CN111801634B - 接口单元 - Google Patents

Abstract

一种接口单元，其在具有推力装备的被协助船舶的控制和传感器系统与主动态定位系统之间提供接口。主动态定位系统被配置为将若干艘辅助船舶作为一个单元进行控制，并控制被协助船舶的推力装备，以协助操纵被协助船舶。主动态定位系统包括上面的接口单元。一种用于协助操纵具有推力装备的船舶的系统，其包括主动态定位系统，该主动态定位系统将若干艘辅助船舶作为一个单元进行控制，以协助操纵被协助船舶。辅助船舶中的每一个的动态定位系统均由主动态定位系统控制。主动态定位系统控制被协助船舶的推力装备。主动态定位系统可以设置在拖船上。

Description

接口单元

技术领域

本发明涉及在控制若干辅助船舶(例如拖船)的主动态定位(DP)系统和被协助船舶上的控制系统之间提供接口的接口单元。本发明还涉及包括所述接口单元的主动态定位系统、设置有所述主动态定位系统的拖船和用于协助操纵所述被协助船舶的方法和系统、以及执行该方法的计算机程序。

背景技术

拖轮或拖船是用于拖曳和推动海上船舶的强大的船只或轮船。通过拖曳和推动海上船舶，一艘或多艘拖轮可以在困难的操纵作业中(例如在港口、在狭窄的运河中、在需要协助拖轮的危险地区、或在救援遇险船舶的作业中)操纵船舶。所述一艘或多艘拖轮可由动态定位系统(DP系统)控制。动态定位(DP)涉及通过使用其自身的螺旋桨和推力器相对于一个或多个位置基准自动或半自动地控制船舶的位置和航向。动态定位(DP)系统可以使船舶的位置固定在给定的参数范围内，或者以没有动态定位系统就无法做到的方式操纵船舶。动态定位(DP)系统可以基于若干输入参数来操纵船舶。这些输入参数例如可以来自于：

-位置、航向、速度的传感器

-诸如风、波浪、海流等外部因素的传感器；以及

-来自用户的用于执行任务(例如保持位置或以特定模式移动)的输入。

动态定位(DP)系统的控制算法接收传感器和用户输入的参数，并通过控制船上的螺旋桨和推力器来执行对船舶的操纵，即使是在外力发生变化的情况下。

协助拖轮也可分别由中央控制单元远程控制并且一起作业，以将被协助船舶移动到期望的位置。在拖船作业中使用的拖轮的数量可取决于船舶的尺寸。每艘拖轮可以设置有全球定位系统(GPS)，并且每艘拖船的GPS位置被无线传输到中央控制单元。然后，在控制每艘拖船时，可以将每艘拖船的实时GPS位置考虑在内。中央控制单元还可以在操纵作业中将来自每艘拖船的风向和速度以及滚动和俯仰倾角计的实时传感器数据考虑在内。然而，中央控制器无线地控制每艘拖船，就像被协助船舶自身不具备任何能力那样地移动被协助船舶。

海上船舶有各种适应具体用途的形式，例如，其范围包括但不限于拖船、渡船、游船、备用船、渔船、货船、集装箱船、LNG船、化学品船。所有的海上船舶都可以具有不同水平的自主、控制和传感器系统。海上船舶通常具有简单的自动和控制系统。这些系统可能没有与复杂的系统(如动态定位(DP)系统)相连。当前，海上船舶上的控制和传感器系统可能无法与其他海上船舶上的控制和传感器系统或动态定位系统通信或交互。当海上船舶由辅助船舶(例如由一艘或多艘拖船)协助进行操纵时，这可能会给作业带来风险。

发明内容

本发明提供了一种接口单元，所述接口单元在具有推力装备的被协助船舶的控制和传感器系统与主动态定位系统之间提供接口。所述主动态定位系统被配置为将若干艘辅助船舶作为一个单元进行控制，并且被配置为控制所述被协助船舶的推力装备以协助操纵所述被协助船舶。

所述接口单元可以适于将信息从所述被协助船舶的控制和传感器系统传输到所述主动态定位系统。

所述接口单元还可以包括惯性导航系统。所述惯性导航系统可以包括全球定位系统和运动参考单元。

所述主动态定位系统可以放置在所述辅助船舶中的一个上或放置在陆基设施上。

从所述被协助船舶的控制和传感器系统传输到所述主动态定位系统的信息可以包括以下至少一项：

-所述被协助船舶的方向舵角度，

-所述被协助船舶的可控桨距螺旋桨(CPP)的桨距角，

-所述被协助船舶的螺旋桨每分钟转数(RPM)，

-所述被协助船舶的发动机每分钟转数(RPM)，

-所述被协助船舶的发动机功率，

-所述被协助船舶的推力器角度，

-所述被协助船舶的推力器每分钟转数(RPM)，或

-所述被协助船舶的推力器功率。

从所述被协助船舶的控制和传感器系统传输到所述主动态定位系统的信息还可以包括以下至少一项：

-所述被协助船舶的全球定位，

-所述被协助船舶的速度，

-所述被协助船舶的航向，或

-自动识别系统(AIS)协助参数(诸如几何形状和负载条件)。

所述接口单元可以是便携式的。所述接口单元可以容易地连接到所述被协助船舶上的控制和传感器系统。所述接口单元可以被配置为将命令从所述主动态定位系统传输到所述被协助船舶的控制和传感器系统，以控制所述被协助船舶的推力装备。所述接口单元可以被配置为使得能够对所述主动态定位系统进行人工控制。人工控制可以包括来自船长、领航员、拖轮船长或岸基作业员的命令。所述接口单元还可以被配置为向所述被协助船舶上的船员提供音频或视觉命令，以用于船员控制所述被协助船舶的推力装备。

所述接口单元还可以包括通信模块，所述通信模块被配置为与所述被协助船舶上的控制和传感器系统通信。所述接口单元还可以包括动态定位接口模块，所述动态定位接口模块被配置为与所述主动态定位系统通信。所述接口单元还可以包括转换模块，所述转换模块被配置为将来自所述船舶上的控制和传感器系统的信号转换为所述主动态定位系统能够理解的信号。所述转换模块可以包括数据库，所述数据库具有所述被协助船舶上的控制和传感器系统与所述主动态定位系统之间的转换信息。

所述通信模块可以经由基于电缆的连接或无线连接而连接到所述被协助船舶的控制和传感器系统。所述无线连接可以是卫星、天线或无线电信号中的至少一种。所述无线连接可以是安全连接。可以在以下至少一项之间的通信中实施安全连接：

-所述动态定位接口模块与所述主动态定位系统，

-所述动态定位接口模块与所述被协助船舶的控制和传感器系统，或

-所述主动态定位系统与所述辅助船舶。

所述推力装备可以包括方向舵、螺旋桨、方位推力器、喷水器或隧道推力器中的至少一种。所述辅助船舶可以是拖船。

本发明还提供了一种包括上述接口单元的主动态定位系统。所述主动态定位系统可以包括动态定位控制系统，所述动态定位控制系统被配置为基于多个输入参数来控制所述辅助船舶和所述被协助船舶的推力装备，所述多个输入参数包括以下至少一项：

-所述被协助船舶的速度，

-所述被协助船舶的航向，

-所述被协助船舶的位置，

-水面交通，

-气象数据，

-环境数据，

-所述辅助船舶的速度，

-所述辅助船舶的航向，

-所述辅助船舶的位置，

-所述辅助船舶的钢丝、绳索的张力或绞盘能力，或

-电子导航图。

本发明还提供了一种用于协助操纵具有推力装备的船舶的系统，所述系统包括：

-上述主动态定位系统，其将若干艘辅助船舶作为一个单元进行控制，以协助操纵被协助船舶，以及

-如上所述的接口单元。

本发明还提供了一种用于协助操纵具有推力装备的船舶的方法，所述方法包括：

-通过主动态定位系统控制辅助船舶中的每一个的动态定位系统，将若干艘辅助船舶作为一个单元进行控制，以协助操纵被协助船舶，以及

-通过所述主动态定位系统控制所述被协助船舶的推力装备。

所述主动态定位系统可以设置有接口单元，所述接口单元使得能够控制所述被协助船舶上的推力装备。所述主动态定位系统还可以经由所述接口单元从所述被协助船舶接收控制和传感器信息。所述接口单元可以放置在所述被协助船舶上。所述主动态定位系统可以从设置在所述接口单元中的惯性导航系统接收信息。所述惯性导航系统可以包括全球定位系统和运动参考单元。

本发明还提供了一种用于执行上述方法的计算机程序。

本发明还提供了一种设置有主动态定位系统的拖船，其中，所述主动态定位系统适于将若干艘拖船作为一个单元进行控制以协助操纵具有推力装备的被协助船舶，并且适于控制所述被协助船舶上的推力装备。所述主动态定位系统可以连接到接口单元，所述接口单元使得能够控制所述被协助船舶上的推力装备。所述拖船可以包括如上所述的接口单元。

所述接口单元可以链接到所述被协助船舶上预先存在的轮船自动和控制系统，并将数据从所述被协助船舶的传感器和控制器传输到主动态定位(DP)系统。所述主动态定位(DP)系统还可以将命令传输回所述被协助船舶。

所述主动态定位DP系统控制若干艘辅助船舶，并且还控制被协助船舶的推力装备。被协助船舶的推力装备可以被视为主推进器、方向舵和船首推力器。由于所述主动态定位系统还控制所述被协助船舶的推力装备，因此这大大提高了执行期望操纵的能力。期望操纵可以例如是保持站位或在危险水域中进行操纵。可以帮助主DP系统更好地控制被协助船舶的移动以便完成其与被协助船舶的任务的所有数据和控制信息可以从所述被协助船舶传输到所述主DP系统。

所述接口单元还可以包括惯性导航系统(INS)。所述惯性导航系统使用运动参考单元(MRU)来确定加速度、速度/航向以及最终位置。所述惯性导航系统还可以结合GPS数据作为参考，以提供非常准确的测量结果。通过将其结合到所述接口单元中，主动态定位(DP)系统在操纵拖轮和被协助船舶的推力装备的协助控制时可以将船舶的实际移动考虑在内。这增加了协助船舶的任务的安全性和效率。

由于所述接口单元使得能够在被协助船舶上的不同控制和传感器系统与拖船的主动态定位系统之间通信，因此被协助船舶成为拖船的动态定位生态系统的一部分，并使被协助船舶成为该多单元系统的一部分。

本发明在协助操纵作业中提供了增加的效率和增加的安全性。被协助船舶的控制和传感器系统与控制拖船的主动态定位(DP)系统之间的交互极大地降低甚至消除了被协助船舶与拖船之间发生误会的可能性，而这种误会以前可能导致操纵效率低下，甚至导致事故。本发明还可以减少协助作业所需的拖船的数量，因为主动态定位(DP)系统可以在将拖船作为一个单元进行操作的同时还控制被协助船舶的推力装备。任务执行中自动化程度的提高还使得能够实现具有成本效益的作业，同时减少燃料消耗。

附图说明

现在将参考以下附图描述本发明的示例实施例，其中：

图1显示了三艘具有动态定位DP系统的拖船和主动态定位DP系统，它们共同工作以协助船舶，

图2显示了主动态定位系统与被协助船舶的控制和传感器系统之间的接口的示例；

图3显示了具有惯性导航系统、通信模块、连接器模块、转换模块和动态定位DP接口模块的接口单元的示例，以及

图4显示了示例性主动态定位DP系统。

具体实施方式

将参考附图描述本发明。在所有附图和整个说明书中，相同的附图标记用于相同或类似的特征。

图1是显示将由三艘拖船2(辅助船舶)协助的船舶1的透视图。拖船2协助船舶1进行其期望的操纵作业，以使船舶能够控制期望的位置和航向。船舶可能在例如困难的操纵作业期间(例如在港口中、在狭窄的运河中、在危险区域中)或在船舶的救援作业期间需要这种协助。

被协助船舶1根据其具体任务需要而设置有自己的推力装备(thrustcapabilities)3。被协助船舶的推力装备3可以被视为主推进器4、方向舵6和船首推力器7。因此，推力装备可以包括但不限于方向舵、螺旋桨、方位推力器、喷水器或隧道推力器(TT)。方位推力器可以是被协助船舶的主推进器或支撑推进器。隧道推力器(tt)是能够提供侧向动力的固定推力器，其通常位于船首或船尾位置。被协助船舶的动力系统可以是但不限于机械、电气和/或混合动力配置。

拖船2由主动态定位系统40控制为作为一个单元一起作用。主动态定位系统40具有与被协助船舶1一起执行以如上所述地协助轮船进行其操纵作业的任务。任务输入数据可以包括关于要为被协助船舶将达到的期望位置、速度、航向、路径或轨迹中的至少一项的信息。主动态定位系统40可以在拖曳作业的所有阶段中将辅助船舶2作为一个单元进行协调；所述阶段包括但不限于：接近被协助船舶，接触被协助船舶，协助保持站位，在拖曳作业以及在港口、停靠和系泊中操纵被协助船舶。

主动态定位系统40可以放置在辅助船舶2中的一个上或放置在陆基设施12上。

每艘拖船都设置有控制拖船的位置、速度和航向的动态定位系统(DP系统)50。主动态定位系统40通过指示每艘拖船的动态定位系统50操纵每艘拖轮2来将拖船2作为一个单元进行控制。主动态定位控制系统41将移动指令输出到每艘拖船的动态定位系统50。每艘拖船的动态定位系统50处理这些移动指令，并根据需要调整每艘拖轮的控制参数以协助船舶。每艘拖轮的控制参数可以包括但不限于；每艘拖船的推进速度、力和方向，以通过每艘拖船的组合推/拉力和推/拉方向来获得在被协助船舶上产生的力的方向和强度。而且，每艘拖船的动态定位系统可以将外部环境力(例如风、海流和波浪)考虑在内。因此，其他控制参数还可以包括风向和风速、海流方向和速度以及波浪高度和方向及速度。

为了高效、安全地操纵被协助船舶，拖船(作为一个单元起作用)必须与被协助船舶一起工作。为了完成任务，主动态定位系统将辅助船舶2(例如拖船)作为一个单元进行控制以协助操纵被协助船舶1，并且还控制被协助船舶1的推力装备3。因此，主动态定位系统40还可以通过使被协助船舶自身的推力装备3向被协助船舶提供推力来与被协助船舶1一起执行其任务。

被协助船舶1设置有控制系统和传感器系统。为了能够通过主动态定位系统控制被协助船舶上的推力装备，来自主动态定位系统40的命令被传送到被协助船舶上的推力装备控制系统。而且，应当允许主动态定位系统40访问被协助船舶上的控制和传感器系统10，以用于与被协助船舶一起完成任务。

主动态定位系统40将辅助船舶2作为一个单元进行控制，并控制被协助船舶1的推力装备3，以将从被协助船舶接收的控制和传感器系统参数考虑在内地解决协助操纵被协助船舶的任务。因此，被协助船舶1可以作为主动态定位系统的从动设备来作业，从而允许通过使用被协助船舶自身的推力装备3以及通过使用来自拖船2的外部推力9来使被协助船舶被更好地操纵。

如所解释的那样，所有船舶具有不同水平的自主权以及不同的控制和传感器系统。待协助船舶上的控制和传感器系统在传感器和控制系统的数量、传感器和控制系统的类型上可能有很大的不同，并且控制和传感器系统可以是数字或模拟的，或具有模拟和数字系统的组合。拖船的主动态定位系统可能无法与被协助船舶上的不同控制和传感器系统直接通信。

如图2所示，提供了接口单元20，该接口单元20用作被协助船舶1上的控制和传感器系统10与拖船的主动态定位系统40之间的链接。接口单元的实施例如图3所示。接口单元20包括通信模块24，该通信模块24被配置为与被协助船舶上的控制和传感器系统10通信。因此，接口单元20可以链接到被协助船舶1的预先存在的控制和传感器系统10中，将来自被协助船舶的传感器和控制系统的数据传输到主动态定位系统40，并将来自主动态定位系统40的控制命令和信息传输到被协助船舶1。

接口单元1被设计成易于连接到被协助船舶上的控制和传感器系统10。接口单元可以包括用于连接到控制和传感器系统10的通信模块24。控制和传感器系统通常具有集中在船舶的驾驶室中的物理接口。连接可以是物理/机械或无线的。连接可以是安全的或不安全的。通信模块24被设计成能够连接到用于船舶上的控制和传感器系统的最普通的驾驶室解决方案。通信模块24可以设置有用于物理/机械连接的多连接器系统。通信模块24可以通过电缆、电线、光纤或无线地连接到拖船上的主动态定位系统40。物理解决方案可以使用任何合适的数据通信协议。无线解决方案可以基于通过安全或不安全的标准通信协议与驾驶室中的控制和传感器系统进行无线通信。无线通信可以利用任何合适的无线数据通信协议，例如但不限于蜂窝数据服务、移动卫星通信、无线传感器网络协议或Wi-Fi。示例性蜂窝数据服务协议包括但不限于全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、通用分组无线业务(GPRS)、通用移动电信系统(UMTS)、CDMA2000、增强型数据速率GSM演进(EDGE)、移动WiMAX、长期演进(LTE)。

安全通信是参与协助船舶任务的所有各方之间的首选通信方式。优选在主动态定位系统40、被协助船舶1和拖船2上的动态定位系统50之间进行安全通信。开放通信容易受到网络犯罪攻击(例如黑客攻击)。网络犯罪攻击可能会导致第三方恶意接管被协助船舶，例如将船舶操纵到不同的目的地，通过与其它船舶相撞或在陆地上或在水下危险物上操纵船舶来造成事故，这不仅会造成人员伤亡，还会造成巨大的环境灾难。未经授权的第三方可能是到达被协助船舶的其他敌方船舶上的船员，或者第三方可能位于世界任何地方，其通过网络黑客攻击、使用恶意计算机程序(例如感染接口单元的计算机病毒、蠕虫、勒索软件、CryptoLocker或特洛伊木马程序或其他未经授权的数据程序)访问信道。网络犯罪攻击还可能导致接口单元发出恶意指令，或者导致接口单元故障或失灵。对于电缆、无线和光纤解决方案，在协助船舶的拖曳作业中的授权方之间进行安全通信是首选的。

可以在接口单元20和/或主动态定位系统40以及被协助船舶1上的传感器和控制系统10的硬件、固件或软件组件中的至少一种中实施网络安全措施。网络安全措施可以包括但不限于例如用户访问控制、加密、防火墙、入侵检测系统、双因素认证等。安全通信可以包括但不限于密码安全；排放安全；传输安全，物理安全；通信信号的加密，安全的即时消息传递，客户端到服务器加密或安全互联网协议语音(VOSIP)。

接口单元20可以是便携式的。便携式接口单元可以由例如登船协助船员操纵水域中的被协助船舶的领航员(在需要领航员的情况下)带到被协助船舶上。便携式接口单元还可以由抵达以协助船舶的拖船上的船员带到被协助船舶上。便携式接口单元还可以在无需人工干预的情况下通过例如拖船中的一个上的吊车附接到被协助船舶，或者通过使用无人机运输和/或附接到被协助船舶。接口单元也可以是固定的，并且可以紧固并安装在被协助船舶上，以使具有主动态定位系统的任何拖船在抵达船舶以进行协助时都可以与接口单元通信。

接口单元20也可以安装在不具有动态定位系统的拖船上，所述拖船抵达以协助主动态定位系统40所具有的与被协助船舶1一起的任务。这些拖船然后也可以成为由主动态定位系统控制的动态定位生态系统的一部分。这些接口单元将被指派为协助船舶，而不是被协助船舶，以便主动态定位系统将在执行期望的任务时正确处理它们。

接口单元20也可以与主动态定位系统40一起放置在拖轮上。当拖轮正在接近要协助的船舶时，接口单元20的通信模块24与被协助船舶的控制和传感器系统10之间的握手过程可以被启动，用于将接口单元20连接到被协助船舶的控制和传感器系统。该过程可以由拖轮船员手动启动，并由被协助船舶的船员手动确认。但是，通过拖船的自动、半自动或手动启动与通过被协助船舶的船员的半自动或手动确认的任意组合也是可能的。无人机也可以用于将物理连接传递到被协助船舶。然后，可以将该物理连接耦合到控制和传感器系统，从而使得能够与拖轮上的主动态定位系统进行无线通信。

接口单元包括转换模块27，其用于将由被协助船舶1上的控制和传感器系统10提供的控制和传感器系统信号转换成主动态定位系统40可理解的信号。转换模块27还将来自主动态定位系统的命令转换为被协助船舶1上的控制和传感器系统10可理解的信号。接口单元20可以设置有处理器、存储器和软件，其用于如上所述地转换控制和传感器信号以及来自主动态定位系统的命令。转换模块27可以包括数据库26，该数据库26具有信息，该信息用于转换用于船舶中的所有不同控制和传感器系统的控制和传感器信号，以及用于将来自主动态定位系统的命令转换成对于所有控制和传感器系统可理解的信号。替代地，转换模块可以包括用于执行转换的物理电子部件。转换也可以在信号发生器中执行。在将接口单元连接到控制和传感器系统之后，转换模块可以自动识别控制和传感器系统的类型。替代地，可以手动选择被协助船舶上的控制和传感器系统的类型(例如在接口单元上的显示器上，或通过选择接口单元上的开关)。

接口单元还包括动态定位接口模块25，该动态定位接口模块25将经转换的控制和传感器信号传输到主动态定位系统40，并从主动态定位系统40接收命令。传输可以是有线的或无线的。传输可以是安全的或不安全的。当接口单元20在被协助船舶上时，传输优选地经由安全连接无线地进行。可以通过任何合适的标准无线通信协议(其可以是安全的或不安全的)来执行无线传输，所述无线通信协议例如可以是用于蜂窝数据服务的无线数据通信协议、移动卫星通信、无线传感器网络协议或Wi-Fi。也可以通过标准通信协议来执行有线传输。上面已经确定了用于与被协助船舶系统的接口的此类协议的示例。

图2中的接口单元20还包括惯性导航系统21。惯性导航系统还结合有全球定位系统23(GPS)和运动参考单元22(MRU)。运动参考单元22(MRU)确定加速度、速度/航向以及最终位置。运动参考单元(MRU)提供了海船目前普遍不具备的运动传感器功能。所结合的GPS系统23是精度提高的专用GPS。运动参考单元22(MRU)可以包括任何类型的运动传感器，优选地是提供船舶运动的六自由度运动信息的运动传感器。当接口单元被放置在被协助船舶上时，运动参考单元22是优选的，因为主动态定位系统然后接收关于被协助船舶的实际移动的信息，然后在操纵拖轮以及控制被协助船舶上的推力装备时将该信息考虑在内。这可能是在例如汹涌的大海中，其中拖轮必须小心，以免与被协助船舶的船体碰撞或不受控制地撞到被协助船舶的船体，或者避免拖缆13承受冲击载荷。另一个示例，拖轮应当协助船舶在例如应当避免过度倾斜的情况下进行安全操纵。传输到主动态定位系统40的上述用于控制系统和传感器系统参数的输入也可以由被协助船舶上的船员手动输入。接口单元还可以被配置为使得能够对主动态定位系统进行人工控制30。人工控制可以包括来自例如船长、领航员、拖轮船长或岸基作业员的命令。

如上所述，来自主动态定位系统40的命令可以被传输到被协助船舶上的控制和传感器系统10。来自主动态定位系统的命令也可以被提供给驾驶室中的船员，用于根据主动态定位系统40的命令来手动操作被协助船舶1。因此，可以在驾驶室中提供与主动态定位系统的船员接口。如图3所示，船员接口28可以包括在接口单元20中。来自动态定位系统的命令可以是视觉或音频命令。视觉命令可以例如是可以通过显示器来提供，音频命令例如通过扬声器、头戴式耳机或入耳耳机来提供。船员接口例如可以是显示器、便携式计算机、触摸屏、智能手机或平板电脑等形式。

船员接口28还可以使船员能够物理地(例如通过键盘、操纵杆或触摸屏)或通过语音(例如通过麦克风)向主动态定位系统提供输入。当主动态定位系统40处于直接控制被协助船舶1上的推力装备3的自动控制模式时，船员接口28也可以向船员提供来自主动态定位系统40的信息。主动态定位系统40也可以以半自动控制模式作业，其部分地涉及被协助船舶上的船员。拖船2也可以以自动、半自动或手动控制模式进行作业。

控制系统控制若干控制参数，所述控制参数例如是以下至少一项：被协助船舶的方向舵角度、被协助船舶的可控桨距螺旋桨(CPP)的桨距角、被协助船舶的螺旋桨每分钟转数(RPM)、被协助船舶的发动机每分钟转数(RPM)、被协助船舶的发动机功率、被协助船舶的推力器角度、被协助船舶的推力器的每分钟转数(RPM)或被协助船舶的推力器功率。

传感器系统提供若干传感器参数，所述传感器参数例如是来自用于检测位置、速度或航向的传感器中的至少一个。来自被协助船舶的控制和传感器系统10的信息还可以包括以下至少一项：被协助船舶的方向舵角度、被协助船舶的可控桨距螺旋桨(CPP)的桨距角、被协助船舶的螺旋桨每分钟转数(RPM)、被协助船舶的发动机每分钟转数(RPM)、被协助船舶的发动机功率、被协助船舶的推力器角度、被协助船舶的推力器的每分钟转数(RPM)或被协助船舶的推力器功率。

对于方位推力器，控制参数可以例如与推力器角度、可控桨距螺旋桨(CPP)角度、每分钟转数(RPM)或电动机功率中的至少一项有关。对于隧道推力器(tt)，控制参数可以例如是可控桨距螺旋桨(CPP)角度、螺旋桨每分钟转数(RPM)、电动机功率或推力方向中的至少一项。对于轴线螺旋桨，控制参数可以例如包括方向舵角度、轴每分钟转数(RPM)、发动机每分钟转数(RPM)或发动机功率中的至少一项。控制和传感器系统信息还可以包括被协助船舶的全球定位(GPS)、被协助船舶的速度、被协助船舶的航向或AIS(自动识别系统)协助参数(例如几何形状和负载条件)中的至少一项。

被协助船舶上的控制系统的示例可以是Acon(自动控制)系统。这样的系统是用于控制和监控轮船设备和机械的集成自动系统。具有必要信息的图形图片显示在人机界面上，使系统对于船员而言易于操作。控制系统通常具有警报和监控系统，其可向船员提供有关机械设备状况的信息。这样的系统还可以包括例如死人系统(dead man system)、泵和阀门控制、用于货物装卸的控制和概览系统和/或机器系统或船舶罐液位计量系统。

接口单元20还可以将控制参数从主动态定位系统传送到被协助船舶以用于监控目的。监控可由船舶上的领航员或船员手动执行(例如通过可视界面)。如果接口单元20被永久地安装在被协助船舶1上，则来自主动态定位系统40的控制参数也可以显示在控制和传感器系统的物理界面中(例如，被协助船舶和辅助船舶位置以及导航参数和若干控制参数的视觉指示)。

作为由主动态定位系统40进行的半自动控制的示例，来自主动态定位系统的用于控制被协助船舶1的推力装备3的命令可以包括用于如下至少一项的命令：螺旋桨每分钟转数(RPM)、发动机功率、可控桨距螺旋桨(CPP)桨距、方向舵角度、船首推力或船尾推力。船员可以通过接口单元20从主动态定位系统接收命令，以手动控制方向舵6的角度和发动机9的功率。

被协助船舶和拖船上的船员可以是人类、仿真机器人、机器人或具有人工智能的机器人。

主动态定位系统40经由接口单元20从船舶上的控制和传感器系统10接收多个输入参数。基于该多个输入参数，主动态定位控制系统控制每艘拖船的位置并控制被协助船舶上的推力装备。如果被协助船舶上的控制和传感器系统无法正常工作(例如在停电或紧急情况下)，主动态定位控制系统可以从拖轮上的传感器和导航系统接收多个输入参数，并根据此信息确定并协调作为一个单元的每艘拖轮的移动，以移动被协助船舶。

图4显示了示例性的主动态定位系统。主动态定位控制系统可以检查与被协助船舶相对于陆地、岩石和其他固定危险物的实际位置有关的参数。实际位置参数可以从被协助船舶或拖船上的导航系统获得，或者从连接到主控制系统的导航系统42获得。导航系统可以是基于地面的无线电导航系统(诸如DECCA、LORAN、GEE和Omega)，或者是卫星导航系统(诸如GPS、GLONASS、伽利略和北斗)。在卫星导航系统的情况下，可以通过从差分全球定位系统(DGPS)输入到主动态定位控制系统来提高实际位置的准确性。主动态定位控制系统40还可以从电子导航图43接收输入参数。结合来自导航系统42的输入参数，这允许动态定位控制系统41确定移动指令，该移动指令安全地控制拖船和被协助船舶免于与陆地、岩石和其它固定危险物发生碰撞。为此目的，动态定位控制系统41还可以从其他传感器44(例如，声纳，海上雷达和/或使用摄像机的光学系统)接收输入参数。声纳可以提供有关水下危险物(诸如陆地、岩石、水下船舶等)的信息。海上雷达和/或光学系统可以提供有关水上危险物(诸如陆地和其他水面船舶或漂浮物体)的信息。海上雷达和/或光学系统还可以提供来自海洋标记(例如信标、浮标、雷达信标、堆石标和灯塔)的导航信息。如果主动态定位控制系统确定被协助船舶太靠近任何固定危险物，则主动态定位控制系统输出使被协助船舶安全地远离固定危险物的移动指令。

主动态定位控制系统41还可以检查与被协助船舶相对于其他水面交通的位置有关的参数，根据相关的导航规则评估水面交通参数45。拖轮应当遵守该导航规则，以防止与其他轮船或船舶碰撞。主动态定位控制系统41中可以包括数据库，该数据库包括有关拖轮的作业位置的相关导航规则。如果主动态定位控制系统确定被协助船舶应远离其他水面交通，则主动态定位控制系统输出移动指令以相应地移动被协助船舶。风、波浪和海流可能作用在被协助船舶和辅助船舶上，并使被协助船舶移离期望的位置或路径。在协助船舶时该信息会被考虑在内。该信息可以包括气象参数和环境输入参数中的至少一项，例如是风向、风强度、水温、气温、气压、波浪高度等。这些输入参数可以由连接到控制系统的相关传感器44(诸如风速计、温度传感器、大气压传感器等)提供。主动态定位系统可以计算漂移并输出抵消漂移的移动指令。用于计算漂移的其他输入参数可以包括来自移动传感器(诸如陀螺仪、加速度计、陀螺罗盘和转弯速率指示器)的数据。

输入参数46还可以包括拖船的速度、航向或位置中的至少一项。拖船还可以通过拖曳绳索或钢丝13作用在被协助船舶上，并且输入参数可以包括绳索/钢丝的张力或绞盘能力中的至少一项。输入参数可以由连接到主动态定位控制系统或每艘拖船的动态定位系统的相关传感器提供，或者由被协助船舶上的传感器系统中的传感器提供，然后这些输入参数将被传送到主动态定位系统。主动态定位控制系统可以通过有线连接或无线连接、移动或卫星通信或任何合适的无线数据通信协议(例如，如上所述的无线传感器网络协议或Wi-Fi)来接收输入参数。

也可以手动地、部分手动地或通过控制系统根据被协助船舶相对于期望位置的实际位置参数来计算被协助船舶的移动。实际位置参数可以从连接到控制系统的导航系统获得。导航系统可以是基于地面的无线电导航系统(诸如DECCA、LORAN、GEE和Omega)，或者是卫星导航系统(例如GPS、GLONASS、伽利略和北斗)。在卫星导航系统的情况下，可以通过从差分全球定位系统(DGPS)输入到动态定位控制系统来提高实际位置的准确性。

控制系统还可以从电子导航图接收输入参数。结合来自导航系统的输入参数，这允许确定移动指令，该移动指令安全地控制被协助船舶免于与陆地、岩石或其它固定危险物发生碰撞。声纳、海上雷达和/或使用摄像机的光学系统还提供一些参数，这些参数被考虑在内，以用于将船舶操纵到其目的地。声纳可以提供有关水下危险物(诸如陆地、岩石、水下船舶等)的信息。海上雷达和/或光学系统可以提供有关水上危险物(诸如陆地和其他水面船舶或漂浮物体)的信息。海上雷达和/或光学系统还可以提供来自海洋标记(例如信标、浮标、雷达信标、堆石标和灯塔)的导航信息。光学传感器可以观察并识别其他水面船舶。与水面交通有关的输入参数可以由诸如海上雷达、自动识别系统(AIS)和自动雷达绘图辅助系统(ARPA)的传感器和系统提供，或者可以由诸如摄像机的光学传感器提供。被协助船舶上的船员也可以目视观察水面交通和导航信息。

在国家和国际水域中，被协助船舶应遵守相应的国家和国际导航规则，以防止与其他轮船或船舶碰撞。可以由船员、由控制系统或由主动态定位系统执行对导航规则的遵守。包括关于被协助船舶的作业位置的相关导航规则的数据库可以被包括在被协助船舶上的控制系统中并被提供到主动态定位系统，或者可以被包括在主动态定位系统中。在确定应该何时以及在何地移动被协助船舶以及期望的位置、轨迹、航向和速度时，主动态定位系统还可以接收与其它水面交通相关的输入参数，并根据相关的导航规则评估该水面交通参数。

主动态定位系统和接口单元的功能可以被实施为软件或硬件或软件与硬件的组合。该软件可以被实施为在具有至少一个处理器和至少一个存储器的计算机中执行。操作系统在至少一个处理器上运行。由系统控制的自定义程序被移入和移出存储器。该系统还可以包含用于传送图像、地图、指令或程序的可移除存储器部件。

该软件可以存储在计算机可读介质上。

已经描述了本发明的优选实施例，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以使用结合了该概念的其他实施例。上面说明的本发明的这些和其他示例仅旨在作为示例，并且本发明的实际范围由所附权利要求书确定。

Claims (26)

1.一种接口单元，所述接口单元在具有推力装备的被协助船舶的控制和传感器系统与主动态定位系统之间提供接口，其中，所述主动态定位系统被配置为将若干艘辅助船舶作为一个单元进行控制，并且被配置为控制所述被协助船舶的推力装备，以协助操纵所述被协助船舶，其中所述接口单元被配置为将命令从所述主动态定位系统传输到所述被协助船舶的控制和传感器系统，以控制所述被协助船舶的推力装备，并且其中所述接口单元被配置为将信息从所述被协助船舶的控制和传感器系统传输到所述主动态定位系统，其中从所述被协助船舶的控制和传感器系统传输到所述主动态定位系统的信息包括以下至少一项：

-所述被协助船舶的方向舵角度，

-所述被协助船舶的可控桨距螺旋桨(CPP)的桨距角，

-所述被协助船舶的螺旋桨每分钟转数(RPM)，

-所述被协助船舶的发动机每分钟转数(RPM)，

-所述被协助船舶的发动机功率，

-所述被协助船舶的推力器角度，

-所述被协助船舶的推力器每分钟转数(RPM)，或

-所述被协助船舶的推力器功率。

2.根据权利要求1所述的接口单元，还包括惯性导航系统。

3.根据权利要求2所述的接口单元，其中，所述惯性导航系统包括全球定位系统和运动参考单元。

4.根据权利要求1所述的接口单元，其中，所述主动态定位系统放置在所述辅助船舶中的一个上或放置在陆基设施上。

5.根据权利要求1所述的接口单元，其中，从所述被协助船舶的控制和传感器系统传输到所述主动态定位系统的信息包括以下至少一项：

-所述被协助船舶的全球定位，

-所述被协助船舶的速度，

-所述被协助船舶的航向，或

-自动识别系统(AIS)协助参数。

6.根据权利要求5所述的接口单元，其中，所述自动识别系统(AIS)协助参数是几何形状和负载条件。

7.根据权利要求1所述的接口单元，其中，所述接口单元是便携式的。

8.根据权利要求1所述的接口单元，其中，所述接口单元可容易地连接到所述被协助船舶上的控制和传感器系统。

9.根据权利要求1所述的接口单元，其中，所述接口单元被配置为使得能够对所述主动态定位系统进行人工控制。

10.根据权利要求9所述的接口单元，其中，人工控制包括来自船长、领航员、拖轮船长或岸基作业员的命令。

11.根据权利要求1所述的接口单元，其中，所述接口单元被配置为向所述被协助船舶上的船员提供音频或视觉命令，以用于船员控制所述被协助船舶的推力装备。

12.根据权利要求1所述的接口单元，还包括通信模块，所述通信模块被配置为与所述被协助船舶上的控制和传感器系统通信。

13.根据权利要求1所述的接口单元，还包括动态定位接口模块，所述动态定位接口模块被配置为与所述主动态定位系统通信。

14.根据权利要求1所述的接口单元，还包括转换模块，所述转换模块被配置为将来自所述船舶上的控制和传感器系统的信号转换为所述主动态定位系统能够理解的信号。

15.根据权利要求14所述的接口单元，其中，所述转换模块还包括数据库，所述数据库具有所述被协助船舶上的控制和传感器系统与所述主动态定位系统之间的转换信息。

16.根据权利要求12所述的接口单元，其中，所述通信模块能够经由基于电缆的连接或无线连接而连接到所述被协助船舶的控制和传感器系统。

17.根据权利要求16所述的接口单元，其中，所述无线连接是卫星、天线或无线电信号中的至少一种。

18.根据权利要求16或17所述的接口单元，其中，所述无线连接是安全连接。

19.根据权利要求13所述的接口单元，其中，在以下至少一项之间的通信中实施安全连接：

-所述动态定位接口模块与所述主动态定位系统，

-所述动态定位接口模块与所述被协助船舶的控制和传感器系统，或

-所述主动态定位系统与所述辅助船舶。

20.根据权利要求1所述的接口单元，其中，所述推力装备包括方向舵、螺旋桨、方位推力器、喷水器或隧道推力器中的至少一种。

21.根据权利要求1所述的接口单元，其中，所述辅助船舶是拖船。

22.一种用于协助操纵具有推力装备的船舶的系统，所述系统包括：

-主动态定位系统，所述主动态定位系统将若干艘辅助船舶作为一个单元进行控制，以协助操纵被协助船舶，以及

-根据权利要求1-21中的一项所述的接口单元。

23.一种用于协助操纵具有推力装备的船舶的方法，所述方法包括：

-通过主动态定位系统控制辅助船舶中的每一个的动态定位系统，将若干艘辅助船舶作为一个单元进行控制，以协助操纵被协助船舶，以及

-通过所述主动态定位系统控制所述被协助船舶的推力装备，其中，所述主动态定位系统设置有接口单元，所述接口单元使得能够控制所述被协助船舶上的推力装备，其中所述接口单元被配置为将命令从所述主动态定位系统传输到所述被协助船舶的控制和传感器系统，以控制所述被协助船舶的推力装备，以及

-由所述主动态定位系统经由所述接口单元从所述被协助船舶的控制和传感器系统接收控制和传感器信息，其中从所述被协助船舶的控制和传感器系统传输到所述主动态定位系统的信息包括以下至少一项：

-所述被协助船舶的方向舵角度，

-所述被协助船舶的可控桨距螺旋桨(CPP)的桨距角，

-所述被协助船舶的螺旋桨每分钟转数(RPM)，

-所述被协助船舶的发动机每分钟转数(RPM)，

-所述被协助船舶的发动机功率，

-所述被协助船舶的推力器角度，

-所述被协助船舶的推力器每分钟转数(RPM)，或

-所述被协助船舶的推力器功率。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括将所述接口单元放置在所述被协助船舶上。

25.根据权利要求23所述的方法，包括由所述主动态定位系统从设置在所述接口单元中的惯性导航系统接收信息。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述惯性导航系统包括全球定位系统和运动参考单元。