Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Современные инфокоммуникациоьшьіе иерархические триады для мониторинга и управления на речном транспорте. особенности управления техническим и вспомогательным флотами на внутренних водных путях 16
1.1. Иерархические информационные триады и инфокоммуникационные системы на речном транспорте 16
1.1.1. Корпоративная речная информационная система 17
1Л .2. Речная информационная служба 19
1.1.3. Каноническая структурная схема речной автоматизированной системы управления движением судов 28
1.2. Основные характеристики и особенности эксплуатации технического и вспомогательного флотов на внутренних водных путях России 31
1.2.1. Цели, решаемые флотом Администраций бассейнов внутренних водных путей с дифференциацией по решаемым задачам 31
1.3. Анализ средств навигационного оборудования на внутренних водных путях (на примере ФБУ «Администрация «Волго-Балт») 41
1.3.1. Судоходная обстановка ФБУ «Администрация «Волго-Балт» 47
1.4. Мониторинг средств навигационного оборудования (СНО) на внутренних водных путях 51
1.4.1. Мониторинг СНО с использованием средств радиолокации 53
1.4.2. Использование АИС для мониторинга СНО 53
1.4.3. Испытания системы мониторинга СНО средствами АИС в Невско-Ладожском районе водных путей и судоходства - филиале ФБУ «Администрация «Волго-Балт» 5 8
1.4.4. Использование средств мобильной связи стандарта GSM 61
1.4.5. Опытная эксплуатация системы мониторинга СНО по каналам GSM в Невско-Ладожском районе водных путей и судоходства -филиале ФБУ «Администрация «Волго-Балт» 63
1.4.6. Мониторинг СНО с использованием средств спутниковой связи 65
1.5. Обобщенная схема метасистемы и особенности этапов концептуального исследования инфокоммуникационных систем на речном транспорте 69
1.6. Особенности проведения концептуальных исследований инфокоммуникационных систем. Постановка задачи диссертационного исследования 79
Выводы по разделу 1 85
Раздел 2. Системы высокоточного позиционирования судов и средств навжационного оборудования на внутренних водных путях 89
2.1. Назначение, классификация, принципы построения и функционирования инфокоммуникационных систем и систем высокоточного позиционирования 90
2.2. Методы построения современных автоматизированных сетей 100
2.3. Высокоточные системы позиционирования, строящиеся на реализации дифференциального режима СРНС ГЛОНАСС/GPS/GALILEO 107
2.4. Классификация дифференциальных подсистем СРНС 123
2.4.1. Широкозональные дифференциальные подсистемы 125
2.4.2. Региональные дифференциальные подсистемы 128
2.4.3. Локальные дифференциальные подсистемы 129
2.5. Формирование комплексных дифференциальных полей средневолнового и ультракоротковолнового диапазона на внутренних водных путях 133
Выводы по разделу 2 136
Раздел 3. Методология построения системы управления техническим и вспомогательным флотом НА ВВП России 138
3.1. Методология построения и структурно логическая схема АСУ техническим и вспомогательным флотами на ВВП 138
3.2. Особенности АСУ ТВФ на ВВП России 141
3.3. Современные инфокоммуникационные технологии, применяемые для позиционирования земснарядов и мониторинга землечерпательных работ на внутренних водных путях 143
3.4. Автоматизированные идентификационные системы наречном транспорте 150
3.4.1. АИС для АСУ движением судов 150
3.4.2. АИС для АСУ техническим и вспомогательным флотами и мониторинга средств навигационного оборудования 159
3.5. Организация радиосвязи в автоматизированных
идентификационных системах 162
Выводы по разделу 3 171
Раздел 4. Вероятностные модели и расчет эффективности (помехоустойчивости) аис при управлении техническим и вспомогательным флотами на ВВП 172
4.1. Вероятностные модели АИС 172
4.1.1. Каноническая статистическая модель автоматизированной идентификационной системы. Аддитивные и мультипликативные помехи 172
4.1.2. Стохастические модели цифровых информационных каналов автоматизированных идентификационных систем 176
4.1.3. Учет взаимного влияния в частотно-временной области сигналов и сосредоточенных помех. Коэффициенты взаимного различия. Поля поражения сигналов 181
4.2. Алгоритмы и расчет эффективности (помехоустойчивости) АИС
при управлении на трассе «знак навигационного оборудования -судовой транспондер» 198
4.2.1. Потенциальная эффективность в условиях воздействия только флуктуационных шумов 198
4.2.2. Эффективность АИС при воздействии заграждающего рельефа... 211
4.2.3. Эффективность АИС при движении судов технического и вспомогательного флотов 214
4.2.4. Эффективность АИС в условиях воздействия флуктуационных шумов и сосредоточенных по спектру помех 218
4.3. Топология зон действия базовых станций АИС АСУ ТВФ на «Волго-Балтийском водном пути» в границах Невско- Ладожского района водных путей и судоходства 223
Выводы по разделу 4 243
Раздел 5. Стратегия использования аис технологий для автоматизированных систем управления судами технического, вспомогательного флотов и мониторинга знаков навигационного оборудования на внутренних водных путях 247
5.1. Современные методы синтеза функционально устойчивых АИС на адаптивных транспондерах при воздействии взаимных помех 247
5.1.1. Алгоритмы функционально устойчивых АИС на адаптивных некогерентных транспондерах 248
5.1.2. Методика адаптивного выбора информационного канала для мониторинга судов технического, вспомогательного флотов и знаков навигационного оборудования на ВВП в автоматизированных идентификационных системах 258
5.2. Помехоустойчивость и оценка возможностей использования простых и сложных сигналов в функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах при воздействии сосредоточенных по спектру помех 260
5.2.1. Алгоритмы оценки помехоустойчивости функционально устойчивых адаптивных некогерентных АИС 260
5
5.2.2. Оценка возможностей использования простых сигналов для адаптации функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах при воздействии сосредоточенных по спектру помех 263
5.2.3. Оценка возможностей и способов вариации структуры сложных сигналов для адаптации в функционально устойчивых автоматизированных идентификационных системах при воздействии
сосредоточенных по спектру (взаимных) помех 270
Выводы по разделу 5 281
Заключение 284
Список сокращений 288
Список литературы
- Корпоративная речная информационная система
- Высокоточные системы позиционирования, строящиеся на реализации дифференциального режима СРНС ГЛОНАСС/GPS/GALILEO
- Современные инфокоммуникационные технологии, применяемые для позиционирования земснарядов и мониторинга землечерпательных работ на внутренних водных путях
- Учет взаимного влияния в частотно-временной области сигналов и сосредоточенных помех. Коэффициенты взаимного различия. Поля поражения сигналов
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Одной из важнейших современных проблем внутреннего водного транспорта является обеспечение безопасности судоходства как при смешанном «река-море» плавании, так и при плавании на внутренних водных путях (ВВП) России, при надлежащем уровне организации транспортного процесса в целом. Наиболее остро эта проблема проявляется в условиях роста интенсивности грузоперевозок на ВВП, внедрения современных речных и «река-море» крупнотоннажных судов и составов, обладающих высокой эксплуатационной скоростью движения. При этом необходимо отметить, что в качестве основного метода судовождения штурманский состав, при плавании на ВВП России как правило, отдает предпочтение лоцманскому методу плавания, который не в полной мере обеспечивает общепринятый мировыми стандартами уровень безопасности судоходства.
Наиболее конструктивным решением вышеуказанной комплексной задачи, по-видимому, является переход от лоцманского к инструментальному методу судоходства на ВВП, базирующемуся на использовании систем электронной картографии в комплексе с высокоточными системами позиционирования на основе спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS/Galileo, а также создании и внедрении современных инфокоммуникационных систем водного транспорта позволяющих конструктивным образом связать структурные элементы транспортного процесса единой архитектурой, обеспечивающей их совместимость и эффективное взаимодействие. Известно, что одной из таких наиболее перспективных и динамично развивающихся инфокоммуникационных систем является технология, получившая название «Корпоративные речные информационные системы (КРИС)». Отраслевой формой реализации этого класса информационных систем являются организационно-технические образования, получившие название «Речные информационные службы (РИС)». Структурным ядром последних являются «Автоматизированные системы управления движением судов (АСУ ДС)», которые, как об этом свидетельствует опыт таких стран как США, Канада, Россия, стран Европейского союза и др., имеют в своем составе различные современные информационные системы телекоммуникаций и мониторинга: системы УКВ-радиосвязи, транкинговой и сотовой радиосвязи, системы видеонаблюдения и радиолокационного контроля, информационно-диспетчерские службы, в ряде случаев речные региональные спасательно-координационные центры и др. При этом вся структура речной АСУ ДС, как правило, бывает погружена в радионавигационное поле ГЛОНАСС/GPS и его подсистемы высокочастотных дифференциальных радионавигационных поправок ДГЛОНАСС/DGPS.
В последние 15-20 лет значительный интерес у всех специалистов водного транспорта для повышения безопасности и эффективности судоходства на ВВП вызывают возможности информационной технологии рубежа XX-XXI веков, получившей название «Автоматизированная идентификационная система (АИС)», ставшей уже неотъемлемой частью речных АСУ ДС. Возникновение технологии АИС можно поставить в один ряд с появлением на морском и речном флоте радиолокационных станций или спутниковой навигации.
Однако к настоящему времени практически не исследованы в комплексе с АИС и дифференциальными подсистемами ГЛОНАСС/GPS/GALILEO возможности автоматизированных систем управления техническим и вспомогательным флотами (АСУ ТВФ) с одновременным мониторингом средств навигационного оборудования (СНО) на внутренних водных путях, составляющими неотъемлемую систему наряду с АСУ ДС речной информационной службы.
Вхождение АИС в состав АСУ ТВФ предполагает не только наличие на судах технического и вспомогательного флотов (ТВФ) и у лоцманского корпуса соответствующих транспондеров, но и, прежде всего, оборудования берегового сегмента, обеспечивающего мониторинг судов ТВФ и мониторинг СНО, состоящего, в первую очередь, из комплекса береговых станций АИС, включая базовые станции (БС), симплексные и дуплексные репитеры, а также сети передачи АИС данных в структурах АСУ ТВФ и АСУ ДС. При этом для обеспечения эффективного управления судами ТВФ и мониторинга СНО на ВВП, включающего оценку позиционирования навигационных знаков, одной из наиболее актуальных задач является создание топологии зон действия БС АИС АСУ ТВФ, адекватной структуре судоходных путей, прежде всего для Единой Глубоководной системы (ЕГС) Европейской части России, являющейся её важнейшей транспортной системой. Однако реализация такой проблемы в современных информационных каналах неизбежно наталкивается на комплексное воздействие трех стохастических факторов: влияние информационного канала и наличия в нем различного рода аддитивных (шумы, взаимные, промышленные, преднамеренные и др.) и мультипликативных (замирания: быстрые, медленные, селективные и т. п.) помех, влияние заграждающего рельефа, и наконец, влияние относительного перемещения судна относительно базовой станции. Наличие указанных факторов, во-первых, существенно сказывается на помехоустойчивости радиолиний АИС и, во-вторых, на их функциональной устойчивости. Преодоление искажающего действия такого рода факторов на стохастические вариации и уменьшение дальности зон действия базовых станций АИС лежит, по-видимому, лишь на путях использования различного рода адаптивных методов и способов построения устойчивых идентификационных систем.
Лишь при таких условиях появляется возможность создать в структуре АСУ ТВФ надежную высокоточную информационную поддержку судоводителю технического или вспомогательного судна. Это расширяет возможности по управлению техническим и вспомогательным флотами и позволит качественно повысить эффективность их функционирования на ВВП, что предусмотрено ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 гг. утвержденной постановлением Правительства РФ от 3 марта 2012 г. №189.
В связи с изложенным целью настоящей диссертационной работы являются решение двуединой проблемы: развитие методологии построения адаптивных АИС, предназначенных для АСУ ТВФ применительно к условиям характеризующим угрозы верности передачи информации в таких АСУ и, во-вторых, обеспечивающих передачу высокоточных дифференциальных поправок для обеспечения высокой точности позиционирования знаков навигационного оборудования.
Объектом исследования в работе являются процесс синтеза и анализа адаптивных автоматизированных идентификационных систем для технического и вспомогательного флотов на ВВП и мониторинга средств навигационного оборудования, функционирующих в условиях шумов, взаимных помех, влияния заграждающего рельефа и относительного перемещения судов.
Предмет исследования - модели, методы и способы контроля и обеспечения заданного уровня верности передачи информации в системах АИС, функционирующих в условиях шумов и взаимных помех, а также влияния заграждающего рельефа и относительного движения судов технического и вспомогательного флота.
С учетом вышеизложенного сформулирована научная проблема, исследуемая в работе: теоретическое обобщение и решение научно-технической проблемы повышения эффективности мониторинга и управления техническим и вспомогательным флотами на внутренних водных путях России на основе внедрения адаптивных автоматизированных идентификационных систем и дифференциальных подсистем высокоточного местоопределения как судов технического и вспомогательного флота, так и средств навигационного оборудования на ВВП, имеющей важное значение для водного транспорта и экономики страны.
В данной постановке научная проблема формулируется впервые, и ее решение достигается разработкой следующих научных положений, выносимых на защиту:
-
Концепция построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и управления судами технического и вспомогательного флота и обеспечения высокоточного позиционирования знаков навигационного оборудования на внутренних водных путях России.
-
Методология построения системы управления техническим и вспомогательным флотами на ВВП России и структурно-логическая схема АСУ ТВФ.
-
Вероятностные модели и алгоритмы расчета эффективности (помехоустойчивости) АИС при управлении техническим и вспомогательным флотами и мониторинге средств навигационного оборудования на ВВП в условиях воздействия шумов и взаимных помех.
-
Научно-обоснованные предложения и метод синтеза адаптивных функционально-устойчивых некогерентных автоматизированных идентификационных систем в АСУ техническим и вспомогательным флотами.
-
Стратегия использования сложных сигналов при комплексном сочетании высокоточных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS/GALILEO с адаптивными автоматизированными идентификационными системами АСУ ТВФ.
Необходимость разработки данных научных положений обусловлена отсутствием концепции построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и управления техническим и вспомогательным флотами и мониторинга средств навигационного оборудования на ВВП на втором и третьем системных уровнях «структура – функции» и «организация-поведение», заключенными между первым элементарным и четвертым метасистемным уровнями и предполагает решение следующих научно-технических задач.
Разработку методологии построения системы управления техническим и вспомогательным флотами на ВВП России и структурно логическая схема АСУ ТВФ для вскрытия существенно важных факторов, определяющих особенности мониторинга и управления в подобных структурах.
Создание вероятностных моделей и алгоритмов расчета эффективности (помехоустойчивости) АИС при управлении техническим и вспомогательным флотами и мониторинге средств навигационного оборудования на ВВП в условиях воздействия шумов и взаимных помех для оценки эффективности функционирования адаптивных АИС в АСУ ТВФ, отсутствующие в настоящее время.
Научно-обоснованные предложения и метод синтеза адаптивных функционально-устойчивых некогерентных автоматизированных идентификационных систем в АСУ ТВФ для обеспечения эффективного функционирования и защиты информации в АИС таких АСУ.
Выработку стратегий использования сложных сигналов при комплексном сочетании высокоточных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS/GALILEO с адаптивными автоматизированными идентификационными системами АСУ техническим и вспомогательным флотами, вызванная отсутствием способов построения подобных автоматизированных идентификационных систем.
Теоретической основой исследования послужили методы системного анализа, математической логики, инженерно-кибернетического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, теории прогнозирования, принятия решений и многокритериальной оптимизации, теоретические основы радиоэлектронной защиты от помех, статистической теории связи, теории распространения радиоволн, теории оценок, алгоритмов, теории принятия решений, методы моделирования на ЭВМ.
Научная новизна диссертации заключается в том, что решена актуальная научная проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение и представляющая собой теоретическое, экспериментальное и модельно-предсказательное обоснование и решение ключевых задач проблемы повышения эффективности мониторинга и управления техническим и вспомогательным флотами, а также мониторинга средств навигационного оборудования на ВВП России.
Концепция построения высокоэффективной адаптивной автоматизированной идентификационной системы для мониторинга и управления судами технического и вспомогательного флота и обеспечения мониторинга средств навигационного оборудования на внутренних водных путях России отличается тем, что впервые качественно и количественно определены многофакторные взаимосвязи состояний источников информации метасистемы для стратегии использования сложных сигналов при комплексном сочетании высокоточных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS/GALILEO с адаптивными автоматизированными идентификационными системами АСУ техническим и вспомогательным флотами, что позволяет сформировать множество допустимых вариантов структур функционально защищенных и устойчивых АИС для АСУ ТВФ.
Методология построения системы управления техническим и вспомогательным флотами на ВВП России, структурно логическая схема АСУ ТВФ, вероятностные модели и алгоритмы расчета эффективности (помехоустойчивости) АИС при управлении техническим и вспомогательным флотами и мониторинге средств навигационного оборудования на ВВП в условиях воздействия шумов и взаимных помех позволяют качественно и количественно оценить защищенность и функциональные возможности указанных АИС при комплексном учете на дальность и зону действия АИС, характеристик, параметров и ограничений трех основных факторов: расстояния базовой станции АИС от источника взаимных и преднамеренных помех, их энергетические параметры и различия частотно временной структуры от структуры полезных сигналов, что позволяет решить задачу оптимального или, по крайней мере, рационального выбора режима функционирования АИС в АСУ ТВФ.
Научно-обоснованные предложения и метод синтеза адаптивных функционально-устойчивых некогерентных автоматизированных идентификационных систем в АСУ техническим и вспомогательным флотами позволяют структурно обеспечить адаптивные функционально устойчивые решения по построению АИС в АСУ ТВФ на втором системном уровне «структура – функции».
Теоретическая значимость научных результатов заключается в принципиальном вкладе автора в развитие теории адаптивных функционально устойчивых АИС на основе новой концепции конструктивного построения АСУ ТВФ. На этом пути им, разработаны методы количественного анализа и контроля таких АИС в условиях комплексного воздействия шумов, взаимных помех, заграждающего рельефа и относительного передвижения судов ТВФ, что позволило сформулировать качественные и количественные подходы к определению возможности применения сложных сигналов при комплексном сочетании высокоточных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС/GPS/GALILEO с адаптивными автоматизированными идентификационными системами АСУ техническим и вспомогательным флотами.
Достоверность и обоснованность сформулированных научных положений и выводов подтверждена: системностью исследования и решения поставленных проблемы и задач; использованием общенаучного, специальных, формальных и неформальных методов апробированного математического аппарата; выбором корректных, полных и объективных исходных данных; согласованностью результатов моделирования с данными, полученными при проведении исследований реальных систем АИС в АСУ ТВФ на Единой глубоководной системе Европейской части России, в ходе практической деятельности органов управления различных ведомств, учебном процессе вузов, НИОКР; сходимостью теоретических расчетов с результатами экспериментальных исследований; следованием принципам строгой взаимообусловленной согласованности множества структур исследуемого объекта, необходимостью эмерджентности (интегративности) свойств исследуемой системы; математической корректности поставленных задач; статистической достаточностью исходного объема анализируемых информационных источников; непротиворечивостью полученных результатов известным работам ученых и специалистов в данной предметной области.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в доведении теоретических исследований до уровня создания конкретного инструментария для разработки и внедрения на ВВП России высокоэффективной системы мониторинга и радионавигационного обеспечения управления судами технического и вспомогательного флотов с комплексной оценкой позиционирования навигационных знаков, в том числе и с использованием дифференциального режима спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС/GPS/GALILEO.
Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов, программ и рекомендаций позволяет сформулировать рациональные решения по топологической структуре АИС в АСУ ТВФ на государственном, региональном и локальном уровнях, концептуальные положения о стратегии использования такой системы, обосновать решения по эффективному оперативному управлению ею и оценке её информационно-технического состояния.
Прикладные результаты исследований могут быть использованы также при конкретной разработке сети береговых базовых станций, судовых транспондеров для технического и вспомогательного флотов, транспондеров средств навигационного оборудования.
Дальнейшим направлением применения разработанных методов следует считать поиск путей разрешения проблемных ситуаций на этапах разработки, модернизации и эксплуатации систем на организационном, технологическом или техническом уровнях с учётом экономической целесообразности принимаемых решений и обеспечение выполнения предъявляемых требований к безопасности информации на различных этапах функционирования АИС в АСУ ТВФ.
Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание работы, получены автором самостоятельно. Научные результаты, полученные автором в соавторстве, отражены в источниках научно-технической информации. Научные результаты, реализованные в НИОКР, получены с коллективом разработчиков, в которых автор является ответственным исполнителем.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе основные научные результаты приняты к реализации в ООО НПП «Системы и технологии» (г. Санкт-Петербург), в ООО «Инфоком» (г. Санкт-Петербург), в ООО НПП «Маринерус» (г. Санкт-Петербург), в Государственном университете морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, в Федеральных НИОКР «Испытание-Река» и «Управление-Река» РОСМОРРЕЧФЛОТА, НИР «Управление- Контроль», НИР «Испытание Море-Река» МИНТРАНСА по ФЦП ГЛОНАСС, что подтверждено актами внедрения.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: Седьмом международном форуме Связь на море и реке (г. Москва 2011 г.); Восьмом международном форуме Связь на море и реке (г. Москва 2012 г.); на 20-й научно-технической конференции «Методы и технические средства обеспечения безопасности информации» (Санкт-Петербург 2011 г.); на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедры «Технических средств судовождения и связи» Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций в 2010-2012 годах.
Публикации. Содержание и основные результаты диссертации опубликованы в 29-ти научно-технических изданиях: в том числе в трех монографиях, 26-ти статьях, в том числе 21-й статье в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссии для докторантов.
Структура и объем работы. Диссертация содержит основную часть, и состоит из введения, пяти разделов, заключения. Содержит 308 страниц текста, в том числе 118 рисунков, 17 таблиц. Список использованных источников научно-технической литературы составляет 163 наименования.
Корпоративная речная информационная система
Для поддержания современного уровня безопасности и эффективности транспортного процесса на внутренних водных путях Российской Федерации необходимо постоянно совершенствовать технические средства и системы как напрямую задействованные в транспортном процессе, так и участвующие в обеспечении беспрепятственного плавания судов и нормального функционирования технического и вспомогательного флотов. Наряду с этим, в значительной мере возрастает потребность в своевременном обмене информацией между организациями, имеющими отношение к судоходству на внутренних водных путях (ВВП). Заинтересованными участниками в получении такого рода информации связанной с безопасностью движения, информацией о грузо - и пассажироперевозках, и т.п. выступают не только государственные органы обеспечивающие безопасность судоходства и осуществляющие регулирование движение судов на ВВП и в акваториях портов, но и множество различных коммерческих и некоммерческих организаций, занимающихся обслуживанием и агентированием судов, логистикой грузоперевозок, экспедированием грузов, бункеровочными и другими операциями. Поставленная перед сектором внутреннего водного транспорта задача
Подобная структуризация КРИС на ЕГС представляется конструктивной с точки зрения ее реализации. Заметим, что корпоративные Речные информационные системы являются подклассом более широкого класса корпоративных информационных систем [46, 47, 66], являющихся информационно-управляющими системами четвертого поколения, появившихся в последнее десятилетие. Основной целью таких систем является информационное обеспечение процесса управления.
С позиции использования современных инструментальных средств и дальнейшей специализации к четвертому поколению информационно-управляющих систем (ИУС) можно отнести системы со следующими характеристиками: активное использование типовых процедур и функций, выполняемых на уровне СУБД - систем управления базой данных; использование CASE- средств для поддержки программных систем на всех этапах жизненного цикла ЕКР-системы; применение стандартного инструментария графического пользовательского интерфейса (в том числе и Web); выделение в подсистемы и типизация аналитических средств поддержки принятия решений по технологии Data Warehouse, OLAP-поддержек, библиотек типовых бизнес-функций для удобства их реорганизации (BRP) в процессе эксплуатации.
Если РИС явились результатом эволюционного развития автоматизированных систем управления, то КРИС- результатом эволюции, начиная с 90-х годов XX века, концепции традиционных автоматизированных систем управления транспортным процессом (АСУ ТП) [66, 103].
Каждая из представленных на рисунке 1.1. речных информационных служб может иметь типовую структуру, изображенную на рисунке 1.2. Здесь обозначено ЦУДС - центр управления движением судов.
Зона РИС - это формально обозначенная территория, где функционирует и официально объявлена действующей Речная информационная служба. Зона РИС может охватывать конкретную акваторию ВВП, водные пути речного бассейна, в том числе трансграничные. Центр управления РИС - это учреждение (офис), откуда операторы управляют службами РИС. Рекомендуется иметь в одной зоне действия РИС один центр управления РИС, в котором должны быть сосредоточены все службы. Зона действия СУДС - четко определенная акватория, где СУДС официально объявлена действующей. Зона действия СУДС может состоять из нескольких секторов или субзон; Центр управления движением судов (ЦУДС) - это учреждение (офис), из которого осуществляется управление движением судов. Каждый сектор или субзона может иметь свой субцентр. целью создания РИС является содействие в управлении движением судов и обеспечении безопасного и экономически эффективного судоходства на внутренних водных путях при максимальном использовании ресурсов водного транспорта и ВВП; РИС собирают, обрабатывают, оценивают и распространяют информацию о судоходных путях, о движении флота и перевозках водным транспортом; в целях обеспечения взаимопонимания между участвующими в РИС сторонами, службы и системы управления движением судов и управления на ВВП должны гармонично строиться и сопрягаться на основе общих, международно-признанных подходов; РИС должны охватывать используемые для целей судоходства акватории озер, рек, водохранилищ, каналов, а также портов в речных бассейнах; в зоне действия РИС могут быть организованы локальные СУДС для целей управления движением судов; суда, осуществляющие судоходство в зоне действия РИС, должны быть постепенно дооборудованы с целью соответствия требованиям РИС. РИС использует три уровня информации: информация о фарватере («путевая информация»), включает в себя административные, географические и гидрологические и гидрометеорологические сведения о водных путях (фарватерах) расположенных в зоне РИС, которые необходимы пользователям РИС для планирования, осуществления и контроля движения флота. Эта информация односторонняя: «берег - судно» или «берег - офис».
Тактическая (оперативная) информация о движении, используется судоводителями и/или операторами СУДС для принятия немедленных решений в конкретной ситуации, складывающейся в зоне действия СУДС. Источниками тактической информации могут быть визуальные данные, информация полученная с помощью средств связи, радиолокации, АИС и т. п.; данная информация может быть получена как на борту судна, так и на берегу, например, в центре СУДС.
Стратегическая (долгосрочная) информация о движении - сведения, которые используются пользователями РИС для принятия среднесрочных и долгосрочных решений, касающихся планирования и обеспечения безопасности плавания и эффективности рейса.
Согласно принятой организацией объединенных наций Резолюции №57 Основные руководящие принципы и рекомендации для речных информационных служб (РИС) выглядят следующим образом [37]:
1. Службы и системы движения и перевозок во внутреннем судоходстве должны быть гармонизованы посредством использования единого утвержденного на международном уровне подхода к речным информационным службам (РИС).
2. Гармонизированные РИС должны охватывать реки, каналы, озера и порты в речном бассейне на большой территории, выходящей зачастую за пределы границ отдельных государств.
3. РИС не регулируют внутреннюю коммерческую деятельность внутри одной или между несколькими вовлеченными в эту систему компаниями, но открыты для взаимодействия с коммерческой деятельностью.
4. В координационных центрах зон охвата РИС можно создавать местные службы движения судов (СДС) с упором на организацию движения. Ссылка делается в частности на Руководство Международной ассоциации маячных служб (МАМС) для СДС во внутренних водах. Однако РИС не обязательно должны включать в себя СДС.
5. В настоящих Руководящих принципах РИС описываются принципы и общие требования к планированию, внедрению и оперативному использованию речных информационных служб и связанных с ними систем. Эти принципы могут быть дополнены подробными руководящими принципами и стандартами для использования в конкретных географических зонах.
Высокоточные системы позиционирования, строящиеся на реализации дифференциального режима СРНС ГЛОНАСС/GPS/GALILEO
Современные инфокоммуникационные технологии, применяемые для позиционирования земснарядов и мониторинга землечерпательных работ на внутренних водных путях
Одной из основных задач, возложенных Администрации бассейнов внутренних водных путей и находящийся в их оперативном управлении флот — является создание и поддержание условий для безопасного и беспрепятственного плавания судов и составов на внутренних водных путях Российской Федерации. Эта задача решается путем выполнения комплекса путевых работ на ВВП РФ для обеспечения заданных габаритов судового хода и улучшения судоходных условий.
В состав путевых работ входят: содержание навигационного оборудования, изыскательские работы, землечерпание, руслоочищение, скалоуборочные работы, траление, а также выправительные и берегоукрепительные работы. Путевые работы выполняются судами технического флота, в состав которого входят обстановочные теплоходы, земснаряды и грунтоотвозные шаланды, мотозавозни, дноочистительные снаряды, водолазные боты и грейферные плавкраны.
Для снабжения и нормальной эксплуатации технического флота необходимы суда вспомогательного флота, в состав которого входят суда-водолеи, нефтеналивные суда для бункеровки топливом, буксиры для буксировки несамоходных судов технического флота, очистные плавучие станции, промерные катера, брандвахты, несамоходные баржи, служебно-разъездные суда, а также суда экологического назначения. Основные задачи технического и вспомогательного флота проиллюстрированы на рисунке 1.6. Состав флота по типам судов
Обстановочный флот
Основные задачи, возложенные на обстановочный флот - это определение границ и направления наиболее глубоководного и удобного для движения судов судового хода, обозначение судового хода на местности береговыми и плавучими знаками навигационного оборудования, регулярный осмотр и ремонт навигационных знаков, проверка исправности светосигнальной аппаратуры средств навигационного оборудования (СНО) с периодической заменой элементов питания и источников света. Поскольку содержание в исправном состоянии навигационного оборудования водных путей занимает одно из ведущих мест в поддержании безаварийного судоходства, этому виду работ уделяется повышенное внимание.
В поддержании безаварийного судоходства не менее важное место занимает проверка чистоты судового хода. Для проверки чистоты судового хода на каменистых участках и на участках русла с включением валунов производится траление жестким тралом. Эта задача, как правило, так же возлагается на обстановочный флот.
При этом надо отметить, что обстановочный флот в большей своей массе состоит не из специально построенных обстановочных судов, а из переоборудованных буксиров, паромов и т.п., далеко не в полной мере отвечающих условиям работы обстановочного флота.
Так обстановочный флот ФБУ «Администрация Волго-Балтийского бассейна внутренних водных путей», только на 42,4% состоит из судов, специально построенных для целей обстановки, из которых 39,4% занимают суда проекта 391 различных модификаций и 3% суда проекта Р-121. Остальные 57,6%) это переоборудованные суда, в основном состоящие из буксиров мощностью 150 - 170 л.с, дооборудованных кран-балками для постановки и обслуживания плавучих знаков навигационного ограждения судового хода (рисунок 1.7.).
Постоянное недофинансирование Администраций бассейнов внутренних водных путей и отсутствие должного внимания к проблемам путейцев со стороны государства привели к тому, что обстановочные суда, отвечающие за безопасность судоходства, даже в настоящее время плохо оснащены средствами навигации и связи.
Для выхода на новый уровень обеспечения судов обстановочного флота и автоматизации постановки плавучих знаков навигационного ограждения на внутренних водных путях, специалистами ФБУ «Администрация «Волго-Балт» совместно с ООО «Абрис» был разработан программно-аппаратный комплекс «Путевой мастер» (рисунок 1.8.).
Комплекс состоит из DGPS - приемоиндикатора, цифрового эхолота и переносного компьютера со специализированным программным обеспечением на основе электроно-картографической системы. Он позволяет с высокой точностью устанавливать плавучие знаки навигационного оборудования в заданных координатах, контролировать местоположение плавучих СНО и в случае их смещения со штатного места оперативно восстановить местоположение плавучего знака в соответствии с планом ограждения. Комплекс был успешно испытан на Волго-Балтийском водном пути и в навигацию 2010 г. им было уже оснащено 60 % обстановочных судов ФБУ «Администрация Волго-Балтийского бассейна внутренних водных путей».
Кроме того, к началу навигационного периода 2011 года 18 % обстановочных судов ФБУ «Администрация «Волго-Балт» были оборудованы судовыми обстановочными комплексами (СОК) разработанными ЗАО «Транзас», рисунок 1.9., так же предназначенными для
Судовой обстановочный комплекс состоит из переносного компьютера в виброзащитном исполнении, DGPS приемника, цифрового эхолота и в зависимости от комплектации может поставляться как с локальной контрольно корректирующей станцией, так и без нее, специализированного программного обеспечения на основе электронной картографии. Обстановочные суда Невско-Ладожского района водных путей и судоходства обслуживающие Ладожское озеро оснащены системами отображения электронных навигационных карт и информации (СОЭНКИ) являющимися модификацией Электронной картографической навигационной информационной системы (ЭКНИС) для внутренних водных путей России. СОЭНКИ является достаточно эффективным и удобным дополнительным навигационным средством, позволяющим судоводителю при подключении соответствующих датчиков информации, в процессе управления судном получить следующую информацию: о фарватере, глубинах водного пути, о штатном местоположении плавучих и береговых СНО; о положении судна относительно судового хода, береговой линии и препятствиях в сочетании с координатами судна; о приближающихся судах по сигналам автоматизированной идентификационной системы (АИС); о приближающихся объектах по данным судовой радиолокационной станции (РЛС).
Совмещение вышеуказанной информации на одном экране позволяет судоводителю более детально оценить сложившуюся обстановку и принять решение в кратчайшее время. Очевидно, что подобными системами необходимо оснастить технический и вспомогательный флот, работающий на крупных озерах и водохранилищах, а также на устьевых участках рек впадающих в моря.
Те обстановочные суда ФБУ «Администрация Волго-Балтийского бассейна внутренних водных путей», которые пока еще не оборудованы комплексами «Путевой мастер», судовыми обстановочными комплексами СОК «Транзас», оснащены спутниковыми приемниками, работающими в дифференциальном режиме. Среди таких приемников лидирующее положение занимают приемоиндикаторы Furuno GP-37, доля которых составляет около 80%. Оснащение обстановочных судов современными средствами радиосвязи оставляет желать лучшего. Так до 2010 года 34 % процента обстановочных судов ФБУ «Администрация «Волго-Балт» использовали физически устаревшие радиостанции Кама-Р, выпуск которых закончился в начале 90-х годов. В 2011 году в ФБУ «Администрация «Волго-Балт» была произведена частичная замена устаревших радиостанции, однако до сих пор еще 31% обстановочных судов используют в своем арсенале радиостанции Кама-Р (рисунок 1.10.).
Учет взаимного влияния в частотно-временной области сигналов и сосредоточенных помех. Коэффициенты взаимного различия. Поля поражения сигналов
Расчет реальной пропускной способности канала связи АИС выполняется с учетом особенностей данного района плавания и вероятного количества судов различного вида (стоящих на якоре, движущихся, высокоскоростных, маневрирующих и т. д.). Например, если в радиусе действия станции АИС находится 40 движущихся судов, передающих сообщение о местоположении размером в один слот и с интервалом 2 секунды, то в минутном кадре окажутся занятыми 1200 слотов из 4500 (для двух частотных каналов). Расчет, выполненный для районов с наибольшей интенсивностью судоходства (Дуврский и Сингапурский проливы), показал, что в теоретическом радиусе действия станции АИС, равном 40 миль, необходимо обеспечить возможность передачи 2400 - 3200 сообщений в минуту от различных судов. Тем не менее, некоторые морские администрации и специалисты выражают обеспокоенность, что пропускная способность АИС вскоре может оказаться недостаточной с учетом реальной и перспективной интенсивности судоходства. В таблице 3.4. приведены интервалы между сообщениями судовых транспондеров, необходимые для обеспечения требуемой точности.
Основополагающий принцип универсальной АИС состоит в том, что любая станция, включившись в работу или оказавшись в радиусе действия других работающих станций, должна найти для себя свободные слоты (не занятые другими станциями) и использовать их для своей передачи. Методом, позволяющим множеству станций АИС находить свободные слоты для передачи и избежать блокирования системы при перезагрузках, является специальный метод доступа к каналу УКВ связи - TDMA (Time Division Multiple Access), в русскоязычной терминологии - множественный доступ с временным разделением (МДВР).
На якоре или у стенки - ITDMA (Incremental - инкрементный) - используется для резервирования слотов в первом кадре, например, после включения станции в работу, а также, когда судно должно увеличить частоту передачи при изменении курса;
SOTDMA (Self-Organized - самоорганизующийся) - используется как продолжение INDMA для резервирования слотов для передачи в преследующих 3-7 минутных кадрах; FATDMA (Fixed - фиксированный) - используется базовыми станциями в целях обеспечения их работы с установленным периодом повторения и в фиксированных объявленных слотах, которые не могут занимать мобильные станции.
Станции АИС после включения в работу до начала передачи в течение минутного кадра принимают и анализируют сообщения в канале для определения свободных слотов и выбора потенциальных слотов для своей 168 передачи в следующем минутном кадре. Первый слот в начале передачи выбирается с использованием протокола RATDMA. Последующие слоты в данном минутном кадре выбираются посредством протокола ITDMA, о выбранных слотах объявляется в первом переданном станцией сообщении. Если судно не меняет свой режим движения и продолжает передавать регулярные сообщения с неизменным периодом повторения, то далее используется протокол SOTDMA, обеспечивающий резервирование слотов в предстоящих 3-7 кадрах. Если же период повторения сообщений должен измениться, например, когда судно меняет курс, то станция кратковременно переходит на протокол ITDMA, а затем возвращается к SOTDMA с новым периодом повторения. Если судну необходимо передать нерегулярное сообщение, то станция использует протокол RATDMA для выбора первого слота под это сообщение. Последующие слоты для передачи этого сообщения выбираются посредством протокола ITDMA. Выбранный ранее порядок передачи регулярных сообщений, например, позиционных, при этом не нарушается. Таким образом, протокол SOTDMA является преобладающим по времени использования, но отнюдь не главным и, тем более, не единственным, как это следует из некоторых популярных статей или проспектов по АИС. Принципы выбора слотов для передачи сообщений АИС с использованием протоколов TDMA поясняется на рисунке ЗЛО. Например, судно должно регулярно передавать позиционное сообщение, содержащее динамическую информацию, с периодом повторения 6 секунд. Частота передачи сообщения RR для данного примера равна 10, т. е. сообщение должно повторятся 10 раз в течение минутного кадра, состоящего из 2250 слотов. Номинальное приращение N1, равное 225 означает, что данное сообщение должно повторяться, в среднем, каждые 225 слотов. Слот для передачи сообщения должен случайным образом выбираться из 45 слотов, лежащих в интервале выбора SI, но не занятых другими станциями. Таким образом, фактически интервал передачи сообщений каждой судовой станции АИС 169 изменяется случайным образом вокруг среднего значения, определяемого параметрами движения судов и установленного стандартами.
Алгоритмы TDMA также обеспечивают устойчивость канала АИС к перегрузкам, когда почти все слоты в минутном кадре заняты, и некоторая станция А не может выбрать свободный слот для передачи своего сообщения в интервале выбора. В этом случае станция А выбирает для передачи слот, в котором уже ведет передачу наиболее удаленная от нее станция В. Тем самым для других станций, находящихся вблизи станции А, передача станции В будет подавлена в данном слоте сигналом станции А. Однако, станция А может подавить сигнал станции В только один раз за минутный кадр. Для передачи следующего сообщения в данном кадре станция А должна выбрать слот, где ведет передачу другая удаленная станция С. Аналогично ведут себя и другие станции, окружающие станцию А.
