Структура и алгоритмы двухуровневой системы управления движением скоростных судов

Развитие мирового судостроения и судоходства непрерывно связанно с обеспечением безопасности плавания. Несмотря на усовершенствование технологий судостроения, внедрение на судах вычислительной техники, современных навигационных приборов и систем, а также других средств автоматизации, суда и корабли погибали и продолжают погибать. Более того, настораживает и тот факт, что ежегодная гибель кораблей и судов мирового морского флота имеет весьма устойчивую тенденцию и составляет за период с 1986 по 2001 год в среднем около 180 кораблей и судов из состава действующего мирового фло-та[80,81].

Неудовлетворительное положение дел с аварийностью на судах настоятельно требует поиска новых подходов к обеспечению безопасности мореплавания. Различным аспектам таких подходов посвящены исследования отечественных специалистов, опубликованные в последние годы [1,2,3,6,21,60,72]. Одним из таких подходов является разработка специальных бортовых систем обеспечения безопасности[60].

Обеспечение безопасности представляет собой комплекс мероприятий различного уровня, определяемых в первую очередь структурой опасностей или аварийных ситуаций.

Объектом исследования в работе являются скоростные суда. Значительную часть скоростного флота представляют суда с динамическими принципами поддержания: суда на воздушной подушке (СВП) амфибийного и скегового типа, суда на подводных крыльях (СПК), корабли-экранопланы. Кроме того, к скоростным судам и относятся катера, глиссеры, катамараны, суда с механизированным днищем, а также крупные корабли преимущественно боевого назначения, скорость которых обеспечивается за счет мощности двигательной установки.

Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации позволяет объединить причины всех аварийных ситуаций в четыре группы[30,55]:

• навигационные:

— гидрографические особенности, навигационное обеспечение и загрузка трассы движения;

— гидрометеорологические условия плавания;

— загрязненность пути плавающими предметами и ледовая обстановка.

• неисправности и повреждения корпуса и технических средств:

— выход из строя главных двигателей;

— разрушение или потеря одного из движителей;

— отказы навигационного комплекса;

— отказы систем управления движением и техническими средствами.

• ошибочные действия личного состава.

• пожары и взрывы.

Скоростные судна по-разному подвергаются авариям. Статистика показывает, что СВП в большей степени подвержены навигационным авариям. Случаи опрокидывания СВП составляют 27.8% от общего числа аварий СВП, тогда как случаев опрокидывания СПК не зарегистрировано. Одной из причин опрокидывания СВП является затягивание гибкого ограждения под корпус при больших углах дрейфа. Навигационные аварии возникают, как правило, в результате действия совокупности обстоятельств (факторов), различных по своему характеру: технических, организационных, психофизиологических, метеорологических и других. Практика показывает, что большинство навигационных аварий невозможно предотвратить при помощи конструктивных мероприятий, поэтому основным направлением повышения навигационной безопасности является создание или улучшение систем и средств автоматического управления судами.

Большинство аварий второй группы можно предотвратить путем повышения надежности конструкции и использованного оборудования. То же самое можно сказать об авариях четвертой группы. Кроме того, анализ имеющихся статистических данных [55] показывает, что неисправности технических средств не приводили к гибели судов, а выводили их из действия на различные сроки в зависимости от масштабов повреждений. Что касается первых двух видов можно определенно сказать, что создание и улучшение систем и средств автоматического управления судами играет не последнюю роль в обеспечении их безопасности. Применение новых способов управления позволяет предотвратить попадание судов в затруднительные ситуации, когда под действием внешних воздействий происходит разрушение конструктивных элементов корпуса или опрокидывание (положение лагом к волне, движение СВП с большим углом дрейфа, приводящее к зарыванию с последующим опрокидыванием).

К основным причинам неправильных действий личного состава относятся [30,55]:

— недостаточная подготовленность личного состава к правильной эксплуатации судов и технических средств, в частности, незнание их динамических особенностей, характера взаимодействия с окружающей средой и предельных возможностей их использования.

— недостаточно достоверный контроль состояния технических средств, а также нерегулярный характер их проведения.

— утомленность личного состава особенно при движении в штормовых условиях.

— быстротечность процессов, ограниченные возможности человека в восприятии поступающей информации и вырабатывании ответных действий.

— стрессовые ситуации.

Анализируя данные причины можно отметить что, для предотвращения аварии данной группы наряду с повышением подготовленности личного состава, улучшением условия эксплуатации необходимо привести человеческого фактора к минимуму. Естественным путём выхода из сложившихся ситуаций является создание противоаварийной системы с применением вычислительной техники, способствующей вырабатывать сигналы управления практически мгновенно.

Многим из скоростных судов характерна структурная неустойчивость имеются собственные числа системной матрицы объекта с положительным знаком, к ним относятся СПК с глубокопогруженными крыльями) или слабодемпферная колебательность СВП, функционирование таких судов невозможно без локальной системы автоматической стабилизации даже в нормальных эксплуатационных условиях. Естественно, безопасность движения судов возможна лишь при координированной работе системы стабилизации и противо-аварийной системы.

Таким образом, задача установки локальной и противоаварийной систем, а также координации их совместной работы является актуальной.

Рассмотрение существующих систем управления СВП и СПК[55] позволяет делать следующие выводы:

• на большинстве из них применяется одноуровневая структура, при которой практически все функции управления движением выполняются одним человеком — оператором. Такая структура, повышая оперативность в принятии и отработке решений по управлению движением, повышает психофизиологическую нагрузку и утомляемости оператора — водителя, что влияет на безошибочность управления и, следовательно, на безопасность движения судов.

• исследованы алгоритмы управления в аварийных ситуациях, однако, в качестве одних из признаков аварийных ситуаций рассматриваются предельные значения параметров движения. В тоже время, известно, что авария может и происходить при сочетании параметров, каждый из которых не превышает своего предельного значения.

Целью настоящей диссертационной работы является формирование структуры и алгоритмов двухуровневой системы управления скоростными судами, обеспечивающей повышение безопасности и устойчивости движения.

Разработка поставленной задачи в диссертационной работе потребовала решения основных вопросов:

1. Разработка структуры иерархической системы управления движением скоростных судов.

2. Синтез локальных систем управления движением СПК и СВП.

3. Разработка структуры противоаварийной системы с использованием многослойных нейронных сетей.

Это определило содержание и структуру диссертации.

В первой главе обосновывается общая структура иерархической системы управления. Рассматриваются математические модели и режимы движения скоростных судов. В результате предлагается двухуровневая структура системы управления движением, состоящей из локальных систем на исполнительном уровне и противоаварийной системы на стратегическом уровне.

Вторая глава посвящена алгоритмам линейного синтеза локальных систем. Предлагается алгоритм непрямой квадратичной задачи. Проверка предлагаемого алгоритма на примерах синтеза систем стабилизации СПК в вертикальной плоскости и СВП на заданной траектории подтверждает его эффективность.

В третьей главе осуществляется исследовательское проектирование противоаварийной системы. Обосновывается применение многослойных нейронных сетей в задаче определения области устойчивости движения. В итоге предлагается структура противоаварийной системы с использованием МНС. Данная глава завершается примером противоаварийного управления для СПК.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

Теоретические результаты работы.

1. Предложена двухуровневая структура системы управления движением скоростных судов, обеспечивающей повышенную безопасность и устойчивость движения, особенность которой заключается в наличии на 1-м уровне системы стабилизации кинематических параметров движения (для горизонтального движения — системы стабилизации судна на безопасном маршруте) и системы противоаварийного управления, находящейся на втором уровне.

2. Сформулирована и решена непрямая квадратичная задача, совмещающая в себе достоинства модального синтеза многоканальных систем управления с возможностью достижения оптимального управления движением скоростных судов.

Установлено, что при синтезе системы стабилизации движения скоростных судов, имеющих малый запас устойчивости из-за отсутствия или ослабленного контакта с опорной поверхностью целесообразно применить алгоритм непрямой квадратичной задачи, обеспечивающий расширенную область устойчивости.

3. Обоснована структура противоаварийной системы управления, особенность которой заюпочаетмя в использовании МНС для решения задачи определения области устойчивости движения, а также в качестве ассоциативной памяти при выработке аварийных управляющих воздействий. Преимущество применения МНС по сравнению с традиционными подходами заключает в применимости для систем высокого порядка и возможности уточнения границы области устойчивости на основе эксплуатационных данных. Способности НС запоминания и мгновенно выработки «удачных» управляющих воздействий в аварийных ситуациях приводят время пребывания вне области устойчивости к минимуму.

Практические результаты работы.

1. Разработаны программы, позволяющие проводить моделирование и анализ движения скоростных судов.

2. Разработаны программы, использованные при разработке противоава-рийной системы на основе нейросетевых технологий.

3. Разработана структура системы противоаварийного управления, повышающая эффективность аварийного управления за счет самообучения нейронных сетей.

4. Разработана структура двухуровневой системы управления, обеспечивающая повышенную безопасность и устойчивость движения.

Использование результатов работы.

Разработанные в диссертации методы и модели и разработанный для них пакет прикладных программ используются в Санкт-Петербургском электротехническом университете при проведении научно-исследовательских работ.

В учебном процессе результаты диссертации используются на кафедре корабельных систем управления СПбГЭТУ при преподавании студентам 5 курса учебной дисциплины «Системы управления морскими подвижными объектами».

Основные научные положения и результаты диссертации докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ 2006;2007 года, на конференциях «Навигация и управления движением» 2006;2007 годов, опубликованы в 3 печатных работах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.