автореферат диссертации по транспорту, 05.22.16, диссертация на тему:Оценка характеристик навигационной безопасности плавания судна

МИНИСТЕГСТ1Ю ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОСМОРФЛОТ НОВОРОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

; 6

^ ц ЦЕЛ 1998

На правах рукописи УДК 656.61.052.4:629.12.014.6

Скороходов Сергей Витальевич

ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК НАВИГАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПЛАВАНИЯ СУДНА

Специальность: 05.22.16 - Судовождение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новороссийск - 1998

Работа выполнена на кафедре Судовождения Новороссийской Государственной морской академии.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

А.С.Васьков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.АЛогиновский; кандидат технических наук, доцент А.В.Мнронов.

Ведущее предприятие - ОАО "Новороссийское морское пароходство (НОВОШИП)".

Защита состоится 18 декабря 1998 года в 15.00 часов на заседании Диссертационного совета К. 101.06.01 при Новороссийской Государственной морской академии по адресу: 353918, г.Новороссийск, пр.Ленина,93, НГМА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГМА.

Автореферат разослан <? ноября 1998 года.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, в двух экземплярах просим направлять в адрес ученого секретаря Диссертационного совета К.101.06.01 НГМА: 353918, г.Новороссийск, пр.Ленина,93, НГМА.

Ученый секретарь Диссертационного совета К. 101.06.01, кандидат технических наук, доцент В.В.Владимиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем морского судовождения остается обеспечение безопасности плавания Судов в стесненных условиях, на которые из анализа статистических данных приходится около 80% навигационных аварий судов мирового флота. Убытки от одной навигационной аварии для мирового танкерного флота составляют около 300 тысяч долларов США. Эти аварии часто приводят к экологическим катастрофам.

Данные обстоятельства указывают на необходимость совершенствования традиционных и автоматизированных методов планирования маршрута перехода и контроля процессов навигации и управления движением судов. В качестве основных характеристик безопасности плавания при планировании маршрута перехода судов могут служить гарантированная ширина полосы проводки (Hill), безопасный запас глубины под килем, точность контроля местоположения. Необходимость определения этих характеристик предусматривается национальными и международными требованиями, включенными в руководства по безопасности мореплавания. Эти вопросы достаточно часто являются предметом исследования многих авторов, тем не менее, требуется непрерывное их совершенствование в соответствии с развитием условий судоходства.

Целыо диссертационном работы является исследование методов и разработка рекомендаций судоводителям по выбору безопасных глубин для маршрута перехода, прогнозирования ГПП и точности контроля местоположения судна, обеспечения безопасности плавания. Для этого решаются следующие задачи, которые выносятся на защиту:

1. Анализ методов определения составляющих ГПП, маневренного смещения судна с заданной траектории и разработка обобщенной методики их определения с учетом экспериментальных данных;

2. Анализ методов определения безопасных глубин для выбора мар-

трута перехода и безопасных режимов движения судна и разработка обобщенной методики их определения;

3. Разработка методики и экспериментальное определение ГПП и характеристик траекторных методов оценки точности судовождения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются теоретические основы навигации, гидродинамики судна на мелководье, маневрирования и управляемости судов, методы математической статистики, идентификации, моделировании м расчетов на ЭВМ.

Научная иовнзна работы заключается в следующем:

1. Формулировке задачи обеспечения навигационной безопасности плавания как единой проблемы определения ГПП судна с безопасными глубинами для выбранного режима с учетом точности средств навигации, динамических характеристик судна и системы управления движением по линии заданного пути (ЛЗП):

2. Произведен анализ методов определения составляющих манев- ' репного смещения судна с ЛЗП и запаса глубины под килем судна, получены новые обобщенные аппроксимирующие выражения их расчета;

3. Разработан обобщенный метод оценки ГПП судна на основе совместной статистической обработки траекторий его движения.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут найти практическое применение на морских судах при решении задач планирования и прокладки маршрута перехода при традиционных способах судовождения, а также могут быть использованы в автоматизированных навигационных комплексах.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы являются основной частью госбюджетных НИР кафедры Судовождения НГМА "Навигационное обеспечение крупнотоннажных судов при плавании в стесненных водах" (№ ГР 01.84.0070594) и "Теоретические и методологические основы решения задач судовождения с помощью соврс-

мснных ТСС" (№ ГР 01.93.0004058), выполненной в соответствии с отраслевой программой П05 "Перспективных работ по повышению безопасности мореплавания и совершенствования ТСС и связи на 1991 - 1995 гг".

Результаты экспериментального определения характеристик 11111 и траскторных методов оценки точности судовождения переданы в департамент мореплавания "РОСМОРФЛОТ' в виде части хоздоговорной НИР №51-28-41-94/1 "Разработка математического и алгоритмического обеспс-чения процессов навигации и управления движением cuctcmi,i судно - зона навигационной безопасности (ЗНБ)" (№ ГР 01.95.0001812).

Основные положения диссертационной работы внедрены в учебный процесс для подготовки инженеров-судоводителей НГМА по курсу "Навигация и лоция", при курсовом и дипломном проектировании.

Результаты исследований по определению 11111 судов и допустимого запаса глубины под килем судна внедрены в ОАО "НОВОШИП" при разработке Руководства по навигационной безопасности для судов в соответствии с требованиями Международного кодекса по управлению безопасностью. -

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты доюгадывались на ежегодных научно-технических конференциях НГМА 1985 - 1997 годах.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях и б отчетах но НИР.

Структура н объем работы. Общий объем диссертации 160 страниц включает содержание 2 страницы, введение 3 страницы, четыре раздела 95 страниц, заключение 3 страницы, список литературы из 162 наименований 14 страниц, приложение 42 страницы, 49 иллюстраций и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель н задачи исследования, приводятся основные результаты работы.

В первом разделе рассматриваются теоретические основы выбора основных характеристик навигационной безопасности судна при плавапин в стесненных условиях, в качестве которых выбираются безопасный запас глубины под килем; ГПИ, точность контроля местоположения.

Фактические траектории движения судов представляются случайными колебаниями относительно ЛЗП с медленно изменяющимися амплитудой н частотой, описываемые уравнением синусоиды рис.1:

Выполнение требований ИМО по допустимой погрешности (4% от дистанции до опасности) при малых дистанциях до опасности не всегда обеспечивает безопасность плавания из-за маневренного смещения для удержания судна на ЛЗП. Это смещение может значительно превышать погрешность определения места судна и его необходимо учитывать вместе с ней, что будет соответствовать требованиям ИМО для вод, в которых ограшгчена свобода маневра.

Величина допустимой погрешности контроля места при круговом распределении Релея будет определяться в зависимости от дистанции до опасности и маневренного смещения судна при систематическом и слу-

Рнс.1. Схема движения судна относительно ЛЗП 1 - ЛЗП; 2 - фактическая траектория движения судна; 3 - опасная изобата.

чайном характере составляющих, соответственно выражениями:

/2 1 м

где Боп _ дистанция до ближайшей опасности, мили;

_ маневренное смещение судна с ЛЗП, мили; М _ допустимая радиальная погрешность места судна при заданном уровне вероятности (95% по требованиям ИМО), мили. Соотношения между требуемой точностью и шириной фарватера, рекомендуемые МАМС, аналогично (1) определяются выражениями:

где Вф _ ширина фарватера, мили.

Сравнение допустимых погрешностей места судна при систематическом и случайном характере составляющих через их отношение

показывает, что при систематическом характере составляющих величина требуемой допустимой погрешности меньше, чем при случайном, но при случайном характере составляющие могут взаимно компенсироваться.

Таким образом, в качестве основных характеристик навигационной безопасности плавания могут служить погрешность контроля местоположения судна, его маневренное смещение с ЛЗП, определяющие ГПП, и минимально допустимый запас глубины под килем.

Теоретической основой решения задач определения места судна и оценки его точности являются метод линий положения и метод наименьших квадратов (МНК), которым посвящено значительное количество научных исследований. Но все эти методы дают оценку отдельной точки, а не траекторию движения судна.

Маневренное смещение судна с ЛЗП в соответствии со схемой движения судна предлагается представлять следующими составляющими

ВФ+4У.

(3)

YM = Y3 +Yn +YK +ДУ,

(4)

Yn

Y.

где Y, _ смещение ЦТ судна за время обработки информации и запаздывания системы управления, мили;

- смещение ЦТ судна за время возвращения на ЛЗП, мили;

- смещение кормы судна при возвращении на ЛЗП, мили;

ду - навигационный запас полосы движения судна, мили.

Анализ теоретических, модельных ^экспериментальных исследований по определению безопасных для^илавання глубин показывает, что ограждающая или опасная изобата определяется максимальной осадкой и минимальным запасом глубины под килем судна в зависимости от условий плавания рис.2

Ноп=Т_+ДН, ДН=ДН0+ДН,+ДН2+ДН3+ДН4, (5)

где Hon, Тщах - опасная глубина (изобата), максимальная осадка, м;

ДН, ДНо - суммарный запас и поправка глубины на колебание уровня воды, м.

ДН], ДН2 - навигационный и креповой запасы глубины, м;

ДНз, АН» - волновой и скоростной запасы глубины на изменение посадки судна, м.

<>А1Ь V (Д

ДН,

\/ \/\/

Грунт

"Жтп^

V

Рис.2. Схема составляющих допустимого запаса глубины под днищем судна

Составляющие выражении (4), (5) предлагается аппроксимировать по аналитическим, табличным, графическим и экспериментальным данным в виде полиномов, с идентификацией их коэффициентов МНК с последовательной циклической обработкой:

Y = АХ; (6)

A¡= Л,, + R¡Y|[Y¡ - Y¡TA¡.i]; R¡ = RM - R¡., Ytl+Yi'R;., У^1 Y^R;.,; (7) Ro = kI; [Y| - YiTA¡.j] á , (8)

где Y - искомое значение функции навигационной характеристики;

X - вектор аргументов функции навигационной характеристики; A, R - вектор коэффициентов аппроксимации, подлежащих определению, и оценки ковариационных матриц погрешностей аппроксимации; к - коэффициент для ускорения сходимости идентификации; I - единичная матрица одного порядка с ковариационной; m3¡ul - заданная погрешность идентификации; ¡, ¡>i - текущее и предыдущее значения параметров процессов.

Во втором разделе производится анализ (40 различных) методов определения маневренного смещения судна с ЛЗП для формирования 11111, которые систематизированы по трем подходам представления движения: кинематического, динамического и статистического и двум видам траекторий: прямолинейной и криволинейной.

В качестве основных методов, построенных по кинематической схеме, можно выделить определение маневренного смещения через углы рыскания, дрейфа, сноса, векторы скоростей судна и суммарного сноса, учет динамических характеристик по реакции на управление рулем, влияние ветра и течения, которые представляются выражениями:

2R„ В

YM =Vt3sinCP+C)+R4(l-co¿F)+—--7T(vF+C)C+kLsinCÍ'+C)+-cosCí/+C); (9)

Yu =

Vt£ 57,3'

, fvcV ,vc ( cYp Ruc! Г Vc f c)

1+ —c- +2-^codqc--+ , " 1 + —coa qc--

lv J V Vе 2) 2(57,3"У. V Vе 2j

+ —sinC + —cosC; (10) 2 2

Ун = У.,5т*+2,51. И.9 + 355 УЗбОО 5 + 24у + В

105 -255 *2 2

Ь . Г-0,7 + ^/0,49 + 745 ) Г Нц(У + а)\ . ч

—------- + + 573 -У Г" 4 в + Т 4

+ —51П .

2 ^ 24

где V - скорость судна, м/с;

Ь, 13 - длима и ширина судна, м; УвЛ'т. Ус - скорости ветра, течения, суммарного сноса, м/с; 1з - время запаздывания системы управления, с; ч': а, С - углы рыскания, дрейфа, суммарного сноса судна, 1-рад; Кц - радиус циркуляции при возвращении судна па ЛЗП, м; к - коэффициент отстояния ЦТ судна от кормы (0,5+0,7). 5 - угол перекладки руля, град.; Чз> Чт» Чс - курсовые углы ветра, течешь, суммарного сноса, град. Другие анализируемые методы являются, как правило, упрощениями выражений (9), (10) разложением тригонометрических функций и т.п. для решения частных задач. При сочетании кинематических методов, например, с упрощенными вариантами решений дифференциальных уравнений движения судна получается выражение:

Ум = (0,06 +0,4 )У1, + 0,9В+ (2,4+3,6 )В. -'(12)

Обработка теодол1гшых измерений траекторий движения гидрографических судов методами идентификации (6) - (8) позволяет получить простое выражение маневренного смещения:

Ум =0.18УЧ' + (ОЛ2Ч* + 0,ОЗХ1,02С + 8,1)Ь + 0,5а (13)

При сравнительном анализе методов определения маневренного смещения судна с ЛЗП идентификацией (6) — (8) получена обобщенная их аппроксимация удобная для расчетов в судовых условиях

Ун=0,57В+(С+тс)|0,02Ь+0>14У1з+0,027—^ (14) .

где о - угловая скорость поворота судна, град/с.

Отдельным пунктом в диссертации рассматриваются методы опре-

деления маневренного смещения судна с ЛЗП на криволинейных участках, которые систематизированы по трем направлениям: в виде дополнительной поправки к выражениям маневренного смещения на прямолинейных участках; специальной кинематической схемы движения;. решения дифференциальных уравнений движения судна. Сравнительные расчеты показывают, что наиболее простым для практического применения судоводителями, но равноценным по значениям получаемых величин, является первый метод, представленный в форме табл.1.

Таблица 1

Относительный радиус поворота Яп/Ь 4,5 5 б 7 8 10 12 14

Поправка в долях длины судна ДУп/Ь 0,055 0,5 0,04 0,035 0,03 0,02 0,01 0

Результаты сравнительных расчетов показывают одинаковый характер изменения маневренного смещения для всех методов и переменных. Расхождения значений составляют до 50%, которые для более точных методов (9) - (11) объясняются величиной дополнительного навигационного запаса полосы движения, принимаемого от нуля до двух ширин судна (около 90 м). Предлагаемая формула (14) дает отклонения около 30 м, что подтверждает возможность ее использования для практических целей.

В третьем разделе производится анализ (50 различных) методов определения составляющих минимально допустимого запаса глубины под килем судна (5) для выбора безопасных глубин и районов плавания.

На основе методологии нормирования осадки судов в портах и анализа различных источников предлагается новое выражение навигационного запаса глубины, отвечающее своему названию и учитывающее погрешности остальных составляющих запаса глубины с заданной вероятностью

ДН, =кш , ' (15)

где к!„ - коэффициент вероятности, обеспечивающий, например, квадратическое сложение случайных переменных; т„, тг - СКП глубины на карте и статической осадки судна, м; ш0, ш„ - СКП величины приливо-отливных явлений и заиливания, м;

Шз, пг* - СКП определения волнового и скоростного запасов глубины под днищем, м.

На основе анализа функциональных зависимостей дисперсий экспериментальных данных: нанесения глубин на карту, определения статической осадки судна, скоростного запаса глубины, периодов волн, качки в диссертации получены аппроксимирующие выражения их составляющих в виде следующих функция:

ш1л =акН,+Ь1тЦ; к ш = 1-0,04(Д11, -т г) ьк ь (ДН 3 -т)2; (16)

тТ = %/п\_;т +т;; т»Т =0Л410-,Т'+0.00039Ы „; т» =410-7Т>+0,068Ду; (17)

m3=KDKB

0,19(2+cosq) |— + 0,05

11

(18)

KD=l + a(l + sinq)i200 D ; K„=|-21i^1-0,99nj

; T0=l,03TB-0,34Vcosq; (19)

mj=K4

0,009-p=r+0,001T ,

к4=М

4 V T

в , ah — + bb lDt ь

(20)

где a^ bk - коэффициенты аппроксимации, табл.2;

ni£ - суммарная СКП составляющих выражения (15), м;

kb - коэффициент аппроксимации, зависит от числа встреч судна с волнами: 0,064 при N <; 2000; 0,058 при N > 2000;

m;,m>T начальные дисперсии нансссння глубин на карту и осадки, м2;

т; - дисперсия осадки из-за изменения плотности воды, м2.

Np, Т - количество дней с начала рейса и исходная осадка, м;

Ау - диапазон удельного веса воды для характерных районов;

К.» - коэффициент влияния на просадку проходящего судна;

аь, Ьь - коэффициенты аппроксимации влияния на просадку, табл. 3;

Н, Ds - глубина, траверзное расстояние между встречными судами, м;

\'ьс - скорость хода встречного судна, уз;

D, Ко - водоизмещение и коэффициент его отклонения от 200 тыс. т:

а = 0,0013 b=2, D s 200 тыс.т; а = -0,0067 b =1, D > 200 тыс.т; Кв - коэффициент встреч с волной по распределению РеГипгха; xD тс, т0 - периоды волнения, качки и встреч судна с волнами, с; N=t/t0 - количество встреч с волной на данном участке пути; ni|, - погрешность определения высоты волны (0,5 - 1,0 м).

Таблица 2

Класс Промера Коэффициенты и СКП аппроксимации Тип акватории, начальная дисперсия (m2r), м

bk СКП, м Фарватер Порт, канал Причал

1. ■ - - 0 0 0 0

2. 0,00002 1,100 0,010 0,043 0,023 0,014

3. 0,00003 1,180 0,021 0,060 0,033 0,018

4. 0,000057 1,190 0,044 0,102 0,047 0,028

Таблица 3

Нос, корма Значение коэффициентов

аь Ьъ mi

1. Влияние на носовую оконечность судна 1,40 0,36 0.22

2. Влияние на кормовую оконечность судна 1,86 0Д5 0,30

СКП аппроксимации равны: статической осадки - 0,00S м, изменения удельного веса воды - 0,003 м, скоростного запаса глубины - 0,12 м.

Креповой запас глубины на крен судна от ветра и динамический вследствие волнения и поворотов предлагается на основе табличных данных аппроксимировать выражением с СКП 0,003 м:

ДН2 = B(0,00014V„2 +0.00042V), (21)

где Vb - скорость расчетного ветра, м/с.

Волновой запас глубины, учитывающий мгновенное увеличение осадки судна относительно уровня спокойной водной поверхности, п отечественной источниках определяется в функции от длины судна и высоты волны 3% обеспеченности. Эти табличные данные предлагается аппроксимировать выражениями с СКП 0,1 м и 0,035, соответственно:

ДНз=(1+0,0085Ч^12^-+0,5^ ДН, =0,29(1+0,(22)

где q - курсовой угол волнения, фад; h - высота волны, м.

В зарубежных источниках для определения волнового запаса глубины учитываются, кроме того, период следования волн, качки, количество встреч судна с волной в виде графиков чувствительности, которые в дополнении к выражениям (19) предлагается аппроксимировать формулой

ЛН1=К„К„

0.19(2+0051]) /—40.05

Ь .

(23)

Основные теоретические предпосылки определения скоростного запаса глубины (динамической просадки) базируются на формуле Берпул-ли. но которой, зная скорость потока жидкости стесненного мелководьем или бровками канала, определяется динамическая просадка судна

ДН,

У- -V 28

(24)

где V] - скорость стесненного потока у судна, м/с.,

■ Для определения скорости стесненного потока предлагается тригонометрическое решение кубического уравнения с преобразованием по методу Кордано

3

У:+2е Н

втр В,

соэ

|^агссо5(-

51 УН)

Н-

втр

в.

л

|+У

(25)

где

к

Вк - ширина канала, м; Р _ коэффициент полноты мидсльшпангоута. Одной из задач диссертации является приведение различных методов определения скорости стесненного потока и скоростного запаса глубины к более простому и явному виду о г характеристик и режимов движения счдна. В результате систематизации методы определения скоростного запаса глубины представлены линейными, квадратичными, кубическими и более сложными зависимостями от скорости судна

ДН,=Ку,У: ДН<=Ку,У:; ДН,=Ку,У>; ДН, = К^ЦУ), (26)

К^ - постоянные или функциональные коэффициенты характеристик судна и водного пути, дающие размерность запаса глубины в метрах.

где

Сравнительные расчеты скоростного запаса глубины по 50 различным методам показывают в целом качественно одинаковый характер изменения его величины для различных аргументов, несмотря на разные функциональные зависимости, а значения расходятся до 50%. При этом было установлено, что линейные зависимости дают заниженные значения.

Расчеты по квадратичным и кубическим зависимостям в диапазоне скоростей 1 - 5 м/с практически совпадают с расчетами по выражениям со сложными функциональными зависимостями (Л.М.Полунина, Г.И.Ваганова, Л.Б.Карпова, ОИИМФ, SOGIŒAH, NSP, NRF, NPL), а при скоростях 5—10 м/с наблюдаются расхождения. Это дает основания упростить сложные выражения скоростного запаса глубины методами аппроксимации. Одним из вариантов такого усовершенствования являются формулы Г.И.Сухомела с квадратичной зависимостью от скорости, коэффициенты аппроксимации которых после преобразования и приближения к более сложным принимают вид

KV2=K5; при-|р<1,4; Kv2=K5^, при 1,4 <"<4;

Ks=24,2 — 0,9S , (27)

L

Т

где К5 - коэффициент аппроксимации с СКП 0,01.

Дальнейшее приближение квадратичной зависимости осуществлено но исследованиям и натурным данным В.П. Смирнова в виде функционального коэффициента с СК11 0,0007

КУ2=[1(0,С00380Ь + 0,082) + 0,0000.,Ь + 0,0042 ^2,5 'к- ~ '" + (2'<С)

где Т„ Т„ - осадка судна кормой и носом, м.

На основе натурных экспериментов и анализа просадок судов в зарубежных источниках получены графики отношения скоростного запаса глубины (просадки) носом и кормой к ширине судна в зависимости от стесненности пути, осадки и квадрата скорости судна. Эти графики предлагается аппроксимировать с учетом выражений (20) более сложными за-

висимостями по сравнению с (28) с СКП в табл.4

ДН4=ку,^+К„У(УЬс+1); КУГ=ВЬзуаг^+Ь2); КУ2 =^а2-^-+Ь21 (29)

где Б,, Бш - площади сечения канала и подводной части миделя, м2; 3|, Ь; - коэффнцис1пы аппроксимации (см. табл. 4).

Таблица 4

П|чччлдкл носом, кормой Значение ко;>ффмцнс|[гоп п СКП шшроксимацнп

»1 ь, ш4, м «1 ь2 ■»к«

Носом« оконечность 1,01 13,63 0,8 МО"1' 0,36 0,22

Кормом« оконечность М-4 11,47 0,5 1,86 0,25 0,30

В качестве обобщения предлагается аппроксимировать вычисления скоростного запаса глубины с учетом функциональных различных зависи-

мостей его параметров следующими выражениями:

ДН4=КУ1У'+КУ2У; (30)

мм

где £ - коэффициенты аппроксимации, подлежащие определению.

Показатели степеней выражений (30) и коэффициентов аппроксимации необходимо определить методами теории идентификации (из диапазонов: г =1,2,3; 1,2; п= 1,2,3; е= 1,2,3; (1 = 2, 3) при условии

наилучшего приближения значений скоростного запаса глубины к натур-

\

ным данным или аппроксимируемым выражениям.

В четвертом разделе проводится исследование обобщенного метода определения 1 "1111 судна па основе совместной статистической обработки траекторий переходов судна по одному маршруту. При этом ГПП будет косвенно учитывать условия плавания, точность местоположения, динамику судна и характеристики системы управления движением по ЛЗП.

При движении судно отклоняется от ЛЗП от действия внешних (течение, волнение, ветер) и внутренних факторов (работа приборов, указателей, систем, влияние их погрешностей), имеющих случайный и систематический характер. Изменения отклонений от ЛЗП можно представить

случайной функцией, а восстановленную траекторию движения ЦТ судна, реализацией случайной функции. Для выявления влияния различных факторов на траекторию движения экспериментальные данные группируются по: районам плавания, сезонам года, погодным условиям, типам судов, их загрузке, скоростям движения, техническим средствам навигации, и т.д. При обработке данных принималась гипотеза о нормальности их распределения, которая для каждой серии проверялась и подтверждается.

Восстановление траектории движения судна осуществлялось по обсервациям и отклонениям судна от ЛЗП в этот момент. Для выбора метода восстановления траектории рассмотрен ряд предположений, из которых более реальное следующее: судно отклонялось от ЛЗП по непрерывной нелинейной траектории с учетом скорости отклонения между обсервациями, и возможно отклонялось дальше прямой, соединяющей две последовательные обсервации. Наилучшим математическим аппаратом для восстановления установлено применение кубических сплайнов по программе, приведенной в Приложении 2 диссертации. Серии проходов обрабатывались:

1. Осреднением характеристик единичных проходов, с привязкой к маршрутам или без нее, с учетом весов характеристик;

2. По совокупности значений боковых отклонений от ЛЗП по всем единичным проходам (обработка по реализациям);

3. По совокупности реализаций (боковых отклонений) по маршрутам переходов с восстановлением траекторий и привязкой их к координатам точек маршрута (обработка по сечениям).

Последнее позволяет получить динамику изменения статистических характеристик точности по маршруту перехода и более адекватно сравнить с требованиями точности ИМО.

В качестве основных характеристик траектории движения судна предлагаются:

1. Среднее значение отклонений фактической траектории судна от ЛЗП;

2. Среднсквадратическое отклонение (СКО) фактической траектории от среднего значения и от ЛЗП и коэффициент его вариации (гпу);

3. Нормированная корреляционная функция отклонений, определяющая характер изменения и взаимосвязь отклонений фактической траектории относительно се среднего значения или ЛЗП;

4. Регламентированная условиями плавания (требованиями ИМО, опасными изобатами, СРД, правовым режимом и т.д.) ширина полосы проводки судна (РПП) с заданной вероятностью (\'р);

5. ГПП, определяемая по статистической оценке траскторных измерений с заданной вероятностью (¥„„) и коэффициент запаса безопасности (КЕ)

V'

v = V „ . Клт—my

А тп ^rrnv^yt

21п

sVTkW

ofvy

я!п ^ /mJ

KE=YI/Yran; (31)

где

Кп

k"(0), S

р

- коэффициент ГПП, учитывающий результаты статистической обработки;

- вторая производная по расстоянию корреляционной функции отклонений с ЛЗП н пройденное расстояние;

^ - функция распределения Лапласа, по требованиям ИМО ) принимается равной 0,95;

- вероятность того, что за время плавания не произойдет выхода за пределы ГПП; 6. Среднее число выходов судна за пределы РПП и ГПП вправо и влево в единицу времени (Nc)

, ,_ 1/Vn.V

2л

(32)

7. Общее число выходов за пределы РПП и ГПП в течение заданного времени или расстояния (N,)

N , = N CS; (33)

8. Средняя длительность каждого выхода за пределы РПП и 11111 (¡ь)

4 =

:2 я

1-ф

V ^

1 гпп

\тг Л

9. Средняя длительность интервала между двумя соседними выходами за пределы РПП и ГПП в одну сторону (1„)

.'(■Л,) •

1„=-

^уе")'

(35)

Для количественной оценки характеристик точности, безопасности плавания и ГПП обработаны экспериментальные данные по переходам судов, результаты некоторых из них представлены в табл. 5, б в виде СКО, средней квадратической полосы проводки (СК1111), среднего значения отклонений (СЗО) и графиков на рис. 3-5.

Таблица 5

Результаты обработки данных проходов судов проливом Босфор

Принцип систематизации СКО, кбт СКПП, кбт СЗО. кбт

По всем проходам 0.21 0,42 -0.012

По маршруту Перехода Ы-Б 0,29 0,58 -0,016

Б-Ы 0,09 0,18 -0.009

По водотмещешпо 100000-150000 0,22 0,43 -0.028

50000-100000 0,23 0,45 0.029

10000-50000 0,23 0,45 0,022

По сезонам Осень - зима •г~ 0,26 0,51 -0,003

Лето - весна 0,20 0,39 -0,017

Загрузка в грузу 0,24 0,47 -0,016

в балласте 0,22 0,43 -0,09

Результаты обработки данных не

Таблица 6 исходов судов в Черном море

Принцип систематизации СКО, к&т СКПП, кОт СЗО, к&т

СА СИ

По веем проходам 5,3 10,6 9,8 7,6

По маршруту Перехода Порты Черного моря - Босфор 4,7 9,4 9,6 7,7

Босфор -порты Черного моря 6,0 12,0 10,5 6,7

По Водоизмещению более 100000 4,9 9,8 3,2 8,0

20000 - 70000 5,0 10,0 12,3 7,3

менее 20000 6,2 12,4 12,1 11.0

По сезонам лето 4,5 9,0 3,2 8,0

Осень - весна 6,0 12,0 15,5 16.2

Загрузка в грузу 4,7 9,4 11.4 8,1

в балласте 6,1 12,2 5.7 2.7

Одинаковая структура изменения оценок характеристик ГПП

oq

V SH&fs Iis 1 Г 1 1

л/7 [О^Г/

•O.l5 5

i I

1S к 1

-o.ojJ

-e-t.,

0.00

о л. !—cic

-п я

-П Д ...

«1.20 Ч «1.10 4 1.04. 41,00

Рис. Характеристики Г111Д при проходе судов лролнпом Босфор с севера ил юг

0.030

41.00 41.05 41.10 4 1,15 41.20 Широт», гряа

Рис.4. Характеристики ГПП при проходе судов проливом Босфор с юга на север

I о,

4

I4-

-Л 1 /\/\

Л

•5.0

0.0 — Кср

-С 1С

-СКОяр

-СКОяся

— Y г я я

- V '[ я а

5.0

JJ.0 3 5.0 3J.0 JI.0 :?.0 Дояготя. гряд

Рис.5. Характеристики ГПП на переходе Новороссийск - Босфор

показывает их общие принципы для обеспечения безопасности плавания в узкостях и открытом море. Систематическое смещение судов вправо от середины полосы движения и от ЛЗП, проложенной по рекомендованному пути, можно.считать преднамеренным с целыо разделения потоков судов.. СКО от ЛЗП на начальных и конечных участках маршрута больше, а в средней части меньше, что объясняется адаптацией судоводителей вначале к условиям плавания и преднамеренными отклонениями от ЛЗП на подхода к узкостям для расхождения с судами.

В заключении на основании результатов исследований, полученных в диссертации сформулированы следующие выводы:

1. Выполнение только требований точности ИМО и МАМС не обеспечивает навигационной безопасности плавания крупнотоннажного судна при малых дистанциях до опасности (меньше двух миль). При этом дополнительно необходимо возможное маневренное смещение судна для удержания на ЛЗП. При систематическом характере погрешностей, составляющих допустимая погрешность обсерваций может быть меньше, чем при случайном, но случайные величины могут взаимно компенсироваться.

2. Задача обеспечения навигационной безопасности плавания представляется как единая проблема определения ГПП судна с безопасными глубинами для выбранного режима движения с учетом точности контроля местоположения, динамических характеристик судна и системы обеспечения движения по ЛЗП.

1. Понятие "опасность" предлагается определять в виде опасной глубины при плавании на мелководье, при которой наблюдается значительное гидродинамическое взаимодействие между судном и грунтом, сопровождаемое проседанием и возможным касанием грунта.

2. Систематизированы методы определения маневренного смещения судна с ЛЗП по трем подходам представления движения: кинематического, динамического и статистического и двум видам траекторий: прямолинейной и криволинейной.

3. Проведен сравнительный анализ 40 различных методов определения маневренного смещения судна с ЛЗП и методами теории идентификации с последовательной обработкой по МНК получена аппроксимирующая формула (14) удобная для расчетов в судовых условиях.

4. Проведена систематизация и сравнительный анализ около 50 различных методов определения безопасного запаса глубины под килем судна, включающего составляющие на колебание уровня воод, навигационный, креповой, волновой, скоростной

5. Предложено новое выражение навигационного запаса глубины (15), учитывающее возможные погрешности всех остальных составляющих с коэффициентом заданной вероятности (16), и более полно отвечающее своему названию.

6. Предложено новое аппроксимирующее выражение волнового запаса глубины (23), учитывающее направление, период, высоту волн, глубину моря, осадку судна.

7. Систематизированы и обобщены методы определения скоростного запаса глубины в виде зависимостей от скорости хода: линейных, квадратичных, кубических и более сложных полиномиальных с дробными степенями. Получено тригонометрическое решение кубического уравнения скорости стесненного судном потока в канале с приведением по методу Кордано. По результатам сравнительных расчетов рекомендуется использовать квадратичную зависимость скоростного запаса глубины с коэффициентом аппроксимации (28), полученным методами идентификации.

8. На основе сравнительного анализа и экспериментальных данных получены аппроксимирующие выражения для определения составляющих запаса глубины, их коэффициентов и различных параметров. Вычисления суммарного запаса глубины под килем судна по выражению (5) целесообразно объедишггь в виде приоритетных вариантов составляющих, определяемых выражениями (15) - (22), (26), (28).

9. Разработан обобщенный метод определения ГПП судна (31) -

(35) на основе совместной статистической обработки траекторных измерений переходов судна по одному маршруту, который позволяет учитывать

условия плавания, точность контроля местоположения, динамику судна и

характеристики системы управления движением по ЛЗП..

Публикации по теме диссертации:

1. Исследование методов определения ширины полосы проводки судна. -Т.2.// Отчет/ НВИМУ; Рук. Ю.Л.Песков.- ]~БТ №33/337; №ГР 01840070594; Инв.№02870019152.- Новороссийск:, 1986.- 105 с. (соавторы: Васьков A.C., Мамаев К.П).

2. Васьков A.C., Мамаев К.П., Скороходов C.B. Сравнение методов определения ширины полосы движения судна. - Новороссийск: НВИМУ, 1987.-41 с. - Рус. - Деп. в Мортехинформреклама, № 725 - мф.

3. Анализ методов определения безопасной глубины и ширины полосы проводки судна в узкостях. - Т.З// Отчет/ НВИМУ; Рук. Ю.А.Песков.-ГБТ №33/337; №П> 01840070594; Ннв.№02880041б78,- Новороссийск:, 1987.- 87 с. (соавторы: Васьков A.C., Мамаев К.П).

4. Математическое описание навигационно-гидрографических условий для обеспечения безопасного плавания судов в стесненных условиях -Т.4// Отчет/ НВИМУ; Рук. Ю.А.Песков.- ГБТ №33/337; №ГР 01840070594; Инв.№02890017054.- Новороссийск:, 1988.- 54 с. (соавторы: Васьков A.C., Мамаев К.П).

5. Самойленко Ю.Н., Скороходов C.B., Швыряев И.В. Исследование точности проводки судна по заданной траектории с помощью средств автоматической радиолокационной прокладки на радиолокационном тренажере. - Новороссийск: НВИМУ, 1988.-11с,- Рус.- Деп. в Мортехинформреклама, №900-мф.

6. Васьков A.C., Мамаев К.П., Скороходов C.B. Сравнительный анализ методов определения скоростного запаса глубины при движении судна на мелководье. - Новороссийск: НВИМУ, 1989. - 61 с. - Рус. - Деп. в Мортехинформреклама, № 959 - мф.

7. Песков Ю.А., Скороходов C.B. Реальная точность судовождения рыбопромысловых судов типа "Атлантик" и "Суператлантик"// Безопасность мореплавания и ведение промысла, 1989.- №92.-С.32 - 38.

8. Скороходов C.B. Обоснование траекторных методов исследования точности судовождения. - Новороссийск: НГМА, 1994. - 15с. - Рус. - Дсп.в Мортехннформреклама, № 1281- мф.

9. Скороходов C.B. Оценка точности судовождения в Черном морс/ Сб. научи, тр.' 11ГМА, 1994. - Выи. I. - С. 94 - 96.

10. Характеристики и математическая модель движения конфигурации судно-зона навигационной безопасности// Отчет/ НГМА; Рук. Вась-ков A.C.- ХДГ №51-28-41-94/1; ЖТ01950001812; Инв.№ 02950001581.- Новороссийск, 1994.- 111 с. (п. 1.8).

11. Оценка точности судовождения и гарантированной ширины полосы проводки судна// Отчет/ НГМА; Рук. Васьков A.C.- ГБТ №316; №ГР01930004058, Инв.№02950003501 .- Новороссийск, 1994.- 65 с. (соавторы: Васьков A.C., Песков Ю.А.).

12. Скороходов C.B. Требования к характеристикам навигационной безопасности и точности судовождения. - Новороссийск: НГМА, 1995. -

" 20с.-Рус. - Деп. в Мортехннформреклама, № 1289 - мф. X

13. Скороходов C.B. Статистические характеристики траектории движения судна. - Новороссийск: НГМА, 1995. - 21с. - Рус. - Деп. в Мортехннформреклама, №1290- мф.

и. Оценка навигационной безопасности плавания// Отчет/ 11ГМА; Рук. Васьков A.C.- ГБТ №316; №ГР01930004058, Инв.№ 02960005324.-Новоросснйск, 1996.- 94 с. (соавтор Васьков A.C.).

и. Скороходов C.B. Оценка точности судовождения в Черноморских проливахУ Сб.научн. тр. НГМА, 1997.- Вып. 2. - С.97-100.

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОСМОРФЛОТ

НОВОРОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи УДК 656.61.052.4:629.12.014.6

Скороходов Сергей Витальевич

ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК НАВИГАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ПЛАВАНИЯ СУДНА

Специальность: 05.22.16 - Судовояедение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, кандидат технических наук, доцент - A.C. Васьков

Новороссийск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАВИГАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПЛАВАНИЯ СУДНА 7 Элементы траектории движения судна и требования к точности судовождения 7

1.2. Оценка точности места судна 12

1.3. Характеристики навигационной безопасности плавания 18

1.4. Аппроксимация характеристик навигационной безопасности 24

1.5. Выводы и направления исследования 25

2. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАНЕВРЕННОГО СМЕЩЕНИЯ СУДНА С ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ 26

2.1. Определение маневренного смещения судна с линии заданного пути на прямолинейных участках движения 26

2.2. Определение маневренного смещения судна с заданной линии пути на криволинейных участках движения 32

2.3. Сравнительный анализ методов определения маневренного смещения и выводы 35

3. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОЙ ГЛУБИНЫ И РЕЖИМОВ ПЛАВАНИЯ СУДНА 40

3.1. Общие положения 40

3.2. Навигационный запас глубины 40

3.2.1. Методы определения 40

3.2.2. Анализ методов определения навигационного запаса глубины 46

3.3. Креновой запас глубины 47

3.4. Волновой запас глубины 49

3.5. Скоростной запас глубины 54

3.5.1. Методы определения 54

3.5.2. Анализ методов определения скоростного запаса глубины 66

3.6. Выводы 72 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАЕКТОРНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ

73

БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВОЖДЕНИЯ

4.1. Траекторные характеристики оценки безопасности судовождения 73

4.2. Восстановление траекторий движения судна 75

4.3. Статистические характеристики траектории движения судна 80

4.4. Результаты статистической оценки точности и безопасности плавания судна 86

4.4.1. Общий анализ 86

4.4.2. Анализ результатов обработки экспериментальных данных. Выводы и рекомендации 91 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102 Список использованных источников 105

Приложение 1. ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТИ МАНЕВРЕННОГО

СМЕЩЕНИЯ И ЗАПАСОВ ГЛУБИНЫ ПОД КИЛЕМ

СУДНА 119 Приложение 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ДАННЫХ ПЕРЕХОДОВ СУДОВ 143 П.2.1. Программа сплайн аппроксимации, интерполяции и

экстраполяции 143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем морского судовождения остается обеспечение безопасности плавания судов в стесненных условиях, на которые из анализа статистических данных приходится около 80% навигационных аварий судов мирового флота. Убытки от одной навигационной аварии для мирового танкерного флота составляют около 300 тысяч долларов США. Эти аварии часто приводят к экологическим катастрофам.

Данные обстоятельства указывают на необходимость совершенствования традиционных и автоматизированных методов планирования маршрута перехода и контроля процессов навигации и управления движением судов на основе оценки реальной точности судовождения и характеристик безопасности плавания. В качестве основных характеристик навигационной безопасности плавания судов могут служить гарантированная ширина полосы проводки (IIШ), безопасный запас глубины под килем, точность контроля местоположения. Необходимость определения этих характеристик предусматривается национальными и международными требованиями, включенными в руководства по безопасности мореплавания [76, 90, 116, 118, 121, 150 - 152]. Несмотря на то, что эти вопросы достаточно часто являются предметом исследования многих авторов, тем не менее, требуется непрерывное совершенствование критериев и методов обеспечения безопасности плавания судов в соответствии с развитием условий судоходства. Этим проблемам и посвящена настоящая работа.

Целью диссертационной работы является исследование и совершенствование методов и разработка рекомендаций судоводителям по выбору безопасных глубин для маршрута перехода, прогнозирования ГПП и точности контроля местоположения судна и обеспечения безопасности плавания. Для этого решаются следующие задачи, которые выносятся на защиту:

1. Анализ методов определения составляющих ГПП, маневренного смещения судна с заданной траектории и разработка обобщенной методики определе-

ния этих составляющих с учетом экспериментальных данных;

2. Анализ методов определения безопасных глубин и режимов движения для выбора маршрута перехода и разработка обобщенной методики определения составляющих запаса глубины под килем судна;

3. Разработка методики и экспериментальное определение основных характеристик траекторных методов оценки объективной точности судовождения и ГПП.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются теоретические основы гидродинамики судна на мелководье, маневрирования и управляемости судов, методы математической статистики, идентификации, моделирования и расчетов на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Формулировке задачи обеспечения навигационной безопасности плавания как единой проблемы определения ГПП судна с безопасными глубинами для выбранного режима с учетом точности средств навигации, динамические характеристики судна и системы управления движением по линии заданного пути (ЛЗП):

2. Произведен анализ методов определения составляющих маневренного смещения судна с ЛЗП и запаса глубины под килем судна, получены новые обобщенные аппроксимирующие выражения их расчета;

3. Разработан обобщенный метод оценки ГПП судна на основе совместной статистической обработки траекторий его движения.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут найти практическое применение на морских судах при решении задач планирования и прокладки маршрута перехода при традиционных способах судовождения, а также могут быть использованы в автоматизированных навигационных комплексах.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы являются основной частью госбюджетных НИР кафедры Судовождения НГМА

"Навигационное обеспечение крупнотоннажных судов при плавании в стесненных водах" (№ ГР 01.84.0070594) и "Теоретические и методологические основы решения задач судовождения с помощью современных ТСС" (№ ГР 01.93.0004058), выполненной в соответствии с отраслевой программой П05 "Перспективных работ по повышению безопасности мореплавания и совершенствования ТСС и связи на 1991 - 1995 гг".

Результаты работы по экспериментальному определению основных характеристик траекторных методов оценки объективной точности судовождения переданы в департамент мореплавания "РОСМОРФЛОТ' в виде части хоздоговорной НИР №51-28-41-94/1 "Разработка математического и алгоритмического обеспечения процессов навигации и управления движением системы судно - зона навигационной безопасности (ЗНБ)" (№ ГР 01.95.0001812).

Основные положения диссертационной работы внедрены в учебный процесс для подготовки инженеров-судоводителей НГМА по курсу "Навигация и лоция", при курсовом и дипломном проектировании.

Результаты исследований по определению гарантированной полосы проводки судов, допустимого запаса глубины под килем судна внедрены в ОАО "НОВОШИП" при разработке разделов Руководства по навигационной безопасности для судов в соответствии с требованиями Международного кодекса по управлению безопасностью.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались на ежегодных научно-технических конференциях НГМА 1985 - 1997 годах.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях и 6 отчетах по НИР.

Структура и объем работы. Общий объем диссертации 160 страниц включает содержание 2 страницы, введение 3 страницы, четыре раздела 95 страниц, заключение 3 страницы, список литературы из 162 наименований 14 страниц, приложения 42 страницы, 49 иллюстраций и 15 таблиц.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАВИГАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ПЛАВАНИЯ СУДНА

1.1. Элементы траектории движения судна и требования

к точности судовождения

В современных условиях морские переходы судов осуществляются на основе его предварительного планирования и прокладки, выполнение которой сопровождается приближенными расчетами и различными погрешностями. Следовательно, предварительная прокладка будет иметь элементы неопределенности (в допустимых пределах) с погрешностями систематического и случайного характера^, 13,15, 19, 35, 52, 57, 59, 87,102,114,122, 131].

Исследования движения судов по линиям заданного пути (ЛЗП) в стесненных условиях и открытых морях, а также опыт судовождения с применением различных методов и технических средств (визуальных, лоцманских методов, радиолокационного и створного оборудования) показывают, что фактические траектории движения судов представляют случайные колебания относительно ЛЗП с медленно изменяющимися амплитудой и частотой. Характеристики этих колебаний зависят от точности навигационных средств, внешних возмущений, динамических свойств судна, системы обработки информации и управления. Такое движение судна на основе анализа исследований [16, 38, 39, 46, 50, 63, 67, 73, 74, 83, 84, 105, 138, 148] можно представить уравнением синусоиды рис. 1.1:

У=Удоп8т^-+ед, (1.1)

Ь о

где У - текущее боковое смещение судна с заданной траектории, м;

¥д0п - допустимое (амплитудное) смещение судна с ЛЗП, м;

8 - текущее плавание, мили;

80 - путь в пределах одного периода по заданной траектории, мили;

ОД - внешние возмущения, действующие на судно и вызывающие его смещение с заданной траектории.

Рис. 1.1. Схема движения судна относительно линии заданного пути

1 - линия заданного пути;

2 - фактическая траектория движения судна;

3 - опасная изобата.

В соответствии с требованиями ИМО [121] судоводителю необходимо знать место судна в любой момент времени с требуемой точностью, зависящей главным образом, от скорости судна и дистанции до ближайшей навигационной опасности.

Допустимая погрешность места судна для районов, не входящих в портовые воды, принимается равной 4% дистанции до опасности при 95% уровне вероятности. Навигационной опасностью считается всякий признанный или нанесенный на карту элемент, либо граница, которые могут представлять, либо очерчивать опасность для судна, либо ограничивать район плавания.

Эта погрешность будет обеспечивать 25 - кратный запас безопасного водного пространства до опасности при прокладке пути судна (см. рис. 1.1), что позволяет своевременно обнаружить смещение судна с ЛЗП и выполнить маневр уклонения от опасности. Например, при дистанции до опасности 10 миль, скорости судна 30 узлов, требуемая точность места судна будет 0,4 мили. После смещения судна с ЛЗП, на эту величину остается дистанция 9,6 мили, которую судно пройдет за 19 минут при движении даже в направлении опасности. Такое пространство и время позволяют обеспечить безопасное маневрирование практически любым крупнотоннажным судном.

При малых дистанциях до опасности (2 мили и менее при плавании в уз-костях, допустимая погрешность - 0,8 кб и менее) требуемая ИМО [121] точность не всегда может быть обеспечена, а запас водного пространства и времени для маневрирования будет значительно ограничен. Указанная точность может быть обеспечена с помощью створного оборудования, береговых систем управления движением судов (СУДС), современных спутниковых радионавигационных систем (5-15 м), но при этом не всегда имеется информация о геодезической привязке координат. В этих случаях маневренное смещение судна с ЛЗП в сторону опасности при его одерживании может значительно превышать погрешности определения места судна. Поэтому для обеспечения безопасности плавания необходимо совместно учитывать погрешности контроля местополо-

жения судна и его возможное маневренное смещение, что будет соответствовать требованиям ИМО [121] для вод, в которых ограничена свобода маневра.

Под маневренным смещением понимается величина дополнительного смещения судна за время обработки информации, принятия решения по управлению, одерживания, поворота и возвращения судна на ЛЗП.

Для определения предельной погрешности места судна принимается в качестве исходного вероятность нахождения места судна в круге заданного радиуса в виде кругового распределения Релея [35]: м!

Р=1-е й2 , (1.2)

где м - допустимая радиальная погрешность места судна при заданном уровне вероятности, мили;

Мзад _ радиус заданного круга (дистанция до опасности и т.п.), мили;

р _ заданный уровень вероятности (95%, по требованиям ИМО).

Вероятность нахождения места судна в круге радиальной погрешности имеет строго теоретическую связь с эллиптической погрешностью [35, 52]. Численные значения этой взаимосвязи приведены в табл. 1 в МТ-75, с помощью которых может быть получена радиальная погрешность места судна с заданной вероятностью по формуле:

M(t) = KPM(t), (1.3)

где M(t) - средняя квадратическая погрешность (СКП) места судна;

КР - коэффициент, выбираемый из табл.1 в МТ-75 по заданной вероятности и отношению полуосей эллипса погрешностей.

Одной из мер повышения безопасности плавания при указанных обстоятельствах является определение ГНИ судна и допустимого промежутка времени между обсервациями.

При заданном уровне вероятности - 95% из выражения (1.2) получается величина допустимой погрешности места судна в зависимости от дистанции до опасности и маневренного смещения судна с ЛЗП и других требований, в том

числе местных правил

М < Мзад/V-ln(l-P) - 0,58Мзад. (1.4)

При систематическом характере маневренного смещения, радиус заданного круга для обеспечения безопасности плавания определяется линейным вычитанием дистанции до опасности и маневренного смещения [122, 124], а допустимая погрешность из выражения (1.4) принимает вид

M3!W=Don-YM; M<0,58(Don-YM), (1.5)

где Don - дистанция до ближайшей опасности, мили;

YM _ маневренное смещение судна с ЛЗП, мили.

Если маневренное смещение судна с ЛЗП является случайной величиной, то радиус заданного круга определяется квадратическим вычитанием дистанции до опасности и маневренного смещения [122, 124], а допустимая погрешность принимает вид

М<0,58>*п-У^. (1.6)

При плавании в стесненных водах точность судовождения зависит от местных обстоятельств [121], под которыми можно понимать требования к точности места судна, рекомендуемые МАМС [47] (порядка 5-25% от ширины фарватера) или местными Администрациями.

Исходя из общепринятых требований и обычной морской практики, при двустороннем движении судов в узкостях и фарватерах, соотношения между требуемой точностью и шириной фарватера, с учетом маневренного смещения, будут на основании выражения (1.4), аналогично (1.5), (1.6), определяться выражениями:

при систематическом характере маневренного смещения Вл

М < 0,58

Ф _ v

v 4

(1.7)

при случайном характере маневренного смещения

M<0,58J||-Y^ (1.8)

где Вф _ ширина фарватера, мили.

Для сравнения допустимых погрешностей места судна при систематическом и случайном характере маневренного смещения, найдем отношения выра-

которые показывают, что при систематическом характере маневренного смещения величина требуемой допустимой погрешности (1.5), (1.7) меньше, чем при случайном характере маневренного смещения (1.6), (1.8). Но следует иметь в виду, что при случайном характере погрешностей и составляющих маневренного смещения, они могут взаимно компенсироваться, а при систематическом - нет.

Таким образом, основными составляющими, определяющими 1'1Ш могут служить погрешность контроля местоположения судна и его маневренное смещения с ЛЗП.

1.2. Оценка точности места судна

Контроль местоположения судна при плавании в стесненных условия может осуществляться непрерывно с помощью ведущих, ограждающих изолиний и обсерваций или сочетанием дискретных обсерваций и счисления координат в зависимости от наличия средств навигационного оборудования в районе плавания и судовых приборов.

Анализ многочисленных исследований по точности счисления [1, 4, 8, 14,15,20,29, 33 - 36, 40, 43, 49, 52, 54, 56 - 58, 67, 70, 77, 80, 86, 87, 94, 96, 102 -104, 112 - 114, 119, 120, 131, 133, 136, 142, 143, 150] показывает, что в настоящее время для оценки точности счисления применяются два принципиально различных способа:

1. Статистический способ, связанный с совместным учетом всех факторов, влияющих на точность счисления;

жений (1.5), (1.6) и (1.7), (1.8)

Роп-Х. Ц>п+ X,'

(1.9)

2. Априорный способ, связанный с раздельным учетом ожидаемых погрешностей в элементах счисления.

Оценка точности счисления статистическим способом базируется на применении выводов теории случайных функций и позволяет учитывать суммарное воздействие всех факторов, обуславливающих погрешность счисления. При этом радиальная СКП счисления пути в интервале времени менее двух часов изменяется по линейному закону, а при интервалах времени более двух часов по степенному

Mc(t) = 2e