автореферат диссертации по транспорту, 05.22.16, диссертация на тему:Обеспечение безопасности судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания при маневрировании в сложных навигационных условиях

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАГДИИ СЛУЖБА МОРСКОГО ФЛОТА (РОСМОРФЛОТ) ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА

Р Г Б 0.1 Па правах рукописи

УДК 6?9 I9 07^/ 076

2 7 ОНТ 1998

СЛАТИН Кирилл Вадимович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО И СМЕШАННОГО "РЕКА-МОРЕ" ПЛАВАНИЯ ПРИ МАНЕВРИРОВАНИИ В СЛОЖНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.22.16 - "Судовождение"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саикт-Петербург -1998

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СЛУЖБА МОРСКОГО ФЛОТА (РОСМОРФЛОТ') ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА

На правах рукописи УДК 629.12.072/.076

СЛАТИН Кирилл Вадимович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО И СМЕШАННОГО "РЕКА-МОРЕ" ПЛАВАНИЯ ПРИ МАНЕВРИРОВАНИИ В СЛОЖНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

Спепнатыгость 05.22.16 - "Судовождение"

Автореферат диссертации па соискание ученой стене пи кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1998

Работа выполнена на кафедре Судовождения Санкт-Петербургского Государственного университета Водных Коммуникаций.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Гофман А. Д.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Кацман Ф.М. — кандидат технических нате, капитан дальнего

заседании Диссертационного совета Д.101.02.02 при Государственной Морской Академии имени адмирала С.О. Макарова по адресу: 199026, Санкт-Петербург, Косая линия, 15а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиогеке Академии.

плавания

Оганов А.М.

Ведущая организация — ОАО СЗФ.

Защита диссертации состоится 1998 г. в —О часов на

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д. 101.02.02. кандидат технических наук, доцент

/

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. До настоящего времени на подавляющем большинстве транспортных судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания устанавливались двухвинтовые движительно-рулевые комплексы (ДРК), что определяло как специфику судовождения, так и навыки судоводителей при управлении этими судами в сложных навигационных условиях. Однако в последние годы в составе флота стали появляться целые серии новых судов, имеющих один движитель, что связано, в основном, с экономическими соображениями. С появлением новых одновинтовых судов смешанного "река-море" плавания возникла проблема обеспечения их управляемости и маневренных качеств. Эта проблема имеет как субъективную, так и объективную стороны. Субъективная сторона проблемы заключается в отсутствии опыта и практических навыков у судоводителей двухвинтовых судов при переходе на управление судами с одним движителем. К числу объективных сторон проблемы относится отсутствие у этих судов возможности работать движителями "враздрай" в сложных навигационных условиях, а также необходимость установки подруливающих устройств (ПУ) с мощностью, обеспечивающей необходимую управляемость судна с учетом динамики их движения.

Проблема управляемости судов смешанного "река-море" плавания при переходе на одновинтовые ДРК охватывает большое число различных видов маневрирования, связанных со сложными навигационными ситуациями, возникающими в условиях речных фарватеров, шлюзованных систем, малых портовых акваторий. Необходимость решения этой проблемы для непрерывно растущего числа одновинтовых судов смешанного "река-море" плавания и определяет актуальность диссертационной работы.

Предметом исследования является проблема обеспечения управляемости и маневренных качеств новых типов одновинтовых судов смешанного "река-море" плавания при их эксплуатации в сложных

навигационных условиях. В основу работы положено исследование швартовных операций этих судов, как наиболее сложных и включающих в себя элементы маневрирования в других ситуациях, встречающихся в практике судовождения.

Основные задачи и этапы исследования :

- сравнительный анализ маневрирования одно- и двухвинтовых судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания в сложных навигационных условиях;

- разработка методики проведения и обработки результатов натурных маневренных испытаний судов с помощью штатной навигационной аппаратуры. Натурные испытания одновинтового судна смешанного "река-море" плавания;

- сопоставление управляемости двухвинтовых и новых одновинтовых судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания по характеристикам поворотливости и устойчивости на курсе с помощью стандартных критериев управляемости;

- построение и идентификация по данным натурных и модельных испытаний математической модели управляемого движения одно- и двухвинтовых судов смешанного "река-море" плавания;

- выбор критерия безопасного выполнения судном швартовных операций, учитывающего нагрузки, выдерживаемые бортом судна и причалом;

- разработка методики приближенного определения допустимой скорости ветра, обеспечивающей безопасную швартовку судна с учетом энергии навала на причал;

- создание алгоритма оптимального управления судном при выполнении швартовных операций в условиях ветра;

- разработка методики определения предельно допустимых скоростей ветра для судов различных типов;

-3- разработка метода прогнозирования безопасного маневрирования судна при выполнении швартовных операций в условиях ветра;

- подготовка основ для создания специализированных судоводительских тренажеров управления судном при швартовных операциях в условиях ветра;

- разработка методики выбора потребной мощности носового ГТУ, обеспечивающего безопасную швартовку при ветре с учетом динамики движения судна.

Методы исследования. Решение поставленных в диссертационной работе задач осуществлялось с использованием :

- натурных испытаний судна;

- методов статистического анализа;

- методов математического моделирования движения судна;

- методов теории оптимального управления..

Научная повнзпа работы состоит в следующем :

- разработана методика и проведены полномасштабные натурные маневренные испытания с измерением всех параметров движения судна с помощью штатной судовой аппаратуры;

- впервые разработан алгоритм и программное обеспечение оптимального управления судном при выполнении швартовшлх операций в сложных навигационных условиях;

- впервые разработана методика определения необходимой мощности носового ПУ судна, обеспечивающей его безопасное маневрирование в заданных навигационных условиях с учетом динамики движения судна.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в алгоритме и программном обеспечении оптимального управления судном при выполнении швартовных операций в сложных навигационных условиях и методе определения необходимой мощности ПУ судна, обеспечивающей безопасное маневрирование в заданных навигационных условиях с учетом динамики движения судна

Аппобация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научной конференции Санкт-Петербургского Государственного Университета Водных Коммуникаций в 1998 году и опубликованы автором в пяти печатных трудах.

Реализация работы. Результаты, полученные в диссертации, внедрены при разработке научно-исследовательской темы № 98-17 Российского Речного Регистра "Технические требования к маневренности судов для включения в Правила Российского Речного Регистра", а также использовапы для сравнительного анализа управляемости судов, оборудованных различными типами дв ижительно-рулевых устройств при их проектировании в ОАО КБ "Вымпел" (г. Н.-Новгород), что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

На защиту выносятся :

- методики определения допустимой скорости ветра, обеспечивающей безопасную швартовку судна с учетом энергии навала на причал;

- алгоритм оптимального управления судном при выполнении швартовных операций в условиях ветра;

- практический метод прогнозирования безопасного маневрирования судна при выполнении швартовных операций в условиях ветра;

- основы создания специализированных судоводительских тренажеров управления судном при швартовных операциях в условиях ветра;

- методика выбора потребной мощности носового ПУ, обеспечивающего безопасную швартовку судна при ветре с учетом динамики движения судна.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ (см. перечень в конце автореферата).

Струн:гура и объем работы.'Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений; содержит 132 страницы, в том числе 39 рисунков, 3 таблицы, 114 наименований источников и 70 страниц приложений.

_ 5 -

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность диссертации, формулируются задачи исследования, приводятся основные 'этапы работы, указываются использованные методы исследования.

В Первой главе кратко представлено современное состояния вопроса об управляемости судов В1гутреннего и смешанного "река-море" плавания и выполнен анализ условий и методов выполнения швартовных операций судов ■этого типа, оборудованных различными ДРК.

В первом разделе главы приведен краткий обзор работ, посвященных маневрированию судов, оборудованных различными ДРК. Обобщение опыта эксплуатации и, в частности, проведения швартовных операций двухвинтовых судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания было выполнено в работах: В.И. Белоглазова. A.B. Васильева. Д.К. Земляновского. С.Б. Ольшамовского, Н.Ф. Соларева, B.C. Удачина, П.Н. Шанчурова. В тоже время опыт ■эксплуатации судов с одним ДРК на внутренних водных путях, как и работы по этому вопросу, полностью отсутствуют. Существующие работы Ф.М. Кацмана, М.М. Лескова, А.М. Оганова, Е.С. Орлова, А.И. Цурбана, А.И. Щетининой посвящены маневрированию при швартовках и реверсе только морских судов, и их результаты, из-за специфики условий эксплуатации, не во всех случаях могут быть использованы для судов смешанного "река-море" плавания. Работы, в которых приводился бы сравнительный анализ управляемости судов с различными типами ДРК, практически отсутствуют.

Во втором разделе выполнен анализ условий и методов выполнения швартовных операции судов смешанного "река-мере" плавания, оборудованных различными ДРК. Выявлены основные различия в управлении двух- и одновинтовыми судами, существенно усложняющие маневрирование последних : невозможность работы винтами "враздрай", отсутствие самого малого хода как вперед, гак и назад, невозможность осуществления движения лагом, отличия в условиях швартовки левым и правым бортом. Показана

-6- _

необходимость использования носового ПУ достаточной мощности практически во всех случаях самостоятельной швартовки одновинтового судна.

В третьем разделе рассмотрены вопросы, связанные с математическим моделированием движения судна и определением действующих на него сил и моментов. Одной из наиболее трудоемких задач при математическом моделировании является достоверная оценка гидродинамических сил и моментов, действующих на погруженную часть корпуса судна, решаемая только экспериментальным путем или с помощью готовых аппроксимационных зависимостей. Этим проблемам посвящены работы огечественных ученых: Д.М. Ананьева, Н.И. Анисимовой, А.Ш. Лфремова, А.М. Басина, В.В. Вьюгова, А.Д. Гофмана, В.И. Когана, М.П. Лебедевой, Ю.М. Мастушкина. В.Г. Павленко, Р.Я. Першица, Г.В. Соболева, А.П. Тумашика, К.К. Федяевского, Г.А. Фирсова, Е.Я. Элис. Е.Б. Юдина, а также зарубежных: S. Inoue, M. Hirano, H. Kasai. К. Kijima, N. Norrbyn, A. Ogawa, J Takashina, M. Vantorre и других.

Из числа способов расчета пщродинамических характеристик (ГДХ) судов, допускающих их определение в необходимом нам диапазоне углов дрейфа от 0° до 180° можно отметить способ, предложенный Н.И. Анисимовой.

Вопросы взаимодействия движущегося судна со стенками, и, в том числе, с причальными сооружениями, рассмотрены в работах С.А. Васильева, И.Г. Кирюхина, A.A. Костюкова, В.Ю. Мазура, Ю.М. Мастушкина и др. Здесь следует выделить нашедший наибольшее применение экспериментально-теоретический метод, предложенный В.Ю. Мазуром.

Исследование воздействия ветра на движущееся судно было выполнено в работах А.М. Гусева, В.И. Зайкова, В.Г. Павленко, Р.Я. Першица, A.B. Семеновой-Тян-Шанской, Е.Я. Элис, F. Gutsche, W. Linn, L. Martin, К. Shearer и др. Для судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания, обладающих специфическими формами надводной части, наиболее приемлемым являегся метод расчета, предложенный A.B. Семеновой-Тян-Шанской.

Определению сил, возникающих на движителыю-рулевых комплексах судов, а также взаимодействия ДРК с корпусом судна посвящены работы А.М. Васина, Ф.М. Кацмана, И.Я. Миниопича, В.Г. Павленко, Р.Я. Пернгица, Г.А. Фирсова, F. Gutsche и других. Обстоятельное теорегико-экспериментальное исследование работы ДРК судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания, а также различных видов его взаимодействия с корпусом судна, выполнено А.Д. Гофманом.

В четвертом разделе проанализированы методы оценки эффективности и выбора средств активного управления (САУ) судном. Исследованием гидродинамических аспектов расчета и проектирования ПУ судов посвящены работы отечественных и зарубежных ученых : Н.С. Аврашкова, М.А. Гречина, Э.П. Лебедева, Р.Я. Першица, A.A. Русецкого, J. Beveridge, I. English, R Jordinson и других.

Особо следует выделить работы в этой области AM. Оганова, в которых даны конкретные рекомендации по эксплуатации и эффективному использованию ПУ при маневрировании судна на ограниченной акватории в условиях ветра.

В пятом разделе рассмотрены вопросы, связаштые с разработкой алгоритмов автоматического управления судном, выбором критериев оптимизации и синтеза оптимальных систем управления. В настоящее время в этой области опубликовано чрезвычайно большое количество работ. При написании части диссертации, посвященной разработке алгоритма автоматического управления движением судна и его практическим приложениям, мы опирались на исследования В.А. Бесекерского, B.JI. Гасилова. A.A. Ершова, A.M. Жухлина, В.И. Зубова, В.А. Иванова. A.A. Красовского, Ю.А. Лукомского, Е.П. Попова, А.И. Родионова, А.Е. Сазонова, Н.В. Фалдина, R.E. Bellman, J.L. Melsa, АР. Sage и др.

Вторая глава посвящена натурным испытаниям маневренных качеств судна, методике их проведения и обработки результатов.

Основными целями натурных испытаний судна являлось получение материалов для построения, оценки адекватности и последующей корректировки математической модели движения судна, а также выявление характерных особенностей управляемости одновинтовых и двухвинтовых судов смешанного "река-море" плавания в сложных навигационных условиях.

Автором в навигацию 1996 года были проведены маневренные натурные испытания судна "JI. ЛЕОНОВ" (пр. 16290). Программа испытаний была составлена в соответствии с Резолюциями IMO № А.601 и А.751, а также включала специальные испытания и наблюдения за маневрированием одновинтового судна смешанного "река-море" плавания на акваториях портов, в процессе швартовных операций, при расхождении судов и т.д.

Для проведения испытаний была разработана методика, основанная на использовании штатной измерительной аппаратуры судна (приемоиндикатор спутниковой системы DGPS; гирокомпас SR-200). Такой подход позволил провести испытания силами одного человека, снизить их стоимость, а также осуществить их в эксплуатационном рейсе, с задержкой в пути не более чем на б часов в каждом случае загрузки.

Разработанная методика обработки результатов испытаний базируется на использовании IBM/PC-AT 486 с программным обеспечением "Mathcad PLUS 6.0", "QBASIC", "GRAPHER".

В результате испытаний для каждого маневра получались географические координаты антенны GPS (<р и >.), которые затем пересчитывались в координаты ЦТ судна в неподвижной, связанной с землей системе О^т]. Линейная скорость судна v рассчитывалась по координатам его ЦТ. Расчет углов дрейфа в ЦТ судна производился по специально разработанной программе в среде "Mathcad PLUS 6.0". Вычисление угловой скорости судна, а также производных угловой скорости, угла дрейфа в ЦТ судна и линейной скорости ЦТ судна производилось в среде "QBASIC" с помощью программ сплайн-интерполяции.

Для сглаживания параметров движения судна - траекторий антенны GPS и ЦТ судна, курса, угловой скорости, линейной скорости ЦТ, угла дрейфа в ЦТ был использован метод наименьших квадратов (МНК).

Результаты натурных испытаний судна пр. 16290 и проведенных ранее испытаний позволили сопоставить основные характеристики управляемости, т.е. поворотливость и устойчивость на курсе двух- и одновинтовых судов смешанного "река-море" плавания. Было установлено, что поворотливость одновинтового судна пр. 16290 уступает поворотливости практически всех типов двухвинтовых судов, хотя и соответствует РТМ МРФ 212.0137-86. В то же время, в отличие от большинства двухвинтовых судов, одновинтовое судно пр. 16290 обладает устойчивостью на курсе.

В третьей глапе работы рассматриваются вопросы, связанные с построением математической модели движения судна и последующим решением образующих ее нелинейных дифференциальных уравнений :

-(ш + Я.,,)— +mvf(D+(Xr +АХг)+Х +t[T„((l--t,) + XEl] =<*

_(m + >.a)^-nivMm-Xe^+(Yr+AYr) + Y.+YIV-t(kBl YE ,+¥„,) = 0;

-(I, + +AM,) + Ms + Ц, -¿lK|(kHik YKi +Y„,) = 0;

- I, — = — (M. - M, - M„ dt 2тЛ '

здесь m, Xjj - масса судна и присоединенные массы жидкости; v„ vy -составляющие скорости судна в связанной с судном системе координат; со -угловая скорость судна; 12 - момент инерции судна относительно вертикальной оси; Xr, Yr, Мг - проекции гидродинамических сил и момента, действующих на корпус судна; AXr, AYr, АМГ - проекции дополнительных гидродинамических сил, действующих на корпче судна вследствие влияния стенки; Ха, Ya, Ма -проекции аэродинамических сил и момента, действующих на надводную часть судна; Yny, М,|у - поперечная сила и момент, развиваемые ПУ судна; Т^ - упор

i-ro движителя; t, - коэффициент продольного засасывания i-ro движителя;

поперечная сила, развивающаяся на ¿-ом движителе: ХВ|,УИ|-продольная и поперечная силы, развивающиеся на ¡-х средствах управления судном; 1Е(- отстояние 1-го ДРК от ЦТ судна (1н<0 в корму от ЦТ); кК|-коэффициент поперечного засасывания ¡-го ДРК; к„( - коэффициент смещения точки приложения поперечной силы ДРК при работе вблизи корпуса судна; 1| -суммарный момент инерции ¡-го двигателя и гребного винта вместе с присоединенным моментом инерции жидкости; п( - частота вращения 1-го гребного винта; М - момент, развиваемый на фланце ¡-го двигателя; М,( -

гидродинамический момент на ¡-м гребном винте; Мт- момент трения г-й

системы редуктор-валопровод.

Нелинейное уравнение продольного движения системы (1) содержит сложные эмпирические зависимости, в неявной форме связывающие упор движителя Ттг и полезную тягу движителя Ттк с коэффициентом продольного засасывания * и коэффициентом попутного потока в режимах переднего хода и реверса. Поэтому его решение на каждом временном шаге включает итерационный процесс для определения величин 1(ТТе) и н(Т1к) с помощью экспериментальных зависимостей обоих коэффициентов от нормированного

коэффициента нагрузки ДРК по полезной тяге ьтцп(ТТЕ)

' с 41

ти

г|с„|+1Г

При решении четвертого дифференциального уравнения системы (1) мощность, развиваемая двигателем, обычно определяется по винтовой характеристике. Однако в условиях переменной ветро-волновой нагрузки винтовая характеристика меняется. В связи с этим в работе максимальная располагаемая мощность СЭУ при данной частоте вращения определялась по ограничительной характеристике двигателя, что позволило отказаться от задания системы винтовых характеристик судна, учитывающих внешние воздействия, и уменьшить количество задаваемой исходной информации по судну.

Для уточнения параметров математической модели производилось сравнение результатов моделирования с данными натурных испытаний и корректировка модели. Проверка адекватности построенной математической модели судна показала удовлетворительное совпадение результатов моделирования и натурного эксперимента.

В четвертой главе решена задача приближенного определения допустимой скорости навального ветра при швартовке судна.

Первый раздел главы посвящен выбору критерия безопасной швартовки судна к причалу. Как известно, гидротехнические сооружения при их проектировании и постройке рассчитыпаются на величины скоростей подхода судов, задаваемые в зависимости от их водоизмещения. В зависимости от скорости подхода и водоизмещения судна находится энергия навала судна на причал и затем поперечная нагрузка, определяющая проектные прочностные характеристики причала.

В диссертации рассматривается обратная задача определения нагрузки и соответствующей ей энергии навала, допустимых для данного судна и причального сооружения без их деформации.

В качестве нормируемого параметра, обеспечивающего безопасную швартовку судна к причалу, т.е. отсутствие деформации как борта судна, так и причального сооружения, предлагается принимать Е„ - допускаемую энергию навала судна на причал. В зависимости от величины Еи может быть определена и величина уД011 - допу стимая величина нормальной к поверхности сооружения составляющей скорости подхода судна:

где И - расчетное водоизмещение судна; и - коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от конструкции причального сооружения.

(2)

Величина критерия безопасной швартовки судна, принятого в виде предельно допустимой энергии навала Е„, зависит от направления действия ветра.

Наиболее сложным случаем является швартовка судна к причалу при навальных ветрах (в диапазоне от 0° до 180° по отношению к причалу). Для этой группы ветров допускаемая величина энергии навала судна на причал Ен, и непосредственно связанная с ней величина нормальной к поверхности сооружения составляющей скорости подхода судна \'ДШ1, являются естественными критериями безопасности выполнения швартовных операций.

При отвальных веграх однозначно определигь критерий безопасности выполнения швартовки достаточно затруднительно. Поэтому для случая отвальных ветров в диссертации даются лишь некоторые рекомендации по учету факторов, определяющих безопасное маневрирование судна.

Во втором разделе приводятся способы определения скорости ветрового дрейфа Удр для судна с неработающим ДРК. В судовых условиях эта задача может быть решена с использованием навигационной карты и высокоточных обсерваций.

Расчетным путем скорость ветрового дрейфа судна с неработающим ДРК может быть получена с помощью математической модели движения судна. Полная информация о скорости ветрового дрейфа судна в зависимости от скорости ветра должна включать различные состояния зафузки судна.

В третьем разделе решается задача приближенного определения допустимой скорости навального ветра при швартовке судна. В

зависимости от типа причала и установленных на нем отбойников определяются допускаемые нагрузки на причал и на борт судна, а затем допустимая энергия Ен навала судна на причал. По найденному значению Е„ определяемся допускаемая скорость подхода судна к причалу, которая в свою очередь определяет предельную скорость ветрового дрейфа судна, а следовательно, и допустимую скорость ветра на швартовке.

Для каждого судна может быть построен график, левая часть которого представляет собой зависимость допускаемой скорости подхода судна к причалу удоп от допустимой энергии Е„ навала на причал, а правая часть -зависимость скорости ветрового дрейфа судна удр от скорости ветра V

1 *д<и

Приравнивая величины Удоп и удр, можно использовать построенный график для определения величины . Ход решения задачи для судна пр. 16290 показан

на рисунке 1 стрелками.

Х ---Ш50 / /

ч \ -> /

Е.,кд 1 < б 1 Р I \ V ) -Г&ТО / / \ 1

рис. 1. Приближенное определение допустимой скорости навального ветра у при швартовке судна.

Для одновинтовых судов, в том числе оснащенных ПУ п носовой части, предлагаемый способ позволяет определить предельно допустимое для швартовки значение скорости навального ветра. Для двухвинтовых судов этот способ не учитывает возможности работы винтов "враздрай".

В пятой главе разработан алгоритм оптимального управления судном при выполнении швартовных операций в условиях ветра.

В рассматриваемой задаче принимается неподвижная система координат 0^,111 с началом в точке Оь совпадающей с ЦТ судна О в момент времени 1=0. Ось 0,^1 направлена вдоль причала в направлении движения судна, ось О^ -нормально к причалу, в направлении берега. Движение судна рассматривается на закрытой акватории. Влияние морского волнения и течения на судно не учитываются. Задача решается с помощью математической модели судна (1).

В качестве критерия эффективности и безопасности выполнения швартовки судна, как и ранее, используется величина энергии навала судна на причал Ен.

Решение задачи начинается с задания в соответствии с хорошей морской практикой пространственной траектории движения судна на тихой воде. Для заданной пространственной траектории движения судна в каждой ее точке M(s,T|) определяется вектор состояния судна U, который в дальнейшем рассматриваем;! как требуемый U = v^aj,©^,где © - куре судна. Для

получения зависимости вектора U от ординаты T|i движение судна по заданной траектории осуществляется в ручном режиме с обеспечением в конце маневра допустимого значения энергии навала судна fia причал. Эти вычисления выполняются один раз для данного порта и заданного судна и в дальнейшем используются без изменений для автоматической швартовки судов этого типа.

Фактическое состояние судна при движении по заданной траектории характеризуется вектором W - Режим рабош средств

управления судна описывается вектором Z = (0,п,,п11р,Рщ),где 8 - утол

перекладки руля: - частота вращения i-ro двигателя; Рпу- мощность носового подруливающего устройства. Вектор фактического состояния судна и вектор режимов средств управления в момент времени tli) обозначаются как W(1> и Z(1'.

При разработке алгоритма оптимального управления судном непрерывные зависимости утла перекладки руля и частоты вращения двигателей от времени заменяются дискретными. При шаге интегрирования 1 с это не снижает точности ведения судна по траектории.

Тогда система дифференциальных уравнений движения судна ( 1 ) может быть представлена в виде

Решепие задачи заключается в синтезе автоматического управления, обеспечивающей движение судна с минимальным рассогласованием Х = |\\'-и|. Текущее состояние вектора режимов работы средств управления

позволяет описать все множество К режимов работы средств управления, возможных через промежуток времени А1. Задача решается путем выбора в каждый момент времени того варианта работы средств управления из множества. К, который обеспечивает минимальную норму вектора рассогласования X. В качестве нормы вектора X предлагается принять норму

РЧ = 5>,(Х,Ь <4)

где а, =

а* при X, <Х,*;

• Х1 V V (51

а, —- при X, > X,,

здесь X, - полуширина диапазона допустимого отклонения рассматриваемого параметра движения судна от предписанного значения; а/ -весовые коэффициенты для каждого параметра движения судна.

Настройка системы для работы в оптимальном режиме осуществляется по результатам тест оных расчетов зависимостей вида Ек(а,'); для

движения данного судна на рассматриваемой акватории. Для определения оптимальных весовых коэффициентов нормы а, в работе используется метод

координатного спуска.

В целом алгоритм решения сформулированной задачи имеет вид:

- на каждом временном шаге решения системы (3) определяются К возможных режимов работы средств управления на следующем шаге;

- для каждого элемента множества К осуществляется прогноз вектора состояния судна к моменту £=1(1)+ А^

й XV

\У4"1 А 1+\У10, (6)

ск

где Ди1 - временной интервал (дальность прогноза). Здесь Л1^ = кпЛ1, где Л1 - шаг решения системы (3). Необходимость введения коэффициента ка объясняется тем, что время перехода некоторых средств управления из одного режима ь другой может оказаться существенно больше Л{ (например, время реверса главного двигателя).

- в соответствии с вектором фактического состояния \уА"1 в момент времени Дп( определяется вектор требуемою состояния судна

иЛ"' =и(^А"',лЛо'). (7)

При этом определяется и норма вектора рассогласования ||ХА,:'!;,

вычисляемая по формуле (4).

- ищется решение системы (3) на следующем временном шаге 1=1(|)+ЛТ с вектором управления обеспечивающим минимум нормы ¡¡Х""Ч|.

Результаты расчетов, выполненных применительно к судну пр. 16290 при варьировании внешних условий (скорости и направления ветра), подтверждают возможность применения разработанного алгоритма для решения практических задач.

Одной из таких задач является сравнение допускаемых скоростей вора при швартовке двух- и одновинтовых судов. Сравнение было выполнено для судна пр. 16290 и однотипного судна с условно установленным на нем двухвинтовым ДРК. Швартовка производилась в автоматическом режиме с варьированием внешних условий при навальных ветрах в диапазоне от 0° до ! 80° по отношению к причальной стенке.

Результаты сравнения показали, что наиболее опасным направлением ветра как для одновинтовых, так и для двухвинтовых судов является навальный ветер, направленный под углом « 90° к причалу. В тоже время безопасная самостоятельная швартовка к причалу одновинтового судна оказалось возможной только при скоростях ветра почти в два раза меньших, чем для двухвинтового судна.

Предложенный алгоритм может быть использован для бортовой системы оптимального управления судном при движении по заданной граектории в псртопик подах и.при маневрировании судов у причалов в условиях ветра. С эюй пелыо судовой программно--вычислительный комплекс оснащается программами, необходимыми для работы алгоритма, и основанным па электронных картах банком данных по конфигурации и расположению причалов для различных портов захода данного судна в соответствии с районом плавания.

При подходе к порту назначения судоводитель проигрывает в автоматическом режиме процесс захода в аорт от начальной точки подходного фарватера до швартовки к заданному причалу с учетом гидрометсоролш ического прогноза. В процессе автоматического движения судна но оптимальной траектории судоводитель может визуально оценить участки акватории, вызывающие наибольшую сложность при управлении судном, определить моменты изменения режима работы судового ДРК, получить информацию о наилучшем способе выполнения маневра швартовки. Полученные сведения используются как вспомогательные в процессе управления судном.

Еще одним пугем практического использования алгоритма оптимального управления судном может быть создание на его основе специализированных судоводительских тренажеров для обучения судоводителей выполнению швартовных операций в условиях ветра. Эю особенно ценно для судоводителей, незнакомых со спецификой управления новыми одношштопьшы судами смешанного "река .море" плавания. В учебных целях выбираются нескольких портов, для которых выполняются описанные • подготовительные операции и производится настройка системы в оптимальном режтше. После этого, в качестве образцовой, производится швартовка судна к причалу в автоматическом режиме при заданных гидрометеорологических условиях. Задачей обучающихся является по возможности более точное

воспроизведение маневра, выполненного машиной. Осуществляя управление судном многократно в ручном режиме, судоводители обучаются безопасному выполнению задаваемых маневров и приобретают навыки управления судами.

В шестой главе разработана методика выбора потребной мощности носового ПУ судна с учетом динамики движения судна.

В первом разделе кратко рассмотрена существующая методика расчета 1ТУ судна. Из-за сложности численного описания процесса швартовки как единого целого -эта методика разделяет его на три независимых расчетных маневра: а) вход судна в гавань на предельно малом ходу и подход к району пирса; б) разворот судна вблизи пирса и занятие им определенного по отношению к пирсу положения; в) удержание судна в этом положении без хода и дрейфа. Указанные маневры рассматриваются как статические. Возможность совершения каждого из них оценивается численно. При этом единая динамическая задача подменяется несколькими статическими, что не позволят учесть инерционные силы, действующие на судно, а в ряде случаев также продольные и поперечные силы, развиваемые движителями судна.

Второй раздел посвящен разработке методики определения потребной мощности носового ПУ судна, обеспечивающего безопасное маневрирование судна с учетом динамики его движения. В качестве расчетного маневра при определении потребной мощности ПУ принимается вся операция самостоятельной шварювки в целом, выполняемая судном ь стесненных условиях при действии ветра. В основу решения задачи положено исследование динамики судна при его движении к причалу с помощью алгоритма оптимального управления (глава 5).

На первом этапе производится попек наиболее опасного направления ветра, т.е. того направления, при Котором энергия навала (Ен) оказывается наибольшей и для которого производятся дальнейшие расчеты. Далее, при различных скоростях ветра эюго направления выполняется расчет зависимости энергии навала Ен ог величины тяги \',1у, носового ПУ судна, непосредственно

связаштой с его мощностью. Для целей выбора последней результаты расчетов представляются и виде зависимости Ен(Рпу, уа), позволяющей определить границу мощности носового ПУ, за которой дальнейшее ее увеличение не приводит к уменьшению энергии навала судна на причал (максимально потребная мощность Рцута1).

Качественно бесполезность увеличения мощности НУ сверх некоего Рцутах может быть объяснена результатами оценки средней нагрузки ПУ по мощности, используемой за время его работы в процессе швартовки. Анализ показывает, чю в диапазоне задаваемых мощностей Рпу от близкой к нулю до Рпушал, средняя используемая нагрузка ПУ по мощности всегда больше 95 задаваемых Рпу. При дальнейшем увеличении мощности ПУ его средняя используемая нагрузка по мощности резко уменьшается.

С помощью графика Е„(РП>. уа) определяется величина 1 пушах Д-^я различных скоростей ветра и строится зависимость РпутахС*'»). Мощность ПУ, необходимая для входа в заданный порт, выбирается для скорости ветра уа, при которой еще возможно обеспечить безопасность швартовки с максимально допустимой энерг ией навала.

Окончательный выбор потребной мощности носового ПУ судна осуществляйся но результатам решения этой задачи для ряда наиболее сложных акваторий и конфигураций расположения причалов.

В качестве примера были выполнены расче!Ы по выбору погребной мощности носового ПУ для одновинтового судна пр. 16290. Сопоставление полученных результатов с результатами расчета по существующей методике свидетельствует о том, что учет динамики движения судна позволяет уменьшить установочную мощность ПУ по сравнению с се величиной, определяемой статическим путем.

В третьем разделе выполнен сопоставительный анализ величины потребной мощности ПУ для одно- и двухвинтовых судов. Расчеты, выполненные для судна пр. 16290, показали, что при ветре 6,7 м/с РШ шат для

одновинтового варианта составляет 5и кВт и дальнейшее ее увеличение нецелесообразно, так как не приводит к увеличению допустимой скорости ветра. Для двухвинтового же варианта целесообразно увеличение Рпушл до 100 кВт, что обеспечивает возможность швартовки судна при ветре до 11,0 м/с. В то же время мощность ПУ для двухвинтового варианта, необходимая для швартовки при ветре 6,7 м/с, составляет всего 40 кВт. Таким образом, установка ПУ равной мощности оказывается более эффективной на двухвинтовых судах, чем на одновинтовых.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы :

1. Выполнен сравнительный анализ и рассмотрены основные особенности управления одно- и двухвинтовыми судами внутреннего и смешанного "река-море" плавания при маневрировании в сложных навигационных условиях (на примере выполнения судами швартовных операций). Выявлены закономерности и сложность маневрирования одновинтовых судов в процессе швартовки.

2. Разработана методика проведения п обработки результатов натурных маневренных испытаний судов с помощью штатной судовой навигационно-измерителыюй аппаратуры.

3. Проведены полномасштабные натурные испытания одновинтового судна смешанного "река-море" плавания нового типа. Получены данные, необходимые для построения математической модели движения судна и последующей се корректировки, а также данные для сравнительного анализа управляемости одно- и двухвинтовых судов внутреннего и смешанного "река морс" плавания.

4. Выполнен сопоставительный анализ характеристик управляемости новых типов одновинтовых судов и существующих двухвинтовых судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания с помощью стандартных критериев. Показано, что в обычных условиях плавания управляемость новых

одновинтовых судов не хуже преобладающих на внутренних водных путях двухвинтовых судов. При маневрировании и сложных условиях плавания управляемость одновинтовых судов существенно отличается от управляемости двухвинтовых судов.

5. Разработана н идентифицирована по данным натурных и модельных испытаний математическая модель управляемого движения одно- и двухвинтовых судов смешанного "река-море" плавания. Предложены способы нестандартного решения отдельных уравнений системы.

6. Предложен критерий безопасного выполнения судном шнарюнных операций - энергия навала судна на причал. Разработана методика приближенного определения допустимой скорости навального ветра, при которой может быть обеспечена безопасная швартовка судна.

7. Разработан алгоритм и программное обеспечение автоматического управления судном при выполнении швартовных операции в сложных навигационных условиях.

8. Создана основанная на алгоритме оптимального управления судном методика определения предельно допустимых скоростей ветра для швартовных операций судов, оборудованных различными типами движительпо-рулевых комплексов.

9. Обоснован практический метод прогнозирования безопасного маневрирования судна при выполнении швартовных операций.

10. Разработаны основы специализированного судоводительского тренажера для обучения управлению судном при швартовных операциях в условиях негра.

11. Разработана методика выбора потребной мощности носового подруливающего устройства, обеспечивающего безопасную швартовку судна при ветре с учет ом динамики его движения

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Слатии К.В. Натурные испытания управляемости одноьальных судов новых типов / Сб. науч. тр. СГ1ГУВК : Задачи контроля и управления. СПб.: СПГУВК. 1997.-С. 152-157.0

2. Слатин К.В., Яцук Ю.В. Математическая модель швартовных операций судна / На>'чно-методическая конференция - 98. Тезисы докладов. Часть 2. -СПб.: СПГУВК, 1998.-С. 116.

3. Слатин К.В. Сравнительный анализ управляемости одно- и двухвальных судов в сложных навигационных условиях / Сб. науч. тр. СПГУВК : Судостроение и судоремонт / Под ред. А. А. Кузьмина. - СПб.: СПГУВК, 1998.-С. 174-175.

4. Слатии К.В. Определение допускаемой скорости навального ветра при швартовке судна ' Сб. науч. тр. СП ГУ РЖ : Судостроение и судоремонт / Под ред. А. А. Кузьмина. - СПб.: СПГУВК, 1998. - С. 169 - 173.

5. Слатин К.В., Яцук Ю.В. Автоматическое управление движением судна при швартовных операциях в условиях ветра / Сб. науч. тр. СПГУВК : Судостроение и судоремонт / Под ред. А. А. Кузьмина. - СПб.: СПГУВК, 1998. -С. 176-179.

СЯМЬС ЯИЦ . ла*. 2.9 Г ти/>6Р /99#г.