Вдосконалення методів оперативної корекції маршруту судна

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

(ОНМА)

УДК 656.61.052

ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ

ОПЕРАТИВНОЇ КОРЕКЦІЇ МАРШРУТУ СУДНА

05.22.13 - Навігація та управління рухом

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вагущенко Олександр Леонідович

Одеса - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Мiнiстерства освiти i науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Цимбал Микола Миколайович,

Одеська національна морська академія,

декан факультету морського 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 дисертації відбудеться 18 грудня 2008 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 засідання вченої ради.

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

Автореферат розісланий 11 листопаду 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д. т. н., професор Тарапата В.В.

АНОТАЦІЯ

Вагущенко О.Л. Вдосконалення методів оперативної корекції маршруту судна. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.13 - Навігація та управління рухом. Одеська національна морська академія, Одеса, 2008 р.

Дисертація присвячена актуальній проблемі підвищення ефективності суден шляхом поліпшення оперативного планування їх руху. У ній запропоновані моделі для уточнення прогнозу швидкості судна, методи корекції планового маршруту для розходження з суднами і для забезпечення ефективного проходження через океан. Уточненням за спостереженнями в рейсах моделей для прогнозу швидкості досягається поліпшення планування руху суден. Вибраний метод відображення впливу на швидкість судна в океані очікуваної погоди дозволяє без розрахунків знайти раціональний шлях до точки призначення. Введені в розрахунок корекції шляху на океанському переході спрощення зменшують об'єм обчислень при використовуванні генетичного алгоритму. Розроблена процедура зміни маршруту для попередження зіткнень з суднами відрізняється повнішим обліком динаміки судна. Вона заснована на чисельному прогнозі маневрів суден по нелінійній різницевій моделі. Запропонований метод відображення ситуацій зближення суден за допомогою зон небезпечних зміщень з лінії шляху полегшує вибір стратегій розходження з суднами.

Ключові слова: судно, оперативне планування руху, модель керованого руху, уточнення моделі, вибір маневрів розходження.

АННОТАЦИЯ

Вагущенко А.Л. Совершенствование методов оперативной коррекции маршрута судна. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.13 - Навигация и управление движением. Одесская национальная морская академия. Одесса, 2008 г.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме повышения эффективности эксплуатации судов путем улучшения оперативного планирования их движения. В ней дан анализ методов коррекции пути судна, обусловленной изменением погодных условий и необходимостью расхождения с судами и препятствиями. Освещены достижения в гидрометеорологическом обеспечении судов и успехи в развитии компьютерной техники. Отмечено, что вопросы оперативной коррекции пути судов с учетом новых открывшихся возможностей разработаны недостаточно полно. Поставлена задача повышения эффективности судовождения путем совершенствования методов оперативного планирования движения судна на его борту.

Для достижения поставленной цели сформулирован и исследован соответствующий комплекс задач. В результате решения первой задачи, которая посвящена уточнению моделей для прогноза скорости судна в процессе его эксплуатации, получены структуры таких моделей, методы уточнения их параметров и разработан алгоритм планирования скорости движения на заданном маршруте, обеспечивающий приход в конечный пункт в назначенное время с максимальной экономией топлива.

Вторая задача заключалась в улучшении оперативной коррекции трансокеанского пути судна с учетом прогнозов погоды и мореходности судна. В результате ее решения получен основанный на генетическом алгоритме упрощенный метод выбора пути через океан и метод отображения информации, облегчающий судоводителю выбор этого пути.

Для возможности коррекции маршрута для расхождения с судами и препятствиями с учетом маневренных свойств оперирующего судна третья задача исследования сформулирована как совершенствование учета динамики судна при прогнозе его маневров. При ее решении выбрана экономная по числу параметров разностная модель движения судна, адекватно отражающая процессы изменения его курса и скорости с учетом мелководья, ветра и характера изменения управляющего воздействия. Разработан основанный на генетическом алгоритме способ уточнения этой модели по натурным данным, приведенным в формуляре маневренных характеристик судна.

Результатами четвертой задачи исследования, которая направлена на совершенствование методов коррекции маршрута для расхождения с судами и препятствиями, являются:

- Основанные на применении двухэлементных траекторных звеньев методы, позволяющие при расхождении учитывать навигационные ограничения, основные требования МППСС, характер изменения управляющего сигнала, инерционность и маневренные возможности оперирующего судна.

- Способ отображения информации в виде зон опасных смещений на параллельную линию пути, упрощающий выбор изменения маршрута для расхождения с несколькими судами в открытом море и в стесненных водах.

Для проверки корректности и эффективности предложенных в работе методов были разработаны реализующие их алгоритмы и программы. Кроме того, была создана имитационная модель движения судна, достаточно хорошо учитывающая его динамику при «сильных» маневрах и позволяющая на компьютере в ускоренном времени моделировать оперативную коррекцию маршрута для предупреждения столкновений с учетом величины и характера изменения управляющего сигнала, а также просматривать на дисплее во времени результаты такой коррекции. Контрольные расчеты по разработанным программам и имитационное моделирование оперативной коррекции маршрута для расхождения с судами позволили подтвердить достоверность полученных результатов и эффективность предложенных методов.

Ключевые слова: судно, оперативное планирование движения, модель управляемого движения, уточнение модели, выбор маневров расхождения.

ANNOTATION

Vagushchenko A.L. Perfection of methods for operative correction of ship's route. Typescript.

The candidate's thesis on special field of study 05.22.13 - Navigation and traffic control. Odessa national maritime academy, Odessa, 2008.

Dissertation work is devoted to the issue of the day - raising of ships efficiency by the improvement of the operative planning of their motion. Models for clarification of ship's speed prognostications, methods for correction of the planned route for collision avoidance and for providing of the effective following over ocean are offered in it. The improvement of ships' motion planning is achieved by clarification on the observations in the voyages of models for speed prognostications. The chosen method for reflection of influence on ship' speed in the ocean of the expected weather allows without calculations to find a rational way to the point of setting. The brought simplification into a calculation of ocean's way transition diminishes the volume of calculations at the use of genetic algorithm. The developed procedure of route's change for collisions warning differs by more complete account of vessel' dynamics. She is based on the numeral prognosis of ships' manoeuvring on a nonlinear model. The offered method of reflection of situations of ships' rapprochement by the areas of dangerous shifting from the line of way facilitates the choice of strategies of collision avoidance of ships.

Keywords: ship, operative ship routing, model of the guided motion, adjustment of models, choice of manoeuvres for collision avoidance.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток судноплавства підвищує завантаження морських шляхів. Разом із збільшенням числа суден неухильно зростають їх розміри і швидкість, що помітно ускладнило судноводіння. В результаті збільшилася аварійність, стали важчими наслідки аварій. Найбільш численні навігаційні аварії. Вони є слідством не досить повного обліку чинників, впливаючих на безпеку судна при плануванні та виконанні переходу. Тому оперативна корекція параметрів руху суден з урахуванням їх динаміки і умов плавання мають велике практичне значення. Зрозумило, що чим раніше і надійніше можна передбачити поведінку судна в очікуваних умовах, тим безпечніше і ефективніше можна здійснювати його експлуатацію. Цим обумовлюється актуальність, важливість і перспективність вибраної теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрям дослідження відповідає «Державній програмі вдосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки мореплавання на 2002-2006 роки» (Постанова КМ України від 28.01.2002, №296) і «Концепції сталої національної транспортної політики розвитку всіх видів транспорту на 2007-2014 роки» (Наказ Мінтрансзв'язку від 05.05.2007, №360). Тема дисертації пов'язана з держбюджетними науково-дослідними роботами «Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання» (№ ДР 0103U006406) і «Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень» (№ ДР 0106U002117), у яких автору належать самостійно виконані розділи.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення безпеки і ефективності проводки судна до пункту призначення на основі поліпшення планування його руху в процесі рейса за рахунок вдосконалення методів оперативної корекції маршруту. Для вирішення ця головна задача розділена на чотири частини:

· розробка методів для уточнення швидкості судна і для її коригування на переході;

· оперативне поліпшення шляху проходження через океан;

· вдосконалення процедур прогнозування маневрів судна;

· розробка методів корекції маршруту для розходження з суднами.

Об'єктом дисертаційного дослідження є процес руху судна до пункту призначення, а предметом - оперативне планування цього процесу.

Для досягнення поставленої мети застосовані методи:

- математичної статистики і чисельного аналізу при обробці результатів експериментів;

- математичного програмування і теорії графів при розробці оптимальних процедур корекції шляху судна з урахуванням прогнозів погоди;

- теорії керованості і теорії маневрування при розробці методів розрахунку зміни маршруту для розходження з іншими суднами;

- теорії моделювання при створенні імітаційної моделі управління рухом судна.

Наукова новизна одержаних результатів, якими є розроблені методи оперативної корекції маршруту судна, визначається повнішим, в порівнянні з традиційним підходом, урахуванням динамічних властивостей судна і останніх досягнень в інформаційному забезпеченні морських користувачів, що забезпечує відповідність цілям рейса характеру руху судна до пункту призначення в умовах, що змінюються на переході. Наукова новизна дисертації полягає в тому, что вперше розроблені:

метод відображення обстановки для візуального визначення мінімального за часом трансокеанського маршруту, заснований на представленні кольором значень показника найбільшої безпечної з урахуванням прогнозів погоди швидкості руху до точки призначення в осередках акваторії, в якій може проходити шукана траєкторія переходу;

заснований на генетичному алгоритмі (ГА) спрощений метод оперативної корекції плану переходу через океан залежно від періодично одержуваних на судні прогнозів погоди, який дозволяє забезпечити безпечне зближення судна з кінцевою точкою шляху з максимальною допустимою швидкістю і майже в два рази зменшити об'єм обчислень в порівнянні із запропонованими раніше такого типу процедурами;

метод побудови стратегій розходження з суднами за допомогою послідовних маневрів зміщення на паралельну лінію шляху, який базується на використовуванні небезпечних для цих маневрів зон (ЗН) і значно полегшує вибір зміни маршруту для попередження зіткнень;

метод визначення параметрів раціональної в обмежених водах зміни маршруту для розходження з суднами, який відрізняється від існуючих методів коректним урахуванням динаміки оперуючого судна по нелінійній різницевій моделі його руху і простотою урахування наявності навігаційних небезпек.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність розроблених методів оперативного планування визначається можливістю підвищення на їх основі безпеки плавання і ефективності проводки судна до пункту призначення. Вона також полягає в підготовленості одержаних в роботі алгоритмів, програм і імітаційних моделей до використовування на суднах при плануванні руху, в берегових центрах проводки суден, в навчальному процесі.

Результати дисертаційного дослідження (алгоритм і програма запропонованого методу визначення шляху через океан, метод відображення інформації для спрощеного вибору цього шляху, алгоритм і програма корекції маршруту для розходження з суднами зміщенням на паралельну лінію шляху) упроваджені на суднах судноплавних компаній: «V.Ships» (акт впровадження від 17.04.2008 р.) і ЗАТСК «Укртанкер» (акт впровадження від 08.04.2008 р.). Теоретичні результати роботи використовуються в навчальному процесі ОНМА при вивченні дисциплін «Навігація» та «Управління судном» (акт впровадження від 17.07.2008 р.).

Особистий внесок здобувача полягає в постановці мети і формуванні задач дослідження, в проведенні експериментальних випробувань на судні, у розробці нових методів оперативної корекції шляху судна, імітаційної моделі процесу розходження суден і програм обробки результатів спостережень, в інтерпретації наукових результатів і формуванні висновків.

Всі наукові результати дисертації, що виносяться на захист, одержані без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на конференціях:

· науково-технічної конференції «Стан та проблеми судноводіння» 24-26 жовтня 2005 р., м. Одеса.

· 55 наукової та науково-методичної конференції професорсько-викладацького складу та курсантів ОНМА 15-20 травня 2003 р., м. Одеса;

В цілому робота представлялась на науково-технічній раді ОНМА.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 10 статтях у виданнях, що входять в перелік видань, дозволених ВАК України для публікування результатів дисертаційних досліджень. Крім того, результати роботи відображені в тезах двох доповідей, що входять в опубліковані матеріали наукових конференцій ОНМА, і в одному навчальному посібнику.

Структура роботи. Дисертація складається з введення, шести розділів, п'яти додатків та списка використаних літературних джерел з 119 найменувань. Повний об'єм дисертації - 166 стор. Основна частина містить 131 стор., 39 рис. і 5 табл. Додатки на 20 стор. включають 14 рис. і 8 табл.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Перший розділ містить аналіз досліджень оперативній корекції планів переходів суден. Методи зміни трансокеанського маршруту залежно від прогнозів погоди запропонували учені: В.Г.Сізов, В.В.Дремлюг, G.J.Hatliner, Peter Lacey і інші. При розгляді цих робіт проаналізовані особливості методів, заснованих на варіаційному численні, принципі максимуму Понтрягина, методі Р.Белмана, генетичному алгоритмі та інших. Відмічений внесок в рішення питань, що відносяться до планування переходів суден, учених Ю.Л.Воробьева, Л.А.Козиря, Л.Р.Аксютіна, А.С.Мальцева, В.В.Голікова і інш. Розглянуті методи вибору маневрів для попередження зіткнень з суднами (у тому числі і вітчизняних дослідників М.С.Алексейчука, А.С.Мальцева, В.В.Павлова, М.М.Цимбала, І.А.Бурмаки, І.В.Сафіна), які торкаються корегування маршрута для розходження з суднами.

На основі проведеного аналізу відмічено, що проблема корекції в процесі переходу руху судна є актуальною. При істотних успіхах в цьому напрямі залишається ряд невирішених питань, а також невикористаних можливостей, пов'язаних з останніми досягненнями в гідрометеорологічному забезпеченні морських користувачів і в розвитку інформаційної техніки. Ці питання - предмет подальших перспективних наукових досліджень, чим мотивується вибір тематики дисертації.

Другий розділ присвячений визначенню мети і теми роботи, окреслюванню ії меж, формулюванню головної задачі і вибору методів її рішення. Структура методологічного забезпечення дисертації представлена технологічною картою.

Вибір теми роботи обумовлений актуальністю проблеми оперативної корекції руху судна. Ця проблема відноситься до тих, для вирішення яких може використовуватися відома методологія дослідження операцій, що полягає в побудові адекватної математичної моделі досліджуваного процесу і в застосуванні раціональних методів для пошуку ефективних стратегій управління. Методологія дослідження операцій дозволяє коректно виконати постановку головної задачі дисертації.

Для знаходження рішення головної задачі потрібно її декомпозиція на чотири допоміжних. Після постановки цих задач були визначені методи їх рішення, які викладені вище в загальній характеристиці роботи. Перша допоміжна задача включає систематичне уточнення за даними GPS моделей для прогнозу швидкості в процесі експлуатації судна. Важливість рішення цього питання обумовлена погіршенням пропульсивних характеристик судна з часом і впливом похибок прогнозу швидкості на якість планування переходів. Мета другої задачі - розвиток спрощених підходів до задачі корекції плану руху на океанському переході, які ефективні при реалізації на борту судна. З одного боку, тут необхідно при виробленні коректувань до параметрів руху повніше використовувати переваги нового електронного виду надання береговими центрами інформації про погоду. З другого боку, такий вид передачі інформації створює можливість формування відображення обстановки, яке забезпечує високий рівень її розуміння судноводієм і дозволяє без розрахунків визначити близький до найкращого шлях через океан. Необхідність рішення третьої задачі (вдосконалення процедур прогнозування маневрів судна) обумовлена недостатньою точністю використовуваних на борту судна для цієї мети методів. На сучасному етапі потужності комп'ютерів вже достатньо для прогнозів маневрів у реальному часі за допомогою ефективних моделей, заснованих на опису керованого руху судна системами нелінійних диференціальних рівнянь, що і визначає доцільність упровадження цих моделей в практику судноводіння. Важливість четвертої задачі дисертації, що полягає в розробці методів корекції маршруту для розходження з суднами, визначається відсутністю у сучасних бортових систем водіння по маршруту таких процедур для автоматичного режиму. З вищесказаного виходить, що методи, які забезпечать рішення названих задач, будуть результатами, що володіють як науковою новизною так і практичною цінністю.

На завершення розділу визначені основні етапи дослідження, їх зміст і відмічено, що методологічне обгрунтування роботи забезпечує коректне застосування сучасних теоретичних і експериментальних методів для вирішення головної задачі дисертації в цілому.

У третьому розділі представлені результати досліджень по поліпшенню планування швидкості () судна з урахуванням його особливостей, що є першою складовою задачею дисертації. Прогноз ускладнюється тим, що пропульсивні характеристики судна не залишаються постійними за часом. Для поліпшення планів переходів пропонується уточнювати моделі прогнозу швидкості в процесі експлуатації судна. Ця задача розподіляється на дві, перша характеризується спокійним станом атмосфери і моря, друга наявністю вітру і хвилювання.

Для глибокої води при відсутності вітру і хвилювання залежність швидкості нового судна від середнього осідання і частоти обертання гвинта представлена виразом:

,

де залежність швидкості від для повного завантаження судна;

середнє осідання в повному вантажу і в баласті;

середнє осідання при завданому завантаженні;

коефіцієнт для урахування значення середнього осідання.

На даний момент експлуатації судна

,

де коефіцієнт для урахування падіння швидкості за часом.

Задача поліпшення прогнозу для тихої глибокої води формулюється як оцінка коефіцієнта по його значенням , що отримані на основі вимірювань швидкості судна за допомогою бортової апаратури супутникової навігаційної системи GPS в моменти після докування або підводного очищення корпусу судна. Відомо, що залежність втрат від часу в міждоковий період близька до квадратичної. На менших інтервалах часу вона може вважатися лінійною. Тому, якщо спостережень достатньо, для оцінки використовуються рівняння лінійної і квадратичної регресії, параметри яких визначаються по методу найменших квадратів.

Для прогнозу втрат швидкості судна () від вітру і хвиль є ряд моделей, одержаних за допомогою статистичних методів. Для конкретного судна точність цих моделей можна підвищити за спостереженнями швидкості в процесі експлуатації. У дисертації для прогнозу вибрана модель з малим числом параметрів, що задовільно відображає характер зміни швидкості на хвилюванні:

; (1)

де ; ; коефіцієнти;

значна висота хвиль;

курсовий кут хвилювання.

Задача уточнення цієї моделі формулюється як знаходження поправок до початкових значень коефіцієнтів по вимірюваних в рейсі за допомогою GPS значенням швидкості судна і даним про курсовий кут і значну висоту хвиль . Враховуючи малу величину поправок , рівняння (1) приводиться до лінійного вигляду

, (2)

де нев'язність.

Одержаним при різних станах моря вимірюванням відповідає система лінійних рівнянь (2), яка в матричному вигляді записується

.

Ефективна оцінка вектору з цієї системи знаходиться по методу найменших квадратів:

,

де відносна вагова матриця .

Похибки характеризуються коваріационной і ваговой матрицями: , , де дисперсія значень . Вона оцінюється після розрахунку по вектору . По вектору виходить оцінка вектора : , де початковий вектор . Для зменшення похибок лінеаризації використовується декілька наближень при оцінці .

Результати обробки 30 вимірювань швидкості в тиху погоду і 28 - на хвилюванні, виконаних на судні в період з листопаду 2005 по березень 2006 р, підтвердили раціональність запропонованих вище алгоритмів. Судно у вказаний період було в повному вантажу, практично на рівному кілі, висота значних хвиль не перевищувала 6.5 м.

Для представлення характеру зміни з часом швидкості в тиху погоду використовувалися рівняння лінійної і квадратичної регресії. При обробці результатів спостережень одержали наступні вирази для коефіцієнта :

; ;

де виражено у відсотках, а - у добах.

Порівняння дисперсій лінійного і квадратичного виразів по критерію Фішера показало, що раціонально використовувати перший, оскільки додавання квадратичного члена не викликає значного зменшення дисперсії наблюденних значень.

Втрати швидкості на хвилюванні представлялися тільки двома складовими: від поверхневої течії і від хвиль і вітру (1). При уточненні моделі (1) набули такі значення коефіцієнтів: ; ; . Розкид спостережених значень щодо одержуваних по уточненій моделі характеризується середнім квадратичним відхиленням вузла.

Можливість прогнозу швидкості і витрати палива для різних умов плавання дозволяє знайти для ділянок маршруту значення швидкості , при яких судно прибуде в порт призначення в заданий термін з мінімальною витратою палива. З урахуванням розподілу шляху переходу на елементарних ділянок, ця задача формулюється так:

,

де , , відповідно протяжність j-ой ділянки шляху в милях, швидкість щодо грунту на неї у вузлах і час її проходження;

заданий час переходу;

, витрати палива в годину і на милю на j-ой ділянці переходу;

, - нижня і верхня межа допустимої на -ой ділянці швидкості.

Основним обмеженням задачі є знаходження швидкості в діапазоні , у якому не виникають несприятливі явища, що небезпечні для судна і вантажу (надмірне качання, слемінг, великі прискорення і т.д.). Розрахунок проводиться методом послідовних наближень з урахуванням критеріїв, що визначають мореходність судна. Структура алгоритму знаходження приведена в дисертації.

У роботі вважається, що модель для прогнозу питомої витрати палива відома і що по ній можливий прогноз для ділянок маршруту значень і похідної . Ця модель в роботі не досліджується. Для приходу в кінцевий пункт в заданий час з мінімальною витратою палива швидкість знижується на ділянках маршруту, на яких максимальна.

На основі аналізу одержаних результатів, можна укласти, що застосування вибраних моделей прогнозу швидкості, розроблених методів їх уточнення в процесі експлуатації, методу визначення значень швидкості для ділянок заданого шляху дозволяє у певної міри підвищити ефективність судноводіння.

Четвертий розділ присвячений вдосконаленню способів корекції трансокеанського маршруту залежно від очікуваних умов погоди, що відповідає другий складовій задачі дисертації.

З процедур пошуку ефективних коректувань шляху через океан найбільшими можливостями, мабуть, володіє генетичний алгоритм. Тому на його основі розроблявся спрощений метод вироблення таких коректувань, придатний для реалізації в бортових комп'ютерах. У ньому перше спрощення полягає в припущенні, що задача визначення оптимальної по витраті палива стратегії руху може бути розподілена на дві: знаходження мінімального за часом проходження маршруту до точки призначення, оптимізація швидкості ходу на ньому по критерію витрати палива. Другим спрощенням є допущення про можливість використовування приблизно розрахованих (з урахуванням прогнозів погоди) значень швидкості ходу на ребрах графа до аналізу альтернативних варіантів маршруту. При такому розрахунку очікувана погода у вершинах графа знаходиться за часом приходу в них, що визначається по відстані від початкової точки до вершини графа без урахування можливих інших траєкторій руху до цієї вершини. Таке спрощення прийнятне, оскільки корекція шляху повторюється з отриманням нового прогнозу погоди.

За допомогою графа знаходиться мінімальний за часом маршрут до точки призначення. Швидкість на його ділянках береться найбільшою з урахуванням морехідності судна, втрат від хвиль і вітру відповідно до алгоритму, структура якого приведена в дисертації в кінці третього розділу. Виконання задачі включає три етапи: завдання графом допустимої області рішень; прогноз швидкості на можливих відрізках шляху (ребрах графа); пошук на графі мінімального за часом маршруту з допомогою ГА.

Граф задається максимальним відхиленням від стандартного маршруту, числом шляхових точок і кількістю положень кожної з них ( непарні). Вершини графа можуть генеруватися щодо локсодромії, ортодромії або іншого рекомендованого шляху. У позначенні вершин номер шляхової точки, починаючи від початкової (); номер можливого положення шляхової точки на ізостадії (). Нижче прийнято, що можливі положення шляхової точки розташовані на ізостадії симетрично по положень по обидві сторони локсодромії/ ортодромії. При розрахунку графа щодо ортодромії спочатку знаходиться її довжина між точками , , початковий і кінцевий курси. Ортодромія розділяється на однакових відрізків. Величина по обидві сторони від ортодромії ділиться на частин. Відстані від ортодромії до вершин графа на середній ізостадії знаходяться так:

;

де .

Потім визначаються координати вершин графа. Оскільки формули розрахунку координат цих точок однакові, вони розглядаються тільки для однієї з вершин (рис.1,а), що належить ізостадії і дузі шляху з максимальною відстанню від ортодромії . Радіус цієї дуги визначається по формулі:

.

Довжина дуги великого круга між точками и , де . Значення кута , широта і довгота точки обчислюються за формулами сферичної тригонометрії.

На рис. 1,б на меркаторськой сітці представлено результат розрахунку вершин графа щодо ортодромії, одержаний за допомогою комп'ютера при значеннях миль.

За прогнозами погоди, інформації про поведінку судна в умовах хвилювання і наближеному часу приходу у вершини графа визначається безпечна максимальна швидкість на його ребрах. Після цього за допомогою ГА на графі шукається найменший за часом маршрут.

Новий вид надання гідрометеоцентрами даних про погоду в цифровому вигляді з можливістю автоматичного запису в пам'ять комп'ютера дозволив поставити задачу формування на електронній карті відображення обстановки з урахуванням прогнозів погоди і мореходністі судна для візуального визначення мінімального за часом трансокеанського маршруту. Початковою інформацією для формування відображення служать цифрові сіткові прогнози елементів вітру, хвилювання, поверхневих течій, і дані про судно, що дозволяють розрахувати його безпечну швидкість в різних погодних умовах. В основу формування виду обстановки встановлене використання комплексного показника , що характеризує в точках області переходу відносну приведену до ортодромії швидкість зближення судна з точкою призначення. За очікуваними даними про погоду і курс судна до точки призначення для осередків сіткових даних визначається максимально допустима (з урахуванням втрат швидкості від вітру і хвилювання) швидкість руху. Потім з урахуванням подовження шляху через відхилення судна від ортодромії знаходиться приведена до неї швидкість . Значення визначається як відношення до швидкості повного ходу на тихій глибокій воді. Значенням привласнюється певний колір, і осередки сітки у області переходу відображаються відповідним кольором.

Розрахунками за складеною програмою з даними суден і гіпотетично вибраного сіткового прогнозу полів хвилювання і поверхневої течії (на десять діб вперед для району Північної Атлантики) виконана перевірка запропонованих в цьому розділі методів, що дозволило переконатися в їх коректності. Розмір осередку сітки даних про погоду узятий .

Таким чином, розроблений спрощений метод пошуку з допомогою ГА найкращого шляху через океан дає рішення, що за якістю мало поступаються результатам по складніших методах. Запропонований вид відображення інформації дозволяє намічати ефективний шлях через океан в очікуваних гідрометеорологічних умовах, а також звузити область, що задається комп'ютеру для пошуку трансокеанського маршруту.

П'ятий розділ містить результати по вибору і оцінці моделі руху судна, яка нижче застосована при корекції маршруту для розходження з суднами. Це результати рішення третьої складової задачі дисертації.

Моделюються судна з поширеним пропульсивним комплексом: головний двигун - дизель, движитель - гвинт фіксованого кроку. Для опису маневрів узята спрощена нелінійна різницева модель руху судна (РМРС) з вектором стану (). Тут подовжня і бічна складова вектора швидкості судна; швидкість його повороту; швидкість зміни частоти обертання гвинта; швидкість перекладання стерна. При моделюванні враховується динаміка силових засобів і дії на корпус: інерційні сила і момент (); відцентрова сила (); позиційна гідродинамічна сила і її момент (); момент демпфуючої гідродинамічної сили (); упор гвинта, бічна сила гвинта і її момент (); сила на стерні і її момент (); аеродинамічна сила і її момент (). Значення цих дій розраховуються по формулах, приведених в Довідниках по теорії судна.

РМРС базується на описі руху судна системою нелінійних диференціальних рівнянь:

,

де ,, суми маси судна, а також моменту його інерції, з «приєднаними частинами» від прискорень в русі корпусу;

постійна часу і передавальний коефіцієнт двигуна;

частота обертання гвинта, що задається;

постійна часу і передавальний коефіцієнт рульового пристрою;

приведена різниця між кладкою стерна, що задається, і ії поточним значенням;

, індекси складових сил ,, , , на подовжню і бічну осі судна відповідно.

Значення параметрів руху судна розраховуються по РМРС послідовно з інтервалом 1 секунда. РМРС дозволяє прогнозувати експлуатаційні маневри, враховувати впливи вітру, течії, мілководдя і вид зміни управляючої дії. На сучасних комп'ютерах з її застосуванням маневри суден можуть моделюватися з прискоренням, більше 1000.

Приведені в літературі формули не дозволяють з необхідною точністю знайти параметри РМРС. Тому був розроблений метод ії уточнення за натурними даними, що приводяться у формулярі маневрених характеристик судна. Метод базується на ГА. Показниками якості уточнення моделі узяті: видвиг, час повороту на 180⁰ при куту стерна , відношення амплітуди зміни курсу до амплітуди перекладання стерна при зигзагу 20⁰/20⁰, діаметр сталої циркуляції при и , час і відстань гальмування до зупинки при маневрі «креш-стоп», час і відстань розгону до швидкості повного переднього маневреного ходу (ППм) при роботі машини в режимі ППм. Аналіз РМРС показав, що уточнення повороткісті і процесів зміни можна виконувати роздільно.

При уточненні повороткісті враховане наступне. Видвиг судна істотно залежить від величини підйомної сили на корпусі. На сталі радіуси циркуляцій при кутах стерна , і співвідношення між ними найбільшою мірою впливають коефіцієнти демпфуючого моменту. На характер зміни часу руху на повороті значно впливає питомий коефіцієнт сили опору при кутах атаки, не рівних нулю. Для підгонки стримування швидкості повороту зручно використовувати коефіцієнт гідродинамічної сили стерна. Сукупність множників для корекції названих величин розглядалася як вектор параметрів, що уточнюються. Діапазон вибору значень цих коректуючих множників в середньому складає 0,7-1,4. Зміна кожного з елементів вектора в тій чи іншій мірі впливає на всі елементи повороткісті. Тому задача уточнення моделі полягає у виборі такого , при якому критерій

(3)

досягає мінімуму. У ньому вагові множники, а відносні похибки:

знайденого по моделі значення видвига при циркуляції з ( значення натурного експерименту);

, діаметрів сталої циркуляції при и ;

часу повороту на 180⁰ при циркуляції з ;

відношення амплітуди курсу до амплітуди стерна при зигзагу 20⁰/20⁰.

Модель уточнювалася шляхом неодноразового вибору значень вектора з подальшим моделюванням циркуляцій з і , зигзага 20⁰/20⁰ і оцінки . Для пошуку найкращого використовувався ГА.

Результати уточнення моделей п'яти суден при однакових вагових множниках в критерії (3) представлені в табл.1. Уточнення моделі виконувалося для суден у повному вантажу. Як видно з таблиці, максимальна відносна похибка параметрів повороткісті складає 15%. Слід зазначити, що на величину приведених в таблиці відносних похибок впливає не тільки адекватність використовуваної моделі, але і похибки результатів натурних спостережень, приведених у формулярах маневрених характеристик суден. Ці похибки бувають значними.

Таблиця 1

Результати уточнення моделей руху суден

	=25 тис.т	=80 тис.т	=120 тис.т	=12 тис.т	=7,5 тис.т
max	300	300	350	350	350
	Um	0	Um	0	Um	0	Um	0	Um	0
Видвиг, кб	2,50	0,10	3,80	0,05	3,92	0,03	2,07	0,08	1,73	0,02
Dвmax, кб	2,40	0,00	3,70	0,11	4,00	0,15	2,32	0,05	1,5	0,07
Dв15, кб	3,82	0,02	5,15	0,09	5,75	0,13	3,85	0,04	2,86	0,09
AK/A при зигзагу	1,9	0,05	1,9	0,11	1,6	0,01	1,6	0,02	1,7	0,06
T180, с при =max	116	0,03	245	0,03	250	0,04	128	0,02	120	0,01

Розроблений алгоритм прогнозу по РМРС траєкторій поворотів передбачає завдання способу і параметра повороту, формування сигналу для перекладань стерна у відповідності з алгоритмом цього способу. Авторульові (АР) виконують повороти «із заданою кутовою швидкістю ()» або «із заданим радіусом ()», а людина «із заданим кутом стерна ()», де , , параметри способу повороту.

Ці способи були реалізовані в складеній програмі прогнозу маневрів курсом. При моделюванні поворотів з , застосовані алгоритми АР. Порядок виконання повороту рульовим не є однозначним. Тому був узятий алгоритм, в середньому близький до використовуваних досвідченими рульовими.

Аналіз результатів рішення третьої складової задачі дисертації дозволив встановити, що вибрана РМРС економна по числу параметрів і адекватно відображає процеси зміни курсу і швидкості судна. Розроблений метод уточнення РМРС за натурними даними економить час і покращує її точність. Засновані на РМРС алгоритми прогнозу маневрів враховують динаміку судна, характер зміни управляючого сигналу, вплив вітру і мілководдя, володіють достатньою швидкодією і точністю.

У шостому розділі наведені результати розробки методу зміни шляху за допомогою двоелементних траєкторних ланок (маневрів зміщення на паралельну лінію шляху - МЗПЛ). Створення такого методу передбачене в четвертій складовій задачі дисертації. Метод призначається для використовування в системах з електронними картами, сполученими з системами автоматичного водіння судна по заданому маршруту (СВМ). Корекція шляху для розходження проводиться в автоматичному режимі без переходу в ручний режим управління. СВМ, здійснюючи проводку по лінії зміненого маршруту, виконає і розходження з суднами.

МЗПЛ визначається величиною бічного зміщення від первинної лінії шляху , кутом зміни курсу , а також використовуваним для поворотів способом і його параметром (рис. 2). Цей маневр включає два повороти на кут в різні боки (ділянки AC, DF) і рух між поворотами одним курсом (ділянка CD). Значення знаходяться в роботі за допомогою РМРС при завданні , способу повороту і його параметру.

При розрахунку МЗПЛ для розходження з одним судном виділяються пряма і зворотна задачі. У першій заданими вважаються , , а шуканими відстань найкоротшого зближення і резерв часу , протягом якого ще можна почати виконання маневру, щоб розійтися з судном-ціллю.

У зворотній задачі відомі і , а знаходяться і . У роботі приводяться одержані алгоритми рішення цих задач без урахування і з урахуванням інерційності оперуючого судна. У першому випадку зміни курсу вважаються миттєвими, а в другому - час повороту на кут , прохідна за цей час відстань, значення , (рис. 2) знаходяться за допомогою РМРС.

У цьому розділі також представлений розроблений метод відображення ситуацій зближення суден за допомогою спеціальних зон небезпек, які спрощують вибір параметрів ефективного МЗПЛ для розходження з декількома суднами (без урахування динаміки оперуючого судна). Область допустимих для оперуючого судна МЗПЛ задається шириною правої і лівої смуг руху з урахуванням навігаційних обмежень акваторії.

Схема побудови ЗН для ситуації перетину курсів приведена на рис. 3 у правій для МЗПЛ смузі, де позначено: - зона небезпеки; ; і , і - відносні курс і швидкість при , ; ; , - точки повороту з курсу на курс для розходження на ; , - точки повернення з на для розходження з ціллю на ; , , - центр ЗН і точки повороту з на і повернення з до колишньому курсу для зближення з ціллю впритул; , , и , , - точки на лініях відносного руху оперуючого судна, відповідні точкам , , и , , ; - величина інтервалу небезпечних бічних відхилень від планового шляху. На дисплеї ЗН відображається на продовженні вектора істинної швидкості цілі. У цілі може бути зона небезпеки, як в правій, так і в лівій допустимій області. Якщо у цілі ЗН немає, то в цих областях при будь-якому МЗПЛ з кутом ухилення управо або вліво .

Запропонований спосіб відображення інформації спрощує вибір маневрів курсом для розходження з декількома суднами у відкритому морі і в обмежених водах. Його перевагами є:

- нерухомість ЗН щодо грунту, що дозволяє намічати маневри МЗПЛ для розходження з мобільними об'єктами як з нерухомими;

- простота урахування навігаційних обмежень призначенням ширини правої і лівої смуг допустимих зміщень;

- можливість побудови стратегій розходження з суднами із послідовних маневрів МЗПЛ з різними значеннями .

Формули, що одержані для розрахунку і побудови ЗН на екрані комп'ютера, були перевірені при складанні і доведенні програми для вибору стратегій розходження, заснованих на використовуванні МЗПЛ. Приклад визначеного шляху розходження з небезпечною ціллю показаний жирною лінією на рис. 4. На ньому позначено: - місце оперуючого судна; - інтервал, на якому МЗПЛ приводить до безпечного розходження; - точка початку маневру; - вибрана точка кінця маневру МЗПЛ. Зміна маршруту підбирається по відображенню ситуації завданням курсором точки закінчення маневру так, щоб лінія зміненого шляху не проходила через зони небезпеки.

Розроблений в дисертації і спосіб корекції маршруту для розходження з декількома суднами з урахуванням інерційності оперуючого судна. Він заснований на відображенні прогнозу місця цілей і ліній їх відносного руху (ЛВР). У роботі запропоновано декілька способів зміни маршруту, два з яких характеризуються на рис. 5, 6. Корекція маршруту підбирається такій, щоб прогнозовані на кінець маневру ЛВР суден-цілей не перетинали область радіусом з центром в місці оперуючого судна. Для перевірки алгоритмів корекції маршруту, була складена спеціальна програма, в якій траєкторія намічаного маневру і її параметри знаходяться за допомогою РМРС.

Результати рішення четвертої задачі дисертаційного дослідження дають можливість в багатьох ситуаціях розрахувати корекції маршруту для розходження з суднами з урахуванням навігаційних обмежень, основних вимог МППЗС, характеру зміни управляючого сигналу, інерційності і маневрених можливостей судна.

Для перевірки коректності і ефективності запропонованих в цьому розділі методів була створена імітаційна модель ситуацій зближення суден. Вона достатньо добре враховує динаміку оперуючого судна при «сильних» маневрах і дозволяє на комп'ютері в прискореному часі моделювати оперативну корекцію маршруту для попередження зіткнень з урахуванням величини і характеру зміни управляючого сигналу, а також проглядати на дисплеї в часі результати такої корекції. Імітаційне моделювання оперативної корекції маршруту для розходження з суднами дозволило підтвердити достовірність одержаних результатів і ефективність запропонованих методів.

ВИСНОВКИ

судно океан маршрут

У дисертації одержане теоретичне узагальнення і нове рішення задачі підвищення ефективності оперативного планування руху судна. Воно полягає у вдосконаленні методів прогнозу швидкості ходу, корекції маршруту для розходження з суднами, а також оперативної зміни шляху через океан залежно від очікуваних погодних умов і морехідності судна. Відмінністю розроблених методів зміни маршруту переходу для попередження зіткнень з суднами є більш повне урахування динаміки судна, засноване на чисельному прогнозі його маневрів по нелінійній різницевій моделі з достатнім ступенем адекватності реальним процесам маневрування суден. Розробка виду відображення інформації, що враховує вплив на швидкість конкретного судна очікуваних умов плавання і полегшує вибір трансокеанського шляху, є першим з такого виду методів, запропонованих для вирішення цієї задачі.

Найістотнішими обгрунтованими науковими результатами роботи є:

1. Метод відображення обстановки для візуального визначення мінімального за часом трансокеанського маршруту, заснований на представленні кольором значень показника найбільшої безпечної з урахуванням прогнозів погоди швидкості руху до точки призначення в осередках акваторії, в якій може проходити шукана траєкторія переходу.

Перевагою методу є можливість визначення без обчислень близького до найкращого маршруту проходження через океан і можливість перевірки розрахованого бортовим комп'ютером, або рекомендованого береговим центром проводки, такого шляху.

2. Заснований на генетичному алгоритмі спрощений метод оперативної корекції плану переходу через океан залежно від періодично одержуваних на судні в сітковому виді прогнозів погоди.

Його гідність полягає у використовуванні для корекції маршруту переваг нового електронного виду передачі прогностичної інформації про погоду, у відповідності можливостям бортової комп'ютерної техніки, у зменшенні об'єму обчислень майже в два рази в порівнянні із запропонованими раніше такого типу процедурами.

3. Метод побудови стратегій розходження з суднами за допомогою послідовних маневрів зміщення на паралельну лінію шляху, який базується на використовуванні небезпечних для цих маневрів зон.

Відмінні риси цього результату: нерухомість зон небезпек щодо грунту, що дозволяє намічати маневри для розходження з мобільними об'єктами як з нерухомими; простота урахування при виборі маневру навігаційних обмежень; можливість планування стратегій розходження з послідовних маневрів зсуву на паралельну лінію шляху.

4. Метод визначення параметрів раціональної для розходження з суднами в обмежених водах зміни маршруту у вигляді паралельного зсуву активного відрізка його шляху.

Цінність методу полягає в простоті вибору часто використовуваного для розходження в обмежених водах маневру зсуву на паралельну лінію шляху з урахуванням найважливіших при плаванні в цих акваторіях чинників - навігаційних небезпек і інерційності оперуючого судна.

Результати дисертації застосовані на практиці для оперативної корекції планів переходів і для ефективного прогнозу руху суден при рішенні задач судноводіння. Одержані алгоритми, програми, моделі можна використовувати на суднах при плануванні руху, в берегових центрах проводки суден, в навчальному процесі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Вагущенко А.Л. Прогнозирование маневров при использовании приборных методов проводки судов /Вагущенко А.Л. //Автоматизация судовых технических средств. - 2003. - Вып. 8. - С. 3-7.

2. Вагущенко А.Л. О дополнительных функциях для авторулевых /Вагущенко А.Л. //Судовождение. -2003. - Вып. 6. - С. 32-39.

3. Вагущенко А.Л. Метод выбора трансокеанского маршрута судна /Вагущенко А.Л. //Судовождение. - 2004. - Вып. 8. - С. 12-21.

4. Вагущенко А.Л. Планирования оптимальной скорости судна для перехода по заданному маршруту /Вагущенко А.Л. , Заичко С.И. //Автоматизация судовых технических средств. - 2005 . - Вып. 10. - С. 3-10 (здобувачем розроблений алгоритм планування).

5. Вагущенко А.Л. Метод отображения информации, облегчающий выбор трансокеанского пути /Вагущенко А.Л. , Заичко С.И. //Судовождение. -2005. - Вып. 10. - С. 34-37 (здобувачем виконана розробка алгоритмів розрахункової частини методу).

6. Вагущенко А.Л. Улучшение в процессе эксплуатации моделей для прогноза скорости на переходе /Вагущенко А.Л. //Судовождение. -2006. - Вып. 11. - С. 29-37.

7. Вагущенко А.Л. Улучшение модели движения судна по результатам маневренных испытаний /Вагущенко А.Л. , Вагущенко Л.Л. //Судовождение. -2006. - Вып. 12. - С. 31-36 (здобувачем розроблений алгоритм оцінки параметрів моделі за допомогою ГА).

8. Вагущенко А.Л. Алгоритм расхождения с судном смещением на параллельную линию пути /Вагущенко А.Л. //Автоматизация судовых технических средств. - 2006. - Вып. 11. - С. 10-20.

9. Вагущенко Л.Л. Частное решение задачи расхождения с судами /Вагущенко Л.Л., Вагущенко А.Л. //Судовождение. - 2007. - Вып. 13. - С. 38-45 (здобувачу належить метод пошуку безпечного маневру розходження).

10. Вагущенко А.Л. Оперативное изменение маршрута для расхождения с судами и препятствиями /Вагущенко А.Л. , Вагущенко Л.Л., Заичко С.И. //Автоматизация судовых технических средств. 2007. - Вып. 12. -С. 8-15 (здобувачем запропоновані способи зміни маршруту на електронній карті).

11. Вагущенко А.Л. Об определении параметров волнения по данным РЛС на движущемся судне /Вагущенко А.Л. //Матеріали 55 наукової та науково-методичної конференції професорсько-викладацького складу та курсантів. - ОНМА. Одеса, 15-20 травня 2003. - С. 18-19.

12. Вагущенко А.Л. Расхождение с целью смещением на параллельную линию пути судна /Вагущенко А.Л. //Матеріали науково-технічної конференції «Стан та проблеми судноводіння»: - ОНМА. Одеса, 24-26 жовтня 2005. - С. 25 - 28.

Размещено на Allbest.ru