Automatic Prevention of the Vessel’s Parametric Rolling on the Wave

Abstract

Parametric resonance is one of the most dangerous phenomena that occurs during a storm. In the event of a parametric resonance, an undamaged and properly loaded vessel can capsize within seconds. The essence of parametric resonance is to change the parameters of the vessel as an oscillating system. In this case, the coefficients of the differential equations of the vessel model become functions of time. Parametric oscillations are observed at a certain ratio between the frequency of the external influence and the frequency of the system's own oscillations. Parametric resonance in the roll channel is especially dangerous, which leads to a sharp increase in the amplitude of the vessel's rolling, water entering the deck and inside the vessel's hull, loss of stability and possible capsizing. The existing methods of storming are not effective enough, which is due to the use of visual methods for estimating the parameters of turbulence and manual graphic constructions, significant time delays between obtaining data for calculation and determining safe parameters of motion, the lack of constant measurement of turbulence parameters and refinement of safe motion parameters, the difficulty of selecting the dominant factor from the system dangerous factors, intuitive assessment of the level of danger. The authors have developed a method of automatic avoidance of parametric resonance, which differs from existing methods in that it automates the processes of measurement and information processing, reduces delays in decision-making, reduces the influence of the human factor on control processes, reduces crew fatigue, reduces the risks of losing the vessel and cargo, and in general increases the navigation safety. The developed method can be used for both manual and automatic control. In the manual control mode, the shipmaster has the opportunity to use automatically measured information and the results of its processing - visualization of parametric resonance areas and the position of the phase point for making management decisions. In the automatic control mode, the system itself calculates and implements safe movement parameters, and the shipmaster only observes its operation. The obtained results are reproducible and can be used to develop the functionality of automated systems and/or automatic parametric resonance avoidance modules. Параметричний резонанс – одне з найнебезпечніших явищ, що виникає під час шторму. У разі параметричного резонансу неушкоджене та належним чином завантажене судно може перекинутися протягом кількох секунд. Суть параметричного резонансу полягає у зміні параметрів судна як коливальної системи. У цьому випадку коефіцієнти диференціальних рівнянь моделі судна стають функціями часу. Параметричні коливання спостерігаються при певному співвідношенні між частотою зовнішнього впливу та частотою власних коливань системи. Особливо небезпечним є параметричний резонанс у каналі хитання, який призводить до різкого збільшення амплітуди хитання судна, потрапляння води на палубу та всередину корпусу судна, втрати остійності та можливого перекидання. Існуючі методи боротьби зі штормом недостатньо ефективні, що пов'язано з використанням візуальних методів оцінки параметрів турбулентності та ручних графічних побудов, значними затримками в часі між отриманням даних для розрахунку та визначенням безпечних параметрів руху, відсутністю постійного вимірювання параметрів турбулентності та уточнення параметрів безпечного руху, складністю вибору домінуючого фактора з системи небезпечних факторів, інтуїтивною оцінкою рівня небезпеки. Авторами розроблено метод автоматичного уникнення параметричного резонансу, який відрізняється від існуючих методів тим, що автоматизує процеси вимірювання та обробки інформації, зменшує затримки в прийнятті рішень, зменшує вплив людського фактору на процеси управління, зменшує втому екіпажу, знижує ризики втрати судна та вантажу, і загалом підвищує безпеку навігації. Розроблений метод може бути використаний як для ручного, так і для автоматичного управління. У режимі ручного управління капітан судна має можливість використовувати автоматично виміряну інформацію та результати її обробки - візуалізацію областей параметричного резонансу та положення фазової точки для прийняття управлінських рішень. В режимі автоматичного управління система сама розраховує та реалізує безпечні параметри руху, а капітан судна лише спостерігає за її роботою. Отримані результати є відтворюваними та можуть бути використані для розробки функціональності автоматизованих систем та/або модулів автоматичного уникнення параметричного резонансу.