Теорія і практика безпечного управління судном при маневруванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

одеська національна морська акдемія

Мальцев Анатолій Сидорович

УДК 656.61.052

ТЕОРІЯ І ПРаКТИКА БЕЗПЕЧНОГО УПРАВЛІННЯ СУДНОМ ПРИ МАНЕВРУВАННІ

Спеціальність 05.22.16 - судноводіння

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса - 2007

ДИСЕРТАЦІЯ Є РУКОПИСОМ

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

Офіційні опоненти:

д.т.н., професор Воробйов Юрій Леонідович, завідуючий кафедрою теорії і проектування корабля Одеського національного морського університету

д.т.н., професор Некрасов Валерій Олександрович, завідуючий кафедрою теорії і проектування судна Національного університету кораблебудування ім. адм. Макарова

д.т.н., професор Кондратенко Юрій Пантелійович, професор кафедри інтелектуальних інформаційних систем Миколаївського державного гуманітарного університету ім. П.Могили

Захист відбудеться 25 вересня 2007 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою : 65029, м. Одесса, вул. Дідріхсона, 8, корпус 1, зал засідання вченої ради.

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

Автореферат розісланий 23 серпня 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор Тарапата В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення нових типів суден, збільшення їх водотоннажності і швидкості, будучи наслідком подальшого розвитку виробничої діяльності світового суспільства, представляють підвищену небезпеку для навколишнього середовища і вимагають адекватної розробки теоретичних знань для вдосконалення теорії судноводіння.

Маневрування пов'язано з обробкою оператором інформації, що все збільшується, про об'єкт управління, навколишнє середовище і виникаючі перешкоди. Це приводить до його значної психологічної напруженості при ухваленні рішень і викликає необхідність безперервної адаптації до умов плавання, що змінюються. Зниження напруженості в роботі оператора досягається за рахунок використання навігаційних систем, проте вони ще далекі від досконалості із-за недостатності і невчасності надходження інформації, потрібної для прийняття рішень. Раніше зроблені спроби розробити систему підтримки прийняття рішення до успіху не привели через відсутність методологічного забезпечення по більшості вирішуваних задач вибору маневру.

Через вказані причини потрібні спеціальні знання про об'єкт управління і розуміння об'єктивних законів маневрування суден, які дозволять придбати теоретичні знання за методологією проведення морських операцій.

Відсутність єдиного підходу до вивчення і дослідження процесів маневрування, методів врахування даних про динамічні властивості судна при плануванні його руху, а також єдиної концепції організації і функціонування системи управління стримують розвиток нової техніки суднобудування. За обставин, що склалися, дослідження, направлені на вдосконалення теоретичної бази по створенню математичного забезпечення для адаптивних систем управління судном при маневруванні, є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами полягає в узагальненні результатів досліджень, виконаних автором і під його безпосереднім керівництвом у рамках таких державних координаційних планів і програм: плану прискорення науково-технічного прогресу на морському транспорті на 1986-1989 рр. і на період до 2000 р. і заходами щодо його забезпечення", схваленому Мінморфлотом СРСР 27 серпня 1985 р.; закону України про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки (Відомості Верховної ради України, 1992 № 45, ст. 620); національної програми дослідження і використання ресурсів Азовсько-Чорноморського басейну на період до 2000 року (Указ Президента України №1152 від 18.12.1995 р.); ухвали Кабінету Міністрів України "Про затвердження пріоритетів інноваційної діяльності в Україні на 2001-2002 рр. (пріоритет №1 "Ресурсозберігаюче устаткування і технологічні процеси для базових галузей економіки"); закону України про пріоритетні напрями інноваційній діяльності до 2013 року; державної програми вдосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки судноплавства на 2002 - 2006 роки (Ухвала Кабінету Міністрів України №96 від 28.02.2002 року).

Результати досліджень, що увійшли до дисертаційної роботи, відображені в звітах по НДР: № ДР 01870032712 (науковий керівник); № ДР 01910054584 (науковий керівник); № ДР 01890046033 (відповідальний виконавець); № ДР 01910002249 (виконавець); № ДР 01910054585 (виконавець); № ДР 01940007472 відповідальний виконавець); № ДР 01860019846 (відповідальний виконавець); б/н “ Рекомендації по забезпеченню безпечної проводки великотоннажних суден до терміналу “Південний” порту Південний” (відповідальний виконавець); б/н “Визначення максимальних розмірів суден для безпечного плавання по каналах БДЛК і ХМК” (науковий керівник); б/н „Вибір буксирних суден з потужністю головного двигуна, здатного забезпечити безпечну проводку великотоннажних суден по каналах БДЛК і ХМК” (науковий керівник).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є розробка теоретичних передумов для організації безаварійного судноводіння, що забезпечує вирішення науково-прикладної проблеми безпечного управління судном при маневруванні.

Для цього висунута гіпотеза про можливість забезпечення безаварійного маневрування шляхом підвищення точності планування траєкторії, цілеспрямованості при прийнятті рішення по управлінню і використання алгоритмів операторської діяльності для підвищення швидкодії управління.

Досягнення поставленої мети вимагає рішення задач, способи розв'язання яких в даний час не знайдені. Глобальним завданням досліджень явилася розробка системи управління навігаційною безпекою при маневруванні суден. У процесі досліджень були висунуті гіпотези, на підставі яких поставлено три головних задачі (ГЗ):

- розробка методів підвищення точності побудови траєкторії, що визначають вимоги до маневрених характеристик судна, які необхідні для плануванні маневрів;

- розробка методів і прийомів забезпечення цілеспрямованості вибору при прийнятті рішення по маневруванню, які визначають критерії узгодженості факторів руху і психофізіологічних характеристик судноводія;

- забезпечення швидкодії перехідних станів при маневруванні, які визначаються функціональними взаємозв'язками між елементами системи і способами управління.

ГЗ1 складається із п'яти часткових завдань: дослідження процесу повороту судна; дослідження інерційно - гальмівних характеристик судна; аналіз впливу вітру, хвилювання і течії на процес руху; дослідження процесу руху судна на математичній моделі в умовах мілководдя.

ГЗ2 складається із чотирьох часткових завдань: дослідження психофізіологічних характеристик оператора; аналіз операторської діяльності при маневруванні у відкритому морі, в стислих умовах і при розходженні суден.

ГЗ3 складається із чотирьох часткових завдань: розробка способів управління рухом судна; дослідження процесів розходження; дослідження закономірностей маневрування суден при надмірному зближенні; дослідження алгоритмів управління судном при маневруванні.

Рішення вказаних задач дозволяє визначити структуру системи управління маневруванням, встановити функціональні взаємозв'язки для забезпечення безаварійного судноводіння і забезпечити гарантовану безпеку руху судна.

Об'єкт дослідження - процеси маневрування морським судном при виконанні морських операцій в різних умовах плавання.

Предмет дослідження - параметри руху судна при управлінні маневруванням.

Методи досліджень. Методом аналізу, систематизації і сходження від загального до часткового встановлені чинники і причини виникнення навігаційних аварій, а методи теорії систем дозволили визначити глобальне завдання досліджень і розробити концепцію її рішення для створення передумов по забезпеченню безаварійного управління маневруванням. Методи теорії систем і теорії управління використовувалися при представленні глобального завдання трьома головними шляхом розробки: методів і прийомів планування маневрів; методів і прийомів забезпечення цілеспрямованості вибору рішення при маневруванні; методів забезпечення швидкодії перехідних станів системи управління.

При впровадженні результатів дослідження використано системний, кібернетичний і фізичний підходи. При виконанні роботи використовувалися теоретичні і експериментальні (натурні, на фізичних і імітаційних моделях) методи дослідження.

У основу теоретичних досліджень дисертаційної роботи покладені результати теорії управління, теорії систем, апарат математичного лінійного і об'єктно-орієнтованого програмування, математичної статистики і регресійного аналізу. Використані чисельні методи стосовно завдань моделювання і ідентифікації на ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше встановлене: точність планування траєкторії маневрування по координатах характерних опорних точок, характеристиках гальмування і повороткості забезпечується шляхом визначення вихідної точки початку маневрування по координатах кінцевої (інверсний метод); безпека управління рухом досягається вибором детермінованої стратегії за допомогою багатовекторного критерію узгодженості чинників руху (курс, швидкість, момент початку процесу маневрування, конфігурація траєкторії маневру, положення судна на карті) та психофізіологічних характеристик оператора (аналізатори, обробка інформації, швидкість інтелектуальних дій, антропометричні) під час руху судна; швидкодія маневрування досягається багаторівневим структуруванням операторської діяльності по детермінованих алгоритмах з урахуванням моменту надмірного зближення і закономірності вибору максимального регулюючого впливу по ситуації розходження і характеристиках об'єкта управління.

Наукові результати. Вперше отримані наступні наукові результати: встановлено взаємозв'язок кута повороту, точок його початку, закінчення і перетину курсів, якого достатньо для планування траєкторії безпечного маневрування; якість маневрування забезпечують процеси пригальмовування, отримання повороту і параметр часу затримки початку маневрування судна, які визначають класифікаційні ознаки характеристик об'єкту управління, методологію їх визначення, розрахунку і представлення даних, перелік недостатніх відомостей і прогнозування траєкторії гальмування і повороткості для часткових режимів ходу та перекладання руля; показано, що безпечний режим руху судна лінійно залежить від дальності впевненого виявлення перемінних обмежень (інших суден) і визначається масо габаритними характеристиками керуємого судна; для морських операцій: постановки на якір, швартування у відкритому морі, при заходах в порт і під час розходження суден застосовано інверсний метод планування процесу маневрування, який відрізняється побудовою траєкторії з точки закінчення маневру до початкової точки початку руху з урахуванням інерційних властивостей; безпечне розходження оцінюється вектором відносного руху суден та маневром попередження зіткнення з урахуванням жорстких і перемінних обмежень по каталогу типових ситуацій і маневрів системи підтримки прийняття рішень; навігаційна безпека маневрування визначається детермінованими діями оператора гармонізованими з факторами руху, оцінка якої визначається векторним критерієм узгодженості; способи керування судном по маршруту руху (курсовий, курсовий з обсерваціями, курсовий з урахуванням зовнішнього впливу чи курсовий комбінований) визначають кількість і якість навігаційної інформації і залежать від обмежень акваторії для маневрування, інтенсивності зовнішнього впливу і навігаційних умов плавання; установлена необхідність наявності запасу управляючих ресурсів і постійної оцінки оператором стану судна шляхом порівняння аеро і гідродинамічних сил прикладених до корпусу і наявних засобів управління для їх компенсації забезпечують збереження керованості протягом маневрування; показано що, швидкодія роботи системи управління при маневруванні забезпечується оптимізацією операторської діяльності по логічним детермінованим алгоритмам.

Удосконалена: методика врахування запасу води під кілем на маневрування шляхом спрощеного методу обліку впливу мілководдя на параметри циркуляції і гальмування, згідно якого маневрені характеристики мілководдя визначаються по їх значенню на глибокій воді і запасу води під кілем; метод побудови траєкторії маневрування при швартуваннях в морі, відрізняючихся її прогнозуванням з точки закінчення сумісного руху до вихідної точки початку руху кожного із них з урахуванням їх інерційних властивостей і зовнішнього впливу; метод побудови траєкторії маневрування при швартуваннях в порту, відрізняючихся її прогнозуванням з точки закінчення руху у причалу до вихідної точки початку руху з урахуванням інерційних властивостей і зовнішнього впливу; методика оцінки закономірностей відносного руху і прийняття рішення по маневруванню, як основа системи підтримки прийняття рішень для коригування траєкторії руху судна; модель рішення задачі розходження при криволінійних траєкторіях суден шляхом оцінки відстані наближення в залежності від частоти вимірювання параметрів відносного руху.

Практичне значення отриманих результатів. Більшість виконаних досліджень стосувалися розробок системи гарантованої безпеки маневрування і нових способів урахування динамічних характеристик при плануванні маневрів, вперше запропонованих автором і захищених відповідними пріоритетними документами - авторським свідоцтвом, патентами на винахід і корисну модель, відповідними публікаціями. Розроблена методика графічної побудови і аналітичного розрахунку траєкторії ЦТ при виконанні морських операцій по характерним опорним точкам інверсним методом використовується при швартуванні в морі і може бути застосована при плануванні руху підводних човнів і повітряних суден.

Отримані наукові результати є вирішенням наукової проблеми створення теоретичних основ судноводіння і розробки адаптивних систем безпечного управління процесом маневрування. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на їх підставі необхідно розробляти нормативні документи України по організації безпечного судноводіння.

Реалізація отриманих результатів. По матеріалам досліджень розроблені і впроваджені: практичні рекомендації по виконані швартовних операцій в морі передані, економічний ефект в ЧПОРП “Антарктика” склав 50 тис. рублів на рік (1988 ); алгоритми і програми системи забезпечення суден ЧМП навігаційною інформацією (1989); система розрахунку маневрених характеристик, НВО „Квант”, система „Панорама” (1990); рекомендації по нормуванню ширини грунтозабору, Чорномортехфлот (1993); алгоритми і програми розрахунку маневрових характеристик і траєкторії руху суден, НДІ „Квант”, система судноводіння „Панорама СТ” (1995); проект обов'язкових постанов по порту Южний (2003); обґрунтування розмірів суден для безпечного плавання по каналам БДЛК і ХМК, ДП „Дельта-Лоцман”, (2004); обґрунтування вибору буксирів для безпечної проводки суден по каналам БДЛК і ХМК, ДП „Дельта-Лоцман”, (2004); в учбовий процес і при виконані науково-дослідницьких робіт в ОНМА , акт від 16 березня (2007); в учбовий процес ДП „Дельта-Лоцман”, акт від 28 грудня (2006); в учбовий процес Київської державної академії водного транспорту ім. гетьмана Петра-Конашевича Сагайдачного, акт від 15 березня (2007); в учбовий процес в Херсонському морському інституті, акт від 22 січня (2007); при виготовленні функціонального радіолокаційного тренажера з візуалізацією, впровадженого в Севастопольському військово-морському інституті, акт від 15 червня (2007).

Матеріали дисертації використані при проведенні судових експертиз зіткнення т/х “Волго-Дон 5102” з баржею “Сьома” на Херсонському морському каналі, т/х “Механік Дрен” з буровою вежею, ТБХ “Максим Горький” з льодом, посадок на мілину т/х “Герої Панфіловці” і БМРТ “Володимир Симонок”.

Розроблена концепція і способи навігаційної підготовки судноводіїв для роботи на посаді лоцмана, упроваджена в навчальний процес в ДП “Дельта Лоцман”, які захищені патентом України № 3522 “Спосіб тренажерної підготовки лоцманів” і №5127 “Система управління рухом суден”.

Авторське свідоцтво СРСР №1604046 “Пристрій для запобігання зіткненню суден” явилося основою для розробки алгоритмів для розрахунку ситуації надмірного зближення і побудови зони навігаційної безпеки. Патент України на винахід №62275А “Пристрій для попередження зіткнення суден” може бути використано для розробки алгоритмів і програм оцінки небезпеки зіткнення в РЛС і берегових ЗНО.

Особистий внесок здобувача в отримання результатів, викладених в роботі, полягає в такому: сформульовані цілі і завдання дослідження; теоретично обґрунтовані наукові положення, що виносяться на захист; організовані і проведені натурні спостереження по швартових операціях у відкритому морі і в порту; проведені випробування по маневруванню на ММ, їх обробка, аналіз і інтерпретація; розроблені методики планування маневрів; розроблена концептуальна модель процесу розходження, система безпечного управління маневруванням судна.

Ідеї спільних робіт, написаних в співавторстві, належать авторові. Розробка моделей, дослідження, обробка результатів, обговорення структури статей і формулювання висновків вироблені в співавторстві.

Автор висловлює подяку д.т.н., проф. Голікову В.А. за консультації при виборі напряму досліджень, розробці технологічної карти їх виконання і обговоренні отриманих результатів, д. мед. наук проф. Шафран Л.М. за консультації в процесі проведення досліджень психофізіологічних характеристик судноводіїв при тренажерній підготовці.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати досліджень представлені на: всесоюзному семінарі з безпеки вантажних і швартових операцій в морі (Севастополь 1986, 1988); всесоюзній конференції “Якість управління рухом - ефективність і безпека використання суден” Інституту проблем управління АН СРСР (Севастополь, 1989); міжнародному семінарі з РЛС тренажерів (Ленінград, 1989 ); ХУ1 міжгалузевій науково-технічній конференції (Київ, 1990); всесоюзному симпозіумі по автоматизації процесів забезпечення безпеки ВТ (Санкт-Петербург, 1991); наукових конференціях ОНМА (1985-2006) і семінарі “Застосування засобів обчислювальної техніки на морському флоті” (Одеса, 1992); всесоюзній науково-технічній конференції “Методи прогнозування і способи підвищення морехідних якостей суден і засобів освоєння океану” (Санкт-Петербург, 1991, ХХХУ Крил. чит.); міжнародній конференції “Кораблебудування: освіта, наука, виробництво” (Миколаїв, 2002, УГМТУ, присвячена 100-річчю кораблебудівної освіти в Україні); на третіх загальних зборах Міжнародної асоціації морських університетів “Шляхи поліпшення безпеки мореплавання”, (Рок порт, США, 2002); міжнародній конференції “Безпека мореплавання і її забезпечення при проектуванні і споруді суден” (Миколаїв, УДМТУ, 2004); на 7-му міжнародному науково-технічному семінарі “Стан і перспективи розвитку берегових систем управління рухом суден” (Миколаїв, ДП “Дельта лоцман”, 2004); на сьомих зборах “Шляхи поліпшення безпеки мореплавання” Міжнародної асоціації морських університетів, (порт Дальній, Китай, 2006).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований в 4-х навчальних посібниках і 45 наукових статтях (зокрема 16 - без співавторів), в наукових журналах і збірках наукових праць, що входять в перелік ВАК, матеріалах конференцій і семінарів, отримано в співавторстві 1 авторське свідоцтво і 3 патенти України.

Структура дисертації. Дисертація складається з введення, шести розділів, списку використаної літератури і додатків. Загальний об'єм складає 390 сторінок, 86 малюнків, 37 таблиць, 12 додатків окремою книгою (166 сторінок). Список використаних літературних джерел складає 296 назв (23 сторінки).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі наведено обґрунтування актуальності теми, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, визначена мета і завдання дослідження, розглянуто об'єкт і предмет дослідження, приведено перелік методів дослідження, які використовувалися для досягнення поставленої мети. Сформульована наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок претендента в їх отриманні. Освітлені питання апробації результатів дисертації і публікації автора по темі дисертації.

У першому розділі здійснено огляд наукової літератури по судноводінню для оцінки стану теорії і практики маневрування судна і вибору напрямку досліджень. Проаналізовано стан аварійності, підходи до опису процесів маневрування, сучасні способи формалізації змістовних моделей маневрування, методи дослідження процесів маневрування при розходженні суден і інформаційне їх забезпечення. Виявлено основні протиріччя між практикою управління маневруванням судна і теорією побудови системи забезпечення безаварійного його руху.

Як наголошують більшість авторів морехідна безпека являється необхідною, але недостатньою умовою безпечного судноводіння. Аварійна ситуація виникає тоді, коли дії судноводія приводять до стану, при якому сили зовнішнього впливу більше, ніж технічні можливості судна для їх компенсації. Тоді морехідні якості визначають границі параметрів управління, але не розв'язують його задач. Тому знання граничних характеристик морехідності для безпечного маневрування недостатньо.

Роботи по вирішенню наукових проблем забезпечення морехідності ведуться виключно в Південному науковому центрі України. В цьому напрямку проблемною залишається гідродинаміка судна, яка в систематизованому вигляді наведена в роботах В.Г. Сізова. Вирішенню краєвих задач гідродинамічної теорії хитання в стислому фарватері присвячені роботи Ю.Л.Воробйова. Основи теорії, принципи моделювання і синтезу широкого класу систем управління в систематизованому вигляді представлено в роботах В.О.Некрасова. Концепція, особливості управління і методи прийняття рішення по маневруванню суден в складних гідрометеорологічних умовах відображені в роботах Ю.І.Нечаєва. Дослідженню гідродинамічних процесів при криволінійному русі судна присвячені роботи М.Б.Сліжевського. Особливістю розглянутих досліджень являється можливість їх використання для номінальних і екстремальних режимів руху судна. Виконано аналіз робіт А.М.Басіна, А.В.Васильова, А.Д.Гофмана, Ю.М.Мастушкіна, В.Г.Павленко, Р.Я.Першіца, Г.В.Соболева, К.К.Федяєвського, Бішопа, Клейтона, Ньюмена, Номото, Інуї та інших.

Питання технічної експлуатації судна, його пристроїв і систем відображені в роботах С.А.Ханмамедова, П.С.Суворова, Е.М.Половинки, а автоматизація процесів управління роботою автоматизованих енергетичних пристроїв вивчаються в роботах М.В.Міюсова і С.І.Горба.

Підвищенню рівня навігаційної безпеки присвячені дослідження в галузі удосконалення і інформаційного забезпечення морських шляхів І.І.Гладкіх, В.М.Кошового, В.Г.Алексішіна, С.Ю.Інфімовського.

Задачі управління рухом судна в шторм розглянуті Л.Р.Аксютіним і Л.А.Козирем, а на рівні планування руху і вибору маневру при розходженні з використанням теорій операцій М.С. Алексейчуком. Питання комплексної автоматизації процесів судноводіння в систематизованому вигляді відображені в роботах Л.Л.Вагущенко. Підготовці спеціалістів по управлінню судном, його пристроями і системами присвячені роботи В.К.Голубева, М.М. Цимбала, В.І. Ланчуковського. Розробці інтелектуальних систем підтримки прийняття рішень при управлінні судном присвячені роботи Кондратенко Ю.П., Бень А.П.

Проблеми операторської діяльності вивчаються в роботах Л.М.Шафрана, О.Ю.Нетудихатка, Е.М.Псядло, а забезпеченню мікрокліматичних умов роботи на судні при операторській діяльності - в роботах В.А.Голікова.

Розглянуті дослідження являються теоретичною базою для подальшого розвитку концепції організації безаварійного плавання. З метою пошуку шляхів підвищення рівня безпеки судноводіння були проаналізовані статистичні дані по аварійності, які підтвердили домінуючий вплив процесу маневрування на рівень навігаційної безпеки. Однак ці дані не дозволяють установити конкретну причину події, й запропонувати заходи по її попередженню. Вони дозволяють визначити тільки макро параметри, які характеризують узагальнені тенденції аварійності. Аварійні події в такі матеріали не включені.

При аналізі фізичного підходу в даних роботах установлено, що, детально вивчаючи динамічні характеристики об'єкту управління на стадії проектування й перевіряючи їх відповідність після споруди, необхідні дані для управління при експлуатації не визначені в необхідному ступені.

Наукові підходи, які застосовують для задач судноводіння, відображають переважно змістовні моделі. Використані методи теорії оптимального управління, теорії позиційних диференціально-різницевих ігор і нелінійної інтегральної інваріантності не дозволили запропонувати способи рішення задачі розходження з урахуванням зміни ситуації руху всіх суден, що брали участь в процесі маневрування. В даний час не повністю вирішені питання створення концепції планування руху з урахуванням жорстких обмежень в акваторії для маневрування, тактики зміни заданого алгоритму управління рухом при появі змінних обмежень. Відсутнє остаточне рішення задачі оцінки небезпеки зіткнення суден і посадки суден на мілину при криволінійному русі. Формалізовані моделі коригування заданого алгоритму управління маневруванням створені частково, у зв'язку з відсутністю змістовних моделей рішення цієї задачі. Інформація по маневруванню представлена у вигляді декларативних даних, які необхідно обробляти для прийняття рішення в процесі маневрування. З цієї причини таку інформацію необхідно представляти у вигляді знань, які, будучи внутрішньо інтерпретованими, структурованими, володіючи зв'язністю і активністю, скорочують час обробки й прийняття рішення, збільшивши швидкодію управління.

Існуюча система управління маневруванням (СУМ) не працює на нижньому рівні ієрархії через неповноту даних про маневрові властивості, частково працює на середньому рівні ієрархії через відсутність методик точного планування криволінійних траєкторій, і не повністю забезпечує прийняття рішень на верхньому рівні через недостатню швидкодію алгоритмів управління й відсутність систем підтримки прийняття рішень, що створює передумови для виникнення аварій.

На підставі наведеного найбільш важливим напрямком досліджень була розробка методів і прийомів створення системи гарантованої безпеки управління судном при маневруванні за рахунок пошуку методів підвищення точності планування траєкторії руху; розробки методів забезпечення цілеспрямованості вибору рішення оператором і забезпечення швидкодії перехідних станів системи управління судном.

У другому розділі здійснено вибір теми, об'єкта й предмета дослідження. На підставі системного підходу виконано аналіз проблеми безпечного маневрування і обґрунтування методів рішення головних і часткових задач по створенню системи управління судном при маневруванні.

Недостатня визначеність процесів маневрування вимагає вдосконалення теоретичної бази по створенню систем гарантованої безпеки судна при управлінні, що визначає актуальність теми дослідження. Фізичний підхід при описі процесів руху судна й кібернетичний при обробці інформації практичного застосування для організації безпечного маневрування в достатній мірі не отримали. Для практичного використання указаних підходів потрібна наявність законів управління рухом судна і алгоритмів операторської діяльності при маневруванні.

Підтвердженням можливості вирішення задачі є результати наукових досліджень по теоретичному обґрунтуванню задач гідродинаміки судна в роботах А.М.Басіна, А.В.Васильова, Ю.Л.Воробйова А.Д.Гофмана, Ю.М.Мастушкіна, В.О.Некрасова, В.Г.Павленко, Р.Я.Першіца, В.Г.Сізова Г.В.Соболева, М.Б.Сліжевського К.К.Федяєвського, Бішопа, Клейтона, Ньюмена, Номото, Інуї та ін. які дозволяють виконати вибір проектних рішень при побудові судна, хоча не завжди дають можливість отримати практичні рекомендації по маневруванню, в них розглянуті тільки номінальні і екстремальні режими руху судна.

У практичному плані якість управління процесом маневрування відображається в статистиці аварійності, яка не розкриває суті події й помилкових дій оператора.

Наукова новизна проблеми безпечного управління маневруванням полягає в необхідності підвищення точності планування траєкторії маневрування, гармонізації інтелектуальних дій оператора по управлінню й факторів руху судна й швидкодії перехідних процесів в системі.

Економічна ефективність роботи пов'язана з запобіганням можливих витрат на ліквідацію навігаційних аварій. Середньорічна знижка для судна дедвейтом 50 тис. т. складає 22600 грн. Строк окупаємості витрат на дослідження складає 3,1 роки.

Напрям досліджень відповідає тематиці досліджень колективу кафедри управління судном ОНМА й відповідає спеціальності 05.22.16. - судноводіння.

Реалізуємість результатів дослідження забезпечується поетапним впровадженням по мірі виконання робіт в НДІ “Квант”, ДП “Дельта Лоцман”, морські учбові заклади України. Термін впровадження складає 2 роки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами полягає в узагальненні результатів досліджень, виконаних автором і під його безпосереднім керівництвом у рамках державних координаційних планів і програм по запитам виробництва.

Загальна методика наукового дослідження побудована на системному підході, з використанням технологічної карти, яка містить усі елементи системного аналізу.

В результаті аналізу сучасних підходів до вирішення проблеми безпечного судноплавства обґрунтовано й вибрано тему, яка пов'язана з теорією й практикою управління суднами при маневруванні. Розглянута загальна методика проведення дослідження по темі дисертації, за допомогою якої визначені основні етапи наукового дослідження й використовувані на них методи.

Процес дослідження розподілено на три головні задачі, розробка: методу планування траєкторії маневрування й вибору режиму руху; багатовекторного критерію узгодженості параметрів руху й психофізіологічних характеристик оператора; швидкодіючих алгоритмів управління маневруванням.

Загальна структура дослідження відображена в технологічній карті роботи, яка містить: робочу наукову гіпотезу (Гарантована безпека маневрування забезпечується точністю планування траєкторії, цілеспрямованістю вибору при прийнятті рішення й швидкодією управління); глобальне завдання (Розробка системи гарантованого безпечного управління судном); три гіпотези й три головні завдання (ГЗ) (ГЗ1- Розробка методів і прийомів планування маневрів, ГЗ2 - Розробка методів і прийомів забезпечення цілеспрямованості вибору при маневруванні, ГЗ3 - Розробка методів і прийомів забезпечення швидкодії перехідних станів при маневруванні) кожне з яких представлене науковим результатом, предметом впровадження і науковим положенням; 13 допоміжних завдань, по кожному з яких отримано науковий результат. Глобальний науковий результат - система безпечного управління маневруванням судна з елементами штучного інтелекту. Основне наукове положення - гарантована безпека при маневруванні забезпечується інверсним методом планування руху, багатокритеріальністю при виборі способів управління й алгоритмізацією операторської діяльності при управлінні рухом судна.

Дослідження виконувались на морських суднах, які забезпечені конвенційними навігаційними приладами, точність яких відповідає стандартам нормативних документів України й міжнародної морської організації (ММО).

Розглянувши основні чинники при виборі теми дослідження - актуальність, наукову новизну й економічну ефективність, прийшли до обґрунтованого висновку про необхідність розробки теорії й практики безпечного управління судном при маневруванні.

У третьому розділі приведене рішення ГЗ1- Розробка методів і прийомів планування маневрів, для чого виконано теоретичне й практичне дослідження: повороту судна, характеристик процесу гальмування; вітрового й хвильового впливу на судно, впливу мілководдя на маневрені характеристики; методів вибору безпечної швидкості руху; методики побудови траєкторії інверсним методом і розроблено алгоритм її планування.

Через неповноту даних про маневрені характеристики точність планування траєкторії недостатня для організації безпечного управління, а відсутність методів побудови її криволінійних ділянок не дозволяє розробити заданий алгоритм управління. Використовуючи методи математичного моделювання, дослідження операцій і структурно - логічні були систематизовані дані про маневрені характеристики, способи їх визначення й представлення даних, розроблені способи планування траєкторії, які дозволили істотно підвищити точність прогнозу руху.

Дослідження характеру зміни курсу від кута повороту при вирішенні часткової задачі (ЧЗ1) було проведено для розробки методів контролю повороту.

У припущенні, що залежність курсу від часу близька до лінійної, зміну кутової швидкості представлено у функції кута курсу у вигляді:

(1)

де - постійна курсу по кутовій швидкості, така, що характеризує збільшення опору за рахунок обертання судна; - постійна курсу по кутовій швидкості, така, що характеризує зміну сили упору гвинта; - поточне значення кутової швидкості; - стале значення кутової швидкості.

Рішення диференціального рівняння (1) має вигляд

, (2)

Де

- постійна експоненти загасання коливань;

- власна кругова частота коливань.

Аналіз характеру зміни елементів циркуляції у функції курсу показує, що всі параметри досягають сталого значення, за винятком швидкості, при повороті на кут близько 20⁰. Це істотно спрощує, і полегшує контроль стану судна й виконання повороту при візуальній оцінці його положення, і для визначення розташування полюса повороту (ПП) при використанні буксирів.

Для плануванні криволінійного руху було розроблено три методи - відрізків, перпендикулярів і еліпса, які дозволяють провести побудову графічно на карті, і аналітично в навігаційних пристроях траєкторії по трьох опорних точках, однією з яких є відома судноводієві точка перетину курсів до й після повороту. Указані методи дають можливість по стандартних характеристиках -, , и для існуючого значення водотоннажності і вибраного кута перекладання руля отримати координати точок планової циркуляції через будь-який заданий інтервал повороту (1⁰, 5⁰, 10⁰, ... ⁰) і визначити їх географічні координати для прокладки на карті.

Для характеристики виходу із циркуляції було запропоновано ввести нові дані - кут перекладання руля для припинення кутового руху , час і кут одержання .

Для визначення даних про маневр “одержування повороту” були проведені спеціальні випробування на судні, при яких використовувався випробувальний маневр “не- симетричний зігзаг”. Для визначення його параметрів було проаналізовано можливі поєднання кутів повороту і його одержування й відібрано 25, які приведено в табл.1.

Запропонований маневр отримав назву “несиметричний зігзаг”. Для його позначення використовується дріб //, де перший символ позначає кут перекладки керма при початку циркуляції, другий кут перекладки керма для отримування повороту і третій значення кута повороту при якому проводять отримування.

Таблиця 1. Алгоритм визначення характеристик одержування повороту

Кут перекладання вих	Кут перекладання руля для входу в циркуляцію вх
	5	10	15	20	30
5	5/5/20	10/5/20	15/5/20	20/5/20	30/5/20
10	5/10/20	10/10/20	15/10/20	20/10/20	30/10/20
15	5/15/20	10/15/20	15/15/20	20/15/20	30/15/20
20	5/20/20	10/20/20	15/20/20	20/20/20	30/20/20
30	5/30/20	10/30/20	15/30/20	20/30/20	30/30/20

За наслідками натурних спостережень були складені рівняння для кута

і часу отримання в секундах,

,

де коефіцієнти регресії, визначені методом найменших квадратів.

Маневр “несиметричний зігзаг” дозволяє отримати значення часу затримки повороту Т(), дані для побудови діаграми керованості і коефіцієнти для побудови математичної моделі маневрування, а також параметри стійкості, і повороткості. Отримані результати дозволяють повністю автоматизувати процес виконання повороту, і вирішувати тактичні й оперативні задачі маневрування. У результаті вирішення ЧЗ1 встановлено взаємозв'язок між кутом повороту, точками циркуляції і перетину курсів до, і після його виконання.

Для підвищення точності планування траєкторії за рахунок повноти забезпечення процесу управління даними про маневрені характеристики судна при вирішенні ЧЗ2 на підставі теоретичних відомостей про процес маневрування, дослідження в натурних умовах і узагальнення отриманих результатів було запропоновано систематизований перелік даних, які описують властивості судна як об'єкту управління. При цьому дані розподілені на дві групи - інерційно-гальмівні і керованості.

До інерційно - гальмівних відносяться: розгін; пригальмовування; пасивне й активне гальмування. До характеристик керованості відносяться - стійкість і повороткість. Стійкість визначають параметри: постійна часу затримки повороту Т( ); стійкість на курсі, критерій Q; зона нестійкості, яка описується кутовою швидкістю зворотної повороткості ±₀ і кутом зворотного перекладання ±_ор; параметри отримування повороту - час t_о() і кут _о(). Повороткість описують параметри - висув ; прямий зсув , зворотний зсув , тактичний діаметр ; діаметр сталої циркуляції ; період циркуляції .

При маневруванні використовуються 50 стандартних режимів зміни швидкості , 200 значень шляху і часу гальмування визначають із рівняння

,

де

- маса судна з урахуванням приєднаної маси води; - коефіцієнт тертя води; - упор гвинта. Характеристики ЗС, ЗМ і ЗСМ для гальмування не розглядалися, а маневр пригальмовування вперше був запропонований для позначення режиму зниження швидкості руху від більшого значення до меншого.

Маневрені характеристики, які необхідні для підвищення точності планування траєкторії, визначались по алгоритмам і програмам розрахунково-експериментальним способом, похибки якого менше 10%.

В умовах управління суден у БРЛС необхідна наближена оцінка гальмівного шляху по мінімальній кількості даних - водотоннажності, потужності силової установки, діаметру і поглибленню гвинта. Для отримання таких залежностей були проведені випробування на тренажері для 13-ти типів суден. Залежність гальмівного шляху в довжинах корпусу судна представлена у вигляді:

маневрування судно метод

. (3)

де - коефіцієнти множинної регресії; Fr - число Фруда; К_эн - узагальнений коефіцієнт енергоозброєності;

;

N_е - ефективна потужність головного двигуна, л.с.; D - водотоннажність судна, т; D_в - діаметр гвинта, м ; Тк - осадка кормою, м.

Результати проведених досліджень використовуються при управлінні судном для оцінки величини гальмівного шляху, при лоцманській проводці, у берегових ЗНО, при проектуванні суден і в автоматизованих системах. У результаті вирішення ЧЗ2 отримано параметри гальмування і повороткості для часткових режимів.

При вирішенні ЧЗ3 по оцінці дії зовнішніх факторів на судно у виробничих умовах були виконані спостереження дрейфу без ходу і запропонована модель урахування вітру на процес гальмування. В результаті отримана емпірична формула для визначення швидкості вільного дрейфу

.,

де V_др- швидкість дрейфу, м/с; W_и - швидкість дійсного вітру, м/с. Вона адекватна для суден типа СРТМ.

За наслідками спостережень було визначено значення аеродинамічного коефіцієнту С_ау90 = 0,78 із середньою квадратичною похибкою ± 0,04. Його значення використовується для розрахунку кута вітрового дрейфу, при плануванні швартування і розрахунку втрати керованості.

Загроза втрати керованості виникає при зниженні швидкості в умовах інтенсивного хвилювання, при обмеженій видимості і під час виконання морських операцій. Для оцінки стану судна необхідно прогнозувати час її настання. Система рівнянь сталого руху судна за наявності вітру має вигляд:

, , (4)

де и гідро, аеро динамічні сили, сили і їх моменти.

Розрахунок сил і моментів рівняння (4) можна виконати тільки приблизно, із цієї причини кількісний опис процесу втрати керованості носитиме аналогічний характер. Втрата керованості залежить від завантаження судна, курсового кута відносного вітру і відношення швидкостей відносного вітру і руху судна . У момент часу, коли

наступить втрата керованості, де - постійний кут перекладання руля для компенсації зовнішніх дій; - кут маніпуляції кермом, при утриманні судна на курсі; - максимальний кут перекладання. Після підстановки

у рівняння (4) відомих залежностей, воно представлене у вигляді:

+. (5)

Для вибору безпечної швидкості граничними будуть два значення - найбільшим буде швидкість упевненого реверсування і найменшим - втрати керованості. У результаті вирішення ЧЗ3 отримано моделі впливу зовнішніх дій на маневрування.

Для вирішення ЧЗ4 по оцінці впливу мілководдя на маневрування судна запропоновано його враховувати у вигляді коефіцієнтів для кожного елементу:

; ;.; ; . (6)

Для визначення коефіцієнтів були проведені порівняльні випробування на ММ на глибокій воді й мілководді, а коефіцієнти мілководдя представлені у вигляді лінійної регресії

,

Де

.

По результатам випробувань отримані формули для коефіцієнтів:

(7)

(8)

. (9)

. (10)

Значення пропонується прийняти рівним 0,85. Порівняльні випробування характеристик отримування повороту виконані на ММ, показали, що при малих кутах перекладання руля до 10° при вході в поворот кут отримування на мілководді збільшується вдвічі, а при більших кутах перекладання значення - тільки на 50%.

У результаті вирішення ЧЗ4 отримано приблизні моделі впливу мілководдя на відповідні маневрені характеристики судна.

Для вирішення ЧЗ5 по вибору безпечної швидкості по відстані впевненого виявлення небезпеки і маневреним характеристикам судна була запропонована модель, залежності для якої отримані з рис.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Рух судна при виявлені нерухомої небезпеки

Зіткнення не відбудеться, якщо відстань задовольняє наступній нерівності:

(11)

де - відстань від антени РЛС до крайньої носової точки; - СКП визначення відстані до небезпеки; - відстань, яку пройде власне судно за час ухвалення рішення; - гальмовий шлях, який проходить судно до повної зупинки, - навігаційний запас; - відстань від небезпеки, на якій зупиниться судно.

Значення і - відомі судноводієві. Величину можна розрахувати по формулі:

,

де - поточна швидкість; - час прийняття рішення. З нерівності (11) по значенню отримуємо , яка повинна бути менше текучої .

Якщо визначати по рухомому об'єкту, то формула (11) прийме вигляд:

(12)

де S_Lц- відстань від антени РЛС до крайньої носової точки іншого судна; m_Dц - СКП визначення відстані до небезпеки іншого судна; - відстань, яку пройде інше судно за час прийняття рішення; - гальмівний шлях, який пройде інше судно.

Складовими частинами, які визначають з урахуванням характеристик повороткості, будуть ті ж, що і по критерію шляху, з різницею, що замість величини необхідно використовувати значення висуву при куті перекладання 15⁰:

. (13)

У результаті вирішення ЧЗ5 отримано моделі розрахунку по значенню . Вони можуть бути використані в експертних системах прийняття рішення на березі в СУРС, навігаційних пристроях на суднах і при проектуванні систем управління.

Метод планування маневрів розроблено при вирішенні ГЗ1. Побудову траєкторії запропоновано виконувати по п'яти характерним опорним точкам - закінчення маневру, початку і закінчення циркуляції, перетину курсу до, і після повороту, і початкової точки. Планування запропоновано починати від кінцевої в зворотній послідовності до початкової точки, інверсним методом побудови траєкторії руху. Аналітичний опис процесу означає інтегрування диференціальних співвідношень, які її описують, у негативному часі з початковими умовами в точці закінчення маневрування.

Розглядатимемо: ділянку прицілювання Н_и - Н_ц, від початкової точки маневрування Н_и до подачі команди на перекладання руля Н_ц; криво лінійний рух із перекладеним кермом Н_ц - К_ц, від подачі команди на перекладання руля Н_ц до закінчення отримування повороту і виходу на новий курс у точці К_ц; ділянка гальмування Н_т - К_т, від подачі команди на задній хід Н_т до зупинки судна і віддачі якоря.

Методика планування інверсним методом графічно в масштабі ще й аналітично вперше в практиці судноводіння вирішує задачу створення формалізованої моделі функціонування системи управління рухом і автоматизації планування маневру. У результаті вирішення ГЗ1 розроблено інверсний метод планування траєкторії руху.

Управління процесом маневрування, що базується на знаннях висококваліфікованих експертів, практично на змістовних словесних моделях, перетворюється на систему управління, засновану на формалізованих моделях.

У четвертому розділі приведене рішення ГЗ2 - Розробка методів і прийомів забезпечення ціленаправленності вибору при маневруванні, для чого виконано дослідження психофізіологічних характеристик оператора, чинників руху у відкритому морі, і обмежених умовах, методів рішення задач при розходженні. Розроблена концепція безпечного управління судном і виконана її експериментальна перевірка. Для пошуку шляхів гармонізації факторів руху і психофізіологічних характеристик оператора при виконані ЧЗ6 було досліджено його здатність виконувати інтелектуальні дії по управлінню маневруванням. Для рішення задачі в Українському НДІ медицини транспорту були розроблені оригінальні методики і в ОНМА виконані комплексні психофізіологічні дослідження роботи курсантів судноводійської спеціальності і судноводіїв при перепідготовці на радіолокаційному тренажері, для вивчення інформаційності окремих показників дій оператора, і визначення можливості їх використання для оцінки рівня узгодженості чинників маневрування.

Для прогнозування успішності виконання інтелектуальних дій оператором при управлінні і вивчення процесу формування початкового, і відновлення стійкого навику, ціни адаптації, і розробки рекомендацій по підвищенню надійності роботи ЧО був досліджений процес формування навику. Динаміка інтелектуальних дій представляє ряд типових станів, що відображають рівень навику, і раціонально використовуваних психофізіологічних функцій. У результаті вирішення ЧЗ6 отримано метод оцінки узгодженості факторів руху при маневруванні і характеристик оператора.

Для вибору факторів руху, аналізу дій оператора у відкритому морі і перевірки інверсного методу побудови траєкторії маневрування при вирішенні ЧЗ7 були дослідженні швартовні операції рибопромислової бази (РПБ, водотоннажність 45 тис.т.) для прийому риби з невода.

Для опису схеми руху введені характерні точки, у яких відбувається зміна режиму маневрування. У носовій контрольній точці К_н находиться РПБ у момент виходу на контр курс і проходження по носу СРТМ (1500 т.) на відстані D_кн. У кормовій контрольній точці К_к- находиться РПБ у момент проходження по кормі СРТМ на відстані D_кк. Аналітично курсовий кут і дистанцію до судна в дрейфі в момент перекладання руля Н_ц можна розрахувати так:

(14)

де S_ц - шлях на циркуляції; S_прц -шлях від Н_и до Н_т; S_трм - гальмівний шлях; Dпк - відстань при подачі кінців; - шлях дрейфу СРТМ за час руху РПБ по ділянці Н_и -Н_т; - шлях СРТМ при гальмуванні РПБ; - дрейф СРТМ за час циркуляції РПБ.

Особливість швартувань у морі полягає в тому, що оператор використовує технічні засоби судноводіння протягом усього часу маневрування, а оглядово - порівняльний метод на завершальному етапі зближення.

У результаті вирішення ЧЗ7 установлені фактори руху при маневруванні - курс, швидкість, момент початку зміни режиму руху, конфігурація траєкторії і положення на карті. Підтверджена методика планування траєкторії інверсним методом, а результати дослідження швартувань дозволили розробити практичні рекомендації.

Для вибору факторів руху, аналізу дій оператора в стислих умовах і перевірки інверсного методу побудови траєкторії маневрування при вирішенні ЧЗ8 були дослідженні швартовні операції в порту. При маневруванні виконувалося швартування кормою до причалу по схемі, як показано на рис. 3.



Рис. 3. Схема швартування кормою до причалу в порту Самі

Дослідження швартувань в обмежених умовах проводилося на двогвинтових автомобільно-пасажирських паромах, що працюють на лінії Патрас - Бріндізі із заходом у порти Самі, Ігоуменіца і Керкіра. Щоденні п'ять швартувань і жорсткі часові рамки вимагають чіткої роботи штурманського складу, капітана і палубної команди. На перше місце ставляться питання оптимізації її проведення - мінімізація витрат часу і раціональне використання силової установки.

Паром є двогвинтовим судном з двома рулями, розташованим за гвинтами, з потужністю двигунів 9800 квт., підрулюючим пристроєм тунельного типу в носі потужністю 475 квт., 4270 БРТ. Не дивлячись на те, що порти мають різну конфігурацію, схема швартування й алгоритм дій судноводія були однаковими. Це дозволяло порівнювати витрати часу на їх проведення.

При маневруванні хронометраж проводився по етапах. Етапи підбиралися так, щоб можна було чітко фіксувати проходження контрольної або початкової точки щодо місця віддачі якоря. Результати хронометражу приведені в табл. 2.

Таблиця 2. Результати хронометражу часу швартування в портах Греції

NN пп	Назва порту	Кількість швартувань	Загальний час швартування, хв.	Розворот і гальмування	Рух назад і вирівнювання
1.	Патрас	183	11,1	3,9	6,2
2.	Самі	143	7,3	3,4	3,9
3.	Ігоуменіца	227	19,2	3,6	6,9
4.	Керкіра	228	8,8	3,7	5,1
5.	Бріндізі	184	21,7	4,5*	6,9
	Усього	965	-	3,8	5,8
*В процесі розвороту проводилася розкантовка за допомогою буксира.

При швартуваннях у порту вимоги до психофізіологічних характеристик зростають із-за необхідності проводити роботу за оцінкою положення судна і параметрів його стану оглядово - порівняльним способом. У результаті вирішення ЧЗ8 найдені параметри руху маневрування, установлена їх узгодженість із характеристиками оператора і підтверджена методика планування траєкторії інверсним методом.

...