Размещено на http://allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Одеська національна морська академія

УДК 656. 61. 052

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА МЕТОДУ СИНТЕЗУ ЛОКАЛЬНИХ СИСТЕМ НАВІГАЦІЙНОГО УСТАТКУВАННЯ СТИСЛОГО РАЙОНУ

Спеціальність 05.22.16 - Судноводіння

Алексішин Віктор Григорійович

Одеса - 2004

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівникдоктор технічних, професор Вагущенко Леонід Леонідович, завідувач кафедри електронних засобів судноводіння Одеської національної морської академії.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Потьомкін Олександр Еммануїлович, завідувач кафедри судноводіння на морських та внутрішніх водних шляхів Одеської національної морської академії

кандидат технічних наук

Дуднік Сергій Антонович,

провідний спеціаліст компанії „Каалбай Шіпінг Україна”.

Провідна установа: Одеський національний морський університет Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться 23 грудня 2004 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41. 106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: м. Одеса, вул.. Дідріхсона, 8, корп. 1, зал засідання вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул.. Дідріхсона, 8, корп. 2

Автореферат розісланий 20 листопада 2004 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д. т. н., професор Голіков В. А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Через похибки геодезичних зйомок та зсуви датумів карт відносно WGS-84 супутникові системи навігації поки що не можуть бути основними для навігації в стислих водах.

Провідна роль тут належить локальній системі навігаційного обладнання та способу визначення місця судна по берегових об'єктах.

Незважаючи на тривалу практику використання цих систем, теоретичних методів для їхнього аналізу та синтезу практично немає. Зростання інтенсивності судноплавства, збільшення розмірів та швидкостей сучасних суден висуває підвищені вимоги щодо рівня безпеки судноводіння в стислому районі.

Тому опрацювання та впровадження методів, які сприяють підвищенню безпеки, є актуальним й перспективним науковим напрямком.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з тематикою держбюджетної науково-дослідної роботи „Удосконалення методів безпечного судноводіння у складних умовах плавання”, номер державної реєстрації №0103U006406, в якій автору дисертації належить самостійно виконаний розділ, з “Тематичним планом науково-дослідної роботи Одеської національної морської академії”, а також з темами держбюджетних досліджень, які виконувались та виконуються на факультеті морського судноводіння: ”Організаційно-технічні заходи, які забезпечують безпеку плавання багатотоннажних газовозів на підходах до акваторій портів”, „Організаційно-технічні заходи, які забезпечують безпеку плавання багатотоннажних газовозів на підходах до акваторій пп.. Южний та Вентспілс”, 1985р. (розд. 1,2), номер державної реєстрації №1840019588; „Опрацювання ергономічних принципів підготовки судноводіїв та керування тренажерним процесом”, 1985р. (розд.2), номер державної реєстрації № 01840047124; „Опрацювання технологічної схеми експериментальної проводки плавдоку проекту 19371 з п. Херсон у Чорне море”, 1986 р.(розд.2,3), номер державної реєстрації № 01860019856; „Забезпечення навігаційної безпеки мореплавання у північно-західній частині Чорного моря”, 1995 р.; „Розробка заходів забезпечення безпечної проводки замовлення 107 по БДЛК”, 1992 р.; „Навігаційна підготовка до плавання”, 1993р., номер державної реєстрації № 01945002039; „Аналіз матеріалів, які регламентують умови та особливості плавання у Чорноморсько-Азовських Українських водах та суміжних акваторіях”, 1994 р.; „Теоретичні та експериментальні дослідження похибок навігаційних вимірів та обсервацій”, 1994 р.; „Розробка банку даних та програм навігаційного забезпечення судноплавства й флоту берегової охорони України у північно-західній частині Чорного моря”, 1995 р.; „Розробка додатку до обов'язкової постанови з МТП „Южний” для багатотоннажних танкерів дедвейтом 80, 100, 150 тис. тонн, які прямують до терміналу МНТ „Південний”, 2004 р, в яких автор був відповідальним виконавцем та виконавцем.

Мета та задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методики безпечного плавання суден у стислих районах.

Наукова гіпотеза дослідження полягае у тому, що у заданому стислому району плавання можливе застосування мінімального складу ЗНО, які забезпечують необхідну точність плавання по безпечній лінії шляху судна.

Головною задачею дослідження є створення алгоритму формування оптимальної системи навігаційного обладнання для стислих районів плавання суден. Головна задача декомпозицьована на чотири допоміжні задачі:

- кількісної оцінки ефективності системи навігаційного обладнання стислого району плавання;

- розробки способу формалізації стислого району плавання за допомогою частотних характеристик його елементів;

- розробки процедури оцінки точності бічного відхилення судна залежно від структури системи навігаційного обладнання;

- формування способу оптимізації структури системи навігаційного обладнання заданого району плавання шляхом синтеза оптимальних фрагментів, які дозволяють отримати оптимальну систему в цілому.

Об'єктом дисертаційного дослідження у дисертації обрано процес руху судна.

Предмет дослідження - навігаційні параметри руху судна.

В роботі застосовані такі методи:

- системний підхід для опису системи навігаційного обладнання;

- методи теорії імовірності та математичної статистики для кількісної оцінки ефективності системи навігаційного обладнання стислого району плавання, що описує ймовірність безаварійної проводки судна;

- методи чисельного інтегрування при оцінюванні ефективності системи навігаційного обладнання;

- методи ітерацій та апроксимацій при формалізації стислого району.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробці методики, яка містить алгоритм для забезпечення гарантованої безпеки плавання в стислих водах, який на основі встановлених закономірностей зміни бокового відхілиння від лінії заданого руху судна та стислості району дозволяє вибрати найліпший склад ЗНО для заданого району.

Вперше розроблені:

- спосіб оптимального синтезу системи навігаційного обладнання обмежених районів, який відзначається тим, що дозволяє поетапно формувати фрагменти системи, враховуючи формалізовані характеристики стислого району, зсув осьової лінії та рівень інформаційного навігаційного потенціалу цього району;

- спосіб обчислення кількісної оцінки ефективності системи навігаційного обладнання стислого району;

- частотний спосіб формалізації стислого району плавання;

- одержана процедура обчислення характеристик точності бічного відхилення судна залежно від структури системи навігаційного обладнання стислого району та показників точності її компонентів;

- спосіб послідовного синтезу оптимальної за вартістю системи навігаційного обладнання стислого району.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі алгоритми, програми та імітаційна модель можуть бути використані та впроваджені для оптимального навігаційного обладнання стислих районів плавання суден, включаючи фарватери, ріки, протоки, застосовуватись на суднах з метою вибору оптимальної комбінації навігаційних орієнтирів при навігаційній підготовці до плавання, для визначення місця судна та можливості безаварійного плавання у районі, обмеженому у навігаційному відношенні, а також у навчальному процесі при підготовці бакалаврів, спеціалістів та магістрів напрямку 1003 “Судноводіння та енергетика суден”.

Особистий внесок дисертанта. Одержані у роботі результати та матеріали виконані дисертантом самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та були схвалені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ОНМА у 1992-2004 роках, а робота в цілому подана на науково-технічній раді факультету морського судноводіння ОНМА.

Структура роботи. Робота складається із вступу, п'яти розділів, закінчення, додатку немає. Повний обсяг роботи -187 сторінок, є 36 рисунків та 6 таблиць, список літератури - 99 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У першому розділі дисертації наведено результати аналізу літературних джерел щодо проблеми розробки навігаційно-гідрографічного забезпечення мореплавання в стислих районах та прибережних водах; обґрунтовано вибір основних напрямків дослідження за темою дисертації. Проблема організації безпечного судноводіння є центральною в теорії судноводіння. Їй присвячені числені наукові дослідження, результати яких опубліковані в роботах вітчизняних та закордонних вчених, в тому числі класиків: А.П. Бєлоброва, В.В. Каврайського, А.П. Ющенка, М.М. Матусевича, Н.Ю. Рибалтовського. Різні аспекти проблеми організації безпеки судноводіння були досліджені А.І. Сорокіним, Г.Г. Єрмолаєвим, В.Т. Кондрашихіним, Л.Л. Вагущенком, Н.Д. Коломейчуком, А.С. Баскіним, І.А. Бліновим, В.В. Єлісєєвим, К.Б. Мартиновим, Ю.К. Барановим, І.Л. Бухановськім, Ю.А. Песковим, С.І. Деміним, А.С. Мальцевим та багатьма іншими.

Наведений в дисертаційній роботі аналіз показав, що проблема оцінки точності обсервацій судна досліджена достатньо повно й одержано коректні результати, що дозволили запропонувати практичні способи визначення ефективних оцінок шуканих обсервованих координат судна. Проблемам теоретичного дослідження та практичних прикладень впливу випадкових похибок виміру навігаційних параметрів на точність проводки судна та навігаційну безпеку судноводіння присвячені чисельні фундаментальні дослідження, монографії та публікації. Одержані методи визначення ефективних координат судна у разі надлишкових вимірів для випадків незалежних та взаємозалежних похибок вимірів, розроблені способи визначення найбільш вигідних умов для одержання максимально точних координат судна. судноводіння плавання береговий

Необхідно відмітити, що низка робіт присвячена дослідженню законів розподілу імовірностей погрішностей навігаційних вимірів, де показано, що поряд з розподілом Гаусса, опис випадкових погрішностей можливий змішаними розподілами та іншими типами розподілів, що мають „обважнілі хвости”.

Особливості плавання в стислих умовах досліджені значно менше, а питання навігаційного обладнання стислих районів практично залишились поза сферою проведених досліджень з проблем безпеки судноводіння. Комплексний підхід до проблеми навігаційного обладнання вимагає застосування різних методів сучасних досліджень для розробки адекватної математичної моделі, що утруднює коректну формалізацію об'єкту дослідження. Проводка суден у стислому районі плавання можлива лише за умов їхнього належного навігаційного обладнання. При цьому однаково важливими є задачі оцінки точності проводки та формального опису стислого району з урахуванням коректності вибору програмної траєкторії руху судна та засобів навігаційного обладнання.

Другий розділ дисертації містить методологічне забезпечення дисертаційного дослідження. Було виконано обґрунтування вибору основних напрямків дисертації, визначена мета роботи, розроблена технологічна карта наукового дослідження, яка визначає загальну структуру методологічного забезпечення дисертаційної роботи. Сформульована головна задача дослідження та розглянуті методи її вирішення. До того ж виконана декомпозиція головної задачі на чотири окремі задачі, вирішенням яких є чотири основні наукові результати роботи, що мають наукову новизну. Запропонована наукова гіпотеза дослідження, а одержані наукові результати та результати експерименту дали можливість оцінити практичне значення та значущість роботи і сформулювати її основні положення.

Загальна методика проведення дослідження за темою дисертації, в якій обґрунтовується застосування запропонованих методів на кожному з його етапів, розглянута в останньому розділі.

У третьому розділі дисертації викладено теоретичні аспекти частотного способу оцінки ефективності системи навігаційного обладнання стислого району. В цілому навігаційне обладнання - це сукупність заходів, спрямованих на підтримку та розвертання, а також введення в дію різних засобів навігаційного устаткування, які можуть бути радіотехнічними, гідроакустичними, зоровими, електромагнітними та звукосигнальними.

У дисертаційній роботі під системою навігаційного обладнання стислого району плавання мається на увазі сукупність радіотехнічних та зорових засобів навігаційного устаткування, які є підсистемами, тобто компонентами вихідної системи. Системна властивість такої системи полягає у спроможності організувати безпечне плавання суден в стислому районі, чого не можна досягнути через окремі підсистеми. Структура системи являє собою сукупність зв'язків між підсистемами, до того ж природа зв'язків може мати різний характер: інформаційні, позиційні, функціональні та інші.

Основною цільовою функцією системи навігаційного обладнання є визначення місця судна з необхідною точністю, а також існує декілька допоміжних функцій, до яких належить огородження небезпечностей, визначення меж фарватеру та його центральної осі. Для здійснення основної цільової функції система навігаційного обладнання повинна мати додатково до природних орієнтирів, а також до існуючих в цьому районі радіотехнічних полів, штучні компоненти, які створюватимуть додаткові можливості визначення місця судна з заданою точністю. Необхідно враховувати, що система навігаційного обладнання створює передумови визначення місця судна з належною точністю, які мають бути реалізовані бортовою судновою навігаційною апаратурою, укомплектованою належним чином відповідно до існуючих вимог.

Функціональним призначенням системи навігаційного обладнання стислого району є організація безпечної проводки судна в допустимій області цього району. Таким чином, ефективність системи навігаційного обладнання має відбивати ступінь забезпечення безаварійної проводки, що формально можна визначити за допомогою характеристик імовірностей. Доцільним є взяти за таку характеристику використання апріорної імовірності безаварійної роботи судна у заданому районі.

У даній роботі обчислюється імовірність безпечного плавання в області, межі якої задані, тому пропонується нижчезазначений підхід до вирішення поставленої задачі. Припускається, що допустима область безпечного плавання, задана аналітичним описом її правої (X,Y) та лівої (X,Y) межі, до того ж в області задана програмна траєкторія руху судна (X,Y). Кожній точці програмної траєкторії можна поставити у відповідність пару нормальних відстаней (X,Y) и (X,Y) від програмної траєкторії руху до правої та лівої межі безпечної області. Під час руху судна програмною траєкторією виникають його неминучі бічні відхилення, що мають випадковий характер, який зумовлений стохастичною природою похибок обсервації й обчислення судна та його рисканням під впливом факторів, урахування яких принципово неможливо.

Бічні відхилення судна при реалізації програмної траєкторії руху (X,Y) в роботі розглядаються як сума двох випадкових величин: позиційних погрішностей при визначенні місця судна та бічних переміщень , що виникають під час рискання рухомого судна.

Для того, щоб судно безпечно пройшло заданим обмеженим районом, необхідно, щоб траєкторія його руху належала допустимій безпечній області плавання . Це означає, що всі бічні відхилення судна від програмної траєкторії руху (X,Y) по всій її довжині не повинні перебільшувати нормальних відстаней (X,Y) та (X,Y) до меж допустимої області. Очевидно, імовірність того, що окремо взяте і - е бічне відхилення не перебільшує нормальної відстані (X,Y) и (X,Y) до правої та лівої межі допустимої області плавання, визначається таким аналітичним виразом:

= F() - F(-),

де f(x) и F(x)- відповідно щільність та функція розподілу бічного відхилення судна від програмної траєкторії руху.

Для безаварійної проводки судна по програмній траєкторії необхідно, щоб усі точки істинної траєкторії руху судна належали безпечній області плавання . Тому, при допущенні великої кількості очікуваних проводок суден, імовірності сусідніх точок програмної траєкторії можна розглядати як імовірності незалежних випадків. Таким чином, загальна імовірність Р безпечної проводки судна безпечною областю може бути одержана як добуток імовірностей по всіх точках програмної траєкторії:

, або P =exp{[F()+F()]},

де s - довжина програмної траєкторії у допустимій області безпечного плавання.

Обираючи одиницю виміру довжини s достатньо малою, суму у попередньому виразі можна представити у вигляді визначеного інтегралу:

P = exp {[F() + F()]ds}.

У показнику експоненти даного виразу число менше або рівне нулю, що визначає величину імовірності Р меншою або рівною 1.

Враховуючи, що ширина допустимої області в стислих районах плавання значно менша, ніж довжина програмної траєкторії s , в роботі перетворено вираз для імовірності Р виходячи з можливих значень ширини b допустимої безпечної області плавання та частот їхніх повторень протягом всієї довжини програмної траєкторії, при цьому:

P = exp {() ln [F() + F(-)]}.

Переходячи до інтегральної характеристики:

P = exp {() ln [F() + F(-)]db},

де та - відповідно мінімальна та максимальна ширина допустимої безпечної області;

(b)- розподіл частот за значеннями ширини допустимої області (аналогічно щільності розподілу імовірностей).

Одержаний вираз дозволяє зробити апріорну оцінку імовірності залежно від основних суттєвих факторів: характеристики обмеженості () допустимої області плавання ; характеристик точності, що забезпечуються системою навігаційного обладнання та виражаються у параметрах функцій розподілу F(); вибору програмної траєкторії (X,Y) у допустимій області плавання, що впливає на співвідношення нормальних відстаней і - та довжини програмної траєкторії s.

Другим важливим фактором, що впливає на величину імовірності Р, є розміщення програмної траєкторії (X,Y) у допустимій області плавання , яке характеризується зсувом, враховуючим положення програмної траєкторії руху судна відносно геометричної середини області. В дисертації зсув програмної траєкторії пропонується оцінювати за допомогою зміщень = , тобто половиною модулю різниці нормальних відстаней, в і - х точках програмної траєкторії з наступним їхнім угрупуванням за значеннями ширини b допустимої області безпечного плавання. При цьому одержуємо умовний розподіл частот зсувів для ширини, яка набуває значення , що дорівнює . Умовний розподіл частот зсуву позначимо (/). Зсув може набувати максимального и мінімального значення , при цьому за визначенням /2.

В роботі показано, що з урахуванням умовного розподілу частот зсувів (/) вираз для імовірності безаварійної проводки судна в допустимій області набуває такого виду:

P =exp{()ln{(,)[F(/2-)+ F(/2+)]d}db}.

Аналіз одержаного виразу показує, що на імовірність Р впливають такі некеровані фактори: довжина програмної траєкторії руху судна s та розподіл частот повторення значень ширини (). Характеристика ж зсуву програмної траєкторії відносно осьової лінії допустимої області (,) є керованою характеристикою, тому що орієнтація програмної траєкторії руху судна (X,Y) виконується проектувальниками.

Допустима область безпечного плавання - це область акваторії з глибинами, що перебільшують гранично - допустиму глибину. Ізобата граничної - допустимої глибини є межею допустимої області . Аналітичний опис допустимої області являє собою формальний запис межі безпечної водної акваторії у заданій системі координат, який забезпечує розрізнення допустимої та недопустимої областей водної акваторії. У дисертації для опису межі допустимої області безпечного плавання застосована шматочно - лінійна апроксимація, задана у прямокутній системі координат XOY, ось OY якої співпадає з полудневою лінією та позитивним напрямком на північ, а позитивний напрямок вісі ОХ співпадає з напрямком на схід. В цій системі координат шматочно - лінійна апроксимація безпечної межі області безпечного плавання представлена у вигляді масиву точок злому (, ).

Наявність аналітичного опису правої (X,Y) та лівої (X,Y) межі області безпечного плавання , які відповідно представимо у виді залежностей Y =( X) и Y =( X), дозволяє виконати оцінку характеристики обмеженості ( допустимої області безпечного плавання .Через те, що в безпечній області задана програмна траєкторія руху судна (X,Y), звиається можливим виконати також оцінку величини характеристики зсуву програмної траєкторії в області .

Для формування розподілу частот ( за значеннями ширини області необхідно спочатку визначити певну кількість значень її ширини b, за якими потім будувати характеристику обмеженості ().За допомогою вихідного та наступного масивів, що апроксимують межі допустимої області, причому вихідним є масив з меншою кількістю точок, формується безліч значень ширини b. Принцип формування полягає в тому, що для кожної точки вихідного масиву знаходиться мінімальна відстань до точок наступного масиву, за винятком відстаней, що перетинають межу вихідного масиву (рис.1).

Така мінімальна відстань і є значенням ширини.

Формування характеристики обмеженості () вимагає визначення частот, з якими значення ширини попадає у задані невеликі інтервали (, +b). Для цього інтервал зміни ширини b=- необхідно розділити на розряди b та розподілити значення ширини за розрядами. Відношення числа значень ширини, що потрапили до і-го розряду, до загального числа значень ширини являє собою частоту попадань значень b у і-й розряд характеристики. Розподіл частот за розрядами b на всьому інтервалі змін ширини b допустимої області як раз і є шуканою характеристикою обмеженості дослідженого району.

Рис. 1. Визначення ширини допустимої області

Характеристика зсуву програмної траєкторії руху суден відносно осьової лінії допустимої області вимагає спочатку визначення поняття осьової лінії допустимої області безпечного плавання. Тому осьовою лінією допустимої області є лінія, що з'єднує середини відрізків , які дорівнюють ширині допустимої області безпечного плавання.

Координати точок осьової лінії одержують за допомогою вихідного та наступного масивів апроксимуючих точок, відносно яких визначались конкретні значення b.

В роботі показано, що величину зсуву для конкретної точки осьової лінії з координатами (, ) визначається виразом:

= ,

де , - координати початку відрізка локсодромії програмної траєкторії, а - значення курсу даного відрізку.

Через те, що існує відповідність між значенням ширини та зсувом через точку (, ) осьової лінії, неважко одержати умовну характеристику зсуву програмної траєкторії, обчислюючи умовний розподіл частот (/) зсуву при реалізованому значенні ширини, рівному .

У роботі обґрунтовано вибір закону розподілу погрішностей навігаційних вимірів та за робочу гіпотезу була взята гіпотеза про нормальний закон розподілу бічного відхилення судна.

Бічне відхилення судна є сумою двох складових, одна з яких - являє собою погрішність у положенні судна відносно програмної траєкторії, спричинену погрішностями у вимірах навігаційних параметрів, а друга - - рисканнями судна в процесі керування ним. Якщо перша складова є величиною випадковою, яка підпорядковується нормальному закону розподілу, то друга складова є невипадковою, й у першому наближенні може бути описана у виді гармонічної складової:

= ,

де та - відповідно амплітуда та частота рискання судна.

У дисертації одержано вираз щодо щільності розподілу імовірностей бічного відхилення :

(y) =,

де - середнє квадратичне відхилення складової ;

() - розподіл частот бічного рискання судна.

Таким чином, одержаний закон розподілу бічного відхилення судна відносно програмної траєкторії дозволяє оцінити показник ефективності системи навігаційного обладнання обмеженого району плавання, за який обрана імовірність безаварійної проводки судна в такому районі.

В завершенні розділу запропонована процедура оцінки надійності судноводіння , під якою розуміється чисельна оцінка безпечного судноводіння при плаванні в районах з навігаційною небезпекою, коли позиційні похибки у місці судна можуть бути порівняні за величиною з дистанціями до навігаційних небезпечностей. Ця процедура включає в себе обчислення імовірності Р безпечної проводки судна в допустимій області, припускаючи, що судно є абсолютно надійним, та обчислення імовірності безвідмовної роботи судна у процесі проводки. Тому = P, причому імовірність Р обчислюється за допомогою формули:

P =exp{()ln{(,)[F(/2-)+ F(/2+)]d}db},

в якій вираз F(/2-) и F(/2+) визначається:

F(/2-) = ,

F(/2+) = .

Четвертий розділ присвячений оптимізації системи навігаційного обладнання стислого району, у зв'язку з чим розглянуті питання розподілу імовірностей стохастичної складової бічного відхилення судна, залежність векторіальної похибки обсервованих координат від похибок ліній положення та вибір оптимальної системи навігаційного обладнання.

Як було зазначено вище, бічне відхилення судна під час проводки має стохастичну складову , яка являє собою погрішність у положенні судна відносно програмної траєкторії, що виникає через похибки вимірів навігаційних параметрів. Стохастична складова за своєю природою є одномірною випадковою величиною , хоч виникає через появлення векторіальної похибки , яка характеризує двомірну похибку істинного положення судна відносно одержаного.

Як видно з рис.2, похибка бічного відхилення є проекцією векторіальної похибки на напрямок АВ, який є ортогональним щодо програмної траєкторії з курсом та описується через вираз:

= .

Через те , що проекції х та у векторіальної похибки підпорядковані нормальному розподілу, сума двох нормально розподілених величин також підпорядковується нормальному розподілу імовірностей, тобто для опису необхідно знайти тільки величину його середнього квадратичного відхилення як функції від середніх квадратичних відхилень та , що складають х та у векторіальної похибки. При незалежних проекціях х та у величина визначається таким виразом:

= .

Рис. 2. До визначення похибки бічного відхилиння .

У разі залежних проекцій х та у, як показано в роботі, при їхньому нормальному розподіленні, систему залежних випадкових величин х та у можна представити системою незалежних випадкових величин = (,), що мають таку саму спільну щільність розподілу.

Системи лінійних величин =(x, y) и =(,) мають бути зв'язані лінійним ортогональним перетворенням з ортогональною матрицею В, причому другий змішаний момент випадкових величин х та у перетворюється у значення дисперсій системи незалежних випадкових величин и .

Для цього випадку величина :

=,

де = ],

= ],

- другий центральний змішаний момент випадкових залежних величин х та у.

Наступним етапом даного дослідження було одержання залежності дисперсій и випадкових величин х та у (проекцій векторіальної похибки ) від похибок ліній положення, за якими визначалося обсервоване місце судна.

В роботі показано, що у випадку обсервації судна по двом лініям положення дисперсії и , а також другий змішаний момент обсервованої точки виражаються таким чином:

=(),

=(),

= (),

де =, = - при незалежних погрішностях ліній положення, а у випадку залежних:

== 1/2 {+ + [4+(-)]},

== 1/2 {+ - [4+(-)]}.

У разі використання надлишкових ліній положення маємо

=, =,

=

у разі незалежних погрішностей ліній положення та

=, =,

=,

якщо погрішності ліній положення взаємозалежні.

В завершенні четвертого розділу розглянуто задачу оптимізації системи навігаційного обладнання, яку ми розглядаємо як задачу вибору структури системи навігаційного обладнання та його параметрів у заданому стислому районі плавання, яка при заданій імовірності безаварійної проводки суден забезпечує мінімальну вартість проектованої системи навігаційного обладнання.

У разі значної довжини заданого стислого району структура системи навігаційної інформації набуває властивості упорядкованості компонентів за довжиною, коли у деякій точці стислого району використовується тільки та частина системи навігаційного обладнання, яка доступна засобам суднової системи навігаційної інформації.

В роботі система навігаційного обладнання стислого району представлена послідовністю фрагментів , тобто .

Кожний фрагмент системи навігаційного обладнання має забезпечити необхідні характеристики точності на кожному j-му етапі стислого району залежно від гранично - допустимого значення імовірності безаварійної проводки суден . Для реалізації такого підходу в роботі використано обмеження за імовірністю безаварійної проводки суден, яке враховує ширину судна :

exp{()ln{(,)[F((-)/2-)+

+F((-)/2+)]d}db}.

Якщо позначити:

G(,,,) =

=()ln{(,)[F((-)/2-)+F((-)/2+)]d}db

та врахувати, що імовірність безаварійної проводки суден по всьому стислому району Р є добутком імовірностей безпечної проводки судна по всіх j етапам, то вихідне обмеження оптимізаційої задачі P= набуває такого виду:

G(,,,) = ln()/s.

Одержане співвідношення визначає вимогу для поточної імовірності безпечної проводки судна, яка є функцією двох керованих змінних: зсуву заданої траєкторії та точності утримання судна на ній (), яка залежить від вибору фрагменту системи навігаційного обладнання .

Пошук оптимального вирішення сформульованої задачі виконується в два етапи: по-перше, мінімізується характеристика зсуву програмної траєкторії відносно осьової лінії допустимої області (,), яка є керованою змінною величиною, а потім формується оптимальна структура штучної складової системи навігаційного обладнання, яка спільно з природною складовою створює необхідну точність утримання судна на заданій траєкторії. При цьому синтез оптимальної структури системи навігаційного обладнання виконується формуванням послідовних фрагментів системи , кожний з яких відповідає вимогам оптимальності на відповідному етапі маршруту стислого району, тобто при мінімальній вартості забезпечує необхідну точність проводки судна.

У п'ятому розділі наведені результати імітаційного моделювання основних результатів дисертаційної роботи з оптимізації системи навігаційного обладнання стислого району.

Розроблено загальний алгоритм синтезу оптимальної системи навігаційного обладнання стислого району, який було застосовано для формування оцінки ефективності системи навігаційного обладнання та оптимізації її структури, а також дається опис імітаційної програми та методики її використання.

Оцінка ефективності системи навігаційного обладнання виконується таким чином. Для кожної точки масиву координат положення судна на програмній траєкторії {, } необхідно виконати оцінку мінімального значення с.к.п. бічного відхилення судна, враховуючи, що місце судна може бути одержано за допомогою різних пар навігаційних орієнтирів, що знаходяться у робочій зоні суднової системи навігаційної інформації. Тому, виходячи з заданої точки положення судна (,){, } та координат пар найближчих навігаційних орієнтирів [(, ), (, )]{, } обчислюється кут між лініями положення, дистанції до орієнтирів та обчислюються с.к.п. бічного відхилення судна для k-ї пари орієнтирів. Мінімальне значення з урахуванням с.к.п. рискання береться за і-й точки місця судна та обчислюється імовірність того, що судно знаходиться у межах допустимої області плавання на лінії, яка перпендикулярна програмній траєкторії руху. Через те, що погрішності бічного відхилення розподілені за нормальним законом, обчислення імовірності виконується за виразом:

= [2 + ].

За допомогою чисельного інтегрування одержано вираз:

=[2+

+],

де - - крок інтегрування (прирощення аргументу),

=, =.

Обчислення імовірностей виконується для всіх і-х точок програмної траєкторії та знаходиться їхній добуток, який і являє собою характеристику ефективності системи навігаційного обладнання.

Для синтезу системи навігаційного обладнання, яка забезпечує на маршруті переходу точність обсервацій не гірше заданої, спочатку необхідно обчислити граничне значення с.к.п. бічного відхилення судна від програмної траєкторії руху судна, скориставшись рівнянням гарантованої точності та розв'язуючи його числовими методами. Потім виконується вибір послідовних пар навігаційних орієнтирів, що забезпечують поточне значення с.к.п. бічного відхилення судна не гірше гарантованого .

ЗАКІНЧЕННЯ

В дисертації одержано теоретичне узагальнення та нове вирішення задачі оптимального синтезу системи навігаційного устаткування стислих районів, яке полягає в розробленому способі поетапного формування фрагментів системи, що ураховує формалізовані характеристики стислого району, зсув осьової лінії та рівень навігаційного потенціалу даного району.

Одержано такі результати, що мають наукову новизну:

- спосіб обчислення кількісної оцінки ефективності системи навігаційного обладнання стислого району;

- частотний спосіб формалізації стислого району плавання;

- процедура обчислення характеристик точності бічного відхилення судна залежно від структури системи навігаційного обладнання стислого району та показників точності її компонентів;

- спосіб послідовного синтезу оптимальної за вартістю системи навігаційного обладнання стислого району.

Практична значущість проведеного дисертаційного дослідження визначається тим, що запропонований в роботі метод може бути використаний для вирішення задач оптимального розміщення об'єктів за заданою ознакою.

Практична цінність роботи полягає в тому, що одержані в роботі алгоритми, програми та імітаційна модель, які описують синтез оптимальної системи навігаційного обладнання, можуть бути використані та впроваджені для оптимального навігаційного обладнання стислих районів плавання суден, включаючи фарватери, ріки та протоки.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ СТАТТЯХ

1. Алексишин В.Г. Изолинии точности обсерваций для двух визуальных пеленгов // Судовождение: Сб. науч. трудов / ОГМА. - Вып. 3 - Одесса: Латстар, 2001. - С. 15 - 23.

2. Алексишин В.Г., Мальцев А.С. Маршрутные графики точности обсерваций. // Судовождение: Сб. науч. трудов / ОГМА. - Вып. 4 - Одесса: Латстар, 2002. - С. 16-25.

3. Алексишин В.Г. Оценка эффективности системы навигационного оборудования способом частотного анализа. // Судовождение: Сб. научн. трудов ОНМА.- Вып.6.- Одесса: ФЕНИКС, 2003. - С. 9-15.

4. Алексишин В.Г. Расчет допустимого бокового уклонения от оси створа. // Записки по гидрографии. - Л.: МО СССР, ГУНиО. 1986, № 216. - С. 12-15.

5. Алексишин В.Г. Общий алгоритм формирования оптимальной системы навигационного оборудования стесненного района.// Судовождение: Сб. научн. трудов ОНМА. - Вып. 8.- Одесса: Феникс, 2004. - С. 3-11.

У другій статті автором одержані аналітичні вирази для обчислення маршрутних графіків точності при обсервації судна по дистанціях та пеленгах.

АННОТАЦИЯ

Алексишин В. Г. Разработка метода синтеза локальных систем навигационного оборудования стесненного района. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.16 - Судовождение. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2004 г.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме обеспечения безопасности судовождения в стесненных районах плавания путем разработки и внедрения оптимальных систем навигационного оборудования, обеспечивающих необходимую точность контроля места судна.

Выполненный в работе обзор и анализ литературы по вопросам обеспечения безопасности судовождения в стесненных районах позволил обосновать актуальность и перспективность диссертационного исследования и определить его основные направления.

Наряду с достаточно полным исследованием проблем оценки точности обсерваций судна, влияния случайных погрешностей измерения навигационных параметров на точность проводки судна и навигационную безопасность судовождения, определения координат судна при избыточных измерениях для случаев независимых и взаимозависимых погрешностей измерений, вопросы плавания в стесненных условиях исследованы значительно меньше, а вопросы навигационного оборудования стесненных районов практически остались вне сферы проводимых исследований по проблемам безопасности судовождения. Это обстоятельство и определило выбор темы диссертации.

С целью подтверждения достоверности основных научных положений, результатов и выводов диссертации показано ее методологическое обеспечение, при этом определена цель, сформулирована главная задача, предложена научная гипотеза исследования и изложены методы, использование которых позволяет решить поставленные задачи.

В диссертации излагаются теоретические аспекты частотного способа оценки эффективности системы навигационного оборудования стесненного района. Получено общее выражение для оценки вероятности безопасной проводки судна в заданном стесненном районе, зависящее от структуры системы навигационного оборудования, которое является показателем эффективности такой системы и характеристикой надежности судовождения в заданном стесненном районе. В дальнейшем исследования посвящены оптимизации системы навигационного оборудования стесненного района, в связи с чем рассмотрены вопросы распределения вероятностей стохастической составляющей бокового отклонения судна, зависимость векториальной погрешности обсервованных координат от погрешностей линий положения и выбор оптимальной системы навигационного оборудования. В заключении приведены результаты имитационного моделирования основных результатов диссертационной работы по оптимизации системы навигационного оборудования стесненного района. Разработан общий алгоритм синтеза оптимальной системы навигационного оборудования стесненного района, который использован для формирования оценки эффективности системы навигационного оборудования и оптимизации ее структуры, а также приведено описание имитационной программы и ее использования.

Ключевые слова: судно, система навигационного оборудования, оптимальность, эффективность, стесненный район плавания, им1ёитационная модель.

АНОТАЦІЯ

Алексишин В. Г. Розробка методу синтезу локальних систем навігаційного обладнання стислого району. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.16 - Судноводіння. Одеська національна морська академія, Одеса, 2004 р.

Дисертаційна робота присвячена актуальній проблемі забезпечення безпеки судноводіння в стислих районах плавання шляхом розробки і впровадження оптимальних систем навігаційного обладнання, які забезпечують необхідну точність контролю місця судна.

У дисертації викладаються теоретичні аспекти частотного способу оцінки ефективності системи навігаційного обладнання стислого району. Одержано загальний вираз для оцінки вірогідності безпечної проводки судна в заданому стислому районі, яка залежить від структури системи навігаційного обладнання. Надалі дослідження присвячені оптимізації системи навігаційного обладнання стислого району, у зв'язку з чим розглянуті питання розподілу вірогідності стохастичної складової бічного відхилення судна, залежність векторіальної похибки обсервованих координат від похибок ліній положення і вибір оптимальної системи навігаційного обладнання. На закінчення приведені результати імітаційного моделювання основних результатів дисертаційної роботи по оптимізації системи навігаційного обладнання стислого району.

Ключові слова: судно, система навігаційного обладнання, оптимальність, ефективність, стислий район плавання, імітаційна модель.

THE SUMMARY

Aleksyshyn V. G. Development of method of synthesis of the local systems of navigation equipment of the straitened district. The dissertation is the manuscript. The dissertation for a scientific degree of Cand. Tech. Sci. A speciality 05.22.16 - Navigation. Odessa national maritime academy, Odessa, 2004.

Dissertation work is devoted to the actual problem of providing of safety of navigator in the straitened districts of sailing by development and introduction of the optimum systems of navigation equipment, providing necessary exactness of control of place of ship.

The theoretical aspects of frequency method of estimation of efficiency of the system of navigation equipment of the straitened district are expounded in dissertation. Common expression for estimation of probability of the safe wiring of ship in the set straitened district is got, depending on the structure of the system of navigation equipment. Then researches are devoted to optimization of the system of navigation equipment of the straitened district, the questions of probability distribution of stochastic constituent of lateral declination of ship are considered in this connection, dependence of vector error of observation coordinates on the errors of lines of position and choice of the optimum system of navigation equipment. In conclusion of work the results of imitation design of basic dissertation job performances on optimization of the system of navigation equipment of the straitened district are resulted.

Keywords: ship, system of navigation equipment, optimum, efficiency, straitened district of sailing, simulation model.

Размещено на Allbest.ru

...