автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система дистанционного управления движением судна

На правах рукописи

ВУДЫКЛАП

СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и

обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Национальном морском университете Вьетнама

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Саксояов Евгений Александрович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Неусышш Константин Авенирович кандидат технических наук,

старшин научный сотрудник Чистяков Николай Валерьевич

Ведущая организация: Рязанская Государственная радиотехническая академия.

Защита диссертации состоится « 1 » апреля 2005 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 217.047.01 при ФГУП Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования по адресу: 105187 Москва, ул. Кирпичная, дом 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования.

Автореферат разослан » 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время морской флот Республики Вьетнам интенсивно развивается по многим направлениям. Вводятся в строй современные суда, и навигационные системы, обеспечивающие увеличение объемов перевозок и повышение безопасности плавания.

К числу таких систем можно отнести, например, систему GPS, которая позволяет с высокой точностью определять координаты судна. Применение такой системы в судовождении значительно облегчает работу по управлению судном и повышает оперативность и качество принимаемых управленческих решений. Поскольку работа с системой основана на применении современных средств связи и вычислительной техники, то появляются новые возможности по управлению судами. Одна из таких возможностей -дистанционное управление.

Преимущества такого вида управления обусловлены рядом причин, среди которых можно выделить:

• достаточно простую реализацию систем дистанционного управления и их невысокую эксплуатационную стоимость, по сравнению с судами, управление которыми производится высококвалифицированным и с применением сложных автоматических навигационных систем экипажем;

• возможность обоснованного снижения требований к уровню навигационной подготовки экипажа управляемого судна;

• возможность группового управления несколькими судами из одного центра управления;

• безопасность персонала, осуществляющего управление, поскольку он находится на береговом центре управления.

Потребность в системах дистанционного управления, связана, например, с необходимостью проведения спасательных работ в сложных метеоусловиях, когда возникает реальная опасность для жизни спасателей, или с необходимостью проведения судна сложным курсом. Еще одной областью применения таких систем может являться управление маломерными судами при разгрузке крупных судов в прибрежных мелководных зонах при отсутствии оборудованных причалов. Это достаточно актуальная проблема для Вьетнама, который имеет сложный береговой рельеф, где строительство причалов дорогая и трудновыполнимая задача, а доставка необходимых грузов часто возможна только морским путем.

В связи с этим можно сделать вывод, что тематика проводимых в диссертации исследований актуальна, и имеет важное практическое значение для развития судоходства Республики Вьетнам.

Целью работы является разработка и исследование системы и алгоритмов дистанционного управления судами, основанных на применении спутниковой системы GPS.

На защиту выносятся:

• результаты анализа систем управления движением судна, позволившие определить основные параметры и принципы работы системы дистанционного управления;

• результаты анализа средств и методов реализации системы дистанционного управления, показавшие возможности применения спутниковой системы GPS;

• результаты разработки и анализа алгоритмов дистанционного управления, обеспечивающих решение задач управления с заданной точностью;

• результаты проектирования структуры и анализа автоматизированной системы дистанционного управления, включающей спутниковую навигационную систему, береговой центр управления, компьютерные средства обработки информации и базу данных с картографической информацией.

Научная новизна проведенных исследований и полученных результатов заключается в выборе объекта исследования - системы дистанционного управления движением судов на базе спутниковой системы GPS, разработке и исследовании алгоритмов управления, обеспечивающих возможность управление судном в автоматическом и автоматизированном режимах.

Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в разработке структуры системы дистанционного управления и создании базового математического и программного обеспечения для ее реализации.

Достоверность результатов обеспечивается достаточной адекватностью разработанных математических моделей, учитывающих особенности объектов управления и внешней среды, корректностью математических выводов при исследовании алгоритмов управления, а также согласованностью полученных результатов с известными данными в этой области, опубликованными в печати.

Методы исследования. Для исследований применялись методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы стохастической аппроксимации, методы теории управления, а также методы построения и анализа вычислительных систем и систем передачи данных. Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на международной конференции «Информационные и телекоммуникационные

технологии в интеллектуальных системах» (Барселона, 2003 г.), международной НТК «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2004 г.), ХЬ Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии. (Москва, РУДЫ, 2004 г.), научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 2004 г.), а также на семинарах в Морском университете Республики Вьетнам (Хайфон, 2002-2004 гг.)

Публикации, По теме диссертации опубликовано 4 работы. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность и намечены основные направления проводимых исследований.

В первой главе диссертации проведен обзор и анализ систем автоматического управления движением судна.

Показано, что такие системы предназначены для реализации непосредственно на борту судна, где работают необходимые средства сбора и обработки информации, исполнительные механизмы. Эти системы обладают высоким быстродействием, обеспечивают высокое качество управления. Однако существуют факторы, ограничивающие применение подобных систем. К ним можно отнести:

• необходимость сбора и обработки больших объемов данных о состоянии судна в реальном времени, что делает эти системы дорогими для использования на небольших судах;

• достаточно высокие требования к надежности и техническому обслуживанию систем;

• необходимость присутствия на борту специалистов высокой квалификации по обслуживанию систем.

В связи с этим, часто бывает невозможно или экономически необоснованно создавать систему управления непосредственно на борту судна, поэтому создаются системы дистанционного управления. Особенностью таких систем является то, что все необходимые расчеты и преобразования данных для выработки управлений, производятся не на борту судна, а в удаленном центре управления. При создании таких систем и выборе алгоритмов управления необходимо учитывать, что информация о состоянии судна и данные для управления должны передаваться по каналам связи, на что требуется время. Требуется время и на обработку данных в центре управления. В системах дистанционного управления как правило ограничено использование средств автоматического регулирования и управления, расположенных на борту судна. Все данные передаются и обрабатываются в цифровой форме, что обеспечивает надежность передачи и высокую точность представления данных.

Структура цифровой системы дистанционного управления приведена на рисунке.

В связи с интенсивным использованием каналов связи система дистанционного управления должна использовать такие алгоритмы управления, которые требуют минимального объема информации для передачи и обработки, позволяют достаточно быстро проводить необходимые расчеты.

Вместе с тем алгоритмы дистанционного управления должны обеспечивать надежное решение задач управления движением судна при различных целях и критериях качества управления.

Таким образом, рассмотрены методы управления движением судов и показано, что применение традиционных методов не всегда оправдано и не всегда возможно.

Показана, специфика применения систем дистанционного управления, связанная с удаленной обработкой данных и необходимостью передавать данные. Это накладывает ограничения на объемы данных, которые необходимо учитывать при создании подобных систем, средства сбора и передачи необходимой для управления информации.

Полученные результаты определили направления дальнейших исследований.

Во второй главе проведен анализ средств и методов навигации, необходимых для создания системы дистанционного управления движением судна. Требования к ним вытекают из необходимости обеспечения безопасности и экономичности плавания и зависят от районов и этапов судовождения (открытое море, прибрежная зона и т.д.) и определяются международными и национальными администрациями.

Показано, что для определения координат судна в условиях Вьетнама целесообразно использовать систему спутниковой навигации GPS. Это связано в том числе и с тем, что данная система предназначена не только

определять координаты места, но и составляющих вектора скорости и времени судов. Исследованы особенности и возможности применения системы GPS в системах дистанционного управления, с точки зрения точности и быстродействия получения требуемых данных.

Изучены возможности применения других средств навигации, для случая, когда судно управляется без использования автоматики (вручную).

Проведена оценка объемов данных, предаваемых по каналам связи: координаты судна, параметры управления (скорость, направление движения, длительность интервала движения в заданном направлении).

Рассмотрены возможности применения различных систем связи с береговым центром управления.

Полученные результаты позволили определить методы и средства для создания системы дистанционного управления, сформулировать требования к алгоритмам управления движением судна, реализуемым в системе.

В третьей главе исследованы особенности работы системы дистанционного управления движением судов, разработаны и исследованы алгоритмы дистанционного управления.

Целью управления движением судна являются либо достижение точки с установленными координатами с заданной точностью, либо поводка судна по заданному маршруту.

Управление осуществляется на основе данных о координатах судна, получаемых с использованием спутниковой системы GPS. После получения координат от судна береговая станция управления вычисляет параметры управления, которые передаются на судно. Управление может проводиться как в полностью автоматическом режиме, так и в автоматизированном, когда параметры могут корректироваться оператором. Получив параметры

управления судно движется в соответствии с ними, а по истечении времени шага управления вновь передает на станцию управления свои координаты. Учитывается, что на судно во время его движения оказывают влияние различные факторы (ветер, течения, волнение и т.д.), поэтому происходит отклонение от заданной траектории движения и в конце шага управления судно может прийти в точку, координаты которой отклоняются от расчетных. Следует отметить специфику системы управления, которая учитывается при разработке алгоритмов управления:

• бортовой компьютер обладает необходимыми возможностями по обработке сигналов со спутника GPS, выработке сигналов на исполнительные механизмы судна, отсчет длительности шага управления (возможна реализация управления и отсчет временных интервалов другими средствами, например экипажем судна);

• параметры двигателя судна (мощность) и характеристики судна (габариты, масса и т.д.) предусматривают возможность отказаться от учета инерционности при движении;

• навигационная система позволяет определять координаты судна с требуемой точностью;

• время проведения расчетов и передачи данных считается достаточно малым, что исключает запаздывание;

• береговая станция управления имеет возможность управлять несколькими судами одновременно.

В качестве критериев качества управления в нашем случае возможно использовать среднее время или среднее число шагов для достижения цели. Однако, бывают случаи, когда необходимо только достижение заданной цели. В качестве ограничений при принятии управленческих решений могут выступать ограничения на скорость движения судна, ограничения на

длительность интервала (шага) управления, ограничения на расстояние, проходимое судном за один шаг управления.

Введем следующие обозначения: Х0, У0 - координаты начальной точки нахождения судна по осям абсцисс и ординат;

хк, Ук - реальные координаты судна по осям по окончании k-го шага управления;

X, У- координаты цели перемещения судна по осям;

- расчетные составляющие скорости движения судна по координатным осями на ^м шаге управления;

4 - длительность к-го шага управления (интервала шага управления);

Нук - коэффициенты управления по координатным осям на к-м шаге управления;

- величины сноса (отклонения) судна по координатным осям на шаге управления (случайные величины),

^■ук=Ук~{Ук-\+Ьуук)- Случайные величины Д^, взаимно независимы между собой и по к.

Исследован случай простого управления, когда воздействие внешних факторов на судно учитывается как независимая случайная величина, определяющая величину покоординатного сноса судна на каждом шаге. При этом для каждой координаты можно записать уравнения, позволяющие вычислять управление на каждом шаге в зависимости от реальных координат, получаемых по окончании предыдущего шага:

Коэффициенты кхк и кук используются для обеспечения ограничений

по скорости движения судна.

Доказано, что если кхк=пх> 1 и Иук=пу> 1 и |М{А^ }| < гх < <», а

|М{Д^}| < г,, < оо, тогда при ¿-»оо последовательности М{дт*} и М{у*} сходятся и для их пределов справедливы неравенства:

1ип(М{^}) < X + гхпх, Ит(М{^}) < Г + гупу.

Полученный результат показывает, что предложенный алгоритм управления может привести к уклонениям от цели в зависимости от величин пх, пу и средних значений случайных величин Ах и Д^. Однако, если М{А^} = М{А>} = 0, данный алгоритм позволяет обеспечить необходимую

точность достижения цели.

Для расчета точности и скорости сходимости получено, что

Время необходимое на к шагов при одинаковой скорости движения судна оценивается по формуле:

*-1 -

Тк={Х-х о)

п*-1

пк-1

«е1 -1

1

-г)-

Исследована модификация алгоритма, которая учитывает, что отклонение, как правило, пропорционально длительности шага управления*

Доказано, что если hxk - пх > 1, hyk = пу > 1 и | М{кх} |= dx, | М{му} |= dy

тогда, при | —1< 1 и | —1< 1 для любого г, последовательности v v

ХГ уг

} и M{yt} сходятся при Ä —>оо и их пределы равны: 1ш1(М{дс1}) = ЯГ,1ш(М{Л}) = Г.

К-ЮО А-ХЮ

Исследован алгоритм управления, который вводит поправки на параметры движения в зависимости от сноса на предыдущем шаге управления:

хк = + Ч^л + Äxt, где tkVxk =(X-xk_yhxk-Af_,

Ук +hvyk +Аук, где tkvyk=(J-yl4)lhyk-Д^

Доказано, что если hxl=nx> 1 и hyk=ny> 1 и |М{}j = zx < со,

]М{ДуА}] = zy < оо, тогда при к->ж последовательности M{xt} и М\ук)

сходятся и пределы равны:

lim(M{^}) = X и ]im(М{>,(}) = У.

к->Q0 к->аО

Из полученных для рассматриваемых алгоритмов результатов следует сходимость последовательностей хк, ук в среднем порядка 2, т.к.

limMf|jct -Х|2} = ПтМ{(д:4 -Х)2}=0, НтМ{|Л -У|2} = limM{(y* -У)2} = 0

it-*» к-ЮО к->ао о

при существовании пределов lim } = X, lim M{>'t} = Y.

к к-*оо

Из этого следует, что lim[Pr{(xt - X) = 0}] = 1 для всех алгоритмов.

А->оо

Таким образом, исследованы три различных алгоритма дистанционного управления и показана их сходимость.

На практике алгоритм номер 1 целесообразно применять при слабых внешних воздействиях на судно, алгоритм 2 эффективен при достаточно

нестабильных воздействиях и пи возможности варьирования скоростью движения судна, алгоритм 3 позволяет получить те же результаты, что и 2, но при меньших объемах вычислений.

управления управления

Береговой центр управления

Структура системы дистанционного управления движением судов

В четвертой главе представлены результаты разработки структуры и состава системы управления, представленной на рисунке, определен состав базы данных системы. Разработана структура берегового центра управления, и методы взаимодействия станций управления и серверов.

Исследована производительность системы в зависимости от числа обслуживаемых судов и мощности серверов, для чего использована математическая модель в виде многолинейной системы массового обслуживания.

Проведены численные эксперименты с алгоритмами управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ систем и методов автоматического управления движением судна, который позволил выделить основные принципы систем дистанционного управления, специфику их работы и преимущества перед традиционными системами управления. Показано, что для реализации таких систем требуются современные средства связи и обработки данных, а также алгоритмы управления, базирующиеся на ограниченном объеме информации о состоянии судна.

2. Проведен анализ возможностей и особенностей применения спутниковой системы GPS в системах дистанционного управления движением судна, на основе которого разработаны принципы организации работы системы управления.

3. Разработаны и исследованы алгоритмы дистанционного управления движением судна, использующие данные GPS системы, и обеспечивающие достижение заданной цели с требуемой точностью. Алгоритмы учитывают случайные воздействия на судно внешних факторов, определяющих отклонение судна от назначенного курса.

4. Доказана сходимость алгоритмов, определена их чувствительность к изменению параметров случайных воздействий. Определены условия применения алгоритмов в зависимости от требуемых целей и характеристик качества управления.

5. Разработана структура системы дистанционного управления, включающей спутниковую навигационную систему, береговой центр управления, компьютерные средства обработки информации и базу данных с картографической информацией. Система обеспечивает возможность управления несколькими судами, применение автоматического и автоматизированного режимов управления.

6. Разработаны методы анализа характеристик системы управления, позволяющие определять время обработки данных, поступающих от судов, в зависимости от числа управляемых судов и производительности серверов приложений и рабочих станций.

7. Результаты работы использованы в учебном процессе при обучении студентов Национального морского университета Вьетнама и для анализа прототипов создаваемых систем дистанционного управления.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Saksonov E.A., Vu Du: Lap, Badoulin V.I. System for remote control of a boat movement. Proceedings of International conference. Information and Telecommunication Technologies in Intelligent Systems. May, Barcelona, Spain. 2003. P. 58-60.

2. Саксонов Е.А., By Дык Лап. Автоматизированная система управления движением судна. Материалы международной НТК «Проблемы передачи и

обработай информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань. 2004. С. 99-100.

3. By Дык Лап. Дискретная система управления движением. XL Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии. Тезисы докладов. Секции математики и информатики. Москва. РУДН. 2004. с. 64-65.

4. Саксонов Е.А., By Дык Лап, Чан Дык Чи. Вычислительные системы управления морским транспортом. Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная дню радио. Выпуск: LIX - 1. М. 2004. с. 50-51.

ИД №06117от 2310.2001

Подписано в печать 28.02.2005. Формат60x84/16 Бумага-типографская №2. Печать- ризография Усл.печ.л. 1,0 ТиражЮОэкз.Заказ 09 .

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3/12

¡Т17\'1 Центроперативнойполиграфии

И/. Д1 (095) 916-88-04, 916-89-25

229