CN117775227A - 一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置及方法，其中方法包括：根据布放船设计参数，构建回复力臂与布放船倾斜的倾斜角度的非线性函数；根据非线性函数构建回复力臂与倾斜角度的多项式函数；通过对多项式函数求导，得到所述多项式函数中极大值对应的倾斜角度即为布放船的极限倾斜角；姿态传感器测量的横倾角超出所述极限横倾角，则布放船产生倾覆。本发明公开的技术内容，可实时判断布放过程中船舶横倾角是否超过安全值，并进行相应的安全预警。通过计算布放船舶极限横倾角的不确定度，提高了准确性，增强了安全预警的精确度，有效提升了浮标布放过程中的安全性。

Description

一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋气象水文观测技术领域，更具体地，涉及一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置及方法。

背景技术

根据海洋工程的环境条件和经济成本考量，一般在距离岸边30至100海里，水深10至100米的海域布放浮标时，常使用装备有吊机的交通艇进行吊装和布放。这类交通艇通常长约20至40米，宽6至8米，型深2.5至3.5米，空载吃水1.5至2.5米，满载吃水2.5至3米，满载排水量为500吨左右，空载排水量为300吨左右。船载吊机的承载能力一般在5至8吨之间。当这类船只吊装并布放直径约3米、质量约2吨的海洋浮标时，船舶和浮标的结合体会受到波浪影响较大。在操作过程中，如果船只发生过度横倾，存在倾覆的危险，可能导致严重的人员伤亡和财产损失。

根据浮体稳定原理，在船舶布放浮标过程中，必须计算船舶安全允许的最大横倾角。一旦实际横摇角度接近或超过这个极限值，船舶的风险会急剧增加。此时需要立即停止吊装浮标，并将其固定在甲板上，以避免船只倾覆的风险。准确计算船舶的极限横倾角，实时测量并及时预警船舶横倾角是确保安全布放浮标的关键步骤。

然而，在实际操作中，往往难以准确测量船舶尺寸和质量。对已完成的船只进行此类操作难度大、工作量大、耗时长。通常只能依据船舶设计图纸或加工精度报告等资料进行计算，这带来了极大的不确定性，降低了计算结果的可靠性，增加了海洋工程操作的风险。

因此，如何提供一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置及方法成为本领域亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置及方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置，包括，嵌入式控制器和姿态传感器；

所述姿态传感器与嵌入式控制器固定安装于布放船的甲板上；所述姿态传感器实时测量布放船在布放浮标过程中的横倾角；所述横倾角超出嵌入式控制器内根据输入参数计算得出的极限横倾角，则布放船产生倾覆，所述嵌入式控制器将发出报警信号。

可选地，所述姿态传感器与嵌入式控制器的坐标系的X轴与布放船的艏向重合，Y轴与布放船的横摇方向重合，Z轴与布放船的纵荡方向重合

根据本发明的第二方面，提供了一种浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，包括本发明第一方面任一项所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断装置，方法包括：

根据布放船设计参数，构建回复力臂与布放船倾斜的倾斜角度的非线性函数；

根据所述非线性函数构建回复力臂与所述倾斜角度的多项式函数；

通过对所述多项式函数求导，得到其导数，然后令导数等于零，求出驻点；利用多项式函数的二阶导数的符号来判断驻点是极大值还是极小值；在极大值处，所述二阶导数为负数；所述多项式函数中极大值对应的倾斜角度即为布放船的极限倾斜角；

姿态传感器测量的横倾角超出所述极限横倾角，则布放船产生倾覆。

可选地，所述根据布放船设计参数，构建回复力臂与布放船倾斜的倾斜角度的非线性函数的方法包括：

其中，α_i代表倾斜角度；l_si代表不同倾斜角度下布放船的初始回复力臂；V_1i代表布放船倾斜不同角度时，相对于平衡位置，上翘一侧离开水面的体积；l_1i代表布放船倾斜后离开水面的体积的海水对布放船的作用力臂；V_2i代表布放船倾斜不同角度时，相对于平衡位置，下沉一侧进入水面以下的体积；l_2i代表布放船倾斜后进入水面以下的体积的海水对布放船的作用力臂；V₀代表布放船平衡时的排水体积；h₀是指布放船平衡状态时的吃水深度；KB₀是指布放船平衡状态时浮心B₀到布放船横截面底部中心K的距离；KG是指布放船平衡状态时重心G到浮标横截面底部中心K的距离；c是布放船倾斜后的旋转点距离平衡状态水线中心的距离。m_b为布放船吊放的浮标的质量；ρ₀为海水的密度；

根据V₀、h₀、KB₀、KG、V_1i、l_1i、V_2i、l_2i和l_3i的不确定度，计算回复力臂的不确定度；

根据所述初始回复力臂和回复力臂的不确定度，计算回复力臂。

可选地，V₀、h₀、KB₀和KG根据布放船的设计图纸和加工精度报告的数据通过三维建模软件统计所得，V_1i、l_1i、V_2i、l_2i和l_3i通过三维建模软件模拟布放船倾斜角度统计所得，m_b通过称重浮标求得；c根据布放船倾斜时入水点测量所得。

可选地，V₀、h₀、KB₀、KG、V_1i、l_1i、V_2i、l_2i和l_3i的不确定度的计算方法包括：

采用布放船的长度加工精度R作为布放船长度相关数据的半宽度区间，布放船加工长度的不确定度服从均匀分布，包含因子为h₀、KB₀、KG、l_1i、l_2i和l_3i的不确定度计算公式为：/> 布放船体积相关参数V₀、V_1i和V_2i的不确定度计算公式为：/>

可选地，所述计算回复力臂的不确定度的方法包括：

其中，U(l_si)为回复力臂的不确定度。

可选地，所述根据所述初始回复力臂和回复力臂的不确定度，计算回复力臂的方法包括：

l_si′＝l_si-U(l_si)

其中，l_si ^′为回复力臂。

可选地，所述根据所述非线性函数构建回复力臂与所述倾斜角度的多项式函数的方法包括：

所述倾斜角度以预定义的取值范围，预定义的取值间隔，取值求得回复力臂l_si ^′和倾斜角度α_i的离散关系矩阵；

根据所述离散关系矩阵，使用n次多项式拟合的方法求得回复力臂和倾斜角度的多项式函数。

可选地，预定义的取值范围为5°-90°；预定义的取值间隔为5°；n＝6。

根据本发明公开的技术内容，具有如下有益效果：可实时判断布放过程中船舶横倾角是否超过安全值，并进行相应的安全预警。通过计算布放船舶极限横倾角的不确定度，提高了准确性，增强了安全预警的精确度，有效提升了浮标布放过程中的安全性。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为根据实施例提供的一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置安装位置示意图；

图2为根据实施例提供的倾斜角度示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本发明的第一方面，如图1所示，提供了一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置，包括，嵌入式控制器和姿态传感器；

所述姿态传感器与嵌入式控制器固定安装于布放船的甲板上；所述姿态传感器实时测量布放船在布放浮标过程中的横倾角；所述横倾角超出嵌入式控制器内根据输入参数计算得出的极限横倾角，则布放船产生倾覆，所述嵌入式控制器将发出报警信号。

在一些实施例中，所述姿态传感器与嵌入式控制器的坐标系的X轴与布放船的艏向重合，Y轴与布放船的横摇方向重合，Z轴与布放船的纵荡方向重合。

具体地，嵌入式控制器选用RK3568B2处理器，基于ARM架构，拥有四个Cortex-A55(64位)内核(主频2.08GHz)，配备4GB DDR4 RAM、32GB eMMC ROM、1个RS232 UART、3个RS485UART、3个SATA 3.0接口、1个TFT LCD电阻触摸屏接口，支持1080P。操作系统采用Linux4.19，该装置资源充足，能够进行数据采集、运算和显示等多种功能。

根据本发明的第二方面，如图2所示，提供了一种浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，包括实施例一中任一项所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断装置，方法包括：

根据布放船设计参数，构建回复力臂与布放船倾斜的倾斜角度的非线性函数；

根据所述非线性函数构建回复力臂与所述倾斜角度的多项式函数；

通过对所述多项式函数求导，得到其导数，然后令导数等于零，求出驻点；利用多项式函数的二阶导数的符号来判断驻点是极大值还是极小值；在极大值处，所述二阶导数为负数；所述多项式函数中极大值对应的倾斜角度即为布放船的极限倾斜角；

姿态传感器测量的横倾角超出所述极限横倾角，则布放船产生倾覆。

在一些实施例中，所述根据布放船设计参数，构建回复力臂与布放船倾斜的倾斜角度的非线性函数的方法包括：

其中，α_i代表倾斜角度；l_si代表不同倾斜角度下布放船的初始回复力臂；V_1i代表布放船倾斜不同角度时，相对于平衡位置，上翘一侧离开水面的体积；l_1i代表布放船倾斜后离开水面的体积的海水对布放船的作用力臂；V_2i代表布放船倾斜不同角度时，相对于平衡位置，下沉一侧进入水面以下的体积；l_2i代表布放船倾斜后进入水面以下的体积的海水对布放船的作用力臂；V₀代表布放船平衡时的排水体积；h₀是指布放船平衡状态时的吃水深度；KB₀是指布放船平衡状态时浮心B₀到布放船横截面底部中心K的距离；KG是指布放船平衡状态时重心G到浮标横截面底部中心K的距离；c是布放船倾斜后的旋转点距离平衡状态水线中心的距离。m_b为布放船吊放的浮标的质量；ρ₀为海水的密度；

根据V₀、h₀、KB₀、KG、V_1i、l_1i、V_2i、l_2i和l_3i的不确定度，计算回复力臂的不确定度；

根据所述初始回复力臂和回复力臂的不确定度，计算回复力臂。

在一些实施例中，V₀、h₀、KB₀和KG根据布放船的设计图纸和加工精度报告的数据通过三维建模软件统计所得，V_1i、l_1i、V_2i、l_2i和l_3i通过三维建模软件模拟布放船倾斜角度统计所得，m_b通过称重浮标求得；c根据布放船倾斜时入水点测量所得。

在一些实施例中，V₀、h₀、KB₀、KG、V_1i、l_1i、V_2i、l_2i和l_3i的不确定度的计算方法包括：

采用布放船的长度加工精度R作为布放船长度相关数据的半宽度区间，布放船加工长度的不确定度服从均匀分布，包含因子为h₀、KB₀、KG、l_1i、l_2i和l_3i的不确定度计算公式为：/> 布放船体积相关参数V₀、V_1i和V_2i的不确定度计算公式为：/>

在一些实施例中，所述计算回复力臂的不确定度的方法包括：

其中，U(l_si)为回复力臂的不确定度。

具体地，

在一些实施例中，所述根据所述初始回复力臂和回复力臂的不确定度，计算回复力臂的方法包括：

l_si′＝l_si-U(l_si)

其中，l_si′为回复力臂。

在一些实施例中，所述根据所述非线性函数构建回复力臂与所述倾斜角度的多项式函数的方法包括：

所述倾斜角度以预定义的取值范围，预定义的取值间隔，取值求得回复力臂l_si′和倾斜角度α_i的离散关系矩阵；

根据所述离散关系矩阵，使用n次多项式拟合的方法求得回复力臂和倾斜角度的多项式函数。

在一些实施例中，预定义的取值范围为5°-90°；预定义的取值间隔为5°；n＝6。

具体地，针对某型交通艇布放直径2米的海洋气象水文浮标的情况，6次多项式的计算结果如下：

l_si′＝0.0000000000354α⁶-0.0000000110047α⁵+0.0000013273459α⁴

-0.0000753268971α³+0.0016817662711171α²

+0.0065960817066α+0.0314743159880

综上，本发明公开的技术内容，可实时判断布放过程中船舶横倾角是否超过安全值，并进行相应的安全预警。通过计算布放船舶极限横倾角的不确定度，提高了准确性，增强了安全预警的精确度，有效提升了浮标布放过程中的安全性。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种浮标吊放过程中布放船安全性判断装置，其特征在于，包括：嵌入式控制器和姿态传感器；

所述姿态传感器与嵌入式控制器固定安装于布放船的甲板上；所述姿态传感器实时测量布放船在布放浮标过程中的横倾角；所述横倾角超出嵌入式控制器内根据输入参数计算得出的极限横倾角，则布放船产生倾覆，所述嵌入式控制器将发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断装置，其特征在于，所述姿态传感器与嵌入式控制器的坐标系的X轴与布放船的艏向重合，Y轴与布放船的横摇方向重合，Z轴与布放船的纵荡方向重合。

3.一种浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，其特征在于，包括权利要求1或2所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断装置，方法包括：

根据布放船设计参数，构建回复力臂与布放船倾斜的倾斜角度的非线性函数；

根据所述非线性函数构建回复力臂与所述倾斜角度的多项式函数；

通过对所述多项式函数求导，得到其导数，然后令导数等于零，求出驻点；利用多项式函数的二阶导数的符号来判断驻点是极大值还是极小值；在极大值处，所述二阶导数为负数；所述多项式函数中极大值对应的倾斜角度即为布放船的极限倾斜角；

姿态传感器测量的横倾角超出所述极限横倾角，则布放船产生倾覆。

4.根据权利要求3所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，其特征在于，所述根据布放船设计参数，构建回复力臂与布放船倾斜的倾斜角度的非线性函数的方法包括：

其中，α_i代表倾斜角度；l_si代表不同倾斜角度下布放船的初始回复力臂；V_1i代表布放船倾斜不同角度时，相对于平衡位置，上翘一侧离开水面的体积；l_1i代表布放船倾斜后离开水面的体积的海水对布放船的作用力臂；V_2i代表布放船倾斜不同角度时，相对于平衡位置，下沉一侧进入水面以下的体积；l_2i代表布放船倾斜后进入水面以下的体积的海水对布放船的作用力臂；V₀代表布放船平衡时的排水体积；h₀是指布放船平衡状态时的吃水深度；KB₀是指布放船平衡状态时浮心B₀到布放船横截面底部中心K的距离；KG是指布放船平衡状态时重心G到浮标横截面底部中心K的距离；c是布放船倾斜后的旋转点距离平衡状态水线中心的距离；m_b为布放船吊放的浮标的质量；ρ₀为海水的密度；

根据V₀、h₀、KB₀、KG、V_1i、l_1i、V_2i、l_2i和l_3i的不确定度，计算回复力臂的不确定度；

根据所述初始回复力臂和回复力臂的不确定度，计算回复力臂。

5.根据权利要求4所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，其特征在于，V₀、h₀、KB₀和KG根据布放船的设计图纸和加工精度报告的数据通过三维建模软件统计所得，V_1i、l_1i、V_2i、l_2i和l_3i通过三维建模软件模拟布放船倾斜角度统计所得，m_b通过称重浮标求得；c根据布放船倾斜时入水点测量所得。

6.根据权利要求4所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，其特征在于，V₀、h₀、KB₀、KG、V_1i、l_1i、V_2i、l_2i和l_3i的不确定度的计算方法包括：

采用布放船的长度加工精度R作为布放船长度相关数据的半宽度区间，布放船加工长度的不确定度服从均匀分布，包含因子为h₀、KB₀、KG、l_1i、l_2i和l_3i的不确定度计算公式为：/> 布放船体积相关参数V₀、V_1i和V_2i的不确定度计算公式为：/>

7.根据权利要求6所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，其特征在于，所述计算回复力臂的不确定度的方法包括：

其中，U(l_si)为回复力臂的不确定度。

8.根据权利要求7所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，其特征在于，所述根据所述初始回复力臂和回复力臂的不确定度，计算回复力臂的方法包括：

l_si′＝l_si-U(l_si)

其中，l_si′为回复力臂。

9.根据权利要求1所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，其特征在于，所述根据所述非线性函数构建回复力臂与所述倾斜角度的多项式函数的方法包括：

所述倾斜角度以预定义的取值范围，预定义的取值间隔，取值求得回复力臂l_si′和倾斜角度α_i的离散关系矩阵；

根据所述离散关系矩阵，使用n次多项式拟合的方法求得回复力臂和倾斜角度的多项式函数。

10.根据权利要求9所述的浮标吊放过程中布放船安全性判断方法，其特征在于，预定义的取值范围为5°-90°；预定义的取值间隔为5°；n＝6。