автореферат диссертации по транспорту, 05.22.16, диссертация на тему:Обеспечение навигационной безопасности при расхождении судов в экстремальных условиях

ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АК А АРМИЯ

п ~ п л. п На правах рукописи

1,0

ШАРАФ Мохамед

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАВИГАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАСХОЖДЕНИИ СУДОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ

УСЛОВИЯХ

Специальность 05.22.16 — "Судовождение"

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Одесса - 1995

Работа выполнена в Одесской государственной морской академии. Научные руководители:

— капитан дальнего плавания, кандидат технических наук, профессор Демин С.И.;

—капитан дальнего плавания, кандидат технических наук, доцент Мальцев А.С.

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор Вагущенко Л.Л.

— кандидат технических наук Репкин Б.Н. Ведущая организация: Черноморско-Азовское управление морских путей.

Защита состоится " 21 " декабря 1995 г. в 10 часов на заседании специализированного Совета Д 05.17.01 по защите докторских диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Одесской государственной морской академии по адресу: Одесса, ул. Дидрихсона, 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " 14 " ноября 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета Д 05.17.01,

доктор технических наукх^/^ ____^ПИ.В. Капитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Использование вычислительной техники для автоматизации процесса решения задачи расхождения судов с помощью методов теории оптимального управления, не привели к решению проблемы в полном объеме. Доминирующий в настоящее время подход к формализации процесса выбора манев — ра, основанный на методах теории дифференциально —разностных игр, натолкнулся на противоречия, которые обусловлены наличием взаимных обязанностей судов в процессе расхождения, согласно международных правил предупреждения столкновения судов (МППСС —72). Указанные ограничения могут быть преодолены только при выходе за пределы игровых моделей.

При концептуальном описании процесса расхождения, его формализации и выборе вида маневра определяющими являются вопросы учета маневренных характеристик судна и формирование зоны безопасности (домены) вокруг него.

В этих условиях исследование и разработка способов учета маневренных характеристик и алгоритмов выбора маневров при расхождении в ситуации, когда время для безопасного расхождения упущено, являются весьма актуальными.

Цель работы состояла в исследовании способов учета маневренных характеристик при расхождении, формализации процесса принятия решения в условиях опасного сближения и выбора вида маневра д\я экстренною маневрирования, а также в разработке методики выбора навигационного запаса для обеспечения безопасности при экстренном маневрировании.

Научная новизна:

— разработаны алгоритм и программа обработки результатов натурных наблюдений на ЭВМ для определения элементов поворотливости и характеристик торможения;

— разработаны способы подбора коэффициентов аппроксимирующих зависимостей для описания хода изменения элементов циркуляции в функции угла изменения курса;

— произведены сравнительные исследования маневренных характеристик судов на базе математической модели (MM) "Pilot" на глубокой воде и на мелководье и разработаны упрощенные эмпирические формульные зависимости для учета влияния мелко — водья на элементы циркуляции;

— исследованы алгоритмы и разработаны программы учета маневренных характеристик при выборе безопасной скорости, построении плановой траектории поворота при действии ветра и течения;

— разработана последовательность решения задачи расхождения в истинном движении;

— разработан электронный маневренный планшет для решения задачи в режиме относительного движения на экране ЭВМ и проигрывании на нем маневра;

— разработана приближенная кинематическая ММ движения судна;

— предложены количественные критерии оценки надежности безопасного маневрирования;

— исследованы алгоритмы экстренного маневрирования и разработана методика выбора навигационного запаса для обеспечения безопасности при экстренном маневрировании;

— уточнена зависимость величины тормозного пути от коэф —

фициента энерговооруженности;

— исследованы алгоритмы экстренного торможения последовательными перекладками руля, движение на задний ход и разработаны практические рекомендации для судоводителей.

Методы исследования. Для выполнения теоретической части работы использовались аппараты математического линейного и объектно — ориентированного программирования на языке Турбо —Паскаль версия 6.0, исследования систем, решения дифференциальных уравнений, математической статистики и регрессионного анализа.

Экспериментальная часть работы включает: обработку результатов натурных наблюдений на судах, выполненных за последние 20 лет на кафедре "Управление судном'' иод руководством профессора Демина С.И.; испытание на приближенной кинематической модели маневрирования; испытания на ММ одновинтового судна, разработанной проф. Деминым С.И. в ОГМА, динамические характеристики которой совпадают с реальными характеристиками с относительной ошибкой менее 10%.

Практическая ценность. Областью практического применения выполненных разработок является судовождение, где полученные результаты позволят повысить безопасность маневрирования в стесненных условиях при ветре и течении путем быстрого предварительного планирования маневров и нанесения плановой криволинейной траектории и осуществить автоматизацию расчетов для существенного ускорения получения исходных данных в процессе принятия решения при управлении движением судна.

Разработанный алгоритм и программа обработки результатов натурных наблюдений на ЭВМ с оценкой точности траекторных измерений используются лри научных исследованиях, при вы — полнении курсовых и дипломных работ в ОГМА.

Способы подбора коэффициентов аппроксимирующей зависимости мо1ут быть использованы для определения коэффициентов формульных зависимостей при выполнении научных исследований.

Сравнительные испытания маневренных характеристик судов на глубокой воде и на обширном мелководье позволили выработать практические рекомендации по оценке значений элементов поворотливости и характеристик торможения на обширном мелководье по сравнению с таковыми на глубокой воде.

Разработанный экспериментально — расчетный способ учета характеристик поворотливости может быть использован в автоматизированных системах управления движением судна.

Предложенные алгоритмы и программы выбора безопасной скорости могут быть использованы на судах, в экспертных системах принятия решения и в автоматизированных системах судовождения.

Разработанные алгоритмы и программы расчета координат траектории судна при повороте позволяют произвести предварительное планирование поворота при ручном и автоматическом его выполнении.

Разработанная приближенная кинематическая математичес — кая модель позволяет произвести проигрывание маневра расхождения и оценку последствий маневрирования при изменении курса и/или скорости несколькими встречными судами.

Предложенные количественные критерии оценки надежности

навигации позволяют определить конкретные причины аварий — ного происшествия и наметить пути обеспечения безопасного плавания.

Разработанная методика выбора навигационного запаса при решении задачи расхождения судов, алгоритм экстренного торможения последовательными перекладками руля и исследование движения судна на задний ход на базе ММ позволили разработать рекомендации судоводителям по выбору вида маневра в ситуации, когда время для обычного расхождения упущено и требуется при — менение сильных, максимально возможных управляющих воздействии (маневра последнего момента).

Внедрение работы. Результаты работы внедрены р, опытно —конструкторские работы в НИИ "Квант", в учебный процесс и при научных исследованиях в Одесской государственной морской академии.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно—технических конференциях профессорско — преподавательского состава ОГМА в 1992 — 1995 годах и на научно-техническом сонете НИИ "Квант" в 1995 году.

Публикации. Результаты работы отражены в 6 опубликованных статьях и одном отчете о научно — исследовательской работе.

Объем работы, Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованной литературы, 2-х приложений. Изложена на страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка, 23 таблицы.

Во введении обоснована актуальность темы. Отмечено, что с появлением вычислительной техники на судах полагали, что принятие решения по выбору маневра для расхождения может быть автоматизированно с помощью методов теории оптимального управления. Однако, решение проблемы в полном объеме получить не удалось.

В дальнейшем был использован новый подход основанный на методах теории позиционных дифференциально — разностных игр. Указанный подход позволил произвести формализацию процесса расхождения и выбор стратегии собственного судна, однако возникли противоречия из —за необходимости учитывать МППСС —72 при выборе маневра.

Независимо от принятой концептуальной схемы решения задачи расхождения осиошшмн вопросами, на которые необходимо получить ответ, являются:

— как учитывать динамические свойства судна;

— какой вид маневра необходимо предпринять для безопасного расхождения;

— как определить зону безопасности вокруг судна или момент времени, когда еще можно выполнить обычный маневр (при дальнейшем сближении требуется экстренное маневрирование для предупреждения столкновения).

Для решения, указанных задач требуется исследование способов расчета и учета маневренных свойств судна, а также разработка алгоритма действий судоводителя при экстренном маневрировании.

Предметом исследований являются вопросы предварительного выбора маневра в ситуации, когда время для безопасного расхождения упущено и требуется экстренное маневрирование для

предупреждения столкновения. Исследования проводились на математической модели маневрирования судна на ПЭВМ в лаборатории ОГМА.

При исследовании использовались результаты натурных на — блюдений по определению маневренных характеристик морских судов, имеющиеся на кафедре ''Управление судном".

В первой главе выполнен сравнительный анализ спо — собов расчета инерционно —тормозных характеристик, предложен алгоритм и разработана программа обработки результатов натурных наблюдений с использованием ЭВМ, рассмотрены способы подбора коэффициентов аппроксимирующей зависимости изменения элементов циркуляции в функции угла курса и приведены результаты сравнительных испытаний маневренных характеристик на MM "Pilot" на глубокой воде и на мелководье. Произведен анализ точности определения значения коэффициента сопротивления Кэ из эксперимента пассивного торможения при относительном снижении начальной скорости Vc от 0,75 до 0,2 и показано, что существенного улучшения точности при падении более 0,5 получить невозможно . Выполнен сравнительный анализ способов определения Кэ при фиксации времени Кэ* торможения и пути K3S проходимого при этом. Установлено, что точность определения коэффициента практически одинакова при обоих способах.

Разработана блок—схема и программа на языке Турбо —Паскаль расчета численными методами значения пути и времени разгона, подтормаживания и торможения с записью результатов в файл и получением их значения по запросу судоводителя. Эта программа позволяет рассчитать значения коэффициентов сопро —

тивления определенных по времени КЭ1 и тормозному пути К/ и величин максимальной силы упора винта Рэгг,ах и переходных ко — эффициентов упора ур и сопротивления ук. Разработан алгоритм и программа обработки на ЭВМ результатов натурных наблюдений по определению маневренных характеристик и определение элементов циркуляции: выдвига , прямого смещения 12э , тактического Эт3 и установившегося Бу3 диаметров циркуляции. Предусмотрена оценка точности получения траектории по величине средне—квадратической погрешности (СКП) измерения бокового отклонения при выполнении эксперимента пассивного торможения.

Предложено два способа подбора коэффициентов аппроксимирующих зависимостей, описывающих ход кривых зависимостей безразмерной угловой скорости, утла дрейфа на циркуляции, радиуса кривизны и линейной скорости в функции угла курса — по сетке экспоненциальных кривых и методом касательной. В первом случае строится сетка экспонент для различных значений коэффициентов, на которую наносится экспериментальные точки. По этим точкам выбирается значение коэффициента, путем графической интерполяции и полученные значения осредняются. Во втором случае наносятся экспериментальные точки, проводится касательная к начальному участку до пересечения с установившимся значением параметра. Точка пересечения и определяет значение коэффициента.

Проведены сравнительные испытания характеристик по во — ротливости и торможения на глубокой воде и мелководье. Подтверждается тот факт, что влияние мелководья на динамические свойства судна носит закономерный характер. Однако это влияние практически не сказывается на величшгу тормозных путей,

и

поскольку их относительное изменение меньше точности определения пути и времени, требуемого нормативными документами.

Для оценки влияния ¡нелководья на элементы циркуляции предл°жены переходные коэффициенты мелководья Kir Kj,, , К0т и KDy . Значения элементов циркуляции на мелхояодье определяют по формулам:

l1-=lrK;,;l:„=lvK,2,-DTl,= D.1,KDT;DyK=Dy.KDy , (1)

где = 1.55 - 1.81 • (Г/Я) + 1.84 -(Tlllf ; KLi 2.35 - 4.63 • (Г/1Г) + 4.84 ■ (T/Ijf; К„т = 1.60 - 2.77 ■ (Г/Я) + 3.51 • (Г/Я)"; KDr = 0.27 - 0.42 • (Г/Я) + 2.09 ■ (Г/Я)2 и Т/Н — отзюшение осадки к глубине.

Во второй главе рассмотрены алгоритмы учета ма — невренных характеристик при планировании поворота, выбора безопасной скорости и построения криволинейной траектории движения судна при наличии ветра и течения.

Предложен и разработан экспериментально — расчетный способ построения криволинейной траектории движения судна для заданного состояния загрузки и утла перекладки руля по известным элементам циркуляции для стандартного состояния (в грузу или в балласте) и утла перекладки руля 15 или 35 градусов.

При реализации этого способа использовалось решение, предложенное доц. Мальцевым, дифференциального уравнения: dap,

■ -«п="пс . ■ (2)

описывающего изменение угла дрейфа па циркуляции <хп в функ —

ции угла курса б:

an=anc-[l-exp(-<?/0j] , (3)

где Оа — постоянная угла курса по углу дрейфа;

апс — установившееся значение утла дрейфа на циркуляции.

В соответствии с характером изменения угла дрейфа, движение судна при циркуляции условно разбито на три участка: от 0 до значения 9, при котором ап достигает установившегося значения, от установившегося значения ап , до поворота на 180°; от 180° — до 360°. В соответствии с указанным делением на участки определялся центр кривой на каждом из них. При расчетах использовалось уравнение эллипса в виде:

х = а ■ cos в и у = Ь - cos в , _ (4)

где а и b полуоси эллипса. Полуоси рассчитываются по элементам циркуляции с учетом несовпадения точки поворота на 90 и 180° с точками максимального смещения.

Продолжено исследование приближенного способа оценки величины тормозного пути по значению коэффициента энерговооруженности. Предложено ввести обобщенный коэффициент энерговооруженности, учитывающий кроме мощности главного двигателя, текущую скорость движения и взаимодействие винта и корпуса судна в процессе активного торможения. В результате получена эмпирическая формула:

F D

S=-0.569+ 10.901 —+1171— , (5)

К,»

где S — тормозной путь в длинах корпуса;

Fr — число Фруда;

Кзн — коэффициент энерговооруженности, равный Ne/D;

Ne — мощность главного двигателя;

D — водоизмещение судна;

DB — диаметр винта;

Тк — осадка кормой.

На основании анализа существующих требований МППСС — 72 при назначении безопасной скорости для формализации про — цесса ее определения предлагается учитывать три фактора:

— дальность уверенного обнаружения о&ьектов Do6;

— технические характеристики главного двигателя;

— маневренные характеристики судна.

Назначение безопасной скорости должно проводиться с уче — том тормозного пуги, величина которого S.,^ должна удовлетворять неравенству:

S трм- ^ £ L~-П\ n~S S S цТРМ~ S ц:1р г (б)

где Sl — расстояние от антенны РАС до крайней носовой точки;

inD — СКП определения расстояния до опасности;

D0(j — дальность уверенного обнаружения;

Snp — расстояние, которое пройдет собственной судно за время принятия решения;

S,I3 — навигационный запас вводимый судоводителем;

S,u,p расстояние, проходимое обьектом за время принятия решения о маневре собственного судна;

S:(TpM — расстояние, которое пройдет объект за время торможения собственного судна.

С учетом формулы (6) были разработаны блок —схема алгоритма выбора безопасной скорости по величине тормозного нуги и программа па языке Турбо — Паскаль.

После ввода соответствующих данных на экране ПЭВМ по —

является информация о рекомендованном значении безопасной скорости при существующих условиях плавания.

Для назначения безопасной скорости при маневре курсом величина расстояния, при которой необходимо изменять курс должна удовлетворять неравенству:

, (7)

где 5П0НЦ — расстояние, которое пройдет встречное судно за период маневрирования собственного.

С учетом формулы (7) были разработаны блок —схема алгоритма и программа выбора безопасной скорости по значению элементов циркуляции.

После ввода соответствующих данных на экране ПЭВМ появляется информация о расстоянии, нри котором необходимо выполнять маневр и рекомендуемое значение безопасной скорости.

При выполнении поворота исходные данные, обычно, судоводитель определяет до его начала. Такие данные включают в себя координаты точек начала и окончания поворота, пеленга и расстояния до приметных ориентиров. Контроль процесса поворота производится только в момент его начала и окончания.

Задача планирования и контроля выполнения поворота значительно усложняегся при наличии негра и течения. Вручную выполнять расчет координат траектории при повороте практически невозможно. Трудоемкость расчетов, неточное знание углов дрейфа и сноса течением приводит к тому, что такая информация недостаточно точная и запаздывает ко времени принятия решения, т.е. становится бесполезной.

Рутинную работу но расчету координат точек плановой траектории можно значительно ускорить при использовании ПЭВМ.

Для выполнения" необходимых расчетов нужно знать координаты точки пересечения путевых углов до (ГТУН) и после поворота (ГТУК).

Дальнейший порядок расчета при решении задач автоматизации управления судном будет следующий: определяют угол поворота АПУ; выбирают угол перекладки руля по значению ЛПУ; рассчитывают элементы циркуляции экспериментально— расчет — четным способом ^Р , ]2эр ,0тзр ,0у3р; выбирают шаг дискретизации изменения АПУ, рассчитывают интервал времени /М между соседними точками кривой; рассчитывают координаты начальной, промежуточных и конечной точек и строят плановую траекторию; рассчитывают значение скорости в каждой промежуточной точке; рассчитывают курсовой угол и скорость кажущегося ветра в каждой точке и по их значениям угол ветрового дрейфа.

Д\я компенсации сноса от ветра и течения, если необходимо удерживать судно на плановой траектории, были рассмотрены три случая перехода на фактическую траекторию с учетом влияния ветра, течения и совместное влияния ветра и течения. При совместном действии ветра и течения сначала определяем новые координаты с учетом ветра по формулам:

х;. = (хт-х;.,„)-со5о1+(у1П-у/1<,)-5|па, + х;.1» , (В)

у1'- = (у1п-у|'.ь.).со8ог|-(хт-х;.,1>).8тв1^у|'.1. , (9)

где координаты промежуточных точек с учетом ветра ХП1 и У,,, определяются по формулам:

х1п = х,4-2:(х'„-х.п) , (Ю)

у1П = У1+2(У;.-У.п) . (11)

к--!

Из полученных точек Х'^ иУ' переходим к ноным точкам с уче —

том ветра и течения по формулам: у;т = у/, + (ут • д^) • соек,. .

■ (12) (13)

В третьей главе рассмотрен порядок решения задачи расхождения в истинном движении, предложено решать задачу в относительном движении с использованием электронного манев — репного планшета на экране ПЭВМ, пред\ожена приближенная кинематическая математическая модель маневрирования, рассмотрена методика проигрывания маневра, а также количественные критерии оценки надежности навигации.

Обычно при решении задачи расхождения ее выполняют в режиме относительного движения. Предложена методика решения задачи б режиме истинного движения на маневренном планшете, позволяющая учитывать динамические свойства как собственного так и встречного судов.

Для обеспечения документирования данных при ведении радиолокационного наблюдения и прокладки, ускорения процесса решения и облегчения выбора вида маневра разработаны алгоритм и программа использования электронного маневренного планшета на экране ПЭВМ. Работа судоводителя происходит при этом так, как и при использовании обычного маневренного планшета. Однако имеется возможность снимать отсчеты с экрана РАС через задании промежуток времени. ЭВМ производит расчет АОДов, построение их на экране, расчет и вывод на экран курсов и скоростей целей, пеленга, время и дистанцию кратчайшего сближения, запись результатов наблюдений и выполняемых расчетов в специальный файл.

При решении задачи приходится учитывать вероятный ма —

невр встречного судна. Трудность заключается в том, что динамические характеристики его не известны. Для исследования проигрывания вероятного маневра, выбора навигационного запаса была разработана приближенная кинематическая математическая модель. Сугь ее заключается в том, что на основании результатов исследования зависимости характера изменения линейной и угловой скорости утла дрейфа и других динамических характеристик во времени при маневрировании приняты упрощенные зависимости указанных элементов во времени.

Эта модель позволяет по известным элементам поворотливости 11( Ь, От, Оу и Од и характеристикам торможения Кэр и Рзртах воспроизвести динамику движения при маневрировании с достаточной для поставленных целей точностью.

Разработанный электронный планшет, позволяет производить проигрывание выбранного маневра. Для этого после первоначальных построений, вводят новый назначенный режим и время нанесения упрежденной точки. В результате получают ситуацию, которая будет после окончания выбраного маневра. Полученные результаты могут быть использованы на мостике судна, при отсутствии на судне САРП.

Для анализа причин навигационных аварий и поиска путей обеспечения безопасности при маневрировании в стесненных ус — ловиях была произведена декомпозиция обобщенного количественного критерия надежности навигации, введенного профессором Кондрашихиным В.Т. на составляющие критерии: линейный динамический; временной;технический.

Линейный динамический количественный критерий означает, что вероятность кратчайшего сближения при расхождении с суда —

ми, при прохождении навигационном опасности меньше допустимого, заданного судоводителем значения, т.е. Б, > .

Временной критерий означает, что время набора информации 1Ш{, ее обработки 1рз, выбора вида маневра 1вм и его выполнении ^ меньше допустимого, заданного судо водителем, т.е.:

. (14)

При ручном решении задачи расхождения величину заданного времени рекомендуется принимать равным 15 мин.

Технический критерий используется давно и означаег вероятность безотказной работы технических средств судовождения.

В четвертой главе рассмотрены вопросы выбора вида маневра в ситуации, когда время для безопасного расхождения упущено и требуется экстренное маневрирование для предупреждения аварийного происшествия.

Проанализирована ситуация сближения судов на пересекающихся курсах и приведены зависимости для определения времени наступления момента, когда перестают действовать существующие регламентации и обязанности, и необходимо выполнять единственный, требуемый обстоятельствами маневр.

Для получения зависимостей будем рассматривать ситуацию, когда существует опасность столкновения и пеленг встречного судна не меняется. С учетом способов учета маневренных характеристик, изложенных во второй главе, зависимости Тпм для расчета времени наступления отдачи команд на маневрирование и расстояния между судами Впм в этот момент, будуг следующими. При маневре отворотом влево:

DnMA=[aA + BA.tg^-|-Vl-2KcosP+K2 , (15)

(16)

При маневре отворотом вправо:

ап + вп -tg^11 j- Vi - 2KcosP+K2 , (17)

(18)

При торможении:

IW = STPM • Vi- 2KcosP+K2 , (19)

TnMr = DVDnMT ' (20)

VOTH

где ал, вл, ап, вп — коэффициенты поворотливости;

AQ —угол поворота;

К — отношение скоростей собственного и встречного судов;

V0TH— относительная скорость;

Р — относительный курс.

Для выполнения соответствующих расчетов и информации судоводителя о ситуации сближения разработана блок —схема алгоритма и программа расчетов экстренного маневрирования. Алгоритм экстренного маневрирования, составленный совместно с доц. Мальцевым A.C. представлен таким образом, чтобы обеспечить безопасное расхождение и при неблагоприятном вероятном маневре встречного судна. Д\я учета такого маневра в расчеты вводится навигационный запас SH3, максимальное значение которого, с учетом других факторов, равно тактическому диаметру циркуляции встречного судна D^.

Было произведено исследование ситуации сближения при

различных значениях угла между линиями пути судов равные 45°, 90° и 135°, при нахождении судна цели с правого и левого бортов, с использованием приближенной кинематической ММ, для различных соотношений скоростей собственного Уд и встречного Уц судов. Испытания выполнялись при отношениях Ун / Уц — 0.5, 1 и 2.

Результаты проведенных испытаний показали, что величину навигационного запаса целесообразно выбирать равным величине от прямого смещения до дактического диаметра встречного судна. Значение I? и От встречного судна определялось по результатам расчета осредненных параметров 13 судов, результаты натурных наблюдений которых имелись на кафедре "Управления судном".

Кроме алгоритмов маневра последнего момента были использованы алгоритмы экстренного торможения с использованием последовательных перекладок руля на борт.

При этом сравнивался алгоритм, используемый в тренажер — ном центре в Гренобле (Франция) и предложеный автором. Для мало— и среднетоннажных судов значительного сокращения тормозного пути перекладками руля получить не удается. Этим только облегчаются условия для реверсирования главного двигателя. Использовать отклонение от линии первоначального курса на угол более 30° не рекомендуется в связи с тем, что линейная скорость в дальнейшем падает незначительно и существенно увеличивается поперечное смещение. Оптимальным следует считать угол поворота равный 20°, так как при этом отклонение от линии первоначального курса незначительно.

Исследование движения т/х "Микола Бажан" на задний ход до СХЗ показало, что использованием перекладки руля менее 10° выполнить поворот вправо не представляется возможным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные в диссертационной работе исследования обосновывают следующие научные положения и выводы.

1. Предложенный алгоритм оценки точности результатов тра-екторных измерений по эксперименту пассивного торможения и программы для последующего определения траектории, характеристик торможения и элементов циркуляции позволяет существенно облегчить процесс обработки результатов натурных наблю — дений и повысить точность их определения.

2. Полученные коэффициенты мелководья и эмпирические формулы для их расчета позволяют приближенно учитывать влия — ние мелководья на характеристики поворотливости. При выполнении сравнительных испытаний на глубокой воде и па мелководье установлено, что обширное мелководье незначительно влияет на величину тормозных путей, из —за того, что наряду с увеличением сопротивления движению возрастаег и присоединенная масса.

3. Разработанные алгоритмы и программы учета маневренных свойств при выборе безопасной скорости, по значению скорости уверенного реверсирования и дальности уверенного обнаружения объектов в море, а также программа построения плановой и фактической траектории, при действии ветра и течения дают возмож — ность облегчить процесс предварительного планирования маневров и контроль за процессом маневрирования.

4, Разработанный алгоритм решения задачи расхождения п режиме истинного движения при ручной прокладке на маневренном планшете позволяет учитывать маневренные свойства собственного судна. Разработанный электронный маневренный планшет с использованием ПЭВМ д\я решения задачи расхождения в ре —

жиме относительного движения, алгоритм проигрывания маневра и документирования данных при ведении прокладки позволяют об — легчить процесс выбора маневра при решении задачи расхождения. Разработанная приближенная кинематическая ММ маневрирования, позволяет оценить последствия маневрирования встречных судов.

5. Проведенная декомпозиция обобщенного количественного критерия оценки надежности навигации на его составляющие критерии — линейный динамический, временной и технический позволяет установить конкретную причину аварийного происшествия и намегить пути обеспечения безопасного плавания в стесненных условиях.

6. Проведенное исследование алгоритмов экстренного маневрирования — маневра последнего момента, торможения с использованием последовательных перекладок руля и движения судна на задний ход позволило разработать методику выбора навигаци — онного запаса при назначении безопасной зоны вокруг судна, выработать практические рекомендации по выбору последовательно — сти действий при торможении перекладками руля в стесненных условиях и при движении судна на задний ход.

Выполненные исследования позволили разработать методы учета маневренных свойств судна и рекомендации судоводителям по обеспечению безопасности при выполнении маневра последнего момс1гга в стесненных условиях.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Мальцев А.С., Шараф Мохамед. Составляющие количественного критерия оценки надежности навигации / Экспресс —информа —

дня. Сер. "Судовождение, связь и безопасность мореплавания". Вып. 6(313). -М: В/О "МТИР", 1995. - С. 1-10.

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

3. Мальцев A.C., Шараф Мохамед. Исследование движения судна на задний ход. //Деп. ГНТБ Украины №701-Ук95 04.04.95 ГАСНТИ 73.35.02.02.

4. Мальцев A.C., Шараф Мохамед. Подбор коэффициентов аппро — ксимирующей зависимости для параметров циркуляции. //Деп. ГНТБ Украины N 702 - Ук95 04.04.95 ГАСНТИ 73.35.37.08.

5. Шараф Мохамед. Построение заданной траектории при циркуляции методом эллипса. // Деп. ГНТБ Украины N 700 — Ук95 04.04.95 ГАСНТИ 73.35.37.08.

6. Интабли Мухаммед, Шараф Мохамед. Критерии оценки качества лоцманской проводки. /./ Навигация, N 16—18, 1995. — 0,2 усл.

печ. л.

7. Теоретические исследования по разработке математической модели судна на мелководье. Отчет о НИР (промежуточный) / Одес. гос. мор. академия (ОГМА): Руководитель С.И. Демин. — Одесса, 1994. - 35 с.

Шараф Мохамед. Обеспечение навигационной безопасности при расхождении судов в экстремальных условиях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.16 — Судовождение, Одесская гос. мор. академия, Одесса, 1995.

Выполненная работа содержит результаты исследований способов обработки результатов натурных наблюдений на ЭВМ и учега маневренных характеристик при планировании поворота, расхождения и экстренном маневрировании. Проведены сравнительные испытания с использованием ММ маневрирования Pilot на глубокой воде и мелководье. Разработана приближенная кинематическая математическая модель. Предложены количественные критерии оценки надежности навигации. Осуществлению внедрение результатов в НИИ "Квант" и в учебный процесс в морской академии. Charaf Mohamed. Provision of navigation safety during ship divergence in extreme conditions. Dissertation on attainment of the degree — Ph.D in the speciality 05.22.16. Navigation. Odessa State Maritime Academy, 1995.

Accomplished work Contains research results of processing rescults of natural observation on the computer and consideration of manoeuvring characteristics during turning, diversion and special manoeuvring. Comparative experiments of mathematical model manoeuvre "Pilot" in deep and shallow waters were carried out. Kineinatical mathematical model has been worked out. Quantitative criterias of estimating navigational reliability has been proposed. Application of results in the Scientific Research Institute "KVANT" and in the academic process of the maritime academy has been carried out.

Kru040Bi слова: розходження суден, дшамчга характеристики, безпека мореплавания.

ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

-О А I/ Р о f М DHi^ 1 ° ""

^ ^£ ч, На правах рукописи

/j:./'/

\ voas/r;- I'J ШАРАФ Мохамед

.^ iL

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАВИГАЦИОННОМ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАСХОЖДЕНИИ СУДОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ

Специальность 05.22.16 — "Судовождение"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители — капитан дальнего плавания,

кандидат технических наук,

профессор С.И. Демин;

'^(ьш^ги iMi Л ÖS j 7: О'

капитан дальнего плавания, кандидат технических наук цент A.C. Мальцев Л ЧП ФУ-J,

КАПИТ0Н05' U.S.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................. 5

1. маневренные характеристики судна

1.1. Сравнительный анализ способов расчета инерционно — тормозных характеристик........................... 12

1.2. Определение элементов циркуляции и торможения при использовании ЭВМ для обработки результатов натурных наблюдений.......................................25

1.3. Подбор коэффициентов аппроксимирующей зависимости при описании процесса поворота..................... 37

1.4. Поворотливость и торможение судна на обширном мелководье.......................................46

2. способы учета характеристик поворотливости и

ИНЕРЦИОННОСТИ

2.1. Экспериментально — расчетный способ учета характеристик поворотливости...................................63

2.2. Приближенный способ учета характеристик торможения. . 82

2.3. Выбор безопасной скорости при торможении...........92

2.4. Выбор безопасной скорости при маневрировании

курсом..........................................101

2.5. Алгоритмы расчета траектории поворота при действии ветра и течения...................................105

3. Расхождение в стесненных условиях

3.1. Решение задачи в истинном движении................125

3.2. Решение задачи в относительном движении на электронном маневренном планшете.....................132

3.3. Кинематическая математическая модель движения встречного судна при расхождении........................140

3.4. Проигрывание маневра расхождения.................147

3.5. Количественные критерии оценки надежности навигации .150 4. расчеты экстренного маневрирования

4.1. Выбор маневра последнего момента..................163

4.2. Блок —схема алгоритма экстренного маневрирования .... 168

4.3. Выбор навигационного запаса.......................179

4.4. Торможение последовательными перекладками руля.....185

4.5. Движение судна на задний ход...................... 196

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................... 207

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................209

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Листинги программ.................... 222

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акты внедрения....................... 327

Технологическая карта диссертации Шараф Мохамеда

Введение

Эффективность работы морского транспорта определяется качеством основной технологической операции, связанной с пере — возкой грузов по водным путям — процесса судовождения. Несмотря на появление на судах новых технических средств судовож — дения и персональных электронных вычислительных машин ежегодно на морских и речных путях терпят аварию из —за столкновения каждое пятнадцатое судно [ 1 — 3].

При этом обращает на себя внимание тот факт, что аварийное происшествие происходит не по причине отказа технических средств судовождения, а из —за того, что действия судоводителя были запоздалыми и не адекватными складывающейся ситуации [4].

Внедрение на судах вычислительной техники [5—13] для автоматизации рутинных процессов обработки навигационных данных и подготовки необходимой информации для принятия решения позволяет значительно облегчить судоводителю процесс управления судном, однако окончательное принятие решения и отдача ко — манд на маневрирование остается за судоводителем.

С появлением вычислительной техники на судах была предпринята попытка решения задачи расхождения с использованием аппарата теории оптимального управления [7, 10, 14 — 35]. Решение задачи производилось в два этапа. Первый этап предусматривал поиск оптимального безопасного маневра в предположении, что параметры движения всех судов постоянны, а допустимая дистанция кратчайшего сближения известна.

Второй этап предусматривал выбор управляющих воздействий для реализации найденного оптимального маневра.

Учитывая значительную ограниченность принятой концеп —

туальной модели — допущение о статичности, отсутствие методики учета ограничений навигационного характера, а также использование одного маневра для всех судов, окончательного решения за — дачи расхождения получить не удалось.

В дальнейшем была разработана новая концептуальная модель, основанная на использовании аналитического аппарата теории позиционных дифференциально — разностных игр [36 — 45]. При этом процесс расхождения рассматривается как происходящий в условиях неопределенности и навигационного конфликта с совпадающими интересами. Предлагается построение модели позиционной дифференциальной бескоалиционной игры для нескольких судов, тогда как ранее рассматривалась только два из общего числа. Для приближения модели к реальной ситуации рассматривается задача в динамике, путем ввода допущения о постоянстве параметров движения всех судов только на интервале времени Д1 Однако наличие взаимных обязанностей, определяемых меджународными правилами предупреждения столкновения судов (МППСС —72), требует выхода за рамки игровых моделей.

Независимо от принятой концептуальной модели основными вопросами, которые приходится решать, являются учет маневренных характеристик и оценка размеров безопасной зоны вокруг судна (домены), в пределах которой требуется принимать экстренные меры для предупреждения аварийного происшествия [46 — 61].

Специфика ситуации чрезмерного сближения такова, что проводить исследования в натурных условиях не представляется возможным. Поэтому приходится выполнять теоретические иссле — дования и испытания на математических моделях [62] для получения обоснованных рекомендаций для судоводителя в случае, когда

время для расхождения упущено и требуется применение экстренного маневрирования для предотвращения столкновения.

Актуальность темы. Использование вычислитель — ной техники для автоматизации процесса решения задачи расхождения судов с помощью методов теории оптимального управления, не привели к решению проблемы в полном объеме. Доминирующий в настоящее время подход к формализации процесса выбора маневра, основанный на методах теории дифференциально — разно— стных игр, натолкнулся на противоречия, которые обусловлены наличием взаимных обязанностей судов в процессе расхождения, согласно МППСС — 72. Указанные ограничения могут быть преодолены только при выходе за пределы игровых моделей.

При концептуальном описании процесса расхождения, его формализации и выборе вида маневра определяющими являются вопросы учета маневренных характеристик судна и формирование зоны безопасности (домены) вокруг него.

В этих условиях исследование и разработка способов учета маневренных характеристик и алгоритмов выбора маневров при расхождении в ситуации, когда время для безопасного расхождения упущено, являются весьма актуальными.

Цель работ ы состояла в исследовании способов учета маневренных характеристик при расхождении, формализации процесса принятия решения в условиях опасного сближения и выбора вида маневра для экстренного маневрирования, а также в разработке методики выбора навигационного запаса для обеспечения безопасности при экстренном маневрировании.

Научная новизна:

— разработаны алгоритм и программа обработки результатов натурных наблюдений на ЭВМ для определения элементов поворотливости и характеристик торможения;

— разработаны способы подбора коэффициентов аппроксимирующих зависимостей для описания хода изменения элементов циркуляции в функции угла изменения курса;

— произведены сравнительные исследования маневренных характеристик судов на базе математической модели (MM) "Pilot" на глубокой воде и на мелководье и разработаны упрощенные эмпирические формульные зависимости для учета влияния мелководья на элементы циркуляции;

— исследованы алгоритмы и разработаны программы учета маневренных характеристик при выборе безопасной скорости, построении плановой траектории поворота при действии ветра и течения;

— разработана последовательность решения задачи расхождения в истинном движении;

— разработан электронный маневренный планшет для решения задачи в режиме относительного движения на экране ЭВМ и про — игрывании на нем маневра;

— разработана приближенная кинематическая ММ движения судна;

— предложены количественные критерии оценки надежности безопасного маневрирования;

— исследованы алгоритмы экстренного маневрирования и разработана методика выбора навигационного запаса для обеспечения безопасности при экстренном маневрировании;

— уточнена зависимость величины тормозного пути от коэф —

фициента энерговооруженности;

— исследованы алгоритмы экстренного торможения последовательными перекладками руля, движение на задний ход и разработаны практические рекомендации для судоводителей.

Методы исследования. Для выполнения теоретической части работы использовались аппараты математического линейного и объектно —ориентированного программирования на языке Турбо — Паскаль версия 6.0, исследования систем, решения дифференциальных уравнений, математической статистики и регрессионного анализа.

Экспериментальная часть работы включает: обработку результатов натурных наблюдений на судах, выполненных за последние 20 лет на кафедре "Управление судном" под руководством профессора Демина С.И.; испытание на приближенной кинематической модели маневрирования; испытания на MM "Pilot" одновинтового судна, разработанной проф. Деминым С.И. в ОГМА, динамические характеристики которой совпадают с реальными характеристиками с относительной ошибкой менее 10%.

Практическая ценность. Областью практичес — кого применения выполненных разработок является судовождение, где полученные результаты позволят повысить безопасность маневрирования в стесненных условиях при ветре и течении путем быстрого предварительного планирования маневров и нанесения плановой криволинейной траектории и осуществить автоматизацию расчетов для существенного ускорения получения исходных данных в процессе принятия решения при управлении движением судна.

Разработанный алгоритм и программа обработки результатов натурных наблюдений на ЭВМ с оценкой точности траекторных измерений используются при научных исследованиях, при выполнении курсовых и дипломных работ в ОГМА.

Способы подбора коэффициентов аппроксимирующей зависимости могут быть использованы для определения коэффициентов формульных зависимостей при выполнении научных исследований.

Сравнительные испытания маневренных характеристик судов на глубокой воде и на обширном мелководье позволили выработать практические рекомендации по оценке значений элементов поворотливости и характеристик торможения на обширном мелководье по сравнению с таковыми на глубокой воде.

Разработанный экспериментально — расчетный способ учета характеристик поворотливости может быть использован в автома — -газированных системах управления движением судна.

Предложенные алгоритмы и программы выбора безопасной скорости могут быть использованы на судах, в экспертных системах принятия решения и в автоматизированных системах судовождения.

Разработанные алгоритмы и программы расчета координат траектории судна при повороте позволяют произвести предварительное планирование поворота при ручном и автоматическом его выполнении.

Разработанная приближенная кинематическая математическая модель позволяет произвести проигрывание маневра расхождения и оценку последствий маневрирования при изменении курса и/или скорости несколькими встречными судами.

Предложенные количественные критерии оценки надежности

и

навигации позволяют определить конкретные причины аварийного происшествия и наметить пути обеспечения безопасного плавания.

Разработанная методика выбора навигационного запаса при решении задачи расхождения судов, алгоритм экстренного торможения последовательными перекладками руля и исследование движения судна на задний ход на базе ММ позволили разработать рекомендации судоводителям по выбору вида маневра в ситуации, когда время для обычного расхождения упущено и требуется применение сильных, максимально возможных управляющих воздействий (маневра последнего момента).

Внедрение работы. Результаты работы внедрены в опытно — конструкторские работы в НИИ "Квант", в учебный процесс и при научных исследованиях в Одесской государственной морской академии.

Апробация работы. Результаты работы докладыва — лись на научно — технических конференциях профессорско-преподавательского состава ОГМА в 1991 —1995 годах и на научно — техническом совете НИИ "Квант" в 1995 году.

Публикации. Результаты работы отражены в б опубли — кованных статьях и одном отчете о научно — исследовательской юаботе.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованной литературы, 2-х приложений. Изложена на страницах машинописного текста,

содержит 83 рисунка, 23 таблицы.

1. МАНЕВРЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

1.1. Сравнительный анализ способов расчета инерционно —

тормозных характеристик

Особенностью современного состояния науки об управлении судном является повсеместное стремление автоматизировать процесс обработки исходных данных, принятия решения, отображение ситуации и выполнение маневрирования без вмешательства судоводителя. За ним остается обязанность контролировать движение по заданной траектории и оценивать правильность функционирования системы управления.

Однако, прежде чем автоматизировать любой процесс управления, его необходимо научиться выполнять вручную и затем формализировать. Основу процесса управления судном составляют уравнения движения.

При составлении уравнений движения существуют два подхода.

При первом подходе, составляются выражения для кинетической энергии динамической системы движения судна [63 — 83]. После этого используют алгоритмизированный аппарат аналитической механики [65].

При втором подходе, основанном на принципе д'Аламбера, к действующим на судно силам и моментам добавляются силы инер — ционного происхождения, после чего рассматривается равновесие сил и моментов. Таким образом динамическая задача сводится к статической.

В связанной с судном системе координат, система диффере — нциальных уравнений, описывающая движение судна в горизонтальной плоскости, имеет вид [14, 84].

(т + Лп)-^~ + (т + Л11)-У-й}±Ег ±Я ±Е ±Р= О ;

\ 11 / (Ц у р* 1

/ \ ауу / \

{т + Я22).-^ + (т + Аи).Ух-й>±КГу±Крг±Иау-Кв = 0 ; (1)

(1+Л66)-~-(Ап-А22)-Ух-Уу±Мг±Мр±Ма-Мбс=0 ;

где Ре — сила упора винта;

Ие — боковая сила винта;

ЯГх, Яах, Крх — продольные составляющие гидродинамической,

аэродинамической силы и силы на руле соответственно;

11Гу, Иру — поперечные составляющие тех же сил;

Мг, Ма, Мбс, Мр — моменты гидро и аэродинамической сил, боковой силы винта и руля;

Хц, Л-221 ^66 ~~ присоединенная масса по оси X, У и присоеди —

ненный момент инерции.

Обычно, при расчете инерционно — тормозных характеристик, используют только первое уравнение системы (1). При его решении вводят ряд допущений, которые определяют используемую математическую модель [14]. Профессор Демин С.И. считает коэффициент сопротивления К, при квадратической зависимости сопротивления среды процессу движения судна от скорости II(V) = КУ2, во время торможения постоянным. Определять его он предложил из эксперимента пассивного торможения. Однако основным вопросом, приобретающим первостепенное значение, является точ —

ность траекторных измерений при выполнении натурных наблюдений. Из существующих известных способов наиболее точным является определение расстояния по углу снижения плавающего ориентира, измеренного при помощи секстана.

При выполнении эксперимента пассивного торможения про — изводилось измерение времени и пути торможения от начальной У0 до конечной скорости Ук< По этим данным обычно производится определение коэффициента сопротивления [14] по формуле:

ш V

• (2)

* о' 1 э У к

Учитывая, что высокоточные траекторные измерения позво — ляют определить и путь 5Э, проходимый судном за время падения скорости от У0 до Ук, значение коэффициента сопротивления Кэ можно определить также и из выражения:

Обычно при выполнении эксперимента пассивного торможения значения коэффициента сопротивления определяют по формуле (2) , полагая, что точность определения 1Э по секундомеру

выше, чем измерения пути 5Э. Сравнительного анализа способов определения Кйэ и не производилось. Другим вопросом, который приходится решать каждому исследователю при выполнении эксперимента пассивного торможения — до какого значения Ук производить измерения для того, что