。力传感器103可以集成在拖船护舷中。或者，力传感器103可以定位在拖船护舷的外部，例如在拖船护舷和拖船100的船体之间，或者在拖船护舷元件之间。力传感器103被构造为测量接触区域101和海洋船舶105之间的冲击力。然后，拖船控制器单元107还可以基于测量到的接触区域101和海洋船舶105之间的冲击力控制拖船100朝向船舶105的接近。以这种方式可以在弹性拖船护舷被压缩时调整该接近。所述至少一个力传感器103可以包括多个力传感器的阵列。所述多个力传感器可以沿着接触点101在空间上分布，例如与水面基本平行地分布。当拖船的接触表面101不垂直于船舶105的侧面104时，所述多个传感器将测量不同的冲击力值。由此，拖船控制器单元107可以确定调整拖船100的方向以优化船舶105的侧面104上的推动力的方向。
拖船100和船舶105可以设置有天线、通信单元、雷达、传感器等。船舶105可以设置有控制船舶的速度和航向的船舶控制器单元108。拖船控制器单元107可以适于从船舶105接收、例如从船舶控制器单元108接收船舶的速度和航向的信息。拖船100还可以基于接收到的船舶的速度和航向的信息控制拖船朝向船舶105的接近。
图2a-图2b以透视图示出了本发明的示例性实施例，其中拖船100正在操纵船舶105。力传感器103被构造为测量传递到海洋船舶105的力的大小，并且拖船控制器单元107可以基于测量到的传递到海洋船舶105的力的大小控制由拖船100提供到船舶105上的推力的大小。力传感器103可以集成在拖船护舷中。或者，力传感器103可以定位于拖船护舷的外部，例如在拖船护舷和拖船100的船体之间，或者在拖船护舷元件之间。力传感器103可以向拖船控制器单元107传递关于在船舶105上正提供有多少推力的信息。拖船控制器单元107于是可以使用该信息优化对船舶105的操纵。所述至少一个力传感器103可以包括多个力传感器的阵列。所述多个力传感器103可以沿接触点101在空间上分布，例如与水面基本平行地分布。如图2b所示，当拖船的接触表面101不垂直于船舶105的侧面时，所述多个传感器将测量不同的推力值。由此，拖船控制器单元107可以确定调整推力的方向以优化船舶105的侧面104上的推动力的方向。在图2b所示的情况下，拖船控制器例如可以确定调整推力的方向以使拖船100的船尾沿右舷方向移动。
拖船控制器单元
拖船设置有如图3所示的拖船控制器单元107。拖船控制器107通过推进控制器302控制拖船100的移动。当接近即将***纵的海洋船舶105时，拖船控制器单元107接收来自至少一个接近度传感器102的数据。接收到的数据包括关于接触区域101和海洋船舶105之间的距离106的信息，即拖船的接触区域与船舶的侧面之间的剩余接触距离。接收到的来自接近度传感器102的数据还可以包括朝向船舶105的接近速度。在接收数据之后，拖船控制器单元107基于接收到的数据指示推进控制器302朝向船舶105移动。在示例中，如果剩余距离短和/或接近速度高，则将指示推进控制器302减慢拖船100的速度。
拖船控制器单元107还可以从所述至少一个力传感器103接收关于接触区域101和海洋船舶105之间的冲击力的信息。于是，拖船控制器单元107还可以基于接收到的数据指示推进控制器302将拖船100朝向船舶105移动。在所述至少一个力传感器103包括多个力传感器的阵列的情况下，拖船控制器单元107从多个力传感器103接收冲击力数据。如果所述多个传感器103测量不同的冲击力值，则拖船控制器单元107可以指示推进控制器302不仅改变拖船100的速度，而且改变拖船的方向以优化船舶105的侧面104上的推动力的方向。
拖船控制器单元107可以通过通信模块301从即将被拖船100操纵的海洋船舶105接收船舶105的速度和航向的信息。于是，拖船控制器单元107还可以基于接收到的船舶105的速度和航向的信息指示推进控制器单元302接近船舶105。
拖船控制器单元107可以与来自拖船100船长的转向输入协同工作，使得船长可以放弃对拖船控制器单元107的接近的控制，同时船长关注于操纵、水面交通等。以这种方式由拖船控制器单元107半自主地执行对接近的控制。或者，船长可以向拖船控制器单元107提供预先确定的指示，拖船控制器单元107自主地执行对接近的控制。
当拖船100正在操纵船舶105时，拖船控制器单元107可以从所述至少一个力传感器103接收关于传递到海洋船舶105的力的大小的信息。于是，拖船控制器单元107可以基于接收到的信息指示推进控制器302改变由拖船100提供到船舶105上的推力的大小。在所述至少一个力传感器103包括多个力传感器103的阵列的情况下，拖船控制器单元107从所述多个力传感器103接收力或推力数据。如果所述多个力传感器103测量不同的力值，那么拖船控制器单元107可以指示推进控制器302不仅改变提供到船舶105上的推力的大小，而且改变推力的方向以优化对船舶105的操纵。
当拖船100接近船舶105或当操纵船舶105时，拖船100受到风、波浪和海流的作用。另外，拖船100通常在困难的操纵操作下、例如在港口或狭窄的运河中操作，其中拖船可能面临诸如其他水面交通、土地、岩石和其他固定危险源的其他危险。因此，拖船控制器单元107可以包括动态定位(DP)控制***303，其从传感器102、103、305和导航***304接收多个输入参数。基于所述多个输入参数，DP控制***303控制拖船100的位置、航向和推力大小。DP控制***303确定拖船100应该在何时、何地以及如何移动。当DP控制***303确定拖船100应该移动时，DP控制***303向推进控制单元302输出包括速度和方向的移动指示。动态定位控制***303可以基于从多个传感器102、103、305和导航***304获得的多个输入参数自主地控制拖船100。
图4图解了动态定位控制***303的示例性配置400。DP控制***303检查当前操作指示401。DP控制***303可以检查与气象输入参数402、环境输入参数403、拖船的移动404、接触区域与海洋船舶之间的距离407、拖船朝向船舶的接近速度408以及接触区域与海洋船舶之间的冲击力409相关的参数。如果拖船100已漂移离开或者可能漂移离开船舶105，或者拖船100相对于船舶105的位置发生变化，DP控制***303输出移动指示以抵消漂移或位置变化。DP控制***303还可以检查与拖船100相对于土地、岩石和其他固定危险源405的实际位置相关的参数。如果DP控制***303确定拖船100或船舶105太靠近任何固定危险源，则DP控制***303输出移动指示以移动拖船100和船舶105安全地远离固定危险源。DP控制***303还可以检查与船舶105相对于其他水面交通406的位置相关的参数，根据相关的导航规则评估水面交通参数。如果DP控制***303确定拖船100或船舶105应该移动远离其他水面交通，则DP控制***303输出移动指示以相应地移动拖船100和船舶105。
作用在拖船100或船舶105上的风、波浪和海流使拖船或船舶从期望的位置或路径移动。DP控制***303可以基于诸如风向、风力、水温、气温、气压、波高等的气象参数和环境输入参数计算诸如漂移的从期望位置或路径的移动。输入参数由连接到DP控制***的诸如风力计、温度计、气压计等的相关传感器提供。当DP控制***303计算出漂移时，***输出移动指示以抵消该漂移。其他用于计算漂移的输入参数可以包括来自诸如陀螺仪、加速度计、陀螺罗盘和转向率指示器的移动传感器的数据。
还可以根据拖船100或船舶105相对于期望位置的实际位置参数来计算拖船100或船舶105的移动。实际位置参数可以从连接到DP控制***303的导航***304获得。导航***304可以是诸如DECCA、LORAN、GEE和Omega的基于地面的无线电导航***，或者是诸如GPS、GLONASS、Galileo和BeiDou的卫星导航***。在卫星导航***的情况下，可以通过从差分全球定位***(DGPS)到CP控制***303的输入提高实际位置的准确度。
DP控制***303还可以从电子航海图接收输入参数。结合来自导航***的输入参数，这允许DP控制***303确定安全地控制拖船100和船舶105与土地、岩石和其他固定危险源碰撞的移动指示。为此目的，DP控制***303还可以从诸如声纳、海洋雷达和/或使用摄像机的光学***的其他传感器接收输入参数。声纳可以提供关于诸如土地、岩石、水下船舶等的水下危险源的信息。海洋雷达和/或光学***可以提供关于诸如土地和其他水面船舶的水上危险源的信息。海洋雷达和/或光学***还可以提供来自诸如信标、浮标、雷达信号台(雷达信标或无线电信标)、石标和灯塔的航标的导航信息。
拖船100必须符合防止与其他船只或船舶碰撞的导航规则。包括用于拖船的操作定位的相关导航规则的数据库可以包括在DP控制***303中。在一个实施例中，当确定拖船100应该在何时和何地被移动时，DP控制***303接收与其他水面交通相关的输入参数，根据相关的导航规则评估水面交通参数。与水面交通相关的输入参数可以由连接到船舶控制器单元的诸如海洋雷达、自动识别***(AIS)和自动雷达绘图辅助设备(ARPA)的传感器和***提供。在一个实施例中，与水面交通相关的输入参数可以由诸如摄像机的光学传感器提供。光学传感器可以观察和识别其他水面船舶并且提供来自诸如信标、浮标、石标和灯塔的航标的导航信息。
拖船控制器单元107、动态定位控制***303和推进控制单元302可以在具有至少一个处理器和至少一个存储器的计算机中实现。操作***在所述至少一个处理器上运行。由***控制的自定义程序可以移入和移出存储器。这些程序至少包括如上所述的拖船控制器单元107、动态定位控制***303和推进控制单元302。该***还可以包含用于传输图像、地图、指示(指令)或程序的可移动存储器。
在描述了本发明的优选实施例之后，本领域技术人员将很明显地能够使用包含(结合)这些概念的其他实施例。上述所图解说明的本发明的这些和其他实施例仅用于举例，并且本发明的实际范围将从以下权利要求中确定。

Claims (28)

1.一种用于操纵船舶的拖船，所述拖船包括：
- 在接触区域中的至少一个接近度传感器，所述接近度传感器被构造为检测所述接触区域与所述船舶之间的距离，以及
- 拖船控制器单元，所述拖船控制器单元基于检测到的所述接触区域与所述船舶之间的距离控制所述拖船朝向所述船舶的接近，以及
- 在所述接触区域中的至少一个力传感器，所述力传感器被构造为测量所述接触区域与所述船舶之间的冲击力，并且所述拖船控制器单元还基于测量到的所述接触区域与所述船舶之间的冲击力控制所述拖船朝向所述船舶的接近。
2.根据权利要求1所述的拖船，其中，所述接近度传感器还被构造为检测所述拖船朝向所述船舶的接近速度，并且所述拖船控制器单元还基于检测到的所述拖船朝向所述船舶的接近速度控制所述拖船朝向所述船舶的接近。
3.根据权利要求1所述的拖船，其中，所述至少一个力传感器与拖船护舷集成一体。
4.根据权利要求1或3所述的拖船，其中，所述至少一个力传感器包括多个力传感器的阵列。
5.根据权利要求1所述的拖船，其中，所述拖船控制器单元被构造为从所述船舶接收所述船舶的速度和航向的信息，并且所述拖船控制器单元还基于接收到的所述船舶的速度和航向的信息控制所述拖船朝向所述船舶的接近。
6.根据权利要求1所述的拖船，其中，控制所述接近由所述拖船控制器单元自主地执行。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的拖船，其中，所述拖船控制器单元还包括动态定位控制***，所述动态定位控制***基于多个输入参数控制所述拖船的接近。
8.根据权利要求7所述的拖船，其中，所述多个输入参数包括以下项目中的至少一个：
- 所述接触区域与所述船舶之间的距离，
- 所述拖船朝向所述船舶的接近速度，
- 所述接触区域与所述船舶之间的冲击力，
- 水面交通，
- 气象数据，
- 环境数据，
- 所述船舶的移动，
- 所述船舶的位置，以及
- 电子航海图。
9.根据权利要求1所述的拖船，其中，所述接近度传感器为声纳、无线电探测与测距装置、激光探测与测距装置、多普勒雷达、电感式接近度传感器以及超声波传感器中的一种。
10.一种用于操纵船舶的拖船，所述拖船包括：
- 在所述拖船与所述船舶之间的接触区域中的至少一个力传感器，所述力传感器被构造为测量传递到所述船舶的力的大小，
以及
- 拖船控制器单元，所述拖船控制器单元基于测量到的传递到所述船舶的力的大小控制由所述拖船提供到所述船舶上的推力的大小。
11.根据权利要求10所述的拖船，其中，所述至少一个力传感器与拖船护舷集成一体。
12.根据权利要求10或11所述的拖船，其中，所述至少一个力传感器包括多个力传感器的阵列。
13.根据权利要求12所述的拖船，其中，控制推力的大小由所述拖船控制器单元自主地执行。
14.根据权利要求10所述的拖船，其中，所述拖船控制器单元还包括动态定位控制***，所述动态定位控制***基于多个输入参数控制由所述拖船提供到所述船舶上的推力的大小。
15.根据权利要求14所述的拖船，其中，所述多个输入参数包括以下项目中的至少一个：
- 传递到所述船舶的力；
- 水面交通，
- 气象数据，
- 环境数据，
- 所述船舶的移动，
- 所述船舶的位置，以及
- 电子航海图。
16.一种拖船控制器单元，其中
- 所述拖船控制器单元被构造为从在拖船的接触区域中的至少一个接近度传感器接收数据，接收到的数据包括关于所述接触区域与船舶之间的距离的信息，
- 所述拖船控制器单元还被构造为从在所述接触区域中的至少一个力传感器接收数据，接收到的数据包括关于所述接触区域与所述船舶之间的冲击力的信息，并且
- 所述拖船控制器单元基于接收到的数据控制所述拖船朝向所述船舶的移动。
17.根据权利要求16所述的拖船控制器单元，其中，接收到的数据还包括所述拖船朝向所述船舶的接近速度。
18.根据权利要求16所述的拖船控制器单元，其中，所述至少一个力传感器包括多个传感器的阵列。
19.根据权利要求16所述的拖船控制器单元，其中，所述拖船控制器单元被构造为从所述船舶接收所述船舶的速度和航向的信息，并且所述拖船控制器单元还基于接收到的所述船舶的速度和航向的信息控制所述拖船朝向所述船舶的接近。
20.根据权利要求16所述的拖船控制器单元，其中，拖船控制器单元自主地控制所述接近。
21.根据权利要求16至17中任一项所述的拖船控制器单元，其中，所述拖船控制器单元还包括动态定位控制***，所述动态定位控制***基于多个输入参数控制所述拖船的接近。
22.根据权利要求21所述的拖船控制器单元，其中，所述多个输入参数包括以下项目中的至少一个：
- 所述接触区域与所述船舶之间的距离，
- 所述拖船朝向所述船舶的接近速度，
- 所述接触区域与所述船舶之间的冲击力，
- 水面交通，
- 气象数据，
- 环境数据，
- 所述船舶的移动，
- 所述船舶的位置，以及
- 电子航海图。
23. 根据权利要求16所述的拖船控制器单元，其中，所述接近度传感器为声纳、无线电探测与测距装置、激光探测与测距装置、多普勒雷达、电感式接近度传感器以及超声波传感器中的一种。
24. 一种拖船控制器单元，其中
- 所述拖船控制器单元被构造为从在拖船与船舶之间的接触区域中的至少一个力传感器接收数据，接收到的数据包括关于传递到所述船舶的力的大小的信息，并且
- 所述拖船控制器单元基于传递到所述船舶的力的大小控制由所述拖船提供到所述船舶上的推力的大小。
25.根据权利要求24所述的拖船控制器单元，其中，所述至少一个力传感器包括多个力传感器的阵列。
26.根据权利要求24所述的拖船控制器单元，其中，控制推力的大小由所述拖船控制器单元自主地执行。
27.根据权利要求24所述的拖船控制器单元，其中，所述拖船控制器单元还包括动态定位控制***，所述动态定位控制***基于多个输入参数控制由所述拖船提供到所述船舶上的推力的大小。
28.根据权利要求27所述的拖船控制器单元，其中，所述多个输入参数包括以下项目中的至少一个：
- 传递到所述船舶的力；
- 水面交通，
- 气象数据，
- 环境数据，
- 所述船舶的移动，
- 所述船舶的位置，以及
- 电子航海图。
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