WO1995027908A1 - Warnsystem zur installation auf einem schiff - Google Patents

Warnsystem zur installation auf einem schiff Download PDF

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Gunnar Becker
Karl-Emil Hansen
Jürgen Klemp
Günter TUMMOSCHEIT
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Stn Atlas Elektronik Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/802—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/001—Acoustic presence detection

Definitions

  • the invention relates to a warning system for installation on a ship of the type specified in the preamble of claim 1.
  • such a warning system provides the skipper with an additional aid in order to be able to recognize early on dangerous situations that occur constantly, particularly on busy shipping routes.
  • the microphone arrangement consists of three microphones, each with an egg-shaped one
  • a microphone is oriented to starboard, a microphone to port and a microphone to the aft.
  • the two microphones on the starboard and port sides are aligned so that they cover a forward sector of approx. 120 °. If the level of the sound picked up by the port or starboard microphone exceeds a predefined threshold value, the warning display is activated for the ship's side in question, which signals to the ship's command that a ship is on port or starboard.
  • acoustic warning and danger signals are usually localized and evaluated by a watchman on the ship's bridge by their own perception, for which purpose another man must be deployed on the ship's bridge in addition to the ship's master. This evaluation is also influenced by many factors and is not always correct and is rarely reliable. In a survey on the self-assessment of security guards regarding the determination of the direction of the perceived acoustic warning and danger signals, only 15% of the group of people questioned were able to indicate the direction of incidence exactly to 10 °, while 50% believed that the direction of incidence was only 45 "to be able to estimate exactly.
  • the invention has for its object to improve a warning system of the type mentioned so that the skipper early and reliable detailed information about all ship movements in the area maintains his ship and is therefore able to correctly assess the expected traffic situation and the resulting hazard potential.
  • the warning system according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the inclusion of the mandatory acoustic warning and hazard signals in the detection area of the warning system gives the skipper the exact acoustic bearing to the detected ship as well as information about the warning indicator Any kind of ship maneuvers and the operational status of the ship are made available automatically and without error. In this way, the ship's master can form an early judgment about the anticipated driving behavior of the counter-ship and, if necessary, initiate suitable maneuvers himself in good time in order to minimize the risk potential during the expected ship encounter.
  • the acoustic warning system thus closes a gap that even modern radar systems, such as the detection of small ships, such as sports boats or coasters, still leave open when the sea is rough, and thus makes a significant contribution to the safety of sea roads.
  • the device for classifying the sound signals has a frequency analyzer for determining the frequency spectrum of the sound signals and an analyzer for determining the signal duration and sequence of the sound signals.
  • FIG. 1 is a block diagram of a warning system for installation on a ship
  • FIG. 2 shows a block diagram of a direction generator in the warning system according to FIG. 1.
  • the warning system for installation on a ship shown in the block diagram in FIG. 1 serves for direction finding and classification of the mandatory warning and danger signals to be emitted by ships, hereinafter referred to as sound signals for short, and makes a significant contribution to the safety of shipping traffic.
  • the Maritime Shipping Ordinance stipulates that ships must be equipped with sound signal systems which, under certain boundary conditions (sea state, visibility and weather conditions) have to issue warning and hazard signals in order to acoustically inform the other ships. For example, ships over 12 m in length must be equipped with a whistle that must emit tones with a frequency that depends on the length of the ship in a certain way. Ships with a length of less than 75 m are a basic frequency between 250 and 700 Hz, ships between 75 and 200 m in length are one Basic frequency from 130 to 350 Hz and ships over 200 m in length are assigned a basic frequency between 70 and 200 Hz.
  • these pipes have to emit prescribed sound signals, a distinction being made between a short tone of approximately 1 s duration and a long tone of approximately 4 to 6 s duration.
  • a ship that has stopped its engines has to emit two long tones in succession at intervals, and a ship whose engines have been running backwards has to emit three short tones in succession at intervals.
  • acoustic warning and danger signals are automatically detected by the warning system, direction-finding and analyzed with regard to their information content.
  • Direction and information content are automatically displayed to the skipper, without having to use an additional watchman to monitor the warning and danger signals.
  • the warning system according to FIG. 1 has:
  • a microphone arrangement 10 which here consists of eight
  • a directional generator 12 for determining the direction of the incident sound from the
  • Microphone output signals a classifying device 13 for classifying that which is picked up by the microphone arrangement 10
  • Airborne noise and a warning indicator 14 which the
  • the microphones 11 are arranged equidistantly next to one another along a straight line and are at a distance d from one another which is dependent on the frequency of the airborne sound is selected.
  • the outputs of the microphones 11 are connected to the direction generator 12, which is shown in detail in the block diagram of FIG. 2.
  • the microphone output signals are each fed to a bandpass filter 15, the cut-off frequencies of which are determined by the fundamental frequencies of the sound signals emitted by the ships as a whole and are here between approximately 50 and approximately 800 Hz.
  • the "beamforming" known from sonar technology is carried out by means of the time delay elements 16 arranged downstream of the bandpass filters 15 and the summer 17 connected to them (Main lobe) can be swiveled through an angle of approx. 180 ° in advance by discrete angular steps.
  • the microphone arrangement 10 for example by arranging the microphones 11 on a circular line, can be designed in such a way that its directional characteristic can be pivoted up to 360 °.
  • the sum signal can be removed at the output 121 of the direction generator 12.
  • a maximum finder 18 connected to the output of the summer 17, the reception direction in which the reception level or the reception amplitude of the microphone arrangement 10 is greatest is determined.
  • This direction of reception with the maximum reception level is output as a bearing angle ⁇ at the output of the maximum finder 18 and is available at the output 122 of the direction generator 12.
  • This output 122 is connected to the warning indicator 14 (FIG. 1).
  • a threshold value detector can also be used, which selects all those reception directions in which the Reception level exceeds a predetermined threshold.
  • the bearing described by means of directional generator 12 or beam former is advantageous compared to other types of bearing, for example with a directional microphone, in that an antenna gain is achieved which leads to an improvement in the S / N ratio.
  • the output 121 of the direction generator 12 is connected to the input of the classification device 13. As can be seen from Fig. 1, the
  • Classifying device 13 has a frequency analyzer 20 for determining the frequency spectrum of the sum signal present at its input and an analyzer 21 for determining the signal duration and signal sequence.
  • the frequency analyzer 20 determines the frequency spectrum of the signal and eliminates the fundamental frequency thereof.
  • the structure and mode of operation of such a frequency analyzer are known and are described, for example, in DE 41 42 906 AI.
  • the signal duration and the signal sequence are determined in the analyzer 21, that is to say which signal duration occurs in which order.
  • the analysis results of the two analyzers 20, 21 are fed to the identifier 22, in which an a priori knowledge about the warning and danger signals specified according to the order of the maritime shipping routes is stored, i.e.
  • the identifier 22 now uses the analysis results and the stored data to identify both the ship size and the type of ship maneuver or the ship's operating state.
  • the output signals of the identifier 22 are fed to the warning display 14.
  • the warning display 14 comprises three Displays 23, 24, 25, the two displays 23 and 24 being connected to the identifier 22 and the display 25 being connected to the output 122 of the direction generator 12.
  • the bearing (bearing angle ⁇ ) to the detected foreign ship is shown in the display 25
  • the type of driving maneuver carried out by the foreign ship or its operating state is shown in the display 24 and the size or length of the foreign ship is shown in the display 23.

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Abstract

Ein Warnsystem zur Installation auf einem Schiff mit einer Mikrophonanordnung (10) zur gerichteten Erfassung von Luftschall aus der Schiffsumgebung und mit einer in Abhängigkeit von der Schallerfassung gesteuerten Warnanzeige (14) wird zwecks Erhöhung der Verkehrssicherheit auf Schiffahrtsstraßen zur Peilung und Klassifizierung der von Schiffen abzugebenden, zwingend vorgeschriebenen akustischen Warn- und Gefahrensignale verwendet, indem die Mikrophonausgangssignale einer Vorrichtung (12) zum Bestimmen der Einfallsrichtung der Schallsignale und einer Vorrichtung (13) zur Klassifizierung der Schallsignale zugeführt werden.

Description

BESCHREIBUNG
Warnsystem zur Installation auf einem Schiff
Die Erfindung betrifft ein Warnsystem zur Installation auf einem Schiff der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Ein solches Warnsystem gibt dem Schiffsführer neben dem üblicherweise eingesetzten Radar ein zusätzliches Hilfsmittel an die Hand, um Gefahrensituationen, die insbesondere auf stark befahrenen Schiffahrtsstraßen ständig auftreten, frühzeitig erkennen zu können.
Bei einem bekannten Warnsystem der eingangs genannten Art (GB-PS 1 247 122) besteht die Mikrophonanordnung aus drei Mikrophonen mit jeweils einer eiförmigen
Richtcharakteristik. Ein Mikrophon ist nach steuerbord, ein Mikrophon nach backbord und ein Mikrophon nach achtern ausgerichtet. Die beiden Mikrophone auf Steuer- und Backbord sind so ausgerichtet, daß sie einen Voraussektor von ca. 120° abdecken. Übersteigt der Pegel des vom Backbord- oder Steuerbordmikrophons aufgenommenen Schalls einen vorgegebenen Schwellwert, so wird für die betreffende Schiffsseite die Warnanzeige aktiviert, die dem Schiffsführer ein auf Backbord bzw. Steuerbord befindliches Schiff signalisiert.
Dieses bekannte Warnsystem vermittelt zwar dem Schiffsführer die Erkenntnis über Schiffsbewegungen in Vorausrichtung, Steuerbord oder Backbord, gibt ihm aber keine weiteren Informationen, die für ihn die zu erwartende Begegnungssituation mit dem angezeigten Schiff transparent machen.
Die einschlägigen Verordnungen für die Seeschiffahrt, z.B. die Seeschiff hrtsstraßen-Ordnung, schreiben unter bestimmten Randbedingungen, z. B. eingeschränkten Sichtverhältnissen, zwingend die Abgabe von akustischen Warn- und Gefahrensignalen durch die Schiffe vor, wobei festgelegt ist, welches Schiff mit welcher Länge welche Schallfrequenzen und Schallpegel benutzen muß. Schiffsmanöver, wie "ich fahre rückwärts" oder "ich ändere meinen Kurs nach Backbord" müssen dabei ebenso wie Gefahrensituationen, wie "manövrierunfähiges Fahrzeug" oder "geschlepptes Fahrzeug", durch bestimmte Schallsignalmuster (Modifizieren von Signaldauer und Signalfolge) kenntlich gemacht werden. Diese akustischen Warn- und Gefahrensignale werden üblicherweise von einem Wachgänger auf der Schiffsbrücke durch eigene Wahrnehmung lokalisiert und ausgewertet, wozu neben dem Schiffsführer ein weiterer Mann auf der Schiffsbrücke eingesetzt werden muß. Diese Auswertung wird durch viele Faktoren zusätzlich beeinflußt und ist nicht immer zutreffend und in den wenigsten Fällen zuverlässig. Bei einer Umfrage über die Selbsteinschätzung von Wachgängern bezüglich der Bestimmung der Richtung der wahrgenommenen akustischen Warn- und Gefahrensignale sahen sich nur 15 % des befragten Personenkreises in der Lage, auf 10° genau die Einfallsrichtung anzugeben, während 50 % glaubten, die Einfallsrichtung auf nur 45" genau schätzen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Warnsystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß der Schiffsführer frühzeitig und zuverlässig detaillierte Informationen über alle Schiffsbewegungen in der Umgebung seines Schiffes erhält und somit die zu erwartende Verkehrssituation und das dabei sich einstellende Gefährdungspotential zutreffend einzuschätzen vermag.
Die Aufgabe ist bei einem Warnsystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Warnsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch die Einbeziehung der zwingend vorgeschriebenen akustischen Warn- und Gefahrensignale in den Detektionsbereich des Warnsystems dem Schiffsführer über die Warnanzeige sowohl die exakte akustische Peilung zu dem detektierten Schiff als auch Hinweise über die Art evtl. Schiffsmanöver und über Betriebszustand des Schiffes automatisch und irrtumsfrei verfügbar gemacht werden. Der Schiffsführer kann sich so frühzeitig über das voraussichtliche Fahrverhalten des Gegenschiffes ein Urteil bilden und ggf. selbst rechtzeitig geeignete Manöver einleiten, um das Gefährdungspotential bei der erwarteten Schiffsbegegnung zu minimieren. Das akustische Warnsystem schließt damit eine Lücke, die selbst moderne Radaranlagen, etwa bei der Detektion von kleinen Schiffen, wie Sportbooten oder Küstenmotorschiffen, bei Seegang noch offen lassen, und leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit von Seestraßen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zur Klassifizierung der Schallsignale einen Frequenzanalysator zum Bestimmen des FrequenzSpektrums der Schallsignale und einen Analysator zum Bestimmen von Signaldauer und -folge der Schallsignale auf. Mittels eines Identifikators, in dem ein a priori-Wissen über die gemäß Seeschiffahrtsstraßen-Ordnung vorgegebenen Warn- und Gefahrensignale abgespeichert sind, werden anhand der Analyseergebnisse, Schiffsgröße und Art des Schiffsmanövers bzw. des Schiffsbetriebszustands identifiziert und über die Warnanzeige dem Schiffsführer zur Kenntnis gegeben.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Warnsystems zur Installation auf einem Schiff,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Richtungsbildners im Warnsystem gemäß Fig. 1.
Das in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte Warnsystem zur Installation auf einem Schiff dient zur Peilung und Klassifizierung der von Schiffen abzugebenden, zwingend vorgeschriebenen Warn- und Gefahrensignale, im folgenden kurz Schallsignale genannt, und leistet einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit des Schiffsverkehrs.
Die Seeschiffahrtsstraßen-Ordnung schreibt zwingend vor, daß Schiffe mit Schallsignalanlagen ausgerüstet sein müssen, die unter bestimmten Randbedingungen (Seegang, Sicht- und Wetterverhältnisse) vorgeschriebene Warn- und Gefahrensignale abzugeben haben, um die anderen Schiffe akustisch zu informieren. So müssen Schiffe über 12 m Länge grundsätzlich mit einer Pfeife ausgerüstet sein, die Töne mit einer von der Schiffslänge abhängigen Frequenz in bestimmter Weise aussenden muß. So ist Schiffen mit einer Länge kleiner 75 m eine Grundfrequenz zwischen 250 und 700 Hz, Schiffen zwischen 75 und 200 m Länge eine Grundfrequenz von 130 bis 350 Hz und Schiffen über 200 m Länge eine Grundfrequenz zwischen 70 und 200 Hz zugewiesen. Bei verminderter Sicht haben diese Pfeifen vorgeschriebene Schallsignale abzugeben, wobei zwischen einem kurzen Ton von etwa 1 s Dauer und einem langen Ton von etwa 4 bis 6 s Dauer unterschieden wird. So hat z.B. ein Schiff, das seine Maschinen gestoppt hat, in Abständen zwei lange Töne aufeinanderfolgend abzugeben, und ein Schiff, dessen Maschinen rückwärts laufen, in Abständen drei kurze Töne aufeinanderfolgend abzugeben.
Diese akustischen Warn- und Gefahrensignale (Schallsignale) werden von dem Warnsystem automatisch erfaßt, gepeilt und bezüglich ihres Informationsinhalts analysiert. Peilung und Informationsinhalt werden dem Schiffsführer automatisch angezeigt, ohne daß dieser einen zusätzlichen Wachgänger für die Überwachung der Warn- und Gefahrensignale einsetzen muß.
Hierzu weist das Warnsystem gemäß Fig. 1 auf:
Eine Mikrophonanordnung 10, die hier aus acht
Einzelmikrophonen 11 besteht, einen Richtungsbildner 12 zum Bestimmen der Richtung des einfallenden Schalls aus den
Mikrophonausgangssignalen, eine Klassifizierungsvorrichtung 13 zum Klassifizieren des von der Mikrophonanordnung 10 aufgefaßten
Luftschalls und eine Warnanzeige 14, welche die
Klassifikationsergebnisse dem Schiffsführer anzeigt.
Die Mikrophone 11 sind hier längs einer Geraden äquidistant nebeneinander angeordnet und weisen voneinander den Abstand d auf, der abhängig von der Frequenz des zu erfassenden Luftschalls gewählt ist . Die Ausgänge der Mikrophone 11 sind an den Richtungsbildner 12 angeschlossen, der detailliert im Blockschaltbild der Fig. 2 dargestellt ist. Wie dort ersichtlich, werden die Mikrophonausgangssignale jeweils einem Bandpaß 15 zugeführt, dessen Grenzfrequenzen durch die Grundfrequenzen der von den Schiffen insgesamt abgegebenen Schallsignale bestimmt ist und hier zwischen ca. 50 und ca. 800 Hz liegen. Mittels der den Bandpässen 15 nachgeordneten Zeitverzögerungsglieder 16 und des diesen nachgeschalteten Summierers 17 wird das aus der Sonartechnik bekannte "Beamforming" durchgeführt, wobei die von der Summe der Mikrophonausgangssignale gebildete Richtcharakteristik der Mikrophonanordnung 10 durch entsprechende Einstellung der einzelnen Zeitverzögerungsglieder 16 mit ihrer Richtung größter Empf ngsempfindlichkeit (Hauptkeule) um einen Winkel von ca. 180° in Vorausrichtung um diskrete Winkelschritte geschwenkt werden kann. Selbstverständlich kann die Mikrophonanordnung 10, z.B. durch Anordnung der Mikrophone 11 auf einer Kreislinie, so ausgestaltet werden, daß ein Schwenken ihrer Richtcharakteristik bis zu 360° möglich ist. Das Summensignal ist am Ausgang 121 des Richtungsbildners 12 abnehmbar. Mittels eines an den Ausgang des Summierers 17 angeschlossenen Maximumsuchers 18 wird diejenige Empfangsrichtung bestimmt, in welcher der Empfangspegel bzw. die Empfangsamplitude der Mikrophonanordnung 10 am größten ist. Diese Empfangsriehtung mit maximalem Empfangspegel wird als Peilwinkel ϋ am Ausgang des Maximumsuchers 18 ausgegeben und steht am Ausgang 122 des Richtungsbildners 12 zur Verfügung. Dieser Ausgang 122 ist mit der Warnanzeige 14 verbunden (Fig. 1) . Anstelle eines Maximumsuchers kann auch ein Schwellwertdetektor verwendet werden, der alle diejenigen Empfangsrichtungen selektiert, in welchen der Empfangspegel eine vorgegebene Schwelle überschreitet . Die beschriebene Peilung mittels Richtungsbildner 12 oder Beamformer ist gegenüber anderen Peilungsarten, etwa mit Richtmikrophon, insofern vorteilhaft, als dadurch ein Antennengewinn erzielt wird, der zu einer Verbesserung des S/N-Verhältnisses führt .
Der Ausgang 121 des Richtungsbildners 12 ist an den Eingang der Klassifizierungsvorrichtung 13 angeschlossen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist die
Klassifizierungsvorrichtung 13 einen Frequenzanalysator 20 zum Bestimmen des Frequenzspektrums des an seinem Eingang anstehenden Summensignals und einen Analysator 21 zur Bestimmung der Signaldauer und Signalfolge auf. Der Frequenzanalysator 20 bestimmt das Frequenzspektrum des Signals und eliminiert daraus dessen Grundfrequenz. Aufbau und Wirkungsweise eines solchen Frequenzanalysators sind bekannt und beispielsweise in der DE 41 42 906 AI beschrieben. Im Analysator 21 wird die Signaldauer und die Signalfolge bestimmt, also welche Signaldauer in welcher Reihenfolge auftritt . Die Analyseergebnisse der beiden Analysatoren 20, 21 werden dem Identifikator 22 zugeführt, in dem ein a priori-Wissen über die gemäß Seeschiffahrtsstraßen-Ordnung vorgegebenen Warn- und Gefahrensignale abgespeichert ist, also welches Schiff welche Grundfrequenzen aussendet und welche Signalkombinationen (kurze Töne/lange Töne) welches Schiffsmanöver bzw. welchen Schiffsbetriebszustand kennzeichnen. Der Identifikator 22 identifiziert nunmehr anhand der Analyseergebnisse und der abgespeicherten Daten sowohl die Schiffsgröße als auch die Art des Schiffsmanövers bzw. des Schiffsbetriebszustands . Die Ausgangssignale des Identifikators 22 werden der Warnanzeige 14 zugeführt. Die Warnanzeige 14 umfaßt drei Displays 23, 24, 25, wobei die beiden Displays 23 und 24 mit dem Identifikator 22 und das Display 25 mit dem Ausgang 122 des Richtungsbildners 12 verbunden sind. Entsprechend wird im Display 25 die Peilung (Peilwinkel ϋ) zu dem detektierten Fremdschiff, im Display 24 die Art des von dem Fremdschiff durchgeführten Fahrmanövers oder dessen Betriebszustand und im Display 23 die Größe bzw. Länge des Fremdschiffes angezeigt.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Warnsystem zur Installation auf einem Schiff mit einer Mikrophonanordnung (10) zur gerichteten Erfassung von Luftschall aus der Schiffsumgebung und mit einer in Abhängigkeit von der Schallerfassung gesteuerten Warnanzeige (14) , gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Peilung und Klassifizierung der von Schiffen abzugebenden, zwingend vorgeschriebenen akustischen Warn- und Gefahrensignale (Schallsignale) , indem die Mikrophonausgangssignale einer Vorrichtung zum Bestimmen der Einfallsrichtung der Schallsignale
. (Richtungsbildner 12) und einer Vorrichtung zur Klassifizierung der Schallsignale (Klassifizierungsvorrichtung 13) zugeführt sind.
2. Warnsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klassifizierungsvorrichtung (13) einen Frequenzanalysator (20) zum Bestimmen des Frequenzspektrums der Schallsignale und einen Analysator (21) zum Bestimmen von Signaldauer und Signalfolge der Schallsignale sowie einen Identifikator (22) aufweist, der mittels eines abgespeicherten a priori-Wissens über die gemäß Seeschiffahrtsstraßen-Ordnung vorgegebenen Warn- und Gefahrensignale anhand der Analyseergebnisse Schiffsgröße und Art des Schiffsmanövers bzw. des Schiffszustandes identifiziert und der Warnanzeige
(14) zuführt.
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