автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка и исследование модели, методов и алгоритмов судовой бортовой системы "Погодной навигации"

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ АНАЛОГОВ.

2. ВЫБОР НАИВЫГОДНЕЙШЕГО ПУТИ СУДНА

2.1 Основные понятия и терминология. Критерии выбора наивыгоднейшего пути.

2.2 Обзор существующих методов расчета наивыгоднейшего пути

2.3 Разработанные методы расчета оптимального пути

2.3.1 Общие требования к алгоритмам оптимизации

2.3.2 Выбор оптимального пути по критерию минимального времени

2.3.3 Выбор оптимального пути по критерию минимального расхода топлива

2.3.3.1 Поиск оптимального пути по критерию минимизации расхода топлива при отсутствии ограничений на время прихода в пункт назначения.

2.3.3.2 Поиск оптимального пути по критерию минимизации расхода топлива при заданном времени прихода в пункт назначения.

2.3.4 Выбор оптимального пути по критерию максимальной безопасности

2.3.5 Стратегии и критерии выбора пути из множества условно оптимальных.

2.3.6 Общий алгоритм выбора наивыгоднейшего пути

2.4 Особенности плавания судов в сложных погодных условиях

2.5 Выводы

3. ВЛИЯНИЕ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ПЛАВАНИЕ СУДОВ

3.1 Вектор путевой скорости судна

3.2 Методы и алгоритмы расчета ветроволновых потерь скорости судна

3.3 Влияние течения на скорость судна

3.4 Вычисление угла дрейфа

3.5 Преднамеренное снижение скорости

3.5.1 Вклад преднамеренного снижения скорости в суммарные потери скорости судна.

3.5.2 Влияние качки на движение судна

3.5.2.1 Общие сведения

3.5.2.2 Резонанс

3.5.2.3 Слемминг

3.5.2.4 Заливаемость

3.5.2.5 Потеря остойчивости

3.5.2.6 Расчет линейных ускорений

3.5.2.7 Разгон гребных винтов

3.5.3 Динамические нагрузки

3.5.3.1 Расчет допускаемой скорости хода на встречном волнении по допускаемым давлениям

3.5.3.2 Расчет допускаемой скорости хода на волнении по допускаемым изгибающим моментам

3.5.3.3 Расчет допускаемой скорости хода на волнении по переменной составляющей допускаемой перерезывающей силы.

3.5.3.4 Расчет скоростей хода, безопасных по динамическим нагрузкам, при движении косыми курсами

3.5.4 Критерии мореходности

3.6 Алгоритм расчета путевой скорости судна в зависимости от гидрометеорологической ситуации

3.7 Выводы 101 4. РАСЧЕТ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ

4.1 Источники оперативной гидрометеорологической информации

4.2 Расчет гидрометеорологической ситуации

4.2.1 Оценка элементов ветра

4.2.2 Оценка элементов волнения

4.2.3 Расчет полей течения

4.2.3.1 Плавание при постоянном течении

4.2.3.2 Плавание при переменном течении

4.2.4 Расчет элементов ветра и волнения в заданной точке циклона

4.2.5 Обобщенный алгоритм расчета гидрометеорологических элементов

4.3 Прогнозирование гидрометеорологической ситуации

4.3.1 Общие принципы прогнозирования

4.3.2 Метод экстраполяции случайных функций

4.3.3 Метод условных распределений

4.3.4 Предварительная подготовка экспериментальных данных

4.3.5 Оценка качества метода и оправдываемости прогнозов

4.3.6 Некоторые особенности прогнозирования конкретных гидрометеорологических величин.

4.3.7 Прогнозирование движения циклонов

4.3.7.1 Прогноз перемещения циклонов с использованием методов экстраполяции/интерполяции

4.3.7.2 Статистический метод прогнозирования перемещения циклонов

4.3.7.3 Описание алгоритма прогноза перемещения циклонов.

4.3.8 Алгоритм прогнозирования гидрометеорологической ситуации

4.4 Выводы 139 5. КОНЦЕПЦИЯ, РАЗРАБОТКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ БОРТОВОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «ПОГОДНОЙ НАВИГАЦИИ» 140 5.1. Концепция бортового программного комплекса «погодной навигации»

5.2 Структура и функционирование бортового программного комплекса погодной навигации" 142 5.3. Алгоритмическое описание функционирования бортового программного комплекса "погодной навигации"

5.4 Практическое моделирование

Актуальность темы.

Практика погодной навигации - выбор стратегического маршрута, используя прогноз гидрометеорологической ситуации для расчета оптимального пути, - давно установилась и имеет доказанную ценность и гарантированное будущее. Ее использование позволяет повышать эффективность работы судоходных компаний, снижая при этом риск для экипажа, судна и груза. В мире до последнего десятилетия (а в нашей стране и до настоящего времени) проводка судов оптимальными путями велась только удаленными береговыми центрами, что снижало точность и оперативность результатов. Выполнение расчетов непосредственно на борту судна, с учетом его конкретных особенностей, с возможностью оперативного изменения данных и получения результатов, достижение независимости от качества связи и степени удаленности от берегового центра позволяет повысить точность и оперативность оптимизации маршрута перехода. И если раньше судовладельцев и капитанов устраивали рекомендации, позволяющие сократить время перехода, то сейчас, особенно с ростом числа возможных вариантов специфического использования судов, все чаще возникает необходимость нахождения маршрута, оптимального по различным критериям.

Появление на судах довольно современной вычислительной техники дает необходимую техническую основу для применения даже вычислительно емких алгоритмов, снижая тем самым существовавшие ранее ограничения на трудоемкость разрабатываемых методов.

Нельзя не отметить еще один аспект рассматриваемой задачи - во многом ставший уже нарицательным "человеческий фактор". Основная задача судоводителя в системе управления судном - это увязка информации о состоянии и положении судна в пространстве с необходимыми действиями, направленными на движение судна по заданному курсу. В настоящее время объем информации, поступающей в распоряжение штурмана в качестве основы для принятия решений, настолько велик, а ее изменение столь быстро, что он не успевает ее обрабатывать в нужном темпе и принимать решения своевременно. Поэтому как можно более полная автоматизация судовождения -это не просто полезное нововведение, а насущная необходимость.

Актуальность подобных разработок становится все более очевидной. Не случайно в Федеральной целевой программе "Мировой океан" Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (1997, [184]) выделено отдельное направление "Обеспечение пользователей оперативной информацией об обстановке в Мировом океане с целью непосредственного осуществления того или иного рода деятельности в реальном масштабе времени", одной из задач которого является непосредственное информационное обеспечение морской деятельности.

Целью работы является разработка бортового программного комплекса "Погодной навигации", основанного на нахождении оптимального по различным критериям маршрута перехода судна с учетом текущей и прогнозируемой гидрометеорологической ситуации. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

• разработка общей концепции, структуры, содержания математического обеспечения судовой бортовой системы "погодной навигации";

• разработка алгоритмов и методов нахождения оптимального маршрута перехода с оптимизацией по критериям различного рода;

• построение математической модели движения судна с учетом гидрометеорологической ситуации, разработка алгоритмов и методик расчета ветроволновых потерь скорости движения, потерь скорости от течения и потерь скорости в результате ее преднамеренного снижения;

• разработка алгоритмов расчета и прогнозирования гидрометеорологической ситуации.

Методы исследования базируются на использовании аппарата динамического программирования, эволюционных алгоритмов, математической статистики и теории вероятностей, дифференциальных уравнений, спектрального анализа, гидрометеорологии, судовождения, теории сопротивления материалов.

Основные результаты, выносимые на защиту:

• общая концепция, структура, содержание математического обеспечения судовой бортовой системы "погодной навигации";

• методы расчета пути, оптимального по критериям различного типа;

• методики и алгоритмы расчета скорости судна с учетом гидрометеорологической обстановки;

• методы и алгоритмы расчета и прогноза гидрометеорологической ситуации.

Научная новизна предопределяется следующими обстоятельствами. Во-первых, рассматриваемая проблема поставлена практикой не так давно, в конце 80-х - начале 90-х годов, когда появилась техническая возможность оснащения судов современной вычислительной и коммуникационной техникой и потребовалось математическое и программное обеспечение для решения задач судовождения непосредственно на борту судна. Во-вторых, существующие системы погодной навигации (в том числе и береговые) обладают рядом принципиальных недостатков, снижающих их практическую ценность. Эти обстоятельства обусловили необходимость создания методов, алгоритмов и программ для решения задачи нахождения оптимальной траектории движения непосредственно на борту судна.

Была сформирована и сформулирована общая концепция, структура, содержание математического обеспечения судовой бортовой системы "погодной навигации". Основным научным результатом диссертационной работы является алгоритм расчета оптимального (по различным критериям) маршрута перехода судна с учетом реальных и прогнозируемых гидрометеорологических условий. Для метода на основе эволюционных вычислений разработаны структуры представления генетического материала и схема генетического поиска применительно к данной задаче. На защиту также выносятся методы, методики и алгоритмы управления движением судна в сложной погодной ситуации, расчета реальной путевой скорости движения судна в зависимости от гидрометеорологической ситуации (с учетом ветроволновых потерь, потерь от течения и преднамеренного снижения), расчета и прогнозирования гидрометеорологической ситуации с учетом ее стохастического характера, прогнозирования движения циклонов.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается имитационным моделированием на ЭВМ и разработкой действующих программ.

Практическую ценность полученных в диссертации результатов представляет разработанный для персональных компьютеров типа IBM PC программный комплекс "Погодной навигации", позволяющий непосредственно на борту судна рассчитывать оптимальный по различным критериям маршрут движения судна с учетом гидрометеорологических условий, оценивать заданный маршрут и прогнозировать гидрометеорологическую ситуацию на основании накопленных данных, оперативно поступающей информации и имеющихся пособий.

Внедрение результатов исследования.

Результаты работы нашли применение в Новороссийском Морском Пароходстве, разработках Московского института геодезии и картографии и НИИ многопроцессорных вычислительных систем при ТРТУ, что подтверждается актами внедрения.

Апробация работы.

Результаты исследований, полученных в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Научно-технических конференциях Таганрогского радиотехнического университета, Научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и курсантов Новороссийской государственной морской академии (Новороссийск, 1994г.), Всероссийской научно-технической конференции "Информационно-управляющие системы и специализированные вычислительные устройства для обработки и передачи данных" (1996г., Махачкала), Международном научном симпозиуме "Природа и человек: взаимодействия и безопасности жизнедеятельности", Международном научном конгрессе студентов, аспирантов, молодых ученых "Молодежь и наука-3-е тысячелетие" (Таганрог, 1996г.), II Международном симпозиуме по проблемам рационального природопользования и обеспечению безопасности жизнедеятельности "Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций" (Махачкала, 1997г.). Результаты диссертационной работы нашли отражение в 4 отчетах по НИР.

Объем и содержание работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Текст диссертации изложен на 168 страницах, включая 17 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 257 наименований.

3.7 Выводы

В данной главе исследовано влияние гидрометеорологических условий на плавание судохз.

Предложена математическая модель движения судна в зависимости от гидрометеорологической ситуации. Выполнен обзор и анализ методов расчета ветроволновых потерь м потерь скорости от течения, а также уклонения судна от линии курса, отобраны наиболее точные и достоверные формулы, на основе которых разработан алгоритм расчета реальной путевой скорости.

Составлен комплекс методов расчета преднамеренного снижения скорости для уменьшения: опасных последствий качки (резонанса, слемминга, заливаемости, потери остойчивости, разгона гребного винта, вертикальных ускорений носа) и динамических нагрузок, на основании которого разработан соответствующий алгоритм.

Проанализированы критерии мореходности судов, применяемые различными авторами для расчета преднамеренного снижения скорости, и их нормы. На их основе предложено конкретное множество критериев и норм для использования в данной работе, позволяющее наиболее полно и точно отслеживать опасные влияния окружающей обстановки.

Разработан обобщающий алгоритм расчета путевой скорости судна с учетом гидрометеорологической обстановки.

4. РАСЧЕТ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ

СИТУАЦИИ i • '

I Открой мне, кипучее, бурное море,

J Тайник заповеданный, дай мне понять, j Что дивное скрыто в твоем разговоре, j Что бурные волны твои говорят!

Н.А.Некрасов

1. Классификация оперативной гидрометеорологической информации-^-.

2. По источникам передачи данных1/1. С береговых ГМЦ1. СНИСП

3. С морских судов и самолетов1. С метеорологических ИСЗ

4. По технике управления информациейФ1. Радиоинформация1. Факсимильная карта

5. Необработанные снимки с МИСЗ

6. Обработанная информация с МИСЗ

7. По масштаб ности ГМ-информации-■у1. Локальная (местная)1. Региональная1. Океанская1. Глобальная (всемирная)

8. Статистическая ГМ-информация и типы развития синоптических ситуаций1. Повременной привязке1. Прошлая информация1. Текущая информация1. Прогноз1. Краткосрочный1. Среднесрочный1. Долгосрочный1. Рис. 4.1

9. Расчет гидрометеорологической ситуациипора чудес прошла, и нам Подыскивать приходится причины Всему, что совершается на свете.1. В. Шекспир

10. Тот же ветер, что влечет один корабль к гавани, может другой отогнать от берега1. К.Боуви

11. Як кажущиеся скорость и направление ветра. 4.2.2 Оценка элементов волнения

12. Основной закон ветрового волнения это кажущееся отсутствие какого-либо закона1. Лорд Томсон62, 84, 101, 154, 198, 248, 252.

13. Для регулярного волнения на глубокой воде существуют следующие соотношения между элементами волн 78.:где X, х, с длина, период и скорость волны.

14. Высота значительных волн 1,001. Средняя высота волн 0,625

15. Высота волн не более 20% повторяемости по времени 0,8910% повторяемости по времени 1,075% повторяемости по времени 1,253% повторяемости по времени 1,331% повторяемости по времени 1,581. Табл. 4.1

16. Статистический анализ элементов волн позволяет определить, помимо повторяемости и обеспеченности волнения, эмпирические зависимости между элементами ветра и средними значениями элементов волн, что часто требуется в морской практике.

17. Эмпирические зависимости, учитывающие одновременно все основные факторы: силу ветра, его продолжительность и длину разгона, впервые были предложены Бергеном (1890 г.) 62. Эти зависимости имеют вид:0.33\У . 12.34W

18. Ь = 7-.^Л/ ,ПЛ г „плпл/-Т^Т (4-4)1 +6.6т о )1+Ш 1 + 47.9<™1 +1. ВД1 гг у V эгде скорость и разгон ветра;

19. X продолжительность действия ветра.

20. Формулы Бергена установлены на основании весьма ограниченного числа визуальных наблюдений и, естественно, на практике оказались неудовлетворительными. В последующем различными исследователями было предложено значительное число эмпирических формул.

21. Ь5о/О=0.045\¥°-56В054 МЗШ0-66О0'64 (4.5)

22. Время, необходимое для развития волн, определяемых формулами (4.5),находится из следующего выражения:4.6)

23. В работах Стехновского Д.И., Васильева К.П. приводятся следующие результаты исследований, служащие развитием формул Титова 37, 172.:

24. Для открытых районов морей:

25. Область их применения определяется соотношением1пр=1,540^ (4.13)

26. Для затухающего волнения при ослаблении ветра применяем формулу К.М.Сиротова 106, 160.:

27. Ь = 1.6Ьое"!47+3-78/^/4,1, (4.14)где Ь0 высота волн в начале затухания;

28. Д\УУД1:| абсолютное значение отрицательного ускорения ветра.

29. Скорость, длина, период волн зыби возрастают по мере их распространения из зоны шторма (относительно элементов ветровых волн) примерно в 1.7 раза на протяжении первых 2000 км.

30. Ъ, х, С высота, период, скорость волны зыби в момент X.

31. Н.И.Рахманиновым на основе спектрального метода были получены формулы, связывающие период и длину волны для чисто случайного процесса волнения, полностью развитого волнения и зыби соответственно 48. :3 2тс4~51. V а ~21. X =--—т ;3 2л:1. Х--2-Т 2 п

32. Для приближенных оценок периода используем формулу 99.:т0> 3.1рЛ/11зо/о4.16)4.17)

33. Вступаешь в те же реки, а протекают иные и иные воды1. Гераклит

34. В общем случае в море наблюдается суммарное течение, которое можно рассматривать как сумму векторов постоянного Упст, периодического (приливо-отливного) Упрти временного (ветрового) У\у течений:1. V- Упст+Упрт+У\у (4.19)

35. Градиент температуры, °Р/15м.миль 0 5 10 15 20

36. Саргассово море 0 1,2 2,1 2,7 3,1

37. Гольфстрим летом/зимой 0 1,0/0,9 1,8/1,7 2,3/2,2 2,8/2,7

38. Лабрадорское течение летом/зимой 0 0,8/0,7 1,5/1,3 1,9/1,8 2,3/2,11. Табл. 4.3

39. Основные выводы теории Экмана для поверхностных течений сводятся к следующим.

40. Направление ветрового течения на поверхности отклонено от направления дующего ветра на угол 45° вправо в северном полушарии и влево в южном.

41. Скорость ветрового течения на поверхности пропорциональна силе трения Т, возникающей при движении воздуха над водной поверхностью:1. V- , Т . , (4.20)1. Л/2ц,р1со эшфгде р. коэффициент вязкости воды;ю угловая скорость вращения Земли;ф широта места.

42. Так как силу трения рассчитать или измерить непосредственно трудно,

43. Скорость ветра, м/с Длина разгона ветра, км2 5 10 20 50 100 1505 0,5 1,0 2,0 3,0 6,5 12,0 16,010 0,5 1,0 1,5 2,9 4,5 11,0 14,515 0,5 0,5 1,0 1,5 3,5 6,0 10,520 0,3 0,5 1,0 1,5 3,0 5,0 8,525 0,2 0,4 1,0 1,5 2,5 4,5 8,01. Табл. 4.4

44. Время, необходимое для формирования установившегося ветрового течениябыла определена эмпирическая зависимость между скоростью ветра и скоростью поверхностного течения:4.21)-у/втф

45. Более поздние исследования несколько уточнили формулу (4.21) 172.:1. V- (4.22)пфгде К переменный ветровой коэффициент, зависящий от скорости ветра:

46. XV,м/с 3 4 6 8 10 12 14 16 18 25

47. К 0,031 0,030 0,027 0,023 0,020 0,017 0,015 0,013 0,012 0,0121. Табл. 4.5

48. Гидрометцентра в остальных районах; если же не применим и он, используются среднестатистические климатические данные либо непосредственные измерения.

49. Номограмма Р.Джеймса для определения скорости неустановившегося ветрового течения 48.продолжительности изменившегося ветра и по ней рассчитывают фактическую скорость течения.42.4 Расчет элементов ветра и волнения в заданной точке циклона

50. Знаю, что смертью грозит ураган: Челн мой давно с непогодами дружен.1. В.Брюсов

51. Для вычисления элементов ветра в заданной точке циклона будем использовать приближенную методику, рекомендованную ТОВВМУ 164., где используется циклоническое поле атмосферного давления.- расстояние по нормали в градусах широты.

52. Скорость ветра без учета кривизны изобар (в м/с):1. АР1000.273±£ (423)эпкр Рк 273где АР и Ап' разность атмосферного давления и расстояние по нормали;

53. Рк, 1:к0 давление и температура воздуха в точке К или вблизи нее.

54. Время года лето осень зима веснаа,° 30-35 20-25 10-15 20-251. Табл. 4.6

55. Тогда для расчета ожидаемой значительной высоты волны в циклоне через скорость ветра можно использовать эмпирическую формулу Скотта, приведенную в метрические единицы измерения 65.:11з=0,062№3\21. Для расчета зыби 164.:11=0.67