CN110807903A - 一种集装箱船坠箱预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明目的在于提供一种集装箱船坠箱预警系统及方法，通过监测船体横摇倾斜状态以解决如何降低集装箱坠海发生概率的技术问题；其结构包括：船舶姿态监测装置、坠箱预警分析装置和报警提示装置；船舶姿态监测装置和报警提示装置分别与所述坠箱预警分析装置电连接；所述船舶姿态监测装置用于将获取的船体的横向倾斜角度发送至所述坠箱预警分析装置；所述坠箱预警分析装置用于根据所述横向倾斜角度及相邻两次横向倾斜角度的测量时间间隔获取横向倾斜角加速度，并在所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别高于所述坠箱预警分析装置内设置阈值的累计次数总和超出设定次数时触发所述报警提示装置发出示警信息。本发明能够预判集装箱是否要发生坠落。
Description
技术领域
本发明涉及集装箱坠船预警技术领域，尤其是涉及一种集装箱船坠箱预警系统及方法。
背景技术
随着经济全球化的不断发展，越来越多的物品以集装箱的形式进行航运运输，致使大型集装箱货轮活动日益频繁。然而由于海洋环境复杂多变，导致集装箱落水事故时有发生。在大风浪中扭动、震动和摇动的共同作用下，用于固定集装箱的绑扎杆和花篮螺丝会逐渐失去作用，致使堆装在甲板上的集装箱处于几乎完全“自由”的状态。现有技术中应用在集装箱船舶上的集装箱通常为长方体状，在集装箱船舶上的堆放方式通常是箱长方向沿船长方向，箱宽方向沿船宽方向，因此集装箱最容易在横向发生坠落。船舶的横摇运动是坠箱事故的主要因素，除了环境因素，还有装卸控制不当造成横倾角度过大，或者存在无效绑扎等人为因素亦会给集装箱倾倒坠落带来隐患。坠箱事故不仅给航运经济带了直接的经济利益损失，沉底的集装箱亦会给航运的安全带来巨大的风险，对于装载的危险化学品的集装箱还会对海洋环境会造成严重的污染。此外，坠箱事故也会直接导致航运企业的声誉受损并影响企业的竞争力，然而目前并无相关的集装箱船舶坠箱预警系统。
进一步的，集装箱坠落通常客观存在一个临界状态，超出该临界状态，集装箱便存在较大的坠落风险。现有船舶通常不具备上述临界状态的预警功能，致使在感知到集装箱即将坠落时已无法采取有效措施及时止损。
因此，针对上述问题提供一种集装箱船坠箱预警系统成为一种必需。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集装箱船坠箱预警系统及方法，通过监测船体横摇倾斜状态预判集装箱是否有坠海风险，以解决如何降低集装箱坠海发生概率的技术问题。
本发明提供的一种集装箱船坠箱预警系统，包括：船舶姿态监测装置、坠箱预警分析装置和报警提示装置；所述船舶姿态监测装置和报警提示装置分别与所述坠箱预警分析装置电连接；所述船舶姿态监测装置用于将获取的船体的横向倾斜角度发送至所述坠箱预警分析装置；所述坠箱预警分析装置用于根据所述横向倾斜角度及相邻两次横向倾斜角度的测量时间间隔获取横向倾斜角加速度，并在所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别高于所述坠箱预警分析装置内设置阈值的累计次数总和超出设定次数时触发所述报警提示装置发出示警信息。
进一步地，所述船舶姿态监测装置设置有：船舶横倾角测量模块，所述船舶横倾角测量模块与所述坠箱预警分析装置电连接。
进一步地，所述坠箱预警分析装置包括：连接有数据存储模块的数据比较模块；所述数据比较模块设置有输入接口和输出接口；所述输入接口用于连接所述船舶姿态监测装置；所述输出接口用于连接所述报警提示装置。
进一步地，所述坠箱预警分析装置用于将所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别与所述坠箱预警分析装置内设置的阈值做比较，并累计所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别超出所述阈值的发生次数的总和；当所述总和超过所述数据存储模块内设置的总和预设值时，所述数据比较模块通过所述输出接口触发所述报警提示装置动作。
进一步地，所述报警提示装置设置有声、光、图像提示模块中的至少一种。
进一步地，所述报警提示装置还设置有应急预案操作指导模块；所述应急预案操作指导模块用于将与当前船倾状态相适配的驾驶方案发送至所述图像提示模块。
进一步地，所述船舶姿态监测装置为角度传感器；所述角度传感器通过通信模块与计算设备通信连接。
进一步地，所述计算设备为单片机、PLC、手机、平板或台式电脑中的至少一种。
进一步地，所述报警提示装置所提示的信息包括：避免横浪和减少横摇角度幅值。
进一步地，还包括定位模块，所述定位模块与所述报警提示装置电连接；所述定位模块在所述报警提示装置发出示警信息的同时标记储存当前船体所处位置的卫星定位数据信息。
本发明在上述方案基础上还进一步提供一种集装箱船坠箱预警方法，所述方法包括如下步骤：
测量获取集装箱坠落临界状态下的船舶横倾角和临界坠落角加速度之间的函数映射关系F(x)，及静态最小坠落角xm；
将函数映射关系F(x)采用最小二乘法拟合为直线函数G(x)；
将函数G(x)的横纵坐标均变换为原先的0.9倍获得坠落警戒函数U(x)；
在设定数据监控时间段内，每隔相同时间间隔采集一次船舶横倾角并计算船舶横倾角获取时刻的船舶横倾角加速度；在任意一次数据采集计算中，若船舶横倾角的绝对值大于所述静态最小坠落角的绝对值|xm|；或船舶横倾角在零到所述静态最小坠落角的绝对值|xm|之间且船舶横倾角加速度值小于由当前船舶横倾角算得的坠落警戒函数U(x)值；亦或船舶横倾角在最小坠落角的绝对值|xm|的负值到零之间且船舶横倾角加速度值大于由当前船舶横倾角算得的坠落警戒函数U(x)值，则将坠落风险的统计次数记录一次；
当被记录的坠落风险的统计次数超过预设值时，触发报警装置示警。
本发明提供的集装箱船坠箱预警系统与现有技术相比具有以下进步：
本发明提供的集装箱船坠箱预警系统能够及时预防集装箱坠落事故的发生，降低海运货损的运输风险，减少货物运输的物流成本；其中，船舶姿态监测装置用于将获取的船体的横向倾斜角度发送至所述坠箱预警分析装置；坠箱预警分析装置用于根据所述横向倾斜角度及相邻两次横向倾斜角度的测量时间间隔获取横向倾斜角加速度，并在所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别高于所述坠箱预警分析装置内设置阈值的累计次数总和超出设定次数时触发所述报警提示装置发出示警信息。
进一步的，本发明采用船舶横倾角测量模块来分别获取航行中的船舶横向倾斜信息及倾斜发生时的横向倾斜角加速度信息，便于预判船舶在什么时间节点易于发生集装箱坠落事件。
进一步的，本发明采用连接有数据存储模块的数据比较模块作为坠箱预警分析装置，能够将预存在存储模块内的集装箱静态最小坠落角及横倾状态下临界坠落时的角加速度作为预判阈值，当船舶姿态监测装置采集到的船体的横向倾斜角度或横向倾斜角加速度高于所述预判阈值时，累计所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别超出所述阈值的发生次数的总和；当所述总和超过所述数据存储模块内设置的总和预设值时，所述数据比较模块通过所述输出接口触发所述报警提示装置动作。
进一步的，本发明在采用图像提示模块作为报警提示装置的一部分时，能够在显示器上及时呈现基于当前船舶倾斜状态及倾斜角加速度信息分析出的船舶驾驶建议，便于船舶驾驶人员及时调整船舶航行方向及航行姿态，避免集装箱货物因船体倾斜角度过大或倾斜角加速度过大而发生坠落事件。
进一步的，本发明通过采用角度传感器测量船体倾角以及获取相邻两次倾角采集数据间的时间间隔，既能换算出船舶的横向倾斜角加速度信息。其中，在一种实施方式下，当倾角测量倚靠时间继电器触发周期进行时，相邻两次倾角采集数据间的时间间隔可由时间继电器的周期信息获得。
进一步的，由于未及时采取措施或风浪过于恶劣造成无法避免的集装箱落水事件发生时，本发明为集装箱船坠箱预警系统进一步设置定位模块，能够在报警提示装置发出示警信息的同时标记储存当前船体所处位置的卫星定位数据信息，便于获得落水集装箱相对准确的位置信息，为日后打捞工作提供更佳的操作便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中集装箱船坠箱预警系统的结构示意图；
图2为图1中集装箱船坠箱预警系统的改进结构示意图；
图3为图2中集装箱船坠箱预警系统的改进结构示意图；
图4为图3中集装箱船坠箱预警系统的改进结构示意图；
图5为本发明实施例3中坐标系的建模方式示意图；
图6为本发明实施例3中其中一种实施方式下的系统流程图；
图7为运算过程示意图；
图8为上层集装箱滑动脱落及受力分析过程示意图；
图9为转动脱落方式下的受力分析过程示意图；
图10为转动脱落分析方法示意图；
图11为集装箱船模理论分析下的α-θ曲线图；
图12为实验过程中船舶上集装箱码放数学模型及传感器布置结构示意图；
图13为某临界角下的临界坠落试验数据图像示意图；
图14为临界角度坠落实验中某临界角下集装箱坠落时刻附近横倾角度拟合后的数学曲线示意图；
图15为系列角度对应的临界坠落状态下的横摇角度与横摇角加速度关系的曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参见图1，本发明提供一种集装箱船坠箱预警系统包括：船舶姿态监测装置100、坠箱预警分析装置200和报警提示装置300；所述船舶姿态监测装置100和报警提示装置300分别与所述坠箱预警分析装置200电连接；所述船舶姿态监测装置100用于将获取的船体的横向倾斜角度发送至所述坠箱预警分析装置200；所述坠箱预警分析装置200用于根据所述横向倾斜角度及相邻两次横向倾斜角度的测量时间间隔获取横向倾斜角加速度，并在所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别高于所述坠箱预警分析装置200内设置阈值的累计次数总和超出设定次数时触发所述报警提示装置发出示警信息。
优选的，如图2所示，在本申请其中一个优选技术方案中，所述船舶姿态监测装置100设置有：船舶横倾角测量模块110，所述船舶横倾角测量模块110与所述坠箱预警分析装置200电连接。
优选地，如图3所示，在本申请其中一个优选技术方案中，所述坠箱预警分析装置200包括：连接有数据存储模块210的数据比较模块220；所述数据比较模块220设置有输入接口221和输出接口222；所述输入接口221用于连接所述船舶姿态监测装置100；所述输出接口222用于连接所述报警提示装置300。
优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述坠箱预警分析装置用于将所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别与所述坠箱预警分析装置内设置的阈值做比较，并累计所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别超出所述阈值的发生次数的总和；当所述总和超过所述数据存储模块内设置的总和预设值时，所述数据比较模块通过所述输出接口触发所述报警提示装置动作。
优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述报警提示装置设置有声、光、图像提示模块中的至少一种。
优选地，如图4所示，在本申请其中一个优选技术方案中，所述报警提示装置300还设置有应急预案操作指导模块310；所述应急预案操作指导模块310用于将与当前船倾状态相适配的驾驶方案发送至所述图像提示模块。
优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述船舶姿态监测装置为角度传感器；所述角度传感器通过通信模块与计算设备通信连接。其中，在实验模式下，可以选择在外侧顶层集装箱上及船舶甲板正中央上均分别放置通过蓝牙模块与计算设备通信连接的角度传感器来达到实验测量的技术目的；在实际应用中，仅需要船舶甲板正中央设置一个角度传感器，即可达到船舶姿态监测的技术目的，无需在外侧顶层集装箱上额外设置角度传感器；此外，在实际应用中上述角度传感器可优选通过USB转TTL连接模块与计算设备通信连接。
优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述计算设备为单片机、PLC、手机、平板或台式电脑中的至少一种。
优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述报警提示装置所提示的信息包括：避免横浪和减少横摇角度幅值。
优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，还包括定位模块，所述定位模块与所述报警提示装置电连接；所述定位模块在所述报警提示装置发出示警信息的同时标记储存当前船体所处位置的卫星定位数据信息。
优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述报警提示装置发出示警信息的同时还进一步存储当前警报发生的时间。
本实施例中的集装箱船坠箱预警系统，能够及时预防集装箱坠落事故的发生，降低海运货损的运输风险，减少货物运输的物流成本；其中，船舶姿态监测装置用于将获取的船体的横向倾斜角度发送至所述坠箱预警分析装置；所述坠箱预警分析装置用于根据所述横向倾斜角度及相邻两次横向倾斜角度的测量时间间隔获取横向倾斜角加速度，并在所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别高于所述坠箱预警分析装置内设置阈值的累计次数总和超出设定次数时触发所述报警提示装置发出示警信息。
上述技术方案的改进点总结如下：
1，系统由姿态测量模块感知船舶姿态，并将相同时间间隔姿态数据传输至安全运输监测程序内，由安全运输监测程序处理计算得到每一时刻对应的实船横摇角加速度。
2，系统内建立集装箱坠落临界状态，超出此临界状态集装箱便存在坠箱可能。集装箱坠落临界状态，包括确定集装箱坠落临界状态下的船舶横倾角度和临界坠落角加速度的函数关系F(x)，静态最小坠落角xm的大小；船舶横倾角超过静态最小坠落角，或者横倾角未超过静态最小坠落角，但横摇角加速度超出该角度对应的临界坠落角加速度，都会导致集装箱坠落的发生。
3，由于主机运行产生的不平衡弯矩和螺旋浆的脉动压力，船舶上的振动情况较剧烈，且较为复杂。需要结合船舶的实际振动情况,设置发生警报的警报阈值N，即连续超出集装箱坠落临界状态N次才触发警报信号。避免由于船舶本身的剧烈振动造成横摇角加速度超过临界坠落角加速度，而实际集装箱并无发生坠落的可能，从而发出错误的预警信号。系统内可设置发生警报的警报阈值N，即连续超出集装箱坠落临界状态N次才触发警报信号，避免由于船舶本身的剧烈震动造成错误报警。
4，警报发生后，船舶仍然处于航行的状态，如果由于海况过于恶劣或船员未及时进行相应操作，造成集装箱坠落水域后，船员很难确定集装箱坠落的位置，需要在警报发生时记录警报发生的时间，便于后续开展集装箱搜寻工作。预警系统发出警报的同时，可记录警报发生的时间，便于后续开展集装箱搜寻工作。
5，警报发生后，船舶集装箱处于危险状态，船长应在最短时间内听到警报信号，并最快时间内作出决策改善集装箱状态，本系统中设有警报发声装置和显示装置可供船员参考的操作建议，以便船长最快时间内作出决策改善船舶集装箱状态。系统中设有警报声音发生装置和可供船员参考的操作建议，以便船长最快时间内作出决策改善船舶集装箱状态。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上，提供一种集装箱船坠箱预警方法，所述方法包括如下步骤：
测量获取集装箱坠落临界状态下的船舶横倾角和临界坠落角加速度之间的函数映射关系F(x)，及静态最小坠落角xm；
将函数映射关系F(x)采用最小二乘法拟合为直线函数G(x)；
将函数G(x)的横纵坐标均变换为原先的0.9倍获得坠落警戒函数U(x)；
在设定数据监控时间段内，每隔相同时间间隔采集一次船舶横倾角并根据相邻两次船舶横倾角获取数据计算船舶横倾角加速度；在任意一次数据采集中，若船舶横倾角的绝对值大于所述静态最小坠落角xm；或船舶横倾角的绝对值小于等于所述静态最小坠落角xm且船舶横倾角加速度值小于由当前船舶横倾角算得的坠落警戒函数U(x)值；亦或船舶横倾角在船舶横倾角的绝对值的负值到零之间且船舶横倾角加速度值大于由当前船舶横倾角算得的坠落警戒函数U(x)值，则将坠落风险的统计次数记录一次；
当被记录的坠落风险的统计次数超过预设值时，触发报警装置示警。
进一步的，在本实施例的其中一个优选技术方案中，在触发报警装置示警时，同步记录船舶当前的卫星定位位置信息。
采用上述方法可以更为准确的预测船舶运输中的集装箱是否存在坠落的风险。并能在坠落事故发生后方便打捞船操作集装箱打捞，降低货物运输风险，及货损成本。
实施例3：
本实施例在实施例1的基础上，以图5所示货轮的货轮结构为例详述坠箱预警分析装置内的分析过程。为了明确船舶横摇角度的正负，建立如图5所示的固定在船舶上的Oxy右手直角坐标系统。X轴方向为船艏方向；从船尾向船艏看，左舷为Y轴正向，横摇角度绕X轴顺时针为正；Z轴沿竖直方向，向上为正，横摇角加速度绕X轴顺时针为正，在本系统中，除明确标注外，时间单位是秒，角度单位是度，角速度单位是度每秒，角加速度单位是度每二次方秒。
船舶集装箱预警系统首先通过安装在船舶驾驶甲板上的姿态测量模块感知船舶姿态，并将姿态数据至安全运输监测程序内，其中姿态数据的时间间隔为0.1秒。安全运输监测程序以图示方式处理计算横摇角度数据得到每一时刻对应的实船横摇角加速度。图示中，x为横摇角度，w为横摇角速度，f(x)为横摇角度为x时对应的临界坠落角加速度。
依据理论分析和比例船模横摇实验分析最危险值来建立集装箱坠落临界状态，包括确定集装箱坠落临界状态下的船舶横倾角度和临界坠落角加速度的函数关系F(x)，静态最小坠落角xm的大小；安全运输监测程序内设定的值取有10％的安全裕度，即取理论和实验的最危险值的90％作为系统内的警戒值，具体做法是把最危险值函数曲线与横纵坐标的交点取90％，并连成新的曲线，作为警戒线(上述作法亦可理解为将实验曲线按最小二乘法拟合成直线后将获得的直线图像横纵坐标均作0.9倍压缩后获得的新图像为警戒线。)。最终针对本目标船型得到船舶横倾角度和临界坠落角加速度的函数关系和静态最小坠落角。
其中，
1、集装箱坠落判断方法如下：
初始值i等于0；
如果船舶横摇角度的绝对值大于静态最小坠落角绝对值，则系统判定集装箱处于超过临界坠落状态，i的值增加1；
如果船舶横摇角度的绝对值小于等于静态最小坠落角绝对值，
如果船舶横摇角度在0到|xm|之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值小于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于超过临界坠落状态，i的值增加1；
如果船舶横摇角度在0到|xm|之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值大于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值等于0；
如果船舶横摇角度在-|xm|到0之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值小于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值等于0；
如果船舶横摇角度在-|xm|到0之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值大于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值增加1；
继续接收下一时刻姿态数据，计算处理得到相应的实船横摇角加速度，重复上面的坠落判断；
2、警报示警时机如下：
当i的值大于等于设置的警报阈值N，
安全运输监测程序读取警报音文件，发出警报信号，与PC连接的发声装置发出警报音；
安全运输监测程序记录发出警报音时对应的时间；
PC端显示屏显示提供给船长的操作建议：
请船长结合海况适当改变航向，避免遭遇横浪；
操舵时注意适当减小舵角，减小横摇角度幅值；
结合具体情况，做出适当操作，减弱船舶横摇运动。
当i的值小于设置的警报阈值N时，船舶集装箱会被安全运输监测程序判定处于安全状态，无警报发出，PC端显示屏显示集装箱状态安全。
具体的，如图6所示，本实施例提供其中一种实施方式下的系统流程图。其中，在船舶驾驶甲板上安装姿态测量模块，用来感知船舶姿态；使用USB转TTL连接模块连接姿态测量模块和PC端，姿态数据通过该连接模块传输至安全运输监测程序内，其中姿态数据的时间间隔为0.1秒。PC端安装有基于Matlab语言开发的所述安全运输监测程序。
参见图7，安全运输监测程序首先获取t＝0.1和t＝0.2秒时刻的的两个角度值x1和x2，二者差除以时间间隔得t＝0.15秒时刻的角速度w1,
再获取t＝0.3秒时刻的角度值x3，x3与x2之差除以时间间隔得t＝0.25秒时刻的角速度w2，
w2与w1之差除以时间间隔得t＝0.2秒时刻的角加速度a1，此时的横摇角度为x2；
再获取t＝0.4秒时刻的角度值x4，x4与x3之差除以时间间隔得t＝0.35秒时刻的角速度w3，
w3与w2之差除以时间间隔得t＝0.3秒时刻的角加速度a2，此时的横摇角度为x3；
再获取t＝0.5秒时刻的角度值x5，x5与x4之差除以时间间隔得t＝0.45秒时刻的角速度w4，
w4与w3之差除以时间间隔得t＝0.4秒时刻的角加速度a3，此时的横摇角度为x4；
以此类推,得到每一时刻或横摇角度对应的实船横摇角加速度。
通过理论分析集装箱坠落示意图和实验分析实验模型示意图(实际实验使用的是整船，示意图为了简化，只显示中间的舱段)结合建立集装箱坠落临界状态，包括确定集装箱坠落临界状态下的船舶横倾角度和临界坠落角加速度的函数关系F(x)，静态最小坠落角xm的大小。
理论分析可知，坠箱形式包括两种，一种为摩擦力不足导致的滑动脱落，考虑到最上层集装箱的惯性力最大，此处分析最危险状况，即假定最上层集装箱发生脱落，脱落形式及受力分析如图8所示；另一种为力矩不平衡导致的转动脱落，脱落形式及受力分析如图9所示；其中，转动脱落分析方法参见图10。
对于滑动脱落情况，可由图8可得到临界状态的力学方程：
式中，θ为横倾角度，α为角加速度；μ为集装箱层间摩擦系数，根据现有资料，μ取0.3；L、φ可由几何关系直接得到。
整理得：
对于转动脱落情况，可由图2得到临界状态的力学方程：
M＝mαL×r2-mg×r1＝0 (3)
整理得：
式中，
可由图10得到，其中b为集装箱宽度，h为集装箱高度；L、r2可由几何关系直接得到。
由公式(2)、(4)可计算得到各倾斜角度θ下的临界角加速度值α，取两者中较为危险的状况，并绘制集装箱船模的α-θ曲线图，如图11所示，坐标轴和曲线包围的区域表示实验值情况下的安全区，曲线下方表示实验值情况下的危险区。
如图12所示，实验分析过程如下:首先集装箱和集装箱船舶采用与目标船的相同尺寸比例n进行缩小。集装箱布置在的位置，应满足模型最高一层集装箱的中心到水线的垂直高度H与实际满足尺寸比例n,照模型最外侧集装箱中心距离中纵剖面的距离B与实际满足尺寸比例n。在最外侧顶层集装箱和甲板正中央布置传感器，同时测量集装箱横摇角度和船舶横摇角度。传感器与电脑采用蓝牙通讯，数据传输速率采用的是100Hz。
然后测量静态最小掉落角，缓慢横倾船舶至集装箱掉落，测得静态最小掉落角。取三次实验的最小值为10.77°。
然后在最小掉落角和零度之间，做系列角度的临界坠落实验。当船舶横摇角度分别在2度、4度、6度、8度和10度的角度附近，使集装箱恰好发生坠落。具体横摇过程中，力矩随横摇周期逐渐增大。修改第五处：首先在较小力矩下使船舶发生横摇，在横摇角度接近指定角度时，施加一个较大的力矩。如果集装箱没有坠落，就在下一个周期后，施加一个更大的力矩，直至集装箱刚好发生掉落。
最后处理实验，以图13所示实验中一次临界坠落试验数据为例，横坐标为时间，纵坐标是横摇角度，建立坐标系。如图14所示，取掉落附近的数据拟合多项式，对船舶横摇角度的拟合多项式进行二阶求导得到船舶横摇角加速度。代入坠落时间0.194至船舶横摇角度多项式和船舶横摇角加速度多项式分别得到船舶横摇角度和该角度对应的临界坠落角加速度，计算得船舶横摇角度6.096度，横摇角加速度-161.4度每二次方秒。
参见图15，同样的方法处理其它临界坠落状态下的横摇角度数据，得到系列横摇角度的临界坠落角加速度，绘制曲线图，坐标轴和曲线包围的区域表示实验值情况下的安全区，曲线下方表示实验值情况下的危险区。
对比实验值和理论值可知实验结果较理论值更安全，故将实验值曲线一次拟合，并向安全区取值缩小10％得到船模的警戒值。由公式(2)和公式(4)可知，船模和实船临界角加速度值满足尺寸比例n，故将船模警戒值再除以比例n,最终针对本目标船型：
船舶横倾角度和临界坠落角加速度的函数关系：
特别地，式中x的单位是度，临界坠落角加速度F(x)值的单位是度每二次方秒
静态最小坠落角：
|xm|＝9.69°
具体的，如图6所示，本实施例提供其中一种实施方式下的系统流程图。其中，在船舶驾驶甲板上安装姿态测量模块，用来感知船舶姿态；使用USB转TTL连接模块连接姿态测量模块和PC端，姿态数据通过该连接模块传输至安全运输监测程序内，其中姿态数据的时间间隔为0.1秒。PC端安装有基于Matlab语言开发的所述安全运输监测程序。
3、坠落判断
初始值i等于0；
安全运输监测程序首先获取t＝0.1和t＝0.2秒时刻的的两个角度值x1和x2，二者差除以时间间隔得t＝0.15秒时刻的角速度w1,
t＝0.2秒
获取t＝0.3秒时刻的角度值x3，x3与x2之差除以时间间隔得t＝0.25秒时刻的角速度w2，
w2与w1之差除以时间间隔得t＝0.2秒时刻的角加速度a1，此时的横摇角度为x2；
如果|x2|>|xm|，则系统判定集装箱处于超过临界坠落状态，i的值增加1；
如果|x2|<|xm|，代入x2的值到F(x)得到该角度所对应的临界坠落角加速度f(x2)，
如果船舶横摇角度x2在0到|xm|之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a1小于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于超过临界坠落状态，i的值增加1；
如果船舶横摇角度x2在0到|xm|之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a1大于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值等于0；
如果船舶横摇角度x2在-|xm|到0之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a1小于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值等于0；
如果船舶横摇角度x2在-|xm|到0之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a1大于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值增加1；
t＝0.3秒
获取t＝0.4秒时刻的角度值x4，x4与x3之差除以时间间隔得t＝0.35秒时刻的角速度w3，
w3与w2之差除以时间间隔得t＝0.3秒时刻的角加速度a2，此时的横摇角度为x3；
如果|x3|>|xm|，则系统判定集装箱处于超过临界坠落状态，i的值增加1；
如果|x3|<|xm|，代入x3的值到F(x)得到该角度所对应的临界坠落角加速度F(x3)，
如果船舶横摇角度x3在0到|xm|之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a2小于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于超过临界坠落状态，i的值增加1；
如果船舶横摇角度x3在0到|xm|之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a2大于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值等于0；
如果船舶横摇角度x3在-|xm|到0之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a2小于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值等于0；
如果船舶横摇角度x3在-|xm|到0之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a2大于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值增加1；
t＝0.4秒
获取t＝0.5秒时刻的角度值x5，x5与x4之差除以时间间隔得t＝0.45秒时刻的角速度w4，
w4与w3之差除以时间间隔得t＝0.4秒时刻的角加速度a3，此时的横摇角度为x4；
如果|x4|>|xm|，则系统判定集装箱处于超过临界坠落状态，i的值增加1；
如果|x4|<|xm|，代入x4的值到F(x)得到该角度所对应的临界坠落角加速度F(x4)，
如果船舶横摇角度x4在0到|xm|之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a3小于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于超过临界坠落状态，i的值增加1；
如果船舶横摇角度x4在0到|xm|之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a3大于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值等于0；
如果船舶横摇角度x4在-|xm|到0之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a3小于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值等于0；
如果船舶横摇角度x4在-|xm|到0之间，并且此时船舶的横摇角加速度的值a3大于该横摇角度对应的临界坠落角加速度，则系统判定集装箱处于安全状态，i的值增加1；
以此类推,得到每一时刻或横摇角度对应的i值，用来作为发出警报的判断预警。
4、发出警报
当i的值大于等于在程序内设置的警报阈值N，
安全运输监测程序读取PC端警报音文件，发出警报信号，与PC连接的发声装置发出警报音；
安全运输监测程序记录发出警报音时对应的时间；
PC端显示屏显示提供给船长的操作建议：
请船长结合海况适当改变航向，避免遭遇横浪；
操舵时注意适当减小舵角，减小横摇角度幅值；
结合具体情况，做出适当操作，减弱船舶横摇运动。
当i的值小于设置的警报阈值N时，船舶集装箱会被安全运输监测程序判定处于安全状态，无警报发出，PC端显示屏显示集装箱状态安全。
本发明由姿态测量模块感知船舶姿态，并将相同时间间隔姿态数据传输至安全运输监测程序内，由安全运输监测程序处理计算得到每一时刻对应的实船横摇角加速度。系统内建立集装箱坠落临界状态，超出此临界状态集装箱便存在坠箱可能。预警系统发出警报的同时，可记录警报发生的时间，便于后续开展集装箱搜寻工作。系统中设有警报声音发生装置和可供船员参考的操作建议，以便船长最快时间内作出决策改善船舶集装箱状态。本发明科学性和可靠性强，实现实时监测船舶姿态与集装箱状态，当集装箱存在坠箱风险时，系统可发出声音警报信号，并给出船舶操作建议，为船长提供预警或航行决策指导，从而避免坠箱事故的发生。对于提高集装箱船舶运输的安全性与可靠性，避免航运企业经济损失与维护企业声誉，避免坠箱事故导致的航运安全与水域污染事故的发生，具有积极意义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种集装箱船坠箱预警系统，其特征在于，包括：船舶姿态监测装置、坠箱预警分析装置和报警提示装置；所述船舶姿态监测装置和报警提示装置分别与所述坠箱预警分析装置电连接；所述船舶姿态监测装置用于将获取的船体的横向倾斜角度发送至所述坠箱预警分析装置；所述坠箱预警分析装置用于根据所述横向倾斜角度及相邻两次横向倾斜角度的测量时间间隔获取横向倾斜角加速度，并在所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别高于所述坠箱预警分析装置内设置阈值的累计次数总和超出设定次数时触发所述报警提示装置发出示警信息。
2.根据权利要求1所述的集装箱船坠箱预警系统，其特征在于，所述船舶姿态监测装置设置有：船舶横倾角测量模块，所述船舶横倾角测量模块与所述坠箱预警分析装置电连接。
3.根据权利要求2所述的集装箱船坠箱预警系统，其特征在于，所述坠箱预警分析装置包括：连接有数据存储模块的数据比较模块；所述数据比较模块设置有输入接口和输出接口；所述输入接口用于连接所述船舶姿态监测装置；所述输出接口用于连接所述报警提示装置。
4.根据权利要求3所述的集装箱船坠箱预警系统，其特征在于，所述坠箱预警分析装置用于将所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别与所述坠箱预警分析装置内设置的阈值做比较，并累计所述横向倾斜角度和横向倾斜角加速度分别超出所述阈值的发生次数的总和；当所述总和超过所述数据存储模块内设置的总和预设值时，所述数据比较模块通过所述输出接口触发所述报警提示装置动作。
5.根据权利要求4所述的集装箱船坠箱预警系统，其特征在于，所述报警提示装置设置有声、光、图像提示模块中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的集装箱船坠箱预警系统，其特征在于，所述报警提示装置还设置有应急预案操作指导模块；所述应急预案操作指导模块用于将与当前船倾状态相适配的驾驶方案发送至所述图像提示模块。
7.根据权利要求1所述的集装箱船坠箱预警系统，其特征在于，所述船舶姿态监测装置为角度传感器；所述角度传感器通过通信模块与计算设备通信连接。
8.根据权利要求7所述的集装箱船坠箱预警系统，其特征在于，所述计算设备为单片机、PLC、手机、平板或台式电脑中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的集装箱船坠箱预警系统，其特征在于，
还包括定位模块，所述定位模块与所述报警提示装置电连接；所述定位模块在所述报警提示装置发出示警信息的同时标记储存当前船体所处位置的卫星定位数据信息。
10.一种集装箱船坠箱预警方法，所述方法包括如下步骤：
测量获取集装箱坠落临界状态下的船舶横倾角和临界坠落角加速度之间的函数映射关系F(x)，及静态最小坠落角xm；
将函数映射关系F(x)采用最小二乘法拟合为直线函数G(x)；
将函数G(x)的横纵坐标均变换为原先的0.9倍获得坠落警戒函数U(x)；
在设定数据监控时间段内，每隔相同时间间隔采集一次船舶横倾角并计算船舶横倾角获取时刻的船舶横倾角加速度；在任意一次数据采集计算中，若船舶横倾角的绝对值大于所述静态最小坠落角的绝对值|xm|；或船舶横倾角在零到所述静态最小坠落角的绝对值|xm|之间且船舶横倾角加速度值小于由当前船舶横倾角算得的坠落警戒函数U(x)值；亦或船舶横倾角在最小坠落角的绝对值|xm|的负值到零之间且船舶横倾角加速度值大于由当前船舶横倾角算得的坠落警戒函数U(x)值，则将坠落风险的统计次数记录一次；
当被记录的坠落风险的统计次数超过预设值时，触发报警装置示警。
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|---|---|---|---|---|
| CN111354163A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-06-30 | 广东电网有限责任公司 | 一种监测水位稳定的防涝预警方法、系统及设备 |
| CN113095011A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-09 | 沪东中华造船(集团)有限公司 | 一种考虑参数横摇的集装箱船绑扎力预估方法 |
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2019
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