автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение системы управления потоками судов на судоходных каналах

На правах рукописи

Мартынова Ольга Владимировна

Математическое и программное обеспечение системы управления потоками судов на судоходных каналах

Специальность: 05.13.06 -Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций на кафедре «Прикладная математика».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кулибанов Юрий Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Колесников Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук Барщевский Евгений Георгиевич

Ведущая организация: Научно - производственная фирма «Меридиан»

Защита диссертации состоится 23 сентября 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

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

Автореферат разослан 5 июля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Ю.М. Кулибанов

2005-4 3

11886

Общая характеристика работы

Транспорт оказывает большое влияние на развитие отдельных отраслей хозяйства, на количество и качество выпускаемой продукции, па эффективность проводимых социально-экономических мероприятий.

Особое место в транспортном комплексе Росси принадлежит речному транспорту, выполняющему на многих направлениях перевозки грузов со значительно меньшими расходами, чем на железнодорожном и автомобильном транспорте. Речной транспорт в отличие от железнодорожного располагает большими резервами пропускной способности. На Волге пропускная способность составляет 80-100 млн.т. в год, что намного выше любой технически оснащенной железнодорожной магистрали. Первоначальные единовременные затраты на организацию судоходства по естественным магистральным водным путям с пропускной способностью 80-100 млн.т. грузов в год во много раз меньше, чем на сооружение железной дороги широкой колеи (с учетом подвижного состава) и в 2-3 раза меньше, чем на строительство автомобильной дороги с твердым покрытием. Следует отметить, что строительство каналов и гидротехнических сооружений со шлюзами требует больших капитальных вложений. Однако такие сооружения, как правило, наряду с улучшением судоходных условий решают и другие народнохозяйственные проблемы в области энергетики, водоснабжения, ирригации, экологической охраны окружающей среды.

В отдельных регионах России речной транспорт играет доминирующую роль. Так, например, в Якутии, Астраханской области и Удмуртии речные перевозки составляют более 35 процентов, а в Томской области - 80 процентов. Речной транспорт остается важнейшей отраслью для предприятий сырьевого комплекса и базовых отраслей переработки.

Использование в больших масштабах природных ресурсов Западной Сибири требует промышленного освоения труднодоступных территорий, проведения геологоразведочных изысканий. Недостаточное, а иногда и полное отсутствие сухопутных сообщений предъявляет повышенное требование к широкому использованию малых рек для завоза грузов в глубинные районы.

Роль речного транспорта в общей транспортной системе России во многом будет определяться степенью его конкурентоспособности, связанной со стоимостными уровнями перевозок, внедрением и развитием новых норм коммерческого обслуживания клиентуры. В этой связи одной из основных задач на ближайшую перспективу будет являться внедрение полного транспортного сервиса, подготовка условий для освоения и развития логистических схем перевозок на устойчивых грузопотоках. Сохранится приоритетная роль речного транспорта в зяатэдм [I] юн дли ш плщобеспечения районов Сибири и Крайнего Севера. | БИБЛИОТСКа"** '

С. Петер ОЭ МО"

Дальнейшее совершенствование организации транспортного процесса должно базироваться на внедрении автоматизированных систем управления (АСУ), с охватом всех основных объектов речного транспорта, которые должны быть связаны с АСУ смежных видов транспорта и других отрастем народного хозяйства, пользующихся услугами речников Целью разработки информационно-справочной системы управления перевозочным процессом по судоходному каналу является автоматизация основных функции оперативной обработки информации для обеспечения всех уровней управления перевозками оперативной информацией в необходимом объеме Ядром АСУ является единая информационная база, в которой содержится нормативно-справочная, оперативная информация, на основе которой рассчитываются вторичные показатели.

Эффективность работы водного транспорт в первую очередь зависит от работы судов транспортных единиц. Эффективность транспортных судов определяется безопасностью движения, точностью выполнения расписания, количеством израсходованного топлива, затратами труда на управление судном Работа каждого теплохода на оптимальных значениях эксплатационных характеристик зависит не только от степени автоматизации судовой силовой установки и рулевого комплекса, от профессионализма экипажа, но и от внешних условий: метеорологической обстановки, характеристик фарватера, плотности движения.

С ростом численности флота и открытием границ для зарубежных судов увеличивается плотность движения на внутренних водных путях. В этой обстановке вопросы оптимального использования судовых комплексов связаны с организацией движения, с решением задач расхождения на узких и извилистых фарватерах, с осуществлением управления при проходе гидротехнических сооружений Перечисленные задачи не могут решаться только собственными системами управления. Необходимо использовать несобственные системы управления, например, береговые радиолокационные станции для проводки судов по узким фарватерам, то есть системы, которые управляют сразу некоторой группой объектов Управляющая часть таких систем является общей для данной совокупности объектов.

Применение несобственных систем, используемых непосредственно на обьекте, решает следующие задачи:

управление режимами движения на трассах малой протяженности при прохождении гидротехнических сооружений;

управление расхождением и обгоном судов на узких и извилистых фарватерах;

управление режимами движения на трассах большой протяженности (более 10 км), с целью точного выполнения расписания и получении экономии топлива

Создание и дальнейшее эксплуатация подобных систем управления требует проведения исследования, как в теоретическом, так и в

экспериментальном плане. В частности, изучение интенсивности движения потоков судов на судоходных каналах. При нынешней интенсивности движения от 5- до 15 судов на километр, прохождение Волго-Допского канала большой проблемы для судог. не представляет. Но при 'экономическом росте в стране интенсивность может возрасти в два и более раз, что может вызвать колебательные явления в транспортном потоке, образование пробок при прохождении шлюзованных участков пути. Все тги ситуации можно предсказать заранее на основе методов групповой динамики с использованием имитационного моделирования.

Процесс перевозки грузов и пассажиров сам по себе является лишь конечным этапом взаимодействия большого числа зкономических и технологических процессов, направленных на обеспечение народного хозяйства транспортными услугами на водном транспорте Качество этих услуг, в конечном счете, зависит от качества всех взаимодействующих процессов. Каждому из процессов может быть поставлена в соответствие своя система для реализации. Характерной особенностью функционирования транспортных систем является циклический характер их работы с существенным преобладанием случайных параметров систем. Поэтому при моделировании транспортных систем их часто можно представить в виде системы массового обслуживания. В данной работе модель строится на базе однофазной одноканальной системы массового обслуживания с ожиданием без приоритета. Аналитическое моделирование такой системы на базе теории Марковских процессов требует принятия жестких ограничений для получения результатов. Эти ограничения часто не могут быть приняты без искажения существа работы транспортной системы. Для некоторых систем соответствующие им модели вообще не имеют разработанного математического аппарата для их математического моделирования.

Управление любой сложной системой весьма затруднительно без обратной связи, которая заключается в отслеживании и анализе данных, отражающих состояние мой системы и ситуацию вокруг нее. Постоянная доступность актуальной информации дает возможность оценить текущее положение дел, а обзор изменения конкретных характеристик во времени позволяет обнаружить тенденции развития системы и сделать выводы о том, что ожидает ее в будущем. Обладая всей полнотой сведений о состоянии системы и ее элементов в статике и динамике, можно принимать обоснованные решения по управлению транспортным потоком. Поэтому вопросы автоматизации управления транспортным процессом являются актуальными.

Основной целью диссертации является разработка инструментальных средств информационных систем контроля, предназначенных для автоматизации процессов управления нестационарными потоками судов на шлюзованных каналах

Для решения данной цели потребовалось решение следующих задач

• выполнить анилиз основных параметров взаимодействия судов при движении по каналу;

• разработать программы управления судами различных размеров при проходе шлюзованных участков канала;

• исследовать параметры транспортного потока, как для групповых моделей движения, так и для отдельных транспортных единиц;

• создать имитационную модель движения судов на шлюзованных участках пути для поиска эффективной концепции управления движением и возможностью предсказания поведения и характеристик управляемого движения;

• предложить структуру и программное обеспечение для информационной системы управления движением судов по шлюзованному участку канала.

Методы исследования. При решении данных задач использовались методы математического моделирования, основанные на теории массового обслуживания, теории вероятностей и случайных процессов, теория автоматического и автоматизированного управления, теория следования за лидером, методики имитационного моделирования.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

• предложены характеристики явлений и параметров движения судов при встречах и обгонах на судоходных каналах, позволяющие обоснованно находить безопасное расстояние между объектами, исключать возможность возникновения волновых явлений и тем самым обеспечить движение без заторов;

• математические модели групповой динамики потока судов, дающие возможность учитывать взаимовлияние движущихся объектов и параметры встречного движения;

• имитационная модель процесса шлюзования, учитывающая встречное движение судов и соответственно параметры очередей на нижнем и верхнем бьефах;

• алгоритмы лля автоматизации управления динамикой потоков судов на шлюзованных участках пути, разработанные на основании статистических методов и имитационного моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается аргументированной постановкой задач, конкретным обоснованием и анализом моделей, наглядностью интерпретаций формальных построений, а также результатами имитационных экспериментов, использующих программный продукт формализованного описания исследуемых процессов.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Явления и их параметры, которыми определяется движение судов при встречах и обгонах в каналах.

2. Комплекс математических моделей, учитывающий размеры судна и шлюза, гидравлические явления при проходе судов по шлюзованным участкам канала.

3. Математические модели групповой динамики потоков судов, позволяющие исследовать колебательные явления и причины остановки движения.

4. Основы получения информации о параметрах движения судов, оценки и тесты характеристик движения, которые позволяют эффективно решать задачи управления.

5. Методики разработки имитационной модели процесса шлюзования, позволяющие исследовать тенденцию изменения длины очереди, времени ожидания судном шлюзования в зависимости от среднего времени прихода судов к бьефам.

6. Структура и программное обеспечение автоматизированной системы управления потоками судов на судоходных каналах с учетом встречного движения.

Практическая значимость работы заключается в использовании разработанных моделях, методиках, программных решений и алгоритмах, для создания автоматизированных систем управления движением потоками судов по судоходным каналам и в частности на Волго-Донском водном пути.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных

исследований докладывались на одной международной научной конференции по наукоемким технологиям (г. Москва), всероссийской конференции (г. Санкт-Петербург), но отраслевых семинарах в СПГУВК, на секции по наукоемким технологиям в Доме ученых им. М.Горького (г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 7 статьях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав основного теста, заключения, приложения и списка использованной литературы, работа содержит 180 страниц печатного текста и рисунков.

основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы исследований. Определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе исследуются основные характеристики взаимодействия судов и составов при движении по судоходному каналу. Недостаточное знание элементов маневренности судна нередко становится причиной аварий (столкновений, ударов и навалов, посадки на мель и др.).

Под маневренными качествами судна понимают его способность изменять или сохранять заданную траекторию движения и характер самого движения. Маневренные качества включают такие эксплуатационные качества судна, как управляемость, инерционные характеристики, особенности движения на переднем и заднем ходу, которые оказывают влияние на траекторию и характер движения. Прежде всего, рассматриваются вопросы, связанные с определением параметров движения судна при маневре, а вопросы гидродинамики при этом служат базой для определения указанных параметров.

Положение судна при движении по поверхности воды в каждый момент времени можно определить, если ввести в рассмотрение две системы координат - систему хОу, постоянно связанную с судном, и систему £(317, неподвижно расположенную в пространстве. Начало первой системы координат хОу, связанной с судном, принимается в его центре тяжести (ц.т.). Оси этой системы направлены по главным осям инерции судна: ось Ох - по диаметральной плоскости в нос судна, а ось Оу - по нормали к ней в сторону борта, на который переложены рули. Вторая система ^Зц неподвижна в пространстве и расположена таким образом, что положительное направление оси совпадает с направлением прямого курса, а положительное направление принято в сторону борта, на который переложены рули судна.

Угол дрейфа |3 - угол между диаметральной плоскостью судна и направлением движения (вектором скорости) ц.т. судна. Угол курса (поворота) в — угол между диаметральной плоскостью судна и неподвижной осью Угол скорости - угол между осью и направлением касательной к траектории движения (вектором скорости). Углы, характеризующие движение судна, определяются соотношением:

Движение судна, как и любого твердого тела, по криволинейной траектории складывается из поступательного движения его ц.т. со скоростью V, направленной по касательной к траектории этой точки судна, и вращения с угловой скоростью со относительно вертикальной оси, проходящей через ц.т. судна. Под угловой скоростью вращения судна понимают изменение угла курса в единицу времени, что может быть выражено отношением

Координаты движения судна, как и любой точки, находящейся в сложном движении, должны определяться через соответствующие проекции скорости на координатные оси, относительно которых рассматривается данное движение, т.е. проекции скорости v на оси и могут быть выражены следующим образом:

= (¿¿¿/А) = усоъ<р\ V, =(с1т]/Л) = У5т<р

Отсюда координаты движения ц.т. судна определяются выражениями:

£ = ; 7= |У5Шрей

При определении элементов маневренности судна приходится иметь дело с проекциями скорости судна v на координатные оси Ох и Оу. Данные проекции определяются следующими выражениями:

у, = уссю/? ; \у - -УЭШр Поскольку поперечные силы и горизонтальные моменты являются основными характеристиками, определяющими степень безопасности обгона или встречи двух судов, эти усилия необходимо определить применительно к двум совместно движущимся судам. Длина, ширина и осадка судов соответственно обозначены через L=2a; B=2b; T=2c.

С центром тяжести судна связана своя система декартовых координат 0,х1у1;02х2у2. Оси Ох направлены вдоль больших осей судов (по длине), оси Оу - вдоль средних (по ширине), оси Ог - вдоль малых осей (по осадке). Угол дрейфа рассматриваемого судна положителен, если диаметральная плоскость отклонена от направления движения на внешний борт по отношению к другому судну, где А1 - отстояние центра тяжести (ЦТ) судна 2 от оси 01х1, а т1 - отстояние ЦТ судна 2 от О,>■, при этом 9 = /¡,~Р2

Для встречного и попутного движения на разных скоростях и в предположении, что углы дрейфа отсутствуют и жидкость идеальная, запишем потенциал скоростей, пользуясь методом последовательных приближений: Ф = д>1"' + <р2

где - потенциал скоростей поступательного движения 1-го судна в присутствии второго судна, при условии, что последнее не подвижно, потенциал скоростей для случая движения второго судна при условии, что первое неподвижно.

Потенциал скоростей Фв для случая встречного движения следующий:

Ф» = [Л(0) + МЪ»г ~ДА)-

4(0)--

Для случая движения судов при обгоне, когда скорости направлены в одну стосону.

4

М 0)-4М-2

у2Х2А (Д,)

Я, определяется из уравнения софокусного эллипсоида:

—+-

1 +Я, 6," + X, с,2 +Л,

= 1

- перемещение судна в декартовых координатах, которые связаны с центром тяжести ¡-го судна.

Главные векторы гидродинамических реакций Я и момента М определяются интегрированием давлений по поверхности рассматриваемого

судна:

№

и

где л, - ort внешней нормали к поверхности; г, - радиус-вектор точки на поверхности ; (р-рй) - избыточное давление, определяемое по

уравнению Лагранжа: ÜI^A + + — = о. Производная по времени

р dt 2 dt

берсчея в неподвижной системе координат. Уравнение Лагранжа записано в

предположении отсутствия массовых сил, которые в рассматриваемом случае

не имеют значение.

Для интеграла Лагранжа в подвижной системе координат, связанной с

рассматриваемым судном 0,x,ytz,, соответственно имеем:

/ ч дФ р ,2. , , 5Ф ЧЭФ

(.P-p<>) = -p-^~--grad ф + р(у„ +©/lZ, -й>г,У,)— + P(V„ +o)liX,-<йлZ,)—+

ox.

дФ

dzy

ГДе grad Ф = — j +

дФ

If /•

f ЭФ 1 (dФ

i /

V&i

; v^v^v,, - проекции поступательной

скорости; - проекции угловой скорости. Для нашего случая

Oji = о)у, = a,i=0. Кроме того, поскольку движение двух судов рассматриваем

в горизонтальной плоскости, то ул ^ 0; при этом в общем случае

соответственно vxi = v, cosД; vyl = v, sin Д. Таким образом, получаем:

/• ч 9Ф р п дФ . 0 дФ

(Р-Ро)^-Р ^--~grad Ф + pvt cos Д —+pv,sinД — dt 2 8xt ду,

На основе этих формул выражения для поперечной силы Y и момента М относительно вертикальной оси рассматриваемого судна будут следующие:

r~,JJ

s,

M = -p¡¡

„8Ф . „» 0Ф 1 . V, cos Д--i-v1 sin Д ----———grad Ф

дх,

'ay, dt 2

cos(i7jy,)<iS

. аФ . . ЭФ ЗФ i

v,cosÄ— + v1sm/51-----—-grad Ф

dx, су, ot 2

[*, cos(n,y,) - у, cos(n,)]ctS

При учете влияния конечности глубины фарватера на гидродинамические силы возникает необходимость в определении универсальной характеристики ограниченности потока. Когда два судна равны по размерам, то такой характеристикой является отношение глубины к осадке судов Н/Т. Однако при 1*1 такой характеристикой является Н/Тср, если вместо осадки Т, отнесенной к какому-либо конкретному судну, под Т9

понимать среднюю для них осадку: Tc¡¡ = ~(Tml¡ +ГЮ).

-г- н н

Тогда — = — TT

Т

1+ SÜ-Т min

Км !Су =1 + 10ехр

Эта формула, позволяет производить учет конечной глубины фарватера на поперечные гидродинамические силы. Она применима как при обгоне, так и при встречном движении.

Для случая обгона на равной скорости в жидкости неограниченной и конечной глубины без учета влияния свободной поверхности найдены следующие аппроксимации при / > 1,0:

= 2,04К„ [ехР[о,789 + ОДСг-1,9)*%°*™'}]соз2 Щ-

С„0 = 0,94^ [ехр [0,68 + 0,07(/ - 2,4)г Хо—оо« }]51п

В случае мелководья значения коэффициентов взаимодействия для глубокой воды должны умножаться на коэффициент

Полученные зависимости показывают, что гидродинамические усилия зависят от траверсных расстояний между бортами судов, скорости и относительной глубины фарватера. Гидродинамические усилия от взаимодействия судов резко увеличиваются с ростом скорости. В частости, при встречах и обгонах на ограниченных глубинах скорость должна отвечать условию , а на глубокой воде

Наиболее интенсивно

гидродинамическое взаимодействие судов проявляется на мелководье, когда отношение Н/Т^к 3. Следует помнить, что при заметном различии в размерах судов наибольшие гидродинамические усилия от взаимодействия при обгоне будут действовать на меньшее по размерам судно. Обгон в каналах запрещается для всех типов судов. Встречные расхождения могут иметь место при соблюдении требований правил плавания в канале.

Во второй главе для исследования управлений предельными режимами при входе судна в шлюз разработан комплекс математических моделей, учитывающих геометрические размеры шлюза и судна, гидравлические явления, происходящие при данном процессе.

Судовой комплекс с дизельной энергетической установкой (ДЭУ) при шлюзовании подвергается действию сил и моментов, которые зависят от конструктивных особенностей шлюза и внешних условий. Рациональные управления должны отвечать требованиям максимального быстродействия. Это означает, что выбранные режимы работы обеспечивают минимальное время входа судна в шлюз при ограничениях на перегрузку по моменту и температуре выхлопных газов.

В качестве исходной системы дифференциальных уравнений примем

следующую: ^

где и, - частота вращения /-го дичеля; к - число гребных винтов; Ли-присоединенные массы воды относительно продольной оси; Ре~ упор гребных винтов; К- сопротивление движению; 1р- момент инерции

вращающихся масс гребного винта и приведенных к нему вращающихся частей; А44р- присоединенный момент инерции воды при вращении

гребного винта; Мд- вращающий момент дизеля; М- момент сопротивления вращению вала дизеля.

Полное сопротивление движению равно: Я - Як + Рд + Ве Як~ сопротивление корпуса; Кд- сопротивление гребного винта; воздушное сопротивление.

Поведение судового комплекса будет описываться таким уравнением:

+ О)

Скорость движения судна и нагрузка на ДЭУ зависят от характеристик фарватера: (2)

здесь Т - осадка судна; В - ширина судна; Н(Б) - глубина фарватера в функции пути; В (Б) - ширина фарватера; относительная глубина фарватера; относительная ширина фарватера.

Если перейти в уравнении (1) от пути к скорости и учесть зависимости (2), то можно получить следующее:

где «•][- коэффициент присоединенной массы на мелководье; к{) -коэффициент присоединенной массы, учитывающий влияние стеснения фарватера.

( dS'\ с!Б

агБ

*

Положение судна определяется положением его носовой оконечности. При пересечении объектом границы изменения В\ на В2 относительное сужение меняется линейно от В/В1 до В/В2 на участке шлюза, равного длине Ь - судна. Так, если носовая оконечность судна длиной Ь находится на

расстоянии о - О] < ь, то =-----

Ь В]

гр/яз-уя^-^), Т

Ь я2

Зависимости для определения коэффициента присоединенных масс: кп = К?х + КП

К = (0.624 + 0.725)-] — ь В

0.18 + 2.881^

К{[ = [о.22(5 - 0.28)/-; + 0.5(5 - 0.45)^2 }(+ 6,5(0,97 - 8)(),5 ]

где коэффициент присоединенной массы, который зависит от

- число Фруда, К"х -

геометрических размеров судна, ^

коэффициент присоединенной массы, который учитывает волнообразование.

Коэффициент присоединенной массы, когда движение осуществляется в стесненном по ширине и глубине канале прямоугольного сечения, определяется из следующей зависимости = К{ х + /<Гц, К«п={Р/и+Р2)П2к, где /}= (0.624+ 0.725)Р3, Р2=(0 624 + 0.725)Р4. На характеристики продольного движения объекта основное влияние оказывает сила сопротивления, которая зависит от геометрических размеров, режима движения, характеристик среды, размеров фарватера:

соответственно вязкостное и волновое сопротивления, коэффициенты вязкостного и волнового сопротивления, О -смоченная поверхность судна, р - плотность воды.

Коэффициент определяется по следующим формулам:

^=о.оз* * 857л;°143 (1 - 1н45у19-°

о 581-0.5(75+ 0-75) 1-0.7». '

Ь0 =1 + 0.0216(1 + 25)

1 + 7.875 -1.11 х 103 Г—1

где ^/.А^/.А^

коэффициент сопротивления трения гладкого корпуса, коэффициент приращения в £,к (учет шероховатости), коэффициент сопротивления

УЬ

выступающих частей, Ке = —— число Рейнольдса.

Формула для определения вязкостного сопротивления:

Для определения коэффициента рекомендуются такие зависимости:

волнового сопротивления

Взаимодействия судового комплекса с ДЭУ и шлюза, когда их некоторые геометрические размеры практически совпадают, например, длина судна и камеры шлюза, ширина судна и камеры, сопровождаются перекосами поверхности воды в шлюзе. При резком перекосе быстро возрастает сопротивление движению. Рост сопротивления приводит к уменьшению скорости судна, а в некоторых случаях и к полной остановке его. Это сокращает пропускную способность гидротехнических сооружений и поэтому задача поиска рациональных управлений для дизельной энергоустановки является актуальной. Модель процесса входа судна в шлюз создается на основании возникновения так называемого «поршневого эффекта». Суть его заключается в увеличении уровня воды в носовой части судна по сравнению с кормовой, что приводит к всплытию носовой оконечности и к появлению силы соскальзывания

Рассмотрим влияние силы на сопротивление шлюзующегося судна.

<1иг.

Известно уравнение движения судна т = —- =

Ж

где

а,

Р - Ре(0.ш>ис,п) — упор, развиваемой дизельной судовой установкой; сечение, равное разности поперечных сечений смоченных поверхностей судна и камеры шлюза; п - частота вращения дизеля; '^1Я = Я(ис,С1ш)±Рс -сопротивление движению судна; - сила соскальзывания судна;

вес судна.

- наклон водной поверхности (зеркала в камере шлюза);

Величина силы соскальзывания определяется изменением уровня воды в носовой части судна, что приводит к появлению уклона ау. Найдем

изменение ау из следующих теоретических предпосылок. Объем воды, заключенный между носом судна и передними воротами без учета его уменьшения за счет перетекания воды под днищем судна и между бортом и стенкой шлюза, определяется так' = /5„Я0 = 1{8Н - Би )#'

/ - ширина судна; Я0 - начальная глубина шлюза; Б,, - длина камеры шлюза; 6'и - путь, проходимый судном в камере шлюза; Н - новое значение уровня воды без учета расхода воды.

Объем воды, вытекающей из шлюза при входе в него судна, может

быть найден так

где ? - текущее время, g - ускорение свободного падения.

Н =■

Учитывая, что АН -Н

5Н

, где Ж

площадь зеркала

камеры шлюза.

Произведем дифференцирование уравнений для объемов по времени и получим дифференциальное уравнение изменения уровня воды:

Изменение пути 5И может быть найдено из следующего уравнения:

Л

- = и.

Полученные результаты позволяют провести теоретические исследования изменения ис при постоянн^гх упорах ДЭУ и с помощью, например, обратных задач динамики, задавшись законом изменения в функции скорости судна и с учетом ограничений на силу соскальзывания , найти алгоритмы управления дизельной энергоустановкой.

В третьей главе проведен анализ основных характеристик транспортного потока при движении по судоходному каналу. Для разработки алгоритмов управления движением необходимо, прежде всего, понять природу и характеристики транспортных потоков, а затем исследовать поведение системы после введения различных управляющих воздействий. Для этой цели могут показаться полезными непосредственные наблюдения за транспортными потоками. Однако этот метод практически неосуществим, так как, во-первых, трудно найти подходящие для каждого данного эксперимента в пределах большого района транспортные потоки, во-вторых, это принципиально недопустимо, так как случайное экспериментирование на реальном объекте может привести к транспортным заторам и даже к

происшествиям. Поэтому подобные исследования наиболее эффективно можно произвести на основе математических моделей. Необходимо создать модель, представляющую реалистичную картину транспортного потока и доступную для систематического анализа.

Модель групповой динамики движения определяется как модель, представляющая средние характеристики транспортного потока, состоящего из судов, каждое из которых имеет стохастические характеристики. Параметры такой модели следующие: скорость v - средняя скорость судна; плотность к - число судов, занимающих единицу длины полосы движения на воде в любой данный момент; интенсивность движения g - число судов, проходящих любую данную точку пути в единицу времени.

Если все суда имеют одинаковые скорости, то из приведенных определений получаем:

Рассмотрим связь между скоростью v и плотностью к. В общем случае, когда плотность к, т.е. степень насыщения, повышается, судоводители снижают скорость для обеспечения безопасности движения. Поэтому имеется существенная корреляция между v и к, т.е. скорость v может быть приближенно выражена как монотонно убывающая функция к. Хотя вид этой функции определяется характеристиками пути, типами судов, составляющих поток, погодными условиями и т.д.. Эта взаимосвязь между к и v была в первые предложена Гриншильдсом и выражается уравнением:

где v - скорость свободного движения, или максимальная скорость, а кс - максимальная плотность потока, при движении которой все суда в потоке останавливаются.

С - неотрицательная константа с размерностью скорости, кс плотность потока, при которой у=0, т.е. максимально возможная плотность потока на трассе, к, - ограничение скорости. Когда мы имеем дело с таким движением, то можно приблизительно представить эффект ограничения скорости линейной функцией типа , где - константа.

Величина скорости и плотности , которые максимизируют интенсивность потока q, а также соответствующее максимальное значение qm могут быть легко получены уравнениями:

1) модель Гринберга (п=-1):^

где е - основание натуральных логарифмов;

2) Модель Гриншильдса(п=1):

3)Обобщенная модель (и ф -1)

и+1 Iл+31

= п + 1

Чт [1/22'**1 (п 4 3)2/<"+1'+1

Если ~у» тогда скорость, которая максимизирует интенсивность потока, равна1''"; в любом другом случае эта скорость близка к у'.

Рассмотрение модели транспортного потока показывает, что в ней существуют области неустойчивости. В рамках модели Гриншильдса (случай

п=1) скорость V лежит в пределах 0 < у < у0 , так что ~>0

йV

Тогда, если по любой причине скорость некоторой части понизится на Ду, то интенсивность движения этой части потока понизится на ке( 1-2у/у0)Ду. Поэтому плотность этой части потока к повысится, и

скорость будет далее снижаться. Другими словами, возмущение скорости является незатухающим, что и демонстрирует неустойчивость поведения транспортного потока. В этих случаях суда в потоке вынуждены неоднократно трогаться с места и останавливаться. Такое явление носит название колебательное.

Рассмотрены несколько математических моделей движения отдельных транспортных единиц: линейная теория следования за лидером, нелинейная теория следования за лидером, статистические модели.

При движении судов в караванах, по шлюзованным участкам каналов (кроме случая очень малых интенсивностей) движение любого судна ограничено судном, движущимся впереди. Такие ограничения можно принимать, используя теорию следования за лидером. Пусть * и -пространственные координаты, следующих друг за другом судов I и 1+1. В простейшей модели мы примем, что ускорение (¡+1)-го судна прямо пропорционально разности скоростей между ¡-м и (гН)-м судами, т.е.

+ = (4)

где - время реакции судоводителя, а а - постоянная, представляющая «чувствительность» водителя (а>0). Если мы используем как единицу времени и допустим, что t~■ai, то уравнение станет дифференциально-

разностным уравнением вида

= (5)

где К = сал> 0 - безразмерная константа, а х используется как пространственная координата, несмотря на изменение масштаба времени.

Пусть XX') - преобразование Ляппаса от * (/). Тогда уравнение (5)

преобразуется к виду: «'Аг„,(«) = .£{ЛГ1(«)-Лг1.иСг)}. Если судно I является

%

лидирующим, тогда Хн1 (л) = —-— X, (я).

(л +хе )

Можем исследовать устойчивость определяя, имеет ли

уравнение £ + ¿'=0 корни с положительными действительными частями. Хотя это уравнение имеет в общем случае бесконечно много комплексных

корней, корень с максимальной действительной частью определяет устойчивость (г). Проанализировав корни этого уравнения следует, что когда два или более судна движутся друг за другом, необходимым условием для устойчивости является К <жIIщ Однако даже при этом условии в случае возможно столкновение судов в зависимости от амплитуды и фазы затухающих колебаний.

В четвертой главе разрабатывается информационная система для управления движением судов по судоходному каналу. В настоящее время диспетчеры канала и шлюзов ведут ручной контроль судов, проходящих через канал. Экономические причины требуют решение вопроса, как сделать канал более эффективным, но при более низких затратах для проходящих судов и на функционирование канала. В идеале большинство функций системы должны выполняться автоматически. Транспондеры должны предоставлять информацию о скорости и позиции судна. Электронная диаграмма путь/время упростит процесс управления судоходством и обеспечит удаленный контроль за световыми сигналами. Так как это связано с большими материальными затратами, то на первом этапе будет создана база обработки данных о судах, которая откроет простой доступ к требуемым данным так же, как и позволит автоматически обмениваться данными. Обработка данных для определения рекомендуемой скорости будет способствовать планированию оптимизированного потока судов и эффективному использованию шлюза. Будущая система управления движением судов канала должна обеспечивать уровень безопасности и эффективности судоходства. Для этой цели:

• требуется точное определение позиций и передвижений судов вдоль канала;

• должен быть улучшен контроль за скоростью и дистанцией между судами;

• отображение судоходной обстановки должно создаваться более эффективным способом;

• управление судоходством должно быть связано с возможностью точного прогнозирования прибытия судов;

• необходимо создать системы автоматического обмена данными вдоль трассы канала.

Шлюзы обеспечиваются средствами для прогнозирования ожидаемого времени прибытия судов. Для этой цели производится сбор информации о приближающихся судах с обеих сторон канала и делается предварительный прогноз о времени прибытия. Судам сообщается предварительная информации о планировании работы шлюзов.

Диспетчерский центр канала обеспечивает постоянный контроль за судоходством. В диспетчерский центр должна поступать информация о приближающихся судах с обеих внешних сторон канала для оптимизированного управления судоходством. Предусмотрено развитие

структуры электронной экспертной системы для объективного принятия решений по управлению потоками судов.

Основной целью системы управления движением в частности по Волго-Донскому каналу является выбор оптимальных режимов и времени перемещения судов между шлюзами, на основе применения средств электронной обработки данных. Система управления движением на канале должна включать следующие системные функции:

• обнаружение, идентификацию и слежение за судами в канале, шлюзах и на подходах;

• сообщение подходящим судам рекомендованной скорости, чтобы приближения судов не вызвало их скопление у внешних ворот шлюзов;

• обработку данных о судах, включая базу данных по судам и обмен данными о судах;

• управление судоходством с помощью средств планирования, удаленного контроля за пространством;

• дополнительные средства по записи и воспроизведению, а также формированию отчетов для статистики и бухгалтерии.

Обработка данных о судах требует создания банка данных, обработку этих данных и автоматический обмен.

Могут быть выделены три характерных типа данных о судах:

• постоянные данные, например, наименование, длина, ширина, хранимые длительное время;

• переменные данные, например, порт назначения, осадка, количество груза и т.д. действительные как минимум на один рейс;

• постоянно меняющиеся данные, например время прибытия, курс, скорость.

Система обработки данных о судах с банком данных будет иметь возможность хранить все вышеперечисленные типы данных. Постоянные данные могут быть предоставлены регистром, переменные данные могут быть получены из сообщений поступающих с судов, и постоянно меняющиеся данные для судов в канале сообщает компьютер.

Управление судоходством на канале осуществляется:

• для обеспечения безопасности плавания;

• для уменьшения среднего времени ожидания судами шлюзования.

Для выполнения этих целей система обеспечивает планирование судоходства и управление процессом прохода судами шлюзов. Управление судами при проходе шлюзов обеспечивает решение двух основных задач: избежать простоев судов; использовать процесс планирования занятием шлюзов в общем процессе управления движением.

Диспетчеры шлюзов получают информацию об ожидаемом времени прибытия судов, и поэтому имеют возможность выбирать

последовательность шлюзования судов, включая их размещение. При этом автоматически рассчитывается рекомендованная скорость движения.

В настоящее время операторы шлюзов вручную вносят информацию о передвижении судов для бухгалтерской отчетности, статистики и последующего восстановления ситуаций, например в случае происшествий. В диссертации этот процесс автоматизирован с помощью создания банка данных, где информация обрабатывается и хранится с помощью созданного программного обеспечения.

Программное обеспечение системыуправления движением судов.

Для решения задачи учета работы шлюза используется платформа 1С версия 7.7. В системе используются следующие объекты языка 1С:

-Справочники (для ввода и хранения информации о судах);

-Перечисления - именованные списки констант(напр. перечисление "Направление", содержащее два возможных значения ВВЕРХ, ВНИЗ);

-Константы разных типов (числовые, строковые), в которых хранятся значения параметров шлюза (напр., ДлинаШлюза, ДопускДлиныШлюза);

-Документы (для регистрации действий оператора, ПриходНаШлюз, Шлюзование);

-Журналы (для хранения списка документов: ЖурналОчереди, ЖурналШлюзований);

-Регистры - средство обработки и накопления сводной информации оперативного учета;

-Запросы - средство для выполнения обращения к документам, регистрам, документам, справочникам и журналам с целью получения сводной информации при формировании отчетов.

В глобальном модуле конфигурации описываются общие для всех объектов процедуры и функции. В данной задачи в глобальном модуле формально описана функция: ВычислениеВремени, которая впоследствии используется в других программных модулях с фактическими параметрами.

Практически каждый из агрегатных объектов (Справочник, Документ, Журнал) имеет модули, в которых содержится программный код для описания функций и процедур, присущих этому объекту. Все переменные, функции и процедуры модулей объектов действуют только в пределах данного программного модуля, в отличие от переменных и функций, определенных в Глобальном Модуле.

Например, для справочников программный модуль содержит процедуры Печати, Проверки уникальности строк, Проверки заполненности реквизитов справочника.

Программные модули документов имеют два блока: МодульФормы и МодульПроведения.

1. Так в документе ПриходНаШлюз в модуле формы описаны следующие ф-ции:

• РасчетСкорости() - процедура расчета рекомендуемой скорости с помощью функции ВычислениеВремени Глобального модуля;

• ПечатьКарточкиСудна() - процедура формирования печатной формы документа ЗаявкаНаШлюзование.

Модуль проведения:

• ПриПроведении() - проверка заполненности полей. 2. Документ Шлюзование:

• Здесь реализован алгоритм проведения судна через шлюз на основании линейных размеров шлюза и судна, количества судов в очереди;

• флага работоспособности шлюза и направления шлюзования. Модуль проведения

• ПриПроведенииО - процедура изменения состояния регистра ОборотШлюза в зависимости от количества грузов, прошедших шлюз.

На основании значений регистра ОборотШлюза (регистр остатков) сформирован отчет ОборотШлюза, в котором вычисляется количество груза, прошедшего через шлюз.

Многопользовательский режим работы, интерфейсы пользователей реализованы стандартными средствами 1С.

В этой главе так же рассмотрены вопросы эффективной системы защиты информаци. Надежность защиты информации, прежде всего, будет определяться полнотой решения целого комплекса задач.

Отдельный раздел законопроекта "О коммерческой тайне", посвященный организации защиты коммерческой информации, определяет необходимый комплекс мероприятий по ее защите:

• установление особого режима конфиденциальности;

• ограничение доступа к конфиденциальной информации;

• использование организационных мер и технических средств защиты информации;

• осуществление контроля за соблюдением установленного режима конфиденциальности.

Эффективность защиты информации в автоматизированных системах достигается применением средств защиты информации. В настоящее время на рынке представлено большое разнообразие средств защиты информации, которые условно можно разделить на несколько групп:

• средства, обеспечивающие разграничение доступа к информации в автоматизированных системах;

• средства, обеспечивающие защиту информации при передаче ее по каналам связи;

• средства, обеспечивающие защиту от утечки информации по различным физическим полям, возникающим при работе технических средств автоматизированных систем;

• средства, обеспечивающие защиту от воздействия программ-вирусов;

• материалы, обеспечивающие безопасность хранения, транспортировки носителей информации и защиту их от копирования.

В пятой главе на базе имитационного моделирования строится модель для исследования процесса шлюзования и расчета пропускной способности шлюза.

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам диспетчерского планирования, регулирования, прогнозирования транспортной ситуации в заданном интервале времени. Для решения таких задач имитационное моделирование является единственно возможным методом в условиях реализации на ЭВМ. Конечно, можно использовать аналитическое моделирование процесса шлюзования на базе теории Марковских процессов, но это требует принятия жестких ограничений для получения результатов. Эти ограничения часто не могут быть приняты без искажения существа работы транспортной системы. В связи с этим в работе используется метод машинной имитации данного процесса по средствам пакета вР88.

Алгоритм работы такой системы следующий. Суда через случайные интервалы времени приходят на нижний и верхний бьефы шлюза. Полагаем, что случайное время между приходами судов на нижний и верхний бьеф подчиняется экспоненциальному закону. Время проводки в каждом из направлений подчиняется нормальному закону распределения.

Имитационное моделирование предполагает количественное изучение транспортного процесса с целью оценки эффективности того или иного варианта решения. В таблице представлены 4 варианта моделирования, каждый проходит в течение 60 дней. Нас интересует такая интенсивность потоков приходящих судов на верхний и нижний бьефы, которая обеспечивает минимальное накопление очереди при высоком коэффициенте использования. С учетом сформулированной задачи, система наиболее оптимально работает во втором варианте. Среднее время прихода судов на верхний и нижний бьефы в этой модели равен 1 ч.. Шлюз используется достаточно эффективно (коэффициент использования равен 0,819), хотя в среднем суда ожидают прохождения через шлюз 2 ч. на верхнем бьефе, 3,4 ч. - на нижнем. Максимальная длинна очереди в этом варианте моделирования 17/22 судна на верхнем и нижнем бьефе соответственно.

Если условием, которое наложено на коэффициент использования шлюза, пренебречь, то оптимальный вариант моделирования по всем показателям будет первый. При среднем времени прихода судов 1,5/2 на верхний и нижний бьефы соответственно, очередь к моменту завершения моделирования на нижнем бьефе отсутствует, а на верхнем равна 7. Среднее время судна в очереди равно 1,7/2,7 соответственно на верхнем и нижнем бьефе, притом, что 265/83 судна были обслужены сразу (не находясь в очереди).

В данной работе приведены варианты моделирования, когда судам приходится ждать обслуживания больше суток. Из таблицы видно, если среднее время прихода судов к шлюзу будет меньше часа, то система не эффективна. Важнейшей задачей речного транспорта является сокращение

простоев флота, готооое мо^ет бить достигччто зя счег введения в работу еще одной литки шлюза

Наибо iee «ai ivjj.HO результаты моделирования приведены ниле на Д^ГГрЭММЭХ

Для описания моментов поступления судов на обслуживание испо!ьзуется экспоненциальный закон распределения Нормальное распределение используется для описания времени обслуживания судов шлюзом Все зти случайные моменты времени собираю гея в статистические iao гицы Построенные по этим таблицам гистограммы распределения времени прихода и времени обслуживания представ 1ены ниже К примеру щнные сгруппированы по четырем интерватам, количество судов в каждом интервале различно Это об\словлено тем, что в кажлом конкретном сч\чае время прохождения судном шлюза когеб1ется Но лиаграмме видно чю колебания происходят в интервале ог 21 до29 Уинут

4.

й

'kg

И =S

л-й а fifu ir

e¡ ы &<

а в

и Я

„ «м л а

tj *

<в

<&

JO ^ §

£

К

<L> £>

К & 1)

« V

О о

et

ffl «

а

к

а 5-

й д,

5> «

8 ^ я о

ч

и

а О

1 5

1760

0 487

10/10

7/0

1018/749

265/ 83

17/27

2957

0 819 17/22

15/10

1499/1483

204/ 48

2 3 4

07

3604

0 998 111/76

84/ 76

2224/1540

0/1

31 1/ 30 Я

05

3599

0 998 700/ 433

693/ 430

2956/1766

0/1

183 3/182 5

Зависимость МАХ длины очереди от вр. прихода судов.

со X £

< г

-Ср вр прихода судов (ч) на верхний йь^ф

■Ср вр прихода судов (ч) на нижний бьеф

прихода судов на бьеф (ч )

Диаг рлмчл 1

Гистограмма распределения времени прихода судов

Интервалы времени (мин )

Днл! рам мл 4

Гистограмма распределения времени прохождения судном шлюза.

23 25 27 29

21 23 25 27

ОР~я Д 1 33 507 444 26

Интервал времени (мин )

Диаграмма т

Основные результаты

1 Выполнен анализ основных параметров взаимодействия судов при движении по судоходному каналу, что позволило определить безопасные траверсные расстояния и скорости движения как для отдельных судов, так и для потока судов на различных бьефах

2 Разработаны программы упрятения сутами различных размеров обеспечивяюшие безопасность плавания и сохранность гидросооружений.

3. Получены параметры транспортного потока с помощью разработанных математических моделей групповой динамики, на основе которых исследованы причины образования колебательных явлений и остановок отдельных совокупностей судов.

4. Создана имитационная модель процесса шлюзования, учитывающая встречное движение судов и соответственно параметры очередей на нижнем и верхнем бьефах судоходного канала;

5. Разработана структура и программное обеспечение для информационной системы управления на шлюзованном участке канала с учетом встречного движения и разной интенсивности транспортного потока.

6. Предложена методика имитационного моделирования решающая задачи объективного проектирования систем управления потоками судов.

Основные публикации по теме диссертации

1. Мартынова О.В. Исследование процессов шлюзования, расчет пропускной способности шлюза./ Методы прикладной математики в транспортных системах: Сборник научных трудов. - СПб.: СПГУВК, 2000. с. 201-203.

2. Мартынова О.В. Информационная система для оператора шлюза/ Методы прикладной математики в транспортных системах: Сборник научных трудов. Выпуск 7. - СПб.: СПГУВК, 2002. с.207-210.

3. Мартынова О.В. Моделирование движения судов по шлюзованным участкам водного пути. / Методы прикладной математики в транспортных системах: Сборник научных трудов. Выпуск 7. - СПб.: СПГУВК, 2002. с.210-212.

4. Мартынова О.В. Методы определения сил и моментов, действующих на суда при расхождениях и обгонах./ Автоматизированные системы управления на транспорте: Сборник научных трудов. - СПб.: СПГУВК, 2003. с. 185-188.

5. Мартынова О.В. Зависимость между скоростью, плотностью и интенсивностью в судовом потоке./ Автоматизированные системы управления на транспорте: Сборник научных трудов. - СПб.: СПГУВК, 2003. с. 188-190.

6. Мартынова О.В. Влияние условий плавания на характеристики взаимодействия судов./ Автоматизированные системы управления на транспорте: Сборник научных трудов. - СПб.: СПГУВК, 2003. с.190-194.

7. Мартынова О.В. Разработка информационной системы управления движением судов Волго-Донского канала./ Информационное и математическое обеспечение автоматизированных систем управления: Сборник научных трудов. - СПб.: СПГУВК, 2004.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 01.07.04. Сдано в производство 01.07.04.

Лицензия № 000283 от 191 0.98. Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. 1,46. Уч.-изд.л. 1,76. Тираж 60 экз. Заказ №270

Отпечатано в ИИЦ Ф ГОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

04 - 1 50 99

РНБ Русский фонд

2005-4 11886

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СУДОВ И СОСТАВОВ МЕЖДУ СОБОЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО СУДОХОДНОМУ КАНАЛУ.

1.1. Основные определения.

1.2. Технические средства управления судном.

1.3. Основные параметры криволинейного движения судна.

1.4. Характеристика сил, действующих на движущееся судно.

1.5. Уравнения движения судна.

1.6. Гидродинамические силы, действующие на судно при встречах и обгонах.

1.7. Влияние мелководья на характеристики взаимодействия двух судов при отсутствии свободных границ в жидкости.

1.8. Взаимодействие двух судов при расхождении в каналах.

Транспорт оказывает большое влияние на развитие отдельных отраслей хозяйства, на количество и качество выпускаемой продукции, на эффективность проводимых социально-экономических мероприятий.

Особое место в транспортном комплексе Росси принадлежит речному транспорту, выполняющему на многих направлениях перевозки грузов со значительно меньшими расходами, чем на железнодорожном и автомобильном транспорте. Речной транспорт в отличие от железнодорожного располагает большими резервами пропускной способности. На Волге пропускная способность составляет 80-100 млн.т. в год, что намного выше любой технически оснащенной железнодорожной магистрали. Первоначальные единовременные затраты на организацию судоходства по естественным магистральным водным путям с пропускной способностью 80-100 млн.т. грузов в год во много раз меньше, чем на сооружение железной дороги широкой колеи (с учетом подвижного состава) и в 2-3 раза меньше, чем на строительство автомобильной дороги с твердым покрытием. Следует отметить, что строительство каналов и гидротехнических сооружений со шлюзами требует больших капитальных вложений. Однако такие сооружения, как правило, наряду с улучшением судоходных условий решают и другие народнохозяйственные проблемы в области энергетики, водоснабжения, ирригации, экологической охраны окружающей среды.

В отдельных регионах России речной транспорт играет доминирующую роль. Так, например, в Якутии, Астраханской области и Удмуртии речные перевозки составляют более 35 процентов, а в Томской области - 80 процентов. Речной транспорт остается важнейшей отраслью для предприятий сырьевого комплекса и базовых отраслей переработки.

Использование в больших масштабах природных ресурсов Западной Сибири требует промышленного освоения труднодоступных территорий, проведения геологоразведочных изысканий. Недостаточное, а иногда и полное отсутствие сухопутных сообщений предъявляет повышенное требование к широкому использованию малых рек для завоза грузов в глубинные районы.

Роль речного транспорта в общей транспортной системе России во многом будет определяться степенью его конкурентоспособности, связанной со стоимостными уровнями перевозок, внедрением и развитием новых норм коммерческого обслуживания клиентуры. В этой связи одной из основных задач на ближайшую перспективу будет являться внедрение полного транспортного сервиса, подготовка условий для освоения и развития логистических схем перевозок на устойчивых грузопотоках. Сохранится приоритетная роль речного транспорта в завозе грузов для жизнеобеспечения районов Сибири и Крайнего Севера.

Дальнейшее совершенствование организации транспортного процесса должно базироваться на внедрении автоматизированных систем управления (АСУ), с охватом всех основных объектов речного транспорта, которые должны быть связаны с АСУ смежных видов транспорта и других отраслей народного хозяйства, пользующихся услугами речников. Целью разработки информационно-справочной системы управления перевозочным процессом по судоходному каналу является автоматизация основных функций оперативной обработки информации для обеспечения всех уровней управления перевозками оперативной информацией в необходимом объеме. Ядром АСУ является единая информационная база, в которой содержится нормативно-справочная, оперативная информация, на основе которой рассчитываются вторичные показатели.

Эффективность работы водного транспорта в первую очередь зависит от работы судов транспортных единиц. Эффективность транспортных судов определяется безопасностью движения, точностью выполнения расписания, количеством израсходованного топлива, затратами труда на управление судном. Работа каждого теплохода на оптимальных значениях эксплуатационных характеристик зависит не только от степени автоматизации судовой силовой установки и рулевого комплекса, от профессионализма экипажа, но и от внешних условий: метеорологической обстановки, характеристик фарватера, плотности движения.

С ростом численности флота и открытием границ для зарубежных судов увеличивается плотность движения на внутренних водных путях. В этой обстановке вопросы оптимального использования судовых комплексов связаны с организацией движения, с решением задач расхождения на узких и извилистых фарватерах, с осуществлением управления при проходе гидротехнических сооружений. Перечисленные задачи не могут решаться только собственными системами управления. Необходимо использовать несобственные системы управления, например, береговые радиолокационные станции для проводки судов по узким фарватерам, то есть системы, которые управляют сразу некоторой группой объектов. Управляющая часть таких систем является общей для данной совокупности объектов.

Применение несобственных систем, используемых непосредственно на объекте, решает следующие задачи: управление режимами движения на трассах малой протяженности при прохождении гидротехнических сооружений; управление расхождением и обгоном судов на узких и извилистых фарватерах; управление режимами движения на трассах большой протяженности (более 10 км), с целью точного выполнения расписания и получении экономии топлива.

Создание и дальнейшее эксплуатация подобных систем управления требует проведения исследования, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. В частности, изучение интенсивности движения потоков судов на судоходных каналах. При нынешней интенсивности движения от 5- до 15 судов на километр, прохождение Волго-Донского канала большой проблемы для судов не представляет. Но при экономическом росте в стране интенсивность может возрасти в два и более раз, что может вызвать колебательные явления в транспортном потоке, образование пробок при прохождении шлюзованных участков пути. Все эти ситуации можно предсказать заранее на основе методов групповой динамики с использованием имитационного моделирования.

Процесс перевозки грузов и пассажиров сам по себе является лишь конечным этапом взаимодействия большого числа экономических и технологических процессов, направленных на обеспечение народного хозяйства транспортными услугами на водном транспорте. Качество этих услуг, в конечном счете, зависит от качества всех взаимодействующих процессов. Каждому из процессов может быть поставлена в соответствие своя система для реализации. Характерной особенностью функционирования транспортных систем является циклический характер их работы с существенным преобладанием случайных параметров систем. Поэтому при моделировании транспортных систем их часто можно представить в виде системы массового обслуживания. В данной работе модель строится на базе однофазной одноканальной системы массового обслуживания с ожиданием без приоритета. Аналитическое моделирование такой системы на базе теории Марковских процессов требует принятия жестких ограничений для получения результатов. Эти ограничения часто не могут быть приняты без искажения существа работы транспортной системы. Для некоторых систем соответствующие им модели вообще не имеют разработанного математического аппарата для их математического моделирования.

Управление любой сложной системой весьма затруднительно без обратной связи, которая заключается в отслеживании и анализе данных, отражающих состояние этой системы и ситуацию вокруг нее. Постоянная доступность актуальной информации дает возможность оценить текущее положение дел, а обзор изменения конкретных характеристик во времени 7 позволяет обнаружить тенденции развития системы и сделать выводы о том, что ожидает ее в будущем. Обладая всей полнотой сведений о состоянии системы и ее элементов в статике и динамике, можно принимать обоснованные решения по управлению транспортным потоком. Поэтому вопросы автоматизации управления транспортным процессом являются актуальными.

Основной целью диссертации является разработка инструментальных средств информационных систем контроля, предназначенных для автоматизации процессов управления нестационарными потоками судов на шлюзованных каналах.

Для решения данной цели потребовалось решение следующих задач:

• выполнить анализ основных параметров взаимодействия судов при движении по каналу;

• разработать программы управления судами различных размеров при проходе шлюзованных участков канала;

• исследовать параметры транспортного потока, как для групповых моделей движения, так и для отдельных транспортных единиц;

• создать имитационную модель движения судов на шлюзованных участках пути для поиска эффективной концепции управления движением и возможностью предсказания поведения и характеристик управляемого движения;

• предложить структуру и программное обеспечение для информационной системы управления движением судов по шлюзованному участку канала.

Методы исследования. При решении данных задач использовались методы математического моделирования, основанные на теории массового обслуживания, теории вероятностей и случайных процессов, теория автоматического и автоматизированного управления, теория следования за лидером, методики имитационного моделирования.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

• предложены характеристики явлений и параметров движения судов при встречах и обгонах на судоходных каналах, позволяющие обоснованно находить безопасное расстояние между объектами, исключать возможность возникновения волновых явлений и тем самым обеспечить движение без заторов;

• математические модели групповой динамики потока судов, дающие возможность учитывать взаимовлияние движущихся объектов и параметры встречного движения;

• имитационная модель процесса шлюзования, учитывающая встречное движение судов и соответственно параметры очередей на нижнем и верхнем бьефах;

• алгоритмы для автоматизации управления динамикой потоков судов на шлюзованных участках пути, разработанные на основании статистических методов и имитационного моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается аргументированной постановкой задач, конкретным обоснованием и анализом моделей, наглядностью интерпретаций формальных построений, а также результатами имитационных экспериментов, использующих программный продукт формализованного описания исследуемых процессов.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Явления и их параметры, которыми определяется движение судов при встречах и обгонах в каналах.

2. Комплекс математических моделей, учитывающий размеры судна и шлюза, гидравлические явления при проходе судов по шлюзованным участкам канала.

3. Математические модели групповой динамики потоков судов, позволяющие исследовать колебательные явления и причины остановки движения.

4. Основы получения информации о параметрах движения судов, оценки и тесты характеристик движения, которые позволяют эффективно решать задачи управления.

5. Методики разработки имитационной модели процесса шлюзования, позволяющие исследовать тенденцию изменения длинны очереди, времени ожидания судном шлюзования в зависимости от среднего времени прихода судов к бьефам.

6. Структура и программное обеспечение автоматизированной системы управления потоками судов на судоходных каналах с учетом встречного движения.

Практическая значимость работы заключается в использовании разработанных моделях, методиках, программных решений и алгоритмах, для создания автоматизированных систем управления движением потоками судов по судоходным каналам и в частности на Волго-Донском водном пути.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на одной международной научной конференции по наукоемким технологиям (г.Москва), всероссийской конференции (г.Санкт-Петербург), но отраслевых семинарах в СПГУВК, на секции по наукоемким технологиям Дома ученых им.М.Горького (г.Санкт-Петербург).

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 7 статьях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав основного теста, заключения, приложения и списка использованной литературы, работа содержит 180 страниц печатного текста,рисунков.

5.8. Основные выводы по главе.

1. Создан комплекс математических моделей для проведения имитационного моделирования.

2. Исследованы характеристики потоков судов при шлюзовании с учетом встречного движения.

3. Созданная имитационная модель позволяет проанализировать тенденцию изменения длины очереди, времени ожидания судном шлюзования от среднего времени прихода судов к бьефам. При времени моделирования 62 дня, с высоким коэффициентом использования шлюза -0,819, при среднем времени прихода судов к бьефам шлюза 1 час, получили среднее время ожидания судов пррхождения шлюза 2,8 часа. Если коэффициент использования шлюза не принимать во внимание, то при среднем времени прихода судов 1,5 часа, суда буду находиться в очереди два раза меньше.

Заключение

В общей системе народного хозяйства общая роль принадлежит транспорту, который завершает процесс производства, доставляя продукцию потребителю. От эффективности транспортного процесса зависит развитие производства. Под эффективностью понимается работа транспортных узлов, наличие систем управления движением, оснащение трасс техническими средствами навигации, работа транспортных объектов.

С ростом численности транспортных объектов увеличивается плотность движения на трассах. Поэтому для оптимального использования транспорта необходимо организовать безопасное движение, обеспечить точность выполнения расписания, осуществить управление при проходе гидротехнических сооружений. Создание математического и алгоритмического обеспечения для решения этих задач на основе современных математических методов является актуальной задачей.

В ходе решения поставленных задач получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Были получены аналитические выражения для поперечных сил и моментов взаимодействия при встречном и обгонном движении двух судов с различными геометрическими характеристиками на глубокой и мелкой воде. Проанализированы важные гидродинамические характеристики поперечные силы и моменты, которые определяют влияние корпуса одного судна на другое.

По параметрам математической модели выделены безопасные режимы движения судов при встречах и обгонах, одни из них представлены ниже. Гидродинамические усилия от взаимодействия судов резко увеличиваются с ростом скорости, поэтому встречные расхождения и обгоны должны выполняться на умеренных скоростях. Одной из важнейших характеристик является расстояние между бортами расходящихся судов h0. При встречном расхождении в штилевую погоду h0 > 35,, а при обгоне h0 > 65,, 5, - ширина меньшего судна. Наиболее интенсивно гидродинамическое взаимодействие судов проявляется на мелководье, когда отношение Н/Тср < 3.

2. Для исследования управлений предельными режимами при входе судна в шлюз разработан комплекс математических моделей, учитывающих геометрические размеры шлюза и судна, гидравлические явления происходящие при данном процессе, на основе активного эксперимента доказана адекватность полученных моделей, которая составила 2-5 %.

3. Выполнен анализ транспортного потока на базе математических моделей, как групповой динамики движения, так и отдельных транспортных единиц. По параметрам этих моделей определены зависимости между скоростью, плотностью и интенсивностью движения. Исследовано колебательное движение в транспортном потоке.

4. Создана система обработки данных о судах, которая позволит планировать передвижения судов на подходах, в шлюзах и канале. Система управления при регистрации судна сообщает рекомендованную скорость, чтобы приближения судов не вызвало их скопление у ворот шлюзов.

5. Предложен необходимый комплекс мероприятий по защите информации в компьютерных системах. Представлено большое разнообразие средств защиты информации и средств анализа защищенности компьютерных сетей.

6. Разработан инструментарий для создания имитационной модели, который дает возможность проводить эксперименты на компьютере без дорогостоящего экспериментирования на реальных объектах.

7. Имитационная модель процесса шлюзования, которая разработана и описана в данной работе, учитывает встречное движение и позволяет проанализировать тенденцию изменения длины очереди, времени ожидания судном шлюзования от среднего времени прихода судов к бьефам.

1. Михайлов А. В. Судоходные шлюзы. М., "Транспорт", 1966. 527 с.

2. Михайлов А. В. , Левачёв С. Н. Водные пути и порты. М., "Высшая школа", 1982. 223 с.

3. Бутов А. С., Кока Н. Г. Имитационное моделирование работы флота на ЭВМ. М., "Транспорт", 1987. 112 с.

4. Ступин О. К. Системы массового обслуживания. С-Пб.,СПГУВК, 1993.120 с.

5. Бутов А. С. Моделирование работы транспортного флота. Л., ЛИВТ, 1975. 44 с.

6. Полянский В. М. Имитационное моделирование транспортных систем. С-Пб., СПГУВК, 1998. 163 с.

7. Атлас Б. А., Бутов А. С., Волков Н. И., Голоскоков П. Г., Ступин О. К. Экономическая кибернетика на водном транспорте. М., "Транспорт", 1978.

8. Федеральный закон от 4 июля 1996 г. N 85-ФЗ "Об участии в международном информационном обмене"

9. Федеральный закон от 20 февраля 1995 г. N 24-ФЗ "Об информации, информатизации и защите информации"

10. Атанс М., Фалб П. Оптимальное управление. М.: Машиностроение, 1968.-765 с.

11. Атлас единой глубоководной системы Европейской части РСФСР. Том 8, Волго-Донской водный путь, от Волгограда до Азовского моря. Минречфлот РСФСР. Управление Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина. ДСП. 1978.

12. Басин А. М. Ходкость и управляемость корабля. М.: Транспорт, 1967. -255 с.

13. Басин А. М., Анфимов В. Н. Гидродинамика судна. М.: Транспорт,1961.-654 с.

14. Ваганов Г. И. О соотношении габаритов судового хода и толкаемых составов. М.: Речной транспорт, 1962. - 22 с.

15. Габасов Р. Ф., Кириллова Ф. М. Оптимизация линейных систем. -Минск: изд-во БГУ имени В. И. Ленина, 1973. 245 с.

16. Гофман А. Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плавания. Д.: Судостроение, 1971. - 255 с.

17. Д. Дрю. Теория транспортных потоков и управление ими. М.: Транспорт, 1972. - 424 с.

18. Земляновский Д. К. Теоретические основы безопасности плавания судов. М.: Транспорт, 1973. - 223 с.

19. Иносэ X., Хамара Т. Управление дорожным движением. М.: Транспорт, 1983. - 248 с.

20. Козлов И. Т. Пропускная способность транспортных систем. М.: Транспорт, 1986. - 240 с.

21. Красовский Н. Н. Теория управления движением. М.: Наука, 1968.476 с.

22. Кулибанов Ю. М. Исследование и построение математической модели системы автоматического управления курсовыми углами речного судна при возмущенном движении // 25 научно-техническая конференция ЛИВТ: Сб. докл.-Д., 1971.-с. 256-265.

23. Кулибанов Ю. М. Судно как объект многосвязного регулирования при оптимальном управлении главными двигателями // Тр. ин-та: Экономика и организация перевозок / ЛИВТ. 1966. часть I. - с. 78 - 88.

24. Маршрутное описание Водных путей Донского Бассейна. Минречфлот РСФСР. Управление Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина. ДСП. 1975.

25. Маслов Ю. В. Управление дизельной энергетической установкой и179рулевым устройством при расхождении судов. «Прикладная математика в инженерных расчетах на транспорте». Сборник научных трудов. СПб., 2001 г., с. 19-25.

26. Михайлов А. В. Внутренние водные пути. М.: Стройиздат, 1973.328 с.

27. Морозов В. П., Дымарский Я. С. Элементы теории управления ГАП. -JL: Машиностроение, 1984. 333 с.

28. Небеснов В. И. Оптимальные режимы работы судовых комплексов. -М.: Транспорт, 1974. 200 с.

29. Ольшамовский С. Б., Земляновский Д. К., Щепетов И. А. Организация безопасности плавания судов. -М.: Транспорт, 1972. -215 с.

30. Павленко В. Г. Элементы теории судовождения на внутренних водных путях. Часть 1, 2. М.: Транспорт, 1962. - 300 с.

31. Петров Ю. П. Оптимальное управление движением транспортных средств. JL: Энергия, 1969. - 96 с.

32. Рыжов Jl. М. Управляемость толкаемых составов. М.: Транспорт, 1969.-128 с.

33. Рыжов JI. М., Соларев Н. Ф. Маневренность речных судов. М.: Транспорт, 1967. - 144 с.

34. Соларев Н. Ф., Сорокин Н. А. Инерционные характеристики и безопасность расхождения судов и составов. М.: Транспорт, 1972. - 136 с.

35. Тарасов М. А., Ляхов К. С. Организация движения флота. М.: Транспорт, 1985. - 288 с.

36. Шанчуров П. Н., Соларев Н. Ф., Щепетов И. А. Управление судами и составами. -М.: Транспорт, 1971. 352 с.

37. Юфа A. JI. Автоматизация процессов управления маневрирующими надводными объектами. JL: Судостроение, 1987. - 288 с.

38. Альянах И. Н. Имитационное моделирование вычислительных систем - Л, ЛИМТУ, 1983.

39. Артынов А. П., Скалецкий В. В. Автоматизация процессов планирования и управления транспортными системами - М, Наука, 1981

40. Бабурин В. А., Бабурин Н. В., Енгалычевская Г. Е. Алгоритм идентификации судовых потоков в задаче текущего управления флотом -СПб, СПГУВК, 1996.

41. Бабурин Н. В. Информационная система для автоматизированной системы управления работой флота - СПБ, СПГУВК, 2000.

42. Бурков В. А., Ириков В. А. Модели и методы управления организацион-ными системами - М, Наука, 1994

43. Данциг Дж. Линейное программирование, его применение и обобщение-М, Прогресс, 1966.

44. Домарев В. В. Защита информации и безопасность компьютерных систем - Диа-Софт, 1999.

45. Комягин В. Б., Коцюбинский А. О. Excel 7 в примерах: практическое пособие - М, Нолидж, 1996.

46. Системы управления базами данных и знаний Справ, изд. - Наумов А. Н., Вендров А. М., Иванов В. К. и др. под ред. Наумова А. Н. - М, Финансы и статистика, 1991

47. Теория прогнозирования и принятия решений Под. ред. Саркисяна С. А. - М, Высшая школа, 1977.

48. Мартынова О.В. Исследование процессов шлюзования, расчет пропускной способности шлюза./ Методы прикладной математики в транспортных системах: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2000. с. 201-203.

49. Мартынова О.В. Информационная система для оператора шлюза./ Методы прикладной математики в транспортных системах: Сборник научных трудов. Выпуск 7. СПб.: СПГУВК, 2002. с.207-210.

50. Мартынова О.В. Моделирование движения судов по шлюзованным участкам водного пути. / Методы прикладной математики в транспортных системах: Сборник научных трудов. Выпуск 7. СПб.: СПГУВК, 2002. с.210-212.

51. Мартынова О.В. Методы определения сил и моментов, действующих на суда при расхождениях и обгонах./ Автоматизированные системы управления на транспорте: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2003. с. 185-188.

52. Мартынова О.В. Зависимость между скоростью, плотностью и интенсивностью в судовом потоке./ Автоматизированные системы управления на транспорте: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2003. с. 188-190.

53. Мартынова О.В. Влияние условий плавания на характеристики взаимодействия судов./ Автоматизированные системы управления на транспорте: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2003. с. 190-194.

54. Мартынова О.В. Разработка информационной системы управления движением судов Волго-Донского канала./ Информационное и математическое обеспечение автоматизированных систем управления: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2004. с. 142-147.