Комп'ютерне моделювання безпечного повернення суден на програмні траєкторії руху

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет інфраструктури та технологій, м. Київ

Комп'ютерне моделювання безпечного повернення суден на програмні траєкторії руху

Калініченко Тетяна Валентинівна

аспірант, старший викладач кафедри навігації

та управління морськими суднами

Анотація

Під час комп'ютерного імітаційного моделювання процесу розходження суден, що знаходяться на невеликих відстанях, виявилося, що в разі безпечного ухилення небезпека зіткнення може знову виникнути на етапі повернення суден на їх програмні траєкторії руху. Для безпечного маневру повернення суден на програмні траєкторії після ухилення було розроблено метод оперативного керування виходом на програмну траєкторію руху за станом поточної ситуації, що враховує відносну позицію суден, їх параметри руху, кутові швидкості повороту та бік відхилення від програмної траєкторії. Коректність запропонованого методу була підтверджена імітаційним моделюванням, результати якого наводяться у цій статті. Моделювання здійснювалося за допомогою комп'ютерної програми, в якій використано аналітичні вирази та алгоритми, отримані в процесі наукового дослідження. Імітаційна програма по заданій початковій ситуації вибирає безпечний маневр повернення і будує траєкторію. Результуюча інформація подається у відносному та істинному русі. Аналіз результатів моделювання показує, що імітаційна комп'ютерна програма, яка використовує алгоритм вибору маневру повернення на програмну траєкторію руху, отриманий у дослідженні, у кожній ситуації вибирає безпечну (допустиму) траєкторію повернення з урахуванням пріоритетів, встановлених на трьох її типах. Усі вибрані програмою маневри виявилися безпечними. У статті наведено результати імітаційного моделювання траєкторій повернення судна на програмну траєкторію руху після розходження. Причому імітаційне моделювання маневру повернення судна на програмну траєкторію руху проводилося для різних ситуацій та різними типами траєкторії повернення.

Ключові слова: безпека судноводіння, попередження зіткнення суден, комп'ютерне моделювання, маневр розходження, програмна траєкторія руху.

Kalinichenko Tetiana Valentynivna, PhD student, senior lecturer of Navigation and Shiphandling Department, State University of Infrastructure and Technologies, Kyiv

Computer simulation of safe vessel return on software programmed route

Abstract

During the computer simulation modeling of the process of separation of vessels located at small distances, it was found that in the case of safe avoidance, the danger of collision may arise again at the stage of returning the vessels to their programmed trajectories of movement. For the safe maneuver of returning ships to the program trajectories after evasion, a method of operational control of the exit to the program trajectory was developed according to the state of the current situation, which takes into account the relative position of the vessels, their movement parameters, angular speeds of rotation and the direction of deviation from the program trajectory. The correctness of the proposed method was confirmed by simulation, the results of which are presented in this article. Modeling was carried out with the help of a computer program, which used analytical expressions and algorithms obtained in the process of scientific research. Based on the given initial situation, the simulation program chooses a safe return maneuver and builds a trajectory. The resulting information is presented in relative and true motion. Analysis of the simulation results shows that the simulated computer program, which uses the algorithm for selecting the return maneuver to the programmed movement trajectory obtained in the study, in each situation selects a safe (acceptable) return trajectory taking into account the priorities set on its three types. All the maneuvers selected by the program turned out to be safe. The article presents the results of simulation modeling of the trajectories of the ship's return to the program trajectory after departure. Moreover, the simulated simulation of the ship's return maneuver to the program trajectory was carried out for different situations and with different types of return trajectory.

Keywords: navigation safety, prevention of ship collisions, computer simulation, divergence maneuver, programed route.

Постановка проблеми

програмний траєкторія рух судно

Однією з найактуальніших у забезпеченні безпеки судноводіння є проблема запобігання зіткненням суден. Для створення передумов успішного її вирішення було розроблено коректну та адекватну математичну модель взаємодії суден у разі виникнення ситуації їх небезпечного зближення, яка використовує принцип застосування гнучких стратегій розходження.

Під час комп'ютерного імітаційного моделювання процесу розходження суден, що знаходяться на невеликих відстанях, виявилося, що в разі безпечного ухилення небезпека зіткнення може знову виникнути на етапі повернення суден на їх програмні траєкторії руху.

Для безпечного маневру повернення суден на програмні траєкторії після ухилення було розроблено метод оперативного керування виходом на програмну траєкторію руху за станом поточної ситуації, що враховує відносну позицію суден, їх параметри руху, кутові швидкості повороту та бік відхилення від програмної траєкторії. Коректність запропонованого методу була підтверджена імітаційним моделюванням, результати якого наводяться у цій статті.

Аналіз останніх досягнень і публікацій

Питання попередження зіткнень суден широко висвітлюються у дослідженнях, присвячених забезпеченню безпеки мореплавання.

Для формалізації розходження суден у роботі [1] використовуються методи теорії оптимальних дискретних процесів, а роботах [2, 3] методами теорії диференціальних ігор проводиться аналітичний опис взаємодії суден під час розходження.

У роботах [4, 5] розглянуто спосіб керування трьома суднами для безпечного розходження, у якому використовуються області неприпустимих значень курсів суден. У роботі [6] отримано вираз для розрахунку межі двовимірних областей неприпустимих параметрів руху суден елементарної групи, причому на точці межі досягається рівність дистанції найкоротшого зближення та гранично допустимої дистанції.

Аналітичні вирази для меж області неприпустимих курсів одного судна та швидкостей іншого наведені в роботі [7], і показано застосування області для вибору оптимального маневру розходження.

У роботі [8] запропоновано спосіб розрахунку параметрів комбінованого маневру розходження судна зміною його курсу та подальшим зниженням швидкості активним гальмуванням, який був реалізований у розробленій комп'ютерній імітаційній програмі.

Спосіб урахування інерційності судна в процесі розрахунку параметрів його стратегії розходження зміною курсу запропоновано у роботі [9]. Розглянуто різні динамічні моделі поворотності судна. У роботі [10] запропоновано спосіб урахування навігаційних небезпек у районі маневрування під час розрахунку параметрів його стратегії розходження.

Мета статті - аналіз результатів імітаційного моделювання методу безпечного повернення суден на програмні траєкторії після розходження.

Виклад основного матеріалу

Для перевірки коректності теоретичних результатів було виконано імітаційне моделювання маневру повернення судна на програмну траєкторію руху у різних ситуаціях та різними типами траєкторії повернення. Причому перший тип траєкторії повернення виконується поворотом у бік курсу виходу, другий тип - через циркуляцію, а третій тип - продовженням реалізації курсу ухилення, а через деякий час поворотом на курс виходу.

Моделювання здійснювалося за допомогою комп'ютерної програми, в якій використано аналітичні вирази та алгоритми, отримані в процесі наукового дослідження. Імітаційна програма по заданій початковій ситуації вибирає безпечний маневр повернення і будує траєкторію. Результуюча інформація подається у відносному та істинному русі. Є можливість програвання маневру.

Загалом було згенеровано понад 100 різних початкових ситуацій та розраховано параметри маневрів повернення на програмну траєкторію руху. Виявилося, що 51% маневрів мають перший тип траєкторії повернення, 37% другий тип і 12% третій тип. Усі вибрані програмою маневри виявилися безпечними.

На рис. 1 показано ситуацію, коли безпечний маневр повернення можливий траєкторією першого типу. На лівій частині екрана наведено відносну траєкторію переміщення судна відносно нерухомої цілі, розташованої в центрі лівої частини рисунка. Права частина рисунка містить траєкторії руху судна та цілі в істинному русі. Судячи з відносної траєкторії, дистанція між судном та ціллю протягом усього маневру повернення збільшується.

Рис. 1. Безпечний маневр повернення судна траєкторією першого типу

На рис. 2 наведено ситуацію, коли допустимим є маневр повернення за допомогою траєкторії другого типу, оскільки траєкторія першого типу не гарантує безпеки маневру. У цьому випадку судно починає поворот у бік, протилежний програмній траєкторії, і розходиться з метою в допустимій дистанції найкоротшого зближення.

Ситуація, коли допустимим є маневр повернення траєкторією третього типу, показано на рис. 3. З рисунка випливає, що для безпечного розходження судно спочатку протягом деякого інтервалу часу слідує курсом ухилення, після чого робить поворот у бік програмної траєкторії руху.

Рис. 2. Безпечний маневр повернення судна траєкторією другого типу

Рис. 3. Безпечний маневр повернення судна траєкторією третього типу

Результати імітаційного моделювання

Результати імітаційного моделювання 25 маневрів повернення судна на програмну траєкторію руху представлені в табличному вигляді.

Тут для кожної ситуації наведено тип траєкторії, гранично допустима дистанція найкоротшого зближення Ld, мінімальна дистанція Lmin в разі рекомендованого типу траєкторії повернення, мінімальна дистанція Lmin1 в разі іншого типу траєкторії повернення (перший тип, коли рекомендовано другий тип і другий тип, коли рекомендовано перший або третій тип), нормальна відстань до програмної траєкторії Lk, час маневрування tman рекомендованим типом траєкторії повернення, час маневрування tman1 в разі іншого типу траєкторії повернення.

Аналіз результатів моделювання показує, що імітаційна комп'ютерна програма, яка використовує алгоритм вибору маневру повернення на програмну траєкторію руху, отриманий у дослідженні, у кожній ситуації вибирає безпечну (допустиму) траєкторію повернення з урахуванням пріоритетів, встановлених на трьох її типах.

У деяких ситуаціях, наприклад 11-й і 13-й, перший і другий типи траєкторії є допустимими і час виконання маневру кожним типом траєкторії приблизно однаковий.

Висновки

Розглянуто три типи траєкторії повернення судна на програмну ділянку його руху. Наведено результати імітаційного моделювання 25-ти маневрів повернення судна на програмну траєкторію руху. Наведено приклади імітаційного моделювання для кожного типу траєкторії повернення судна.

Література

1. Куликов А.М. Оптимальное управление расхождением судов / А.М. Куликов, В.В. Поддубннй // Судостроение. - 1984. - № 12. - С. 22-24.

2. Lisowski J. Dynamic games methods in navigator decision support system for safety navigation/ Lisowski J. // Advances in Safety and Reliability. - 2005. - Vol. 2. - London-Singapore, Balkema Publishers. - Р. 1285-1292.

3. Кудряшов В.Е. Синтез алгоритмов безопасного управлений судном при расхождении с несколькими обьектами / В.Е. Кудряшов // Судостроение. - 1978. - № 5. - С. 35-40.

4. Бурмака И.А. Маневр расхождения трех судов изменением курсов/ И.А. Бурмака, А.Ю. Булгаков // Автоматизация судових технических средств: науч.-техн. сб. - 2014. - Внп. 20. Одесса: ОНМА. - С. 18-23.

5. Бурмака И.А. Управление судами в ситуации опасного сближения / И.А. Бурмака., З.Н. Пятаков., А.Ю. Булгаков - LAP LAMBERT Academic Publishing, - Саарбрюккен (Германия), - 2016. - 585 с.

6. Бурмака И.А. Применение областей недопустимих значений параметров движения судов для безопасного расхождения/ И.А. Бурмака, З.Н. Пятаков // Austria - science, Issue: 11, 2018. - С. 34-39.

7. Бурмака И.А. Применение областей недопустимих значений параметров для предупреждения столкновений судов при их внешнем управлении./ И.А. Бурмака, М.А. Кулаков, С.С. Пасечнюк // East European Scientific Journal, № 11 (27), 2017, part 1. - С. 40-48.

8. Burmaka O. Application of Infeasible Region Parameters for Prevention Collisions by Ships / O. Burmaka, O. Volkov, T. Omelchenko, I. Petrichenko // Transport Means 2020 Sustainability: Research and Solutions, Proceedings of the 24th International Scientific Conference, part II, September 30 - October 02, 2020, Online Conference - Kaunas, Lithuania, P. 773-776.

9. Бурмака И.А. Результати имитационного моделирования процесса расхождения судов с учетом их динамики / И.А. Бурмака // Судовождение. - 2005. - № 10. - С. 21-25.

10. Петриченко Е.А. Вьівод условия существования множества допустимих маневров расхождения с учетом навигационньх опасностей / Е.А. Петриченко // Судовождение. - 2003. - № 6. - С. 103-107.

References

1. Kulikov, A.M. (1984). Optimal'noe upravlenie rashozhdeniem sudov [Optimal control of ship divergence,]. Sudostroenie - Shi^b^^^ldi^g, 12, 22-24 [in Russian].

2. Lisowski, J. (2005). Dynamic games methods in navigator decision support system for safety navigation. Advances in Safety andRel^ab^l^^, 2, 1285-1292 [in English].

3. Kudrjashov, V.E. (1978). Sintez algoritmov bezopasnogo upravlenija sudnom pri rashozhdenii s neskol'kimi ob#ektami [Synthesis of algorithms for the safe control of a ship in case of divergence from several objects]. Sudostroenie - Shipbuilding, 5, 35-40 [in Russian].

4. Burmaka, I.A. (2014). Manevr rashozhdenija treh sudov izmeneniem kursov [Maneuvers of the divergence of three ships by changing courses]. A vtomatizacja sudovyh tehnicheskih sredstv - Automation of ship technical means, 20, -- 23 [in Russian].

5. Burmaka, I.A. (2016). Upravlenie sudami v situacii opasnogo sblizhenija [Management of ships in a situation of dangerous proximity]. LAP LAMBERT Academic Publishing, - Saarbrjukken (Germanija) [in Russian].

6. Burmaka, I.A. (2018). Primenenie oblastej nedopustimyh znachenij parametrov dvizhenija sudov dlja bezopasnogo rashozhdenija [Application of areas of inadmissible values of ship motion parameters for safe divergence]. Austria - science, 11, 34-39 [in Russian].

7. Burmaka, I.A. (2017). Primenenie oblastej nedopustimyh znachenij parametrov dlja preduprezhdenija stolknovenij sudov pri ih vneshnem upravlenii [Application of areas of invalid values of parameters to prevent collisions of ships under their external control]. East European Scientific Journal, 11 (27), 2017, 1, 40-48 [in Russian].

8. Burmaka, O. (2020). Application of Infeasible Region Parameters for Prevention Collisions by Ships. Proceedings of the 24th International Scientific Conference “Transport Means 2020 Sustainability: Research and Solutions ”. Kaunas, Lithuania, (pp.773-776). [in English].

9. Burmaka, I.A. (2005). Rezul'taty imitacionnogo modelirovanija processa rashozhdenija sudov s uchetom ih dinamiki [The results of simulation modeling of the ship separation process taking into account their dynamics]. Sudovozhdenie - Navigation, 10, 21-25 [in Russian].

10. Petrichenko, E.A. (2003). Vyvod uslovija sushhestvovanija mnozhestva dopustimyh manevrov rashozhdenija s uchetom navigacionnyh opasnostej [Derivation of the condition for the existence of a set of admissible diverging maneuvers taking into account navigational hazards]. Sudovozhdenie - Navigation, 6, 103-107 [in Russian].

Размещено на Allbest.ru