автореферат диссертации по транспорту, 05.22.16, диссертация на тему:Информационно-управляющая система учета динамики судна при маневрировании

ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

г ОД

На правах рукописи

Мальцев Анатолий Сидорович

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА УЧЕТА ДИНАМИКИ СУДНА ПРИ МАНЕВРИРОВАНИИ

Специальность 05.22.16 — "Судовождение"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Одесса — 1997

Работа выполнена в Одесской государственной морской академии

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор Бурименко Юрий Иванович;

— доктор технических наук, профессор Вагущенко Леонид Леонидович;

— доктор технических наук Суворов Петр Семенович.

Ведущаяорганизация:

Киевский научно — исследовательский институт "Квант—навигацш

Защита диссертации состоится 28 мая 1997 г. в 10 часов на заседании специализированного Совета Д 05.17.01 по защите докторских диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук в Одесской государственной морской академии по адресу: Одесса, ул. Дцдрихсояа, 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан 18 апреля 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

Д 05.17.01 доктор технических наук

профессор

И.В. Капитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Качественные и коли — чественные изменения, которые произошли на морском транспортном флоте за последние десятилетия значительно повлияли на условия судоходства. Возросла скорость движения судов, эксплуатируется большое количество крупнотоннажных судов дедвейтом от 25 до 50 тыс. т, значительную долю мирового морского флота составляют суда дедвейтом от 100 до 500 тыс. т. Управление движением таких судов в районах интенсивного судоходства затруднено в связи с ограниченными возможностями судна выполнять эффективные маневры по предупреждению навигационных происшествий и столкновений, а также недостаточной надежностью судоводителя, как звена в системе управления.

Задача значительно усложняется при плавании в условиях интенсивного судоходства и при ограниченной видимости. В таких случаях информация поступает с задержкой, из —за необходимости выполнения дополнительных расчетов и, зачастую, запаздывает ко времени принятия решения. В результате судоводитель принимает решение по управлению движением судна на основании неполной или недостоверной информации, что часто приводит к ошибкам в его действиях. В таких случаях безопасность плавания определяется наличием устойчивого навыка по выполнению маневров в стесненных условиях у судоводителя, который управляет судном.

Последний терминологический ГОСТ определяет навигацию как науку о выборе безопасного и экономичного пути и проводке по нему судна с учетом гидрометеофакторов.

Конечно, вопросы маневренности судов всегда привлекали внимание специалистов теории корабля, но, в первую очередь, для оценки и обеспечения требуемых качеств на стадии проектирова —

ния и постройки. Для судоводителя становится необходимостью не только знание указанных фактических характеристик во время эксплуатации, но и использование их при маневрировании с учетом геометрических размеров судна, т.е. судовождение использующее средства динамической навигации.

В этих обстоятельствах исследования направленные на повышение безопасности мореплавания за счет знания физических процессов, происходящих при движении судна, основных описывающих его закономерностей по принятию решения на основании учета динамических свойств судна и складывающейся ситуации приобретает уровень повышенной актуальности и ответственности.

Цель и задачи исследований — создание информационно — управляющей системы,новых способов и устройств по предварительному планированию маневров при швартовках и плавании в стесненных водах для учета динамических характеристик судна при складывающихся обстоятельствах и условиях плавания с использованием ЭВМ.

В вопросах исследований динамических характеристик считалось необходимым: теоретически и практически обосновать способы учета динамических свойств судна при маневрировании; подобрать соответствующие аналитические выражения для описания параметров циркуляции при создании математической модели движения; предложить практические методы учета маневрен — ных характеристик и обосновать выбор необходимого количества и форму представления для эффективного использования ЭВМ при управлении движением судна.

При рассмотрении вопросов расхождения задача состояла в том, чтобы теоретически обосновать рекомендации по безопасному плаванию и представить их в форме, удобной для использования судоводителями на мостике в процессе маневрирования. При рас —

:мотрении вопросов экстренного маневрирования задача состояла в :ом, чтобы теоретически обосновать выбор вида маневра "последнего помета" с учетом характеристик судна, ситуации сближения и 1еобходимого запаса управляющих воздействий.

При рассмотрении вопросов использования ЭВМ на судах для >беспечения безопасного маневрирования стояла задача разработать алгоритмы н программы определения динамических свойств судна в гроцессе его выполнения и обосновать перечень данных для гредварительного планирования пути и выдачи рекомендаций для адекватного прогнозирования движения как перед его началом, так и 1 процессе реализации.

Научная новизна исследований. Разработа — ш методы учета динамических свойств судна при планировании маневров с использованием ЭВМ,обеспечения безопасного плавания ) стесненных водах и установлен закон "маневра последнего момента".

Предложена классификация маневренных характеристик и :пособов их определения, получения зависимостей для приближенной щенки величины тормозного пути. Разработаны алгоритмы и фограммы расчета характеристик торможения на ЭВМ.Преддожены сомпакгные графическая и табличная формы их представления.

Предложен маневр несимметричный зигзаг для определения гараотеристпх одерживания поворота и диаграммы управляемости. Определены характеристики одерживания из натур пых наблюдений, :равнительных испытаний математической модели судна на глубокой юде и на мелководье.

Проведены натурные и модельные в опытовом бассейна наб — иодения дрейфа без хода. По результатам наблюдений предложена методика определения аэродинамического коэффициента, получены !мпирическая формула для расчета скорости свободного дрейфа

СРТМ 502 и качественные соотношения для учета влияния подоб — ранного невода на скорость дрейфа.

Предложено определять угол ветрового дрейфа на ходу с учетом значения коэффициента поперечной аэродинамической силы, полученного из натурных наблюдений свободного дрейфа. Предложена номограмма для графического определения утла ветрового дрейфа.

Выполнены исследования на математической модели маневрирования влияния мелководья на маневренные характеристики и получены эмпирические формулы для расчега, по отношению глубины к осадке, элементов поворотливости на мелководье по их значениям на глубокой воде.

Предложены практические способы учета элементов поворотливости при планировании циркуляции судна, разработаны алгоритмы и программы для графического построения и аналити — ческого расчета координат точек заданного пути при криволиней — ной траектории движения судна.

Разработаны алгоритмы и программы выбора безопасной скорости по значению дальности уверенного обнаружения и маневренным характеристикам судна.

Предложена методика планирования схемы швартовки к причалу с учетом маневренных свойств судна и акватории для маневрирования. Исследованы швартовки двухвинтового судна в порту кормой к причалу и разработаны практические рекомендации по ее выполнению.

Разработана классификация способов швартовок в открытом море, предложена методика планирования схемы швартовки и ра — счета кранцевой защиты, Исследованы швартовки крупнотоннажного двухвинтового судна к судну малого водоизмещения для приема улова. Разработаны практические рекомендации.

Предложена классификация отметок судов на эране РАС по характеру изменения наблюдаемых параметров, взаимному распо — ложению и ситуации сближения. Предложен электронный маневренный планшет для оценки ситуации на экране РАС, решения задачи расхождения и документирования данных при ведении ради — □локационной прокладки, проигрывания маневра для оценки его последствий.

Предложен и исследован на MM "Pilot" алгоритм экстренно — го торможения перекладками руля в стесненных условиях.

Исследованы зависимости кинематических характеристик — угловой и линейной скоростей, угла дрейфа и радиуса циркуляции в функции угла курса и разработана приближенная кинематическая модель маневрирования судна для исследования процесса чрезмерного сближения судов и проигрывания маневра последнего момента.

Предложена методика построения домены по выбранному маневру и ситуации сближения.

Установлены закономерности наступления ситуации чрезмерного сближения и последовательность действий судоводителя при экстренном маневрировании. Они позволяют создать экспертную систему принятия решения о виде маневра и предлояшть методику выбора навигационного запаса для предупреждения опасного сближения.

Произведена декомпозиция обобщенного количественного критерия оценки надежности навигации на составляющие крите — рии — линейный динамический, временной и технический. Это позволяет установить конкретную причину аварийного происшес — гвия и наметить пути обеспечения безопасного плавания в различных условиях.

Выполненные исследования позволили разработать методы

учета маневренных свойств судна и практические рекомендаци судоводителям по обеспечению безопасности при выполнении маневрирования судна в стесненных условиях.

Разработаны алгоритмы и программы информационного обеспечения безопасности судовождения с использованием ЭВМ.

Me тоды исследований. В работе обобщены ре ■ зультаты 18 —летних исследований автора в области разработк новых и совершенствования существующих способов и усгройст обеспечения безопасности маневрирования, особенно в стеснен ных водах. В процессе выполнения работы использовались кг теоретические, так и экспериментальные (натурные, модельные опытовом бассейне, на физических и математических моделя: исследования. Исследования проводились также на MM "Pilot разработанной профессором Деминым С.И„ динамические харак теристики которой совпадают с реальными с относительной оши бкой менее 10%.

В основу теоретических положений диссертационной работы положены результаты теории управляемости и управления судно автоматизации судовождения, методы решения систем линейш алгебраических и нелинейных дифференциальных уравнений, ап парат математического линейного и объектно — ориентированно програмирования, математической статистики и регрессионно анализа. Использованы численные методы применительно к зада чам моделирования и идентификации на ЭВМ. Значительное мест! в исследованиях отведено анализу результатов натурных испыта ний проведенных на кафедре "Управление судном" в ОГМА m руководством профессора Демина С.И. Большинство выполнент исследований касалось новых способов учета динамических хара ктеристик при планировании маневров, впервые предложенш автором и защищенных соответствующими приоритетными доку -

вигами — авторским свидетельством и публикациями.

Практическая значимость и внедрение езультатов работы. Под руководством и при непо — редственном участии автора проведены натурные и модельный ксперименты по определению скорости и направления дрейфа удна без хода, позволившие разработать методику определения оперечнохо аэродинамического коэффициента и рассчитать угол етрового дрейфа на ходу.

Результаты исследований при выполнении швартовок в море шчно соискателем выполнено более 1600 и в порту более 1000) озволили формализовать процесс швартовки и разработать схему е выполнения, рассчитать маневрирование для каждого способа с четом характеристик судна. По результатам исследований разра — отаны практические рекомендации и переданы на промысловые уда. Экономический эффект сгх внедрения разработанных реко — сендаций в ЧПОРП "Антарктика" составляет 50 тыс. рублей в год (в ;енах 1988 года).

Разработаны алгоритмы и программы по определению мане — ренных характеристик судов с использованием ЭВМ эксперимен — аль но—расчетным способом с учетом влияния ветра,определения тла ветрового дрейфа, определения качества удерживания судна га курсе и определения ширины маневренного смещения, плаки— ювание поворота и его контроля и внедрены в программно — магматическое обеспечение изделия "Панорама" в Киевском науч — ю—прогововенном объединении"Квант". Социальный эффект — повышение безопасности мореплавания.

Разработаны алгоритмы оценки опасности столкновения в -АРП, способ и устройство для предупреждения столкновения, определения вида маневра последнего момента и времени, остав — пегося в распоряжении судоводителя до его наступления. Алгоритм

и программа выбора вида маневра последнего момента, алгоритмы расчета элементов поворота, расчета координат точек плановой траектории по рассчитанным их значениям без ветра и при наличии ветра и течения использованы в составе математического обеспечения создаваемого в НИИ "Квант" изделия К —40.5 при построении прогнозирующих моделей для оценки последствий ма — неврирования.

Разработанные алгоритмы и программы информационного обеспечения судов об изменении навигационной обстановки с использованием ЭВМ берегового вычислительного центра и радиоцентра Черноморского морского пароходства внедрены для обеспечения судов в порту через портнадзор и судов в море через ра — диоцентр.

Материалы диссертации использованы при проведении судо — водительских экспертиз по случаю столкновения т/х "Волго—Дон 5102" с баржей "Седьмая" на Херсонском морском канале, т/х "Механик Дрен" с буровой вышкой, ТБХ "Максим Горький" со льдом, посадках на мель т/х "Герои Панфиловцы" и БМРТ "Владимир Симонок".

Практически все проведенные исследования нашли и находят отражение в учебном процессе в читаемых курсах "Управление судном" на факультетах судоводительском и повышения квалификации ОГМА, используются курсантами при написании дипломных работ и аспирантами при выполнении научных исследований. Почти все они отражены в изданных соискателем монографиях, учебных пособиях и текстах лекций.

Выполненная работа посвящена решению важной народнохозяйственной задачи — повышению безопасности мореплавания, за счет планирования маневров судна с учетом его динамических характеристик и внешних условий. Позволяет управление движе—

нием судна из искусства, постигаемого в результате длительного и трудно передаваемого личного опыта капитана методом проб и ошибок, превратить в область знаний, постигаемых в результате учебы и при практической подготовке к работе на мостике.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований представлены на всесоюзном семинаре по безопасности грузовых и швартовных операций в море (г. Се — вастополь 1986, 1983 г.г.), научно—техническом совете ЧМП (г. Одесса, 198? г.), совете капитанов ЧПОРП "Антарктика" (г. Одесса,

1988 г.), всесоюзной конференции "Качество управления движением — эффективность и безопасность использования судов" института проблем управления Академии наук СССР (г. Севастополь,

1989 г.), международном семинаре по тренажерной подготовке (г. Ленинград, 1989 г.), ХУ! межотраслевой научно—технической конференции (г. Киев, 1990 г.), всесоюзном симпозиуме по автоматизации процессов обеспечения безопасности ВТ (г. Санкт-Петербург, 1991г.), на конференциях профессорско-преподавательского состава ОВИМУ (1979 — 1995), всесоюзном семинаре "Применение средств вычислительной техники на морском флоте" (г. Одесса, 1992 г.), всесоюзной научно-технической конференции "Методы прогнозирования и способы повышения мореходных качеств судов и средств осноения океана (г. Санкт-Петербург, 1991, ХХХУ Крыловские чтения). Публикации. Основные материалы и результаты диссертации отражены в 45 публикациях.

Объем работы .Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 2-х приложений. Изложена на 376 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 37 таблиц. Во введении обоснована актуальность темы.Отмечено, что современное судовождение на море претерпевает эпоху смены

приоритетов в технических приборах обеспечения безопасности мореплавания. Преобладающим средством определения места судна становятся спутниковые системы. Широко используются средства, автоматизированной радиолокационной прокладки и персональные компьютеры для выполнения рутинной работы и решения судово — дительских задач на судах. Внедряются электронные карты.

Складывающаяся ситуация создает иллюзию, что обеспечить безопасное плавание можно только за счет увеличения технического оснащения мостика. Оборотной стороной происходящих перемен является потеря судоводительским составом судов навыков в выполнении элементов штурманской работы по обеспечению про — цесса судовождения: ведения счисления; определения поправок гироскопического и магнитного компасов; определения места судна асрономическими способами; ручного решения задачи расхождения на маневренном планшете; определения углов ветрового дрейфа и сноса течением и ряд других. Происходит пренебрежение методами классической навигации, что является неоправданным и даже опасным, о чем свидетельствует ряд навигационных аварий.

Другой особенностью современных ТСС является тот факт что они выдают только информацию о местоположении и состоя — нии движения судна, без разработки рекомендаций штурману пс принятию решения, т.е. в них практически отсутствуют элементь экспертных систем.

Последний терминологический ГОСТ определяет навигацик как науку о выборе безопасного и экономичного пути и проводк« по нему судна с учетом гадрометеофакторов. При этом традиционно под "судном" подразумевается без инерционная точка, а гид-рометеофакторы учитываются только при стационарном движении Такое судовождение вполне применимо к малотоннажным судам но не обеспечивает безопасного плавания в стесненных водах

крупнотоннажных судов.

Вопросы маневренности судов всегда привлекали внимание :пециалистов теории корабля, но, в первую очередь для оценки и обеспечения требуемых качеств на стадии проектирования и нос — гройки. Для судоводителя становится необходимостью не только знание указанных фактических характеристик во время эксплуатации, но и использование их при маневрировании с учетом геометрических размеров судна, т.е. судовождение использующее средства динамической навигации и ЭВМ.

В этих обстоятельстах исследования направленные на повышение безопасности мореплавания за счет знания физических процессов, происходящих при движении судна, основных описывающих его закономерностей по принятию решения на основании учета динамических свойств судна и складывающейся ситуации приобретает уровень повышенной актуальности и ответственности.

В первой главе произведен анализ способов расчета, определения и представления маневренных характеристик судна, предложена их классификация. Исследованы: приближенные спо — собы оценки тормозного пути; изменение кинематических харак — теристик в функции угла курса; способы учета характеристик циркуляции при построении плановой криволинейной траектории. Предложен маневр несимметричный зигзаг для определения характеристик одерживания поворота и определены такие характерно — тики в натурных условиях и при исследованиях на ММ.

При рассмотрении движения судна на водной поверхности существуют два подхода к составлению уравнений, описывающих его перемещение; составляются выражения для кинетической эне — ргии динамической системы; основанный на принципе д'Аламбера, когда к действиющим на т:ело силам добавляются инерционные силы, после чего задача сводится к статической.

В разработку первого направления значительный вклад вне — ели Басин А.М., Васильев А.В., Воробьев ЮЛ, Гречин М.А., Гофман А.Д., Зайков В.И., Зильман П.И., Мастушкин Ю.М., Павленко В.Г., Першиц Р.Я., Русецкий А.А., Соболев Г.В., Федяевский К.М., Юдин Е.Б. и др.

В разработку второго направления значительный вклад вне — ели Аксютин Л.Р., Вагущенхо Л.Л., Демин С.И., Знамеровский Б.П., Кондрашихин В.Г., Козырь Л.А, Лесков М.М., Радионов А.И., Сазонов А.Е. и ряд других.

Из зарубежных авторов следует отметить работы Р. Бишопа, Б. Клейтона, К. Номото, Дж. Ньюмена, Сигеру А.

В связанной с судном системе координат, общепринятая система дифференциальных уравнений, описывающая движение судна в горизонтальной плоскости при ветре имеет вид;

. , ¿У, ,

[т + Л11)--^-+[т + Х11)-У1-<в±Л.т±Ярг±Я1г-Я. = 9 ; (1)

где Ре — сила упора винта; Ке — боковая сила винта и сила взаимодействия винта и корпуса судна; НрХ — продольные составляющие гидродинамической, аэродинамической сил и силы на руле; Игу, ¡^у, Яру - поперечные составляющие тех же сил; Мг, Мш М^, Мр — моменты гидро и аэродинамической сил, боковой силы винта и руля; Хи, Х^, Х№ — присоединенная масса по осе X, У и присоединенный момент инерций.

При решении уравнений (1) вводят ряд допущений,основные из них следующие.

1. Присоединенная масса воды по оси X приближенно равна

30% от массы судна и остается неизменной при маневрировании.

2. Зависимость сопротивления воды и воздуха от скорости носит квадратичный характер.

3. Коэффициенты сопротивления воды К и воздуха Ки во время маневрирования постоянны.

4. Упор вшпа в процессе активного торможения изменяется по зависимости, полученный профессором Деминым С.И.:

где Ршах — значение силы упора винта в момент остановки; Ух — текущая скорость; — скорость в момент начала вращения винта на задний ход.

5. При маневрировании новое назначенное число оборотов достигает своего значения в момент подачи команды.

Все маневренные характеристики подразделяются на две ос — новные группы: инерционно-тормозные и поворотливости.

В соответствии с предлагаемой классификацией к

инерционно—тормозным харахтерискам относятся: разгон; подто — рмаживаяие; пассивное торможение; активное торможение.

К характеристикам поворотливости относятся: постоянная времени задержки поворота Т(5); устойчивость на курсе, критерий О; зона неустойчивости ±от0, +Зро; одерживавши поворота, время 10, угол 90; выдвих, 1г(8); прямое смещение, 12(3); тактический диаметр 0,(3); диаметр установившейся циркуляции Оу(5).

Количество характеристик и форма их представления, кото — рые должны быть на судне, определяются рекомендациями Между -народной морской организации (ИМО) и требованиями национальных нормативных документов Украины (РШС-89).

Для обозначения режимов движения будем использовать ус —

(2)

ловные обозначения, рекомендованные РШС — 89: ПП — передний полный ход; ППм — передний полный маневренный; ПС - передний средний; ПМ — передний малый; ПСМ-передний самый малый; ЗП — задний полный; ЗС — задний средний ЗМ — задний малый; ЗСМ — задний самый малый.

Возможные случаи эксплуатационных режимов будут опи сывать всего 90 тормозных характеристик для состояния в грузу и балласте. Согласно существующих требований в настоящее время на судах имеется 16 и только для режимов, которые не долж! использоваться в обычных случаях — торможения ЗП. Для разго] и подтормаживания характеристики отсутствуют вообще.

Всего около 100 характеристик поворотливости, описыва! поведение судна при маневрировании рулем. На судне соглаа РШС—89 обычно имеются только 16 из 100.

Такое положение было терпимым на малотоннажных суд^а когда сведения о маневренных характеристиках можно было по лучить методом проб и ошибок. Управление крупнотоннажнь судном требует более полных знаний. Однако столь большое ко личество дднных, которые необходимо не только знать, но и уме их использовать представляет серьезные трудности д судоводителя. Поэтому представляется важным определи достаточный минимум характеристик и вид в котором ] необходимо представить для учета на мостике при маневрировали: Для получения подробных данных о тормозных свойствах суд обычно решают первое уравнение системы (1). Это диф ференциальное уравнение и его решение представляют собой ма тематическую модель (ММ) торможения. При выполнении иссле дований использовалась ММ ОВИМУ, автором которой являет профессор Демин С.И.:

dV,

±Pe=0 , (3)

г К — коэффициент сопротивления среды.

Решение уравнения (3) производилось численным интегри — ванием, для чего значения коэффициента К определялось из эк — еримента пассивного торможения, а силы упора винта из экспе — [мента активного торможения. "Учитывая, что процесс пассивного рможения, разгона и подтормаживания имеет неопределенное :ончание — будем считать его законченным: при пассивном тор — эжении при достижении 0,2VH ш скорости потери управляемо — и, что наступит раньше; при разгоне до 0,95Vycr; при подторма — ивании до 1 .OWycj .

С учетом изложенного формульное решение уравнения (3) ш пути и времени разгона будет иметь вид: . _ ш, 39 • (1- Vt / V,cm)

2-K-Vyzm'n (1 +Vt /Vycm) '

f V, VV:

H^-J ||. (5)

L V 4 J /J

При разгоне из неподвижного состояния формулы (4) и (5) оответственно упростятся и примут вид:

fp., =Ш2 -mJKIVfcn, (б)

Spo, = 1.164 и, /К . (7)

'ешенле уравнения (3) при подтормаживании будег иметь вид:

4l[(v,/vyj-lj

Kit? = ¿7 v--'И "Г-Л--. W

Для выполнения расчетов на судовой ПЭВМ были разрабо — •аны алгоритмы формульного и численного решения уравнения (3)

Г

S = —[nj 10.26-,р<" 2 К 1

и соответствущие программы на лзыке Турбо—Паскаль. Принципиальной особенностью разработанных алгоритмов является то, что в них отсутствует градация для состояния в грузу или в балласте, и по режиму движения. Необходимые расчеты ЭВМ производит по введенным судоводителем текущих осадках носом Тн, кормой Тк, скорости хода V! и назначенному режиму — пассивное торможение, подтормаживание, разгон или активное торможение. В результате расчета на экране высвечивается значение пути и времени маневрирования.

На основании систематизации и анализа существующих спо — собов получения тормозных характеристик была предложена их классификация: по способу определения коэффициента К и максимальной силы упора винта Ртах — расчетный; экспериментальный и экспериментально —расчетный; по способу получения зна — чения 1иБ - формульное решение, численное решение и графическое решение дифференциальных уравнений; по способу представления — в виде графиков зависимости V и Б от времени, графиков зависимости I и Б от скорости переднего хода, в виде линейных графиков ИМО и таблиц конечных значений времени маневрирования и пути проходимого при этом.

Основным вопросом, определяющим ценность знания о тор — мозных характеристиках судна является форма, в которой они представлены. Существующие на мостике в форме ИМО неудобны из —за трудоемкости выборки и необходимости иметь б листов по 15 характеристик на каждом. Было предложено представлять данные в виде графиков 1(У) и Б(У) и таблиц. Табличная форма (табл. 1) наиболее компактна, выборка данных проста и занимает минимум времени.

Для приближенного определения характеристик торможения

Таблица 1

Инерционно—тормозные характеристики т/х " Харитон Греку "

Режим переднего хода в балласте Тер —8.05 ж D =41770 т

riCiVl ПМ ПС ППМ ПП Режим

t, мин S, кбт t, мин S, кбт t, мин S, кбт t, мин S, кбт t, мин S, кбт задний ход

28.7 16.85 31.7 20.98 33.8 24.92 34.0 25.45 34.7 27.02 СТОП

5.6 4.ое 6.3 5.72 7.4 8.17 7.6 8.70 8.2 10.27 ЗП

7.8 5.25 8.7 7.24 9.8 9.85 10.1 10.38 10.7 11.95 ЗС

12.1 7.27 13.3 9.71 14.5 12.54 14.7 13.06 15.4 14.63 ЗМ

19.0 9.95 20.5 12.84 21.8 15.88 22.1 16,41 22.7 17.97 ЗСМ

продолжение табл. 1

Режим переднего хода в грузу Тер =12.33 м D = 66000 т

' ПСМ 1 ПМ ПС ППМ ПП Режим

t, мин S, кбт It, мин S, кбт t, мин S, кбт t, mhh|S, кбт t, мин S, кбт задний ход

43.9 24.81 49.6 32.10 53.5 38.98 53.5 38.98 55.0 42.35 СТОП

6.7 4.66 7.8 6.99 9.5 10.85 9.5 10.85 10.9 14.22 ЗП

9.5 6.17 10.9 9.04 12.7 13.25 12.7 13.25 14.2 16.62 ЗС

15.1 8.82 16.9 12.48 18.9 17.16 18.9 17.16 20.4 20.54 ЗМ

24.0 12.48 26.4 16.98 28.7 22.14 28.7 22.14 30.2 25.51 ЗСМ

были проведены испытания на MM "Pilot" для 13—ти типов судов разного тоннажа для состояния в грузу и в балласте. При этом суда разгонялись до 2, 4 и 6 узлов и производилось торможение ЗП, ЗС, ЗМ и ЗСМ. Получено 312 результатов испытаний.

Функциональная зависимость тормозного пути в длинах ко — рпуса судна представлена в виде, учитывающем начальную ско — рость и углубление винта:

F D

5 = b0 + bt.£-+b2.^ , (10)

где b0, b,, Ь2 — коэффициенты множественной линейной регрессии; Ft — число Фруда ( vj^L ); Кэн — коэффициент энерговооруженности (0,8 Ne/D); Ne — мощность главного двигателя; D — водоизмещение судна; DB — диаметр винта; Тк — осадка кормой.

После проведения регрессионного анализа были получены значения коэффициентов и формула (10) приведена к виду:

Р й

Б = -0.569 + 8.721- -—-+1171- —г- . (И)

Г,

Полученная формула может быть использована на любом морском судне и в автоматизированных системах управления.

Между утлом изменения курса б и временем поворота t ура — внение линейной регрессии будет иметь вид:

1 = Т(3) + Кгв , (12)

где Т(8) — постоянная времени задержки поворота; К(- — коэффи — циент пропорциональности для перехода от угла курса ко времени.

Между 6 и I зависимость можно записать:

0 = + /1, (13)

где Ке — козффициент для перехода к углу курса 0.

Значения коэффициентов уравнения регрессии, полученные по результатам натурных наблюдений приведены в табл. 2.

Таблица 2

Коэффициенты уравнения линейной регрессии

Название теплохода Коэффициенты и размерность Угол перекладки

15° п/б 30° п/б ! 15° л/б 30° л/б

Капитан Темкик в грузу К0, град/мин 34,5 50,0 43,5 52,6

К,, с/град 1,74 1.20 1,38 1,14

Т(5), с 1 31 15 22 15

Харитон Греку в балласте Ке,град/мин 33,5 41,3 32,0 39,1

К,, с/град 1,79 1.45 1,88 1,53

Т(5), с | 35 12 22 12

Поскольку в качестве управляемого параметра обычно используется угол изменения курса, то представляет значительный интерес проследить за ходом изменения элементов циркуляции — ш, ап, Я и V в функции управляемого параметра.

Для расчета текущего значения получены формулы:

й=Яс/(1-ыф(-0/<?„)], (15)

У= V, /[и-1,9(аге2 •(1-е*р(-<? /О)')] - (16)

где апс, Р^., сос — установившиеся значения элементов;

9а, 0а, вм — постоянные угла дрейфа, радиуса циркуляции и угловой скорости по углу курса. По полученным зависимостям можно легко произвести расчет по — ложения полюса поворота по длине судна:

•^я = Г Г » Т ' I * ' /

й^-езрМ/б?.,)] Поведение судна при движении постоянным курсом опреде — ляется видом начального участка диаграммы управляемости. Приближенный расчет угловой скорости обратной поворотливости го0 предлагается производить по формуле:

Шо =(4 ¡З5 - Ого )/3, (18)

где я55 и Ш20 ~ значение безразмерной угловой скорости при перекладке руля на 5 и 20 градусов.

Для учета элементов циркуляции было предложено использовать три способа — отрезков, перпендикуляров и эллипса. Спо — соб отрезков и перпендикуляров может быть использован в графическом, табличном и аналитическом виде. Графический способ представления может бьпь использован при выполнении исследований, табличный на мостике для прокладки поворота на карте, аналитический для учета в автоматических и автоматизированных системах управления.

Значения отрезков можно рассчитать по формулам:

ЛШ = а, ±в{1д(вЛ), (19)

МК = а2+а^д{$ /1), (20)

где МН, МК — расстояние от точки начала и окончания поворота

до точки пересечения курсов до и после поворота; а1( в,, а2, в2 -коэффициенты поворотливости.

Значения перпендикуляров можно определить:

НР - МИ + МК соб6) , (21)

КР~ МКв'тО , (22)

где Р — точка на линии первоначального курса, в которую опущен перпендикуляр из точки окончания поворота.

Приближенно значения коэффициентов можно определить по формулам:

я Ь + -у; * —; а2 »0; в2 ~ 1г . (23)

Способ эллипса используется только в аналитической форме и позволяет получить по значениям 1}, 12, прямоугольные

координаты точек криволинейной траектории для любого заданного утла поворота. Двд выполнения таких расчетов была разработана специальная программа на языке Турбо—Паскаль.

Наиболее часто используемым эксплуатационным маневром при выполнении поворота является его одерживание. Численно процесс одерживания можно охарактеризовать следующими пара — метрами: величиной перекладки руля для одерживания 5ВЫХ; временем одерживания 1:0; утлом одерживания 90.

Таблица 3

Маневры для определения характеристик одерживания

Угол перекладки Угол перекладки для входа а циркуляцию 5 БХ

0 вых 5 10 15 20 30

5 5/5/30 10/5/30 15/5/30 20/5/30 30/5/30

10 5/10/30 г~ 10/10/30 15/10/30 20/10/30 30/10/30

15 5/15/30 10/15/30 15/15/30 20/15/30 30/15/30

20 5/20/30 10/20/30 15/20/30 20/20/30 30/20/30

30 5/30/30 10/30/30 15/30/30 20/30/30 30/3030

При обозначении маневров используется дробь, первая цифра ко —

торой обозначает угол перекладки руля при начале циркуляции, вторая при одерживангш и третья — угол поворота, на который успеет повернуть судно до момента начала одерживания.

Для получения указанных характеристик на т/х "Георгий Димитров" для состояния в грузу были проведены натурные наблюдения. По результатам натурных наблюдений были составлены линейные уравнения регрессии для угла изменения курса:

ва = С0 + Сх-8„ , (24)

а также для времени одерживания в секундах:

Коэффициенты регрессии С0, С1г з0, в;, определенные методом

наименьших квадратов, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Коэффициенты уравнения регрессии т/х "Георгий Димитров" в грузу

Значения Угол перекладки для одерживания

коэффиц. 5° 10° 15° 20° 30°

Со 5,10 5,02 - 2,85 2,56 2,35

С1 0,59 0,43 0,41 0,38 0,36

во 31,2 25,6 20,7 17,5 14,4

В1 1,58 0,85 0,67 0,61 0,55

Во второй главе рассмотрено влияние внешних ус — ловий при натурных наблюдениях дрейфа судна без хода, при вы — полнении модельных испытаний в опытовом бассейне, при дрейфе на ходу и маневрировании на мелководье.

Натурные наблюдения свободного дрейфа (24 раза) проводи — лись в Атлантическом и Тихом океанах на СРТМ при скоростях ветра до 15 м/с. Движение судна в дрейфе описывается дифференциальным уравнением: ¿V

И-д-КЛ'р +К„-И'111 + С,-ИС =0, (26)

где Св — коэффициент волновой силы.

Решение уравнения (26) для определения времени и пути разгона при дрейфе из неподвижного состояния имеет вид:

'К..... С.

, ™ V к " к ' " .

Иа-.ш2 + — • V/* 1 к * к *

3=гык„ \ с. \ , • (28)

—2.. уу2 + — • IV - V К " К •

Траекторные измерения производились с использование1 оптического пеленгатора и секстана для высокоточного измеренш расстояния по углу снижения плавающего буя. Значения поперечного аэродинамического коэффициента предлагается определять и: соотношения:

Р. ■ • ^ - «я?.

Для СРТМ значение аэродинамического коэффициента оказалось равным Сау9о = 0,78, а скорость свободного дрейфа Удр= — 0,014 + 0,049

Для оценки влияния подобранного невода на скорость дрей -фа была изготовлена модель СРТМ в масштабе 1:50 и модель невода и проведены испытания в опытовом бассейне ОИИМФа. Буксировку модели производили лагом с моделью невода и без не при скоростях, соответствующим дрейфу при ветре до 20 м/с.

При испытаниях было установлено, что скорость дрейфа подобранным неводом примерно на 5% больше чем при дрейфе бе невода, что объясняется изменением обтекания корпуса судна.

Значения гидродинамического коэффициента поперечной си лы оказалось равным С у9о=0,732, а рассчитанное по методик Н.И. Анисимовой равно 0,87.

Для расчета утла ветрового дрейфа а на ходу было получено квадратное уравнение:

2 СГ С°Г90- р, Sa wJ

*9 a + -pr--tga- -7Г— ■ — • ~ - тгг ■ = 0 (30)

2 2 Р П Ул

решение которого:

[с; Т р. я, .

Поскольку расчеты по формуле (31) требуют значительных затрат времени, то была предложена номограмма, позволяющая графиче — ски опреледить угол ветрового дрейфа на ходу.

Для расчета потери управляемости использовалось третье уравнение системы (1) разрешенное относительно угла перекладки руля, для компенсации аэро— и гидродинамических сил:

1ф/лр)

о. =

1,35 • Sp • /7-0,5;*

( ]ил qw ^ Wz

t°'25+~~36<)J 'S1119- ' P- 'S" "vT

n < L»K а 1 ОД-Чяа+ЬЮ-я'я2« е i

»♦—-»J- (ы.^.7.г/1)' ,зя

Предлагается потерю управляемости рассчитывать для наи — более неблагоприятного случая при qw = 120°, считая, что она может наступить при любом курсовом угле.

Для количественной оценки влияния мелководья на манев — ренные характеристики были проведены испытания на ММ т/х "Микола Бажан" тренажера "Pilot '. Определены характеристики торможения поворотливости и одерживания поворота на глубокой воде я на мелководье Н/Т = 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0.

Предложено учитывать влияние мелководья на элементы ци — ркуляции в виде коэффициентов, определяемых по формулами, полученными после регрессионного анализа результатов наблюдений:

^ : 26 lu = h ■ к,,; i2„ = h • к j,; оуя =d„-KDt-, oy„ = Dy • K0j . (33) = 1.55 - 1.81 ■ (Т/Я) +■ 1.84 -{T/Ilf ; (34)

KLi = 2.35 - 4.63 • (T/H) + 4.84 ■ [T/H)2 ; (35)

KDt =L60- 2.77-(Г/Я) + 3.51 -(Г/Я)2 ; (36)

=0.27 - 0.42-(Г/Я)+2.09-(Г/Я)2 . (37)

Мелководье увеличивает длину тормозного пути незначи — тельно и при большей начальной скорости проявляется меньше.

Анализ характеристик одерживания поворота показывает, чтс при малых углах перекладки руля (до 10° включительно) для выпо — лнения циркуляции угол одерживания 0О на мелководье увеличивается при всех значениях углов перекладки для одерживания. Пр1 этом если одерживание производится малыми углами переклады руля до 10°, то 90 увеличивается только на 50%.

В третьей главе рассмотрены вопросы организаци* судовождения на мостике в стесненных условиях, планирование v контроль выполнения поворотов и методы расчета координат кри — волинейной траектории по элементам поворотливости,' автомата — зации поворотов и выбор безопасной скорости по условиям плавания с учетом маневренных характеристик.

Сложные условия плавания требуют принятия специальны? мер для обеспечения безопасности. К ним следует отнести: выполнение тщательного планирования пути, подготовку штурманскот службы и распределения обязанностей в соответствии с опытом т квалификацией; более частое определение места и ускоренные способы обработки результатов измерений; учет ветрового дрейфг и течения; включение резервных механизмов и специально организованную повышенную бдительность лиц вахты и введение до -полнительной вахты для их обслуживания и включения аварийных

способов управления.

Основным маневром, определяющим безопасность плавания, является поворот. Существует два подхода к его осуществлению: выбирают угол перекладки руля по величине угла изменения курса, определяют точку начала и окончания поворота и контролируют его ход по гирокомпасу; второй способ основан на выборе угловой скорости поворота по кривизне траектории и поддержание ее по — стоянной переменными кладками руля.

Для учета характеристик поворотливости предложено использовать три способа: отрезков, перпендикуляров и эллипса. Они позволяют по элементам поворотливости — выдвигу прямому смещению Ь, тактическому Рт и установившемуся О у диаметру циркуляции определить координаты точек начала, окончания и промежуточных, по снятым координатам с карты точки М пересечения курсов до и после поворота. Результаты расчета можно представить в графической и аналитической формах.

При маневрировании будем разичать два способа его управ — ления по криволинейной траектории — рулем и курсом. В первом случае капитан отдает команды на руль. Во втором случае рулевому задают курс, представляя ему выбор углов кладки руля. Рекомен — дуется использовать первый способ, как обладающий лучшим ка — чеством управления.

Предложенные способы учета элементов циркуляции позво — ляют автоматизировать процесс расчета точек начала Н и оконча — ния К поворота на ЭВМ по зависимостям:

Фн = (рм - МН ■ сояПУ) , Л„ = Л ч + МН ■ 51пПУ1 ■ ьес<рм , 'Рк = Фм ~ МК ■ сояПУ г , Лх = л|М - Л/л • 51 пПУ 1 ■ вес<рм . (38) Координаты промежуточных точек:

Pi = Рн +• Iм,н ■ согЛУ, + М ,К1 ■ cos{nyi + АПУ ■ /)] , А, = Хн - (М, Н ■ sinnУ, + М ,Ki ■ sin(I7yt + ДЛУ • i)] ■ sec<pM . (39) где МТУ — интервал дискретизации.

При расчете точек криволинейной траектории при ветре и течении использовалось два алгоритма: по планируемым точкам; по расчетным точкам. В первом случае координаты каждой последующей точки рассчитываются только по плановым точкам, определенным по формулам (38) и (39). Во втором случае координаты первой точки определяются по начальной, а каждой последующей по рассчитанным предыдущей.

Автоматическое выполнение поворота кроме предложеного алгоритма определения координат заданных точек требует точности определения места со средне—квадратической погрешностью (СКП) Мо около 1 метра. Для внедрения автоматического управления судном по криволинейным траекториям в практику судово — ждения требуется создание систем ближней навигации.

Для обеспечения безопасного прохождения судна через заданный район необходимо чтобы допустимая ширина безопасной полосы движения Умд снятая с карты была бы больше вероятной ширины полосы маневренного смещения YMB:

Yma>2-[Ym+M.) + Bb , (40)

где YM — ширина маневренного смещения; Вп — ширина полосы, занимаемой судном при движении.

При назначении безопасной скорости определяющими будут три фактора: скорость уверенного реверсирования (VpeB); дальность уверенного обнаружения объекта (D0g); маневренные характеристики судна.

С учетом этого был разработан алгоритм выбора безопасной скорости, основанный на сравнении расстояния до опасности, в

момент когда она обнаружена, с маневренными характеристиками собственного судна и наличием времени для принятия решения. При выборе маневра торможением зависимость имеет вид:

°об ^ + + Зпр + ^грм + ^вз + сост . (41)

где — расстояние от антенны РАС до носовой оконечности; т0 — СКП определения расстояния до опасности; БПр — расстояние проходимое судном за время принятия решения; Б^рм—тормозной путь Бвд — навигационный запас; 0осг - расстояние при остановке судна.

При маневре отворотом зависимость имеет вид:

(42)

С учетом Зависимостей (41). и (42) была разработана программа расчета безопасной скорости но величине тормозного пути и провер ка по характеристикам поворотливости. Полученные результаты могут быть использованы в экспертных системах принятия решения на суда В четвертой главе рассмотрены: принципы управ — ления судном при маневрированшш; методика планирования швартовки в порту и натурные наблюдения при ее выполнении; классификация, методика предварительного планирования швартовки в море и натурные наблюдения при ее выполнении.

Разработана методика планирования маневров,согласно которой: планирование маневров начинается с точки окончания движения или кратчайшего сближения; управляющие воздействия выбираются с за — пасом;используется комбинированный способ управления; гае — матичесхие уравнения записываются от конечной точки в отрицате — льном времени в относительном движении:

<1Х/А= - Кн. (Ун/1у.У+- Уц.собР . ёУ/сИ=Кн*(Ун/Кя)*Х-Уч.5т Р, <1РЛ11 = КН.(УНЛУ - кц.(Уцлу, при начальных условиях при подходе справа:

X = • (V„/V0) *5тРкр и У = - Уц.со5Ркр)/Уо.

При подходе слева:

Х= -Окр.^/УоКшРкр и У = Окр.^н -Уц®со5Ркр)/Уо.

При выполнении предварительного маневрирования и в про — цессе швартовки предлагается рассматривать четыре фундаментальных принципа управления: курсовой; по отклонению; но воз — мущению;комбинированный.При выполнении швартовных операций обычно используют комбинированный.

При исследовании швартовок в порту кормой к причалу натурные наблюдения производились на двухвинтовом пароме водо — измещением 4270 т с мощностью главных двигателей 7200 л.с. и подруливающим устройством туннельного типа в носу мощностью 350 л.с. Составлена схема швартовки, этапы которой можно описать так: прицеливание, торможение совместно с циркуляцией, выравнивание (П — ТЦ —В). Результаты хронометража по этапам для одного и того же судна приведены в табл. 5.

Таблица 5

Время швартовки в портах Греции

NN Название Количество Общее вре — Разворот и Движение

пп порта швартовок. мя шварто- торможение назад и вы —

вки, мин равнин ание

1. Патрас 183 11,1 3,9 6,2

О Сами 143 7,3 3,4 3,9

3. Игоуменпца 227 19,2 3,6 6,9

4. Керкпра 228 8,3 3,7 5,1

5. Бриндизи 184 21,7 4,5 6,9

Всего 965 - 3,3 5,8

Результаты выполненных исследований дают наглядное пре — дставление о затратах времени на каждый этап, позволяют оценивать качество маневрирования. Они также использовались при планировании рейсооборота парома при работе на линии.

Предложена классификация способов швартовок в море: на ходу на бакштов; в дрейфе по ходу лагом; в дрейфе валетом; в дрейфе на бакпггов; на якоре по ходу лагом; на якоре валетом; на якоре па бакштов; крупнотоннажного судна к малотоннажному в дрейфе.

Исследование швартовки в море выполнялось на наиболее сложном способе — швартовке промысловой базы "Восток" водо — измещением 45000 т к СРТ водоизмещением 1500 тонн для приема улова из кошелькового невода.

Параметры схемы швартовки рассчитывались по формуле:

Онц =5« + Зпрц + Опк ~ Зпгц ~ ТРМ - -5 ц , (43)

где Бщ — расстояние до СРТМ в момент начала циркуляции; Бц — путь на циркуляции; Бцрц — путь за время прицеливания;

— расстояние между судами в момеш: подачи концов; Б^ц, Зтрмг — путь дрейфа за те же периоды.

Результаты хронометража швартовок приведены в табл. 6. Для получения оптимального времени швартовки отношение пути первого этапа к исходному Ои варьировалось от 0,6 до 0,75.

При расчете схемы швартовки к судну на якоре определяю — щим служит среднее время рыскания судна на якоре Т^. В зависимости от тормозного хгути ЗтрМ и Тер выбирают скорость швар — товки Ущв и исходное расстояние Ои:

Тсг - + . Ци =^ггрц4" ¡^гри . (44)

С учетом формулы(44) значение Уцд равно:

V» = • (45)

Для расчета параметров швартовки в этом случае были разработа -ны графики и таблица, позволяющие составить схему швартовки.

При расчете схемы швартовки на ходу на бакштов, расстояние 0о при котором подходящее должно начать подтормаживаете определится:

Я ^лтр+ЯШЛ-. (46)

где ¡дар, Бдтр - время и путь подтормаживания; Ушв -скорость при швартовке; Вшв — расстояние при подаче швартовных концов.

Таблица £

Результаты натурных наблюдений швартовки РПБ "Восток"

Параметр швартовки Б^Ци 0,6 0,65 0,7 0,75

Число швартовок 62 105 193 107

Среднее время швартовки, мин 30,1 26,5 23,2 29,4

Стандартное отклонение ±4,9 ±5,4 ±5,3 ±7,1

Среднее время 1—3 участка 15,9 14,5 33,5 15,3

Стандартное отклонение ±0,8 ±0,7 ±0,7 ±0,6

Разработанные принципы планирования схемы швартовки используются при предварительной подготовке штурманское состава и в компьютерных тренажерах по швартовке.

В пятой главе рассмотрены вопросы учета динамиче -ских свойств при маневрировании: предложена классификацк отметок на экране РЛС по наблюдаемым параметрам и критери оценки их опасности; разработан электронный маневренный планшет и его использование для проигрывания маневра; исследован] алгоритмы экстренною маневрирования перекладками руля; исследованы зависимости параметров циркуляции в функции утл курса и разработана приближенная кинематическая математичес -кая модель; разработана методика построения домены судна учетом маневренных характеристик и ситуации сближения; установлены и исследованы закономерности маневра последнего мо — мента; предложены количественные критерии оценки надежности навигации.

Для систематизации наблюдений и облегчения решения по

выбору маневра предлагается произвести классификацию отметок га экране РАС: по характеру изменения полярных координат; по относительному курсу Р; по величине курсового угла q.

Из 9 типов целей, только одна, пеленг которой не изменяется, 1 расстояние уменьшается, является опасной.

С учетом геометрических размеров судов, погрешностей в определении пеленга и допустимой дистанции кратчайшего сбли— кения, кроме указанной, опасными можно считать отметки поля— шые координаты которых изменяются:

<Ш < о , <Ш <; |з- отп | , (47)

'де т^ — среднеквадратическая погрешность определения пеленга. 1о значению Р и ^ с учетом соотношения скоростей К встречного ■/ц и собственного Ун судов возможно 27 начальных ситуаций :ближения. Анализ предложенной классификации показывает, что эпасным могут быть все суда ч которых меньше или равно 90°, то — жа пересечения путей которых М находится по носу собственного судна независимо от величины Р и К. Опасным при д>90° могут быть суда Р которых меньше 90° и К>1.

Предложенная классификация облегчает судоводителю выбор утметок опасных судов на экране РАС, позволяет изменить алго — жн обработки сигналов и разработать классификатор целей.

Для облегчения ручного решения задачи разработан алгоритм ж программа выполняющая построение планшета на экране ПЭВМ, графическое и аналитическое решение задачи. Для проигрывания зыбранного маневра вводится новое значение курса и скорости, аосле чего получается ситуация на момент окончания маневра. Решение задачи может быть отпечатано на принтере и храниться в качестве документа, подтверждающего факт ведения наблюдения и прокладки.

В практике мореплавания иногда возникает необходимость срочной остановки судна, когда оно движется со скоростью боль — шей, чем скорость уверенного реверсирования Vpea и ограничено в акватории для маневрирования. В таких случаях целесообразно использовать перекладки руля с борта на борт для существенного снижения скорости. Для выбора оптимального угла перекладки руля перед входом в циркуляцию и одерживания на MM Pilot т/х "Капитан Темкин" и т/х "Микола Бажан" были проведены исследования двух алгоритмов действий судоводителя — по методике Гренобля а предложенный автором совместно с Шараф Мохаме — дом. Порядок экстренного маневрирования был следующим: про — изводят перекладку руля право/лево на борт; при отклонении на угол 10, 20, 30, 40 градусов производят перекладку руля на противоположный борт и уменьшают скорость до ПС; при отклонении на 10, 20, 30, 40 градусов производят перекладку руля на противоположный борт и уменьшают скорость до ПМ; при возвращении судна на первоначальный курс давали ЗП, при остановке — стоп.

Условия для выполнения реверсирования наступают уже при второй перекладке руля и запуск главного двигателя на ЗП происходит в обычном эксплуатационном режиме. Отклонение от линии первоначального курса рекомендуется выбирать равным 20°.

Для исследования закономерностей маневра последнею мо — мента и оценки последствий маневра при расхождении была раз -работала приближенная кинематическая математическая модель, которая в установившихся режимах соответствует характеристикам реального судна с относительной ошибкой около 10%. Переходные режимы описывается по следующим зависимостям:

d0 = a>-df; = + , (48)

4 it ■ ¡а

(50)

s,e Va — начальная скорость; оц- — установившееся значение утла рейфа при повороте.

Для обеспечения безопасности при расхождении предлагается пределение опасной зоны производить с учетом динамических войств судна и ситуации сближения, причем отдельно для каждого идд маневра. Маневр, экстренное выполнение которого необходимо для предотвращения столкновения, в теории и практике уп — >авления судном получил название "маневр последнего момента". Зремя наступления момента для выполнения такого маневра озна — сает, что перестают действовать требования всех правил, регламентирующих обычное расхождение, и вступает в силу только одно - предотвратить столкновение, а если это невозможно, то свести к минимуму возможные повреждения.

Выражения для расчета зоны опасного сближения имеют вид:

где Опит, Вамп, Dawл — расстояние между судами в момент начала торможения, отворота зсраво и влево; Б^ц — тормозной путь при заданной Ун; ап, вш аА, вл— коэффициенты поворотливости; Д0В, Д6Л— угол отворота вправо и влево на курс или контркурс встречного судна;К -Уд/Ун.

При исследовании маневра последнего момента установлено, что очередность наступления времени для его выполнения не зависит

Оамт =STfM ■ y¡i -2К cosP +К* ,

(51)

(53)

ах судоводителя, а определяется объективными обстоятельствами — динамическими свойствами собственного судна и ситуацией сближения - К, Р и q.

Дчя определенности будем различать два понятия: "окружающие суда" — все суда, отметки которых наблюдаются на экране РАС; "встречные суда" - такие из числа окружающих, точка пересечения путей которых М расположена по носу собственного.

Очередность наступления вида маневра последнего момента при отметках справа приведена в табл 7.

Таблица 7

Очередность наступления вида маневра при отметках справа

Курсовой угол 5 Относительный курс Р Вид маневра

торможение отворот лево отворот право

м больше 90° отворот лево торможение отворот право

е отворсгг лево отворот право торможение

н торможение отворот лево отворот право

ь равен 90° отворсгг лево торможение отворот право

ш отворот лево отворот право ■торможение

е торможение отворот право отворот лево

90° меньше 90° отворот право торможение отворсгг лево

отворот право отворот лево торможение

торможение отворот право отворот лево

равен 90" меньше 90° отворсгг право торможение отворот лево

отворот право отворсгг лево торможение

торможение отворот право отворот лево

больше 90° метшие 90° отворсгг право торможение отворот лево

отворот право отворот лево торможение

С учетом геометрических размеров судов и вероятного неб — лагоприятного маневра встречного судна зависимости (51) —(53) преобразуются:

^„л^я+Вл-^f + f^-H , (55)

Ояжл=|вл+вд.«у| + |^~1.Л . (56)

где R = л/1-2 К eos Р +К2; SH3 — навигационный запас. Величину навигационного запаса можно рассчитать по формуле:

Я. Ismg ,г_.

= Y + + + —7-г (57)

Вц - ширина цели; DTq — тактический диаметр циркуляции цели; sD - СКП расстояния; L - длина между перпендикулярами.

С использованием кинематической ММ были проведены испытания для оценки ситуации чрезмерного сближения при значе — ниях Р=45, 90 и 135 градусов, при К=0,5, 1 и 2 при SH3 = 0, I2 и DT.

При испытаниях установлено, что преобладающее влияние имеет значение К и момент начала маневра встречного судна — раньше нас, одновременно и после. Ситуация моделировалась для случая, когда оставался только один маневр.

При SH3 = 12 опасное маневрирование наступает если: VH «V4 при любом маневре встречного; VH >V4 и маневр раньше нас; VH <V4 и маневре после нас. При SH3 =D7 опасность не наступает при любом маневрировании и только происходит чрезмерное сближе — ние при VH <V4 и; маневре цели после нас. Таким образом Sj,3 = DT позволяет предупредить столкновение даже при неблагоприятном маневре встречного судна.

Профессор Кондрашихин В.Т. предложил оценивать надежность навигации обобщенным количественным критерием — вероятностью отсутствия навигационного происшествия.

Предлагается детализировать обобщенный количественны! критерий и рассматривать три его составляющие критерии: вре — менной; линейный динамический; технический.

Временной критерий оценки надежности навигации oзнaчae^ что у судоводителя имеется достаточно времени для: набора информации об окружающей обстановке (t^J; определения налита опасности (tp3); выбора маневра (tBM) и его выполнения (tK). Надежность навигации по временному критерию можно счтпать обеспеченной, если:

*« = <*«+'?э+'им+г« ^злд • (581

Величина tSBA определяется на основании знания времени н выполнения этапов. При использовании ТСН надежность навигации увеличивается за счет более оперативного набора информаци и ее обработки.

Навигационная безопасность по линейному динамическом критерию будет обеспечена при условии, если DKp между вероятной шириной полосы собственного Уш и встречного судна Y^j опасностью будет больше допустимою D3a4. Условием безопасно: расхождения в узкости будет:

+ 3£>,р. (59

Под техническим критерием будем понимать вероятное: безотказной работы ТСН и средств управления движением судна Р.

С учетом изложенного обобщенный количественный критерий надежности навигации Р^ можно определить путем умножения вероятностей:

РКП = Pt ' Рлд • Рт ■ (60)

где Р(; — вероятность того, что время набора информации и реше — ния задачи меньше допустимого; Рм — вероятность того, что рас —

стояние кратчайшего сближения с опастностью меньше допусти— ого. Рассмотрение составляющих количественного критерия на — ежности навигации позволяет понять суть ''человеческого факто — а" и наметить пути обеспечения безопасности мореплавания.

Заключение По результатам проведенных исследований разработана инфор — мационно—управляющая система учета динамики судна струхту — шая схема которой приведена на рисЛ.Она содержит модули:шва — утовка в порту;швартовка в море;поворот(при ветре и течении),бе — опасня скорость;расхождение судов,маневр последнего момента; рейф, потеря упр авляе мо ст и: до кумент ир о в алие процесса маневри— ювания.Каждый из указанных модулей обеспечивает расчет схемы 1аневрирования с документированием процесса.

Выполненные в диссертационной работе исследования )босновывают следующие научные положения.

1. Предложена классификация маневренных характеристик, :пособов их определения, получения и представления. Получена эмпирическая формула для оценки величины тормозного пути по шачению коэффициента энерговооруженности. Разработаны алгоритмы и программы расчета характеристик торможения, пред— \ожены компактные графическая и табличная формы их представления.

2. Предложен испытательный маневр - несимметричный зигзаг для определения характеристик одерживания поворота и диаграммы управляемости. Определены характеристики сдерживания из натурных наблюдений, сравнительных испытаний по определению характеристик на ММ на глубокой воде и мелководье.

3. Проведены натурные и модельные в опьгговом бассейне наблюдения дрейфа без хода. Предложена методика определения поперечного аэродинамического коэффициента по результатам

Рис. 1. ИРФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩ/и СИСТЕМА УЧЕТА ДИНАМИКИ СУДНА

натурных наблюдений для расчета угла ветрового дрейфа на ходу и ютери управляемости. Предложена номограмма для графического ■пределешгя угла ветрового дрейфа на ходу.

4. Разработаны практические способы учета элементов цир — ;уляции при планировании поворота судна. Предложены алгоритмы и [рограммы для графического построения и аналитического расчета соординат точек заданного пути при криволинейной траектории кЭижения судна.

5. Разработана методика выбора безопасной скорости по зна-гению дальности уверенного обнаружения и маневренным характеристикам собственного судна.

6. Разработана методика планирования схемы швартовки в порту и з море, выполнены исследования швартовок в порту и в открытом море и разработаны методические и практические рекомендации :удоводвггелям по выполнению швартовных операций.

7. Предложена классификация отметок судов на экране РАС по характеру изменения наблюдаемых параметров, взаимному расположению и ситуации сближения. Разработан электронный маневренный планшет для решения задачи расхождения, документирования данных при ведении прокладки и проигрывания маневра для оценки ситуации после окончания маневрирования.

8. Исследованы зависимости кинематических характеристик поворотливости в функции угла курса и разработана приближенная кинематическая математическая модель маневрирования судна для исследования процесса чрезмерного сближения судов и проигрывания маневра последнего момента.

9. Установлены закономерности наступления ситуации чрез — мерного сближения. Разработано устройство для предупреждения столкновения судов. Разработаны алгоритм действий судоводителя при экстренном маневрировании и методика построения домены по

выбранному маневру и ситуации сближения. Полученные резуль — таты исследований экстренного маневрирования на кинематической ММ позволяют создать экспертную систему принятия решения о виде маневра последнего момента и предложить методику выбора навигационного запаса для предупреждения опасного сближения. 10. Произведена декомпозиция обобщенного количественного критерия оценки надежности навигации на составляющие количе — ственные критерии - линейный динамический, временной и тех -нический. Это позволяет установить конкретную причину аварийного происшествия и наметить пути обеспечения безопасное плавания в различных условиях.

Выполненные исследования позволили разработать методы учет маневренных характеристик судна при планировании маневров : практические рекомендации судоводителям по обеспеченш безопасности плавания при управлении движением в стесненны условиях с использованием ЭВМ.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Мальцев A.C. Безопасность мореплавния на промысловых судах. - Одесса.: Маяк, 1988. - 72 с.

2. Мальцев A.C. Управление движением судна.—Одесса: Весть, 199i - 235 с.

3. Кондрашихин В.-Т., Бердинских Б.В., Мальцев A.C., Козырь ЛА Справочник судоводителя по навигационной безопасности мо — ре плавания. - Одесса: Маяк, 1990. — 168 с.

4. Мальцев АС. Швартовка рыбопромысловой базы к СРТ с уловом в кошельковом неводе. //"Рыбное хозяйство". — 1977. №3. —С. 52 - 54.

5. Мальцев АС. Полные инерционно—тормозные характеристики рыбопромысловых баз. //"Рыбное хозяйство". — 1977. № 8. — С. 53-55.

Мальцев АС. Обеспечение безопасной швартовки и сдачи улова средним рыболовным траулером при работе кошельковым нево — дом. В кн. "Безопасность мореплавания и ведения промысла". — Л.: Транспорт, 1977. Вып. 42. - С. 42-47.

. Мальцев АС. Натурные наблюдения свободного дрейфа судна. //"Рыбное хозяйство". - 1980. № 4. - С. 48-49, . Мальцев АС. Обобщенная формализованная схема швартовки судна в море. //"Рыбное хозяйство". /Экспресс—инф. — М.: В/О

"ЦНИРХ", 1986. Вып. 9. - С. 11-13. . Мальцев АС. Выбор типоразмера кранца и места его установки при швартовке в море. //"Рыбное хозяйство". /Экспресс — инф. - М.: В/О "ЦНИРХ", 1986. Вып. 9. - С. 13-15.

0. Мальцев АС. Формализация процесса швартовки в дрейфе. В

кн. "Безопасность мореплавания и ведения промысла". — Д.: Транспорт, 1987. Вып. 86. - С. 41 -46.

1. Мальцев АС., Куликов Г.Г. Графический метод расчета элементов поворота судна при плавании в стесненных условиях. //Морской транспорт. Серия "Судовождение и связь". / Экспресс-информация. - М.: В/О " МТИР", 1987. Вып. 4(199). - С. 11-15.

2. Мальцев АС., Дыба В.Г., Гаврилов В.Н. Обработка, хране ние, и выдача навигационной информации на суда с использованием ЭВМ. //Морской транспорт. Серия "Судовождение и связь". /Экспресс-инф,- М.: "МТИР", 1987. Вып. 2(197). - С. 11-15.

3. Мальцев АС. Контроль качества работы судоводителей в море. В кн. "Безопасность мореплавания и ведения промысла". — Д.:

Транспорт, 1987. Вып. 83. - С. 22-25.

4. Мальцев АС. Сравнительная оценка способов представления инерционно—тормозных характеристик. В кн. "Безопасность

мореплавания и ведения промысла". — Л.: Транспорт, 1987. Вып. 84. - С. 30-33.

15. Мальцев A.C. Обеспечение навигационной безопасности в стесненных водах. - Одесса: Облполиграфиздат, 1987. — 69 с.

16. Михайлянц М.А., Мальцев A.C., Гаврилов В.Н. Навигационную информацию на плечи ЭВМ. //Морской флот. - 1987. № 11. -

С. 29-30.

17. Мальцев АС. Предварительное планирование швартовных операций. - Одесса: Облполиграфиздат, 1988. - 58 с.

18. Мальцев A.C., Малушин В.И. Расчет ветроволновых потерь скорости судна. //Морской транспорт. Серия "Безопасность мореплавания"./Экспресс — инф. - М.: В/О "МТИР", 1988.Вып.

2(208). - С. 17-19.

19. Мальцев A.C. Учет течения при плавании в стесненных водах. //Методы и технические средства повышения безопасности мореплавания. /Сб. научн. тр. ЛВИМУ. - М.: В/О "МТИР", 1988.

- С. 31-34.

20. Мальцев A.C. Учет маневренных характеристик для обеспечения безопасности плавания. //Судостроение и судоремонт. /Сб. научн. тр. ОИИМФ. - М.: В/О "МТИР", 1989. - С. 29-31.

21. Мальцев A.C., Вимал Кумар, Куликов Г.Г. Опасные районы стесненных вод //Морской транспорт. Серия "Судовождение и связь". /Экспресс-инф. - М.: В/О "МТИР", 1989. Вып. 3(220).

- С. 1-14.

22. Мальцев A.C. Расчеты экстренного маневрирования. /Сб. научн. трудов Института проблем Управления А.Н.СССР. Вып, 16. —М. 1989, - С. 32-33.

23. Мальцев АС., Куликов Г.Г., Тимофеев ИА Выбор безопасной скорости по условиям плавания. //Морской транспорт. Серия

"Судовождение, связь и безопасность мореплавания". /Экспресс- инф. - М.: В/О "МТИР", 1990. Вьш. 12(241). - С. 1-7.

24. Мальцев A.C., Тимофеев И.А Учет маневренных характеристик

— основа безопасной швартовки в море. В кн. "Безопасность мореплавания и ведения промысла". — Л.: Транспорт, 1991. Вьш. 3(100). - С. 39-46.

25. Мальцев АС., Мальцев ЭА Решение задачи расхождения на маломерных судах. В кн. "Безопасность мореплавания и ведения промысла". - Л.: Транспорт, 1991, Вып. 4(101). - С. 26-32.

26. Мальцев АС., Интабли Мухаммед, Тимофеев И А Эксплуатационные маневренные характеристики морских судов. — В кн. "Методы прогнозирования и способы повышения мореходных качеств судов и средств освоения океана". (XXXУ Крыловские чтения, 1991). - Л.: Судостроение, 1991. - С. 42-43.

27. Мальцев A.C., Тимофеев И.А, Куликов Г.Г. Поворот судна в стесненных водах. //Морской транспорт. Серия "Судовождение, связь и безопасность мореплавания". /Экспресс—инф. — М.: В/О "МТИР", 1991. Вьш. 6(253). - С. 1-10.

28. Мальцев АС. Полюс поворота и управления судном. //Современные проблемы судостроения и судоремонта: Сб. научн. тру — дов ОИИМФ. - М.: В/О "МТИР", 1991. - С. 41-46.

29. Мальцев АС., Мальцев ЭА Способ оценки опасности столкновения судов. //Судостроение и судоремонт: Сб. научн. трудов ОИИМФ. - М.: В/О "МТИР", 1992. - С. 129-133.

30. Мальцев A.C., Тимофеев И А Характеристики одерживания поворота судна. //Судостроение и судоремонт: Сб. научн. трудов ОИИМФ. - М.: В/О "МТИР", 1992. - С. 133-139.

31. Мальцев АС., Интабли Мухаммед, Тимофеев И.А., Куликов Г.Г. Построение и контроль траектории при повороте. //Морской

транспорт. "Судовождение, связь н безопасность мореплавания' /Экспресс-инф. - М.: В/О "МТИР", 1992. Вып. 9(274).-С 1-9

32. Мальцев АС., Интабли Мухаммед, Тимофеев И.А. Учет ветр при торможении. //Морской транспорт. Серия "Судовожденш связь и безопасность мореплавания". /Экспресс—инф. — М

В/О "МТИР", 1992. Вып. 18(243). - С. 1-9.

33. Мальцев А.С., Интабли Мухаммед Проблемы и перспектив] лоцманской проводки судна. /Экспресс-инф. Сер. "Судовождение, связь и безопасность мореплавания". Вып. 7(290). — М

В/О "МТИР", 1993. - С. 1-5.

34. Мальцев АС., Интабли Мухаммед Договор о лоцманской проводке. /Экспресс—инф. Сер. "Судовождение, связь и безопасность мореплавания". Вып. 9(292).- М.: В/О "МТИР", 1993. - С 1-5.

35. Мальцев АС., Шараф Мохамед Составляющие количественно! критерия оценки надежности навигации. /Экспресс —инф. Се]

"Судовождение, связь к безопасность мореплавания". Вьш.6(313 - М.: В/О "МТИР", 1995. - С. 1-9.

36. Мальцев АС., Шараф Мохамед Экстренное торможение стесненных условиях с использованием перекладки руля. /Экс -пресс —инф. Сер. "Судовождение, связь и безопасность мореплавания". Вып. 7(314). - М.: В/О "МТИР", 1995. - С. 1-12.

37. АС. 1604046. Устройство д\я предотвращения сголкновеш: судов. /АС. Мальцев, В.И. Коваленко. —Заявл. 11.05.88: Заре-гистр. 1.06.1990.

38. Определение поперечного гидродинамического коэффициент сопротивления при дрейфе с неводом. Научн. руков. Воробы Ю.Л. Отчет по теме № 3(17) НИО ОИИМФ. № г.р.7903787 Одесса, 1980. - 10 с.

Комплексная обработка навигационной информации на ЭВМ. Научный руководитель Мальцев A.C. Отчет по теме N° 747 НИО ОВИМУ. № г.р. 01370032712, Одесса, 1987.

Исследование, разработка и внедрение алгоритмов задач судовождения. Научный руководитель Коцдрашихин В.Т. Отчет по теме N° 787 НИО ОВИМУ. № г.р. 0189045033, Одесса, 1991. Разработка методов, алгоритмов и программ задач навигации, повышающих безопасность и эффективность судовождения. Научный руководитель Кондрашихин В.Т. Отчет по теме № 867 НИО ОВИМУ. № г.р. 0189046033, Одесса, 1991. Мальцев АС., Гарам В.П. Комплекс программ для оценки сос — тояния судна при управлении движением. //СБ. тезисов докладов НПО "Квант". - Киев, 1990. - С. 161.

, Мальцев A.C., Мальцев Э.А. Оценка опасности столкновения при использовании САРП. //Сб. тезисов докладов НПО "Квант".

- Киев. 1990. - С. 174.

. Мальцев A.C., Шараф Мохамед, Исследование движения судна на задний ход, //Экспресс — инф. Сер. "Судовождение, связь и безопасность мореплавания". Вып. 2(319). — М.: "МТИР", 1996.

- С. 1-11.

. Мальцев АС., Шараф Мохамед. Подбор коэффициентов аппроксимирующей зависимости для параметров циркуляции. // Экспресс —инф.Сер."Судовождение,связь и безопасность мореплавания. "Вып. 6(325).-М.:В/0 "МТИР", 1996. — С.! —7.

л 48

Мальцев А.С. 1нформацшно—управляюча система врахування динамики судна при маневруванш .Дисертац1я на здобутхя науковогс ступеня доктора техшчннх наук по спещальносп 05.22.16 -Судноводдння, Одеська державна морська академ1Я, Одеса,1997. Виконана робота мкгтить результата досиджень метода врахувант динамтчних властивостей при плануванш маневр1в судна ; використанням ПЕОМ для забезпечення безопасного плавания i скрутних умовах. Приведет результата теоретичних експериментальних дослзджень швартовок в порту i откритому Mopi Розроблена кшематична математична модель i установлен: законошрносп "маневру останнього моменту" i екстренногс маневрування. Результати впроваджет в НД1 "Квант", виробничому объеднант "Антарктика", Чорноморському морскому пароплавст i i учбовий процесс в морскш академн.

Maltsev A. Information controlling system of talcing into account the ship's dynamical properties while manoeuvring. Doctor techn. sc 05.22.16. Navigation. Odessa State Maritime Academy, 1997. The accomplished work contains the research results of the methods oi taking into account the dynamical properties when plannig the manoeuvre of the ship using PC to ensure the safety of the sailing in congested waters. Theoretical and full—scale experiments of the mooring in port and open sea brought. Kinematical mathematical model has been worked out. The law of the latest moment and extreme manoeuvring has been find out. Application of results in the Scientific Research Institute "KVANT", production firm "Antarctica", Black Sea Shipping Company and in the academic process of the Maritime Academy has been carried out.

Ключов! слова: маневрування, динеючва характеристики,маневр останнього моменту,розходження, безпека мореплавания.