Введение к работе
Л J О З Ь
Актуальность темы исследований определяется направленностью их на
увеличение эффективности работы водного транспорта, которая зависит от многих составляющих. Под ними понимается эффективность работы транспортных узлов, гидротехнических сооружений, пароходств и судоходных компаний, эффективность взаимодействия с другими видами транспорта. Однако, основным фактором, влияющим на эффективность водного транспорта, является работа судов. Эффективность транспортных судов определяется безопасностью движения, точностью выполнения расписания, количеством израсходованного топлива, затратами труда на управление судном, минимальным воздействием на окружающую среду. Причем работа того или иного теплохода на оптимальных значениях эксплуатационных характеристик зависит не только от степени автоматизации судовой силовой установки и рулевого комплекса, от профессионализма экипажа, но и от внешних'условий. Под внешними условиями будем понимать, например, метеорологическую обстановку, характеристики фарватера, плотность движения.
С ростом численности флота увеличивается плотность движения на водных трассах. В этой обстановке вопросы оптимального использования судовых комплексов связаны с организацией движения, с управлением режимами работы судовых силовых установок, с решением задач расхождения на узких и извилистых фарватерах, с осуществлением управления при проходе гидротехнических сооружений. Перечисленные задачи не могут быть эффективно решены только собственными системами управления.
Имеются достаточно удачные попытки организации движения некоторым рациональным образом на водном транспорте. К ним относится применение ' береговых радиолокационных станций для проводки судов по узким фарватерам (в портах г. г. С. Петербурга, Находки, Ильичевска, Мурманска, на Волго-Донском и Волго-Балтийском водных путях, в портах Германии, Голландии, Франции). С помощью этих радиолокационных станций осуществляется автоматизированное управление движением, которое включает следующие основные операции: измерение координат каждого отдельного судна, контроль за его скоростью, предупреждение о встречных судах, выдача информации о наличии препятствий и рекомендаций об их преодолении.
Эти примеры показывают, что современной тенденцией" развития управления подвижными объектами является использование несобственных систем управления. То есть систем, которые управляют сразу некоторой группой обьектов. Управляющаяся и информационная часть таких систем является общей для данной совокупности объектов.
Несобственные системы обладают значительно большей разрешающей способностью, относительно меньшей стоимостью по сравнению с собственной системой объекта, предназначенной для подобных же целей.
Для эффективного использования таких систем необходимы исследования, направленные на поиаж ,1ииШАм{1Й№Ш^ управления с
последующей разработкой матемагиче :кСТо~Л[й|ф>{Щ(деческрго обеспечения
О»
их. В диссертации такой поиск новых технологий осуществляется на основе встреч движений объектов различного предназначения. Под встречей движений понимается процесс взаимодействия подвижных объектов (судов) между собой или с неподвижными (стационарными) объектами, а также различные их комбинации. Встреча движений осуществляется, когда между объектами достигается максимальный синхронизм работы с позиций выполнения взаимных критериев управления и прекращается в случае нарушения этого синхронизма. С позиций встречи движений можно исследовать вопросы заправки судов на ходу, швартовки, входа в зону действия радиолокационных станций, проход с учетом встречного движения судоходных каналов и в частности процесс шлюзования и многое другое.
Все вышесказанное подтверждает актуальность исследований, изложенных в диссертации и значимость решаемых задач.
Цель диссертационной работы состоит в разработке математического обеспечения процесса встречей движений и на основе полученных результатов в создании алгоритмов автоматизированного управления для собственных (судовых) и несобственных (стационарных) систем.
Для выполнения этой цели потребовалось решение следующих основных задач:
-
Сформулировать определение задач управления на транспорте на основе встреч движений и рассмотреть возможные варианты использования данного понятия для новых технологий управления судами;
-
Обосновать применение теоретической базы для решения задач о встрече движений;
-
Разработать комплекс математических моделей судна для условий бокового и продольного движений, как в линейном, так и в нелинейном виде, учитывающие условия плавания и внешние воздействия и позволяющие решать задачи о встречи движений;
-
Создать технологию использования метода максимума (минимума) для решения задач о встрече движений;
-
Найти и исследовать условия существования оптимального управления по различным критериям, которые решают задачи встречи движений;
6. Предложить процедуры нахождения численных решений с помощью
подбора условий трансверсальности, для достаточно широкото круга решаемых
задач.
Объектом исследований являются транспортные суда,
взаимодействующие между собой в процессе движения и с береговыми системами автоматизированного управления.
Методы исследования. При решении данных задач использовались методы математического моделирования, основанные на теории больших систем, математическом аппарате принятия решений, теории автоматического и автоматизированного управления. Основной теоретической базой для создания алгоритмов управления судами при встрече движений использованы положения гидромеханики и гидродинамики судна и методы оптимизации - принцип максимума.
Научная новизна исследований. Основными научными положениями
диссертации являются:
- характеристики явлений и параметров перемещения транспортных судов в условиях встречи движений;
- математические модели транспортных судов как объектов управления
для условий бокового и продольного движения с учетом воздействия внешних
условий и взаимовлияния судовых комплексов;
математическое обеспечение процесса встречи движений, учитывающее статику и динамику объектов, параметры внешних условий;
методики разработки структурных схем систем управления встречей движений, адаптированные к виду используемых математических моделей и позволяющие решать вопросы аналитического конструирования автоматизированных систем;
процедуры нахождения численных решений с помощью подбора условий трансверсальности для решения широкого круга задач встречи движений.
Результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные результаты:
-
Характеристики явлений и параметров перемещения транспортных судов в условиях встречи движений.
-
Математические модели транспортных судов как объектов управления для условий бокового и продольного движения с учетом воздействия внешних условий и взаимовлияния судовых комплексов.
-
Математическое обеспечение процесса встречи движений, учитывающее статику и динамику объектов, параметры внешних условий.
-
Методики разработки структурных схем систем управления встречей движений, адаптированные к виду используемых математических моделей и позволяющие решать вопросы аналитического конструирования автоматизированных систем.
-
Процедуры нахождения численных решений с помощью подбора условий трансверсальности для решения широкого круга задач встреч движений.
Практическая значимость исследований. Выполненные исследования позволили получить алгоритмы управления и математическое обеспечение для решения задач встречи движений и на их основе разработать ряд технических средств для информационного обеспечения, создаваемых систем автоматизированного управления не только на водном, но и на воздушном
фанСішріе.
Реализация и внедрение результатов. Основные результаты работы
использовались при создании систем автоматизированного управления для условий встреч движений в НПФ «Меридиан», ОАО «Техприбор», Волго-Балтийском и Волго-Донском водных путях России.
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на одной международной научной конференции по наукоемким технологиям (г. Москва), всероссийской конференции (г. Санкт
- Петербург), на отраслевых семинарах в СПГУВК, ОАО «Техприбор» и НПФ «Меридиан» (г. Санкт - Петербург), на секции по наукоемким технологиям Дома ученых им. М. Горького (г. Санкт - Петербург).
Публикации Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 6 статьях и 4 тезисах докладов на научных конференциях.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста, приложения, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 210 страниц печатного текста, из них 30 страниц приложения, в котором приведены описания технических средств, разработанных в ОАО «Техприбор» на основе данных исследований, 40 рисунков.
