автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система информационной поддержки управления судном

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ РЕГИОНА.

§1.1 Постановка задачи.

1.1.1 Электронные карты.

1.1.2 Математические методы создания информационной модели.

1.1.3 Триангуляционная схема.

§ 1.2 Алгоритмы триангуляции.

1.2.1 Алгоритм деления треугольников.

1.2.2 Алгоритм сужающихся областей.

1.2.3 Понижение коэффициента обусловленности.

1.2.4 Проблема вырожденного фарватера.

1.2.5 Точки сингулярности карты.

§ 1.3 Применение триангуляционной схемы.

1.3.1 Вычисление глубины в заданной точке карты.

1.3.2 Построение карты безопасных глубин.

§1.4 Повышение быстродействия триангуляционной схемы.

1.4.1 Смежные треугольники.

1.4.2 Деление карты на сегменты.

§1.5 Триангуляционная схема карты течений.

§ 1.6 Программная реализация информационной модели региона.

1.6.1 Построение триангуляционной схемы.

1.6.2 Представление триангуляционной схемы в файле.

1.6.3 Использование триангуляционной схемы.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ СУДНА.

§2.1 Уравнения движения судна.

§2.2 Воздействие случайных возмущений на судно.

2.2.1 Реализация случайных функций по заданному спектру.

2.2.2 Воздействие нерегулярного волнения на судно.

2.2.3 Воздействие локально неравномерного течения на судно.

2.2.4 Воздействие ветра на судно.

§2.3 Моделирование управления судном.

§2.4 Численное интегрирование системы дифференциальных уравнений.

ГЛАВА 3. НАВИГАЦИОННЫЙ ТРЕНАЖЕР ММ81М.

§3.1 Структура тренажерного комплекса.

§3.2 Подсистема подготовки информации.

3.2.1 Объекты карты и траекторий судов.

3.2.2 Фрейм объектов.67.

3.2.3 Структура сценария.

§3.3 Навигационный тренажер.

3.3.1 Сетевая модель тренажера.

3.3.2 Сетевые компоненты тренажера.

3.3.3 Сетевой протокол тренажерного комплекса.

Проблемы безопасности человеческой жизни на море возникли вместе с первыми попытками человечества осваивать море. Каждое время предлагало свой набор средств обеспечения безопасности. В наши дни эта проблема остается столь же актуальной, как и раньше. Мировая статистика свидетельствует о том, что, несмотря на рост водоизмещения и технического состояния морских судов, их зависимость от гидрометеорологических условий плавания меняется не существенно. Каждый год в море гибнет в среднем около 150 судов. Кроме того происходят многочисленные случаи повреждения судовых конструкций, потерь палубного груза, возникновения аварийного крена и т.п.

Одним из важнейших условий безопасности является высокий профессионализм судоводителей. Профессиональная подготовка капитанов и членов экипажа должна удовлетворять требованиям, закрепленным в «Международной конвенции о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты 1978 года» (дальше ПДМНВ-78). В 1995 году состоялась конференция сторон-участниц «Международной конвенции 1978 года», на которой были приняты соответствующие изменения. Признание получила практика подготовки судоводителей с использованием тренажеров. В Международной конвенции ПДМНВ-78, измененной конференцией 1995 года [44,45,46,47,48,49], есть специальный раздел А-1/12 «Требования, определяющие использование тренажеров».

В конвенции в частности указывается, что «каждый капитан, лицо командного состава и радиооператор должны, для продолжения службы на судах, в отношении которых на международном уровне были согласованы специальные требования к подготовке, успешно завершить одобренную соответствующую подготовку» [Международная Конвенция ПДМНВ-78].

В числе прочих было сформулировано правило 1.12: «Использование тренажеров»

• Эксплуатационные требования и другие положения, изложенные в разделе А-1/12, и такие другие требования, которые предписываются в части А Кодекса ПДМНВ для любых соответствующих дипломов должны соблюдаться в отношении:

• всей обязательной подготовки, основанной на использовании тренажеров [50];

• любой оценки компетентности, требуемой частью А Кодекса ПДМНВ, которая осуществляется с помощью тренажера;

• любой демонстрации с помощью тренажеров поддержания профессонализма [53], требуемого частью А Кодекса ПДМНВ.

В материалах конференции 1995 года сформулированы основные эксплуатационные требования к тренажерам различного назначения, таким как радиолокационный тренажер, тренажер средств автоматической радиолокационной прокладки (САРП), судовождения и несения вахты, управления судном и маневрирования, обработки и размещения грузов на судне и др. Рекомендовано также использование различных факультативных тренажеров [3,4].

В соответствии с рекомендуемыми эксплуатационными требованиями тренажерное оборудование по судовождению и несению вахты должно быть способно моделировать навигационное оборудование и органы управления на мостике, а также создавать эксплуатационную среду в реальном времени, включая управление судовождением и приборами связи и оборудованием, относящимся к выполнению навигационныхь задач [54] и задач по несению вахты и навыков маневрирования; обеспечивать реальную визуальную ситуацию в дневных или ночных условиях, включая меняющуюся видимость, или ситуацию только в ночных условиях: как она наблюдается с мостика, с минимальным горизонтальным полем зрения, доступным для обучаещегося при наблюдении секторов, соответствующих навигационным задачам и задачам по несению вахты; и реалистично воспроизводить динамику «собственного судна» в условиях открытого моря, включая влияние погоды, приливов, течений и взаимодействие с другими судами [5,55].

Тренажеры по управлению судном и маневрированию должны обеспечивать реальную визуальную ситуацию, как она наблюдается с мостика в дневных и ночных условиях с изменяющейся видимостью по всему минимальному горизонтальному полю зрения, доступному для обучающегося, при наблюдении секторов, соответствующих задачам и целям обучения в отношении маневрирования и управления судном; и реалистично воспроизводить динамику «собственного судна» в стесненных водах, включая мелководье и береговой эффект; а также проводить анализ ситуаций, которые могут привести к столкновению, с помощью изображаемой на экране информации [42,52], определения и выполнения действий по предупреждению ситуаций опасного сближения в соответствии с действующими Международными правилами предупреждения столкновений судов в море 1972 года.

Эффективность тренажера как важного средства в процессе подготовки судоводителей общепризнана. Следует отметить, что в России в соответствии с приказом ДМТ Министерства транспорта Российской федерации от 04.01.96 N 1 «О совершенствовании тренажерной подготовки судоводителей, радиоспециалистов и операторов систем управления движением судов (СУДС)» [56] введена специальная тренажерная подготовка по программе «Электронная картография». С 01.01.98 г. наличие свидетельств о подготовке по указанной программе является обязательным для капитанов и старших помощников, работающих на судах, оборудованных ЭКС [57].

Всем указанным требованиям удовлетворяют сертифицированные учебно-тренажерные центры (УТЦ) [58,59] и большие навигационные тренажеры, полностью моделирующие капитанский мостик и вид из него на район плавания. Однако эти тренажеры являются дорогостоящими в разработке и обслуживании, и, соответственно, время работы на них стоит дорого. Поэтому создание малых тренажеров, которые отрабатывают у обучаемых первичные навыки работы на навигационных и картографических тренажерах, является необходимой и актуальной задачей.

Цель данной работы состоит в создании полностью функционального малого сетевого навигационного тренажера [60], названного MMSim, который может быть использован в процессе обучения как по управлению судном и маневрированию, так и по электронной картографии. В процессе подготовки судоводителей навигационный тренажер позволяет имитировать возникновение критических ситуаций и отрабатывать навыки безопасного маневрирования в сложной обстановке, что невозможно осуществить на практике [6,8,9].

Разработанный навигационный тренажер MMSim функционирует на персональных компьютерах под управлением операционной системы Windows NT [17]. На компьютерах, объединенных в локальную сеть, тренажер позволяет проигрывать в едином информационном пространстве навигационную ситуацию с участием нескольких судов, управляемых обучаемыми. Программные возможности тренажера не ограничивают числа участников одновременного сеанса работы. В состав тренажера включен комплекс программ подготовки информации по региону плавания и навигационной обстановки. Открытая структура тренажера позволяет подключать дополнительные модули расширения такие, как радиолокационный экран или модель капитанского мостика [43]. Кроме того, разработанный тренажер может быть использован в построении других систем, основанных на информационной модели региона и математической модели движения судна, например, в системах проектирования портовых сооружений.

Математическая основа навигационного тренажера включает в себя две части: информационную модель района плавания и динамическую модель управляемого движения судна [7].

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений.

Заключение

Сформулируем в сжатом виде наиболее существенные научные и практические результаты, содержащиеся в работе.

1. Проведено целостное рассмотрение информационной модели региона плавания как основной составляющей информационного пространства тренажеров управления судном;

2. Рассмотрены различные способы автоматизированной обработки информационной модели региона плавания для ее использования в математической модели движения судна;

3. Созданы алгоритмы оптимизации автоматизированной обработки картографической информации;

4. Построена и реализована четырехмерная математическая модель движения судна на основании полной шестимерной модели, разработанной д.т.н. проф. В.И.Зайковым;

5. Проведен комплексный детальный учет и анализ всех факторов, влияющих на достоверность и адекватность построенной модели движения судна. Наряду с влиянием рельефа морского или речного дна, учитывается влияние нерегулярного волнения, ветра, а также локально-неравномерного течения на движение судна;

6. Реализован функциональный автоматизированный сетевой тренажер по управлению и маневрированию судна и электронной картографии, предназначенный для начального этапа тренажерной подготовки судоводителей.

Отметим, что разработанный навигационный тренажер используется в:

• Учебном процессе на кафедре «Управление Судном» Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций.

• Северо-Западном Речном Училище.

• Уханьском Политехническом Университете, КНР.

1. Й.Виттенбург. Динамика систем твердых тел. М. :Мир, 1980,292с.

2. Справочник по теории корабля: в трех томах. т.З. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания. /Под редакцией Войткунского Я.И. Л., Судостроение, 1985. 544 е./

3. Руководство для аудитора по МКУБ. Российский морской регистр судоходства. СПб., 1996, §6.5 «Тренажерная подготовка»

4. Правила управления качеством для судоходной компании, СПб., 1998, §19.1 «Подготовка персонала»

5. Руководство по сертификации систем управления безопасной эксплуатацией судов и предотвращением загрязнения, СПб., 1998

6. А.А.Капанев, С.А.Попов, Р.Э.Францев. Управление и информационное обеспечение транспортных систем. Управление транспортными системами. Сборник научных трудов под редакцией Р.Э.Францева, СПб., 1997, стр.3-13.

7. А.В.Зернов. Навигационное оборудование внутренних водных путей. Текст лекций. СПб, 1997

8. В.Ф.Евменов, В.Д.Ракитин, А.А.Сикарев. Автоматизация судовождения и связи. Учебное пособие. СПб., 1997

9. А.Д. Гофман. Движительно-рулевой комплекс и маневренность судна. Изд-во "Судостроение", Л. 1988, 360 с.

10. Винниченко H.K., Пунус Н.З. Турбулентность в свободной атмосфере. Л.:Гидрометеоиздат 1976, 287с.

11. Бухтояров И.И., Морозов В.И. Математическая модель движения дельтоплана. В кн.:Исследование аэродинамики, аэроупругости и динамики полета дельтопланов и парашютов-крыльев. ВВИА им. Н.Е.Жуковского, М, 1985, с. 164-180

12. Доброленский Ю.П. Динамика полета в неспокойной атмосфере. М. Машиностроение, 1969. 256с.

13. Д.Мак-Кракен, У.Дорн. Численные методы и программирование на фортране, М.:Мир, 1977, 584с.

14. А.В.Фролов, В.Г.Фролов. Операционная система Microsoft Windows 3.1 для программиста. М., Диалог-МИФИ, 1994, 270с.

15. Judith L. Gersting. Mathematical structures for computer science. Third Edition, New York, Computer Science Press, 1993, 760p.

16. Alan Gibbons. Algorithmic Graph Theory. Cambridge University Press, 1994, 259p.

17. A.V.Aho, J.E.Hopcroft, J.D.Ulman. The design and analysis of computer algorithms, Addison-Wesley, 1974

18. Б.Страуструп. Язык программирования С++. Вторая редакция. Киев: ДиаСофт, 1993.

19. А.В.Фролов, Г.В.Фролов. Программирование для Window NT. М.:Далог-МИФИ, 1996-9923. А.В.Фролов, Г.В.Фролов. Microsoft Visual С++ и MFC. М.:Далог-МИФИ, 1996

20. М.Эллис, Б.Страуструп. Справочное руководство по языку программирования С++ с комментариями. М.:Мир, 1992

21. Пол Ирэ. Объектно-ориентированное программирование с использованием С++. Киев: НИПФ «ДиаСофт Лтд.», 1995

22. Круглински Дэвид. Основы Visual С++/Пер. с англ. М.Издательский отдел «Русская Редакция», ТОО "Channel Trading Ltd.", 1997, 696с.

23. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. -М.: Финансы и статистика, 1998. -288 е.: ил.

24. Королев Ю.К. Общая геоинформатика. Часть 1. Теоретическая геоинформатика. Выпуск 1., СП ООО Дата+, 1998 г., 118 с.

25. Шайтура C.B. Геоинформационные системы и методы их создания., Калуга: издательство Н.Бочкаревой, 1998 г. -252 с:ил

26. Светличный A.A., Андерсон В.Н., Плотницкий C.B. Географические информационные системы: технология и приложения. Одесса:Астропринт, 1997. 196 е.: ил.

27. Берлянт A.M. Геоинформационное картографирование. -М.: 1997. -64 с.

28. Берлянт A.M. Картография и телекоммуникация (аналитический обзор), М.: 1998, -76 с.

29. Каталог карт и атласов, изданных в 1986-1996. Том 1 (1986 1992). -М.: Картгеоцентр-Геодезиздат. 1996. -317с.: ил.

30. Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика. /Под редакцией Д.В. Лисицкого. -М.:"Картгеоцентрм-"Геодезиздат", 1993,. -213 е.: ил.

31. Программное обеспечение и технологии геоинформационных систем: Учебное пособие / Замай С.С., Якубайлик О.Э. Новосибирск: Наука.Сиб. предприятие РАН, 1998.-112 с.

32. Тикунов B.C. Моделирование в картографии. Учебник. -М.: Изд-во МГУ, 1997, -405 с.

33. Цифровая картография и геоинформатика. Краткий терминологический словарь. /Под общей ред. Е.А. Жалковского. М.: "Картгеоцентр"-"Геодезиздат", 1999. -46 с.

34. Бугаевский JI.M. Математическая картография: Учебник для вузов. -М.: "Златоуст", 1998,-400 е.: ил. 65

35. Бугаевский JI.M. Теория картографических проекций ругулярных поверхностей. -М.: "Златоуст", 1999. 144 е.: ил. 11

36. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений. Научно-практическое издание. Серия "Информатизация России на пороге XXI века". -М.: СИНТЕГ, 1998. 376 с.

37. Липаев В.В., Филинов Е.Н. Мобильность программ и данных в открытых информационных системах. -М.: Научная книга, 1997. 368 с.

38. STCW amendment 1 (1997). London, IMO, 1998 (IMO-945E)

39. IMO workshop material on implementation of the revised STCW Convention. 1996 edition (IMO-972E)

40. STCW-F 95: International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Fishing Vessel Personnel, 1995. 1996 edition. (IMO-915E)

41. Document for guidance on fishermen's training and certification. 1988 edition, Language(s): E,F,S. (IMO-948E)

42. IMO compendium of maritime training institutes. 1996 edition.

43. COOLEN, E.J. (Revised by) Nicholl's concise guide to the navigation examination. Vol. 2. 12th ed. Glasgow, Brown, Son & Ferguson Ltd., 1995

44. Математические модели систем управления и навигации: Межвуз. сб. Ленингр. ин-т точ. механики и оптики; Под ред. А. С. Бургонского, Е. В. Климовой. -Л.: ЛИТМО. 1990. - 112 е.: граф.

45. Ермаков Василий Иванович. Использование вычислительной техники для решения навигационных и технических задач: Учеб. пособие. Калининград: ВИПК Минрыбхоза СССР. - 1991. - 36 с.

46. Дмитриев Сергей Петрович. Высокоточная морская навигация. СПб.: Судостроение. - 1991. - 221,1. е.: ил. - На рус.яз. - Российская Федерация. - Библиогр.: с. 217-220 (78 назв.)

47. ПОЛОЖЕНИЕ О ТРЕНАЖЕРНОЙ ПОДГОТОВКЕ СУДОВОДИТЕЛЕЙ, РАДИОСПЕЦИАЛИСТОВ И ОПЕРАТОРОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ (СУДС). Утверждено приказом ДМТ от 04 января 1996 г. № 1

48. ПОЛОЖЕНИЕ об аттестации инструкторов и преподавателей тренажерных центров (ТЦ) подготовки судоводителей и операторов СУДС. Утверждено Департаментом мореплавания Минтранса России 26 декабря 1996 г.

49. ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТРЕНАЖЕРНЫМ ЦЕНТРАМ ПОДГОТОВКИ СУДОВОДИТЕЛЕЙ И ОПЕРАТОРОВ СУДС № ДМТ 29/53-44 введены в действие с 01 марта 1996 г.

50. Вычислительная техника и программирование на морском транспорте-. Учеб. Пособие. Ленингр. высш. инж. мор. уч-ще им. С. О. Макарова -Б.м. 1988. - 92, е.: ил. - На рус.яз.

51. Е.В.Пасынков, Зайков C.B. Тренажер швартовки и маневрирования судна, Санкт-Петербург, изд.СПбГУВК, 1996,2.5 п.л.

52. Е.В.Пасынков. Система подготовки информации для тренажера управления судном //Управление и информационные потоки на транспорте. Санкт-Петербург, Тип.СПбГУВК, 1997 с.88-90.