Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

(ОНМА)

УДК 656.61.052

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ КЕРУВАННЯ СУДНОМ У ПОРТОВИХ ВОДАХ

05.22.13 - Навігація та управління рухом

Степаненко Анатолій Георгійович

Одеса - 2009

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор ОНМА Козир Лоран Антонович, Одеська національна морська академія, професор кафедри судноводіння

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Вагущенко Леонід Леонідович, Одеська національна морська академія, завідувач кафедри електронних комплексів судноводіння

кандидат технічних наук Інфімовський Сергій Юрійович, Морська інспекція, м. Одеса, начальник відділу розслідування, обліку і профілактики аварійних випадків

Захист відбудеться 27 січня 2010 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 25 грудня 2009 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор В.В. Тарапата

АНОТАЦІЯ

Степаненко А.Г. Підвищення ефективності управління судном у портових водах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.13 - Навігація та управління рухом. Одеська національна морська академія, Одеса, 2009.

Робота присвячена підвищенню безпеки та ефективності управління судном у портових водах під час виконання буксирувально-кантувальних операцій (БКО). Розроблено загальну математичну модель системи "судно - буксири-кантувачі" для великовантажних суден. Теоретичне дослідження та експериментальна перевірка адекватності моделі показали достатню збіжність отриманих результатів.

З метою підвищення безпеки та ефективності БКО запропонована цільова функція і виконана оптимізація руху судна у акваторії порту за мінімумом відхилення його фактичної траєкторії від еталонної траєкторії загальної форми. При цьому було визначено та математично виражено декілька критеріїв обмеження: припустимої швидкості судна та сили на швартові, балансу дистанцій, еталонного часу БКО. Розроблено комплект типових технологічних карт БКО. Розроблена імітаційна модель БКО та методика кількісного комп'ютерного тестування теоретичних знань та практичних навичок операторів при її проведенні шляхом використання відповідних тренажерів.

Ключові слова: судно, портові води, буксир-кантувач, безпека, математична модель, оптимізація, комп'ютерне тестування.

SUMMARY

A. G. Stepanenko. Increase of Effectiveness of Ship Handing in Port Waters. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Science Degree. Speciality 05.22.13 - Navigation and Traffic Control. Odessa National Maritime Academy, Odessa, 2009.

The thesis is devoted to the enhancing of the safety and effectiveness of ship handling in port waters. Theoretical research and experiments were made to check an adequate model that proved sufficient convergence of the results gained.

For further safety increase of tow berthing operations an integral function was suggested and optimisation of ship manoeuvring in the port water with minimal deviation of its real motion route from the reference route of the general form was made. A few main criteria were determined and mathematically stated such as limited admissibility of ship speed and mooring line force, distance balance, representative time of tow berthing operations. The complete set of typical flow sheets of tow berthing operations was developed. The simulation model of tow berthing operations and the method of quantitative computer testing of theoretical knowledge and practical skills of operators by the use of the proper trainers was developed.

Keywords: ship, port water, tugboat, safety, mathematical model, optimization, computer testing.

АННОТАЦИЯ

Степаненко А.Г. Повышение эффективности управления судном в портовых водах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.13 - Навигация и управление движением. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2009.

Диссертационная работа посвящена повышению безопасности и эффективности управления судном в портовых водах и проведению швартовных операций. В ней рассмотрена разработка эффективных методов подготовки судоводителей и остальных членов навигационной команды к осуществлению буксирно-кантовочных операций (БКО).

Показано, что для разработки обоснованных мер по борьбе с аварийностью недостаточно ссылок на хорошую морскую практику, необходимы исследования, анализ и разработка научных рекомендаций по повышению эффективности управления судном, особенно, в портовых водах.

Выполненный анализ публикаций по теме диссертации показал, что большинство навигационных аварий морских судов происходит именно в портовых водах вследствие того, что на ограниченной акватории из-за сложной и быстро меняющейся навигационной обстановки возникает необходимость выполнения за короткий промежуток времени большого числа маневровых операций на судне и буксирах.

Изложены вопросы, связанные с теоретическими обоснованиями маневрирования судна при буксирно-кантовочных операциях. Рассмотрены вопросы работы буксиров различными способами и даны уравнения связи для них при силовом взаимодействии. Разработана общая математическая модель системы "судно - буксиры-кантовщики" для судов различных типов и водоизмещения, позволяющая установить и учесть влияние внешних и внутренних факторов на характер движения судна (число буксиров и схему их работы, условия работы пропульсивных комплексов системы "судно - буксиры", гидродинамические условия и др.).

На основе теоретических исследований и натурных наблюдений разработаны рекомендации по безопасному и эффективному маневрированию судов в портовых водах. Путем проведения натурных испытаний выполнена проверка полученной математической модели, показавшая достаточную сходимость теоретических и экспериментальных результатов.

C целью повышения безопасности и эффективности БКО предложена целевая функция и выполнена оптимизация движения судна по акватории порта по критерию минимума отклонения его фактической траектории от эталонной траектории произвольной формы. При этом предложен и обоснован ряд ограничивающих обобщенных и локальных критериев: эталонного времени при швартовке, допустимой скорости судна и силы на швартове, критерий состояния и др. С учетом проведенных исследований предложена имитационная модель БКО и разработан комплект технологических карт, отражающих реальную навигационную обстановку в ряде портов и предназначенных как для практической деятельности операторов, так и для повышения их квалификации путем обучения на тренажерах.

Показано, что надежность действия оператора ходового мостика существенно зависит от его психологических и психофизиологических состояний, которые, в свою очередь, определяются сложностью ситуации, количеством информации, плотностью ее и пространственным размещением, важной задачей является снижение психофизиологической напряженности оператора на заданном временном интервале, особенно в аварийных ситуациях. Снижение риска аварийной ситуации может быть достигнуто путём квалификационного обучения всей команды мостика на тренажерах по специальной методике.

Особое место в предотвращении аварий в портовых водах занимает подготовка судоводителей к управлению судном в стесненных и портовых водах, что требует более обоснованной оценки обстановки и выбора оптимального варианта взаимодействия с буксирами.

Разработан ряд методик повышения эффективности управления судном в портовых водах, касающихся анализа эффективности БКО с выработкой показателей и критериев ее оценки, а также методов операторской деятельности управления судном при БКО и путей их улучшения.

Для количественной оценки действий операторов предлагается использовать аппарат математической статистики для обработки результатов компьютерного тестирования теоретических знаний судоводителей уровня управления и анализа практических навыков на навигационных тренажерах по критерию времени проведения операции.

Ключевые слова: судно, портовые воды, буксир-кантовщик, безопасность, математическая модель, оптимизация, компьютерное тестирование.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збільшення кількості суден світового торговельного флоту, їхнього тоннажу й швидкості значно підвищило інтенсивність судноплавства. За умовами плавання транспортні судна перебувають у стиснутих і портових водах близько 10% експлуатаційного часу. При цьому понад 80% аварійних випадків із суднами припадає саме на них. Незважаючи на оснащення суден світового флоту новітніми інтегрованими навігаційними комплексами й автоматизованими енергетичними установками, поліпшення берегового обслуговування і якості підготовки екіпажів, аварійність суден у портових водах продовжує постійно збільшуватися.

Основною причиною сформованої ситуації є те, що виконані раніше дослідження стосуються, переважно, взаємодії "судно-судно (судна)". У той же час, питання керування суднами в портових водах і їх взаємодії з буксирами мало вивчені й вимагають подальших наукових досліджень. Вони дозволять дати обґрунтовані рекомендації з проведення суден в акваторії порту, розробити відповідні керівництва, паспорти й методики з підготовки й оцінки компетентності судноводіїв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках "Державної програми удосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки судноплавства на 2002-2006 рр." (Постанова Кабінету Міністрів України від 28.01.2002 р., № 96) і "Концепції безперервної національної транспортної політики розвитку всіх видів транспорту на 2007-2014 рр." (Наказ Міністра транспорту та зв'язку України від 03.05.2007, № 360). Її результати увійшли до звітів ДБ НДР "Удосконалювання методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання" (ДР № 0103U006406), "Розробка Положення про порядок підтвердження відповідності кваліфікації членів екіпажів морських, рибальських суден" (ДР № 0102U007163) і "Стратегічний план і робоча програма з оптимізації устаткування морського режиму України" (ДР № 0107U004342), в яких автор виконав окремі розділи.

Мета й задачі дослідження. Мета дослідження -- підвищення ефективності керування судном у портових водах шляхом оптимізації буксирувально-кантувальних операцій (БКО).

Як робоча гіпотеза була прийнята теза про те, що оптимізація управління БКО може бути досягнута шляхом алгоритмованих за часом дій оператора, спрямованих на мінімізацію відхилень фактичної траєкторії судна під час швартування від еталонної (безпечної).

Досягнення поставленої мети забезпечується синтезом результатів вирішення наступних допоміжних задач по:

§ розробці загальної математичної моделі силової взаємодії в системі "судно - буксири";

§ прогнозуванню процеса руху судна методом математичного моделювання й перевірки адекватності моделі шляхом порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними;

§ формуванню цільової функції, вибору критеріїв і методу оптимізації руху судна на курсі під час швартування;

§ оптимізації операторської діяльності з управління судном під час швартування.

Об'єкт дослідження - процеси керування рухом судна; предмет дослідження - рух судна при маневруванні в портових водах.

Методи дослідження, використані для розв'язання поставлених у дисертації завдань:

§ теорії вибору, системного аналізу й синтезу - при виборі теми, задач і процедури дослідження, узагальненні результатів досліджень;

§ векторного, геометричного й математичного аналізу - для графічної й аналітичної інтерпретації процесу взаємодії операторів суден в акваторії порту;

§ лінійного програмування - для перевірки адекватності математичної моделі шляхом імітаційного моделювання й оптимізації цільової функції за обраним критерієм;

§ теорії ймовірностей і математичної статистики - для оцінки результатів експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше розроблено: а) метод прогнозування руху судна з використанням загальної математичної моделі, в якій додатково до зовнішніх і внутрішніх сил взаємодії безпосередньо судна, враховано сили і моменти буксирів-кантувальників, що призводить до зміни параметрів поступального і обертального руху судна; б) спосіб імітаційного моделювання, який дозволяє оптимізувати за критерієм еталонного часу діяльність операторів судна при БКО.

При цьому вперше:

§ створена локальна математична модель, що дозволяє досліджувати рух судна вздовж траєкторії з мінімальними відхиленнями від еталонної траєкторії довільної форми;

§ застосовані обмежувальні критерії швидкості і курсу судна, балансу дистанцій і натягу буксирного тросу, що дозволяють на всій траєкторії руху судна при БКО підтримувати безпечний інтервал між екстремальними точками корпусу судна й найближчими до них межами безпечного фарватеру;

§ встановлено, що поворотність судна при використовуванні буксирів- кантувальників змінюється по нелінійній залежності від сумарного упору їх рушіїв;

§ використано цільову функцію й критерій, які дозволяють методом найменших квадратів оптимізувати процес керування рухом судна під час швартування шляхом мінімізації відхилення фактичної траєкторії від еталонної;

§ оптимальна готовність оператора до управління рухом судна при швартуванні забезпечується методом тренінгу за спеціальним алгоритмом операторської діяльності по критерію еталонного часу.

Знайшла подальший розвиток методика визначення кваліфікації операторів судна шляхом використання кількісних показників, які базуються на статистичній оцінці фактичного часу швартування судна.

Практичне значення отриманих результатів полягає у:

§ вдосконаленні типових технологічних карт, які відрізняються від існуючих наявністю запропонованих здобувачем критеріїв оцінки її ефективності, що дозволяє скоротити на 5...10% тривалість БКО;

§ розробленні математичної та імітаційної моделей руху судна для здійснення інформаційної підтримки рішень операторів-судноводіїв, що сприяє зниженню рівня безпеки суден при маневруванні від людського фактору;

§ на базі комп'ютерного тестування знань операторів, а також аналізу виконання ними на електронних тренажерах вправ з маневрування суден у портових водах став можливим перехід від якісної до кількісної оцінки рівня їх кваліфікації з урахуванням критерію оптимального часу маневрування.

Результати дисертації впроваджено у: практичну діяльність морських торговельних портів Одеса й Южний (акти від 25.11.2008 і 16.01.2009); навчальний процес ОНМА на кафедрах керування судном та судноводіння (акти від 11.02.2009 і 12.03.2009); Центрі підготовки й атестації плавскладу ОНМА (акт від 16.12.2008) та в Одеському морському тренажерному центрі (акт від 20.11.2008).

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати й розробки, що викладені в дисертації й виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно. Роботи [1, 4] виконано у співавторстві.

Апробація результатів дисертації проведена на науково-технічних конференціях: "Стан і проблеми судноводіння" (м. Одеса, 24-26 жовтня 2005 р.); "Особливості підготовки суднових офіцерів для роботи на суднах під іноземним прапором та у багатонаціональних екіпажах" (м. Одеса, 27-28 жовтня 2005 р.); "Інтегровані комплекси транспортних засобів і безпека судноплавства" (м. Одеса, 23-24 травня 2006 р.); "Підвищення безпеки керування суднами під час морських перевезень" (м. Одеса, 10-11 жовтня 2007 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 4-х статтях наукових видань, рекомендованих ВАК України для публікацій результатів дисертації, і в матеріалах 4-х конференцій.

Структура й обсяг роботи. Робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, 9 додатків і списку використаної літератури зі 176 найменувань. Повний обсяг роботи - 168 с., у тому числі: 122 с. основного тексту, 17 с. списку літератури й 29 с. додатків; містить 15 рисунків і 17 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено результати огляду праць за темою дисертації. Більшість з них присвячено теорії руху суден. У роботах Басіна А.М., Вагущенко Л.Л., Цимбала М.М., Васильєва А.В., Воробйова Ю.Л., Федяєвського К.К., Русецького А.А., Гофмана А.Д., Дьоміна С.И., Кацмана Ф.М., Мастушкіна В.М., Мальцева А.С., Першиця Р.Я., Павленко В.Г., Соболєва В.Г. та ін. відзначається, що керування рухом морського судна - складний процес, який має стохастичний характер і вимагає реалізації гнучких стратегій розходження суден.

Крім загальних питань руху й маневрування суден, частина робіт (Ляховецького А.Г., Данцевича В.А., Калиниченко Е.В., Козиря Л.А., Дудника С.А., Олійник Т.В. та ін.) присвячена окремим проблемам керування суднами в стислих районах плавання - поблизу берегів, на фарватерах і ріках, у протоках, на підходах до портів і в портових водах, коли зона безпечного руху судна стає порівнянною з його власними габаритами й розмірами акваторії.

Практичні сторони керування судном висвітлено в роботах Шевченко А.І., Корнораки В.А., Погосова С.Г., Оганова А.М., Цурбана А.И., Стадниченка С.М., Удалова В.И., Хойера Г.Х., Кидзима К. та ін., які добре освоїли специфіку експлуатації й керування судном у різних умовах плавання. Методика підготовки капітанів та його старших помічників на тренажерах і оцінки якості такої підготовки знайшли відображення в роботах Дьоміна С.І., Козиря Л.А., Мальцева А.С., Стадниченка С.М. та ін.

Підводячи підсумки огляду напрямків виконаних досліджень, можна стверджувати, що: а) практично всі вони присвячені силовим взаємодіям типу "судно - судно (група суден)", які не можуть автоматично переноситися на взаємодії типу "судно - буксир (група буксирів)"; б) практично у всіх перелічених дослідженнях недостатню увагу приділено проблемі кількісної оцінки готовності судноводіїв до виконання робіт, необхідних для БКО.

У другому розділі роботи, з урахуванням теорії вибору, було визначено тему дисертації, здійснено постановку мети та формулювання задач дослідження, обґрунтована методика його проведення.

Проведений огляд показав, що предметом дослідження є керування при виконанні БКО рухом фізичної системи "судно - буксири", яка перебуває під впливом зовнішніх факторів (рис. 1). Складний характер взаємодії між елементами зажадав для досягнення поставленої мети застосування основних положень системного аналізу, який дозволяє досліджувати багаторівневі й багатокомпонентні системи. Фазовим простором такої системи є площина акваторії порту, по якій відбувається переміщення розглянутої системи протягом часу швартування.

В результаті, керуючись методом дедукції, розв'язання головного задачі дослідження шляхом диференціації було розділено на 4 допоміжних.

Для розв'язання першої допоміжної задачі -- розробки загальної математичної моделі силової взаємодії в системі "судно - буксири" під час швартування -- був використаний силовий підхід, що дозволило із застосуванням геометричного аналізу та уявлень векторної алгебри й урахуванням зміни зовнішніх умов (тобто принципом адаптивності) спочатку досліджувати прості елементи (судно або буксир), а потім здійснити перехід до самої системи "судно - буксир (буксири)". Геометричний аналіз дозволяє досліджувати як різні відносні положення судна й буксирів, так і положення усієї зазначеної групи у портових водах.

Доповнення отриманої картини векторами кінематичної й кінетичної взаємодії дає можливість сформувати й проаналізувати аналогічні векторні простори, що утворюються у фазовому просторі системи - площині акваторії порту.

Для розширення кола задач, що розв'язуються за допомогою математичної моделі, відповідно до принципів функціональної повноти й інтегральності, у ряді випадків було застосовано перехід до системи узагальнених координат.

Друга допоміжна задача присвячена розв'язанню рівнянь руху судна й перевірці адекватності розробленої математичної моделі процесу маневрування досліджуваної системи "судно - буксир (буксири)".

З точки зору методології розв'язання цієї задачі доцільно розбити на 2 етапи: а) планування по "реперним" точкам еталонної траєкторії руху судна оператором високої кваліфікації; б) розробка теоретичної траєкторії, максимально наближеної до еталонної, шляхом чисельного рішення методом Рунге-Кутта 2-го порядку із використанням пакета математичних програм MathCAD PLUS 7.0 PRO системи диференціальних рівнянь, які випливають з загальної моделі силової взаємодії у системі "судно - буксири". Таким чином, визначаються сили, які б забезпечили системі потрібний рух згідно з еталонною траєкторією.

З огляду на складність і дорожнечу проведення натурних експериментів з великотоннажними суднами, а також труднощі знаходження аналітичного розв'язку в загальному вигляді застосовано імітаційне моделювання.

Для додаткової перевірки адекватності отриманої математичної моделі доцільно зробити порівняння даних розрахунку та проведеного раніше натурного експерименту, щоб перевірити ступінь їх збіжності.

Третя допоміжна задача була присвячена пошуку оптимального процесу швартування судна як фізичної системи. При цьому враховувалася прийнята робоча гіпотеза про те, що підвищення ефективності керування судном при виконанні БКО може бути досягнуто шляхом мінімізації відхилень фактичної траєкторії судна від еталонної.

При цьому за цільову функцію F_ц було обрано вираз:

,

де - поліноміальна функція, що відбиває фактичний шлях судна; - еталонна функція.

Після вибору цільової функції, за допомогою відомого методу найменших квадратів треба визначити постійні коефіцієнти апроксимуючого її полінома. Потім, щоб зменшити ризик БКО, було запропоновано та використано ряд обмежувальних критеріїв: сила на швартові, швидкості буксирування та ін. Оптимізація цільової функції й математичний опис цих критеріїв потребують розв'язання алгебраїчних і диференціальних рівнянь.

Четверта допоміжна задача присвячена оптимізації операторської діяльності під час швартування. На практиці розв'язком задачі оптимізації з заданою траєкторією руху у координатах простору та часу є відповідність фактичного часу виконання БКО еталонному, який одержується при проходженні еталонної траєкторії з мінімумом відхилень. Збільшення часу веде до зниження її економічної ефективності і є свідоцтвом недостатньої кваліфікації оператора, зменшення часу -- до підвищення ступеня ризику. Підвищення кваліфікації запропоновано здійснювати шляхом тренування на тренажерах згідно спеціальної методики.

При цьому бралося до уваги, що якість керування досліджуваною складною системою "судно - буксир (буксири)" багато в чому визначається ефективністю взаємодії між всіма членами навігаційної команди (рис. 2).

У загальному виді структура методологічного забезпечення дисер-таційного дослідження представлена у вигляді технологічної карти, що відбиває всі перелічені вище аспекти.

Третій розділ дисертації присвячено розв'язанню першої допоміжної задачі -- розробці загальної математичної моделі системи "судно - буксири", яка враховує усі діючі при виконанні БКО фактори та вимоги нормативної документації.

В основу фізичної моделі покладено принцип Д'Аламбера, згідно з яким баланс зовнішніх (керуючі впливи судна та буксирів, опір води переміщенню суден та ін.) та внутрішніх (інерційних) сил дорівнює нулю. Ця обставина дає можливість розв'язання задач динаміки системи методами статики з використанням притаманного їй математичного апарату.

Залежно від виконуваного завдання, способи роботи буксирів-кан-тувальників істотно від-різняються. Найпоширеніші схеми роботи -- на буксирному тросі, лагом, на упор (рис. 3). Останнім часом одержали розвиток і нові способи роботи: "Пуш-Пул" (тягни-штовхай), активного стерна, гідродинамічного крила та ін. Кожна з розглянутих схем має свої особливості, які враховувалися при розробці математичних моделей.

Кожний з буксирів може "працювати" різними способами, для яких є свої рівняння зв'язку: на буксирному тросі, на упор, лагом, гідродинамічного крила й на страховці. Зв'язки в системі "судно - буксир (буксири)" приймалися твердими, а їхнє число й точки прикладання відомими.

Рухоме судно разом з навколишньою рідиною являє складну гідромеханічну систему. Для спрощення моделі було введено допущення, які полегшують опис фізичних явищ. Приймалося, що судно рухається в ідеальній рідині під дією зовнішніх сил, до яких додаються гідродинамічні сили, обумовлені в'язкістю рідини. Траєкторія руху представлялася кусково-не-роз-ривною функцією, що відповідає основним етапам БКО (заходу в порт, розвороту й постановки до причалу), а її опис здійснювався методами дискретної математики. При цьому в точках переходу для дотримання плавності руху судна необхідно дотримання наступних умов: координати точок і перші похідні локальних примикаючих функцій повинні бути рівні за модулем і знаком. З урахуванням зроблених допущень, феноменологічна модель системи суднового пропульсивного комплексу (ССПК) може бути представлена у вигляді системи рівнянь:

де - інерційні сили й моменти відносно центра мас (судна, буксира); - гідро- і аеродинамічні сили й моменти; - сили й моменти від засобів керування; - сили й моменти від рушіїв; - сили й моменти від реакцій зв'язків.

З урахуванням викладеного й необхідних перетворень отримано математичну модель ССПК, що відображає як всі механічні й гідродинамічні зв'язки, так і всі можливі способи проведення БКО з різними типами суден.

Таким чином, розроблена загальна модель дає можливість виконувати розрахунки при використанні всіх відомих способів роботи буксирів-кантувальників у різних комбінаціях і зміні їхньої кількості, а також задачі входу судна в порт і підходу до причалу.

Основні результати розділу відбито у роботах [2, 3].

У четвертому розділі представлено результати розв'язання другої допоміжної задачі - прогнозування руху судна методами математичного моделювання і експериментальних досліджень та порівняння отриманих результатів при БКО суден.

Для виконання поставленого завдання була розроблена імітаційна модель, яка дозволяє враховувати як взаємодію операторів (див. рис. 2), так і зовнішні збурення (рис. 4).

Перевірка адекватності отриманої математичної моделі здійснювалася шляхом порівняння розрахункових даних місця розташування судна з фактичними для системи "судно - буксири" (рис. 5). Визначення положення центра мас судна здійснювалося за допомогою 2-х теодолітів Т-30 (похибка менше 3 м), відносна похибка при вимірюванні швидкості не перевищувала 5%. Одночасно здійснювалися виміри параметрів, що характеризують стан пропульсивного комплексу судна та буксирів: кути повороту лопатей ВРК, частоти обертання та ін.

Критерієм успішності реалізації дій навігаційної команди може служити :

,

де s_шварт - стандартне відхилення; L_шварт - довжина шляху при швартуванні; і - координати відповідних точок еталонної й фактичної траєкторії; n - число точок вибірки. Вибір стандартного відхилення замість середньоквадратичного обумовлений порівняно невеликим її обсягом.

Цілком очевидно, що досягнута під час експерименту ефективність проводки судна при числі вимірів досить висока й становить . Однак порівняння абсолютного значення з вимогами Міжнародної асоціації маячних служб Похибка вимірювань не більше 1 м свідчить, що воно перевищує допустиме значення. Ці обставини вимагають як оптимізації самої цільової функції, так і подальшого підвищення кваліфікації операторів.

Отримані в результаті перевірки теоретичної моделі результати дозволили розробити комплект типових технологічних карт БКО. За типовий варіант приймався той, що найбільш задовольняє наведеним вище критеріям і виконується на практиці за найменший час (див. нижче, с. 15) при мінімальних кількостях реверсів і зміни ходу машин, більш повному використанні потужності буксирів при обмеженому використанні ГД судна й забезпеченні безпеки БКО (допустимі зусилля в механічних зв'язках, уникання пошкодження судна, буксирів, причальних споруд, виключення можливості посадки на мілину та ін.). Технологічна карта припускає внесення капітаном, лоцманом і буксирувальниками по ходу БКО необхідних корективів у дії з урахуванням реальної обстановки в ході операції. Використання візуальних засобів відображення БКО полегшує пошук оптимальних варіантів. судно портовий буксир

Основні результати розділу відбито в роботах [1, 3, 5].

У п'ятому розділі дисертації розглянуто третю та четверту допоміжні задачі, присвячені питанням оптимізації БКО.

Відповідно до прийнятої робочої гіпотези, обрану раніше (див. с. 6) цільову функцію перетворимо на поліном ступеня , де число точок визначення координат центру мас судна:

Для визначення коефіцієнтів полінома умови екстремуму шляхом диференціювання представимо у вигляді похідних:

Після низки нескладних перетворень одержуємо систему лінійних алгебраїчних рівнянь 1-ого ступеня й використовуємо для її розв'язання відповідні пакети комп'ютерних програм MathCAD PLUS 7.0 PRO. В результаті оптимізації максимальна похибка у відхиленні траєкторії від еталонної не перевищувала 0,93 м.

З метою безумовного забезпечення успішного керування судном враховується ряд обмежуючих узагальнених і локальних критеріїв.

Дотримання узагальненого критерію безпеки припускає, що відстань D між будь-якою точкою корпуса судна й межами безпечного фарватеру протягом усього часу виконання БКО буде . Для виконання цієї умови запропоновано використовувати ряд локальних критеріїв.

Сила на швартові ,

де і - зусилля буксирування й рівнодіюча опору зовнішніх сил (відповідно), що забезпечує мінімальну керованість судном, яке буксирується. Як запас керованості був прийнятий потенціал рушійно-кермового комплексу самого судна, що залежить від характеристик керованості, технічного оснащення, розмірів судна, а також кваліфікації персоналу, що управляє системою "судно - буксири". Таким чином, попередню умову можна записати як

,

де - відносний запас буксирувальної потужності.

При визначенні F_{зовн.сил} та коефіцієнта запасу буксирувальної потужності запропоновано використовувати обмежувальний натяг буксирного троса R.

З огляду на те, що керування судном без урахування граничних динамічних і знакозмінних навантажень може привести до розриву механічних зв'язків і навіть аварії, у загальному випадку обмежувальний натяг буксирного троса не повинен перевищувати величини:

,

де p - упор гвинта буксира, тс; m - маса буксира з приєднаною масою води, т; w - прискорення буксира, м/с²; f - гідродинамічний тиск на корпус буксира, тс/м²; S_б - бічна площа підводної частини буксира, м²; a - сила тиску вітру, тс; b - вплив режимних показників і параметрів судна, що кантується, на натяг і напрямок буксирного тросу, тс.

Важливою задачею при проведенні БКО є запобігання навалам - зіткненням корпуса судна з причалом, іншим судном або гідротехнічними спорудами, що приводять до пошкодження останніх або самого корпусу. Для її коректного рішення, крім R пропонується ввести ще один параметр - обмежувальну швидкість буксирування.

Навал послаблюється за рахунок пружного прогину обшивки й набору корпуса судна, пальових стаціонарних причалів і спеціальних пружних елементів - докфендерів. Сумарна пружна характеристика S (м) елементів, що амортизують при навалі, визначається добутком часу імпульсу на середнє значення швидкості при падінні її до нуля. Тоді допустима сила навалу F_нав може бути визначена в такий спосіб:

,

де D - водотоннажність судна, т; M_вод - приєднана маса води, т; - швидкість у момент контакту, м/с; g - прискорення сили ваги, м/с²; - допустиме навантаження на одиницю площі, тс/м² (відповідно до правил Регістра); - робоча площа навалу, м².

Відповідно до допустимої сили навалу, при обладнанні причалу необхідно підбирати такі докфендери, енергоємність яких дозволяє виконати роботу із зупинки судна, що швартується, чисельно рівну його кінетичній енергії в момент контакту (з урахуванням приєднаної маси води). Тоді, після відповідних перетворень, обмежувальна швидкість контакту дорівнює

,

де ж - сила реакції докфендера, віднесена до одиниці площі контакту, тс/м²; S_ф - робоча величина деформації докфендера, м; Р_ф - площа поверхні контакту докфендера, м².

Критерій стану K_C - оцінює відхилення фактичних параметрів руху судна від рекомендованих на кожній ділянці маршруту проводки. Для його визначення запропоновано, залежно від співвідношення габаритів судна й розмірів акваторії, ряд допоміжних параметрів: швидкості K_V, положення K_X, швидкості та курсу K_VX, у тому числі локальні критерії балансу дистанцій K_D. При цьому під балансом дистанцій слід розуміти рівновіддаленість діаметрально протилежних точок корпусу судна від відповідних меж безпечного фарватеру (рис. 6).

Якщо судно перебуває в межах безпечної смуги, сума дистанцій від однієї точки корпуса до лівої та правої безпечних меж дорівнює ширині безпечної смуги:

.

Якщо судно вийшло за межі безпечної смуги (аварійна ситуація), то

.

Отже, критерій безпечної дистанції від екстремальних точок судна до меж безпечної смуги після перетворень можна виразити так:

;

.

Звідки випливає, що при , судно перебуває в аварійній ситуації, при , судно наближається до аварійної ситуації. Таким чином, параметр стану буде являти собою вектор виду

Дотримання узагальненого критерію оперативної готовності пропонується контролювати за допомогою відповідності часу БКО еталонному:

,

де Т_ет і Т_факт - еталонний і фактичний час БКО (відповідно).

Цей показник можна розглядати з точки зору існування 2-х систем відліку часу, пов'язаних з: а) рухом судна Т_ет; б) діями оператора Т_факт. Якщо різниця між ними від'ємна, то внаслідок недостатньої кваліфікації витрати на виконання БКО зростають. При додатній різниці, поруч з економією витрат, суттєво зростає більш вагомий фактор - ризик небезпеки.

Еталонний час визначався як середнє арифметичне при виконанні операторами (капітанами та старшими помічниками) тест-програми CES 2000, розробленої норвезькою фірмою SEAGULL разом з рядом судноплавних кампаній і включає близько 2000 питань, сформульованих англійською мовою. Обсяги вибірки (чисельність навчальної групи) становили не менше 20 чоловік.

Для проведення тренувань та іспитів використовувалися електронні тренажери NAVI-TRAINER SENIOR PLUS (NTSP), що забезпечують віртуальне відтворення суден, берегів і акваторії району плавання.

Критерій еталонного часу можна використовувати також для більш обґрунтованої оцінки знань і навичок судноводіїв на тренажерах і переходу від системи "залік - незалік" до більш гнучкої чотирьохбальної (рис. 7).

Таким чином, запропоновані цільові функції та обмежувальні критерії дають можливість підвищення ефективності виконання БКО за рахунок оперативної готовності навігаційної команди та внесення необхідних корективів з оптимізації БКО шляхом зміни потужності, кількості й точок кріплення подаваних буксирів.

Основні результати розділу відбито в роботах [1, 4-8].

ВИСНОВКИ

Кількісне зростання світового торговельного флоту, збільшення його тоннажу й швидкостей доставки вантажів призвели до значної інтенсифікації судноплавства і, як наслідок, підвищення рівня аварійності суден у портових водах. Це свідчить про те, що питання керування суднами у портових водах та їхньої взаємодії з буксирами недостатньо вивчені й вимагають подальшої наукової розробки.

Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволили вирішити важливу науково-практичну задачу підвищення ефективності керування системою "судно - буксири" шляхом оптимізації руху судна та операторської діяльності судноводіїв під час швартування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

§ вперше розроблено метод прогнозування руху судна з використанням загальної математичної моделі, в якій додатково до зовнішніх і внутрішніх сил взаємодії безпосередньо судна враховано сили і моменти буксирів-кантувальників, що приводить до зміни параметрів поступального і обертального руху судна;

§ вперше розроблено спосіб імітаційного моделювання, який дозволяє оптимізувати за критерієм еталонного часу діяльність операторів судна при БКО.

§ створено локальну математичну модель, що дозволяє забезпечити рух судна по траєкторії з мінімальним відхиленням від еталонної траєкторії довільної форми;

§ застосовано обмежувальні критерії швидкості і курсу судна, балансу дистанцій і натягу буксирного тросу, що дозволяють на всій траєкторії руху судна при БКО підтримувати безпечний інтервал між екстремальними точками корпуса судна й найближчими до них межами безпечного фарватеру;

§ встановлено, що поворотність судна при використовуванні буксирів-кантувальників змінюється по нелінійній залежності від сумарного упору їх рушіїв;

§ використано цільову функцію й критерій, які дозволяють оптимізувати процес керування рухом судна під час швартування шляхом мінімізації відхилення фактичної траєкторії від еталонної методом найменших квадратів;

§ оптимальна готовність оператора до управління рухом судна при БКО забезпечується методом тренінгу по критерію еталонного часу.

Знайшла подальший розвиток методика визначення кваліфікації операторів судна шляхом використання кількісних показників, які базуються на статистичній оцінці фактичного часу швартування судна.

Оцінку дій навігаційної команди при БКО доцільно виконувати з використанням коефіцієнта успішності .

Практичне значення отриманих результатів полягає у:

§ вдосконаленні типових технологічних карт, які відрізняються від існуючих наявністю запропонованих здобувачем критеріїв оцінки її ефективності, що дозволяє скоротити на 5...10% тривалість БКО;

§ розробленні математичної та імітаційної моделей руху судна для здійснення інформаційної підтримки рішень операторів-судноводіїв, що сприяє зниженню рівня залежності безпеки суден при маневруванні від людського фактору;

§ на базі комп'ютерного тестування знань операторів, а також аналізу виконання ними на електронних тренажерах вправ з маневрування суден у портових водах став можливим перехід від якісної до кількісної оцінки рівня їх кваліфікації з урахуванням критерію оптимального часу маневрування.

Вірогідність одержаних результатів забезпечується достатньою збіжністю даних теоретичного аналізу та експериментальних досліджень.

Результати дисертації впроваджено у вигляді: технологічних карт - у практичну діяльність морських торговельних портів Одеса та Южний; математичних та імітаційних моделей - у навчальний процес ОНМА на кафедрах керування судном та судноводіння; імітаційної моделі та методики оцінки оптимальної готовності судноводіїв на рівні управління до виконання БКО - у центрі підготовки й атестації плавскладу ОНМА та в Одеському морському тренажерному центрі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Козырь Л.А. Подготовка судоводителей на тренажере к маневрированию и швартовным операциям / Л.А. Козырь, А.Г. Степаненко // Судовождение: Сб. научн. тр. - 2006. - №12. - Одесса: ОНМА. - С. 67-70 (здобувачу належить розробка методики підготовки судноводіїв до маневрування судами в портових водах; запропонована кількісна оцінка кваліфікації судноводіїв з питань маневрування судів у вигляді "критерію часу операції").

2. Степаненко А.Г. Взаимодействия судов с буксирами при маневрировании в портовых водах / А.Г. Степаненко // Судовождение: Сб. научн. тр. - 2007. - №13. Одесса: ОНМА. - С. 156-162.

3. Степаненко А.Г. Буксировка в стесненных условиях портовых вод / А.Г. Степаненко // Судовождение: Сб. научн. тр. - 2007. - №14. Одесса: ОНМА. - С. 113-118.

4. Степаненко А.Г. К вопросу критериальной оценки эффективности буксирно-кантовочных операций / А.Г. Степаненко, Пипченко А.Д. // Судовождение: Сб. научн. тр. - 2008. - №15. Одесса: ОНМА. - С. 176-184 (здобувачу належить розробка концепції оцінки ефективності БКО).

5. Степаненко А.Г. Методика тренажерной подготовки судоводителей к маневрированию в портовых водах / А.Г. Степаненко // Стан та проблеми судноводіння: Матеріали наук.-техн. конф. ОНМА, 24-26 жовтня 2005 р. - ОНМА, 2005. - С.142-148.

6. Степаненко А.Г. Организация дополнительной профессиональной подготовки моряков для работы на судах под иностранным флагом / А. Г. Степаненко // Особенности подготовки судовых офицеров для работы на судах под иностранным флагом и в многонациональных экипажах: Междунар. науч.-практ. конф. ОНМА, 27-28 октября 2005 г. - Одесса: ОНМА, 2005. - С. 108-113.

7. Степаненко А.Г. Критерии оценки на тренажере квалификации судоводителей / А.Г. Степаненко // Інтегровані комплекси транспортних засобів та безпека судноплавства: Матер. наук.-тех. конф. ОНМА, 23-24 травня 2006 р. - Одеса: ОНМА, 2007. - С.47-49.

8. Степаненко А.Г. Методика оценки эффективности буксирно-кантовочных операций / А.Г. Степаненко // Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень: Матер. наук.-метод. конф. ОНМА, 10-11 жовтня 2007 р. - Одеса: ОНМА, 2007. - С. 107-110.

Размещено на Allbest.ru