KR20160013074A - 선박 안정성 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

선박 안정성 모니터링 시스템 및 방법 Download PDF

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피터 제임스 니콜
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스태빌리티 솔루션스 아이엔씨.
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Abstract

정확한, 그러나, 낚시배와 같은 소형선에 구현하기에 충분히 간단한, 자동 안정성 시스템이 제공된다. 이는 GM(경심 높이)을 연산할 수 있게 하는 선박의 고유 롤링 주기의 연산에 사용되는 디지털 자력계, 디지털 가속계, 및 디지털 자이로스코프의 측정을 통합함으로써 이를 제공한다. 시간 및 속도 교정을 제공하기 위해 GPS가 또한 제공될 수 있다.

Description

선박 안정성 모니터링 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING STABILITY OF A VESSEL}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은, 35 U.S.C. '119(e) 하에, 2013년 5월 13일 출원된 미국특허가출원 제61/822,765호(발명의 명칭: "System and Method for Monitoring Stability of a Vessel"의 우선권을 주장하며, 그 내용은 본 발명에 포함된다.
기술분야
발명은 해상 선박의 안정성을 측정 및 모니터링하기 위한 방법 및 장치의 분야에 관한 것이다.
안정성은 정자세를 향해 또는 뒤집히도록, 일 방향으로 또는 다른 방향으로 회전하는 선박의 경향이다. 해상 선박 안정성 유지는 해상 전복 방지를 위해 중요하다. 전복은 선박이 안정성을 잃고 바로잡으려는 기능을 상실할 때 나타난다. 선박 안정성의 표준 척도는 선박의 무게 중심 G와 그 경심(metacentre) 간의 거리로 규정되는, 경심 높이 또는 GM 값이다. 안전 규정은 최소 경심 높이를 요구한다. GM은 횡방향 롤링 모션 및 종방향 피칭 모션에 대해 개별적으로 연산된다.
선박의 롤링 모션은 진자처럼, 중력장에서 매달려있는 스윙 암의 길이 및 동체의 크기에 의해 결정되는 고유 진동수를 가진다. GM은 본질적으로 스윙 암의 길이다. 롤링의 주기는 무게 중심을 통해 종방향 축 주위로 선박의 선회 반경 및 GM으로부터 연산될 수 있다.
선박의 경심 M은 거의 모든 부분에 대하여, 선박의 구조에 의해 고정된다. 이는 선박의 부피 및 선박의 관성 저항 간의 비에 의해 결정된다. 이는 다음과 같이 킬(keel) K로부터 경심 M까지의 수직 거리인 KM으로부터 연산될 수 있다.
KM = KB + BM
BM = I/V
이때, KB는 킬 K로부터, 선체가 변위하는 물의 부피 중심인 부력 중심 B까지의 거리이고, BM은 부력 중심 B로부터 경심 M까지의 거리이며, I는 제 4 파워에 대한 수면 면적의 제 2 모멘트(m)이며, V는 변위 부피(m3)다.
선박의 무게 중심 G의 위치는 선원 및 화물 선적 및 움직임, 연료 소모, 선박 외측의 착빙(icing), 물 흡수, 등과 같은 다수의 인자들에 따라 변한다. G의 위치 변화는 선박의 GM 값을 변화시키고, 따라서, 선박의 안정성을 변화시킨다. G가 경심 M 위의 지점으로 이동하면, GM은 음의 값이 되고 선박은 바로잡히지 않아서 전복 위험에 놓인다. GM이 선원 및 화물 이동, 연료 소모, 착빙, 등으로 인해 계속적으로 변화할 수 있기 때문에, 안전 상의 이유로, 선박 내 화물 및 연료 분포 및 중량을 고려하면서 GM을 계속적으로 모니터링 및 재연산하는 것이 중요하다.
선박의 GM을 연속적으로 연산할 수 있는 기기가 미국특허 제1,860,345호에 설명되고 있다. 이 특허에서 도시되는 장치는 선박의 최대 롤링 각도를 측정하기 위해 진자와 자이로스코프의 베어링 상의 최대 힘을 결정함으로써, 선박의 최대 롤링 속도를 측정하도록 자이로스코프를 포함한다. 이 장치는 기계적으로 복잡하며, 주의깊게 조정될 경우에만 잘 작동한다. 미국특허 제 2,341,563호는 진자를 포함하는 배의 경심 높이를 결정하기 위한 전기-기계 장치를 개시한다. 미국특허 제3,982,424호는 진자형 정밀 자이로스코프를 포함하는 롤 센서를 포함하는 선박의 경심 높이 결정을 위한 전기-기계 장치를 또한 개시한다. 이러한 시스템은 자동 모니터링 및 경보용으로 자동화되어 있지 않다.
미국특허 제4,549,267호 및 제4,647,928호는 해상 선박용의 컴퓨터에 의해 구현되는 안정성 시스템을 개시한다. 위 자동화 시스템은 대형 해양-운항 선박용으로 적합한 경향이 있고, 복잡하고 비싸다. 소형의 배들도 안전한 안정성 시스템을 요구하며, 따라서, 이러한 낚시배와 같은 소형선에 구현될 수 있는 저렴하고 간단한 시스템이 필요하다.
위 예의 관련 기술 및 이에 관련된 제한사항은 예시적인 것일 뿐 배타적인 것이 아니다. 관련 기술의 다른 제한사항은 명세서 및 도면을 읽고 난 후 당 업자에게 명백해질 것이다.
다음의 실시예 및 그 형태들은 범위를 제한하고자 하는 것이 아니라 예시적인 의미로 제시되는 시스템, 툴, 및 방법과 연계하여 설명 및 도시된다. 다양한 실시예에서, 앞서 설명한 문제점들 중 하나 이상이 줄었거나 제거되었을 수 있고, 다른 실시예는 다른 개선점을 지향한다.
따라서 그 실시예는 정확한, 그러나, 낚시배와 같은 소형선에 구현하기에 충분히 간단한, 자동 안정성 시스템을 제공한다. 이는 디지털 자력계, 디지털 가속계, 및 디지털 자이로스코프의 측정을 통합함으로써 이를 제공한다. 더욱이, 시간 및 속도 교정을 제공하기 위해 GPS가 제공될 수 있다.
앞서 설명한 예시적 형태 및 실시예에 추가하여, 추가적인 형태 및 실시예가 도면을 참조하여 그리고 다음의 상세한 설명을 연구함으로써 명백해질 것이다.
예시적인 실시예는 도면의 참조 그림에서 예시된다. 여기서 개시되는 실시예 및 그림은 제한적이기보다 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
도 1은 발명의 시스템에서 제공되는 선박의 개략도.
도 2는 롤 테스트 및 동적 안정성 모니터링을 위한 자동 상관 프로세스를 보여주는 순서도.
도 3은 롤 테스트 및 동적 안정성 모니터링을 위한 웰치 방법(Welch's method)을 이용한 고속 퓨리에 변환용 프로세스를 보여주는 순서도.
도 4는 평균 경사 실험 스크립트(Mean Incline Experiment Script) 프로세스를 보여주는 순서도.
도 5는 최대 롤 각도 값을 위한 프로세스를 보여주는 순서도.
도 6은 롤 주기로부터 GM(경심 높이)를 연산하기 위한 프로세스를 보여주는 순서도.
도 7은 전력 관리 프로세스를 보여주는 순서도.
다음의 설명 전체에서, 당 업자에게 더욱 완전한 이해를 돕기 위해 구체적 세부사항들이 제시된다. 그러나, 개시내용의 본질을 불필요하게 흐리지 않기 위해 잘 알려진 요소들이 구체적으로 설명하거나 도시되지 않았을 수 있다. 따라서, 설명 및 도면은 제한적인 측면 보다는 예시적인 측면으로 간주되어야 한다.
실시예는 네트워크화된 컴퓨팅 인프러스트럭처에 물류 선박 정보를 동기화하기 위한 휴대형 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 무선 네트워크, 셀룰러, 및 위성 RF 통신을 이용한 임베디드 센서 네트워크들의 조합이 제공될 수 있다. 이러한 네트워크 기술을 이용하여, 선박, 화물, 및 환경 조건에 관하여 데이터 교환을 자동화시킬 수 있다.
도 1에서, 흘수선(14)을 갖는 물(12)의 물줄기 상에서 부동하는 선박(10)은 선체(16), 킬 K, 무게 중심 G, 경심 M 및 부력 중심 B를 가진다. 주 센서는 관성 측정을 제공하는 관성 측정 유닛(IMU)(20)이다. 전역 위치확인 시스템/전역 항법 위성 시스템(GPS/GNSS) 수신기(24)가 위치 데이터를 제공한다. 복수의 추가적인 센서 장치(26)가 연료, 밸러스트, 및 화물 안정성에 관한 추가 정보를 감지/제공하기 위해 제공될 수 있고, 프로세서(28)는 시스템에 요구되는 연산을 수행한다. 프로세서(28)는 데이터 스토리지(30)를 가진다. 시청 또는 가청 경보(도시되지 않음)가 또한 제공될 수 있다.
IMU(20)는 4개의 통합 다축 센서 - I) 3-축 디지털 가속계, ii) 3-축 디지털 자이로스코프, iii) 3-축 자력계, 및 iv) 기압 센서 - 를 포함하는 10DOF IMU인 것이 바람직하다. 이는 10도의 관성 측정을 제공한다. 이러한 장치에 사용되는 일부 전형적인 칩셋은 ADXL345 데이터시트, L3G4200D 데이터시트, HMC5883L 데이터시트; BMP085 데이터시트다. 폼 팩터에 부합하고 칩셋 내에 이러한 또는 유사한 칩을 이용하는 임의의 10DOF가 시스템에서 작동할 것이다.
프로세서(28)는 적어도 64M 이상의 RAM을 가진 cpu인 것이 바람직하다. GPS/GNSS 장치(24)는 일체형 칩 안테나를 포함한 독립형 위치 확인을 제공하기 위해 u-bloxTM GPS/GNSS 안테나 모듈을 이용하는 것이 바람직하다. 임베디드 GPS 안테나를 갖춘 u-blox UP501 GPS 수신기 모듈은 항법 및 위치 데이터를 가능하게 한다. GPS 데이터는 데이터에 대한 밀봉된 자동 시간 스탬프를 제공하는데 또한 이용된다. 이는 보안 및 정당화 용이성(justifiability)에 사용되고, 부당 변경 방지에 사용된다.
센서 정보를 프로세서(28)에 전송하기 위해, 배터리로 작동되는 무선 스마트 라우터(22)가 사용된다. 이는 적절한 사양 및 호환성을 갖춘 임의의 스마트 USB 라우터일 수 있다. 50m-200m 무선 범위 및 USB 인터페이스를 가진 Comfast: CF-WU710N 이 선호된다. 스마트 라우터(22)는 전역 모니터링 시스템에 로컬 모바일 장치 또는 컴퓨터 네트워크를 또한 연결할 수 있다. 연료, 밸러스트, 및 화물 안정성에 관한 추가 정보를 감지/제공하기 위한 장치(26)는 온도, 습도, 응력변형 힘, 및 배경 복사 레벨의 측정을 위한 레이더 센서, 및 기타 사용자 규정 트랜스듀서를 포함할 수 있다.
따라서 센서로부터의 데이터 입력은, GPS 위치 레코드, 관성 모션, 온도, 습도, 응력변형 힘, 및 배경 복사 레벨을 포함한다. 매핑 시스템은 수많은 선박의 센서 데이터 및 항법 히스토리를 자동적으로 모을 수 있다. 추가적으로, 이러한 시스템은 자동 항법 또는 경보 통지 시스템과 연계하여 또는 독립적으로 사용될 수 있다.
선박의 감시 모니터링 시스템은 작동 시에 장치의 기능을 업데이트, 연장, 및/또는 변형하도록 원격 서비스 구조에 가입할 수 있다. 네트워크 서비스는 상용 소프트웨어 애플리케이션, 하드웨어 프로비저닝, 및 원격 위치 보고를 위한 유지 자산 관리를 포함할 수 있다.
시스템은 경보의 개념을 확장하여, 이상 선박 작동 및/또는 조건을 로컬 및 원격 조작자에게 알릴 수 있다. 예를 들어, 이러한 경보 상태는 선박의 명시된 용량을 넘는 액션을 보고할 수 있고, 작동 이상을 표시할 수 있으며, 또는, 일반적 보안 경보 상태를 표시할 수 있다.
모니터링 장치는 무정전 작동 보장을 위해 휴대형 독립형 전력원을 선택적으로 포함할 수 있다. 장치는 또한 로컬 유선 또는 무선 네트워크 간에 정보를 공유할 수 있고, 중앙 서비스와 교환할 관련 정보를 자동적으로 선택할 수 있다.
IMU(20)의 자력계를 이용하여 공간의 절대 벡터를 제공할 수 있다. 자이로스코프 드리프트가 이 벡터에 의해 보상된다. 자력계는 높은 주파수의 고조파로부터 폴드-오버(fold-over)를 방지할만큼 충분히 빠르게(10Hz) 샘플링하지 못할 수 있다. 따라서, 샘플 세트에 들어가기 전에 스펙트럼의 높은 부분을 필터링하면서 8kHz에서 오버-샘플링을 하는 것이 가능하다. 가속계는 자기 편차에 독립적으로 작동하며, 따라서, 3차원 공간에서 진실한 자세의 가중 추정을 통해 병진 이동을 보상하는 것을 또한 도울 수 있다.
지향성 모션은 지배적 초저음 파장의 결정을 위한 스펙트럼 분석 및 통계적 방법을 이용하여 분석된다. 이 정보는 안전도 범위를 해상하기 위해 이상적 조건 하에 선박의 조정 수치 모델로 증분식으로 샘플링된다. 이 정보는 자동 이벤트 트리거 임계치에 비교되어, 로컬 네트워크 상에 경보를 발급할 수 있고, 무선 통신 네트워크를 통해 자동 관리 통지를 전달할 수 있다.
GPS 장치(24)는 2가지 기능을 한다: 선박 속도 측면에서 교정 인자로, 그리고 클럭 드리프트의 교정 기능을 한다. 한 세트의 이벤트 내 선대 정보의 동기화는 모든 기계가 동일 시간의 거의 완벽한 근사를 공유할 것을 전역적으로 요구한다. 따라서, GPS 수신기의 시간 동기화를 이용하여, 모든 기계들이 불안정한 네트워크 소스 간에 성공적으로 시간을 근사시킬 필요없이 동일한 네트워크 시간 소스를 공유함을 고려할 때, 클럭 드리프트를 연속적으로 교정할 수 있다. 자세 추정 샘플은 이러한 서브-초 샘플 구간 내에서 엄격하게 정렬되고, 고정 대기시간 구간을 추적함으로써, 시스템은 멀티-태스킹 환경의 시간 추정보다 실제 시간에 밀접하게 일치하도록 자동 교정된다. 추가적으로, GPS 위치 정보는, 증분 위치 변화를 재구성하도록, 그리고, 근사 속도 벡터를 파악함으로써 모션의 센서 시스템 추정을 보조하도록, 오프라인 방식으로 사용될 수 있다. 각각의 센서에 대한 샘플링 윈도 내 불균일 샘플 구간을 교정함으로써, 고정 구간 샘플을 구축하기 위해 보간 방법을 통해 시간적으로 동시적 이벤트를 재구성할 수 있다. 따라서, Sequential Monter Carlo와 같은 표준 자세 분석 방법이 더 정밀하게 만들어지며, 유도되는 스펙트럼 분석 노이즈가 약해진다. 따라서, 시간 상의 동일 순간에 대해 서로 다른 위치에서 여러 자세 추정을 정확하게 교차 비교하지 않고서는 어려울 수 있는, 선박에서의 비틀림 응력변형의 분석이 이루어질 수 있다.
도 2를 살펴보면, 이 순서도는 프로세서(28)에 의해 수행되는 제 1 단계 - 즉, 롤링 검사 및 동적 모니터링을 위한 자동 상관 - 를 도시한다. 데이터베이스(32)가 로딩되고, 관성 측정 유닛(IMU)(20)으로부터 센서 데이터에 대해 질의된다. 보간 루틴을 이용하여 데이터를 취급할 수 있고, 도 3에 설명되는 바와 같이 기존 알고리즘을 이용하여 자동상관을 준비한다. IMU(20)로부터의 데이터를 이용하여 고유 롤 진동수를 연산할 수 있다. 돌아오는 결과는 고유 진동수 또는 무응답이다. 이 프로세스는 고유 진동수가 알려질 때까지 반복된다.
도 3을 참조하면, 웰치 방법을 이용한 고속 퓨리에 변환(FFT)이 도 2에 도시되는 롤링 검사 및 동적 안정성 측정 신호에 대해 사용된다. 데이터베이스(30)가 로딩되고, IMU(20)로부터의 센서 데이터에 대해 질의된다. 보간 루틴을 이용하여 데이터를 취급할 수 있고, 퓨리에 변환을 준비할 수 있다. 샘플링 진동수가 웰치의 방법 루틴을 위해 입력으로 사용된다. 웰치 방법을 이용하는 루틴이 FET 조작에 사용된다. 되돌아오는 결과는 고유 진동수 또는 무응답이다. 앞서 언급한 바와 같이, 이 프로세스는 고유 진동수가 알려질 때까지 반복된다.
도 4를 참조하면, 평균 경사 실험 스크립트가 또한 연산될 수 있다. 데이터베이스가 로딩되고, IMU(20)로부터의 센서 데이터에 대해 질의된다. 데이터는 선박 경사에 대한 평균값을 리턴시키는 평균화 루틴에 전달된다. 이러한 경사 실험은 킬 K로부터 무게 중심 G까지 길이를 결정하는데 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 최대 롤링 각도 값이 또한 연산될 수 있다. 데이터베이스(30)가 로딩되어, IMU(20)로부터의 센서 데이터에 대해 질의되어, 최대 가능 롤링 각도를 넘어섰는지를 결정할 수 있다. 데이터베이스 요소가 그 후 최대 경보값과 비교된다. 경보 온 또는 오프의 결과가 되돌아오고, 이러한 경보 상태의 불린(Boolean) 값이 데이터베이스에 레코딩된다. 그 후 데이터베이스는 경보 상태 값에 대해 작용하는 다른 루틴에 의해 질의받는다.
도 6을 참조하면, GM(경심 높이)가 롤링 주기로부터 연산된다. 고유 롤링 주기가 고유 진동수로부터 알려진 연산에서 도출된다. 도 2, 3으로부터의 고유 진동수로부터 취한 기기-연산 고유 롤링 주기와 용기에 대해 등록된 선회 반경, 그리고, 특정 선박의 GM 상수를 이용하여, GM 루틴은 현 GM 값을 연산한다. 선회 반경은 주어진 선박에 대해 고유하며, 네이벌 아키텍트(Naval Architect)에 의해 준비된 배수량 등곡선도로부터 도출된다. GM 상수는 선박의 종류에 고유하며, Principles of Naval Architecture(78쪽)로부터, GM 상수는 표면 선박의 경우 0.8이며, 단위는 미터다. 그 후 GM은 다음과 같이 연산된다:
GM = (GM_상수*선회_반경*고유_롤링_주기)2
프로세서(28)에 의해 연산되는 다음의 상태들은 가청 또는 시청 또는 두가지 모두에 해당하는 경보를 발생시킬 것이다:
1 큰 각도 롤링
2 작은 GM
3 큰 가속
4 급격한 습도 변화
5 인가되지 않은 전력 사이클
6 리스트 - 정적
7 리스트 - 동적
8 일반적 오기능
9 CPU 고장
10 백업 배터리 최소 전압
11 포톤 검출기
12 기타 사용자-명시 경보
IMU(20)의 가속계는 프로세서(28)로 하여금 경보 신호를 발생시킬 수 있게 하는 충격(impact)을 또한 검출할 수 있다.
시스템이 갖는 선택적 기능들은 i) 전역 모니터링 시스템에 로컬 모바일 장치 또는 컴퓨터 네트워크를 연결하는 배터리-작동식 스마트 라우터와, ii) 안내 및 원격 측정에 관한 릴레이 정보, GPS, 기상, 배경 복사, 온도, 및 습도와, iii) 레이다 및 소나로부터 동적으로 업데이트되는 안전 정보와 함께, 디젤 전기 하이브리드 엔진 관리 및 자동 안내 시스템을 갖춘 독립형 전력 관리 시스템과, iv) 보험사용 선단 관리 및 추적, 실시간 이용 및 위치 정보 중계와, v) 내부 부당 변경 방지 시간 코드를 갖는 부당 변경 방지 데이터 수집 및 관리와, vi) 독립형 및 부당 변경 방지 AIS 시스템(자동 식별 시스템) 정보 및 관리와, vii) 모바일 연결망을 통해 중앙 위치에 중계되는 연료, 밸러스트, 및 화물 안정성에 관한 추가 정보와, viii) 배치할 선박 상에 또는 근처에 나타나는 사고의 법의학적 복원 및 장기 진단 모니터링을 위한 충전 관리 시스템을 갖춘 독립형 백업 파워 시스템과, ix) 단전, 연료 상태, 등을 선박 소유자 및 조작자에게 알리기 위한 폭넓은 시스템 전력 감시계와, x) 프로그래머블 장치 네트워크 또는 보조 프로그래머블 로직 장치 모니터링 시스템 제어를 통해 모바일 디바이스 또는 연결된 컴퓨터를 따라 중계되는 선원 및/또는 화물에 관한 안전 중계 모니터링 정보와, xi) 보안 연결을 제공하면서 중앙 기관으로 터널링을 보고하도록, 상기 장치로부터 기존 플랫폼 상의 조작자에게로 상태 정보를 중계하는 PLD(programmable logic device) 휴먼 머신 인터페이스 시스템과의 통합과, xii) 문제점을 완화시키도록 반응형 시스템을 원격으로 금지 및/또는 작동시키는 기능을 제공하면서 자산의 위치를 모니터링하기 위한 보안 툴과, xiii) 연료 문제로부터 발이 묶이는 것과 같이 가능한 이벤트를 조작자에게 알리도록 경보 상태를 이용한 예측적 범위 경로 플래닝과, 해적과 같은 비인가 승선의 근접도, 스케줄 변동, 조작자 비활성, 화재 경보 시스템, 기상 경보 시스템과, xiv) 전력망, 해양학 장비 통신 인프러스트럭처, 레이다 인프러스트럭처, 잠수가능 및 표면 선박과의 통합과, xv) 이상 시추 활동, 기계적 노이즈, 지진 활동, 가공 및 재고 조절, 카운팅 정보에 대한 플랫폼 모니터링과, xvi) 원격 링크를 통한 상기 서브시스템 제어, 정보 교환, 업데이트, 및 조작자 알림과, xvii) 프로토콜 변환 및 네트워크 프로토콜 적응과, xviii) 시스템 모니터링, 보안 감사 및 모니터링, 작동 부하 모니터링, 전력 시스템 모니터링 및 제어, 태양풍, 석유화학, 및 원자력 시스템, 공기 품질 모니터링 시스템, 대기 모니터링 시스템, 폭발성 가스 모니터링 시스템, 독성 화학 물질 모니터링 시스템, 혈당 레벨, 산소 레벨, 진단 장비와 같은 의료 모니터링 시스템과의 통합과, xix) 견인 모니터링 시스템, 인장 진단 모니터링 시스템, 부식 모니터링 시스템, 응력 모니터링 시스템, 피로, 크랙 파열, 및 누설 모니터링 시스템을 포함할 수 있다.
시스템이 갖는 다른 선택적 특징들은 xx) TwitterTM과 같은 전역 네트워크에 공공 정보를 보고하는 것과 같은 소셜 네트워크 통합과, xxi) 꼭 네트워크이지는 않더라도 도킹 스테이션 또는 무선 연결과 같은 셀 폰 통합, xxii) 전역 결제 및 가입 관리와, 회계 통합, 연료 소모 계정, 및 비용 최적화 항해용 계정과, xxiii) 비활성 가스 대기 모니터링, 대기 가스 모니터링, 가령, 극저온계와, xxiv) 인터페이스 및 무-헤드 작동("무-헤드"는 스크린없음을 의미함)과, xxv) 음성 텍스트-스피치 및 원격 조작자 통신과, xxvi) 광학 시스템 인터페이스와, xxvii) 음향 인터페이스 시스템과, xxviii) 레이다 기반 인터페이스와, xxix) 공압 및 유압 시스템 인터페이스와, xxx) 염분 및 부력 모니터링, 수온 모니터링을 포함할 수 있다.
전력 공급 프로세스
전력 공급원은 입력 극성에 관계없이, 폭넓은 범위의 DC 및 AC 전압 전력 공급 입력(9v-48v DC로부터 110v AC까지)을 수용하는 것이 바람직하다. 노이즈가 공급 시스템 내로 피드백되는 것을 방지하기 위해 필터를 이용한 노이즈 억제와 함께 구성되는 복수 센서 및 보조 부하에 대한 전력 정류, 통제, 및 분배가 또한 제공된다. 전류 제한 루틴을 이용한 셧다운과, 열 보호를 이용한 시스템 제어 및 모니터링 알고리즘을 포함한, 컴퓨터-제어 스텝 다운 변환이 또한 포함된다.
부족전압 보호는 쇼트키 다이오드를 통해 이루어질 수 있다. 효율적인 토로이드 변압기는 프로세스에 전력 전달을 위해 스텝 다운 변환의 제 2 스테이지를 공급할 수 있다. 이는 저전압 고속 로직 제어 및 센서를 위해 3.3v로 취한다. 2차 전압 컨버터를 위한 바이패스 보호 다이오드가 또한 제공될 수 있다. 전력 변환 및 통제는 따라서, 프로세서, IMU, GPS, 습도 및 온도, 등에 제한되지 않는 보조 구성요소로 분배를 위한 준비가 된 상태다.
습도 센서를 이용하여, 침입을 물리치기 위한 통신 프로토콜 및 셧다운 트리거링과, 시스템의 부당 변경 방지 무결성을 보장할 수 있다. 광 검출기 회로가 또한 추가되어 잉여의 부당 변경 방지 시스템을 제공할 수 있다. 전체 시스템에 대한 실리콘 등각 코팅은 부식 및 관련 고장을 방지하는 기능을 할 수 있다.
전력 레벨 모니터링을 위한 별도의 감시 마이크로프로세서와 함께, 시스템의 작동 지속을 위해 순간 스위치-오버를 이용한 백업 배터리 보호를 제공하는, 트리클 충전 장치와 유사한 방식으로 기능하는 마이크로프로세서-제어 충전 관리 시스템이 제공될 수 있다. 이는 소생 및 데이터 복원을 보장하기 위해 배터리 방전 제한을 포함할 수 있고, 정돈된 셧다운 루틴을 제공하여, 데이터 저장을 보장할 수 있고, 시스템 브라운 아웃(brown out)을 방지할 수 있다. 이는 전력 차단 또는 고장을 알리기 위해 컴(com) 포트를 통해 전송되는 시스템 상태 메시지를 트리거링한다. 단락이 존재할 경우, 전체 시스템 안전의 보장을 위해 통상적으로 오픈되어 있는 고장 모드를 가진 다이오드-보호 논-래칭 릴레이를 통해 배터리가 분리된다. 이는 단전, 연료 상태, 등을 선박 소유자 및 조작자에게 알리기 위해 시스템-폭 전력 감시계를 제공한다.
전력 관리
도 7을 참조하면, 시스템은 빌트-인 배터리 충전과 함께 폭넓고 다양한 범위의 DC 및 AC 입력을 수용할 수 있는 스텝-다운 컨버터를 포함할 수 있다. 모니터링 회로가 주 공급 전압이 최소 전압 임계치 미만으로 떨어짐을 감지할 때, 배터리는 레귤레이터의 입력으로 스위치오버함으로써 시스템으로의 전력 공급을 인수한다. 온-보드 감시 회로는 전체 전력 관리를 모니터링한다. 전력이 차단되고 감지 회로가 허용 범위(통상적으로 약 5분)보다 더 긴 시간 동안 아웃 상태가 유지되고 감지 전압이 최소 임계 전압 미만임을 결정할 경우, 감시 시스템이 전력의 클리닝을 필요로하기 때문에 브라운-아웃없는 시스템 무결성을 보장하기 위해 장치의 순차적 셧다운을 개시할 것을 호스트 시스템에 알린다. 시스템은 알림을 받고 전력 사이클의 무선 통지가 전송된다. 감시 회로는 가이거(Geiger) 카운터, 응력변형 게이지, 및 습도 및 광자 센서(백플레인 모니터링 수행)를 가진다. 시스템은 감시계 타이머가 무응답을 감지할 경우 자체 리셋된다.
무선 통신 시스템이 프로세서(28)에 센서 측정을 전송하기 위해 설명되었으나, 이러한 통신이 유선으로 이루어질 수도 있다. 다양한 센서로부터의 측정이 연속적인 것이 바람직하지만, 통신망의 실제적 제한은 이러한 통신의 이러한 측정 및/또는 통신이 주기적일 것을 요구할 수 있다. "연속적"이라는 용어는 실제적인 용도로 연속적인 이러한 주기적 측정을 포괄한다.
다수의 예시적 형태 및 실시예들이 앞서 논의되었으나, 당 업자는 소정의 변형예, 대체예, 추가예, 및 그 서브조합들을 이해할 것이다. 따라서, 다음의 첨부된 청구범위 및 이에 따른 청구항들은 그 진실한 범위 내에 있는 이러한 모든 변형예, 대체예, 추가예, 및 서브조합들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 선박 안정성의 자동화된 연속 모니터링 방법에 있어서,
    i) 디지털 가속계, 디지털 자이로스코프, 및 디지털 자력계를 상기 선박 상에 제공하는 단계와,
    ii) 컴퓨터 프로세서를 포함하는 프로세서와, 데이터 스토리지와, 입력 신호에 기초하여 수학적 연산 및 비교를 수행하는, 그리고, 상기 수학적 연산 및 비교에 기초하여 출력 신호를 발생시키는, 컴퓨터 코드를 제공하는 단계와,
    iii) 상기 가속계, 자이로스코프, 및 자력계로부터 상기 프로세서로 주기적 또는 연속적 측정 신호를 전송하는 단계와,
    iv) 상기 프로세서가 상기 측정 신호를 이용하여, 일련의 시간 지점들에서 상기 선박의 롤링의 고유 주파수를 연산하는 단계와,
    v) 상기 프로세서가 일련의 시간 지점들에서 상기 고유 진동수로부터 상기 선박의 고유 롤링 주기를 연산하는 단계와,
    vi) 상기 프로세서가 상기 고유 롤링 주기로부터 일련의 시간 지점들에서 상기 선박의 경심 높이를 연산하는 단계와,
    vii) 상기 프로세서가 일련의 시간 지점에서 상기 선박의 연산된 경심 높이를 지정된 임계치에 비교하는 단계와,
    viii) 일 시간 지점에서, 상기 선박의 상기 연산된 경심 높이가 상기 지정된 임계치보다 낮을 때 경보를 발생시키는 단계를 포함하는
    연속 모니터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    ix) 위치, 시간, 및 속도 데이터를 상기 프로세서에 제공하도록 전역 위치파악 시스템 수신기를 제공하는 단계와,
    x) 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 고유 주파수의 상기 연산에 사용되는 시간 및/또는 속도를 교정하도록 상기 프로세서를 작동시키는 컴퓨터 코드를 제공하는 단계를 더 포함하는
    연속 모니터링 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    xi) 상기 프로세서가 일련의 시간 지점들에서 상기 선박의 평균 경사를 연산하는 단계와,
    xii) 상기 프로세서가 일련의 시간 지점들에서 상기 선박의 평균 경사를 지정된 상한 임계치와 비교하는 단계와,
    xiii) 일 시간 지점에서 상기 선박의 상기 평균 경사가 상기 지정된 임계치보다 클 경우 경보를 발생시키는 단계를 더 포함하는
    연속 모니터링 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    xiv) 상기 프로세서가 일련의 시간 지점들에서 상기 선박의 최대 롤링 각도값을 연산하는 단계와,
    xv) 상기 프로세서가 일련의 시간 지점들에서 상기 선박의 최대 롤링 각도 값을 지정된 상한 임계치에 비교하는 단계와,
    xvi) 일 시간 지점에서 상기 선박의 상기 최대 롤링 각도 값이 상기 지정된 임계치보다 클 경우 경보를 발생시키는 단계를 더 포함하는
    연속 모니터링 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    xvii) 상기 프로세서에 측정 데이터를 전송하는 하나 이상의 추가 센서를 제공하는 단계 - 상기 센서는 온도 센서, 습도 센서, 응력변형 힘 센서, 백그라운드 복사 레벨 센서, 연료 레벨 센서, 밸러스트 레벨 센서, 및 화물 안정성 센서로 구성되는 그룹에서 선택됨 - 와,
    xii) 상기 프로세서가 일련의 시간 지점들에서 상기 하나 이상의 추가 센서에 의해 제공되는 측정 데이터를 지정된 상한 또는 하한 임계치와 비교하는 단계와,
    xiii) 일련의 시간 지점들에서 상기 하나 이상의 추가 센서에 의해 제공되는 상기 측정 데이터가 상기 지정된 상한 또는 하한 임계치보다 크거나 작을 경우 경보를 발생시키는 단계를 더 포함하는
    연속 모니터링 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    ix) 주 전력 공급원 및 백업 배터리를 제공하는 단계와,
    x) 상기 주 전력 공급원이 최소 전압 아래로 떨어질 때 상기 프로세서가 상기 주 전력 공급원으로부터 상기 백업 배터리로 스위칭하는 단계와.
    xi) 최대 허용가능 주기보다 긴 주기 동안 전력이 차단되거나 명시된 전압보다 낮을 경우, 데이터 저장을 보장하기 위해 상기 프로세서가 순차적 셧다운 루틴을 제공하는 단계를 더 포함하는
    연속 모니터링 방법.
  7. 선박 안정성의 자동화된 연속 모니터링 시스템에 있어서,
    i) 디지털 가속계와,
    ii) 디지털 자이로스코프와,
    iii) 디지털 자력계와,
    iv) 컴퓨터 프로세서를 포함하는 프로세서와, 데이터 스토리지와, 실행될 때, 입력 신호에 기초하여 수학적 연산 및 비교를 수행하는, 그리고, 상기 수학적 연산 및 비교에 기초하여 출력 신호를 발생시키는, 컴퓨터 코드와,
    v) 상기 가속계, 자이로스코프, 및/또는 자력계로부터 상기 프로세서로 측정 신호를 주기적으로 또는 연속적으로 전송하기 위한 통신망과,
    vi) 가시 및/또는 가청 경보 신호를 발생시키기 위한 경보 수단 - 상기 컴퓨터 코드는 실행될 때, 상기 측정 신호를 이용하여 일련의 시간 지점들에서 상기 선박의 롤링의 고유 진동수와, 일련의 시간 지점들에서 상기 고유 진동수로부터 상기 선박의 고유 롤링 주기와, 그리고 일련의 시간 지점들에서 상기 고유 롤링 주기로부터 상기 선박의 경심 높이를 연산하고, 일련의 시간 지점들에서 상기 선박의 연산된 경심 높이를 지정된 임계치에 비교하며, 일 시간 지점에서 상기 선박의 상기 연산된 경심 높이가 상기 지정된 임계치보다 작을 경우 경보를 전송함 - 을 포함하는
    연속 모니터링 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    v) 위치, 시간, 및 속도 데이터를 상기 프로세서에 제공하기 위한 전역 위치파악 시스템 수신기와,
    vi) 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 고유 진동수 연산에 사용되는 시간 및/또는 속도를 교정하도록 상기 프로세서를 작동시키는 컴퓨터 코드를 더 포함하는
    연속 모니터링 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 가속계, 자이로스코프, 및/또는 자력계로부터 상기 프로세서로 측정 신호를 주기적으로 또는 연속적으로 전송하기 위한 상기 통신망이 무선망을 포함하는
    연속 모니터링 시스템.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서에 측정 데이터를 전송하는 하나 이상의 추가 센서를 더 포함하며,
    상기 센서는 온도 센서, 습도 센서, 응력변형 힘 센서, 백그라운드 복사 레벨 센서, 연료 레벨 센서, 밸러스트 레벨 센서, 및 화물 안정성 센서로 구성되는 그룹으로부터 선택되는
    연속 모니터링 시스템.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    주 전력 공급원 및 백업 배터리를 더 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 주 전력 공급원이 최소 전압 미만으로 떨어질 때 상기 주 전력 공급원으로부터 상기 백업 배터리로 스위칭하도록 프로그래밍되는
    연속 모니터링 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 최대 허용가능 주기보다 긴 주기 동안 전력이 차단되거나 명시된 전압보다 낮을 경우, 데이터 저장을 보장하기 위해 순차적 셧다운 루틴을 제공하도록 또한 프로그래밍되는
    연속 모니터링 시스템.
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