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Einführung
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Ein
Steuersystem kann allgemein als ein System angesehen werden, das
Steuersignale zu einem physikalischen Vorgang abgibt und das Messungen
von einer Einrichtung oder einem physikalischem Vorgang oder möglicherweise
von anderen physikalischen Vorgängen
empfängt.
Die Messungen und ein Algorithmus werden benutzt, um die Steuersignale
zu berechnen, um so den physikalischen Vorgang ablaufen zu lassen, wie
dies gewünscht
ist. Wenn der physikalische Vorgang ein motorisiertes Seefahrzeug
ist, dann kann das Steuersystem Messungen in Form einer Seefahrzeugposition,
des Kurses und der Geschwindigkeit erhalten und dadurch die Steuersignale
für Propeller
und Ruder berechnen, sodass eine oder mehrere von Seefahrzeugspositionen,
Kurs und Geschwindigkeit erhalten werden.
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Problembeschreibung
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Der
physikalische Vorgang, in diesem Falle in Form eines Seefahrzeuges,
kann durch äußere Ereignisse,
wie z. B. eine Windänderung,
Wellen und Strömung
oder durch unerwartete Ereignisse wie z. B. Verlust von Motorleistung
für einen
oder mehreren Propeller oder Versagen der Funktion eines Ruders
beeinflusst werden. Es wird gewünscht
oder erwartet, dass das Steuersystem für das Seefahrzeug äußere Beeinflussungen
und äußere Ereignisse
handhaben kann, um so das Seefahrzeug in ei nem sicheren Zustand
zu halten. Ein sicherer Zustand kann z. B. sein, dass das Seefahrzeug
die gewünschte
Position oder Geschwindigkeit beibehält oder dass es unerwünschte Positionen
vermeidet (um Kollisionen oder Grundberührung zu vermeiden), dass es
eine Situation unkontrollierten Treibens vermeidet, dass es einen
gewünschte
Kurs beibehält, usw.
Darüber
hinaus wird es erwartet, dass das Steuersystem im Falle des Verlustes
von Sensorsignalen oder Fehlern in den Sensoren keine unerwünschten
und unglücklichen
Kompensationen wie z. B. eine plötzliche Änderung
des Ballastpumpens als Reaktion auf den Verlust eines realistischen
Signals in einem Roll- oder Stampfsensor oder plötzliche Korrekturen eines offensichtlichen
Positionsfehlers macht.
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Messungen zu einem Steuersystem
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Ein
Steuersystem für
ein Seefahrzeug mit Eingaben von Instrumenten, die Messungen geben,
und mit Ausgängen
zu Betätigungselementen,
Antriebseinrichtungen und Steuereinrichtungen, denen Steuersignale mitgeteilt
werden sollen, ist in 1 und 3 gezeigt.
Dieser Typ von Steuersystemen kann Messungen in Form von Sensorsignalen
von einer Anzahl von Quellen empfangen:
- – Roll/Stampf/Hievsensoren,
- – Anemometer
zum Messen von relativer Windgeschwindigkeit und Richtung,
- – Gyrokompass,
- – GPS-Sensoren
oder GPS-Positionierungssysteme,
- – Trägheitsnavigationssysteme,
die aufgrund von Beschleunigungsmessungen die Geschwindigkeit durch Integration
nach der Zeit berechnen und Position durch doppelte Integration
nach der Zeit,
- – hydroakustische
Positionssensoren relativ zu festen Punkten auf dem Meeresgrund,
- – Spanndrahtsystem,
von dem die Richtung und Länge
von einem oder mehreren gespannten Drähten vom Seefahrzeug zu Punkten
auf dem Meeresboden beobachtet wird,
- – Befehlssignale
zum Ändern
eines Kurses oder eines gewünschten
Kurses, einer gewünschten
Stellung oder einer gewünschten
Geschwindigkeit des Seefahrzeugs,
- – Welle
oder und Last auf Propeller und Motoren,
- – Ruderwinkelsensor,
- – Pegelsensoren
zum Beladen von Tanks,
- – Ballastpegelsensoren,
- – Brennstoffpegelsensoren,
- – Motorzustand,
Kühlwassertemperatur, Öldruck usw.
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Das
Steuersystem soll Steuersignale an Betätigungselemente wie Antriebselemente
und Steuereinrichtungen abgeben. Die Antriebselemente können gewöhnliche
Propeller, Tunnelschubelemente oder Azimutschubelemente sein, aber
auch in einigen Fällen
ein Anlegesystem oder Verankerungssystem, das dazu ausgebildet ist,
das Seefahrzeug in die richtige Position zu ziehen. Steuersignale
können
auch an Ballastpumpen und damit verknüpfte Ventile abgegeben werden,
um den Rollwinkel oder den Stampfwinkel zu korrigieren.
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Probleme, die mit der Steuerung für dynamische
Positionierung DP zusammenhängen
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Wenn
das Seefahrzeug ein Ölbohrseefahrzeug
oder ein Ölproduktionsseefahrzeug
ist, z. B. ein Bohrschiff oder eine Bohrplattform, ein Ölproduktionsschiff
oder eine Ölproduktionsplattform,
kann das System auch Messungen von der Hiev- oder Wogenbewegung
von einem Hiev- oder Wogenbeschleunigungs messererhalten und ein
Steuersignal an ein aktives Hiev- oder Wogenkompensationssystem
für einen
Riser, einen Bohrstrang, Kräne
usw. ausgeben, wo mechanische Ausrüstung mit dem Meeresboden verbunden
sein kann und wobei es wichtig sein kann, die Bewegung des Seefahrzeuges
zu kompensieren, insbesondere Hiev, Wogen- bzw. Auf- und Abbewegungen.
Eine normale Verwendung von Steuersystemen für Ölaktivität auf See ist für dynamische
Positionieren des Seefahrzeugs, d. h., dass das Seefahrzeugbetätigungselement
wie z. B. Azimutschubelemente verwendet, um die gewünschte Position
während
des Bohrens oder während
der Ölherstellung
aufrecht zu erhalten. Ein Schiff, das verankert ist und um einen
rotierenden Turm mit Verankerungsleinen zum Meeresboden rotieren
kann, kann auch ein Steuersystem haben, das ein variierendes Steuersignal an
Propeller oder Schubelemente abgibt, um dabei zu helfen, die gewünschte Position
beizubehalten, wenn das Seefahrzeug gedreht wird, da sich die Richtung
des Wetters oder der Strömung ändern, sodass
die Schubelemente zu Kräften
beitragen, die Änderungen
in den Verankerungsleinen zu kompensieren, wenn sich die Kräfte drehen. Ähnlich kann
man sich vorstellen, dass das Steuersystem Steuersignale geben kann,
um die Spannung in den Verankerungsleinen aus demselben Grund zu
erhöhen
oder zu verringern.
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Probleme, die mit dem Prüfen von
Steuersystemen von Seefahrzeugen zusammenhängen.
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Ein
Schiffinspektor kann ein Seefahrzeug besuchen und eine Prüfung des
Steuersystems an Bord vornehmen. Die Prüfung an Bord kann dadurch durchgeführt werden,
dass Sensorsysteme getrennt oder verbunden werden und indem die
Reaktion des Systems in unterschiedlichen Fehlersituationen überwacht
wird. Um jedoch eine realistische Prüfung des Seefahrzeugs für Bedingungen,
die erwartet werden können,
durchzuführen,
ist es not wendig, auf Wettersituationen und Meereszustände zu warten
oder sie zu suchen, die selten auftreten oder die gefährlich sein
können.
Man wird es kaum als eine Möglichkeit
ansehen, das Seefahrzeug extremen Situationen auszusetzen, wie z.
B. abnorm großen
Fehlern bei der Ballastverteilung, um zu prüfen, ob das Steuersystem Steuersignale
für richtige
Kompensation des Fehlers gibt. Eine solche Art von Prüfungen wird
normalerweise nicht durchgeführt.
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Es
ist möglich,
eine Simulation von Sensordaten zum Steuersystem an Bord durchzuführen und
zu überwachen,
welche Steuersignale das Steuersystem an Betätigungselemente wie Propeller,
Ruder und Schubelemente gibt; dieses erfordert jedoch eine lokale
Verbindung des Steuersystems mit einem Prüfsystem und wird gegenwärtig nicht
durchgeführt,
soweit dies den Anmeldern bekannt ist. Ein Nachteil, ein zu prüfendes Seefahrzeug
zu besuchen, hängt
häufig
mit dem langen Reiseweg für
den Schiffsinspektor zusammen, dass der Schiffsinspektor Ausrüstung für Verbindung
mit den Eingängen
des Steuersystems für
Messungen und Ausrüstung
für Verbindung
mit den Steuersystemausgängen
für Reaktion
in Form von Steuersignalen mitbringen muss, die normalerweise zu
den Betätigungselementen
des Seefahrzeugs gesandt werden, und zusätzlich eine Datenbibliothek,
die wenigstens die Konfiguration des tatsächlich zu prüfenden Schiffes
einschließt. Darüber hinaus
kann es die Reisezeit von einem Seefahrzeug, das geprüft werden
und zertifiziert werden soll, zu einem nächsten Seefahrzeug es schwierig
für den
Inspektor machen, Inspektionen ausreichend schnell zu machen, sodass
das nächste
Seefahrzeug nicht länger
als notwendig warten muss, verknüpft
mit den ökonomischen
Nachteilen, die durch das Warten bewirkt werden, wenn das Seefahrzeug
nicht ohne Prüfung
und Zertifizierung in Benutzung genommen werden kann, wobei auch
eine verborgene physikalische Gefahr zum Benutzen eines Seefahrzeugs
verursacht werden kann, wenn nicht durchgeführte Prüfungen des Steuersystems keine
möglichen
Fehler sichtbar machen.
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Dies
bedeutet, dass es einen Bedarf für
effizienteres Prüfen
von Seefahrzeugsteuersystemen gibt, insbesondere, da die Seefahrzeuge
geographisch voneinander entfernt angeordnet sein können und
in der Praxis für
einen Inspektor nicht leicht erreichbar sind.
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Bei
der Fabrikherstellung eines Steuersystems ist es üblich, eine
sogenannte Fabrikabnahmeprüfung (factory
acceptance test, FAT) des Steuersystems (einschließlich Hardware
und Software) durchzuführen,
wo der Hersteller simulierte Sensordaten in ein Steuersystem eingibt
und die Steuersignale überwacht,
die das Steuersystem als Reaktion abgibt. Dieser Typ von FAT kann
nur Fehler sichtbar machen, wo Messungen von Quellen existieren,
die der Hersteller vorhergesehen hat, und wobei die Steuersignale
nur für
Ausrüstungen sind,
das der Hersteller vorhergesehen hat. Es wird daher nicht mit Sicherheit
gewusst werden, wie das Steuersystem mit der Ausrüstung, Systemen,
Konfigurationen oder Situationen in Wechselwirkung treten wird,
die der Hersteller des Steuersystems nicht vorhergesehen hat. Zusätzlich wird
bei einer FAT das Steuersystem nicht in einer tatsächlichen
Konstellation geprüft
werden, wo das Steuersystem für
Benutzung auf dem Seefahrzeug installiert und verbunden ist.
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Beispiel eines praktischen Problems bei
dynamischer Positionierung.
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Bei
dynamischer Positionierung eines Wasserfahrzeugs (4), dass
durch Propeller, Ruder oder Schubelemente des Tun nel- oder Azimuttyps
an seinem Standort gehalten wird, kann es wichtig für den Betrieb sein,
dass das Seefahrzeug seinen Standort beibehält. Verschiedene Ereignisse
können
unerwünscht
sein. Man kann den Verlust von Motorleistung für einen oder mehrere Propeller
oder Ruder erfahren und die Motorleistung der verbleibenden Propeller
und/oder Schubelemente erhöhen
müssen
und möglicherweise
die verbleibenden Ruder oder Schubelemente drehen müssen. Man
kann auch ernsthafte Fehler erfahren, wo das Steuersystem einige
der Signale von den verbundenen Sensoren verliert, sodass ein unerwünschtes
Ereignis auftreten kann. Die Erfinder wissen z. B. von einem Seefahrzeug,
in diesem Falle einer Bohrplattform, die an einem festen Standort
in der offenen See lag und ein Bohrloch für eine Ölquelle im Meeresgrund bohrte,
wo die Plattform an dem gewünschten
Standort durch eine sogenannte dynamische Positionierung oder „DP" gehalten wurde,
d. h., dass das Steuersystem so abgestimmt war, das Seefahrzeug
an der gewünschten
Position mit Hilfe von Positionsmessungen und Motorleistung ohne
Verwendung von Verankerungsleinen mit dem Meeresgrund zu halten.
Die Bohrplattform war mit einem doppelten Satz von DGPS-Empfängern versehen,
die den geographischen Standort des Seeschiffes aufgrund von Funksignalen
berechnen, die von einer Anzahl von Navigationssatelliten empfangen
werden. Zusätzlich
war die Bohrplattform mit einem doppelten Satz von hydroakustischen
Positionssensoren versehen, die den Standort des Seefahrzeugs in
Bezug auf Transponder an festen Punkten auf dem Meeresgrund gemessen
haben. Während
eines gewissen Zeitpunkts während
des Bohrens mit Riser-Verbindung zum Bohrloch und aktivem Bohren,
trat ein Ereignis ein, sodass die DGPS eine plötzliche Standortänderung
von ungefähr
75 m zeigten, obwohl eine solche Standortänderung tatsächlich nicht
stattgefunden hatte. Die hydroakustischen Sensoren zeigten einen
stabilen Standort an dem gewünschten
Standort über
dem Bohrloch. Das Steuersystem steuerte weiter die Propeller und
Ruder, und die Bohrplattform wurde ohne Unterbrechung an den richtigen
dynamischen Standort aufgrund der Signale gehalten. Es stellte sich
aber nach ungefähr
5 min. heraus, dass die Bohrplattform plötzlich begann, sich zum gewünschten Standort
gemäß den nun
fehlerhaften DGPS-Signalen zu bewegen. Es war notwendig, den Bohrvorgang
mit den damit verknüpften
Notmaßnahmen
zu unterbrechen, die unter anderem Trennung des Risers und Kappen des
Bohrstrangs beinhalteten. Dieser Typ von Situation kann ein Risiko
des Ausblasens von Gas und Öl
und Verschmutzung durch Austreten von Bohrflüssigkeit einschließen. Dieser
Typ von Situation kann auch eine Gefahr für das Seefahrzeug und die Mannschaft
mit sich bringen. Dieser Typ des unterbrochenen DP-Bohrens kann daher
sehr teuer sein, ihn erneut zu beginnen. Die Anmelder nehmen an,
dass die anfängliche
plötzliche Änderung
des durch die DGPS-Empfänger
berechneten Standortes durch Störungen
in der Signalübertragung von
den GPS-Satelliten zu den Empfängern
verursacht worden sein kann, oder durch eine Situation mit einer unzureichenden
Anzahl zur Verfügung
stehender Satelliten. Der Verlust des DGPS-Signals kann durch das Steuersystem
wegen Qualitätsbedingungen
in der Software des Steuersystems ignoriert worden sein, die verlangen,
dass ein Berechnen des Standortes in den vorhergehenden 5 min. stabil
gewesen sein muss, um als real angesehen zu werden. Auf diese Weise
werden plötzliche
Standortänderungen
aufgrund von fehlerhaften Signalen vermieden. Der neue und geänderte,
nichtsdestotrotz stabile Standort, der von den DGPS-Empfängern berechnet
worden ist, kann nach 5 min. als stabil angesehen worden sein und
daher durch das Steuersystem als zuverlässig angesehen worden sein,
und es kann ihm eine höhere
Priorität
als die Messungen von den hydroakustischen Transpondern gegeben
sein. Dies kann der Grund sein, warum das Steuersystem versuchte,
die Bohrplattform zu dem neuen Standort zu steuern, den das Steuersystem
offensichtlich als den gewünschten
Standort interpretiert hatte, obwohl der Bohrvorgang in Betrieb
war und der hydroakustisch gemessene Standort anzeigte, dass der
Standort ungeändert
bleiben sollte.
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Probleme, die mit geänderten Konfigurationen in
einem Seefahrzeug zusammenhängen:
Umprogrammierung eines Steuersystems.
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Nachdem
ein Steuersystem in einem Seefahrzeug in Benutzung genommen worden
ist, wird es in vielen Fällen
notwendig sein, die Software im Steuersystem umzuprogrammieren oder
zu verändern.
Der Zweck, dies zu tun, kann die Notwendigkeit sein, numerische
Werte zu ändern,
die sich auf Alarmgrenzen und annehmbare Variation in einem Sensorsignal
im Algorithmus des Programms beziehen, oder es kann notwendig sein,
neue Prüfungen
und Funktionen im Steuersystem einzuführen. Wenn die Umprogrammierung
oder Änderung
der Software fertiggestellt ist, besteht die Notwendigkeit, das
Steuersystem zu prüfen,
um zu sehen, ob die Änderungen
die gewünschte
Wirkung ergeben haben, und zu prüfen,
ob neue und unerwünschte
Fehler als Konsequenz der Veränderungen
aufgetreten sind. Gegenwärtig
sind zufriedenstellende Prüfausrüstung und
entsprechende Verfahren nicht zum Prüfen der Steuersysteme auf einem
Seefahrzeug nach solchen Änderungen
verfügbar.
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Abwandlungen in einem existierenden Steuersystem,
z. B. wenn Kräne
ersetzt werden.
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Arbeitsgänge auf
dem Meer, die sich auf die Ausbeutung von Öl und Gas und die Herstellung
derselben beziehen, werden durch Seefahrzeuge mit Kränen für Installation
und Ersetzen von Modulen auf dem Meeresboden vorgenommen. Dieser
Typ von Kränen
hat Steuersysteme, die die vertikale Bewegung des See fahrzeuges
kompensieren. Die Betriebsweise und die Funktion des Krans in sicherheitskritischen
Situationen werden zu einem großen
Maße von
der detaillierten Ausbildung der Software des Steuersystems abhängen, die
von einem Kran zu einem anderen variiert. Prozeduren sind zum Prüfen der
mechanischen Konstruktion von solchen Kränen etabliert worden. Im Gegensatz
dazu gibt es keine etablierten Systeme oder Verfahren, die Software
der Kransteuersysteme zu Prüfen.
Der Grund hierfür
besteht darin, dass die Reaktion eines Kranes vom Meereszustand
und der Bewegung des Seefahrzeugs zusätzlich zur mechanischen Konstruktion
und dem Steuersystem des Krans abhängen wird. Ein erforderliches
detailliertes Prüfen
eines Kransystems auf einem Seefahrzeug sollte daher sowohl die
Dynamik des Seefahrzeugs einschließlich der relevanten Steuersysteme
des Seefahrzeugs und zusätzlich
die Dynamik des Krans einschließlich
des Steuersystems des Krans einschließen.
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Reparatur/Ersetzen von Sensoren für ein Steuersystem.
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Wenn
Sensoren für
ein Steuersystem ersetzt oder verändert werden, besteht die Notwendigkeit,
die Alarmgrenzen für
Grenzen für
annehmbare Veränderungen
in den Sensorsignalen einzustellen. Es ist üblich, dass ein Steuersystem
redundante Sensorsysteme hat, sodass mehrere Sensoren verwendet
werden können, dieselbe
physikalische Größe zu messen.
Als ein Beispiel hiervor kann die Position eines Seefahrzeugs durch Trägheitssensoren,
zwei oder mehr GPS-Empfänger
und zwei hydroakustische Sensorsysteme gemessen werden. Aus diesen
Messdaten wird der Standort des Schiffes mit Hilfe eines Algorithmus
im Steuersystem bestimmt. Dieser Algorithmus wird von den Eigenschaften
der verschiedenen Sensoren in Bezug auf die Genauigkeit und Eigenschaften
wie Langzeitstabilität
und andererseits der Genauigkeit bei schnellen Standortveränderungen
abhängen. Das
Ersetzen oder Ändern
eines Sensors bringt die Notwendigkeit mit, das gesamte Sensorsystem
zu prüfen,
um zu versuchen, ob die resultierende Kombination von Sensoren annehmbare Positionsmessungen
für Verwendung
in einem Steuersystem liefert.
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Reparatur/Abwandlung/Ersetzen von Betätigungselementen.
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Nach
Ersetzen oder Veränderung
eines Betätigungselements
kann ein Steuersystem für
das Seefahrzeug beträchtlich
unterschiedliches Verhalten haben. Der Grund ist, dass ein neues
oder abgewandeltes Betätigungselement
eine unterschiedliche Steuerwirkung auf das Schiff ausüben kann,
als dies bei der Entwicklung des Steuersystems angenommen wurde.
Ein Beispiel hiervon ist die Verwendung von Schubelementen für dynamische
Positionierung, wo die Beziehung zwischen der Wellengeschwindigkeit
des Schubelementes und dem Schub bekannt sein muss, wenn das Steuersystem
abgestimmt wird. Wenn ein Schubelement geändert wird, kann sich die Beziehung
zwischen der Wellengeschwindigkeit des Schubelementes und dem Schub ändern, und
es wird notwendig sein, das Schiff mit dem Steuersystem zu prüfen, ob
das System sich immer noch zufriedenstehend verhält.
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Es
gibt also Bedarf für
wirksameres Prüfen
von Seefahrzeugsteuersystemen auch in Fällen, wo das Seefahrzeug gegenüber seiner
vorherigen Konfiguration abgewandelt worden ist, und wo alte und
neue Komponenten des Seefahrzeuges vorher nicht kombiniert worden
sind, wobei dann eine Prüfung
in der neuen Kombination vorgenommen werden muss.
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Bekannter Stand der Technik auf dem Gebiet.
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US-Patent 6 298 318 „Real-time
IMU signal emulation method for test of guidance navigation and
control systems (Echtzeit-IMU-Signal-Emulationsverfahren für Prüfung von
Führungsnavigations-
und Steuersystemen)" beschreibt
ein Emulationsverfahren zum Prüfen
einer Ebene durch Emulieren der Bewegung und Verwendung eines sogenannten
6 Freiheitsgraden (6 degrees-of-freedom, 6 DOF)-Flugsimulators,
und wo Signale von einem sogenannten Trägheits-Navigationsmodul zu
einem „Führungs,
Navigations- und Steuer-" system
an Board des Flugzeugs durch Simulation erzeugt werden. Dieses US-Patent
diskutiert nicht Probleme, die sich auf dynamische Positionierung
eines Seefahrzeuges bei Bohrvorgängen
oder irgendeine andere Form von stationärem Betrieb beziehen, es verwendet
nicht die Benutzung von Kränen,
Navigation von verbundener Unterwasserausrüstung, Integration von hydroakustischer
Positionierausrüstung,
Probleme, die sich auf Ballast beziehen und zieht Meereswellen nicht
in Betracht. Ein Schiff wird normalerweise nicht eine 6 DOF, sondern
eine 3 DOF haben, da es wiederherstellende Wirkung bei Hiev/Rollen/Stampfbewegung
hat.
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Das
US-Patent 5 023 791 „Automated
test apparatus for aircraft flight controls (automatisiertes Prüfgerät für Flugzeugflugsteuerungen)" beschreibt ein automatisches
Prüfgerät zum Prüfen von
Flugsteuersystemen eines Flugzeugs als Teil eines integrierten Systems
zum Prüfen
einer Mehrzahl von Flugsteuersystemen. Das automatisierte Prüfgerät schließt einen
Systemcontroller ein, der einen Speicher zum Speichern von programmierten
Befehlen einschließt,
die den Betrieb des automatisierten Prüfgeräts steuern, und zum Speichern von
resultierenden Prüfdaten
des Flugsteuersystems. Das automatisierte Prüfgerät schließt eine Tastatur, einen Berührungsbildschirm
und ein Bandlaufwerk zum Eingeben von programmierten Befehlen und
anderer Informationen in das automatisierte Prüfgerät und zum Ausgeben von Prüfdaten vom
Systemcontroller ein. Instrumente, die in dem automatischen Prüfgerät installiert
sind und durch den Systemcontroller kontrolliert werden, erzeugen
Prüfsignale,
die in das Flugsteuersystem des Flugzeuges eingegeben werden und überwachen Prüfdatensignale,
die durch das Flugsteuersystem erzeugt werden. Das automatisierte
Prüfgerät wird durch ein
Schnittstellenkabel an einem an Bord vorhandenen zentralen Wartungscomputer
angeschlossen, der im Flugzeug eingeschlossen ist. Der zentrale
Wartungscomputer schließt
einen nichtflüchtigen
Speicher ein, der dazu programmiert ist, Prüfungen des Flugkontrollsystems
an Bord laufen zu lassen und wird durch den Systemcontroller während des
Prüfens
in Übereinstimmung
mit dem programmierten Instruktionen gesteuert, um Tests an Bord
ablaufen zu lassen.
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US-Patent 5 541 863 „Virtual
integrated software testbed for avionics (Prüfumgebung für virtuelle integrierte Software
für Avionic)" beschreibt eine
Prüfumgebung
für eine
virtuelle integrierte Software für
Avionic, die es erlaubt, Software für Avionic auf einem Hostcomputer
unter Verwendung einer Sammlung von Computerprogrammen zu entwickeln,
die gleichzeitig als Vorgänge
ablaufen und durch einen zentralen Vorgang synchronisiert werden.
Die offenbarte Prüfumgebung
der Software verwendet getrennte synchronisierte Vorgänge, erlaubt
es, dass Signale von einer Avioniceinrichtung durch eine Simulation
erzeugt werden, die auf dem Hostcomputer oder von tatsächlicher
Ausrüstung
läuft,
und Datenbussignale, die von der tatsächlichen Avionic-hardware kommen
und zu derselben gehen, werden mit ihren virtuellen Busgegenstücken auf
dem Hostcomputer auf Echtzeitbasis verbunden.
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US-Patent 5 260 874 „Aircraft
flight emulation test system (Flugzeugflugemulationsprüfsystem)" beschreibt ein Flugzeugprüfsystem,
das Reize erzeugt, die Reize emulieren, die durch ein Flugzeug beim
Flug aufgenommen werden. Das Flugzeugprüfprogramm schließt eine
Anzahl von Instrumenten zum Erzeugen der Anzahl von prozessorsteuerbaren
Instrumenten zum Erzeugen von Reizen ein, die durch ein Flugzeug
im Flug aufgenommen werden. Das System schließt auch eine Anzahl von Instrumenten
ein, die die Reaktion auf verschiedene Flugzeugkomponenten auf die
Reize überwachen,
denen das Flugzeug ausgesetzt ist. Ein Prozessor richtet als Reaktion
auf die Ausgangssignale von den Flugzeugkomponenten die reizerzeugenden
Instrumente, um Reize zu erzeugen, die diejenigen emulieren, die
durch ein Flugzeug empfangen werden, während es sich durch die Luft
bewegt. Das System erzeugt so einen anfänglichen Satz von Reizen, die ähnlich denjenigen
sind, denen ein Flugzeug ausgesetzt wurde, wenn es fliegt; überwacht
die Reaktion des Flugzeugs auf die Reize, denen es ausgesetzt ist;
und erzeugt als Reaktion einen aktualisierten Satz von Reizen, die
auf das Flugzeug einwirken. Das System zeichnet auch die Reaktion
der Ausgangsreaktionen von Flugzeugkomponenten auf, sodass sie durch
Personal überwacht
werden könnten,
das beauftragt ist, sicherzustellen, dass das Flugzeug geeignet
funktioniert. Das System kann auch benutzt werden, um Flugmannschaften
zu trainieren, da es verwendet werden kann, das Flugzeug während einer
Flugemulation „in
die Schlaufe" zu
versetzen.
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US-Patent 6 505 574 „A vertical
motion compensation for a crane's
load (eine vertikale Bewegungskompensation für die Last eines Krans)" beschreibt ein Verfahren
und ein System, um durch den Meereszustand induzierte vertikale
Bewegung einer Last eines Schiffskrans zu verringern, die Winchcodierer,
Baumwinkelsensor, Drehwinkelsensor und Bewegungssensor verwenden,
die alte Messungen in einen zentralen Prozessor eingeben, der den
Kran aufgrund der Messungen und der Befehle von einem Kranbetreiber
steuert.
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WO 92/14216 beschreibt
ein interaktives diagnostisches System für ein Kraftfahrzeug und ein
damit verknüpftes
Verfahren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Prüfen
eines Steuersystems in einem Seefahrzeug geschaffen, wobei das Steuersystem
das Steuern und Überwachen
des Seefahrzeuges mit Steuersignalen zu einem oder mehreren Betätigungselementen
umfasst, welches Verfahren die folgenden sequenziellen Schritte
aufweist:
- – Akquirieren
in Echtzeit von Sensorsignalen zu dem Steuersystem von einem oder
mehreren Sensoren über
eine erste Sensorsignalleitung zu dem Steuersystem
- – Akquirieren
von Steuersignalen zu dem Steuersystem von einer Befehlseingabeeinrichtung über eine zweite
Signalleitung oder Befehlssignalleitung zu dem Steuersystem; und
- – Berechnung
eines Steueralgorithmus in dem Steuersystem aufgrund von einem oder
mehreren der Sensorsignale und der Befehlssignale und Senden der
Steuersignale über
eine dritte Signalleitung zu den Antriebselementen,
gekennzeichnet
durch: - – Trennen
von einem oder mehreren der Sensorsignale von einem oder mehreren
der Sensoren oder den Befehlssignalen von den Befehlseingabeeinrichtungen,
sodass die ausgewählten
Sensorsignale oder Befehlssignale nicht in das Steuersystem fließen, und
Ersetzen einer oder mehrerer der getrennten Sensorsignale oder der
Befehlssignale durch entsprechende simulierte Sensorsignale oder
simulierte Befehlssignale, die in einem in Bezug auf das Seefahrzeug
entfernte Prüflaboratorium
erzeugt werden und durch eine Kommunikationsleitung über eine
oder mehrere der Signalleitungen zu dem Steuersystem gesendet werden,
- – kontinuierliches
Berechnen von Steuersignalen in dem Steuersystem aufgrund der echten
und/oder simulierten Steuersignalen oder der echten und/oder simulierten
Befehlssignale; und
- – Senden
der Steuersignale über
die Kommunikationsleitung an das entfernt liegende Laboratorium.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das Verfahren Simulation in einen Simulator im
entfernten Prüflaboratorium
mit Hilfe eines Algorithmus des dynamischen neuen Zustands eines
Seefahrzeuges aufgrund der Steuersignale einschließen.
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Zusätzliche
Schritte des Verfahrens der Erfindung kann man in den abhängigen Patentansprüchen finden.
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Wenn
die Prüfung
des Steuersystems vervollständigt
ist, wird die Kommunikationsleitung zwischen dem Seefahrzeug und
dem entfernten Prüflaboratorium
getrennt, und die Sensoren und die Befehlseingabeeinrichtungen werden
in der normalen Weise mit dem Steuersystem verbunden, und die Steuersystemausgänge für Steuersignale
werden mit den Antrieben für
normalen Betrieb des Steuersystems im Seefahrzeug verbunden.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein System zum Prüfen eines
Steuersystems in einem Seefahrzeug geschaffen, welches Steuersystem
dazu ausgebildet ist, das Schiff zu steuern und zu überwachen,
das die folgenden Merkmale aufweist:
- – einer
oder mehrere Sensoren an Bord des Seefahrzeugs, um ein oder mehrere
Sensorsignale über
eine Signalleitung zu dem Steuersystem zu senden; und
- – Befehlseingabeeinrichtungen
an Bord des Seefahrzeugs, die dazu ausgebildet sind, eines oder
mehrere von gewünschtem
Standort, Kurs, Geschwindigkeit usw. über eine Befehlssignalleitung
zu dem Steuersystem zu senden, einen Algorithmus in dem Steuersystem
für die
Berechnung der Steuersignale zu Seefahrzeug-Betätigungselementen oder -antrieben
aufgrund der Sensorsignale, der Befehlssignale, um die Steuersignale über eine
Signalleitung zu den Betätigungselementen
oder Antrieben zu senden,
gekennzeichnet durch: - – eine
oder mehrere Kommunikationsleitungen zum Senden von einem oder mehreren
simulierten Sensorsignalen und/oder simulierten Befehlssignalen
von einem entfernten Prüflaboratorium
zu dem Steuersystem;
- – einen
Simulator, der einen Algorithmus für die Simulierung neuer Sensorsignale
eines Seefahrzeugmodells, beruhend auf dem vorherigen Zustand der
Steuersignale und dynamische Parameter für das Seefahrzeug einschließt;
- – wobei
die Kommunikationsleitung dazu ausgebildet ist, die neuen simulierten
Sensorsignale des Seefahrzeugmodells zu dem Steuersystem für fortgesetzte
Berechnung der Steuersignale in dem Steuersystem aufgrund von echten
und/oder simulierten Werten der Sensorsignale oder der echten oder
simulierten Werte der Befehlssignale zurückzusenden, um wenigs tens eines
von gewünschtem
Standort, Kurs, Geschwindigkeit usw. zu erhalten; und
- – wobei
die Kommunikationsleitung dazu ausgebildet ist, die Reaktion von
dem Steuersystem in Form der Steuersignale als Steuersignale zu
dem entfernten Prüflaboratorium
zu senden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen in den 1 bis 7 dargestellt.
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1 zeigt
ein Seefahrzeug mit einem Steuersystem. Das Steuersystem empfängt Messungen
von Standort, Kurs und Geschwindigkeit von Navigationsinstrumenten
und empfängt
Befehle von einer Standortangabeeinrichtung, der Steuertafel des
Steuersystems, einer Geschwindigkeitsangabeeinrichtung und einer Geschwindigkeits-
oder Wellengeschwindigkeitsangabeeinrichtung für den Propeller oder für mögliche Schubeinrichtungen.
Das Steuersystem kann auch Messungen von relativer Windrichtung
und relativer Windgeschwindigkeit von einem Anemometer empfangen,
und es kann Information über
Seezustand, d. h. Wellenhöhe,
Rollperiode, Stampfen usw. empfangen oder berechnen. Das Steuersystem
kann so ausgebildet sein, dass es sequenziell Wellengeschwindigkeit
an Propeller und Winkelruder ausgibt, sodass gewünschte Position, Kurs und Geschwindigkeit
erhalten werden.
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2 stellt
eine FAT eines Steuersystems eines Seefahrzeugs dar, wo das Steuersystem
mit einer Schnittstelle mit simulierten Sensorsignalen verbunden
ist und wo das Steuersignal Reaktionen in Form von Steuersignalen
zu (nicht verbunden) Betätigungselementen
oder Antrieben gibt.
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3 zeigt
ein bekanntes Steuersystem für
ein Schiff mit den verbundenen Sensoren, Befehlseingabeeinrichtungen
und Betätigungselementen
oder Antrieben des Steuersystems.
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4a stellt
die grundsätzliche
Idee der Erfindung dar, bei der ein Seefahrzeugsimulator an einem entfernten
Simulatorort angeordnet ist, mit einem Datenaufnehmer, die beide
durch eine erste Echtheitsschnittstelle an dem Simulatorort verbunden
sind, mit einem oder mehreren Kommunikationskanälen für Echtzeitsimulation und Dateneingabe
zu einer oder mehreren Echtzeitschnittstellen für Echtzeitsteuerung, Simulierung und
Dateneingabe, die weiter mit einem Steuersystem verbunden ist, z.
B. einem Steuer- und Überwachungssystem
auf wenigstens einem Seefahrzeug. Der Simulator kann z. B. bei der
sogenannten Klassengesellschaft an Land sein.
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4b stellt
ein Seefahrzeug mit einem Steuersystem dar, bei dem ein oder mehrere
echte Sensorsignale durch simulierte Sensorsignale über eine
Kommunikationsleitung zu und von einem Prüflaboratorium ersetzt sind,
und wobei ein oder mehrere Steuersignale von dem Steuersystem zu
den Betätigungselementen oder
Antrieben des Seefahrzeugs zurück über eine
Kommunikationsleitung zu dem Prüflaboratorium
vorzugsweise anstelle, dass sie zu den Betätigungselementen oder Antrieben
des Schiffes gesendet werden, gesendet werden.
-
4c stellt
ein Seefahrzeug vor, wo ein Satz von Sensoren für Stampfbewegung, Rollen, Windgeschwindigkeit,
Windrichtung, GPS-Positionssensoren, DGPS-Positionssensoren, hydroakustische
Positionssensoren usw., die normalerweise angeordnet sind, um Messungen
an das Steuersystem des Seefahrzeuges abzugeben, durch simulierte
Messungen von einem entfernten Prüfsystem über eine oder mehrere Kommunikationsleitungen
ersetzt ist, wo das Steuersystem auf die simulierten Messungen reagiert,
wobei die Reaktion normalerweise Steuersignale an die Betätigungselemente
oder Antriebe des Seefahrzeuges, z. B. Propeller, Ruder, Tunnelschubeinrichtungen,
Azimutschubeinrichtungen abgeben würde und wo die Reaktion über eine Kommunikationsleitung
zu einem entfernten Prüflaboratorium
gesendet wird, wo ein Seefahrzeugsimulator in Form eines Algorithmus
ein dynamisches Verhalten eines simulierten Seefahrzeuges als Reaktion
auf das Steuersignal von dem entfernten Steuersystem in dem Seefahrzeug
berechnet und einen neuen Zustand des Seefahrzeuges zurück zu dem
entfernten System für
eine neue Reaktion in Form von aktualisierten Steuersignalen usw.
sendet.
-
5 stellt
einen Überblick
der Seefahrzeugbewegungen in Form von Rollen, Stampfen und Hievbewegung
dar.
-
6 stellt
einen Überblick
der Seefahrzeugbewegungen in Schwall, Schlingerbewegung und Gieren dar,
was in Verbindung mit dynamischer Positionierung wichtig ist, z.
B. in Verbindung mit Ölbohrungen
ohne Verankerung (oder in einigen Fällen mit Verankerung).
-
7 zeigt
eine Skizze eines relevanten Problems für Verwendung der Erfindung,
wo ein Steuersystem verwendet wird, eine Bohrplattform unter dynamischer
Positionierung zu steuern, während
sie bohrt, wo der tatsächliche
Standort und der gewünschte
Standort mit fettgedrucktem „x". markiert sind.
-
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung.
-
Die
Erfindung schließt
ein System für
und ein Verfahren zum Prüfen
eines Steuersystems (2) auf einem Seefahrzeug (4)
ein, z. B. einem Schiff, einer Bohrplattform, einer Ölherstel lungsplattform,
in Echtzeit über einen
Kommunikationskanal (6), wie dies in einer Übersicht
in 4a und detaillierter in den 4b und 4c gezeigt
ist. Das Steuersystem (2) kann Steuern und Überwachen
des Seefahrzeugs (4) einschließen. Das Prüfen des Steuersystems (2)
kann die Simulation von normalen Zuständen und extremen Zuständen und normalen Änderungen
zu solchen normalen und extremen Zuständen für das Schiff (4) einschließen, z.
B. gewöhnliche
Bewegung in einem simulierten Zustand ruhiger See (H1).
Zusätzlich
kann man gewöhnliche
Bewegung in einem simulierten extremen Meereszustand (H2),
Fehlersituationen mit z. B. Verlust von Motorleistung an einem einzelnen
Propeller (16), wo das Seefahrzeug nur diesen einen Propeller
(16) hat, mit nachfolgender dynamischer Simulation von
Rotation weg vom gewünschten
Kurs (7b) und Wegtreiben vom gewünschten Standort (7a)
simulieren. Man kann auch den Verlust von einem oder mehreren Propellern
(16a, 16b, ...) simulieren, wo das Seefahrzeug
(4) einen oder mehrere Propeller (16b, 16c,
...) hat, die noch funktionieren, und man kann untersuchen, wie
das Seefahrzeug auf den Verlust von einem oder mehreren Propellern
reagieren wird.
-
Im
Folgenden wird eine kurze Beschreibung des Systems als eine Materialeinrichtung
gegeben, die in 4a, b und c gezeigt ist, für Intervention
von einem entfernten Laboratorium (40) in die Steuersysteme
(2) von einem oder mehreren Schiffen (4a, 4b, 4c,
...).
-
Das
System der Erfindung ist dazu ausgebildet, ein Steuersystem (2)
in einem Seefahrzeug (4) zu prüfen, wo das Steuersystem (2)
dazu ausgebildet ist, das Seefahrzeug (4) zu überwachen.
Das System der Erfindung weist die folgenden Merkmale auf:
- – Einer
oder mehrere Sensoren (8), die an Bord des Seefahrzeuges
(4) angeordnet sind, sind dazu ausgebildet, eines oder
mehrere Sensorsignale (7) über eine Signalleitung (12)
zum Steuersystem (2) zu senden.
- – Befehlseingabeeinrichtungen
(10) an Bord des Seefahrzeuges (4) sind dazu ausgebildet,
gewünschten Standort,
Kurs, Geschwindigkeit (9) usw. über eine Befehlssignalleitung
(11) in das Steuersystem (2) einzugeben.
- – Ein
Algorithmus (31) im Steuersystem (2) ist dazu
ausgebildet, Steuersignale (13) zu den Seefahrzeugantrieben
(3) aufgrund der Sensorsignale (7) und/oder der
Steuersignale (9) zu berechnen, um die Steuersignale (13) über eine
Signalleitung zu den Antrieben (3) zu senden.
- – Eine
oder mehrere Kommunikationsleitungen (6) sind dazu ausgebildet,
ein oder mehrere simulierte Sensorsignale (7') und/oder simulierte Befehlssignale
(9') von
einem entfernten Prüflaboratorium
(40) zum Steuersystem (2) zu senden. Das entfernte
Laboratorium kann an Land angeordnet sein, und Ausrüstung zur
Echtzeitkommunikation muss sowohl im Laboratorium als auch in jedem
Seefahrzeug zur Verfügung stehen,
das geprüft
werden soll.
- – Das
entfernte Laboratorium schließt
einen Simulator (30) einschließlich eines Algorithmus (32)
für die
Simulierung eines neuen dynamischen Zustands (50') ein, der den
neuen Sensorsignalen (7')
eines Seefahrzeugmodels (4'),
beruhend auf den vorherigen Zustand (50'), Steuersignalen (13, 13') und dynamischen Parametern
(5) für
das Seefahrzeug (4) entspricht.
- – Die
Kommunikationsleitung (6) ist dazu ausgebildet, den neuen
simulierten Zustand des Schiffsmodels (4') in Form von Sensorsignalen (7') zum Steuersystem
(2) zu senden für
andauernde Berechnung von Steuersignalen (13) im Steuersystem
aufgrund von echten und/oder simulierten Sensordaten (7, 7') oder echten
und/oder simulierten Befehlssignalen (9, 9'), um wenigstens
eines der echten und/oder simulierten Steuersignale (9, 9') in Form von
gewünschter
Position, Kurs, Geschwindigkeit usw. zu erhalten.
- – Die
Kommunikationsleitung (6) ist dazu ausgebildet, die Reaktion
des Steuersystems (2) in Form der Steuersignale (13)
und als Steuersignale (13')
zu dem entfernten Prüflaboratorium
(40) zu senden.
-
Die
Steuersignale (13) schließen Signale (13a, 13b, 13c)
in Form von Wellengeschwindigkeit (13a, 13b) für den einen
oder mehreren Propeller (16) oder Schubeinrichtungen (17)
und Drehwinkel (13c) für
Ruder (18) oder Schubeinrichtungen (17) und möglicherweise
andere Antriebe ein.
-
Die
Sensoren (8) schließen
einen oder mehrere der folgenden ein:
- – Positionsmesseinrichtungen
(8a), um den Seefahrzeugstandort (7a) zu bestimmen,
wie z. B. GPS-Empfänger
(8a), hydroakustische Positionssensoren (8h),
integrierende Beschleunigungssensoren, usw.;
- – Kursmesseinrichtungen
(8b) zum Bestimmen des Seefahrzeugkurses (7b),
z. B. einen Gyrokompass oder irgendeinen anderen Kompass;
- – einen
Geschwindigkeitssensor (8c) oder einen einfach integrierenden
Beschleunigungssensor, um die Geschwindigkeit (7c) zu bestimmen;
- – ein
Anemometer (8d, 8e) zum Anzeigen der (Relativ-)Windgeschwindigkeit
(7d) und der Windrichtung (7e);
- – einen
Rollwinkelsensor (8f), um den Rollwinkel (7f)
anzuzeigen;
- – einen
Stampfwinkelsensor (8g) zum Anzeigen den Stampfwinkels
(7g)
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das System mit einem Knopf oder Schalter (15a)
ausgerüstet,
der dazu ausgebildet ist, ein oder mehrere Sensorsignale (7)
von der Signalleitung (12) zum Steuersystem (2)
zu trennen. Zusätzlich
kann das System der Erfindung mit einem zweiten Schalter (15b)
versehen sein, der dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere der
Befehlssignale (10) von der Signalleitung (11) des
Steuersystems (2) zu trennen, und auch mit einem dritten
Schalter (15c) versehen sein, der dazu ausgebildet ist,
eines oder mehrere Steuersignale (13) von der Signalleitung
(14) vom Steuersystem zu trennen. Auf diese Weise können die
Schalter (15) verwendet werden, vollständig oder teilweise das Steuersystem
(2) von Signalen zu und vom Rest des Seefahrzeuges zu trennen.
Das Steuersystem (2) kann immer noch mit einer gewöhnlichen
elektrischen Stromversorgung an Bord verbunden sein.
-
Das
System schließt
wie üblich
ein, dass die dynamischen Parameter (5) des Seefahrzeuges
in dem Algorithmus (31) des Steuersystems (2)
für die
Berechnung der Steuersignale (13) zu den Antrieben (3)
eingehen können.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das System so ausgebildet, dass das entfernte
Prüflaboratorium
(40) mit einem Simulator (30) mit einem Algorithmus
(32) ausgerüstet
ist, der dazu ausgebildet ist, den Zustand eines Seefahrzeuges aufgrund
eines anfänglichen
Zustands zu simulieren, der durch vollständig oder teilweise simulierte
Messungen (7, 7')
und Steuersignale (13, 13') von dem Steuersystem (2)
dargestellt ist.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Kommunikationsleitung (6) dazu ausgebildet,
eines oder mehrere simulierte Sensorsignale (7') von dem entfernten
Prüflaboratorium
(40) zu senden, die weiter dazu ausgebildet ist, mit einer
ersten Echtzeitschnittstelle (6a) am entfernten Prüflaboratorium
(40) verbunden oder davon getrennt zu werden. Auf die selben
Weise kann die Kommunikationsleitung (6) dazu ausgebildet
sein, mit einer zweiten Echtzeitschnittstelle (6b) am Seefahrzeug
(4) verbunden und davon getrennt zu werden, und wobei die
zweite Echtzeitschnittstelle dazu ausgebildet ist, durch den Schalter (15a)
mit der Signalleitung (11) mit dem Steuersystem (2)
verbunden zu werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine simulierte Befehlseingabeeinrichtung (10') dazu ausgebildet,
simulierte Befehlssignale (9')
von dem entfernten Prüflaboratorium
(40) über
die Echtzeitschnittstelle (6a) und über die Kommunikationsleitung
(6) und über
die Echtzeitschnittstelle (6b) zum Steuersystem (2)
zu senden.
-
Das
System kann dazu ausgebildet sein, dass alles von einem Algorithmus
(31) im Steuersystem (2) oder ein Teil desselben über die
Kommunikationsleitung (6) vom entfernten Prüflaboratorium
abgewandelt, kalibriert oder ersetzt werden kann. Gemäß der Erfindung
schließt
das Prüflaboratorium
eine Dateneingabeeinrichtung (15) für die Dateneingabe der Reaktion
(13', 19') vom Steuersystem
(2) zu den Messungen (7, 7') ein.
-
Beschreibung eines Verfahrens
zum Durchführen
des Prüfens
des Steuersystems
-
Das
System, das oben beschrieben worden ist, ist dazu ausgebildet, bei
einem Verfahren zum Prüfen des
Steuersystems (2) in einem Seefahrzeug (4) benutzt
zu werden. Das Steuersystem (2) schließt Steuerung und Überwachung
des Schiffes (4) mit Steuersignalen (13) zu einem
oder mehreren Antrieben (3) ein.
-
Das
Verfahren gemäß der Erfindung
schließt
die folgenden Schritte ein:
- – Akquirieren
in Echtzeit von Sensorsignalen (7) zum Steuersystem (2)
von einem oder mehreren Sensoren (8) über eine erste Sensorsignalleitung
(12) zum Steuersystem (2).
- – Akquirieren
von Befehlssignalen (9) zum Steuersystem (2) von
einer Befehlseingabeeinrichtung (10) über eine zweite Signalleitung
oder Befehlssignalleitung (11) zum Steuersystem (2).
- – Berechnung
eines Steueralgorithmus (31) im Steuersystem (2)
aufgrund von einem oder mehreren der akquirierten Sensorsignale
(7) und Befehlssignale (9) und der dynamischen
Parameter (5) des Seefahrzeuges, und Senden der Steuersignale
(13) über
eine dritte Signalleitung (14) zu den Antrieben (3).
- – Die
Neuheit der Erfindung schließt
das Trennen von einem oder mehreren Sensorsignalen (7)
von einem oder mehreren der Sensoren (8) oder der Steuersignale
(9) von der Befehlseingabeeinrichtung (10) ein,
sodass die ausgewählten
Sensorsignale (7) oder Befehlseingaben (9) das
Steuersystem (2) nicht erreichen, wobei zur selben Zeit
Ersetzen von einem oder mehreren der getrennten Sensorsignale (7)
oder Befehlssignale (9) durch entsprechende simulierte
Sensorsignale (7')
oder Be fehlssignale (9')
stattfindet, die in einem entfernten Prüflaboratorium (40)
in Bezug auf das Schiff (4) erzeugt sind. Die simulierten
Signale (7', 9') werden über eine
Kommunikationsleitung (6) durch die eine oder mehreren
Signalleitungen (12, 14) zum Steuersystem (2)
von dem entfernten Prüflaboratorium
gesendet.
- – Berechnung
der Steuersignale (13, 13') wird in der üblichen Weise im Steuersystem
(2) aufgrund der echten und/oder simulierten Sensorsignale
(7a oder 7a', 7b oder 7b', 7c oder 7c', ...) oder
von Befehlssignalen (9a oder 9a', 9b oder 9b', 9c oder 9c', ...) weiterhin
stattfinden.
- – Die
Steuersignale (13'),
die durch das Steuersystem erzeugt werden, können dann über die Kommunikationsleitung
(6) zum entfernten Prüflaboratorium
(4) gesendet werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Verfahrenssimulation in einem Simulator (30)
im Prüflaboratorium
(40) mit Hilfe eines Algorithmus (32) eines neuen
dynamischen Zustands eines Seefahrzeugmodels (4) aufgrund
der Steuersignale (13')
einschließen.
Auf diese Weise kann eine Prüfung des
Steuersystems (2) vom entfernten Prüflaboratorium (40)
auf einem Schiff unabhängig
davon durchgeführt werden,
wo sich das Schiff in der Welt befindet. Der Simulationsalgorithmus
muss die Zeitverzögerung
berücksichtigen,
die durch die Verwendung der Kommunikationsleitung (6)
verursacht wird.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann das entfernte Prüflaboratorium
(40), das mit dem Prüfen
des Steuersystems beschäftigt
ist, an Land angeordnet sein, und das Seefahrzeug (4a, 4b, 4c,
...), das geprüft
wird, befindet sich in einer großen Entfernung weg vom Prüflaboratorium,
typischerweise zwischen 1 und 20.000 km, und wobei das Schiff (4a, 4b, 4c,
...), das geprüft
wird, sich in einem nahen Hafen, einem entfernten Hafen, im Dock
oder in einer Werft, vor Anker oder in der offen See befindet.
-
Wenn
das Prüfen
des Steuersystems beendet ist, wird die Kommunikationsleitung zwischen
dem Seefahrzeug und dem entfernten Laboratorium getrennt, und die
gewöhnlichen
Sensorsignale und die gewöhnlichen
Befehlssignale zum Steuersystem werden wieder verbunden, und die
Steuersignale vom Steuersystem werden mit den Betätigungselementen
oder Antrieben für
normalen Betrieb des Steuersystems im Seefahrzeug wieder verbunden.
-
Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weisen die Sensorsignale (7) einen
oder mehreren der folgenden Sensorparameter vom Sensor (8)
auf:
- – Den
Schiffstandort (7a) von Positionssensoren (8a),
wie z. B. einem GPS-Empfänger
(8a), hydroakustischen Positionssensoren (8h),
integrierenden Beschleunigungssensoren, usw.,
- – Kurs
(7b) von Kurssensoren (8b) z. B. einem Gyrokompass
oder einem anderen Kompass,
- – Geschwindigkeit
(7c) von einem Geschwindigkeitssensor (8c) oder
einem einfach integrierenden Beschleunigungssensor;
- – Windgeschwindigkeit
(7d) und Windrichtung (7e) von einem Anemometer
(8c, 8e),
- – Rollwinkelsensor
(7f) von einem Rollsensor (8f);
- – Stampfwinkelsensor
(7g) von einem Stampfsensor (8g).
-
Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung schließen
die Steuersignale (13) Signale (13a, 13b, 13c)
in Form der Wellengeschwindigkeit einer oder mehrerer Propeller
(16) oder Triebwerke (17) und Winkel für Ruder
(13c) oder Triebwerke (17) und möglicherweise
andere Steuereinrichtungen ein, um eine oder mehrere von gewünschtem
Standort (9a), Kurs (9b), Geschwindigkeit (9c)
zu erreichen.
-
Das
Verfahren kann zum Berechnen von Steuersignalen für einen
oder mehreren Propeller (16a, 16b, 16c,
...) benutzt werden, und Steuereinrichtungen (18) können einen
oder mehrere Ruder (18a, 18b) einschließen und
können
eine oder mehrere Triebwerke oder Schubeinrichtungen (17)
einschließen.
-
Die
Befehlseingabeeinrichtung (10) wird wenigstens eine Standortspezifikationseinrichtung
(10a), ein Steuerrad (10b), eine Geschwindigkeitsangabeeinrichtung
(10c) oder eine Einrichtung für die Angabe des gewünschten
Neigungswinkels, Stampf- oder Nickwinkels, der Hiev- oder Heave-Kompensation
usw. (10x) einschließen,
die ein Befehlssignal (9) von einer oder mehreren von gewünschtem
Standort (9a), gewünschtem Kurs
(9b) und gewünschte
Geschwindigkeit (9c) oder anderen gewünschten Zustand (9x)
ergeben, d. h. gewünschtem
Rollwinkel, gewünschtem
Stampf- oder Nickwinkel, gewünschter
Heave-Kompensation
usw.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung schließt
das Verfahren ein, dass das entfernte Prüflaboratorium (40)
dazu verwendet wird, zu prüfen,
dass das Steuersystem (2) aufgrund der simulierten Sensorsignale
(7') bei
der Prüfung
aufgrund möglicherweise
verbleibender echter Sensorsignale (7), der simulierten
Befehlssignale (9')
und möglicherweise
verbleibender echter Befehlssignale (9) Steuersignale (13, 13') abgibt, die
zu einem gewünschten
Zustand des Seefahrzeugs führen,
und wobei das Steuersystem (2) aufgrund dieser Prüfung zertifiziert
wird.
-
Die
dynamischen Parameter (5) des Seefahrzeugs können die
Masse (m), die axialen Trägheitsmomente
und die Massenverteilung des Seefahrzeuges, die Rumpfparameter,
die die Geometrie des Rumpfes beschreiben, wie dies unten erwähnt wird,
einschließen.
Trennen der Sensorsignale (7) von den Sensoren (8) zum
Steuersystem (2) kann mithilfe eines Schalters (15a)
auf der Signalleitung (12) vorgenommen werden. Trennen
von Befehlssignalen (9) von den Befehlseingabeeinrichtungen
zum Steuersystem (2) kann mithilfe eines Schalters (15b)
auf der Signalleitung (11) vorgenommen werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
Fehlersituationen durch Trennen von einem oder mehreren ausgewählten Sensorsignalen
(7) oder Steuersignalen (9) zu der Zeit geprüft werden,
um Versagen von Komponenten zu simulieren, und wobei die Reaktion
des Steuersystems (2) in Form von Steuersignalen (13, 13') und Zustandssignalen
(19, 19')
in eine Dateneingabeeinrichtung (15) im Prüflaboratorium
(40) eingegeben werden.
-
Fehlersituationen
können
auch geprüft
werden, indem Messungen geändert
werden oder indem Störungen
in ausgewählten
Sensorsignalen (7')
erzeugt werden, oder indem äußere Störungen wie
Wetter, Wind, elektrisches Rauschen zu den Messungen (7'), die von den
entfernten Prüflaboratorium
(40) zum Steuersystem (2) im Seefahrzeug (4)
gesandt werden, erzeugt werden, und wobei die Reaktion des Steuersystems
(2) in Form von Steuersignalen (13, 13') und Zustandssignalen
(19, 19')
in ein Dateneingabegerät
(15) im Prüflaboratorium
(40) eingegeben werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann neue Software für
das Steuersystem (2) im Seefahrzeug (4) von dem
Prüflaboratorium
(40) über
die Kommunikationsleitung (6) gesendet werden.
-
Nach
der Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem das Prüflaboratorium
(40) aufgrund der Prüfung
des Steuersystems (2) und der Prüfergebnisse das Steuersystem
(2) zulassen kann, kann das Prüflaboratorium (40)
das Steuersystem (2) für
einen gewöhnlichen
Betrieb des Seefahrzeuges (4) zertifizieren.
-
Einer
der Vorteile des vorgeschlagenen in Entfernung durchgeführten Prüfens gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass man eine viel größere Flexibilität bei der
Gesamtheit von Software und Steuersystem (2) und der simulierten
Fehlersituationen und unter einem simulierten ausgiebigen Spektrum
von Wetterbelastungen haben wird, als dies im Fall bei konventionellem
Prüfen
und zertifizieren möglich
wäre. Gleichzeitig
vermeidet man die Nachteile und Begrenzungen vorher verwendeter
Verfahren zum Prüfen
von Seefahrzeugsteuersystemen, nämlich
Reiseentfernung, zeitraubende Reisen, hohe Reisekosten, Zeit für Einrichten
der Ausrüstung
für das
Prüfen
usw. Mit der vorgeschlagenen Erfindung ist es möglich, weit mehr Seefahrzeuge
als vorher mit einer kleineren Anzahl von Bedienungspersonen zu
prüfen
und zu zertifizieren.
-
Beispiel des Prüfens eines Steuersystems auf
einem Bohrseefahrzeug.
-
Die
vorliegende Erfindung kann benutzt werden, um zu prüfen, ob
ein Steuersystem wie oben erwähnt tatsächlich in
sicherer und zuverlässiger
Weise funktionieren wird. Man kann sich das folgende Beispiel vorstellen:
Es ist gewünscht,
ein Steuersystem (2) in einem Bohrseefahrzeug (4)
zu prüfen,
wie dies in 7 dargestellt ist. Der Bohrvorgang
kann vor der Prüfung
beendet werden, sodass mögliche
Fehler in dem Standort unter der Prüfung mit simuliertem dynamisch
positioniertem Bohren keine negativen Konsequenzen haben wird. Das
Seefahrzeug (4) schließt
ein Steuersystem (2) ein, das dem entspricht, was skizzenmäßig in den 4a,
b und c dargestellt ist und in derselben Weise durch eine Echtzeitschnittstelle
(6b) und eine Kommunikationsleitung (6) und durch
eine Echtzeitschnittstelle (6a) mit einem entfernten Prüflaboratorium
(40) verbunden, wie dies in den Zeichnungen gezeigt ist.
Das Steuersystem (2) weist Steuern und Überwachen des Bohrseefahrzeuges
(4) mit Triebwerkseinrichtungen (16) wie Propeller
(16a, 16b, 16c, ...) oder Triebwerken oder
Schubeinrichtungen (17) und Steuereinrichtungen (18),
wie Ruder (18), Triebwerken (17) in Form von Tunneltriebwerken
oder Tunnelschubwerken und Azimuthtriebwerken auf. Die Triebwerke
(17) können
sowohl als Antriebseinrichtungen (16) als auch als Steuereinrichtungen
(18) verwendet werden. Bei dem simulierten Bohren ist es
wünschenswert,
dass das Bohrseefahrzeug (4) an einem stationären Standort
(9a) mit einer kleinstmöglichen
Abweichung des Standortes und mit einem Kurs (7b) und einer
Geschwindigkeit (7c) befindet, die nur das Wetter in Form
der Einflüsse
von Wind, Wellen und Strom kompensieren. Das Verfahren zum dynamischen
Positionieren in Übereinstimmung
mit bekannten Verfahren kann die folgenden Schritte aufweisen, die
sequenziell ausgeführt
werden können:
- – Das
Steuersystem (2) akquiriert in Echtzeit die Sensordaten
(7) von einem oder mehreren Sensorparametern, wie z. B.
dem gemessenen Seefahrzeugstandort (7) von Positionssensoren
(8a), z. B. DGPS-Empfängern,
und Kurs (7b) von Kurssensoren (8b), wie Gyrokompassen
usw.
- – Das
Steuersystem (2) akquiriert Befehlssignale (9)
von einer Befehlsangabeeinrichtung (10), z. B. einer sogenannten
Joysticktafel, einschließlich
wenigstens eine Positionsvorgabeeinrichtung (10a), eines
Rads (10b), einer Geschwindigkeitsvorgabeeinrichtung (10c),
die Befehlssignale für
eines oder mehrere von gewünschtem
Standort (9a), wie dies in 7 gezeigt
ist, gewünschtem
Kurs (9b) in Form des Winkels für Ruder oder Schubtriebwerke,
und gewünschter
Geschwindigkeit (9c) in Form der Wellengeschwindigkeit für Propeller
(16) oder Triebwerke (17).
- – Die
Sensoren (8) senden die Sensorsignale (7) über eine
erste Sensorsignalleitung (12) zum Steuersystem (2).
- – Die
Befehlseingabeeinrichtung (10) sendet die Befehlssignale
(9) über
eine zweite Signalleitung oder Befehlssignalleitung (11)
zum Steuersystem (2).
- – Das
Steuersystem (2) berechnet dann sequenziell aufgrund der
einen oder mehreren akquirierten Sensorsignale (7a, 7b, 7c,
...) und Befehlssignale (9a, 9b, 9c,
...) und möglicherweise
eines Satzes von erforderlichen dynamischen Parametern, wie Masse
(m) und axiale Trägheitsmomente
(M1, M2, ...) für das Seefahrzeug
(4) die erforderliche Wellengeschwindigkeit (13a)
für Propeller
(16) und Winkel (13c) für Ruder (18) und möglicherweise
andere Steuereinrichtungen, um eine oder mehrere von gewünschtem
Standort (9a), Kurs (9b), Geschwindigkeit (9c)
usw. aufrecht zu erhalten.
- – Das
Steuersystem (2) sendet dann die Steuersignale (13a, 13b, 13c,
...) einschließlich
der erforderlichen Wellengeschwindigkeit (13b) vom Steuersystem
(2) über
eine dritte Signalleitung (14), um die Wellengeschwindigkeit
(13a) für
Propeller (16) und/oder Schubtriebwerke (17) und
Winkel (13c) für
Ruder (18) und/oder Schubtriebwerke (17) zu steuern.
-
Die
Neuheit der Erfindung kann mit den folgenden Schritten durchgeführt werden:
- – Mit
Hilfe eines Knopfes oder Schalters (15a) auf der Signalleitung
(12) werden ein oder mehrere Sensorsignale (7)
von einem oder mehreren Sensoren (8) von dem Steuersystem
(2) getrennt, und/oder mit Hilfe eines Schalters (15b)
auf der Signalleitung (11) werden ein oder mehrere der
Befehlssignale (9) von der Steuereingabeeinrichtung (10)
von dem Steuersystem (2) getrennt.
- – Eines
oder mehrere der getrennten Sensorsignale (9), z. B. der
gemessene Standort (7a) oder der Kurs (7b), oder
eines oder mehrere der getrennten Befehlssignale (9), z.
B. gewünschte
Position (9a) oder gewünschter
Kurs (9b), werden durch die entsprechenden simulierten
Sensorsignale (7'),
z. B. simulierter gemessener Standort (7a') oder simulierter gemessener Kurs
(7b') oder
simulierte entsprechende Befehlssignale (9') ersetzt, z. B. simulierter gewünschter
Standort (9a')
oder simulierter gewünschter
Kurs (9b'),
indem eine oder mehrere der Signalleitungen (12, 14)
blind geschaltet werden, wobei die simulierten Sensor- und Befehlssignale
in einem entfernten Prüflaboratorium
(40) in Bezug auf das Seefahrzeug (4) erzeugt werden
und über
eine Kommunikationsleitung (6) durch einen oder beide der
Schalter (15a, 15b) und in eine oder mehrere der
Signalleitungen (12, 14) gesendet werden. In diesem
Fall kann man die Sensorsignale (7a) von den DGPS-Empfängern (8a)
blind schalten und diese durch einen neuen, falschen und abweichenden
Standort ersetzen, der sich in einer vorgegebenen Entfernung von
dem Standort (9a) befindet, wo sich das Seefahrzeug (4)
tatsächlich
befindet.
- – Das
Steuersystem (2) führt
dann sequenziell fortgesetzte Berechnungen der erforderlichen Wellengeschwindigkeit
(13b) für
Propeller (16) und Winkel (13c) für Ruder
(18) und andere Steuereinrichtungen durch, um wenigstens
einen von gewünschtem
Standort, Kurs, Geschwindigkeit usw. aufgrund der eingegebenen und/oder
simulierten Sensorsignale (7a oder 7a', 7b oder 7b', 7c oder 7c', ...) und der
Befehlssignale oder simulierten Befehlssignale (9a oder 9a', 9b oder 9b', 9c oder 9c', ...) und der
erforderlichen Seefahrzeugparameter (5) zu erhalten. Die
berechnete Reaktion, die sogenannten Steuersignale (13)
vom Steuersystem (2) zum Betätigungselement oder Antrieb
(3), wie z. B. das Steuersignal (13a) für die Steuerung
von Propellern (13) und des Winkels (13c) von
Rudern (18) kann mit Hilfe eines dritten Schalters (15c) getrennt
oder blind geschaltet werden, sodass die Steuersignale (13)
nicht die Propeller (16) oder die Ruder (18) während der
Prüfung
steuern, sondern sie stattdessen über die Kommunikationsleitung
(6) zum entfernten Laboratorium (40) senden.
-
Das
Steuersystem (2) kann dann als eine „Black Box" (2) angesehen werden, wo eine Änderung
in wenigstens einem der Sensorsignale (7) zur „Black
Box" (2)
simuliert wird, und wo die „Black
Box" (2)
mit einem Steuersignal (13) reagiert. Im Falle des Bohrseefahrzeugs
(4), das in der Einleitung erwähnt wurde, wo ein Fehler in
den DGPS-Signalen vorhanden war, würde man nach 5 Minuten erfahren,
dass das Steuersystem (2) plötzlich versuchen würde, die
Propeller, Triebwerke und Ruder des Seefahrzeuges (4) zu
steuern, um das Seefahrzeug zu einem neuen Standort zu bewegen,
den das Steuersystem plötzlich
als richtig ansehen würde, da
ihm dieser 5 Minuten lang als stabil und falsch angegeben worden
ist.
-
Die Bewegung eines Seefahrzeuges und die
Simulation seiner Be wegung.
-
Die
Bewegung eines Seefahrzeuges wird in Termen der Geschwindigkeit
des Schiffs, surge (Vor- und Rückwärtsbewegung
des Schiffs oder Schwall), sway (Bewegung von Seite zu Seite oder
Schaukeln) und yaw (Rotation um vertikale Achse oder Gieren), durch
die Position des Schwerpunktes und durch Rollwinkel, Stampfwinkel
und Gierwinkel beschrieben, siehe 5. Ein Seefahrzeug
wird Kräften
und Momenten ausgesetzt sein, die die Bewegung des Seefahrzeuges
beeinflussen. Diese Kräfte
und Momente werden durch Wind, Strom und Wellen, von der Benutzung
von Betätigungselementen
oder Antrieben (3), wie Propellern (16), Triebwerken
(17) und Rudern (18), von hydrostatischen Kräften, die
der Federkraftwirkung von Winkeln beim Rollen und Stampfeb und der
Heave-Position entsprechen, und von hydrodynamischen Kräften erzeugt,
die sich auf die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Seefahrzeugs
(4) beziehen. Kräfte
und Momente, die auf ein Seefahrzeug (4) wirken, hängen von
der Bewegung des Seefahrzeugs ab, während die Bewegung des Seefahrzeugs
als eine Konsequenz der Kräfte
und Momente angesehen werden kann, die auf das Seefahrzeug wirken.
Für ein
Seefahrzeug oder Schiff wird die Geometrie des Rumpfes, die Masse
und die Massenverteilung bekannt sein. Zusätzlich werden Schätzungen
der hydrodynamischen Parameter des Schiffs bekannt sein. Wenn die
Bewegung des Seefahrzeugs gegeben ist, können die Kräfte und Momente, die auf das Schiff
wirken, in einem Simulator (30) berechnet werden, z. B.
durch Verwendung eines Algorithmus (32). Die Beschleunigung
und Winkelbeschleunigung des Seefahrzeugs kann dann aus den Bewegungsgleichungen
für das
Seefahrzeug berechnet werden, die von Newtons und Eulers Gesetzen
gefunden werden können.
Solche Bewegungsgleichungen werden in Handbüchern beschrieben. In den Bewegungsgleichungen
erscheinen die folgenden Parameter:
- – die Seefahrzeugmasse,
- – der
Ort des Schwerpunktes,
- – der
Ort des Auftriebsmittelpunktes,
- – die
Trägheitsmomente
des Schiffes,
- – die
Rumpfgeometrie, einschließlich
Länge,
Schiffsbreite und Tiefgang;
- – hydrodynamisch
hinzugefügte
Masse,
- – hydrodynamische
Potentialdämpfung,
- – viskose
Dämpfung,
- – Parameter,
die sich auf Rückstellkräfte beziehen
und Momente auf dem Rumpf aufgrund der Bewegung in Heave, Stampfen
und Rollen,
- – Parameter,
die sich auf Amplitude, Frequenz und Richtung von Wellenkomponenten
auf die resultierenden Kräfte
und Momente auf den Rumpf beziehen.
- – Darüber hinaus
schließen
die Bewegungsgleichungen mathematische Modelle für Antriebskräfte von
Propellern (16) als Funktion der Propellergeschwindigkeit
und der Steigung der Propellerblätter,
Kräfte
von Rudern (18) als Funktion des Ruderwinkels und der Seefahrzeuggeschwindigkeit
und Kräfte
von Triebwerken (17) als Funktion der Triebwerkgeschwindigkeit
und -richtung ein.
-
Das
folgende Verfahren kann verwendet werden, um die Bewegung eines
Seefahrzeuges (4, 4') über einen
Zeitintervall von T0 nach TN zu berechnen:
Es soll angenommen
werden, dass die Bewegung eines Seefahrzeuges im anfänglichen
Zeitmoment T0 gegeben ist und Kräfte
und Momente zu diesem Zeitpunkt berechnet werden. Die Be schleunigung
und die Winkelbeschleunigungen des Seefahrzeuges zur Zeit T0 können dann
von Bewegungsgleichungen für
das Seefahrzeug (4, 4') berechnet werden. Dann können numerische
Integrationsalgorithmen verwendet werden, die Bewegung des Schiffes
zum Zeitpunkt T1 = T0 + h zu berechnen, wobei h der Zeitschritt
des Integrationsalgorithmus ist. Für ein Seefahrzeug wird dann
der Zeitschritt h typischerweise im Bereich von 0,1 bis 1 s liegen. Wenn
die Bewegung des Seefahrzeugs (4, 4') zur Zeit T1 berechnet ist, können die
Kräfte
und Momente zur Zeit T1 berechnet werden, und die Beschleunigung
und die Winkelbeschleunigung zum Zeitpunkt T1 werden von den Bewegungsgleichungen
gefunden. Es wird dann wieder unter Verwendung von numerischer Integration
die Bewegung des Seefahrzeuges zum Zeitpunkt T2 = T1 + h berechnet.
Diese Prozedur kann zu jedem Zeitpunkt TK = T0 + h·K durchgeführt werden,
bis die Zeit TN erreicht ist.
-
Die
Wellen, die auf ein Schiff wirken, werden als eine Summe von Wellenkomponenten
beschrieben, wo nur eine Wellenkomponente eine sinusoidale Welle
mit langem Wellenkamm mit einer gegebenen Frequenz, Amplitude und
Richtung ist. Für
einen gegebenen Ort auf See werden die vorherrschende Verteilung der
Amplitude und Frequenz der Wellenkomponenten durch bekannte Wellenspektren
wie z. B JONSWAP- oder ITTC-Spektren gegeben, wo die Intensität des Wellenspektrums
in Termen der signifikanten Wellenhöhe parametrisiert ist. Die
resultierenden Kräfte
und Momente, die auf das Seefahrzeug wirken, werden eine Funktion
der Amplitude, Frequenz und Richtung der Wellen und der Geschwindigkeit
und des Kurses des Seefahrzeuges sein. Kräfte und Momente vom Wind werden
durch Windgeschwindigkeiten, Windrichtung, Seefahrzeuggeschwindigkeit
und die projizierte Fläche
des Schiffs oberhalb der Meeresoberfläche als Funktion des Seefahrzeugkurses
relativ zur Windrichtung gege ben sein. Kräfte und Momente von Strömung werden
durch die Strömungsgeschwindigkeit,
Strömungsrichtung,
die Projektionsfläche
des Rumpfes unter der Meeresoberfläche und durch die Seefahrzeuggeschwindigkeit
und den Kurs relativ zur Strömungsrichtung
gegeben sein.
-
Dynamische Positionierung-DP:
-
Bei
dynamischer Positionierung, sogenannter DP, wird das Seefahrzeug
(4) in drei Freiheitsgraden (DOF, degrees of freedom) gesteuert.
Die gewünschte
Position in x und y und der Kurs werden als Eingabe von einer Bedienungsperson
eingegeben, die eine Tastatur, eine Rollkugel, eine Maus oder einen
Joystick auf einer Steuertafel (10) verwendet. Ein Steuersystem
(2) wird verwendet, um die erforderlichen Antriebskräfte in den
Schwall- und Schaukelrichtungen und das Antriebsmoments um die Gierachse
zu berechnen, sodass das Schiff die gewünschte Position und den gewünschten
Kurs erreicht. Das Steuersystem (2) schließt auch
Betätigungselement-
oder Antriebszuordnung ein, was die Berechnung von Propellerkräften, Ruderkräften und Triebwerkskräften oder
Schubtriebwerkskräften
einschließt,
die den befohlenen Antriebskräften
und Momenten entsprechen. Das Steuersystem (2) wird durch
das Ablaufenlassen eines Algorithmus (31) auf einem Computer
an Bord des Seefahrzeuges (4) implementiert. Dieser Algorithmus
(31) vergleicht die gewünschte
Position (9a) und den Kurs (9b) mit der gemessenen
Position und dem gemessenen Kurs (7a, 7b), und
aufgrund von diesen berechnet der Algorithmus die erforderlichen
Antriebskräfte
und Momente, indem er Steuertheorie verwendet, die in Handbüchern gefunden
wird. Zusätzlich
schließt
der Algorithmus ein Zuordnungsmodul ein, wo Propellerkräfte, Ruderkräfte und
Schubtriebwerkskräfte
berechnet werden. Die Position und der Kurs werden durch DGPS-Sensoren,
Gyrokompasse, hydroakustische Sen sorsysteme, wo Transponder auf
dem Meeresgrund angeordnet sind, und Spanndrähte ein, wo die Neigung eines
Spanndrahtes, der am Meeresboden befestigt ist, gemessen wird.
-
Komponente:
-
- 1
- -
- 2
- Steuersystem
- 3
- Betätigungselemenet
oder Antriebe (Propeller (16) Triebwerke oder Schubtriebwerke
(17), Ruder (18))
- 4
- Seefahrzeug,
Schiff, Bohrseefahrzeug, Bohrplattform, Produktionsplattform oder
anderes seegängiges Fahrzeug
- 4'
- Simuliertes
Seefahrzeug, Seefahrzeugmodel im Simulator (30) oder im
Simulatoralgorithmus (31)
- 5
- die
dynamischen Parameter des Seefahrzeuges. 5a: Masse m, 5b: 5c:
Position des Schwerpunktes, 5c, 5d, 5e Trägheitsmomente
um die Seefahrzeugachsen, Massenverteilung, Rumpfparameter usw.
- 6
- Kommunikationsleitung,
die eine erste Echtzeitschnittstelle (6a) im entfernten
Prüflaboratorium
(40) und eine zweite Echtzeitschnittstelle 6b)
auf einem ersten Seefahrzeug 4a, (6c) auf einem
zweiten Seefahrzeug (4b) usw. einschließt.
- 7
- Sensorsignale
von Sensoren (8): 7a: Position, 7b: Kurs, 7c:
Geschwindigkeit, 7d: Windgeschwindigkeit (rel), 7e:
Windrichtung (rel), 7f: Stampfwinkel, 7g: Rollwinkel, 7h,
hydroakustische (relative) Position in Bezug auf Transponder auf
dem Meeresboden, 8i, GPS/Trägheitsposition und Kurs.
- 8
- Sensoren: 8a:
Positionssensor, 8b: (Gyro)-Kompass, 8c: Geschwindigkeitssensor, 8d:
Windgeschwindigkeitssensor, 8e: Windrichtungssensor, 8f:
Stampfsensor, 8g: Rollsensor, 8h: hydroakustischer
Positionssensor, 8i: „Seapath
200" GPS/Trägheitssensor
von Position und Kurs
- 9
- Steuersignalevon
Steuereingabeeinrichtung (10): 9a: gewünschte Position, 9b:
gewünschter
Kurs, 9c: gewünschte
Geschwindigkeit usw.
- 10
- Befehlseingabeeinrichtung:
Spezifikationsangabeeinrichtung 10a zum Angeben der gewünschten
Position 9a, Rad 10b zum Angeben des gewünschten
Kurses 9b, Geschwindigkeitsangabeeinrichtung 10c zum
Angeben der gewünschten
Geschwindigkeit usw.
- 11
- Eine
oder mehrere Befehlssignalleitungen oder ein Kommunikationsbus für Kommunikationssignale
(9) zum Steuersystem (2).
- 12
- Eine
oder mehrere Sendesignalleitungen oder ein Kommunikationsbus für Sensorsignale
(7) zum Steuersystem (2).
- 13
- Steuersignaleeinschließlich Wellengeschwindigkeit
(13a, 13b) für
Propeller (16) und Triebwerke (17) und Winkel
(13c) für
Ruder (18) oder Triebwerk (17).
- 13'
- Steuersignale,die
zum entfernten Prüflaboratorium
(40) gesendet werden
- 14
- Eine
oder mehrere dritte Signalleitungen (14) oder Kommunikationsbus
vom Steuersystem (2) zu den Betätigungselementen oder Antrieben
(3) (16, 17, 18)
- 15
- Dateneingabeeinrichtung.
- 16
- Propeller
(16)
- 17
- Triebwerke
oder Schubtriebwerk (17)
- 18
- Ruder
(18): (zusammen „Betätigungselemente" oder „Antriebe" (3).
- 19
- Zustandssignale
- 30
- Seefahrzeugsimulator
in einem entfernten Prüflaboratorium
(40)
- 31
- Steueralgorithmus
(31) für
die Berechnung von Steuersignalen (13) für die Schiffsantriebe
(16, 17, 18) aufgrund von Sensorsignalen
(7), Steuersignalen (9) und der dynamischen Parametern
(5) für
das Seefahrzeug (4), zum Senden von Steuersignalen (13) über eine
Signalleitung (14) zu den Betätigungselementen oder Antrieben
(3), z. B. Propellern (16), Triebwerken und Schubtriebwerken
(17) oder Rudern (18).
- 32
- Algorithmus
im Seeschiffsimulator (30) für die Berechnung der dynamischen
Bewegung des Seeschiffes aufgrund von simulierten Sensorsignalen
(7), Seefahrzeugparametern (5), simulierter Windgeschwindigkeit
und Windrichtung, simulierter Wellenhöhe und Wellenrichtung, simulierter
gegenwärtiger Geschwindigkeit
und gegenwärtige
Richtung, usw., und die Kräfte
der Antriebe (3) auf das Seefahrzeug.
- 40
- Entferntes
Prüflaboratorium
-
Bezugsquellen, die in der Beschreibung
zitiert sind
-
Die
Liste von Bezugsquellen, die durch den Anmelder zitiert sind, dient
nur der Bequemlichkeit des Lesers. Sie bildet keinen Teil des europäischen Patentdokuments.
Obwohl große
Sorgfalt ausgeübt
wurde, die Bezugsquelle zusammenzustellen, können Fehler und Auslassungen
nicht ausgeschlossen werden und das EPA lehnt alle Gewährleistungen
in dieser Hinsicht ab.
-
-
In der Beschreibung genannte Patentdokumente:
-
-
Übersetzung
der Figuren
Fig.
1 known art Resulting dynamic change of: Position, heading, speed,
roll, pitch, heave, etc. | Fig.
1, Stand der Technik Resultierende dynamische Änderung von Position, Kursrichtung,
Geschwindigkeit, Rollen, Stampfen, Heave, usw. |
Fig.
2, known art: F. A. T | Fig.
2, Stand der Technik: F. A. T |
Simulated
vessel 4' | Simuliertes
Seefahrzeug 4' |
Simulated
sensors 8a, 8b, 8c | Simulierte
Sensoren 8a, 8b, 8c |
Pos,
course, speed | Position,
Kurs, Geschwindigkeit |
Simulated
sensor signal line 12' | Signalleitung 12' für simulierten
Sensor |
Simulated
sensor signals 7a, 7b, 7c, ... | Simulierte
Sensorsignale 7a, 7b, 7c, ... |
Control
system 2 | Steuersystem 2 |
Simulated
command-signals 9a, 9b, 9c, ... | Simulierte
Befehlssignale 9a, 9b, 9c, ... |
Control
signal | Steuersignal |
Response
as control signals that could haue gone to propeller/thrusters,
angle for ror/thrusters, etc. | Reaktion
als Steuersignale, die zum Propeller Triebwerk, Winkel für Ruder/Triebwerk
usw. hätten
gehen können |
Propeller | Propeller |
Rudder | Ruder |
Fig.
3, known art | Fig.
3, Stand der Technik |
Sensor
signals | Sensorsignale |
Control
signals | Steuersignale |
Serial
Comm | Serielles
Comm |
Redundant
Data Network | Redundantes
Datennetz |
Fig.
4a | Fig.
4a |
32:
simulator algorithm for simulated vessel movements, change of: simulated
pisition 7a',
course 7b', speed 7c', roll angele,
etc. | 32:
Simulatoralgorithmus für
simulierte Seefahrzeugbewegungen, Veränderung von: simulierter Position 7a', Kurs 7b', Geschwindigkeit 7c', Rollwinkel
usw. |
Response
from 2 as control signal 13 of speed for propeller/thruster,
angle for ror/thruster | Reaktion
von 2 als Steuersignal 13 der Geschwindigkeit für Progeller/Triebwerk,
Winkel für
Ruder/Triebwerk |
Fig.
4b | Fig.
4b |
Fartoy | Seefahrzeug |
Sensor
GPS, gyro compass, speed logger, etc. | Sensoren
GPS, Gyrokompass, Geschwindigkeitseingabeeinrichtung usw. |
Sensor
signal line | Sensorsignalleitung |
Sensor
signals 7a, 7b, 7c, 7d, 7e ... | Sensorsignale 7a, 7b, 7c, 7d, 7e ... |
Resulting
change of: position course, speed, heel, etc. | Resultierende Änderung
von Position, Kurs, Geschwindigkeit, Krängung usw. |
2:
control system | Steuersystem |
Propeller | Propeller |
Rudder | Ruder |
Communication
channel; radio line, satellite channel, mobile telephones, etc. | Kommunikationskanal,
Funkleitung, Satellitenkanal, mobile Telefone usw. |
Simulated
vessel (mathematical model) 4' | Simuliertes
Seefahrzeug (mathematisches Model) 4' |
30:
simulator | 30:
Simulator |
32:
algorithm for simulated vessel movements, change of: simulated position 7a', course 7b', speed 7c,
roll angle, etc. | 32:
Algorithmus für
simulierte Seefahrzeugbewegungen, Änderung von: simulierter Position 7a', Kurs 7b', Geschwindigkeit 7c,
Rollwinkel usw. |
Simulated sensor signals 7a', 7b', 7c', 7d', 7e' | Simulierte
Sensorsignale 7a', 7b', 7c', 7d', 7e' |
Simulated control signals 18' of speed for
propeller/thruster
angle for rudder/thruster | Simulierte
Steuersignale 18' der
Geschwindigkeit für Propeller/Triebwerk
Winkel
für Ruder/Triebwerk |
Fig.
4c | Fig.
4c |
32:
simulating algorithm for vessel movement etc: pos. 7a', course 7b', speed 7c', roll angle,
etc. | 32:
simulierender Algorithmus für
Seefahrzeugbewegung usw.: Position 7a', Kurs 7b', Geschwindigkeit 7c', Rollwinkel
usw. |
Response
as control signal 13' of
speed for propeller/thruster, angle for rudder/thruster | Reaktion
als Steuersignal 13' der
Geschwindigkeit für Propeller/Triebwerk,
Winkel für
Ruder/Triebwerk |
Fig.
6 | |
surge | Schwall |
yaw | Gieren |
sway | Schaukeln |
Fig.
7 | |
surge | Schwall |
yaw | Gieren |
sway | Schaukeln |