一种全垫升气垫船的安全限界控制方法以及基于安全限界的应急工况控制方法

摘要

本发明公开了一种全垫升气垫船的安全限界控制方法以及基于安全限界控制的全垫升气垫船的应急工况控制方法。其中安全限界控制方法，得到主限界参数和辅助限界参数，主限界参数包括纵倾角，侧滑角和横倾角，辅助限界参数包括艏部垂向加速度、回转角速度和横向速度；得到当前主限界参数和辅助限界参数中每个参数对应的危险级数；根据辅助限界参数的危险级数对主限界参数进行调整；根据调整后的主限界参数的各参数危险级数，根据相应的控制规则，得到控制指令，发送给执行机构，将得到的报警信息在人机界面上输出。本发明产生合理的规避危险的控制动作，能有效的保证气垫船特殊航行状态的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于全垫升气垫船的控制方法，尤其涉及在应急情况下的一种全垫升气垫船的安全限界控制方法以及基于安全限界控制的全垫升气垫船的应急工况控制方法。

背景技术

全垫升气垫船主要依靠围裙里面的静升压力来支撑船体，利用空气螺旋桨产生推力，通过空气舵等装置进行控制操作。由于特殊的航行机理，全垫升气垫船垫态航行时，船体的绝大部分都处于水面上的气流中，操控特性与常规水面船存在显著差异。全垫升气垫船的侧向阻尼很小，造成其对外界扰动敏感，在进行回转操纵或外界扰动作用下，容易出现严重侧滑现象，侧滑距离有时会延续数公里，加之其高速性、惯性大等特点，使其经常存在翻船的危险。全垫升气垫船在改变航向或作出机动时，经常造成一舷漏气，从而出现横倾现象。较大的横倾角将伴随较大的侧向泄流面积，会造成气垫内空气严重泄漏，严重影响垫升风机效率；船体横倾运动还会使围裙与水面接触，引起一舷航行阻力增大，造成侧滑加剧，一定程度上增加翻船的几率。气垫船高速航行时，如遇顺风发生低头触水时，艏部围裙如设计不当会突然失稳缩进，从而造成全船的低头埋首现象。侧滑甩尾、低头埋首、横倾过大是气垫船典型的危险航行状态，也是气垫船翻船的主要形式。当气垫船的操控设备或导航系统传感器出现故障时，也会影响船舶的操控和航行信息的获取，严重威胁航行安全。因此，必须控制气垫船的运动参数在一定范围(即安全限界安全区)之内并确保所有的操控设备和导航传感器工作正常，才能保证航行安全。

国外早期全垫升气垫船采用人工操控方式，主要是依靠驾驶员观察气垫船空间运动参数的变化，直接操纵船的执行机构来实现操船。由于全垫升气垫船在风浪中航行时稳定性较差，采用驾驶员人工操控方式时，不易得到良好的控制品质，而且驾驶员的工作量极为繁重，精神上承受巨大负担，一旦操纵不当，会造成船的高速回转与侧滑，使船处于危险的航行状态，可能造成翻船的严重事故。美、俄、英等国家相继开发研制了全垫升气垫船综合驾控系统。美国的LCAC等军用气垫船均配有具备协调控制方式的自动驾控系统。俄国在气垫船控制系统方面有丰富的理论及实际经验，20世纪90年代开发出了“黄橄榄石-32M”型气垫船协调运动控制系统，该系统包含有运动增稳控制功能，可以进行气垫船危险运动状态的控制，该型气垫船协调运动控制系统已经装备在“欧洲野牛号”大型气垫登陆艇上。国内对气垫船操纵控制技术的研究刚刚进入实用化阶段。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现气垫船的安全限界控制的，一种全垫升气垫船的安全限界控制方法。本发明的目的还包括，提供一种具有高安全性的，基于安全限界控制的全垫升气垫船的应急工况控制方法。

一种全垫升气垫船的安全限界控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：导航传感器进行数据采集，对采集到的数据进行野值剔除；

步骤二：对野值剔除后的数据进行平滑滤波，得到主限界参数和辅助限界参数，主限界参数包括纵倾角，侧滑角和横倾角，辅助限界参数包括艏部垂向加速度、回转角速度和横向速度；

步骤三：得到当前主限界参数和辅助限界参数中每个参数对应的危险级数，其中，主限界参数和辅助限界参数中的每个参数的取值范围分为安全区、预警区、报警区和控制区，安全区、预警区、报警区和控制区的危险级数依次为1级、2级、3级和4级；

步骤四：判断当前辅助限界参数的每个参数危险级数是否增加1级，如果没有增加进行下一步，如果增加进行相应的主限界参数危险级数的调整，具体方法为：

a、如果艏部垂向加速度的危险级数增加1级，则纵倾角的危险级数增加1级；

b、如果回转角速度的危险级数增加1级，则侧滑角的危险级数增加1级；

c、如果横向速度的危险级数增加1级，则横倾角的危险级数增加1级；

其中初始时刻的主限界参数和辅助限界参数中每个参数的取值均为安全区；

步骤五：根据调整后的主限界参数的各参数危险级数，根据相应的控制规则，得到控制指令，具体控制规则为：

(1)当纵倾角的调整后的危险级数对应的区域为预警区时，发出提示报警信息，当纵倾角的调整后的危险级数对应的区域为报警区时，发出警告报警信息，当纵倾角的调整后的危险级数对应的区域为控制区时，发出紧急报警信息，并产生螺距回零和舵角回零控制指令；

(2)当侧滑角的调整后的危险级数对应的区域为预警区时，发出提示报警信息，当侧滑角的调整后的危险级数对应的区域为报警区时，发出警告报警信息，当侧滑角的调整后的危险级数对应的区域为控制区时，发出紧急报警信息，并产生降速和保持航速控制指令；

(3)当横倾角的调整后的危险级数对应的区域为预警区时，发出提示报警信息，当横倾角的调整后的危险级数对应的区域为报警区时，发出警告报警信息，当横倾角的调整后的危险级数对应的区域为控制区时，发出紧急报警信息，并产降速和调整左右主机转速控制指令；

步骤六：将得到的控制指令发送给执行机构，将得到的报警信息在人机界面上输出。

本发明一种全垫升气垫船的安全限界控制方法，还可以包括：

1、还包括同时对所述的导航传感器进行在线故障诊断，具体方法为：

步骤一：对导航传感器进行数据冻结处理，判断得到的各导航传感器数据在冻结时间内是否 有变化，如果没有变化，则相应的没有变化的传感器出现故障，进行步骤二，如果有变化则重复本步骤；

步骤二：根据导航传感器故障情况，制定故障控制规则，其中导航传感器包括：计程仪、GPS接收机、平台罗经、北斗一号接收机、罗兰C接收机和气象仪，具体的故障控制规则为：

(1)如果计程仪和GPS接收机同时故障，产生降速和停航控制指令，并生成紧急报警信息；

(2)如果只有GPS接收机故障，生成警告报警信息；

(3)如果平台罗经故障，产生降速和停航控制指令，并生成紧急报警信息；

(4)如果北斗一号接收机、罗兰C接收机和GPS接收机同时故障，生成紧急报警信息；

(5)如果气象仪故障，生成提示报警信息；

(6)其他情况不做处理；

步骤三：将得到的控制指令发送给执行机构，将得到的报警信息在人机界面上输出。

基于安全限界控制的全垫升气垫船的应急工况控制方法，包括安全限界控制部分、设备和传感器故障情况下的操纵控制部分、以及报警信息和控制指令输出部分，

安全限界控制方法包括以下几个步骤：

步骤一：导航传感器进行数据采集，对采集到的数据进行野值剔除；

步骤二：对野值剔除后的数据进行平滑滤波，得到主限界参数和辅助限界参数，主限界参数包括纵倾角，侧滑角和横倾角，辅助限界参数包括艏部垂向加速度、回转角速度和横向速度；

步骤三：得到当前主限界参数和辅助限界参数中每个参数对应的危险级数，其中，主限界参数和辅助限界参数中的每个参数的取值范围分为安全区、预警区、报警区和控制区，安全区、预警区、报警区和控制区的危险级数依次为1级、2级、3级和4级；

步骤四：判断当前辅助限界参数的每个参数危险级数是否增加1级，如果没有增加进行下一步，如果增加进行相应的主限界参数危险级数的调整，具体方法为：

a、如果艏部垂向加速度的危险级数增加1级，则纵倾角的危险级数增加1级；

b、如果回转角速度的危险级数增加1级，则侧滑角的危险级数增加1级；

c、如果横向速度的危险级数增加1级，则横倾角的危险级数增加1级；

其中初始时刻的主限界参数和辅助限界参数中每个参数的取值均为安全区；

步骤五：根据调整后的主限界参数的各参数危险级数，根据相应的控制规则，得到控制指令，具体控制规则为：

1)当纵倾角的调整后的危险级数对应的区域为预警区时，发出提示报警信息，当纵倾角的调整后的危险级数对应的区域为报警区时，发出警告报警信息，当纵倾角的调整后的危险级数对应的区域为控制区时，发出紧急报警信息，并产生螺距回零和舵角回零控制指令；

2)当侧滑角的调整后的危险级数对应的区域为预警区时，发出提示报警信息，当侧滑角的调整后的危险级数对应的区域为报警区时，发出警告报警信息，当侧滑角的调整后的危险级数对应的区域为控制区时，发出紧急报警信息，并产生降速和保持航速控制指令；

3)当横倾角的调整后的危险级数对应的区域为预警区时，发出提示报警信息，当横倾角的调整后的危险级数对应的区域为报警区时，发出警告报警信息，当横倾角的调整后的危险级数对应的区域为控制区时，发出紧急报警信息，并产降速和调整左右主机转速控制指令；设备和传感器故障情况下的操纵控制方法为：

步骤一：对设备的状态标志位进行判断，若为1，则设备正常；若为0，则设备故障，进行步骤二；对导航传感器进行数据冻结处理，判断得到的各导航传感器数据在冻结时间内是否有变化，如果没有变化，则相应的没有变化的传感器出现故障，进行步骤二，如果有变化则重复本步骤；

步骤二：根据设备和导航传感器故障情况，制定故障控制规则，其中设备包括：主燃气轮机、垫升风机、螺旋桨、空气舵和发电机，导航传感器包括GPS接收机、北斗一号接收机、罗兰C接收机、计程仪、平台罗经和气象仪，具体的故障控制规则为：

(1)如果主燃气轮机、发电机和垫升风机任一故障，产生降速和停航控制指令，并生成紧急报警信息；

(2)如果螺旋桨双桨故障，产生降速和停航控制指令，并生成紧急报警信息；如果单桨故障，产生双桨匹配降速控制指令，并生成警告报警信息；

(3)如果空气舵双舵故障，产生降速和停航控制指令，并生成紧急报警信息；如果单舵故障，生成提示报警信息；

(4)如果计程仪和GPS接收机同时故障，产生降速和停航控制指令，并生成紧急报警信息；

(5)如果只有GPS接收机故障，生成警告报警信息；

(6)如果平台罗经故障，产生降速和停航控制指令，并生成紧急报警信息；

(7)如果北斗一号接收机、罗兰C接收机和GPS接收机同时故障，生成紧急报警信息；

(8)如果气象仪故障，生成提示报警信息；

(9)其他情况不做处理；

安全限界控制部分、设备和传感器故障情况下的操纵控制部分分别将其产生的控制指令和报警信息传送给报警信息和控制指令输出部分，报警信息和控制指令输出部分将接收到的控制指令传送给执行机构，将接收到的提示报警信息、警告报警信息和紧急报警信息进行分类后，传送给人机界面进行显示。

有益效果： 

本发明所提出的气垫船应急工况控制方法能够在气垫船运动进入安全限界危险区或传感器出现故障时，发出报警信号并做出合理的规避危险的控制动作，能有效的保证气垫船特殊航行状态的安全性，经过海上航行试验证明该方法具有良好的实用效果。本发明提出的气垫船应急工况控制方法经过实践证明能够取得较好的效果，提高了气垫船的航行安全性，极大地减少了驾驶员的工作量和精神压力，促进了气垫船的自动化。

附图说明

图1气垫船应急工况控制方法原理图。

图2横倾角数据滤波曲线。

图3横倾角安全限界分区示意图。

图4为安全限界控制规则表。

图5气垫船安全限界控制流程示意图。

图6气垫船在线故障诊断和控制报警流程示意图。

具体实施方式

全垫升气垫船在航行中容易产生低头埋首、侧滑甩尾和大横倾等危险运动状态，设备故障也会影响航行安全，为了解决气垫船在应急工况的操纵控制，避免发生事故，本发明提出了一种全垫升气垫船的应急工况控制方法，可以实现气垫船的安全限界控制和操控设备、导航传感器故障情况下的应急控制。气垫船应急工况控制方法原理如图1所示，主要包括：传感器数据处理1、安全限界分区2、安全限界控制规则3、设备和传感器在线故障诊断4、故障情况的控制规则5、控制指令和报警信息输出6。

传感器数据处理模块1对传感器的数据进行野值剔除和平滑滤波，根据历史数据的变化规律建立判断野值的依据，进行野值剔除和替代；根据实际的滤波目的以及实现的效果分析，采用无限冲激响应IIR低通滤波方法对数据进行平滑处理。

安全限界分区2模块对安全限界要监测的参数进行分区，每个限界参数的值域范围分为安全区、预警区、报警区和控制区4个区域。纵倾角、侧滑角和横倾角是最重要的监测参数，称之为主限界参数，而艏部垂向加速度、回转角速度和横向速度称为辅助限界参数。

安全限界控制规则3模块接受传感器数据处理模块处理过的数据，并根据安全界限分区对主限界参数所在的区域产生相应的报警控制动作指令，根据辅助限界参数所在的区域调整主限界参数的区间划分。

设备和传感器在线故障诊断4模块实时监测设备和传感器的数据，主要进行状态标志判断、数据冻结测试和指令响应测试来判定设备的工作状态，为故障情况的控制和报警提供依据。

故障情况的控制规则5根据故障在线诊断的结果，产生相应的控制动作指令。

控制指令和报警信息输出6模块将安全界限控制规则模块和故障情况的控制规则模块产生的控制指令发送给执行机构，主要控制主机转速、螺旋桨螺距和空气舵舵角；将报警信息在人机界面上输出，报警信息级别分为提示、警告和紧急3个级别。报警信息按照优先级从低到高分为提示、警告和紧急3个级别。提示报警信息时，界面出现黄色报警，操纵面板上的报警指示灯亮、蜂鸣器不工作，不会影响航行安全，不发送控制指令；警告报警信息时，界面出现红色报警，操纵面板上的报警指示灯亮、蜂鸣器工作，航行安全性变差，不发送控制指令；紧急报警信息时，界面出现红色报警，操纵面板上的报警指示灯亮、蜂鸣器工作，威胁到航行安全，将应急控制指令发送给执行机构。

基于所提出方法的控制软件程序集成在气垫船自动驾控系统上。自动驾控系统主要包括显示控制计算机、外设管理计算机和操纵面板，数据的采集处理和操控指令的输出由外设管理计算机完成，而显示控制计算机负责设备的故障诊断、应急控制逻辑实现和输出信息的界面显示，集成在面板上的蜂鸣器和报警指示灯提供声音和灯光报警功能。下面说明本方法的具体实施方式。

在传感器数据处理中，首先进行野值剔除然后进行数据平滑滤波。计算前N个历史数据变化率的平均值，将这个平均值乘上一个系数作为当前数据变化率的最大范围，以此作为判断野值的依据，当某一数据的变化率的绝对值大于这个范围时便认为是野值，发现野值后用线性外推法代替野值点，替代值可用下式计算得到：

${\bar{y}}_i=\frac{1}{10}(-4y_{i-5}-y_{i-4}+2y_{i-3}+5y_{i-2}+8y_{i-1})$

传感器数据的平滑滤波采用无限冲激响应IIR低通滤波方法，如图2为横倾角数据的滤波曲线。平滑滤波后的数据既能反映一段时间内的数据变化趋势，又不至于因为数据瞬间的剧烈变化而误判。

气垫船的操纵特性随航速不同而变化，所以其运动参数的安全限界的区域划分也应随航速的变化而变化。同样以横倾角为例来进行说明，随着航速增高，航行危险性越大，所以安全限界应该变窄，横倾角的安全限界分区如图3所示，其他限界参数的分区与此类似。

安全限界控制规则根据主限界参数所在的区域产生控制指令，当与主限界参数对应的辅助限界参数危险级升高1级，则主限界参数的区域危险等级上升1级。以横倾角安全限界为例，其对应的辅助限界参数为横向速度，当横向速度进入预警区时，横倾角的安全限界预警区变为报警区、报警区变为控制区。主限界参数与辅助限界参数的对应关系和安全限界控制规则见如图4，当主限界参数进入控制区后由控制器根据不同的危险状态给出机、桨、舵控 制指令并发出报警信息，而限界参数处在预警区或报警区时只发出报警信息，不产生控制动作，安全限界控制流程如图5所示，步骤如下：

(1)按照上述数据处理方法对传感器传来的数据进行野值剔除；

(2)对步骤(1)处理过的数据采用无限冲激响应IIR低通滤波方法进行滤波；

(3)判断艏部垂向加速度、回转角速度和横向速度是否进入危险区。若是，则分别调整相应的纵倾角限界分区、侧滑角限界分区和横倾角界限分区；若否，则进入步骤(4)；

(4)判断纵倾角是否进入危险区，若是，则螺距回零、舵角回零并进入步骤(5)；判断侧滑角是否进入危险区，若是，则降速、保持航向并进入步骤(5)；判断横倾角是否进入危险区，若是，则降速、调整左右主机转速并进入步骤(5)；若纵倾角、侧滑角及横倾角没有进入危险区，则不需要进行处理；

(5)根据步骤(4)生成相应的报警信息和控制指令并输出。

根据传感器数据的重要性来制定故障报警和控制规则，当故障影响到船舶操控和重要参数的获取威胁航行安全时，产生紧急报警信息并进行应急操纵控制，如果故障不会影响到航行安全时则产生一般信息，故障诊断和控制流程步骤如下：

步骤一：对导航传感器进行数据冻结处理，判断得到的各导航传感器数据在冻结时间内是否有变化，如果没有变化，则相应的没有变化的传感器出现故障，进行步骤二，如果有变化则重复本步骤；

步骤二：根据导航传感器故障情况，制定故障控制规则，其中导航传感器包括：计程仪、GPS、平台罗经、北斗一号、罗兰C和气象仪，具体的故障控制规则为：

1、如果计程仪和GPS同时故障，产生降速和停航控制指令，并生成紧急报警信息；

2、如果只有GPS故障，生成警告报警信息；

3、如果平台罗经故障，产生降速和停航控制指令，并生成紧急报警信息；

4、如果北斗一号、罗兰C和GPS同时故障，生成紧急报警信息；

5、如果气象仪故障，生成提示报警信息；

6、其他情况不做处理，返回步骤一；

步骤三：将得到的控制指令发送给执行机构，将得到的报警信息在人机界面上输出。

设备和传感器在线故障诊断4还可以同时包括对设备和传感器的故障诊断，具体方法如图6所示，某些设备提供了状态标志，所以先根据状态标志进行故障诊断。然后进行操控设备的指令响应测试，如果某设备在一段时间内都没有响应指令，则判定该设备出现了故障。最后对传感器进行数据冻结测试，如果某一传感器的数据在一段时间内无任何变化，则判定该传感器出现了故障。

根据操控设备和传感器数据的重要性来制定故障报警和控制规则，当故障影响到船舶操控和重要参数的获取威胁航行安全时，。产生紧急报警信息并进行应急操纵控制，如果故障不会影响到航行安全时则产生一般信息，这里的航行安全是指气垫船位置、航速、航态都可测并且在安全界限内步骤如下：

(1)根据设备提供的状态标志和指令响应测试的结果，判断操控设备的故障情况。若主燃气轮机故障，则无法操控，降速、停航，并生成紧急报警信息控制指令；若否，则进入步骤(2)；

(2)判断垫升风机故障情况，若故障，则无法操控，降速、停航，并生成紧急报警信息控制指令；若否，则进入步骤(3)；

(3)判断发电机故障情况，若故障，则属于关键设备故障，降速、停航，并生成紧急报警信息控制指令；若否，则进入步骤(4)；

(4)判断螺旋桨故障情况，若双桨故障，则无法操控，降速、停航，并生成紧急报警信息控制指令；若单桨故障，则难以操控，双桨匹配降速，并生成警告报警信息；若螺旋桨无故障，则进入步骤(5)；

(5)判断空气舵故障情况，若舵系统故障，则难以操控，降速、停航，并生成紧急报警信息控制指令；若单舵故障，则不影响航行安全，并提示报警信息；若空气舵无故障，则进入步骤(6)；

(6)所有操控设备正常，无报警，进入步骤(12)；

(7)根据对传感器数据冻结测试的结果，判断传感器的故障情况。若计程仪和GPS同时故障，则无法获得航速信息，降速、停航，并生成紧急报警信息控制指令；若只有GPS故障，则只生成警告报警信息；若否，则进入步骤(8)；

(8)判断平台罗经故障情况，若故障，则无法获得航态信息，降速、停航，并生成紧急报警信息控制指令；若否，则进入步骤(9)；

(9)若北斗一号、罗兰C和GPS同时故障，则无法获得位置信息，生成紧急报警信息控制指令；若否，则进入(步骤10)；

(10)判断气象仪故障情况，若故障，则无法获得环境信息但不影响航行安全，生成提示报警信息；若否，则进入步骤(11)；

(11)所有导航传感器正常，无报警，进入步骤(12)；

(12)报警信息和控制指令输出。

最后将应急工况控制的结果输出，报警信息在人机界面上显示，并驱动自动驾控系统操纵面板上的指示灯和蜂鸣器提供声音、灯光报警，控制指令通过接口板按照设备接口要求形式输 出给操控设备的控制系统。