DE4226773A1

DE4226773A1 - Verfahren zur Ermittlung der Trimmung eines Schiffes

Info

Publication number: DE4226773A1
Application number: DE4226773A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Lemke
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1992-08-13
Filing date: 1992-08-13
Publication date: 1994-02-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Trimmung eines Schiffes nach dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.

Für den optimalen Betrieb von Schiffen, insbesondere von hochseetüchtigen Schiffen, ist es erforderlich, diese an die vorherschenden Umweltbindungen, insbesondere den See gang, anzupassen. Dieses erfolgt durch einen Trimmvorgang. Dabei wird in Abhängigkeit von der Ladung, insbesondere deren Art, deren Gewicht sowie deren Ort im Schiffsrumpf, der sogenannte Ballast solange geändert bis eine optimale Trimmung vorhanden ist. Die Änderung des Ballasts erfolgt im allgemeinen durch Füllen oder Lenzen (Leerpumpen) von sogenannten Tanks, die an verschiedenen Orten im Schiff angeordnet sind und die bedarfsweise mit Wasser oder Treibstoff füllbar sind.

Dieser Trimmvorgang erfolgt z. B. dadurch, daß mit Hilfe eines mechanischen Pendels, einer Stoppuhr sowie nauti schem Wissen die Schiffsbewegungen (Schwingungen), insbe sondere die sogenannten Stampf- sowie Rollbewegungen, in Abhängigkeit von vorherrschenden Umweltbedingungen, insbe sondere dem Seegang, ermittelt werden. In Abhängigkeit da von wird dann der Ballast sowie dessen Verteilung solange geändert bis eine optimale Trimmung, die optimal an die vorherrschenden Umweltbedingungen angepaßt ist, erreicht ist. Ändern sich die Umweltbedingungen, insbesondere der Seegang, so ist eine Überprüfung und möglicherweise eine Änderung der Trimmung erforderlich.

Das beschriebene Verfahren ist kostengünstig und zuverläs sig durchführbar und außerdem ausreichend, solange keine für das Schiff kritische Situation, z. B. ein schwerer See gang infolge eines Sturmes und/oder ein Wassereinbruch, auftritt.

In derartigen Fällen ist mit dem beschriebenen Verfahren keine ausreichend schnell reagierende und zuverlässige Trimmung möglich, wohl aber eine Einschätzung der Schwimm fähigkeit und Lokalisierung des Wassereinbruchs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge mäßes Verfahren anzugeben, mit dem in zuverlässiger Weise eine an alle möglichen Umweltbedingungen angepaßte opti male Trimmung erreicht wird und mit dem außerdem in zuver lässiger Weise eine Einschätzung der Schwimmfähigkeit ei nes Schiffes ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale. Vorteil hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Ermittlung der Trimmung automatisch erfolgt, so daß eine selbsttätige Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen ermöglicht wird.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß störende Änderungen der Trimmung, z. B. infolge eines Wassereinbruchs, eines ungünstigen Kurses in unregelmäßigem Seegang (z. B. "Kreuzsee") und/oder infolge einer verrutschenden Ladung, zuverlässig erkannt und beseitigt werden können, bevor ein Schaden für das Schiff ansteht.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß selbst bei einem nicht mehr zu behebendem Wassereinbruch und/oder bei einer nicht mehr zu ändernden verrutschten Ladung eine zuverläs sige Aussage über die Schwimmfähigkeit des Schiffes mög lich wird. Selbst unter diesen Umständen ist eine Einstel lung einer daran angepaßten optimalen Trimmung möglich.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß die Überwachung der Trimmung mit lediglich einem einzigen Lagesensor, mit dem zumindest die Roll- und Stampfbewegungen ermittelt werden, ermöglicht wird. Dadurch kann das Verfahren sehr kosten günstig und zuverlässig durchgeführt werden. Außerdem ist eine kostengünstige Nachrüstung von Schiffen gemäß dem er findungsgemäßen Verfahren möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Fi guren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 6 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen rechteckförmigen Schiffsrumpf R eines intakten Schiffes, das eine sogenannte Rollbewegung ausführt. Verschiedene Phasen der Rollbewegung sind mit 1 bis 4 bezeichnet. Das wellenförmig bewegte Wasser W besitzt eine wellenförmige Wasseroberfläche WO. Die Bezeichnung intaktes Schiff be deutet, daß sich dieses in einem störungsfreien Normalzu stand A, der in der Nautik derzeit üblich ist, befindet. In diesem Normalzustand A ist der auf den Schiffsrumpf R bezogene Ort P des Schwerpunkts S des Schiffes von den Phasen 1 bis 4 der Rollbewegung unabhängig, das heißt, der Schwerpunkt S ist bezüglich des Schiffrumpfes R ortsfest. Es gilt also die Formel

P(S_A1) = P(S_A2) = P(S_A3) = P(S_A4).

Das Schiff ist bezüglich der Rollbewegung optimal ge trimmt, wenn der Schwerpunkt P(S) auf der Mittelachse und unterhalb der Wasseroberfläche liegt. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schiffsoberfläche so in jeder Phase der Wellenbewegung im wesentlichen folgt. Diese Rollbewegung, die eine Drehbewegung ist, wird gemessen mit einem entsprechend empfindlichen Lagesensor, z. B. einem faseroptischen Ringinterferometer, der mechanisch fest mit dem Schiffsrumpf verbunden ist. Alternativ dazu ist es möglich, einen Lagesensor zu verwenden, welcher auf einem mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefülltem Differenti alkondensator beruht. Die von der Lage des Schiffes abhän gigen Änderungen der Kapazität werden ausgewertet, z. B. mit Hilfe einer Pulsbreitencodierung. Das im allgemeinen elektrische Ausgangssignal des Lagesensors wird einem Spektralanalysator zugeführt, in dem ein Betragsspektrum von den Rollbewegungen erzeugt wird. Da dieses Betrags spektrum einem intakten Schiff im Normalzustand ent spricht, wird dieses Betragsspektrum im folgenden Soll- Frequenzspektrum genannt. Es ist ersichtlich, daß dieses von den Umweltbedingungen, insbesondere von dem Seegang abhängt und sich mit letzterem ändert. Das Soll-Frequenz spektrum wird nun solange gespeichert, vorteilhafterweise in einer Datenverarbeitungsanlage, bis sich die Umweltbe dingungen ändern. Dann wird von dem intakten Schiff im Normalzustand ein neues Soll-Frequenzspektrum erzeugt und gespeichert.

Mit der beschriebenen Anordnung wird nun ein Ist-Frequenz spektrum erzeugt. Dieses ist ebenfalls ein Betragsspek trum, das zeitlich fortlaufend oder zeitlich periodisch und/oder bedarfsweise erzeugt wird.

Es erfolgt nun ein Vergleich des Ist-Frequenzspektrums mit dem gespeicherten Soll-Frequenzspektrum. Dieser Vergleich wird vorzugsweise in der bereits erwähnten Datenverarbei tungsanlage vorgenommen. Der Vergleich ist auf verschie dene Weise möglich. Beispielsweise kann sowohl bei dem Ist-Frequenzspektrum als auch dem Soll-Frequenzspektrum über alle Betragsanteile integriert werden. Gemäß der For mel

|ΔS(ω)| = S(ω)-S₀(ω)|

wobei

|ΔS(ω)| = Differenzspektrum (Betrag)
|S(ω)| = Ist-Frequenzspektrum (Betrag)
|S₀(ω)| = Soll-Frequenzspektrum (Betrag)

bedeuten, werden anschließend die Integrationsergebnisse verglichen, z. B. durch eine Differenz- oder eine Verhältnisbildung. Alternativ dazu kann der Vergleich auch frequenzselektiv erfolgen, das heißt, es werden lediglich die zu einer be stimmten Frequenz oder zu einem bestimmten Frequenzbereich gehörenden Betragsanteile in der beschriebenen Weide verg lichen.

Es ist ersichtlich, daß bei einem intakten Schiff unter Normalbedingungen das Ist-Frequenzspektrum immer im we sentlichen dem Soll-Frequenzspektrum entspricht.

Entsteht nun bei einem intakten Schiff eine Störung, z. B. durch einen plötzlichen Wassereinbruch WE gemäß Fig. 2, so verändert sich die Masse, der Schwerpunkt und die Trimmung des Schiffes. Es ist ersichtlich, daß aus dem bisher be züglich des Schiffrumpfes festen Schwerpunkt S_A1 bis S_A4 ein aufgrund des beweglichen Wassereinbruchs WE bewegli cher Schwerpunkt S_B1 bis S_B4 entsteht. Aufgrund des See gangs bewegen sich die in den Schiffsrumpf eingedrungenen Wassermassen, und/oder eine gelöste und verrutschende La dung, so daß der Schwerpunkt S_B1 bis S_B4 schwingt und driftet wie in Fig. 2 beispielsweise dargestellt. Als Folge davon kann die Schiffsoberfläche SO nicht mehr der Wasseroberfläche WO quasi parallel folgen, wie eingangs beschrieben. Es kann ein für das Schiff kritischer Zustand entstehen, der zum Kentern oder sogar zum Untergang des Schiff es führen kann. Diese störenden Schwingungen des Schwerpunktes S_B1 bis S_B4 werden nun in vorteilhafter Weise sehr frühzeitig, das heißt wenn noch keine Gefahr für das Schiff besteht, durch das Ist-Frequenzspektrum er faßt, treten bei einem Vergleich mit dem gespeicherten Soll-Frequenzspektrum deutlich hervor und können ausgewer tet werden.

Fig. 3 zeigt eine solche modellhafte Auswertung für den Fall, daß entsprechend Fig. 2 lediglich ein geringer Was sereinbruch vorhanden ist. Entsprechend der vorstehenden Beschreibung wurde für jede Frequenz die Differenz zwi schen dem Ist- und dem Sollfrequenzspektrum gebildet. Der Betrag der Differenz ist in Fig. 3 in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Es ist ersichtlich, daß bei einer Frequenz von ungefähr 1 Hz ein deutliches Maximum mit ei nem Wert (in willkürlichen Einheiten) von ungefähr 0,06 vorhanden ist.

Fig. 4 entspricht der Darstellung gemäß Fig. 3, es ist je doch ein starker Wassereinbruch WE (Fig. 2) vorhanden. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß der Ordinaten-Wert des bei 1 Hz liegenden Maximums von 0,06 (Fig. 3) auf ungefähr 0,19 gestiegen ist. Außerdem gibt es eine Nullstelle, de ren Lage ein Maß für die eingedrungene Wassermenge ist.

Es ist zweckmäßig, für derartige Mixima Schwellwerte, die z. B. auf Meß- und/oder Erfahrungswerten beruhen, festzule gen. Werden diese Schwellwerte überschritten, so kann bei spielsweise ein Alarm ausgelöst und/oder ein erneuter Trimmvorgang vorgenommen werden.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen lediglich eine Auswertung der Schiffsbewegungen um die sogenannte Rollachse. Es ist nun vorteilhaft, eine entsprechende Aus wertung auch für die übrigen Drehachsen vorzunehmen. Es ist besonders zweckmäßig, zusätzlich die sogenannten Stampfbewegungen in der beschriebenen Weise auszuwerten.

Ein solche Auswertung kann beispielsweise in zweidimensio naler Form entsprechend Fig. 5 dargestellt werden. Die dort dargestellten Abszissen- und Ordinatenachsen, auf denen die Krängung in Grad aufgetragen ist, entsprechen der Stampf- bzw. Rollachse (Längsachse) des Schiffes R. Die Bezeichnungen ahead, starborard, astern sowie port stellen in der Seefahrt übliche Richtungsbezeichnungen (bezogen auf den Schiffsrumpf) dar. Die in Fig. 5 darge stellte Kurve bezeichnet die zeitliche Verschiebung des ortsfesten Schwerpunktes S_A1-4 entsprechend Fig. 1 (Normal zustand) zu dem beweglichen und zeitlich veränderlichen Schwerpunkt S_B1-4 entsprechend Fig. 2. Die zu den Fig. 3 und 4 gehörenden Differenzkurven sind beispielsweise durch unterschiedliche Helligkeits- oder Farbwerte in ei nem zweiten Diagramm (Fig. 6) dargestellt.

Durch das beschriebene Verfahren ist es in kostengünstiger und zuverlässiger Weise möglich, einerseits geringfügige Abweichungen von der vorhandenen Trimmung festzustellen. So kann beispielsweise ein einmaliger Wassereinbruch durch eine besonders hohe Welle sofort erkannt und durch Auspum pen des Schiffes beseitigt werden. Andererseits ist bei einem havarierten (beschädigtem) Schiff eine zuverlässige Aussage über dessen Schwimmfähigkeit möglich. Letztere kann z. B. durch eine gezielte Änderung der Trimmung erhöht und überwacht werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere an wendbar. Beispielsweise ist es möglich, durch einen weite ren Drehbewegungssensor zusätzlich die Gierbewegungen des Schiffes zu erfassen und das Schiff diesbezüglich optimal zu trimmen.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Trimmung eines Schiffes, bei welchem zumindest die Roll- sowie Stampfbewegungen des Schiffes gemessen und mit Erfahrungswerten in Abhängigkeit von Umweltbedingungen verglichen wenden, dadurch gekenn zeichnet,

- daß an dem Schiff ein mit diesem festverbundener Lagesensor angebracht wird,
- daß von dem Lagesensor zumindest die Roll- und Stampfbewegungen des Schiffes gemessen werden,
- daß aus den Roll- und Stampfbewegungen die zu ei nem intakten Schiff und zu den Umweltbedingungen gehörenden Soll-Frequenzspektren ermittelt und ge speichert werden,
- daß aus den Roll- und Stampfbewegungen in vorgeb baren Zeitabständen die Ist-Frequenzspektren er mittelt werden und
- daß die Ist-Frequenzspektren mit den Soll-Fre quenzspektren verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei intaktem Schiff und geänderten Umweltbedingungen er neut Soll-Frequenzspektren ermittelt und gespeichert wer den.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet,

- daß aus dem Soll-Frequenzspektrum sowie dem Ist- Frequenzspektrum die zugehörigen Betragsspektren gebildet werden,
- daß für die Betragsspektrendes Soll-Frequenzspek trums und des Ist-Frequenzspektrums jeweils ein integraler Summenwert gebildet wird,
- daß eine Differenz aus den Summenwerten gebildet wird und
- daß die Differenz mit einem Schwellwert verglichen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des Schwell wertes ein Alarmsignal ausgelöst und bedarfsweise die Trimmung geändert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß auf einer Anzeigeeinrichtung die Differenzen bezüglich der Roll- und der Stampfbewegungen angezeigt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Ist-Frequenzspektrum mit dem Soll-Frequenzspektrum bezüglich der Frequenzanteile verg lichen wird und daß die veränderten Frequenzanteile im Ist-Frequenzspektrum angezeigt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als Lagesensor ein faseropti sches Ringinterferometer verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lagesensor ein mit einer dielek trischen Flüssigkeit gefüllter Differentialkondensator verwendet wird.