Удосконалення методів координації суден при розходженні

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

(ОНМА)

УДК 656.61.052.484

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ КООРДИНАЦІЇ СУДЕН ПРИ РОЗХОДЖЕННІ

05.22.13 - навігація та управління рухом

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Пятаков Едуард Миколайович

Одеса 2009

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Заічко Сергій Іванович, Одеська національна морська академія, доцент кафедри електронних засобів судноводіння

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Воробйов Юрій Леонідович, Одеський національний морський університет, радник ректора, завідуючий кафедрою теорії та проектування корабля

кандидат технічних наук Сафін Ігор Вікторович, представництво компанії “Ві-Шипс” в Україні, м. Одеса, директор

Захист відбудеться 14 травня 2009 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона 8, корп. 1, зал засідань вченої ради.

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

Автореферат розісланий 10 квітня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д. т. н., професор Тарапата В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивне судноплавство і навігаційні перешкоди значною мірою ускладнюють судноводіння в стислих водах і створюють передумови для виникнення аварійних ситуацій. У разі небезпечного зближення і виникнення загрози зіткнення суден Міжнародні правила попередження зіткнень суден (МППЗС-72) визначають характер маневру їх розходження.

Викладена в МППЗС-72 бінарна координація руху, розроблена більше 40 років тому, не враховує сучасних теоретичних досягнень, нових джерел навігаційної інформації і збільшених можливостей управління поточною ситуацією небезпечного зближення суден.

Вказані обставини визначають необхідність удосконалення систем бінарної координації взаємодії суден для зниження аварійності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з "Державною програмою вдосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки судноплавства на 2002-2006 роки" (Постанова КМ України від 28.01.2002 р., № 296), "Концепцією сталої національної транспортної політики розвитку всіх видів транспорту на 2007-2014 роки" (наказ Мiнтрансзв'язку вiд 05.05.2007 р. № 360) а також з темою держбюджетної НДР "Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень" (№ ДР 0106U002117), в якій автору належить самостійно виконаний розділ.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи являється зниження аварійності від зіткнення суден при їх небезпечному зближенні шляхом розробки методу формування системи бінарної координації їх розходження.

Для досягнення цієї мети було необхідно найти рішення наступних задач:

§ огляд теоретичних і практичних досліджень з проблеми безпечного розходження суден, вибір напряму дисертаційної роботи;

§ методологічне забезпечення дисертаційного дослідження;

§ формування принципів взаємодії деякої множини суден при виникненні небезпечної ситуації;

§ виявлення основних принципів формування узагальненої системи бінарної координації взаємодії суден в ситуації небезпечного зближення та дослідження залежності приросту відносного курсу від різних парних стратегій розходження взаємодіючих суден;

§ розробка методу та алгоритму формування системи бінарної координації і оцінки її ефективності.

Об'єктом дослідження є процес розходження суден, а предметом дослідження - методи координації суден при розходженні.

Для вирішення поставлених в дисертації задач застосовувалися наступні методи дослідження: судно координація розходження зближення

§ дедукції для огляду теоретичних і практичних підходів вирішення проблеми безпечного розходження суден;

§ системного аналізу для вибору теми дослідження і його методологічного забезпечення;

§ дослідження операцій для декомпозиції головної задачі дисертаційної роботи;

§ теорії управління при дослідженні впливу парних стратегій розходження суден на приріст дистанції найкоротшого зближення;

§ теорії ієрархічних багаторівневих систем і теорії координації для розробки коректної та адекватної математичної моделі формування системи бінарної координації взаємодії суден при їх розходженні;

§ синтезу моделей при розробці імітаційної моделі.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробці методу формування взаємно узгоджених маневрів суден, що складають систему бінарної координації, який відрізняється змогою для кожної підмножини початкових ситуацій небезпечного зближення суден використовувати відповідну парну стратегію їх розходження, котра гарантує відсутність ризику зіткнення.

При цьому:

§ вперше одержано метод синтезу елементів системи бінарної координації, який визначає в залежності від ситуації небезпечного зближення узгоджену зміну параметрів руху одного або обох суден, а також оцінку ефективності системи, котра характеризується мірою зростання дистанції найкоротшого зближення;

§ вперше отримані залежності приросту дистанції найкоротшого зближення від параметрів парних стратегій розходження суден з допомогою аналітичного виразу швидкості зміни відносного курсу суден як функції їх курсів і швидкостей;

§ одержали подальший розвиток принципи взаємодії множини суден в небезпечній ситуації, засновані на використанні дворівневої ієрархії, перший рівень якої складають суднові елементарні стратегії, а другий - загальна стратегія, синтезована спеціальною процедурою з елементарних.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що одержаний в дисертації метод формування системи бінарної координації взаємодії суден при розходженні може бути використаний при координаційному управлінні іншими рухомими системами. Розроблений в роботі метод може бути упроваджений при розробці більш ефективнішої, ніж МППЗС-72, системи бінарної координації взаємодії суден, а також використаний системами управління рухом суден для їх безпечної проводки.

Результати дисертаційного дослідження впроваджені в Одеському морському тренажерному центрі при вивченні судноводіями ефективності розходження суден (акт впровадження від 11.12.2008 р.), в Херсонському державному морському інституті для викладання матеріалу по управлінню судном (акт впровадження від 11.12.2008 р.), а також використані в навчальних програмах кафедри судноводіння ОНМА (акт впровадження від 10.12.2008 р.).

Особистий внесок здобувача полягає у постановці мети і формуванні задач дослідження, розробці вдосконаленого методу формування системи бінарної координації та імітаційної моделі процесу розходження суден, формулюванні висновків, написанні докладів та самої дисертації.

Усі результати і розробки, які виносяться на захист, одержані здобувачем самостійно. Із семи публікацій дві написані в співавторстві.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися і були схвалені на науково-технічних конференціях: "Стан і проблеми судноводіння" 24-26 жовтня 2005 р., м. Одеса; "Інтегровані комплекси транспортних засобів і безпека судноплавства" 23-24 травня 2006 р., м. Одеса; "Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень" 10-11 жовтня 2007 р., м. Одеса; "Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння" 19-21 листопада 2008 р., м. Одеса.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 4-х наукових статтях у виданні, що входить в Перелік дозволених ВАК України для публікування результатів дисертаційних досліджень, а також в збірниках матеріалів трьох конференцій.

Структура роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, двох додатків, списку використаних літературних джерел 115 найменувань. Загальний обсяг роботи 200 сторінок, у тому числі: 171 сторінок основного тексту, 18 сторінок додатків, 11 сторінок списку літератури, містить 26 рисунків і 6 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначені мета та задачі дослідження, показані наукова новизна і практичне значення роботи.

У першому розділі методом дедукції виявлено основні напрямки актуальних наукових досліджень, до яких відносяться проблеми забезпечення високоточного контролю місця суден в стислих умовах, попередження зіткнень суден, навігаційне оснащення плавання суден в вузькостях, використання сучасних інформаційних технологій для забезпечення безаварійного плавання суден.

Здійснено ретельний огляд виконаних раніше теоретичних і практичних досліджень з проблеми безпечного розходження суден, які мають різні аспекти (Родіонов О.І., Созонов А.А., Мальцев А.С., Вагущенко Л.Л., Lamb W.G., Cockroft A.N. та ін..). Встановлено, що одним із найважливіших питань з даної проблематики є формування стратегії розходження та маневрів суден в ситуації небезпечного зближення (Цимбал М.М., Павлов В.В., Lisovski I., Сафін І.В., Петріченко Є.А., Тюпіков Є.Є. та ін.).

Другий розділ присвячено вибору теми дисертаційного дослідження. Проведений аналіз показав, що успіх безпечного розходження в значній мірі залежить від системи бінарної координації, яка регулює взаємодію суден в ситуації небезпечного зближення. Однак питання з даної тематики практично не розглянуті і потребують серйозних наукових досліджень. Тому розробка методу формування високоефективної системи бінарної координації взаємодії суден при небезпечному зближенні є актуальною. Цією тематикою і визначено напрям дисертаційного дослідження.

В другому розділі також розглянуте методологічне забезпечення дисертаційного дослідження. Згідно з його робочою гіпотезою, у подальшому рівень аварійності при плаванні суден в стислих водах може бути знижений за рахунок підвищення ефективності системи бінарної координації шляхом її удосконалення.

Для досягнення поставленої мети, у відповідності з теорією дослідження операцій, були сформульовані три задачі, відображені в технологічній карті.

Центральною явилась розробка математичної моделі формування системи бінарної координації взаємодії суден при їх розходженні, яка повинна коректно описати узгоджену поведінку взаємодіючих суден по попередженню зіткнень в ситуаціях небезпечного зближення. Така математична модель адекватного і обґрунтованого опису взаємодії суден можлива методами відповідних теорій, якими для випадку дисертаційного дослідження являються теорія ієрархічних багаторівневих систем і теорія координації.

Друга задача, пов'язана з урахуванням специфіки координації динамічних об'єктів - взаємодіючих суден, вимагає використання методів теорії управління при дослідженні впливу парних стратегій розходження суден на приріст дистанції найкоротшого зближення, що визначає ефективність системи бінарної координації, яка найбільш адекватно описує правила взаємодії пари суден.

Оцінка ефективності системи бінарної координації потребує розробки імітаційної моделі, що викликає необхідність застосування методів синтезу моделей. Визначені основні задачі дослідження за темою дисертації та їх методологічно обґрунтоване рішення дозволяють стверджувати про достовірність отриманих наукових результатів.

У третьому розділі розглянуто формування принципів взаємодії деякої множини суден при виникненні небезпечної ситуації, що є змістом першої складової задачі.

Існуючі рекомендації по виявленню ситуації небезпечного зближення містяться в офіційному нормативному документі МППЗС-72, що регламентує взаємні обов'язки і поведінку суден при виникненні загрози зіткнення (ситуативного збурення). Дані рекомендації носять достатньо загальний характер. Існує також поняття хорошої морської практики, згідно вимог якої встановлюється деяка гранично-допустима відстань (чітко визначене лише у відкритому морі - 2 милі), і у разі можливого зближення суден на меншу, ніж гранично-допустиму дистанцію, вважається, що зближення небезпечне.

У розділі розглянуто можливу оцінку ефективності процедури, яка дозволяє виявити ситуативне збурення. Припустимо, існує процедура виявлення множини суден числом n, формуючих початкову ситуацію, тобто сукупність суден, які можуть взаємодіяти один з одним на деякому кінцевому інтервалі часу.

З позицій можливого зіткнення n суден створюють множину початкових ситуацій, з якої в реальних умовах об'єктивно реалізується лише одна . Система управління взаємодією суден повинна містити процедуру ідентифікації початкової ситуації. Очевидно, що ефективність цієї процедури тим вища, чим ближче співпадатимуть одержані з її допомогою суднові образи ситуації з об'єктивною ситуацією .

Як початкову ситуацію для оцінки ефективності даної процедури розумітимемо множину ситуацій, яка визначається по ознаці пар суден, що небезпечно зближуються. Тому спочатку слід оцінити кількість можливих пар суден N, утворених із загального їх числа n, а потім за допомогою комбінаторики визначити всі можливі поєднання з одержаного числа пар N.

Враховуючи, що не розрізняється пара i-го і j-го суден від пари j-го і i-го суден, а також те, що судно саме з собою не утворює пару, кількість можливих пар суден N визначається наступним співвідношенням: .

У свою чергу, множина можливих ситуацій M, враховуючи, що в ситуації можуть бути будь-які пари (від взагалі їх відсутності до небезпечного зближення всіх суден один з одним), що небезпечно зближуються, можна обчислити за допомогою формули: де - число поєднань i пар суден з N і визначається за правилами комбінаторики.

Здатність розрізняти початкові ситуації з позицій співвідношення небезпечного зближення певних пар суден, що реалізувалося, з урахуванням того, що процедурою ідентифікації початкової ситуації користуються всі судна сукупності, краще всього характеризувати показником ефективності процедури, який є питомою невизначеністю (що враховує число суден) в оцінці об'єктивної ситуації .

В цьому випадку невизначеність при ідентифікації конкретним j-м судном, виражена інформаційною ентропією, залежить від розподілу вірогідності по множині ситуацій і обчислюється по відомій формулі:

.

Якщо врахувати, що для кожного з суден існує свій розподіл вірогідності по можливих ситуаціях, яке визначається процедурою ідентифікації системи, то ефективність процедури, яку позначимо , з урахуванням усередненого значення інформаційної ентропії при визначенні кожним з суден, може бути оцінена за допомогою наступного виразу:

, або .

Аналіз одержаного виразу для ефективності процедури ідентифікації початкової ситуації показав, що у випадку, коли процедура ідентифікації забезпечує для всіх суден однозначне визначення істинної ситуації, тобто =, то один елемент множини можливих ситуацій M відповідає істинній ситуації і має вірогідність рівну 1, а інші = 0. Отже, невизначеності стають рівними 0, а ефективність процедури дорівнює 1.

Якщо ж процедура ідентифікації початкової ситуації не гарантує її упевненого визначення, то з'являється розподіл вірогідностей на множині ситуацій M, і величина стає більше нуля, а набуває значення, яке менше одиниці. Величина досягає максимального значення (чому відповідає мінімальна ефективність) при рівномірному розподілі вірогідності по всім ситуаціям множини, що означає взагалі відсутність ідентифікаційної процедури. При рівномірному розподілі вірогідності на множині M вірогідність реалізації кожної можливої ситуації однакова і, очевидно, рівна величині . При цьому для кожного з суден максимальна ентропія також має однакове значення і рівна:

, або .

Остаточно одержимо наступні співвідношення для максимальної інформаційної ентропії і мінімальної ефективності процедури ідентифікації початкової ситуації: і .

Якщо використовувати одну з пропонованих різними авторами процедур формування областей взаємних обов'язків, то ступінь небезпеки ситуативного збурення визначається приналежністю позиції судна області взаємних обов'язків. По цій ознаці ситуативне збурення характеризуватимемо загрозою зіткнення, яка позначена . Якщо область взаємних обов'язків позначити, де i=1..3, а позицію судна , то загрозу зіткнення нормуватимемо таким чином:

.

Загроза зіткнення відсутня (тобто =0) у випадку якщо позиція судна не належить жодній з областей взаємних обов'язків.

В розділі проведено аналіз можливості синтезу системи формування стратегій розходження групи суден.

Вирішальними факторами при розходженні суден є узгодженість їх взаємодії по реалізації загальної стратегії розходження і можливість вибору безпечного маневру при допустимій початковій ситуації.

Ідея формування дворівневої ієрархічної системи по запропонованій в роботі схемі полягає в тому, що спочатку пропонується спосіб визначення початкового першого рівня елементарних стратегій. Під елементарною стратегією розумітється тип зміни параметрів руху кожного з суден, які небезпечно зближуються. Очевидно, що у будь-якому випадку при такому визначенні до елементарних стратегій відносяться: зміна курсу судна відворотом праворуч, зміна курсу судна відворотом ліворуч, збільшення швидкості і зменшення швидкості .

Тому початкову множину елементарних стратегій кожного із суден складають п'ять елементів: - показник відсутності маневру, , , . Таким чином, для j-го судна початкова множина приймає вигляд . Об'єднання початкових множин по всім суднам, що становлять ситуацію небезпечного зближення, дозволяє одержати початкову множину елементарних стратегій, з яких можна синтезувати загальну стратегію розходження суден.

Початкова множина елементарних стратегій розходження суден є першим рівнем дворівневої структури формування стратегій розходження з групою суден, і при заданій процедурі формування другого рівня можна одержати множину стратегій розходження оперуючого судна з групою суден (рис.1), причому:.

Сформулюємо вимоги, яким повинна відповідати процедура . З наведеної схеми виходить, що при формуванні стратегії розходження процедура повинна враховувати всі судна, що знаходяться в районі можливого маневрування, як ті, які задіяні в компенсації ситуативного збурення, так і ті, що знаходяться поряд і можуть перешкодити виконати маневр розходження.

Потім з початкової множини елементарних стратегій кожного з суден, включаючи тих, що можуть заважати, використовується один елемент , серед яких може бути . Кожному з елементів ставитися у відповідність момент часу його реалізації, звідки витікає, що стратегія розходження є деякою послідовністю пар елементарних стратегій кожного з суден і часу їх реалізації, тобто ={,…,…}.

Таким чином, проведений аналіз існуючої в МППЗС-72 системи бінарної координації на базі інформаційного підходу дозволив запропонувати оцінку ефективності процедури, яка виявляє ситуативне збурення, та розглянути можливість синтезу системи формування стратегій розходження групи суден.

Матеріали розділу опубліковано у роботах [1-3, 6].

Четвертий розділ присвячений виявленню основних принципів формування узагальненої системи бінарної координації взаємодії суден в ситуації небезпечного зближення та дослідженню залежності приросту відносного курсу від різних парних стратегій розходження взаємодіючих суден, що відповідає другій складовій задачі дослідження.

У контексті проблеми, яка рішається в роботі, координація є управлінням взаємодією пари суден в умовах небезпечного зближення, коли узгоджуються дії координованих систем для попередження зіткнення шляхом рішення виникаючої суперечності координатором. Координатор вказує учасникам взаємодії індивідуальні області, з яких вони можуть робити вибір параметрів своїх стратегій, причому області вибрані таким чином, що не ведуть до виникнення конфліктних ситуацій. Кожний з учасників оптимізує стратегію в межах своєї області допустимих параметрів.

Як координатор може виступати конкретна управляюча система, яка знаходиться на вищому, ніж координуючі системи, рівні організаційної ієрархії. Координатор може реалізуватися як розподілений, будучи деякими нормативними вимогами, відомими всім координуючим об'єктам.

Повертаючись до бінарної координації суден, відзначимо, що координатор містить процедуру, яка визначає, чи розповсюджується координація на конкретне судно, що зближується з іншим і, якщо так, то використовується функція бінарної координації по компенсації ситуативного збурення. Процедура (функція) виявлення ситуативних збурень є відображенням множини навігаційних ситуацій, яке позначимо , в множину значень загрози ситуативного збурення пари суден, тобто: .

В свою чергу, функція бінарної координації за наявності ситуативного збурення залежно від значення його загрози і навігаційної ситуації, що реалізувалася, повинна кожному з пари суден вказати ту або іншу елементарну стратегію з його початкової множини.

Початкові множини і елементарних стратегій розходження відповідно першого і другого суден містять повний набір можливих одноразових маневрів. У загальному випадку елемент множини позначимо , а множини - . Тому: і .

Отже, функція бінарної координації є відображенням прямого добутку множини навігаційних ситуацій і значень загрози ситуативного збурення пари суден в множину можливих пар стратегій і , яке є прямим добутком множин і , тобто аналітично виражається таким чином: .

У даній роботі під навігаційною ситуацією матимемо на увазі сукупність параметрів, що характеризують пару суден ( і ). Ознакою виникнення ситуативного збурення безвідносно до структури бінарного координатора являється те, що значення мінімальної дистанції між суднами, яке прогнозується, менше гранично-допустимого .

Множину навігаційних ситуацій можливо представити двома підмножинами: підмножиною збурених ситуацій и підмножиною незбурених ситуацій .

Якщо початкова навігаційна ситуація належить підмножині збурених ситуацій , то суттєвою являється можливість змінити , переводячи її в підмножину незбурених ситуацій . Для цього потрібний деякий час , поки початкова відстань досягне найменшого значення . Ця можливість характеризує загрозу ситуаційного збурення , значення якої зв'яжемо з можливістю управління суднами поточною навігаційною ситуацією. Принципово важливим визначенням загрози ситуативного збурення втеченіє відрізка часу ьной обуреної ситуації в необурену до настання є наступне:

- якщо за час початкова збурена ситуація може бути переведена в підмножину незбурених ситуацій кожним із взаємодіючих суден при незмінних параметрах руху іншого, то загрозі ситуаційного збурення будемо приписувати значення 1, тобто ;

- якщо при тих же умовах ситуація може бути переведена в підмножину незбурених ситуацій незалежно лише одним із двох взаємодіючих суден (інше зберігає параметри руху), то загроза ситуаційного збурення приймає значення 2, тобто ;

- якщо переведення ситуації в підмножину незбурених ситуацій при тих же умовах не можливий самостійно ні одним із суден, а потрібно змінити параметри руху обох, то значення загрози ситуаційного збурення дорівнює 3, тобто .

Розглянемо реалізацію бінарної координації взаємодії суден за допомогою функції бінарної координації , яку можна записати таким чином:

(,)=(,),

причому і (,)(); , .

Відзначимо, що прямий добуток початкових множин і елементарних стратегій розходження, який представляє множину пар елементарних стратегій (,) доцільно представити у вигляді матриці , стовпцями якої є елементарні стратегії множини (першого судна), а рядками - елементарні стратегії множини (другого судна). Елемент матриці характеризує пару елементарних стратегій, відповідну i-му стовпцю і j-й рядку.

У множині елементарних стратегій слід ввести ранжирування елементів по ознаці складності виконання. Так, найлегше виконувати елементарну стратегію, яка означає зберігання параметрів руху, потім найбільш переважними є елементарні стратегії зміни курсу і . Складніше виконати елементарні стратегії, пов'язані із зміною швидкості. Тому ранжований перелік елементарних стратегій розходження виглядає таким чином:

,

де - позначення відношення переваги. Усередині круглих дужок елементарні стратегії мають однаковий ранг.

Рядки і стовпці матриці розташовані в порядку згідно вказаному ранжируванню, а сама матриця має вигляд:

.

Надалі для визначеності вважатимемо, що судно має більші можливості по управлінню ситуацією (перевага в швидкості, кращі маневрені характеристики і т.п.) ніж судно . Кожний елемент матриці необхідно розглянути з позицій можливості застосування як елемента координації, який запобігає можливому зіткненню.

Очевидно, зміна дистанції найкоротшого зближення можлива тільки при зміні відносного курсу . В роботі одержана залежність зміни від зміни, тобто перша похідна :

.

Збільшення дистанції найкоротшого зближення при зростанні відбувається у випадку >0. Аналізуючи останній вираз, приходимо до висновку, що >0 при .

У свою чергу, <0, при .

Таким чином, збільшення дистанції найкоротшого зближення має місце при зростанні значення, якщо та при зменшенні значення , коли

.

Оскільки елементарні стратегії розходження і пов'язані саме із зміною параметрів руху суден, то одержана залежність відносного курсу від зміни курсу судна, тобто:

, .

Для судна максимальні значення відносних курсів досягатимуться на істинних курсах:

і ,

де , а значення відносних курсів відповідно визначатимуться виразами: і .

Отже, для всіх курсів другого судна (при p <1) з діапазону від 0 до 2 відносний курс прийматиме значення з діапазону від до . Для першого судна (при 1) відносний курс змінюється від 0 до 2 при зміні курсу судна в тих же межах.

Використовуючи одержані результати, розглянемо елементи матриці, що характеризують зміну курсу одним з суден при незмінних параметрах руху іншого. Аналізуючи матрицю, виявляємо, що такими елементами є наступні:

(, ), (, ), (, ), (, ).

Результати аналізу по елементах матриці , , , , які характеризують маневрування одного з суден відповідно збільшенням і зменшенням курсу при незмінних параметрах руху другого судна, приведені в табл. 1.

Таблиця 1

Вплив елементів на зміну відносного курсу

№ п/п			Зміна	Зміна	Ефективність
1	(, )				max
2	(, )				max
3	(, )				max
4	(, )				max
5	(, )				max
6	(, )				max

Вплив зміни швидкості судна на величину відносного курсу визначається співвідношенням:

.

Характеристика елементів , , , приведена в табл. 2.

Таблиця 2

Вплив елементів на зміну відносного курсу

№ п/п				Зміна	Ефект.
1	, (, ); , (, ).				max
2	, (, ) , (, ).				max
3	, (, ); , (, ).				max
4	, (, ); , (, ).				max

Далі розглянуті ситуації, коли обидва судна змінюють свої параметри руху і проведено аналіз тенденцій зміни відносного курсу, що виникає при цьому. Залежність зміни відносного курсу від приросту параметрів руху суден імітувалась на комп'ютері. На рис. 2 показана закономірність приросту відносного курсу при зміні швидкості одного судна і курсу другого, для ситуацій, коли різниця початкових курсів суден становить 0° и 270°.

Таким чином, в розділі викладені основні принципи формування системи бінарної координації взаємодії суден в ситуації небезпечного зближення, а також одержана залежність приросту відносного курсу від різних парних стратегій розходження взаємодіючих суден.

Матеріали розділу викладені в роботах [4, 5].

У п'ятому розділі проведена розробка методу формування системи бінарної координації і оцінки її ефективності, що являється третьою складовою задачею дисертаційного дослідження.

При небезпечному зближенні, коли потрібна координація взаємодії суден, що зближуються, значення пеленга б і відносного курсу якщо не рівні, то близькі один до одного. Знак виразу , вказує в яку сторону необхідно змінювати відносний курс для збільшення дистанції найкоротшого зближення .

Очевидно, якщо q>0, то необхідно збільшувати відносний курс (), інакше (q<0) його слід зменшувати.

Позначимо ефективність елементу матриці через . Звертаємо увагу, що при загрозі зіткнення =1 перехід ситуації в підмножину незбурених ситуацій можливий елементарним маневром кожного з суден, при незмінних параметрах руху іншого судна. В цьому випадку (=1) доцільно скористатися наступними елементами :

(, ), (, ), (, ), (, ),

які є найбільш переважними, оскільки передбачають зміну курсу судна, а також елементами матриці:

(, ), (, ), (, ), (, ),

які можуть бути використані при маневруванні швидкістю у разі, коли неможливо використовувати маневр курсом.

Випадки маневрування суден зміною курсу (, ), (, ), (, ) та (, ) при загрозі зіткнення =1 приведені в табл. 3, де містяться відповідні вирази ефективності для заданої різниці початкових курсів суден . Використане позначення , причому .

Якщо загроза зіткнення =1, а маневрування суден курсом неможливе, то належить розглянути елементи матриці (, ), (, ), які передбачають збільшення швидкості суден, і (, ), (, ), які характеризуються зменшенням швидкості.

Таблиця 3

Результати аналізу парних стратегій зміни курсу

№ п/п		q( q)	q (q)	Примітка
1	0			max
2		1	0
3	90 (270)
4	180

При загрозі зіткнення =2 початкова небезпечна ситуація може бути переведена в підмножину незбурених ситуацій або маневром судна, яке є більш маневреним, або сумісним маневром обох суден, що змінюють свої курси. Вказана обставина характеризує загрозу зіткнення, яка дорівнює двом. Тому для такої ситуації можуть бути використані наступні елементи матриці:

(, ), (, ), (, ), (, ),

у разі маневрування тільки першого судна, при збереженні параметрів руху другого судна. У разі сумісного маневру курсом обох суден можуть бути використані елементи:

(,), (,), (,), (,).

Очевидно, в таких ситуаціях маневром зміни курсу може скористатися тільки судно . Проте в такій ситуації можуть бути використані елементи матриці, , и , за умов, одержаних раніше.

Розглянемо елементи матриці (,), (,), (,) и (,), які характеризують одночасну зміну курсів обох суден при незмінних швидкостях. Спочатку зробимо аналіз елементів матриці і , коли обидва судна змінюють курси в одному напрямі (обидва збільшують або обидва зменшують). В цьому випадку ефективність таких парних стратегій є сумою ефективності кожного з суден, тобто:

=+=.

Як видно, ефективність незалежно від значення позитивна і має постійну величину, причому при зміні курсів суден на градус відносний курс також збільшується на градус. Очевидно, для елементу матриці значення ефективності визначається співвідношенням: =-=-1.

При зміні курсів суден в різні сторони (матриці і ), ефективність елементу за визначенням рівна різниці ефективностей і :

=-=.

З одержаного виразу слідує, що залежить від значення (табл. 4). Оскільки, то ефективність позитивна для всіх значень . При значеннях від до 360 знову справедливе співвідношення .

Таблиця 4

Значення ефективності

№ п/п	Значення	Ефективність
1	=0
2	=	1
3	=90 (270)
4	=180

У дисертаційній роботі показано, що ефективність є дуже низькою, отже, елемент матриці (зниження швидкості обох суден) не може бути використаний при виникненні останнього класу ситуацій.

Таким чином, при загрозі зіткнення =3 елементи матриці, , , і зміни швидкості одного або обох суден, що містять маневр, не можуть бути використані через низьку ефективність, ефективними ж є елементи матриці, рекомендовані при =2.

Узагальнимо раніше одержані результати аналізу елементів матриці, помістивши в табл. 5 елементи і ситуації, в яких застосування вказаних елементів доцільне.

Таблиця 5

Відповідність елементів матриці початковим ситуаціям

	q	Різниця курсів	Зміна курсу	Елементи матриці
1	1		+
1	1		+
1	-1		+
1	-1		+
1	1		-
1	1		-
1	-1		-
1	-1		-
2	1		+
2	1		+
2	-1		+
2	-1		+
2	1		-
2	1		-
2	-1		-
2	-1		-
3	1		+
3	1		+
3	-1		+
3	-1		+

Отримані в розділі результати були використані для порівняння критерію якості реалізованої в МППЗС-72 системи бінарної координації з одним із розроблених автором альтернативних варіантів, в якому принцип призначення пріоритету відрізняється від прийнятого в МППЗС-72 і надає його судну з меншою швидкістю - тобто поступається дорогою більш маневрене судно. Критерій якості альтернативної системи бінарної координації вищий на 36%, ніж критерій якості МППЗС-72.

Таким чином, в розділі проведена розробка методу формування системи бінарної координації і оцінки її ефективності.

Матеріали розділу опубліковані в роботі [7].

ВИСНОВКИ

У дисертації одержане теоретичне узагальнення і нове рішення задачі попередження зіткнень суден, котре полягає в застосуванні методу формування системи бінарної координації, який дозволяє для кожної підмножини початкових ситуацій небезпечного зближення використовувати відповідну парну стратегію розходження суден з максимальною ефективністю.

У результаті проведеного дисертаційного дослідження:

§ здійснено огляд теоретичних і практичних досліджень з проблеми безпечного розходження суден, обґрунтовано вибір теми дисертаційної роботи та методологічного забезпечення дисертаційного дослідження;

§ одержали подальший розвиток принципи взаємодії множини суден в небезпечній ситуації, для чого заснована дворівнева ієрархія, причому перший рівень складають елементарні стратегії кожного із суден, а на другому рівні з суднових елементарних стратегій формуються загальні стратегії розходження;

§ вперше отримані математичні залежності приросту дистанції найкоротшого зближення від параметрів парних стратегій розходження суден за рахунок одержаного в роботі аналітичного виразу впливу курсів і швидкостей кожного із суден на швидкість зміни відносного курсу;

§ вперше одержано спосіб синтезу елементів системи бінарної координації, який визначає узгоджену зміну курсів чи швидкостей руху одного або обох суден в разі виникнення загрози зіткнення, причому ситуація небезпечного зближення визначає характер рекомендованих узгоджених маневрів, а оцінка ефективності системи бінарної координації характеризується мірою зростання дистанції найкоротшого зближення після виконання узгодженого маневру.

Наукова значущість проведеного дисертаційного дослідження полягає у тому, що одержаний метод формування системи бінарної координації взаємодії суден при розходженні може бути використаний при координаційному управлінні іншими рухомими об'єктами.

Результати дисертаційної роботи мають значну практичну цінність, яка визначається тим, що розроблений в роботі метод може бути упроваджений при розробці ефективнішою, ніж МППЗС-72 системи бінарної координації взаємодії суден, а також використаний системами управління рухом суден для їх безпечної проводки.

СПИСОК ОПУБЛIКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Заичко С.И. Управление взаимодействием судов в ситуации опасного сближения / Заичко С.И., Пятаков Э.Н. // Судовождение: Сб. научн. трудов. / ОНМА, Вып.11. Одесса: "ИздатИнформ", 2006. С. 56 - 60. (здобувачем сформульовані принципи управління взаємодією суден в ситуації небезпечного зближення);

2. Заичко С.И. Возможности синтеза системы формирования стратегий расхождения группы судов / Заичко С.И., Пятаков Э.Н. // Судовождение: Сб. научн. трудов. / ОНМА, Вып.12. Одесса: "ИздатИнформ", 2006. С. 63 - 66. (здобувачу належить ідея використання дворівневої системи формування стратегії розходження групи суден).

3. Пятаков Э.Н. Требование к процедуре формирования второго уровня иерархической системы управления взаимодействием судов / Пятаков Э.Н. // Судовождение: Сб. научн. трудов. / ОНМА, - Вып.13. Одесса: "ИздатИнформ", 2007. С. 145 - 148.

4. Пятаков Э.Н.. Оценка эффективности парных стратегий расходящихся судов / Пятаков Э.Н., Заичко С.И // Судовождение: Сб. научн. трудов. / ОНМА, - Вып.15. Одесса: "ИздатИнформ", 2008. С. 166 - 171. (здобувачу належить процедура оцінки ефективності парних стратегій розходження).

5. Пятаков Э.Н. Взаимодействие судов в процессе расхождения / Пятаков Э.Н. // Мат. наук.тех. конф. "Інтегровані комплекси транспортних засобів та безпека судноплавства". Одеса: ОНМА, 2006. С. 45-46.

6. Пятаков Э.Н. Двухуровневая иерархическая система управления взаимодействием судов / Пятаков Э.Н.. // Мат. наук.тех. конф. "Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень". Одеса: ОНМА, 2007. С. 105-107.

7. Пятаков Э.Н. Общие принципы построения систем бинарной координации судов при взаимодействии / Пятаков Э.Н. // Мат. наук.тех. конф. «Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння». Одеса: ОНМА, 2008. С. 116-118.

АНОТАЦІЯ

Пятаков Е.М. Удосконалення методів координації суден при розходженні. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.13 - Навігація та управління рухом. Одеська національна морська академія, Одеса, 2009 р.

У дисертаційній роботі розглянута актуальна проблема розробки методу формування системи бінарної координації взаємодії суден при розходженні. Аналіз підходів для вирішення даної проблеми та огляд існуючих літературних джерел показали, що в цьому напрямку питання практично не розглянуті і потрібно проведення серйозного наукового дослідження.

Спочатку була сформована процедура визначення ситуації небезпечного зближення декількох суден, в основу якої положено принцип мінімізації невизначеності аналізованої ситуації.

Наступним етапом дослідження з'явився аналіз можливостей синтезу системи формування стратегій розходження групи суден за допомогою розробки структури дворівневої ієрархічної системи, один з рівнів якої містить множину елементарних стратегій розходження суден, що становлять групу взаємодії. Другий рівень ієрархічної системи містить процедури формування загальної стратегії розходження з елементарних.

При виникненні ситуації небезпечного зближення судна повинні виконувати сумісні дії для збільшення дистанції найкоротшого зближення. Тому сумісні дії суден, тобто їх парні стратегії розходження, включаючи як зміну параметрів руху одного з суден, так і обох, тим ефективніші, чим значніша зміна дистанції найкоротшого зближення при їх використанні.

У роботі показано, що зміна дистанції найкоротшого зближення пропорційна приросту відносного курсу при тій же початковій ситуації. Тому, в роботі були одержані залежності приросту відносного курсу від кожної з можливих парних стратегій розходження суден. Потім були виявлені співвідношення між парними стратегіями розходження суден і відповідними їм ситуаціями максимального приросту дистанції найкоротшого зближення, які в сукупності утворюють структуру ефективних систем бінарної координації.

Ключові слова: безпека судноводіння, попередження зіткнень суден, парні стратегії розходження суден, система бінарної координації, імітаційна модель.

АННОТАЦИЯ

Пятаков Э.Н. Совершенствование методов координации судов при расхождении. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.13 - Навигация и управление движением. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2009 г.

В диссертационной работе рассмотрена актуальная проблема разработки метода формирования системы бинарной координации взаимодействия судов при расхождении.

Вначале, с помощью методов многоуправляемых динамических систем, с учетом закономерностей относительного движения была сформирована процедура определения ситуации опасного сближения нескольких судов, в основу которой положен принцип минимизации неопределенности анализируемой ситуации, для получения которого был использованы методы теории информации.

Следующим этапом исследования явился анализ возможностей синтеза системы формирования стратегий расхождения группы судов. При этом был использован перспективный подход, основанный на разработке структуры двухуровневой иерархической системы, один из уровней которой содержит множество элементарных стратегий расхождения судов, составляющих группу взаимодействия. Второй уровень иерархической системы содержит процедуры формирования общей стратегии расхождения из элементарных.

Так как применение элементарных стратегий регламентируется системой бинарной координации, которая в настоящее время реализована в МППСС-72, то в работе произведен анализ эффективности этой системы, выявлены общие принципы, положенные в ее основу, оценены существующие достоинства и недостатки, в результате чего были создать предпосылки для разработки обобщенной системы бинарной координации.

Очевидно, при возникновении ситуации опасного сближения суда должны предпринимать совместные действия для увеличения дистанции кратчайшего сближения. Поэтому совместные действия судов, т.е. их парные стратегии расхождения, включающие как изменение параметров движения одного из судов, так и обоих, тем эффективнее, чем значительнее изменение дистанции кратчайшего сближения при их использовании.

В работе показано, что изменение дистанции кратчайшего сближения пропорционально приращению относительного курса при той же начальной ситуации. Поэтому, в работе получены зависимости приращения относительного курса от каждой из возможных парных стратегий расхождения судов.

Выявление таких закономерностей потребовало вначале в виде базовых найти зависимости приращения относительного курса от изменения курса одного из судов при неизменных параметрах движения другого и изменения скорости одного из судов при неизменных параметрах движения другого. Затем были выявлены соотношения между парными стратегиями расхождения судов и соответствующими им ситуациями максимального приращения дистанции кратчайшего сближения, которые в совокупности образуют структуру эффективных систем бинарной координации.

Ключевые слова: безопасность судовождения, предупреждение столкновений судов, парные стратегии расхождения судов, система бинарной координации, имитационная модель.

ANNOTATION

Pjatakov E.N. Perfection of methods of co-ordination of vessels for prevent collisions. The dissertation is the manuscript. The dissertation is on competition of scientific degree of candidate of engineering sciences. Speciality 05.22.13 - Navigation and traffic control. Odessa national maritime academy, Odessa, 2009.

The analysis of possibilities of synthesis of the system of forming of strategies for prevent collisions of group of vessels by development of structure of the two-tier hierarchical system was a next stage of research, one of levels of which contains the great number of elementary strategies for prevent collisions of vessels making the group of co-operation. The second level of the hierarchical system contains procedures of forming of general strategy for prevent collisions from elementary. In case of occurring of situation of dangerous rapprochement ships must undertake the united actions for the increase of distance of the shortest rapprochement. Therefore the united actions of vessels, I.e. their pair strategies for prevent collisions, including both change of parameters of motion of one of ships and both, the more effectively, than the change of distance of the shortest rapprochement at their use is more considerable.

It is shown in work, that the change of distance of the shortest rapprochement is proportional to the increase of relative course at that initial situation. Therefore, were on the go collected dependences of increase of relative course from each of possible pair strategies for prevent collisions of vessels. Correlations between pair strategies for prevent collisions of vessels and situations of maximal increase of distance of the shortest rapprochement proper to them, and which in an aggregate form the structure of the effective systems of binary co-ordination, were then exposed.

Keywords: safety of navigation, prevent of collisions of vessels, pair strategies for prevent collisions of vessels, system of binary co-ordination, simulation model.

Размещено на Allbest.ru