Оперативный выбор безопасных маневров последнего момента в судовых навигационно-информационных системах

Диссертационная работа посвящена исследованию маневров в экстремальных ситуациях, а также разработке методики контроля их исполнения. Около 35% всех видов навигационных аварий в Мировом морском флоте приходится на столкновение судов. Причем, значительная их часть происходит в экстремальных ситуациях. Под маневрами в экстремальных ситуациях подразумеваются маневры последнего момента, которые делятся на: маневры курсом, маневры скоростью, маневры с изменением и курса, и скорости. Маневры последнего момента в научно-технической литературе в силу их весьма ограниченного применения практически не освещены, а МППСС даже не содержат их определения и, тем более, рекомендаций по их исполнению. Использование маневров скоростью, к которым прибегают только при невозможности выполнения маневра курсом, также весьма ограниченно. С другой стороны, ограниченность применения указанных маневров обусловлена недостаточностью их теоретических исследований, а также анализа и синтеза математических моделей их исполнения. В основу прогноза развития маневров в экстремальных ситуациях, а в общем случае любых маневров, полагается аналитическое описание траекторий расходящихся судов (математическая модель), содержащее ряд переменных коэффициентов и констант, характеризующих тип судна или его маневренные качества. Эти коэффициенты и константы рассчитываются или устанавливаются экспериментально для определенных видов маневров (углов перекладки руля, вида реверсов, начальной скорости) и загрузки судна (в грузу, в балласте). Реально загрузка судна может быть неполной, а вид маневра отличаться от «стандартного». Свои коррективы в исполнение маневра вносят также изменения сопротивления движению судна, упора гребного винта, а также гидрометеофакторы, такие, как ветер, течение, волнение моря, ограничение глубины и др.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы подтверждается возрастающим количеством аварий, связанных с далеко не оптимальным маневрированием при возникновении чрезвычайных навигационных ситуаций. Эта проблема предполагает решение двух взаимосвязанных задач: разработка математических моделей прогноза маневров последнего момента, а также контроля исполнения маневра, что дает объективную информацию для возможной его коррекции. Контроль исполнения маневра в свою очередь требует расчета в реальном масштабе времени текущих параметров движения судна и элементов маневра. Термин «маневр последнего момента» подразумевает мгновенный оперативный прогноз предполагаемого маневра и рекомендации к оптимальному его исполнению одновременно с принятием судоводителем решения, соответствующего сложившейся ситуации.

Решение перечисленных вопросов направлено на повышение безопасности мореплавания за счет получения более достоверной и объективной информации по прогнозу и контролю исполнения маневров.

Современные математические модели движения судов, определение маневренных качеств, влияние внешних факторов на управляемость базируются на трудах ряда отечественных и зарубежных ученых. Крупный вклад в решение данных проблем внесен А. В. Васильевым [11,12,13,14], Р. Я. Першицем [75], В. Г. Павленко [72,73,74], С. Б. Олыыамовским [59,60,61,62,63,64,65,66,67,68], Ю. М. Петровым [76], В. А. Лукомским [51], Н. Ф. Соларевым [85,86,87], Ф. М. Кацманом [43], В. К. Турбалом [94], Ю. В. Федоровым, JI. JT. Крамником [96], Р. Е. Калманом [42], Е. Б. Юдиным, А. Г. Маковским [107], А. М. Басиным [4,5], В. И. Зайковым [37,118,119] и др. Из зарубежных можно указать работы X. Окамото [58], Ю. Фурукава [99], Хонда К. [ИЗ], Мартин Л. [117], Bauer Р. [110], Kijima К., Tanaka S., Furukawa Y., Hon Т. [116], Hasegawa К. [112], и др. В теорию автоматизации судовождения внесли большой вклад А. Е. Сазонов, А. И. Родионов [81,82] и др.

Наряду с разработкой новых методов и приемов управления судном развивались вопросы автоматизации судовождения на базе радиолокационной информации. Были созданы средства автоматической радиолокационной прокладки (САРП). В настоящее время весь крупнотоннажный морской флот оборудован такими системами. С помощью САРП автоматизирован процесс определения параметров расхождения судов: дистанции кратчайшего сближения судов, времени кратчайшего сближения судов и определения характера расхождения (какое судно достигает точки пересечения курсов первым). Внедрение САРП привело к повышению точности процесса расхождения судов. Если раньше в соответствии с хорошей морской практикой считалось, что при расхождении суда не должны приближаться друг к ругу на расстояние менее 2 мор. миль в открытом море и 1 мор. мили в прибрежном плавании и в местах с интенсивным движением судов, то теперь, с внедрением САРП считаются безопасными дистанции 1 мор. миля и 0,5 мор. мили соответственно, что привело к сокращению протяженности маневров, экономичности плавания и повышению безопасности.

За последние годы создана автоматическая идентификационная система (АИС), которая объединяет в себе достижения трех технологий:

— глобальные навигационные спутниковые системы;

— автоматическая цифровая радиосвязь;

— системы электронной картографии.

Идея АИС заключена в следующем:

— на каждом судне обеспечивается получение собственной позиции и параметров движения при помощи средств глобальных спутниковых систем;

— с каждого судна автоматически и циклически передаются данные о позиции и параметрах движения всем другим судам и береговым центрам;

— на каждом судне и в береговых центрах автоматически принимаются данные о позиции и параметрах движения всех судов, находящихся в зоне УКВ-радиовидимости;

— средствами электронной картографии на судах и в береговых центрах отображают и циклически обновляют принятые из эфира данные о позиции и параметрах движения судов, находящихся в зоне УКВ-радиовидимости.

В главе V конвенции SOLAS-74 устанавливается обязательность оборудования АИС всех судов вместимостью свыше 300 тонн, построенных после июля 2002 года.

В мае 1998 г. ИМО была принята резолюция MSC.74(69) ANNEX3, устанавливающая основные функциональные требования к универсальной АИС с закреплением в регламенте двух симплексных международных каналов радиосвязи AIS 1 (161,975 МГц) AIS 2 (162,025 МГц).

Сочетание АИС с электронной картографией вносит коренные изменения в практику судовождения и обеспечение безопасности мореплавания. Однако до сих пор не разработана эффективная система генерации оперативных рекомендаций.

Целью диссертации является разработка математических моделей маневров последнего момента и маневров скоростью, а также методики и алгоритмов расчета текущих параметров движения судна и исполнительных элементов маневра, ориентированных на их реализацию в судовой навигационно-информационной сети, являющейся составной частью АИС.

Для решения поставленной проблемы в целом в диссертационной" работе рассматриваются следующие частные вопросы.

В первом разделе вводятся некоторые определения, связанные с маневром последнего момента, и проводится анализ ряда аварий и катастроф.

Предотвратить некоторые из них мог бы объективно спрогнозированный маневр последнего момента. Анализируются причины и обстоятельства появления угроз аварий и даются рекомендации по их предотвращению. На основании проведенного анализа формируются постановка задачи исследований и направления ее решения, ориентированные на современные информационные технологии и технические средства автоматизации судовождения.

Второй раздел посвящен разработке математических моделей маневра последнего момента на пересекающихся курсах уступающим дорогу судном, привилегированным судном, обоими судами и маневра на встречных курсах. Алгоритмы маневров ориентированы на их компьютерную реализацию. Приводятся результаты экспериментальной проверки математической модели маневра последнего момента уступающим дорогу судном в реальном масштабе времени на навигационном тренажере фирмы ТРАНЗАС.

В третьем разделе представлена структура и разрабатывается математическая модель маневра скоростью, реализация которой призвана обеспечить безопасное расхождение на основе предлагаемого закона изменения скорости для различных реверсов двигателя. Разработана программа расчета дистанции начала маневра, не требующая от судоводителя специальной подготовки пользователя компьютера. Здесь же на основании результатов разделов 2 и 3 предложена структура судовой навигационно-информационной сети для контроля реализации маневра и расчета текущих параметров движения судна. Сформулирован перечень параметров движения судна, необходимых для построения и контроля исполнительной траектории маневра.

Четвертый раздел посвящен разработке расчетных формул для вычисления текущих параметров движения судна в судовой навигационно-информационной сети. Введено понятие линейной базы приемоиндикаторов ПИ СНС, состоящей из судового компьютера, сопряженного с двумя ПИ, антенны которых разнесены в диаметральной плоскости судна. Приведены навигационные возможности такой системы. Предложены аналитические зависимости для расчета практически всех параметров движения судна, включая требуемые новой редакцией главы V SOLAS. По данным транспондера АИС рассчитываются также текущие параметры движения судов-целей.

В пятом разделе исследуются вопросы выбора интервала и шага измерений, обеспечивающих с заданной точностью аналитическое воспроизведение траектории движения судна по дискретным обсервациям с помощью СНС. Разрабатываются экстраполяционные формулы для прогноза траектории. В заключение даются практические рекомендации по построению траектории движения судна.

Научная новизна представлена следующими результатами:

— разработаны математические модели маневров последнего момента курсом и маневра скоростью, ориентированные на реализацию в предлагаемой структуре судовой навигационно-информационной сети;

— разработана методика контроля исполнения маневров. Результаты текущего контроля позволяют принимать объективные решения по коррекции маневра;

— предложена структура линейной базы ПИ СНС, на основе которой получены аналитические зависимости для расчета практически всех параметров движения судна. Предложена методика оценки интервала и шага траекторных измерений по СНС.

Практической ценностью полученных в диссертации результатов является повышение безопасности мореплавания.

Исследования проводились с использованием методов синтеза математических моделей и математического аппарата аналитической геометрии, дифференциального исчисления, теории рядов и приближенных вычислений.

При выполнении работы использовались полученные самостоятельно автором теоретические результаты, а также совместные разработки,.

11 выполненные на кафедре «Технические средства судовождения» в рамках госбюджетной и договорной тематики.

Результаты проведенных в диссертации исследований использованы в НИР «Анализ пропускной способности проливов Босфор и Дарданеллы в связи с предстоящим увеличением объёмов танкерной транспортировки нефти после ввода в действие российской части трубопроводного Консорциума (КТК-Р) в порту Новороссийск» [1].

Основные положения проведенных исследований были доложены и обсуждены на второй региональной научно-технической конференции «Проблемы технической и коммерческой эксплуатации и модернизации транспорта» (г.Новороссийск, 2001 г.) и третьей региональной научно-технической конференции «Проблемы безопасности морского судоходства, технической и коммерческой эксплуатации морского транспорта» (г.Новороссийск, 2002 г.).

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом.

1. Разработаны математические модели маневров последнего момента при маневрировании уступающего дорогу судна, привилегированного, обоих судов и модель маневра на встречных курсах. Экспериментальная проверка модели маневра на навигационном тренажере показала, что различие результатов прогноза по предлагаемой методике и данным тренажера не превышает: по Д (t) — 5%- по Дкр — 4%- по Ткр — 5%.

2. Для предложенной модели маневра скоростью разработана программа ее компьютерной реализации, не требующая от судоводителя даже минимальной подготовки пользователя. Общение судоводителя с компьютером сводится лишь к вводу данных маневра в специальном формате пользователя.

3. Предложена структура судовой навигационно-информационной сети, объединяющая судовые технические средства навигации и транспондер АИС и предназначенная для решения задач прогноза маневров и контроля их исполнения, а в общем случае — вычисления практически всех текущих параметров движения, как собственного судна, так и судов-целей.

4. Введено понятие линейной базы ПИ СНС. На основании траекторных данных линейной базы разработаны аналитические зависимости для расчета практически всех текущих параметров движения судна в реальном масштабе времени, включая как основные, так и дополнительные элементы циркуляции, разгона и торможения, а также данные, требуемые новой редакцией главы V SOLAS-74.

5. Предложена методика и получены аналитические зависимости для оценки интервала и шага траекторных измерений, обеспечивающие заданную точность восстановления траектории по дискетным отсчетам. Получены экстраполяционные формулы для прогноза траектории судна.

Основные материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Основные положения проведенных исследований были доложены и обсуждены на второй региональной научно-технической конференции «Проблемы технической и коммерческой эксплуатации и модернизации транспорта» (г. Новороссийск, 2001 г.) и третьей региональной научно-технической конференции «Проблемы безопасности морского судоходства, технической и коммерческой эксплуатации морского транспорта» (г. Новороссийск, 2002 г.).

Полученные в диссертационной работе результаты использованы в НИР «Анализ пропускной способности проливов Босфор и Дарданеллы в связи с предстоящим увеличением объёмов танкерной транспортировки нефти после ввода в действие российской части трубопроводного Консорциума (КТК-Р) в порту Новороссийск».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.