147891 (Розробка методу формування зони безпечного руху судна)

_{ОДЕСЬКА} НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

Алексішин Андрій Вікторович

УДК 656.61.052.484

РОЗРОБКА МЕТОДУ ФОРМУВАННЯ ЗОНИ БЕЗПЕЧНОГО РУХУ СУДНА

05.22.13 – навігація та управління рухом

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Вагущенко Леонід Леонідович, Одеська національна морська академія, завідуючий кафедрою електронних комплексів судноводіння

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гладких Ігор Іванович, Одеська національна морська академія, декан факультету судноводіння на морських і внутрішніх водних шляхах

кандидат технічних наук Дуднік Сергій Антонович, провідний фахівець ТОВ «Каалбай Шипинг», м. Одеса

Захист відбудеться 17 квітня 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 за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона 8, корп. 2.

Автореферат розісланий " 14" березня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор В.В. Тарапата

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Переважна більшість навігаційних аварій морських суден трапляється в стислих водах, що обумовлено складністю умов плавання в них і недостатнім рівнем забезпечення процесу судноводіння ефективними методами і засобами в таких районах. Подальша розробка систем забезпечення безпеки і сучасне технічне оснащення суден практично мало вплинуло на зниження аварійності в стислих районах через зростаючі інтенсивність судноплавства, швидкості та габарити суден.

Тому заходи, які передбачають вдосконалення методів судноводіння в стислих водах, ведуть до підвищення безпеки судноводіння, що обумовлює зростання рівня охорони людського життя на морі, попередження екологічних катастроф і зниження економічних втрат, виникаючих при навігаційних аваріях.

Необхідність підвищення рівня безпеки судноводіння в стислих водах і відсутність методу формування зони безпечного руху судна або безпечної суднової зони (обидва терміна широко представлені у спеціальній літературі з судноводіння і тому мають право на рівне застосування у роботі) відповідає сучасним запитам практики і визначає актуальність та перспективність теми дисертаційних досліджень.

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) та темами держбюджетних науково-дослідних робіт «Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання» (№ ДР 0103U006406) і «Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень» (№ ДР 0106U002117), в яких автору належать самостійно виконані розділи.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення безпеки судноплавства шляхом створення методу формування зони безпечного руху судна в стислих водах. Головна задача дослідження полягає в синтезі алгоритму формування зони безпечного руху судна в стислих водах.

У дисертаційному дослідженні загальне рішення головної задачі забезпечується трьома складовими:

- розробка способу розрахунку параметрів зони безпечного руху судна в просторі відносного руху;

- пошук процедури відображення відносної зони безпечного руху судна в просторі істинного руху;

- використання зони безпечного руху судна при плаванні в стислих водах.

Об'єктом дослідження являється процес судноводіння в стислих водах.

Предметом дослідження є зона безпечного руху судна.

Для вирішення поставлених в дисертації задач були застосовані наступні методи досліджень:

- дослідження операцій при декомпозиції головної задачі на незалежні складові;

- теорії вірогідності в частині випадкових багатовимірних величин для опису математичної моделі формування стохастичної складової зони безпечного руху судна яка залежить від точності контролю місця судна;

- теорії похибок для опису ситуацій системи залежних і незалежних випадкових величин при формуванні зони безпечного руху судна;

- теорії управління судном;

- розробки імітаційної моделі визначення зони безпечного руху судна.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному.

1. Підтверджена гіпотеза про те, що сукупність істотних параметрів навігаційної ситуації та інерційно-гальмівні характеристики судна можуть бути представлені у вигляді зони безпечного руху судна, яка характеризує поточну безпеку плавання.

2. Розроблено спосіб розрахунку параметрів зони безпечного руху судна, відмінний тим, що при завданих двовимірній густини імовірностей розподілу місця судна, його габаритів, інерційно-гальмівних характеристик і параметрів навігаційної ситуації дозволяє оцінити поточну безпеку плавання судна і визначити істинні курси ухилення судна при зближенні з рухомою ціллю і нерухомими навігаційними перешкодами.

3. Одержала подальший розвиток модель відображення зони безпечного руху судна з простору відносного руху в просторі істинного руху.

4. Вдосконалена процедура використання зони безпечного руху судна при плаванні в стислих водах.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонований в роботі спосіб розрахунку зони безпечного руху судна можна використовувати не тільки стосовно морських суден, але і для інших рухомих об'єктів, що володіють істотною інерційністю і знаходяться в стислих водах.

Алгоритми і програми, одержані в дисертації, доцільно використовувати на суднах для формування зони безпечного руху судна, запропонований в дисертації спосіб рекомендується використовувати в суднових інформаційних системах спільно з електронними картами, в учбовому процесі і при підвищенні кваліфікації.

Результати дисертаційного дослідження впроваджені в компаніях «.Ships» та «Епсилон» для тренінгу судноводійського складу (акти впровадження від 15.11.2007 р. та 22.10.2007 р.), а також використані в учбовій програмі ОНМА з дисціпліни «Засоби автоматизованої радіолокаційної прокладки та радіолокаційний тренажер» (акт впровадження від 21.09.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати і розробки, які наведені у дисертації та виносяться на захист, автором одержані самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і були схвалені на науково-технічних конференціях: «Стан та проблеми судноводіння», м. Одеса, 24-26 жовтня 2005 р.; «Інтегровані комплекси транспортних засобів та безпека судноплавства», м. Одеса, 23-24 травня 2006 р.; «Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень», м. Одеса, 10-11 жовтня 2007 р.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 5 статтях у збірнику наукових праць ОНМА «Судноводіння», що входить до Переліку ВАК, та матеріалах трьох науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, додатку та списку використаних джерел з 117 найменувань. Повний об'єм роботи – с., у тому числі: 172 с. основного тексту, рис., 11 с. списку літератури, 4 с. додатку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Перший розділ дисертації присвячений огляду наукової літератури з основних аспектів дослідження проблеми забезпечення безпеки судноводіння в стислих водах.

Як свідчать автори, до основних напрямків вирішення проблеми забезпечення безпеки судноводіння в стислих водах відносяться питання керованості суден і їх управління, проблема попередження зіткнень суден при надмірному зближенні, питання забезпечення безпеки судноводіння шляхом підвищення точності контролю місця судна та питання формалізації перехідних процесів руху суден і розрахунку їх інерційно-гальмівних характеристик.

Значне число публікацій присвячено моделюванню руху судна в стислих водах і виконання різних маневрів, що сприяє ефективнішому і безпечнішому плаванню судна в них. Також пропонується використання концепції ризику в моделях для призначення динамічних індексів ризику певним категоріям суден, залежно не тільки від статичних параметрів (вік судна, його прапор, клас, тип вантажу), але і від таких чинників як умови судноплавства і погода в даному районі плавання.

Актуальним напрямком є синтез законів автоматичного управління рухом судна завданим курсом з фіксованим кутом дрейфу, зокрема нульовим, а також із завданою швидкістю поперечного руху судна при швартуванні з одночасною стабілізацією завданого курсу. Для підвищення ефективності роботи існуючих авторульових приводяться закони логічного управління рухом судна, які стали можливими завдяки тому, що система стабілізації судна повністю спостережувана і керована. Ця властивість досягнута використовуванням носових підрулюючих пристроїв і приймача супутникової навігаційної системи.

Різні автори, у тому числі А.С. Мальцев, М.М. Цимбал, мірою небезпечного зближення суден вибирають різні характеристики, до яких, перш за все, відноситься ризик зіткнення суден, що має міру вірогідності. Важливим поняттям при оцінці ризику зіткнень також є, так звана, безпечна суднова зона - оточуючого судно водного простору, який повинен бути вільним від рухомих і нерухомих об'єктів. Фактично поняття безпечної суднової зони є розвитком загальноприйнятого поняття допустимої відстані найкоротшого зближення, узагальнення його на двовимірний випадок, коли радіус зони є змінною величиною, причому зона може мати різну геометричну форму.

Такою фігурою офіційно прийнято круг, в центрі якого знаходиться судно, а двовимірна зона характеризується одновимірним радіусом круга, що називається гранично допустимою дистанцією найкоротшого зближення. В якості безпечної суднової зони у ряді робіт пропонується еліпс, або вказуються тільки максимальні розміри зони без визначання ії форми.

Конфігурація і розміри безпечної суднової зони, як указується у ряді робіт, залежать від численних чинників, до яких в першу чергу відносяться курсовий кут, розміри і маневрені характеристики суден, відносна швидкість їх зближення, інтенсивність руху суден і гідрометеорологічні умови. Проте ніхто з авторів не пропонував спосіб розрахунку зони безпечного руху судна з урахуванням більшості цих чинників .

В другому розділі на підставі системного підходу виконаний вибір теми дослідження зв’язаний з проблемою безпеки плавання судна в стислих водах за наявності цілей, що маневрують і нерухомих небезпек, міститься опис методологічного забезпечення дисертаційного дослідження, викладено обґрунтування його тематики і приведена методика проведення дисертаційного дослідження. При цьому вказуються використанні методи для вирішення головної та складових задач.

В розділі визначена мета дисертаційного дослідження, його головна задача, виконана постановка наукового дослідження. Виходячи з тематики дисертаційного дослідження, запропонована його робоча гіпотеза, згідно якої вплив основних чинників на безпеку судноводіння виражається формуванням безпечної області навколо судна.

Для відображення системності дисертаційного дослідження розроблена технологічна карта, яка відображає методологію виконання дисертації. Головна задача дослідження представлена трьома складовими задачами. Рішення кожної з яких є науковим результатом. Для вирішення поставлених в дисертації задач були застосовані методи: дослідження операцій при декомпозиції головної задачі на незалежні складові; теорії вірогідності в частині випадкових багатовимірних величин для опису математичної моделі формування стохастичної складової зони безпечного руху судна, яка залежить від точності контролю місця судна; теорії похибок для опису ситуацій системи залежних і незалежних випадкових величин при формуванні зони безпечного руху судна; теорії управління судном; розробки імітаційної моделі визначення зони безпечного руху судна.

Показані практична значущість і наукова цінність дисертації, які забезпечені теоретичними результатами і імітаційним моделюванням. Узагальнення теоретичних результатів наукового дослідження дозволило сформулювати наукове положення дисертаційної роботи.

Третій розділ присвячено вирішенню першої та другої складових задач – визначенню способу розрахунку параметрів безпечної суднової зони у просторі відносного руху та пошуку процедури її відображення у просторі істинного руху. Проведене обґрунтування основних чинників, що визначають форму і розміри безпечної суднової зони.

Для вирішення цих задач була використана теорія вірогідності в частині випадкових багатовимірних величин для опису математичної моделі формування стохастичної складової безпечної судової зони, яка залежить від точності контролю місця судна та теорія похибок для опису ситуацій системи залежних і незалежних випадкових величин при формуванні зони безпечного руху судна;Попередній аналіз проблеми формування безпечної суднової зони показав, що її геометрична форма і розміри визначаються наступними основними чинниками, до яких відносяться:

- точність визначення місця судна, яка задана, в кращому разі, щільністю розподілу вірогідністей f(x,y) двовимірної векторіальної похибки щодо обсервованого місця судна, або коваріаційною матрицею – в гіршому.

- габарити судна (довжина і ширина), передбачувані габарити цілей і ракурси суден;

- інерційність судна, що характеризується його поворотністью і гальмівними характеристиками, які бажано представити математичною моделлю у вигляді диференціальних рівнянь.

Геометричне представлення першого чинника полягає в пошуку двовимірної області , яка із завданою вірогідністю , близькою до одиниці, містила б істинне місце судна. Для пошуку області потрібно знайти рішення рівняння:

У загальному випадку рішенням такого рівняння є деяка множина областей, з яких слід вибрати оптимальну, наприклад ту, що має мінімальні розміри. Так, якщо щільність розподілу вірогідностей f(x,y) підкоряється нормальному закону, то найбільш економною областю є еліпс. Причому орієнтація і форма області не залежить від курсу судна, а визначається геометрією ліній положення, їх точністю і маргінальним законом розподілу похибок навігаційних вимірювань.