автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Информационное и математическое обеспечение построения береговой сети автоматизированных идентификационных систем для мониторинга и управления судоходством на внутренних водных путях ЕГС Европейской части России

На правах рукописи

ПЕТУХОВ Юрий Владимирович

ИНФОРМАЦИОННОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОСТРОЕНИЯ БЕРЕГОВОЙ СЕТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ СУДОХОДСТВОМ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ ЕГС ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

□03460075

Специальность 05.13.06

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2008

003460075

Диссертация выполнена на кафедре технических средств судовождения и связи Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сикарев Александр Александрович

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ,

Доктор технических наук, профессор Варжапетян Артемий Георгиевич Кандидат технических наук, доцент Чертков Александр Александрович

Ведущая организация: ОАО «Холдинговая компания «Ленинец»

Защита состоится "11 " декабря 2008 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.223.009.03 Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций по адресу: 198035, г.Санкт-Петербург, ул.Двинская, 5/7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Автореферат разослан /•/ 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук доцент

Е.Г. Барщевский

1.0БЩАЯ^/АРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Необходимость повышения безопасности и эффективности транспортного процесса на внутренних водных путях (ВВП) России требует постоянного развития и совершенствования технических средств и систем, занятых в данном процессе. Кроме того, все более возрастает потребность в обмене информацией между сторонами, связанными с судоходством по внутренним водным путям, в частности, обмен информацией, связанной с безопасностью движения, информацией о грузо- и пассажиропотоках. Перед сектором внутреннего водного транспорта сейчас стоит задача связать структурные элементы транспортного процесса единой архитектурой, обеспечивающей определенную совместимость и эффективное взаимодействие.

Для решения такой задачи одной из наиболее перспективных и конструктивных в настоящее время является инфокоммуникационная технология, получившая название "Корпоративные речные информационные системы (КРИС)". Отраслевой формой реализации этого класса информационных систем являются организационно-технические образования, получившие название "Речные информационные службы" (РИС)". Структурным ядром последних являются "Автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС)", которые, имеют в своем составе различные современные информационные системы телекоммуникаций и мониторинга: системы УКВ-радиосвязи, системы видеонаблюдения и радиолокационного контроля, информационно-диспетчерские службы, в ряде случаев речные региональные спасательно-координационные центры и др. При этом вся структура речной АСУ ДС, как правило, бывает погружена в радионавигационное поле ГЛОНАСС/ОРБ.

В последние 5-7 лет значительный интерес у всех специалистов водного транспорта для повышения безопасности и эффективности судоходства на ВВП вызывают возможности информационной технологии рубежа XX - XXI веков, получившей название "Автоматизированная идентификационная система (АИС)", ставшей уже неотъемлемой частью речных АСУ ДС. Возникновение технологии АИС можно поставить в один ряд с появлением на морском и речном транспорте радиолокационных станций или спутниковой навигации.

Вхождение АИС в состав АСУ ДС предполагает не только наличие на судах и у лоцманского корпуса соответствующих транспондеров, но и, прежде всего, оборудования берегового сегмента, состоящего, в первую очередь, из цепи береговых станций АИС, включающей базовые станции (БС), симплексные и дуплексные репитеры, а также сети передачи данных АИС в структурах АСУ ДС и РИС.

В связи с изложенным ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности мониторинга и управления транспортным процессом, а также обеспечения безопасности судоходства на основе использования АИС-информационных технологий при построении Речных информационных служб и АСУ ДС в корпоративной речной информационной системе на внутренних водных путях Единой глубоководной системы Европейской части России.Для достижения

формулированной цели в работе поставлены, обоснованы, решены и ВЫНОСЯТСЯ НА ЗАЩИТУ СЛЕДУЮЩИЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

Анализ мирового и отечественного опыта по современному уровню разработки и внедрения, перспективам развития метасистемы в иерархической триаде "КРИС-РИС-АСУ ДС(СУ ДС)" для внутренних водных путей.

1. Исследование предметной области в части алгоритмов функционирования и особенностей информационного обеспечения, структуры системы базовых станций в АИС как подсистеме речной АСУ ДС для различных регионов Европы и России.

2. Методика, модели и алгоритмы решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих структуру зон действия базовых станций АИС.

3. Аналитические решения для определения оптимальных радиуса и зоны действия базовой станции АИС с учетом влияния на судовые транспондеры помех в информационных каналах, взаимного перемещения судов относительно базовых станций и заграждающего рельефа применительно к различным регионам ЕГС.

4. Концептуальная модель на системном ("организация - поведение") и агрегативном ("структура - функции") уровнях для построения береговой сети базовых станций АИС в различных наиболее важных регионах ВВП ЕГС Европейской части России и предложения по оптимизации в таких регионах топологической структуры сети базовых станций АИС.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНОВОЙ ИССЛЕДОВАНИЙ являются методы системного анализа и управления технологическими процессами, теории случайных процессов и статистических решений, теории математического моделирования, экспертных оценок, статистической теории связи и методов моделирования на ЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит:

1. В создании современного метода построения автоматизированных идентификационных систем как важнейших подсистем мониторинга и управления в иерархической триаде "КРИС-РИС-АСУ ДС".

2. В выявлении моделей для описания закономерностей и разработке методики решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих зоны и дальность действия базовых станций АИС с учетом одновременного воздействия помех в информационных каналах, влияния заграждающего рельефа между судовым транспондером и базовой станцией, а также перемещения транспондера относительно последней.

3. В синтезе алгоритмов для количественного анализа оптимальных и квазиоптимальных зон и дальности действия базовых станций АИС при одновременном воздействии флюктуационных и взаимных помех в информационных каналах, случайных влияниях заграждающего рельефа и перемещения судового транспондера относительно базовой станции.

4. В разработке предложений по оптимизации в различных регионах ЕГС Европейской части России топологической структуры сети базовых станций АИС.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в том, что созданы методика и инструментарий для разработки и внедрения на ВВП России высокоэффективной автоматизированной идентификационной системы мониторинга и управления, прежде всего для Единой глубоководной системы Европейской ее части.

Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов и программ позволяет сформулировать рациональные, а в ряде случаев и близкие к оптимальным конструктивные решения по топологической структуре АИС как подсистемы речной АСУ ДС с учетом особенностей технологии построения и параметров конкретной судовой и береговой аппаратуры, физико-географических особенностей региона ВВП и различного вероятностного характера движения судов относительно базовых станций АИС.

РЕАЛИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Отдельные положения диссертационной работы реализованы в утвержденных: Росморречфлоте, программы построения речных АСУ ДС и АИС в Санкт-Петербургском Государственном университете водных коммуникаций, в Государственных бассейновых управлениях "Волго-Балт", "Волго-Дон", "Камводпуть" и других региональных бассейновых управлениях ЕГС Европейской части России.

ПУБЛИКАЦИИ И АПРОБАЦИИ РАБОТЫ. По тематике диссертации опубликовано 13 научных статей, в том числе 2 статьи в изданиях, предусмотренных "Перечнем изданий ВАК". Основные положения и результаты докладывались на трех международных Форумах "Связь на море и реке-2005, 2006, 2007, 2008", на сессиях Дунайской межгосударственной комиссии по судоходству в 2006 - 2008 годах, на Всероссийской конференции по АИС и электронной картографии в 2006 г (г.Санкт-Петербург), на научных семинарах кафедры "Технических средств судовождения и связи" Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в 2005 - 2008 годах.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка опубликованных источников, содержащего 99 отечественных и зарубежных работ, включает в себя 114 страниц текста, 34 рисунка, 26 таблиц и графиков.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ и обобщение мирового и отечественного опыта по современному уровню разработки и внедрения, а также перспективам развития метасистемы в иерархической триаде "КРИС-РИС-АСУ ДС(СУДС)", который свидетельствует о том, что системы управления движением судов получили в настоящее время весьма широкое распространение на внутренних водных путях Европы, Азии и Северной Америки. Можно утверждать, что они сейчас являются доминантой в указанной триаде и составляют неотъемлемую часть всемирного транспортного процесса и в особенности частью системы мониторинга, управления и безопасности внутреннего водного и смешанного "река-море" плавания судоходства. Несомненна актуальность внедрения таких систем на ВВП ЕГС Европейской части России.

В главе предложен достаточно конструктивным вариант (Рис.1) структуры КРИС на ЕГС, включающий 7 зон РИС и учитывающий не только особенности информационного функционирования и обеспечения последних, но и регионально-бассейновую административную структуру существующей системы управления судоходством на ЕГС, а именно:

- зона РИС 1 - Зона Беломоро-Балтийского канала;

-зона РИС2 - Зона ГБУ "Волго-Балт";

- зона РИСЗ - Зона Москвы и Канала им.Москвы;

- зона РИС4 - Зона Большой Волги;

- зона РИС5 - Зона ГБУ "Волге-Дон";

- зона РИС6 - Зона низовьев Дона и порта Азов;

-зона РИС7 - Зона ФГУ "Камводпуть".

Подобная структуризация КРИС на ЕГС представляется более конструктивной с точки зрения ее реализации, причем каждая из указанных речных информационных служб может иметь типовую структуру, представленную на Рис.2, где обозначено ЦУДС - центр управления движением судов, а зоной действия РИС является формально ограниченная территория, где РИС официально объявлена действующей. Зона действия может охватывать конкретную акваторию, речной бассейн и т.д., в том числе трансграничный.

Установлено, что в свою очередь каждая из РИС может строиться на основе одной или нескольких систем управления движением судов, в том числе и автоматизированных.

Эмпирически установившаяся к настоящему времени точка зрения о 1 типовой конфигурации таких СУДС или АСУ ДС иллюстрируется Рис.3. Здесь дополнительно введены обозначения:

РРСКЦ - речной региональный спасательно-координационный центр, ККС - наземная контрольно-корректирующая станция, передающая на суда сигналы дифференциальных поправок для высокоточного ' местоопределения положения судов на ВВП.

Как видно из Рис.3 современная речная СУДС или АСУ ДС, в свою очередь, включает информационные подсистемы АИС, радиолокационного контроля, включающую локальные и удаленные РЛС, УКВ, видеонаблюдения, хранилища данных, центр СУДС.

Проведенный анализ канонической структурной схемы и особенностей ее информационного функционирования свидетельствует о необходимости сосредоточить, в первую очередь, внимание на задачах построения обеспечивающей высокую эффективность мониторинга и управления автоматизированной идентификационной системы АИС и ее топологической структуры в пределах КРИС ЕГС Европейской части России.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ проведен анализ информационного обеспечения и алгоритмов функционирования автоматизированных идентификационных систем речных АСУ ДС с учетом особенностей организации связи в них и основных технико-эксплуатационных параметров базовых станций и судовых транспондеров (Табл.1).

Наименование параметра Значение параметра

Нижнее Верхнее

Канал АИС 1 (87-й канал УКВ МПС) 161,975 МГц 161,975 МГц

Канал АИС 2 (88-й канал УКВ МПС) 162,025 МГц 162,025 МГц

Региональный канал АИС (рекомендация МСЭ) 156,025 МГц 162,025 МГц

Разнос частот между каналами 12,5 кГц 25,0 кГц

Полоса пропускания канала 12,5 кГц 25,0 кГц

Выходная мощность передатчика 2,0 Вт 12,5 Вт

Чувствительность приемника при полосе пропускания канала 12,5 кГц, дБм (не хуже) 101 107

Чувствительность приемника при полосе пропускания канала 12,5 кГц, дБм (не хуже) 92 98

Скорость передачи 9600 бит/сек 9600 бит/сек

Модуляция FM/GMSK (частотная модуляция /гауссова адаптивная манипуляция)

При этом судовые станции АИС в зависимости от назначения и места установки подразделяется на следующие виды:

- Судовые станции класса А;

- Судовые станции класса В;

- Портативные (носимые) станции, используемые лоцманами на борту судна;

- Станции, устанавливаемые на средствах навигационного оборудования;

- Станции, устанавливаемые на воздушных судах, участвующих в поисково-спасательных операциях.

При работе АИС на ВВП основное направление передачи информации -"судно - берег". В направлении берег - судно может передаваться текстовая информация, сигнал "запроса" и дифференциальные поправки ГНСС.

Особенностью использования технологии АИС на внутренних водных путях является доминирование мониторинга флота и диспетчерское управление движением.

Алгоритм функционирования АИС приведен на Рис.4. Здесь показан только сегмент "судно-берег", для иллюстрации процесса мониторинга судов со стороны береговой службы. Судовой транспондер АИС принимает сигналы позиционирования от навигационного спутника, а также сигналы коррекции от станции диффпоправок.

На основе анализа в терминах современного инженерно-

кибернетического подхода (обобщенных 8о-систем) сформулированы и выделены для последующего исследования в границах локальных РИС на этапе построения для них концептуальной модели сети АИС следующие характеристики:

на системном уровне ("организация - поведение") такой характеристикой является топологическая структура зон действия береговых базовых станций;

- применительно к агрегативному уровню ("структура - функции") такой характеристикой является зона действия базовой станции, определенная с учетом технико-эксплуатационных параметров судового транспондера и БС, а также основных стохастических факторов на трассе "судно - базовая станция".

Навигационный спутник ГНСС ВРЗ/ГЛОНДСС

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ исследованы возможности математического обеспечения решения задачи оптимизации зон действия береговых базовых станций АИС, сформулированы и обоснованы следующие основные результаты.

Предложена методика и алгоритмы решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих структуру зон действия БС АИС. Методика основана на, по-видимому, наиболее общем современном подходе, сформулированном в работах профессора Доровских A.B. и профессора Сикарева A.A. и учитывающем вероятностную природу факторов, влияющих на верность передачи сообщений на трассе "судовой транспондер - базовая станция":

- распространения УКВ радиоволн с учетом технико-эксплуатационных параметров приемо-передающих трактов аппаратуры;

- изменения влияния заграждающего рельефа между береговой базовой станцией и судовым транспондером;

- процесса перемещения судового транспондера относительно БС.

Станция

дифлоправок Диспетчерский

пунет

Рис 4

Дпгоритм функционирования АИС

Сигналы коррекции

Навигационные сигналы

При передаче цифровых сообщений АИС в качестве анализируемого на экстремум соотношения целесообразно выбрать Perreq -эквивалентную вероятность ошибки в приеме той или иной кодовой комбинации такого сообщения в функции от Rc - среднего радиуса действия береговой (базовой) станции.

Тогда оптимальный радиус действия такой БС можно определить согласно алгоритма

R°pf=arg min р (Л), 0)

с ÄeG(Ä) erreSK '

где G(R) - область определения расстояний R между БС и судовым транспондером или приемоиндикатором.

В конкретных цифровых информационных каналах речных АСУ ДС дополнительное кодирование зачастую отсутствует. Поэтому (1) преобразуется к виду

R°p'= arg min р (Д), (2)

где Perr (R) - зависимость поэлементного приема цифрового сообщения от R.

Кроме того, обычно зависимость от Perr (R) имеет монотонный характер, в силу чего (2) естественно принимает форму

Äf =ar g[perr(R)<preg], (3)

где

р =10-2-10-6 (4)

Г-reg

- требуемая вероятность ошибки поэлементного приема цифровой комбинации.

Вероятность поэлементного приема в (3) оценивается вероятностью ошибки, представляемой в форме

perr(R)= \ J \ p{h2\w(ii)W(R)W(H)dßdRdH (5)

G{ß) G{R) C(H) v '

Аналитическое содержание входящих в (5) вероятностей определяется соответствующей используемой вероятностной моделью из Табл.2. Таблица 2

Модель/ Фактор Информационный канал БС - "судовой приемник" Заграждающий рельеф Перемещение судового приемника относительно БС

1 Четырехпараметрическая модель Модель нормального закона Модель равномерного закона

2 Трехпараметрическая модель Бекмана Модель равномерно заграждающего рельефа Модель закона Релея

3 Двухпараметрическая Модель Модель закона

модель Райса - Релея показательного закона Максвелла

4 Однопараметрическая модель Релея

5 Модель канала с постоянными параметрами

параметрами (^сслЫ); ц - амплитудный коэффициент передачи полезного сигнала.

112=рТ1у2, (6)

Здесь Рс - мощность принимаемого полезного сигнала в канале только с флюктуационным шумом; Т - длительность элементарной посылки ("1" или "О"); V2 - спектральная плотность флюктуационного шума. Наконец, W (ц) -определяется каким-либо из соотношений для ц согласно Таблицы 2. \\Г(Я) и \У(Н) - плотности вероятности, соответственно, случайного перемещения судового транспондера (приемоиндикатора) относительно БС и влияния заграждающего рельефа на линии БС - СТ, определяемые также соотношениями согласно моделей Таблицы 2. С(ц) и О(Н) - области интегрирования, определяемые амплитудным коэффициентом ц и высотой заграждающего рельефа Н.

Соотношение (3) в сочетании с (5) представляет собой общий алгоритм оптимизации топологической структуры цифровой информационной системы АИС. Для информационного канала "судовой транспондер (приемник) -базовая станция" исследованы возможности всех пяти моделей: четырехпараметрической, Бекмана, Релея - Райса, Релея и модели канала с постоянными параметрами. Для условий АИС обоснован выбор последних двух, когда для коэффициента передачи информационного канала релеевская плотность вероятности равна

.2 ^ (7)

1(7

а при отсутствии случайных изменений квадратурных компонент сигнала, когда

<72-^0, (8)

(ц) превращается в дельта - функцию при

И= ИР

что соответствует весьма типичному случаю канала с постоянными параметрами.

Влияние заграждающего рельефа исследовано для трех моделей: нормального закона ( в том числе усеченного), показательного закона и равномерно заграждающего рельефа. Применительно к регионам РИС Волго-Балта и Волго-Дона наиболее характерны два первых их них, когда плотности вероятности высот равны, соответственно:

1У[ну

л/2

•ехр

{Н-т„У

2 <г1

(9)

где шь и оь корреспондентами.

|=ог-е"

гг(ну-

- среднее значение и дисперсия рельефа трассы между ■аН Я>0 (10)

где а = 0,01 -Ю,1 - параметр распределения высот.

Наконец, влияние перемещения судового транспондера относительно базовой станции АИС предложено отразить равномерным, релеевским и максвеловским законами плотности вероятности взаимных расстояний. Последние два из них наиболее характерны для РИС на ЕГС Европейской части России. При этом их плотности вероятности \¥( И.), соответственно, равны

Я

Я

2с

Д>0,

а

л

о ср'

2а2

Л>0,

(П) (12)

(13)

(14)

Причем Иср - среднее значение II.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ выполнены расчеты и исследования по оптимизации топологии построения береговой сети базовых станций АИС на внутренних водных путях ЕГС Европейской части России.

Здесь, прежде всего, даны аналитические решения для оптимальных радиуса и зоны действия базовой станции АИС с учетом влияния на судовые транспондеры помех в информационных каналах, взаимного перемещения судов относительно базовых станций и заграждающего рельефа. В этой части получены решения:

1. Для потенциально достижимых зон действия базовых станций в информационных каналах только с флюктуационным шумом и без замираний, либо релеевскими замираниями. В первом случае выражения для полной вероятности ошибки поэлементного приема цифровых сообщений имеет вид

-»-ч«) 2

где

2 2

2 Р

(15)

(16)

- параметр канала радиосвязи, определяющий его потенциальные возможности без учета случайного расстояния между корреспондентами, Рш -мощность шумов в информационной полосе частот на выходе линейной части приемника.

Для (15) возможны два способа решения в (3) - графо-аналитический и аналитический. При графо-аналитическом решении по выражению для вероятности ошибки строится соответствующая кривая Регг ( Я ), а затем на требуемом уровне Ргеё проводится горизонталь, точка пересечения которой с кривой и определяет величину Ксор'. Для иллюстрации этого на Рис.5 по (15) построены зависимости вероятности ошибки Регг от Я [км]:

/^=7,5км., ^=10,7км., Я'^=14,7км.

Для Ргес! = 10"4 получим:

7^=6,30*., /^=8,7км., Я°р^ = \2,2км.

2. Для случайных перемещений судовых транспондеров относительно БС, имеющих одномерную плотность по закону Максвелла, что характерно для Волго-Балта, и по закону Релея, что более свойственно транспортному процессу в регионе Большой Волги и Волго-Дона, а также для модели с равномерным законом плотности вероятности, описывающей наиболее неопределенную ситуацию.

При максвелловском законе получено:

„3/4,

1

71 К О

1 4л/х

■У Ф

(17)

У \\

Для численного интегрирования качестве примера были приняты следующие значения параметров радиолинии:

С1=С2 = 1, /^=7^=0,9, /¡,=10.1/., й2=40м., Рт=Шт., А = 1,852л/.

При двух вариантах

Рпр.мин. = МО"12 Вт и 2,5-10"12 Вт

(18)

При этом в (16) необходимо подставить вместо Рш величину Рпр.мин. =1-10"12. Тогда для Preg < 1(Г4 получаем Ксор,= 12,4 км и Яс01" = 10,15 км, соответственно.

Для распределения расстояний судно БС по Закону Релея имеет место

ехр {

У * ,2 а2 У

\ (19)

Результаты численного интегрирования по (19) для указанных выше условий свидетельствует о том, что при использовании Закона Релея длительность действия БС на 14 % в среднем меньше, чем при использовании закона Максвелла.

Наконец, для наиболее "неопределенной" вероятностной ситуации перемещения судовых транспондеров относительно БС можно воспользоваться равномерной моделью плотности вероятности для ( Я). Тогда

= ' К (2°)

Нахождение Я°р' согласно, по-видимому, наиболее просто на основе

использования ПК и графо-аналитического решения так, как это проводилось ранее.

В ряде случаев может оказаться полезным при этом и такое представление (20)

п-

шах

(21)

В этом выражении всегда можно ограничиться конечным числом слагаемых знакопеременного ряда, причем ошибка не превышает по абсолютной величине первого из отброшенных членов.

3. Для заграждающего рельефа в виде детерминированных преград заданной высоты, а также вероятностным характером преград с экспоненциальной плотностью вероятности, что весьма характерно для регионов Волго-Балта, Москвы, в известной мере - Волго - Дона.

В первом случае для вероятности ошибки в (3) получено

(22)

и

где рЛ I , . - параметр, характеризующий форму препятствий,

ид4ехр

411

Ко = К!/Кс - отношение расстояний до препятствия и между корреспондентами, Ьэ - радиус сферы, аппроксимирующей реальное препятствие. Тогда в (3) для любых Рге§ [10"2-И0"4] имеет место существенное снижение радиуса зоны базовой станции АИС.

Например, преграды высотой 40 м посреди трассы (Ко = 0,5) снижает до 10,3 км. Приближение преграды к передатчику (Ко=0,25) уменьшает

Я"р' до 9,4 км.

с

Для вероятностных характеристик преград найдено следующее выражение вероятности ошибки в (3):

1

11 {«р

ООО

«,4 2сг

(23)

Кп

г г \2 1

V

с!Ксс1ШК0,

где а из (10), а а -из (12).

На Рис.6 по (23) построены зависимости Регг = Регг (Яс) при значении энергетического параметра К = 105, Ко = 0,5 для средних высот рельефа 20м (кривая 1), 50м (кривая 2) и 100м(кривая 3).

4 а 12

16 ^сМ

0.5 10'

103

1Г

10'

ю* 10® 10?

Рис. 6

Как видно из Рис.6 средние высоты рельефа самым существенным образом влияют на возможность решения уравнения оптимизации (3).

Так для высот 20 м и 50 м и Рге§ = 10"2 такое решение существует, оно составляет 11сор1 = 8 км и 4 км, соответственно, а для Ргс£ = 10"4 и Н=20м, Я01" ~5,2км. Для высот рельефа 50 м и более такое решение отсутствует.

4.Для дальности и зон действия базовых станций в условиях взаимных помех средств АИС и УКВ радиосвязи при смодулированном и модулированном характере таких помех.

Здесь получены в том числе аналитические решения (3) в форме

Rop,._

In 2 P„

2+

XtlSoi

Jj

для незамирающего цифрового сигнала и замирающей взаимной помехи

R"pl =

14

1

2Р

1 2+-

ZnSo,

(25)

■«* л ^(ravi)Jj для замирающих сигнала и помехи, - энергетический параметр помехи, „2 - коэффициент взаимного различия частотно-временной структуры сигнала и

°иг

помехи, Rn - расстояние между БС и источником помех.

Соотношения (24) и (25) являются весьма общими и позволяют анализировать влияние на Rcopt различных классов взаимных помех, в том числе таких, как различного рода побочные излучения, взаимные помехи одновременно работающих радиосредств, преднамеренные помехи, включая ретранслированные. Например, для взаимной помехи 4M передаче типа моногармонического излучения имеем

sin-

Cl г

Пгг 2

; il=\KrWa-Wn[ r=l;2; WQ =

2л

(26)

а для взаимной помехи ЧМ передаче от ЧМ передачи получаем: а2 = „(1)2+ „(2)2 где

<=>пг й/1Г ©пг '

р('):= -

£1, г

2

1-Ü

sin £2* 1—

г 2i т

(27)

г 21 т

/•=1:2

J

Здесь т - момент манипуляции взаимной помехи, те [О.Г] Соотношение (26) представляет величину ^ и для случая воздействия на

ЧМ передачу ретранслированной помехи, расстроенной относительно подавляемых сигналов по несущей частоте на величину Юг|, а соотношение (27) - ретранслированной помехи, расстроенной как по несущей частоте на величину Юг|, так и по тактовой частоте (времени) на величину т. При т=0 из (27) следует (26).

'г г '

5. Исследованы зависимости оптимального и квазиоптимальных радиусов зон БС АИС от основных параметров информационного канала на трассе "судовой транспондер - базовая станция" и взаимных помех для указанных в

п.1 - 4 решений. В качестве технико- эксплуатационных параметров

информационного канала рассмотрены: мощность передатчика судового транспондера, чувствительность приемника БС, высоты подъема антенн БС и транспондера; для взаимных помех рассмотрены: показатель энергетической эффективности взаимной помехи в точке приема, коэффициент взаимного различия частотно-временной структуры сигналов АИС и помех, расстояния между БС и источниками помех

6. Разработана концептуальная модель на системном ("организация -поведение") и агрегативном ("структура - функции") уровнях для построения береговой сети базовых станций АИС в различных, наиболее важных регионах ВВП ЕГС Европейской части России: для ГБУ "Волго-Балт" (зона РИС2), Московского района (зона РИСЗ) и ГБУ "Волго-Дон". Сформулированы предложения по оптимизации в этих регионах и их речных информационных службах топологической структуры сети базовых станций АИС.

Сформулированы также предложения по возможной топологической структуре базовых станций, для остальных регионов (зоны РИС1, РИС4, РИС6 и РИС7).

Концепция развертывания сегментов АИС на ВВП ЕГС должна предусматривать, во-первых, дифференциацию применительно к отдельным регионам, входящим в состав речных информационных служб, показанных на Рис.1. Во-вторых, развертывание следует осуществлять поэтапно.

Содержанием первого этапа целесообразно составить создание сегментов береговых базовых станций АИС в наиболее технологически оснащенных, в том числе и АИС - технологиями, РИС:

- РИС2 - сегмент Волго-Балта;

- РИС5 - сегмент Волго-Дона;

- РИСЗ - сегмент Московский и канала имени Москвы.

На втором этапе развертывание сегментов АИС целесообразно провести в

- РИС1 - сегмент Беломоро-Балтийского канала;

- РИС4 - сегмент Большой Волги;

- РИС6 - сегмент низовьев Дона и порта АЗОВ;

- РИС7 - сегмент ФГУ "Камводпуть"

В работе представлены концентрировано предложения по каждому из этапов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Настоящая диссертационная работа посвящена новому решению актуальной научной задачи повышения эффективности мониторинга и управления транспортным процессом, а также обеспечения безопасности судоходства на основе использования АИС - инфокоммуникационных технологий при построении Речных Информационных Служб и АСУ ДС в Корпоративной речной информационной системе на внутренних водных путях Единой глубоководной системы Европейской части России.На основе теоретических исследований поставленных задач, системного анализа, аналитических расчетов, моделирования и экспериментальных данных получены следующие новые научные результаты.

1. Проведены аналитический обзор и обобщение современного мирового и отечественного опыта построения и информационного обеспечения в иерархической триаде "Корпоративная речная информационная система -Речная Информационная служба - АСУ ДС (СУДС)" для реализации КРИС на ЕГС Европейской части России. На основании структурно-логического синтеза предложен достаточно конструктивный вариант структуры такой КРИС, включающий 7 зон РИС, учитывающий не только особенности информационного функционирования, но и регионально-бассейновую структуру существующей системы управления судоходством на ЕГС.

2. Выполнены анализ и обобщение накопленного в Европе и России опыта построения сети береговых базовых станций Автоматизированной Идентификационной Системы, особенностей информационного обеспечения и алгоритмов функционирования такой системы для мониторинга и управления движением судов, что позволило сформулировать и выделить в терминах современного инженерно-кибернетического подхода в границах локальных РИС (на этапе построения для них концептуальной модели сети АИС) следующие характеристики:

- на системном уровне ("организация - поведение") - топологическую структуру зон действия базовых станций АИС;

- на агрегативном уровне ("структура - функции") - дальность и зону действия базовой станции.

3. Сформулированы и предложены методика и алгоритмы решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих дальность и структуру зон действия АИС, базирующиеся на, по-видимому, наиболее общей современной модели Доровских A.B., Сикарева A.A., учитывающей вероятностную природу трех основных факторов, влияющих на верность передачи сообщений на трассе "судовой транспондер - базовая станция": |

- распространения УКВ радиоволн с учетом технико-эксплуатационных параметров приемо-передающих трактов аппаратуры;

- изменения влияния заграждающего рельефа между береговой базовой станцией и судовым транспондером;

- процесса перемещения судового транспондера относительно БС.

4.Получены аналитические решения такой задачи при передаче цифровой информации в каналах АИС:

Для потенциально достижимых зон действия базовых станций в каналах только с флюктуационным шумом и без замираний либо релеевскими замираниями.

Для заграждающего рельефа в виде детерминированных преград, а также вероятностного характера преград с экспоненциальной плотностью вероятности, что весьма характерно для РИС в регионах Волго-Балта, канала им. Москвы, в известной мере - Волго-Дона.

Для случайных перемещений судовых транспондеров относительно БС, описываемых одномерными плотностями по закону Максвелла, что характерно для Волго-Балта и других районов Северо - Запада России, и по закону Релея, более свойственному в регионах Большой Волги.

Для условий взаимных помех средств АИС и УКВ радиосвязи в диапазоне 156- 162 мГц и комплексном воздействии факторов п.З.

1. Проведено исследование влияния на размеры зоны и дальности действия БС АИС от параметров радиоканала и основных эксплуатационно-технических характеристик стандартных радиосредств АИС. Показано, что потенциально достижимые значения радиусов действия береговых станций АИС при Preg < 10"4 без учет влияния рельефа и внешних помех лежат в пределах от 9 км до 22 км.

Влияние взаимных помех определяется показателем энергетической эффективности такой помехи, коэффициентом взаимного различия частотно-временной структуры сигналов АИС и помех, расстояниями между БС и источниками помех.

Помеха, сопоставимая по энергии с полезным сигналом, „2 < 0,4

от

при удалении от БС на 1 км и Preg < 10"4 может снизить потенциальный радиус на порядок.

Наличие релеевских замираний в информационном канале для Preg < 10'3 уменьшает дальность действия в 3 раза, а при Preg < 10"4 - в 5 раз и является весьма нежелательным явлением на радиотрассе.

2. Разработана концептуальная модель на системном ("организация - поведение") и агрегативном ("структура - функции") уровнях для построения береговой сети базовых станций АИС, в первую очередь, для наиболее важных по интенсивности в транспортном процессе регионов ЕГС: ГБУ "Волго-Балт" (зона РИС2), района канала им. Москвы (зона РИСЗ) и ГБУ "Волго-Дон" (зона РИС5). Сформулированы предложения по оптимизации в этих РИС топологической структуры сети базовых станций АИС и для остальных регионов ЕГС (зоны РИС1, РИС4, РИС6 и РИС7).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, предусмотренных «Перечнем изданий ВАК»:

1. Авилов Г. А., Петухов Ю.В. «Особенности использования транкинговой связи в корпоративных речных информационных системах. Ж. «Речной транспорт (XXI век)», № 3.- М., 2008 - С.60-62.

2. Петухов Ю.В., Сикарев И.А. «Электромагнитная защищенность базовых станций речных АИС в условиях взаимных помех». Ж. «Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы», вып. 2, - СПб:, Политехнический университет, 2008 г., 0,4 п.л.

В других изданиях:

1. Красников В.В., Петухов Ю.В., Сикарев А.А, Холин A.B. Сравнительный анализ моделей законов Максвелла и Релея при расчете зон действия речных АИС в условиях вариации высот заграждающего рельефа, Международный межвузовский сборник научных трудов «ТСС и С на морских и ВВП», вып.7. - СПб.: Судостроение, 2006.-С.95-98.

2. Красников В.В., Петухов Ю.В., Сикарев A.A., Холин A.B. Особенности использования модели закона Максвелла при расчете дальности и зон действия речных АИС. Международн.. межвуз. сб. научн.

трудов «ТСС и С на морских и ВВП», вып.7- СПб.: Судостроение, 2006-С.8.

3. Петухов Ю.В., Сикарев И.А. Зависимость оптимального радиуса зоны береговой станции АИС от основных параметров радиоканала и взаимных помех. Международн. межвуз. сб. научн. трудов «ТСС и С на морских и ВВП», вып.7-СПб.: Судостроение, 2006. - С. 117-122.

4. Красников В.В., Петухов Ю.В., Сикарев A.A. Особенности использования модели закона Максвелла при расчете дальности и зон действия речных АИС, Ж. «Информост. Радиоэлектроника и телекоммуникации», вып.4 (46).- М., 2006 - С.8-10.

5. Анпилогов И.А., Петухов Ю.В., Стойлик Ю.Б. Переходить или не переходить на частоту мысли, Ж. «Информост. Радиоэлектроника и телекоммуникации», вып.1 (43). М.,2006.-С. 17-21.

6. Петухов Ю.В., Стойлик Ю.Б. Комплексная система электросвязи внутреннего водного транспорта. Ж. «Информационное издание «ВКСС. Коннект»», вып.6. - М., 2006 - С.ЗЗ - 41.

7. Петухов Ю.В., Пономаренко С.А. Создание и функционирование в РФ ГМССБ. - Ж. «Информост», №2(44).- М., 2006,-С.15-17.

8. Петухов Ю.В., Стойлик Ю.Б. Документальное обеспечение функционирования Комплексной системы электросвязи ВВТ. Состояние и направления совершенствования. - «Специальный каталог - справочник. «Связь, навигация, безопасность на море и реке»». Ж. «Информост», М., 2005.-С.38-45.

9. Петухов Ю.В. Комплексная система электросвязи внутреннего водного транспорта. Ж. Информационное издание «ВКСС. Коннект. Мир связи», вып.З - М., 2007,- С.43-45.

10. Петухов Ю.В. Основные направления развития систем мониторинга судов на ВВП, Ж. «Мобильные телекоммуникации», №5.-М., 2008.-С. 22-26.

11. Боговик A.B., Зюзин H.A., Керко В.А., Курносов В.И., Одоевский С.М., Петухов Ю.В., Сикарев И.А., Современные сетевые технологии в телекоммуникационных системах, Под общей редакцией проф. A.A. Сикарева. -СПб.:СПГУВК, 2008-475с. (Монография).

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 06.11.2008. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 60. Заказ 3653.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Перечень используемых сокращений

Введение

Глава 1. Исследование принципов построения современных речных АСУ ДС в структуре речной корпоративной системы на

ЕГС Европейской части РФ

1.1. Системы управления движением судов на внутренних водных путях Европейских стран

1.1.1. Основные задачи АСУ ДС на ВВП

1.1.2. СУДС на Сайменской озерной системе (Финляндия)

1.1.3. СУДС на реке Эльба (Германия)

1.1.4. СУДС на реке Рейн

1.1.5. Радиолокационный контроль на Среднем Рейне (Германия)

1.1.6. СУДС на Нижнем Рейне и Шельде (Бельгия - Нидерланды)

1.2. Структуры информационных систем управления движением судов внутреннего водного транспорта России

1.2.1. Корпоративная речная информационная система (КРИС)

1.2.2. Речная информационная служба (РИС)

1.2.3. Каноническая структурная схема речной АСУ ДС 39 Выводы по главе

Глава 2. Анализ информационного обеспечения и алгоритмов функционирования автоматизированных идентификационных систем в речных АСУ ДС 45 2.1. Назначение и структура АИС. Особенности информационного обеспечения

2.1.1. Алгоритм функционирования АИС

2.1.2. Действующие стандарты АИС

2.1.3. Информация, предоставляемая в АИС

2.1.3.1. Статическая информация

2.1.3.2. Динамическая информация

2.1.3.3. Информация, связанная с выполняемым рейсом

2.1.4. Организация радиосвязи в АИС

2.2. Опыт организации управления и мониторинга на основе АИС 63 на ВВП Европы и России

2.2.1. Использование АИС в австрийской части Дуная

2.2.2. Береговая сеть АИС в Санкт-Петербурге

2.3. Особенности обобщенной схемы и характеристик этапа концептуального исследования модели построения сети АИС на

Выводы по главе

Глава 3. Математическое обеспечение оптимизации зон действия береговых АИС на ВВП

3.1. Стохастические модели для цифровых информационных каналов

3.1.1. Вероятностные модели каналов передачи информации

3.1.2. Вероятностные модели заграждающего рельефа

3.1.3. Вероятностные модели процесса перемещения судна относительно береговой (базовой) станции

3.2. Общий алгоритм оптимизации топологической структуры цифровых информационных систем 84 Выводы по главе

Глава 4. Оптимизация топологии построения береговой сети базовых станций АИС на ВВП ЕГС России 90 4.1. Оптимизация дальности и зон действия базовых станций автоматизированной идентификационной системы

4.1.1. Потенциально достижимые размеры зон действия базовых станций АИС

4.1.2. Влияние заграждающего рельефа

4.1.3. Оптимизация дальности действия и зон базовых станций АИС при случайном перемещении относительно них судовых транспондеров

4.1.4. Оптимизация дальности и зон действия базовых станций АИС с учетом движения судов и статистических характеристик рельефа

4.2. Оптимизация дальности и зон действия базовых станций

АИС в условиях взаимных помех

4.3. Исследование зависимости зоны береговой станции АИС от основных параметров радиосигнала и взаимных помех

4.4. Топологическая структура системы автоматизированных идентификационных станций на ЕГС Европейской части России и концептуальные положения стратегии их развертывания

4.4.1. Первый этап развертывания сегментов в системе АИС

4.4.2. Второй этап развертывания сегментов системы АИС на

Единой глубоководной системе.

Выводы по главе

Необходимость повышения безопасности и эффективности транспортного процесса на внутренних водных путях (ВВП) России требует постоянного развития и совершенствования технических средств и систем, занятых в данном процессе. Кроме того, все более возрастает потребность в обмене информацией между сторонами, связанными с судоходством по внутренним водным путям, в частности, обмен информацией, связанной с безопасностью движения, информацией о грузо- и пассажиропотоках. Получателями такой информации выступают не только органы, регулирующие движение судов по ВВП и на акваториях портов, но и множество коммерческих и некоммерческих организаций, занимающихся агентированием судов, экспедированием грузов, бункеровочными и другими операциями. Перед сектором внутреннего водного транспорта сейчас стоит задача связать структурные элементы транспортного процесса единой архитектурой, обеспечивающей определенную совместимость и эффективное взаимодействие.

Для решения такой задачи одной из наиболее перспективных и конструктивных в настоящее время является инфокоммуникационная технология, получившая название "Корпоративные речные информационные системы (КРИС)". Отраслевой формой реализации этого класса информационных систем являются организационно-технические образования, получившие название "Речные информационные службы (РИС)". Структурным ядром последних являются "Автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС)", которые, как об этом свидетельствует опыт таких стран как США, Канада, Россия, страны Европейского союза и др., имеют в своем составе различные современные информационные системы телекоммуникаций и мониторинга: системы УКВ и КВ-радиосвязи, транкинговой и сотовой радиосвязи, системы видеонаблюдения и радиолокационного контроля, информационно-диспетчерские службы, в ряде случаев речные региональные спасательно-координационные центры и др. При этом вся структура речной АСУ ДС, как правило бывает погружена в радионавигационное поле ГЛОНАССЛЭРБ и его подсистемы высокоточных дифференциальных радионавигационных поправок ДГЛОНАССЛЭОРБ.

В последние 5-7 лет значительный интерес у всех специалистов водного транспорта для повышения безопасности и эффективности судоходства на ВВП вызывают возможности информационной технологии рубежа XX - XXI веков, получившей название "Автоматизированная идентификационная система (АИС)", ставшей уже неотъемлемой частью речных АСУ ДС. Возникновение технологии АИС можно поставить в один ряд с появлением на морском и речном флоте радиолокационных станций или спутниковой навигации [ 88 ].

Вхождение АИС в состав АСУ ДС предполагает не только наличие на судах и у лоцманского корпуса соответствующих транспондеров, но и, прежде всего, оборудования берегового сегмента, состоящего, в первую очередь, из цепи береговых станций АИС, включающей базовые станции (БС), симплексные и дуплексные репитеры, а также сети передачи АИС в структурах АСУ ДС и РИС. При этом для эффективных мониторинга и управления движением судов на ВВП одной из наиболее актуальных задач является создание топологии зон действия БС АИС, адекватной структуре судоходных путей, прежде всего для Единой Глубоководной системы (ЕГС) Европейской части России, являющейся ее важнейшей транспортной системой.

В связи с вышеизложенным ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности мониторинга и управления транспортным процессом, а также обеспечения безопасности судоходства на основе использования АИС - инфокоммуникационных технологий при построении речных информационных служб и АСУ ДС в корпоративной речной информационной системе на внутренних водных путях Единой Глубоководной системы Европейской части России.

Для достижения сформулированной цели в работе поставлены, обоснованы, решены и ВЫНОСЯТСЯ НА ЗАЩИТУ СЛЕДУЮЩИЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Анализ мирового и отечественного опыта по современному уровню разработки и внедрения, а также перспективам развития метасистемы в иерархической триаде "КРИС - РИС - АСУ ДС (СУ ДС)" для внутренних водных путей.

2. Исследование предметной области в части алгоритмов функционирования и особенностей информационного обеспечения, а также структуры системы базовых станций АИС как подсистемы речной АСУ ДС для различных регионов Европы и России.

3. Методика, модели и алгоритмы решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих структуру зон действия базовых станций АИС.

4. Аналитические решения для определения оптимальных радиуса и зоны действия базовых станции АИС с учетом влияния на судовые транспондеры помех в информационных каналах, взаимного перемещения судов относительно базовых станций и заграждающего рельефа применительно к различным регионам ЕГС.

5. Концептуальная модель на системном ("организация - поведение") и агрегативном ("структура - функции") уровнях для построения береговой сети базовых станций АИС в различных наиболее важных регионах ВВП ETC Европейской части России и предложения по оптимизации в таких регионах РИС на ЕГС и топологической структуры сети базовых станций АИС. Методологической основой исследований являются методы системного анализа и управления технологическими процессами, теории случайных процессов и статистических решений, теории математического моделирования, экспертных оценок, статистической теории связи и методов моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит:

1. В создании современного метода построения автоматизированных идентификационных систем как важнейших подсистем мониторинга и управления в иерархической триаде "КРИС-РИС-АСУ ДС".

2. В выявлении моделей для описания закономерностей и разработке методики решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих зоны и дальность действия базовых станций АИС с учетом одновременного воздействия помех в информационных каналах, влияния заграждающего рельефа между судовым транспондером и базовой станцией, а также перемещения транспондера относительно последней.

3. В синтезе алгоритмов для количественного анализа оптимальных и квазиоптимальных зон и дальности действия базовых станций АИС при одновременном воздействии флюктуационных и взаимных помех в информационных каналах, случайных влияниях заграждающего рельефа и перемещения судового транспондера относительно базовой станции.

4. В разработке предложений по оптимизации в различных регионах ЕГС Европейской части России топологической структуры сети базовых станций АИС.

Практическая ценность работы состоит в том, что созданы методика и инструментарий для разработки и внедрения на ВВП России высокоэффективной автоматизированной идентификационной системы мониторинга и управления, прежде всего для Единой Глубоководной системы Европейской ее части.

Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов и программ позволяет сформулировать рациональные, а в ряде случаев и близкие к оптимальным конструктивные решения по топологической структуре АИС как подсистемы речной АСУ ДС с учетом особенностей технологии построения и параметров конкретной судовой и береговой аппаратуры, физико-географических особенностей региона ВВП и различного вероятностного характера движения судов относительно базовых станций АИС.

Реализация научных результатов. Отдельные положения диссертационной работы реализованы в утвержденных Федеральном агентством морского и речного транспорта программах (ТЭО) построения речных АСУ ДС и АИС, в Санкт-Петербургском Государственном Университете водных коммуникаций, в главных бассейновых управлениях "Волго-Балт", "Волго-Дон", ФГУ "Камводпуть" и других бассейновых управлениях ЕГС Европейской части России.

Публикации и апробации работы. По тематике диссертации опубликовано 16 научных статей, в том числе 4 статьи в изданиях, предусмотренных "Перечнем изданий ВАК". Основные положения и результаты докладывались на трех международных Форумах "Связь на море и реке - 2005, 2006, 2007", на сессиях Дунайской межгосударственной комиссии по судоходству в 2006 - 2007 годах, на Всероссийской конференции по АИС и электронной картографии в 2006 г (г.Санкт-Петербург), на научных семинарах кафедры "Технических средств судовождения и связи" Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в 2005 - 2007 годах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка опубликованных источников, содержащего 99 отечественных и зарубежных работ, включает в себя 114 страниц текста, 34 рисунка, 26 таблиц и графиков.

Выводы по главе.

В результате выполненных расчетов по оптимизации топологии построения береговой сети базовых станций АИС на внутренних водных путях Единой глубоководной системы России получены следующие основные выводы, решения и рекомендации.

1. Даны аналитические решения для оптимальных радиуса и зоны действия базовой станции АИС с учетом влияния на судовые транспондеры помех в информационных каналах, взаимного перемещения судов относительно базовых станций и заграждающего рельефа. В этой части получены решения:

1.1. Для потенциально достижимых зон действия базовых станций в информационных каналах только с флюктуационным шумом и без замираний либо Релеевскими замиранщми.

1.2. Для заграждающего рельефа в виде детерминированных преград заданной высоты, а также вероятностным характером преград с экспоненциальной плотностью вероятности, что весьма характерно для регионов Волго-Балта, Москвы, в известной мере -Волго-Дона.

1.3. Для случайных перемещений судовых транспондеров относительно БС, имеющих одномерную плотность по закону Максвелла, что характерно для Волго-Балта, и по закону Релея, что более свойственно транспортному процессу в регионе Большой Волги, а также для модели с равномерным законом плотности вероятности, описывающей наиболее неопределенную ситуацию.

1.4. Для дальности и зон действия базовых станций в условиях взаимных помех средств АИС и УКВ радиосвязи при немодулированном и модулированном характере таких помех.

2. Исследован зависимости оптимального и квазиоптимальных радиусов зон БС АИС от основных параметров и информационного канала на трассе 'судовой транспондер - базовая станция' и взаимных помех для указанных в П.1.1.-1.4. решений. В качестве технико-эксплуатационных параметров информационного канала рассмотрены: мощность передатчика судового транспондера, чувствительность приемника БС, высоты подъема антенн БС и транспондера; для взаимных помех рассмотрены: показатель энергетической эффективности взаимной помехи в точке приема, коэффициент взаимного различия частотно-временной структуры сигналов АИС и помех, расстояния между БС и источниками помех.

3. Разработана концептуальная модель на системном (" организация - поведение") и агрегативном ("структура - функции") уровнях для построения береговой сети базовых станций АИС в различных, наиболее важных регионах ВВП ЕГС Европейской части России: для ГБУ "Волго-Балт" (зона РИС2), Московского района (зона РИСЗ) и ГБУ "Волго-Дон" (зона РИС5). Сформулированы также предложения по возможной топологической структуре базовых станций для остальных регионов (зоны РИС1, РИС4, РИС6 и РИС7).

Заключение

Настоящая диссертационная работа посвящена новому решению актуальной научной задачи повышения эффективности мониторинга и управления транспортным процессом, а также обеспечения безопасности судоходства на основе использования АИС-инфокоммуникационных технологий при построении Речных Информационных Служб и АСУ ДС в Корпоративной речной информационной системе на внутренних водных путях Единой глубоководной системы Европейской части России.

На основе теоретических исследований поставленных задач, системного анализа, аналитических расчетов, моделирования и экспериментальных данных получены следующие новые научные результаты.

1. Проведены аналитический обзор и обобщение современного мирового и отечественного опыта построения и информационного обеспечения в иерархической триаде "Корпоративная речная информационная система - Речная Информационная служба - АСУ ДС (СУДС)" для реализации КРИС на ЕГС Европейской части России. На основании структурно-логического синтеза предложен достаточно конструктивный вариант структуры такой КРИС, включающий 7 зон РИС, учитывающий не только особенности информационного функционирования, но и регионального бассейновую структуру существующей системы управления судоходством на ЕГС.

2. Выполнены анализ и обобщение накопленного в Европе и России опыта построения сети береговых базовых станций Автоматизированной Идентификационной Системы, особенностей информационного обеспечения и алгоритмов функционирования такой системы для мониторинга и управления движением судов, что позволило сформулировать и выделить в терминах современного инженерно-кибернетического подхода в границах локальных РИС (на этапе построения для них концептуальной модели сети АИС) следующие характеристики:

• на системном уровне ("организация - поведение") -топологическую структуру зон действия базовых станций АИС;

• на агрегативном уровне ("структура - функции") -дальность и зону действия базовой станции.

3. Сформулированы и предложены методика и алгоритмы решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих дальность и структуру зон действия АИС, базирующиеся на, по-видимому, наиболее современной модели Доровских A.B. -Сикарева A.A., учитывающей вероятностную природу трех основных факторов, влияющих на верность передачи сообщений на трассе "судовой транспондер-базовая станция":

4. Получены аналитические решения такой задачи при передаче цифровой информации в каналах АИС:

5. Проведено исследование влияния на размеры зоны и дальность действия БС АИС от параметров радиоканала и основных эксплуатационно-технических характеристик стандартных радиосредств АИС. Показано, что потенциально достижимые значения радиусов действия береговых станций АИС при Preg < 10"4 без учета влияния рельефа и внешних помех лежат в пределах от 9 км до 22 км. Влияние взаимных помех определяется показателем энергетической эффективности такой помехи, коэффициентом взаимного различия частотно-временной структуры сигналов

АИС и помех, расстояниями между БС и источниками помех.

Помеха, сопоставимая по энергии с полезным сигналом, gor 2 < 0,4 при удалении от БС на 1 км и Preg < 10"4 может снизить потенциальный радиус на порядок.

Наличие релеевских замираний в информационном канале для Preg <10"3 уменьшает дальность действия в 3 раза, а при Preg <10"4в 5 раз и является весьма нежелательным явлением на радиотрассе. 6. Разработана концептуальная модель на системном ("организация-поведение") и агрегативном ("структура -функции") уровнях для построения береговой сети базовых станций АИС, в первую очередь, для наиболее важных по интенсивности в транспортном процессе регионов ЕГС: ГБУ "Волго-Балт" (зона РИС2), района канала им.Москвы (зона РИСЗ) и ГБУ "Волго-Дон"(зона РИС5). Сформулированы предложения по оптимизации в этих РИС топологической структуры сети базовых станций АИС. Во-вторых, сформулированы также предложения по возможной топологической структуре базовых станций для остальных регионов ЕГС (зоны РИС1, РИС4, РИС6 и РИС7).

1. Вагнер Г. Основы исследования операций. Пер. с англ., Т.1. - М., Мир, 1972 - 246 с.

2. Березнева Т.Д., Журавлев Ю.И. и др. Применение исследования операций в экономике. М., Экономика, 1977, 323 с.

3. Основы современной системотехники. Пер. с англ. М., Мир, 1978, 528 с.

4. Квейд Э. Анализ сложных систем. Перевод с англ. М., Сов.радио, 1969,519 с.

5. Садовский В.Н. Основания общей теории систем. М., Наука, 1974, 280 с.

6. Энциклопедия кибернетики. В 2-х т. Киев, Наукова думка, 1975, Т1-608 е., Т2-620 с.

7. Дж.Касти. Большие системы. Связность, сложность и катастрофы.

8. Пер. с англ. М„ Мир, 1982, 216с.

9. Балашов Е.П. Эволюционный синтез систем. М., Радио и связь, 1985, 328 с.

10. Ю.Булгак В.Б., Варакин JI.E. и др. Концепция развития связи Российской Федерации М., Радио и связь, 1996, 224 с.

11. П.Горелик В.А., Ушаков И.А. Исследование операций. М., Наука, 1982,312 с.

12. Левин В.И. Структурно-логические методы исследования сложных систем. М., Наука, 1987, 303с.

13. Флейшман Б.С. Основы системологии. М., Радио и связь, 1982, 368 с.

14. Авдуевский B.C. и др. Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 т. ТЗ "Эффективность технических систем. М., Машиностроение, 1988, 328 с

15. Авдуевский B.C. и др. Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 т. Т2 "Математические методы в теории надежности и эффективности", М., Машиностроение, 1988, 280 с.

16. Венцель Е.С. Исследование операций. М., Советское радио, 1976, 552 с.

17. Венцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. М., Наука, 1988, 208 с.

18. Кофман А., Анри-Лабордер А. Методы и модели исследования операций. М., Мир, 1977, 432 с.

19. Надежность и эффективность в технике. Т1. Методология. Организация. Терминология. Под ред. А.И. Рембезы. М., Машиностроение, 1984, 552 с.

20. Ладенко И.С. Программно-целевой подход и программные исследования. "Изв. СО АН СССР", 1981, №11, с.89-98

21. Курносов В.И., Лихачев A.M. Методология проектных исследований и управления качеством сложных технических систем электросвязи. СПб, Тирекс, 1999, 496 с.

22. Курносов В.И., Лихачев A.M. Тенденции технического и технологического развития телекоммуникационных сетей. СПб, Абрис, 1997, 440 с.

23. Егер С.М., Мишин H.H. и др. Проектирование систем. Учебник для ВУЗов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., Машиностроение, 1983, 616 с.

24. Дубов Ю.А., Травкин С.И., Якимец В.Н. Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов систем. М., Наука, 1986, 296 с.

25. Флейшман Б.С. Основы системологии. М., Радио и связь, 1982, 368 с.

26. Моляко В. А. Психология конструкторской деятельности. М., Машиностроение, 1984,134 с.

27. Парфенов Е.М., Камышная Э.М., Усачев В.П. Проектирование конструкций РЭА. М., Радио и связь, 1989, 272 с.

28. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных М., Радио и связь. М., Радио и связь, 1982, 208 с.

29. Надежность и живучесть систем связи. Под ред. Проф. Дудника Б.Я. M., Радио и связь, 1984, 216 с.

30. Сикарев А.А., Фалько А.И. Оптимальный прием дискретных сообщений. М., Связь, 1978, 328 с.

31. Доровских А.В., Сикарев А.А. Сети связи с подвижными объектами. Киев, Техника, 1989, 158 с.

32. Vessel traffic and transport management in the inland waterways and modem information system. Документ Международной Ассоциации Судоходства (PIANC, 24-th working group). Брюссель, сентябрь 2001.

33. RIS Guidelines 2002. Там же.34.1nland VTS Guidelines of the IALA. Документ Международной Ассоциации Маячных Служб (МАМС).

34. Резолюция ИМО А.857 (20). "Руководство по СУДС" от 27.11.1997 г

35. Сикарев А.А. Интеграционные процессы на рубеже XX и XXI веков в глобальных и региональных информационных сетях связи и местоопределения подвижных объектов. Труды Международной академии связи. №1 (17), 2001, М., с.27-29.

36. К.Краевски и др. Информационные системы на внутренних водных путях Европы. Служба информационной радиосвязи на Рейне (пер. с немецкого). "Информост-средства связи", №17 2001, стр.37 41.

37. Г.Хаберкамп. Наблюдение горного участка Рейна с помощью радиолокатора (пер. с немецкого). "Информост-средства связи", №18 2001, стр. 42-45.

38. Стандарт МЭК 61993-2 Часть 2 "Судовое оборудование универсальной автоматической идентификационной системы (АИС) класса А. Технические и эксплуатационные требования, методы и требуемые результаты испытаний"

39. Рекомендации МСЭ-Р М. 1371-1 "Технические характеристики универсальной судовой автоматической идентификационной системы (АИС), использующей множественный доступ с временным разделением в УКВ полосе частот морской подвижной службы".

40. Inland ECDIS. Standart "Electronic Chart Display and Information System for Inland Navigation". Edition 1.0 31/05/2001. Central Commission for the Navigation on the Rhine.

41. C.Krajewski, H.Haberkamp. Inland ECDIS Standart. 30-th PIANC-AIPN Congress. Sydney, Australia, 22-26 Sept.2002 / Материалы 30-го Конгресса Международной ассоциации судоходства. Сидней, Австралия, 22-26 сентября 2002 г.

42. COMPRIS Consortium Operation Management Platform for River Information Services. Cas Willems, AVV Transport Research Centre, The Netherlands. Отчет о заседании 1-й постоянной рабочей группы ПМАКС (PIANC), Лиссабон, 8-9 марта 2005 г.

43. Вихров Н.М., Гаспаров Д.В., Грищенков A.A., Шнуренко A.A. Управление и оптимизация производственно-технологических процессов. Под ред. Гаспарова Д.В. СПб, Энергоиздат, 1995, с.

44. Гаспаров Д.В. Корпоративные речные информационные системы. Материалы МНТК "Транском-2004", СПб, СПГУВК, 08-09 декабря 2004.

45. Сикарев A.A. Оптимизация размеров сотовых зон в сетях оперативной связи и передачи данных. Радиоэлектроника и связь, №1, СПб, 1991, с.28-33.

46. Андрианов В.П., Соколов A.B. Средства мобильной связи. СПб, ВНУ СПб, 1998, 256 с.

47. Технические средства судовождения и связи на внутренних судоходных и морских путях. Сб. НТ под ред.проф.Сикарева A.A., СПб, СПГУВК, 1998, 140с.

48. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М., Связь, 1972, 336 с.

49. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. М., Сов.радио, 1972, 464 с.

50. Калинин А.И., Черенкова E.JI. Распространение радиоволн и работа радиолиний. М., Связь, 1971,439 с.

51. Фейнберг E.JI. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М., Наука-Физматгиз, 1999, 496 с.

52. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники, под ред. Проф.Куликовского A.A., Том 1, Энергия, 1977, 504 с.

53. Сикарев A.A., Соболев В.В. Функционально устойчивые демодуляторы сложных сигналов. М., Радио и связь, 1988, 224 с.

54. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М., Госиздат физматлитературы, 1963,1100 с.

55. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М., Наука, 1964, 344 с.

56. Таблицы вероятностных функций. Пер. с англ. Под ред. Барк J1.C., М., ВЦ АН СССР, 1970, 344 с.

57. Кловский Д.Д., Сойфер В.А. Обработка пространственно-временных сигналов в каналах передачи информации. М., Связь, 1976, 208 с.

58. Шарапов И.П. Функции распределения высот рельефа. Рельеф земли и математика. М., Мысль, 1967, с.72 - 79

59. Бочаров М.К. Методы математической статистики в географии. М., Мысль, 1971, 347 с.

60. Бусалаев И.В. Математико-статистические методы обработки географических материалов. Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства. Вып.4, 1966, с.32 57

61. Шарапов И.П. Функции распределения высот рельефа. Рельеф земли и математикаю М., Мысль, 1967, с.72-79

62. Бродский E.JL, Сикарев A.A., Чистов Е.В. Ме то дика расчета оптимальных зон транкинговой радиосвязи при передаче аналоговых и цифровых сообщений. "Межвузовский CHT "ТССиС на морских и внутренних водных путях", Вып.5, СПб, СПГУВК, 2004, с.45-49

63. Бродский E.JL, Сикарев A.A. Комплексирование и интеграционные процессы в информационных системах связи и местоопределение подвижных объектов речных региональных структур. Речные информационные службы" Наукоемкие технологии, №8, Т.4, 2003, с.13-19

64. Бродский Е.Л., Сикарев A.A., Холин A.B. Методика расчета зон действия береговых станций автоматизированных идентификационных систем на внутренних водных путях. Информост. Радиоэлектроника и телекоммуникации, №4 (34), М., июль август 2004, с.43 - 45.

65. Маевский Б.Б., Аршанский М.Б., Слодкевич Е.Я. Антенные системы береговых (базовых) станций сетей УКВ радиосвязи внутреннихводных путей России. "Информост средства связи", №1, М., 2002, 82 с.

66. Каталог оборудования ООО "Радиал" "Базовые антенно-фидерное оборудование". М., 2001, 120 с.

67. Бродский E.JI., Сикарев A.A. Комплексирование и интеграционные процессы в информационных системах связи и местоопределение подвижных объектов речных региональных структур "Речные информационные службы" "Наукоемкие технологии", №8, Т.4, М.,2004, с.13-19

68. Шахов А.Ю. Испытания Автоматизированной Информационной Системы (АИС) в ГБУ "Волго-Балт". "Информост. Средства связи", №17, 2001, с.12-14

69. Красников В.В., Петухов В.В., Сикарев A.A. "Особенности использования модели закона Максвелла при расчете дальности и зон действия речных АИС". "Информост Радиоэлектроника и телекоммуникации", вып. 4(46), М., 2006, с.8-10

70. Петухов Ю.В. "О состоянии и перспективах развития связи на ВВП", Труды 4-20 Международного форума "Связь на море и реке-2007", М., март 2007.

71. Петухов Ю.В. "Концепция развития СУДС и АИС на ВВП", Труды 4-20 Международного форума "Связь на море и реке-2007", М., март 2007.

72. Сикарев A.A., Вишневский Ю.Г. "Поля поражения сигналов и проблемы повышения электромагнитной защищенности мобильных телекоммуникационных систем", "Инфоком. Труды МАС", вып.2(33), М., 2005, с.22-28.

73. Вишневский Ю.В., Сикарев A.A. "Поля поражения сигналов и электромагнитная защищенность информационных каналов в АСУ ДС", СПб, Судостроение, 2006, 356с.

74. Бродский Е.Л., Сикарев A.A. "Инфокоммуникации управления и мониторинга транспортного процесса на внутренних водных путях Европы (часть 1)". Инфоком. Труды МАС", вып.3(34), М., 2005, с.20-31

75. Бродский Е.Л., Сикарев A.A. "Инфокоммуникации управления и мониторинга транспортного процесса на внутренних водных путях

76. Европы (окончание)". "Инфоком. Труды МАС", вып.4(35), М., 2005, с.21-27

77. Каретников В.В., Ракитин В.Д., Сикарев A.A. "Автоматизация судовождения", СПб, СПГУВК, 2007, 256 с.

78. Бродский E.JL, Ракитин В.Д., Сикарев A.A. "О реализации концепции построения дифференциальных подсистем ГНСС на ЕГС Европейской части РФ", "Транспорт Российской Федерации", №5, СПб, "Пресса", 2006, с.37-39

79. Анпилогов И.А., Петухов Ю.В., Стойлик Ю.Б. "Переходить или не переходить на частоту "Информост. Радиоэлектроника и телекоммуникации", 1(13), М., 2006, с.17-21

80. Петухов Ю.В., Стойлик Ю.Б. Комплексная система электросвязи внутреннего водного транспорта Информационное издание "ВКСС. Коннект", вып.6, М., 2006, с.33-41

81. Петухов Ю.В., Пономаренко С.А. Создание и функционирование в РФ ГМССБ "Информост", №2(44), М., 2006, с.15-17

82. Петухов Ю.В.Комплексная система электросвязи внутреннего водного транспорта. Информационное издание "ВКСС. Коннект. Мир связи", вып.З, М., 2007, с.

83. Петухов Ю.В. Поэтапное внедрение Речных информационных служб на внутренних водных путях Российской Федерации. Материалы симпозиума "ГИС Форум Дунай", Белград, 15-17 февраля 2006 г

84. Петухов Ю.В. Развитие телекоммуникационных и информационных технологий на морском и речном транспорте Труды 3-й Международной НПК "Телекомтранс-2005", Сочи, 23-25 апреля 2005

85. Петухов Ю.В. Состояние и перспективы развития связи и навигации на морском и речном транспорте "Труды 3-го Международного Форума "Связь на море и реке - 2006", М., 28 февраля - 2 марта 2006

86. Петухов Ю.В. Основные направления развития СУДС и АИС на внутренних водных путях России Труды 4-го Международного Форума "Связь на море и реке - 2007", М., 13-15 марта 2007

87. Петухов Ю.В. О состоянии и путях развития технологических сетей комплексной системы электросвязи внутреннего водного транспорта "Труды 4-го Международного форума "Связь на море и реке-2007", М., 13-15 марта 2007

88. Концепция РИС- «Руководящие принципы и рекомендации для речных информационных служб», ЕЭК ООН (Резолюция №57), октябрь 2005 года.