Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ систем обеспечения безопасности мореплавания 12
1.1. Сбор информации для предотвращения столкновений 12
1.2. Оценка опасности столкновения судов 20
1.3. Служба управления движением судов 23
1.4. Обнаружение манёвров и безопасность мореплавания 26
1.5. Выявление манёвра как задача обнаружения нарушения 29
1.6. Косвенные признаки манёвра курсом 31
1.7. Схема событий 32
Выводы по главе 1 33
Глава 2. Фильтрация данных о траектории надводного судна . 36
2.1. Описание процесса маневрирования курсом судна 36
2.2. Модель источника данных для систем судовождения и управления судном 39
2.3. Стандартный фильтр Калмана 47
2.4. Сравнительный анализ эффективности устойчивых ковариационных алгоритмов 48
2.5. Стандартный алгоритм расширенного фильтра Калмана 58
2.6. Устойчивая реализация расширенного фильтра Калмана 61
Выводы по главе 2 68
Глава 3. Разработка последовательного алгоритма обнаружения манёвра с динамической границей срабатывания 69
3.1. Обнаружение манёвра при помощи банка фильтров Калмана . 69
3.2. Последовательные алгоритмы обнаружения нарушений 73
3.3. Косвенные признаки маневрирования курсом 81
3.4. Настройка динамической границы срабатывания 84
3.5. Банк фильтров Калмана с динамической границей срабатывания 96
3.6. Алгоритм обобщённого отношения правдоподобия с динамической границей срабатывания 96
Выводы по главе 3 99
Глава 4. Реализация программного комплекса для проведения экспериментальных исследований 101
4.1. Имитационное моделирование траектории судна 101
4.2. Программный комплекс 108
4.3. Эксперимент 1: сравнение стратегий исключения фильтра из банка фильтров 117
4.4. Эксперимент 2: обнаружение манёвра при помощи банка фильтров Калмана 120
4.5. Эксперимент 3: обнаружение манёвра алгоритмом с динамической границей срабатывания 130
4.6. Обсуждение экспериментов №2 и №3 139
4.7. Методика внедрения результатов исследования при создании и модернизации береговых систем наблюдения за судами 142
Выводы по главе 4 145
Заключение 146
Список сокращений и условных обозначений 151
Список литературы
- Служба управления движением судов
- Сравнительный анализ эффективности устойчивых ковариационных алгоритмов
- Косвенные признаки маневрирования курсом
- Эксперимент 1: сравнение стратегий исключения фильтра из банка фильтров
Введение к работе
Актуальность исследования
Рост интенсивности судоходства в отдельных морских районах, связанный с увеличением объёма морских перевозок по всему миру, делает обеспечение навигационной безопасности мореплавания повседневной задачей судоводителей и прибрежных служб1. В настоящее время множество стран принимают участие в комплексном решении этой задачи: созданы международные правила предупреждения столкновений судов, разрабатывается и применяется глобальная система связи при бедствиях на море, принимаются локальные нормативные акты, обеспечивающие порядок движения судов в акваториях с интенсивным судоходством.
Общее повышение уровня автоматизации в процессах современного судоход-ства приводит к уменьшению влияния человеческого фактора и снижению риска возникновения аварийных ситуаций. Береговые системы последнего поколения характеризуются высокой степенью интеграции различных служб, что создаёт предпосылки к построению комплексных решений в области мониторинга морской обстановки и обеспечения безопасности мореплавания.
Получение актуальной и точной информации о текущих параметрах движения судов в акватории, управляемой береговой службой, входит в число необходимых условий успешного функционирования береговой системы управления движением судов. Эффективность мероприятий по предотвращению опасных ситуаций зависит от точности и быстроты получения информации о скорости и направлении движения судов. Так, анализ столкновений судов показывает, что действия, необходимые для избежания столкновения, но предпринятые с опозданием, зафиксированы в 35% происшествий. Задача скорейшего обнаружения манёвра наблюдаемого судна напрямую связана с обеспечением безопасности мореплавания.
1 Мальцев А. С., Бень А. П., Шон Н. Т. Способ оценки опасности столкновения в системах управления
движением судов // Судовождение: Сб. научн. трудов ОНМА. 2009. Вып. 16. С. 97–104.
2 Мальцев А. С., Шон Н. Т. Особенности решения задачи расхождения судов в море береговыми систе
мами управления движением // Судовождение: Сб. научн. трудов ОНМА. 2009. Вып. 17. С. 100–112.
3 Шон Н. Т. Исследование точности оценки параметров расхождения в системах управления движением
судов // Вестник Одесского национального морского университета: Cб. научн. трудов. 2009. Вып. 25. С. 146–158.
4 Цымбал Н. Н., Булгаков М. А., Байрак В. В. Определение группы взаимодействующих судов в ситуации
опасного сближения // Судовождение: Сб. научн. трудов ОНМА. 2009. Вып. 16. С. 193–197.
5 Su C.-M., Chang K.-Y., Cheng C.-Y. Fuzzy Decision on Optimal Collision Avoidance Measures for Ships in
Vessel Trafc Service // Journal of Marine Science and Technology. 2012. Vol. 20, no. 1. Pp. 38–48.
6 Вагущенко Л. Л., Вагущенко А. Л. Изобразительная модель для оценки опасности столкновения //
Судовождение: Сб. науч. трудов ОНМА. 2009. Вып. 17. С. 17–20.
7 Вагущенко Л. Л., Цымбал Н. Н. Системы автоматического управления движением судна. 3-е изд.,
перераб. и доп. Одесса: Фенiкс, 2007. 348 с.
8 Шон Н. Т. Перспективная береговая навигационная система безопасного управления движением су
дов // Судовождение: Сб. научн. трудов ОНМА. 2010. Вып. 18. С. 111–127.
9 Юдович А.Б. Предотвращение навигационных аварий морских судов. – 2-е изд., доп. – М. : Транспорт,
1988. – 224 с.
К настоящему моменту разработано большое число моделей подвижных объектов, позволяющих решать задачу слежения за их траекториями10 . Модели движения, применяемые при слежении за объектом, обычно универсальны и не привязаны к особенностям движения конкретного, а не среднестатистического, объекта. Включение универсальной модели в алгоритм обнаружения нарушения, т. е. «разладки» процесса, создаёт основу для построения алгоритмов обнаружения манёвра, которые, как следствие, также не учитывают характеристические особенности движения объектов конкретного класса. Подобный подход, применяемый в настоящее время, обусловлен тем, что физические характеристики наблюдаемого объекта (размеры, форма обводов корпуса, расположение центров поворотливости и тяжести, остойчивость и др.) в условиях реального наблюдения, как правило, неизвестны. В отличие от этих первичных, физических характеристик каждого наблюдаемого судна, вторичные особенности, проявляемые при его маневрировании как косвенные признаки манёвра судов этого класса, в целом, известны, т. к. вызваны, главным образом, физическими закономерностями движения массивного объекта в водной среде. Имеются патенты, в которых обосновывается возможность применения этой дополнительной информации для принятия решения о манёвре наблюдаемого судна. Однако алгоритмы обнаружения манёвра, использующие данную дополнительную информацию о судне, в открытых источниках не упоминаются.
В то же время естественно предположить, что задержка обнаружения манёвра судна может быть уменьшена с включением в алгоритм обнаружения манёвра некоторых специальных процедур анализа дополнительных (качественных) признаков манёвра надводных судов.
Вопрос о том, может ли учёт указанных специфических признаков манёвра в модели наблюдаемого объекта компенсировать недостаток точных количественных данных о физических и динамических характеристиках объектов и тем самым повысить скорость обнаружения манёвра, в настоящее время не изучен. Его решение представляется актуальной задачей, открывающей перспективу повышения навигационной безопасности мореплавания.
Объектом исследования являются алгоритмы обнаружения манёвра морского судна, включающие анализ косвенных, специфических признаков манёвра.
Предметом исследования выступают свойства и вычислительная эффективность алгоритмов, а также их применимость в береговых системах обеспечения безопасности судоходства.
10 Li X. R. A Survey of Maneuvering Target Tracking—Part IV: Decision-Based Methods / X. Rong Li, Vesselin
P. Jilkov // Proceedings of SPIE Conference on Signal and Data Processing of Small Targets, Orlando, FL, USA,
April 2002. Paper 4728-60.
11 Cheng Q., Varshney Pp. K. A novel approach to distributed maneuver detection // IEEE Radar Conference.
New York: Apr. 2006. Pp. 261–267.
12 Ru J., Bashi A., Li X. R. Performance Comparison of Target Maneuver Onset Detection Algorithms // In
Proc. 2004 SPIE Conf. on Signal and Data Processing of Small Targets. 2004. Pp. 419–428.
Цели и задачи работы
Цель диссертационного исследования заключается в снижении временных задержек обнаружения манёвра надводного судна посредством анализа косвенных, специфических признаков манёвра.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать модель движения судна, адекватную поставленным целям исследования и намеченным задачам опоры на фильтрацию Калмана.
-
Выполнить анализ численных методов фильтрации траекторных данных и построить алгоритм нелинейной устойчивой фильтрации координатных данных судна.
-
Разработать способ динамической настройки последовательного решающего правила в соответствии с наблюдаемыми косвенными признаками манёвра.
-
Разработать алгоритм, включающий анализ косвенных признаков манёвра и исследовать его эффективность при различных траекториях наблюдаемого судна.
-
Создать программный комплекс для проведения вычислительного эксперимента и обработки данных в режиме модельных испытаний.
Методы исследования
Исследование опирается на общую методологию математического моделирования и вычислительного эксперимента. Используются методы теории вероятностей, случайных процессов и математической статистики (статистическая теория оценивания и различения гипотез), численные методы (устойчивые алгоритмы последовательного оценивания параметризованных моделей состояния) и общие методы системного анализа применительно к многомерным (multiple-input-multiple-output, MIMO) системам. В программной реализации применяются методы структурного и объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна
В работе предложен алгоритм динамической настройки границы срабатывания последовательного решающего правила. На этой основе создан новый алгоритм обнаружения манёвра, граница срабатывания которого изменяется при появлении косвенных признаков манёвра. Предложено новое применение вычислительного метода дискретной фильтрации, который соединяет в себе работу с нелинейной MIMO-моделью движения и наблюдения, скаляризованную обработку вектора измерений и численно устойчивую квадратно-корневую фильтрацию. Разработан оригинальный программный комплекс для проведения вычислительного эксперимента.
Положения, выносимые на защиту
1. Многорежимная математическая модель системы «подвижный объект–внешний наблюдатель» для обнаружения любого из возможных режимов маневрирования объекта по данным наблюдения.
-
Устойчивый численный метод оценивания траекторий, соединяющий в себе три качества: а) расширенный (линеаризованный) алгоритм фильтрации для анализа исходной нелинейной модели движения, б) квадратно-корневой алгоритм фильтра Калмана (в стиле Поттера) для численной устойчивости процесса оценивания, в) скаляризация векторных измерений при их вводе и обработке в алгоритме фильтрации для численной устойчивости и экономии вычислений.
-
Метод и алгоритм автоматической настройки границы срабатывания последовательных решающих правил для принятия решения с учётом косвенного признака начала манёвра (снижение скорости).
-
Вычислительный алгоритм обнаружения манёвра, обладающий динамической границей срабатывания на основе анализа косвенных признаков, для ускоренного принятия решений о начале маневрирования.
-
Программный комплекс, реализующий многорежимную математическую модель системы, устойчивый численный метод оценивания траекторий и вычислительный алгоритм обнаружения манёвра, для генерации результатов модельных испытаний и проработки новых проектных (инженерных) решений в области систем безопасного судовождения.
Общетеоретическая значимость исследований
Включение процедур анализа косвенных, специфических признаков нарушения в алгоритмы обнаружения разладок расширяет границы теоретического анализа таких алгоритмов и открывает новые практические возможности повышения их качества. Полученные результаты могут быть использованы при разработке алгоритмов для других приложений, в частности, для обнаружения манёвров воздушных объектов.
Практическая ценность исследований
Практическая значимость диссертационного исследования заключается в возможности использования полученных результатов инженерами-специалистами при проектировании и разработке программного обеспечения береговых систем управления движением судов, предназначенного для обнаружения манёвров судов.
Результаты диссертационного исследования внедрены в производственную деятельность ФНПЦ ОАО «НПО «Марс» (г. Ульяновск), что подтверждается соответствующим актом о внедрении.
Достоверность результатов
Достоверность результатов, приведённых в диссертационной работе, обеспечена строгим доказательным стилем их математического обоснования, широтой вычислительного эксперимента и статистической обработкой результатов компьютерного моделирования, выполненного при помощи специального программного комплекса, разработанного в рамках исследования.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на II-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2 октября 2010 г.), на Молодежной научно-технической конференции «Автоматизация процессов управления» (Ульяновск, 13–14 декабря 2011 г.) и на Чешско-Российском семинаре (Чехия, г. Острава, 25–28 ноября 2013 г.), а также на ряде рабочих семинаров кафедры, где выполнялась эта работа.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 3 статьи в сборниках трудов конференций.
Личный вклад автора
Постановка задачи осуществлена научным руководителем. Построение математической модели, разработка алгоритма фильтрации, алгоритма настройки динамической границы срабатывания, алгоритмов обнаружения манёвра, реализация программного комплекса и проведение широких вычислительных экспериментов, а также изложение полученных результатов в виде публикаций выполнены автором самостоятельно.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, списка алгоритмов, списка иллюстративного материала и списка таблиц, а также двух приложений. Общий объём диссертации составляет 167 страниц, основной текст изложен на 146 страницах и включает 24 рисунка и 13 таблиц. Библиография включает 93 наименования на 9 страницах.
Служба управления движением судов
Рост интенсивности судоходства в отдельных морских районах, связанный с увеличением объёма морских перевозок по всему миру, делает обеспечение навигационной безопасности мореплавания повседневной задачей судоводителей и прибрежных служб [7, 34, 35, 53, 56, 90]. В настоящее время множество стран принимают участие в комплексном решении этой задачи: созданы международные правила предупреждения столкновений судов, разрабатывается и применяется глобальная система связи при бедствиях на море, принимаются локальные нормативные акты, обеспечивающие порядок движения судов в акваториях с интенсивным судоходством.
Общее повышение уровня автоматизации в процессах современного судоходства [10] приводит к уменьшению влияния человеческого фактора и снижению риска возникновения аварийных ситуаций. Береговые системы последнего поколения характеризуются высокой степенью интеграции различных служб, что создаёт предпосылки к построению комплексных решений в области мониторинга морской обстановки и обеспечения безопасности мореплавания [57].
Получение актуальной и точной информации о текущих параметрах движения судов в акватории, управляемой береговой службой, входит в число необходимых условий успешного функционирования береговой системы управления движением судов. Эффективность мероприятий по предотвращению опасных ситуаций зависит от точности и быстроты получения информации о скорости и направлении движения судов. Так, анализ столкновений судов показывает, что действия, необходимые для избежания столкновения, но предпринятые с опозданием, зафиксированы в 35% происшествий1. Задача скорейшего обнаружения
1 Например, столкновения теплохода «Холмогоры» с речным буксиром-толкачом «Полярный» (19 сентября 1971 г.) и теплохода «Оленегорск» с теплоходом «Балтийск» 6 октября 1975 г. [59]. манёвра наблюдаемого судна напрямую связана с обеспечением безопасности мореплавания.
К настоящему моменту разработано большое число моделей подвижных объектов, позволяющих решать задачу слежения за их траекториями [65, 78, 83]. Модели движения, применяемые при слежении за объектом, обычно универсальны и не привязаны к особенностям движения конкретного, а не среднестатистического, объекта. Включение универсальной модели в алгоритм обнаружения нарушения, т. е. «разладки» процесса, создаёт основу для построения алгоритмов обнаружения манёвра, которые, как следствие, также не учитывают характеристические особенности движения объектов конкретного класса. Подобный подход, применяемый в настоящее время, обусловлен тем, что физические характеристики наблюдаемого объекта в условиях реального наблюдения, как правило, неизвестны. К характеристическим особенностям конструкции наблюдаемого судна относятся: размерения корабля, форма обводов корпуса, расположение центра поворотливости и центра тяжести, остойчивость и другие. При существующем подходе появляется возможность применять известный принцип «разделяй и властвуй»: вначале исследовать алгоритмы и оценивать их эффективность без привязки к классу наблюдаемых объектов, а затем применять к конкретной ситуации лучший с теоретической точки зрения алгоритм.
В отличие от первичных, физических характеристик каждого наблюдаемого судна, вторичные особенности, проявляемые при его маневрировании как косвенные признаки манёвра судов этого класса, в целом, известны. К ним, например, относятся: снижение скорости при циркуляции, крен, изменение ракурса, изменение интенсивности отражённого сигнала (вследствие изменения площади отражающей поверхности повернувшегося судна). Имеются патенты, в которых обосновывается возможность применения этой дополнительной информации для принятия решения о манёвре наблюдаемого судна. Однако алго ритмы обнаружения манёвра, использующие данную дополнительную информацию о судне, в открытых источниках не упоминаются.
В то же время естественно предположить, что задержка обнаружения манёвра судна может быть уменьшена с включением в алгоритм обнаружения манёвра некоторых специальных процедур анализа дополнительных (качественных) признаков манёвра надводных судов.
Вопрос о том, может ли учёт указанных специфических признаков манёвра в модели наблюдаемого объекта компенсировать недостаток точных количественных данных о физических и динамических характеристиках объектов и тем самым повысить скорость обнаружения манёвра, в настоящее время не изучен. Его решение представляется актуальной задачей, открывающей перспективу повышения навигационной безопасности мореплавания.
Объектом исследования являются алгоритмы обнаружения манёвра морского судна, включающие анализ косвенных, специфических признаков манёвра.
Предметом исследования выступают свойства и вычислительная эффективность алгоритмов, а также их применимость в береговых системах обеспечения безопасности судоходства. Цели и задачи работы
Цель диссертационного исследования заключается в снижении временных задержек обнаружения манёвра надводного судна посредством анализа косвенных, специфических признаков манёвра.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать модель движения судна, адекватную поставленным целям исследования и намеченным задачам опоры на фильтрацию Калмана. 2. Выполнить анализ численных методов фильтрации траекторных данных и построить алгоритм нелинейной устойчивой фильтрации координатных данных судна. 3. Разработать способ динамической настройки последовательного решающего правила в соответствии с наблюдаемыми косвенными признаками манёвра. 4. Разработать алгоритм, включающий анализ косвенных признаков манёвра и исследовать его эффективность при различных траекториях наблюдаемого судна. 5. Создать программный комплекс для проведения вычислительного эксперимента и обработки данных в режиме модельных испытаний. Методы исследования
Исследование опирается на общую методологию математического моделирования и вычислительного эксперимента. Используются методы теории вероятностей, случайных процессов и математической статистики (статистическая теория оценивания и различения гипотез), численные методы (устойчивые алгоритмы последовательного оценивания параметризованных моделей состояния) и общие методы системного анализа применительно к многомерным (multiple-input-multiple-output, MIMO) системам. В программной реализации применяются методы структурного и объектно-ориентированного программирования. Научная новизна
Сравнительный анализ эффективности устойчивых ковариационных алгоритмов
Стремление снизить опаснось столкновения с незамеченным судном или с судном, параметры курса которого оценены неверно, заставляют судоводителя вести тщательное наблюдение за окружающим морским пространством. От надлежащего несения вахты на море зависит, по существу, предупреждение морских аварий: столкновений с другими судами или посадок на мель [29]. Большое значение наблюдению за обстановкой придают и Международные правила предупреждения столкновений судов: «Каждое судно должно постоянно вести надлежащее визуальное и слуховое наблюдение, так же, как и наблюдение с помощью всех имеющихся средств, ...» (Правило 5 МППСС-72 [31]).
Оборудование современного морского судна позволяет вести несколько видов наблюдений за морской обстановкой [40]: визуальное (зрительное), слуховое, радиотехническое, радиолокационное, гидроакустическое, электрооптическое.
Визуальное наблюдение является основным видом наблюдения на флоте [40]. Визуальное наблюдение ведётся либо невооруженным глазом, либо при помощи оптических приборов. Визуально могут быть определены пеленг1 другого судна, его ракурс, расстояние до судна (при помощи дальномера [37]), направление движения, а также – по огням и знакам, выставленным в соответствии с правилами части C «Огни и знаки» МППСС-72 – элементы текущего состояния судна (нахождение на якоре, на ходу, буксировка другого судна, дноуглубительные работы, ловля рыбы и т.п.).
Слуховое наблюдение имеет важное для обнаружения опасности значение при движении в условиях плохой видимости. Кроме того, звуковые сигналы применяются при манёвроуказании, обгоне и в других случаях, предусмотренных МППСС-72.
Для обеспечения непрерывности получаемой информации на судне организуется круглосуточная служба визуально-слухового наблюдения пространства
Истинный пеленг — угол в плоскости истинного горизонта между северной частью истинного меридиана наблюдателя и направлением на ориентир (судно, объект). Пеленг измеряется в круговой системе счёта направлений от 0 до 360 [48]. является важным элементом безопасного несения ходовой вахты [31]. Требования к безопасному несению ходовой вахты приведены в главе VIII Кодекса ПДМНВ-78. Радиотехнические средства наблюдения включают радиопеленгаторы, аппаратуру связи, специальные приёмники, в т. ч. аппаратуру Автоматической Идентификационной Системы (АИС).
Радиолокационное оборудование предназначено для сканирования окружающего пространства при помощи радиоимпульсов и оценки обстановки на основе отраженных сигналов. Базовым оборудованием является радиолокационная станция (РЛС). К РЛС могут быть подключены дополнительные модули анализа обстановки, например, система автоматической радиолокационной прокладки (САРП).
Гидроакустическое наблюдение ведётся при помощи шумопеленгаторов, гидролокаторов и эхолотов. Данный вид наблюдения важен при слежении за подводными объектами.
Средства электрооптического наблюдения включают приборы, работающие в инфракрасном диапазоне, что позволяет следить за нагретыми телами.
Местоположение наблюдаемого судна с высокой точностью можно определить при помощи радиолокационных средств и АИС. Далее эти средства рассматриваются подробно.
При помощи РЛС можно с высокой точностью определить относительное положение наблюдаемого судна и навигационных ориентиров, в том числе, в условиях плохой видимости. Кроме того, РЛС может применяться при навигации в стеснённых условиях и для обнаружения опасных метеорологических явлений (тайфунов, ураганов, шквалов, снежных зарядов и т.п.). РЛС состоит из трёх основных приборов: антенны, приёмопередатчика и индикатора. Передатчик РЛС генерирует высокочастотные электромагнитные колебания, которые излучаются антенной в виде узкого луча, форму которого называют диаграммой направленности. Отразившиеся от объектов эхо-сигналы принимаются той же антенной, поступают в приёмник, усиливаются, после чего отображаются на индикаторе кругового обзора. Антенна РЛС равномерно вращается с частотой 15-40 об/мин, облучая окружающее пространство. Синхронно с антенной на экране индикатора вращается направление радиуса развёртки электронного луча, поэтому в любой момент оно совпадает с направлением излучения и приёма антенны. В результате на экране последовательно высвечиваются все окружающие объекты. Пеленг или курсовой угол на объект измеряется в результате направленного приёма эхо-сигнала антенной РЛС, а дальность определяется путём измерения промежутка времени между посылкой импульса и приёмом эхо-сигнала.
Современные судовые РЛС работают, в основном, на длинах волн 10 см и 3.2 см: на этих длинах волн наблюдается наименьшее затухание сигналов в атмосфере [15]. В стационарных, береговых системах находят применение РЛС с миллиметровыми волнами; с уменьшением длины волны растёт точность определения местоположения наблюдаемого объекта, что имеет большое значение при управлении судами в стеснённых условиях порта.
Отображение обстановки на экране РЛС может осуществляться как в относительном, так и в истинном движении. При изображении обстановки в относительном движении место своего судна неподвижно, находится в центре индикатора. При изображении обстановки в истинном движении место своего судна на индикаторе перемещается по экрану в направлении и со скоростью, которые соответствуют фактическим параметрам движения.
Изображение на экране РЛС может быть ориентировано относительно диаметральной плоскости судна («по курсу»; курсовая черта судна направлена вертикально вверх) или относительно гирокомпасного меридиана(«по норду»; курсовая черта судна направлена по линии гирокомпасного курса) [48].
Функции современных РЛС не ограничены отображением видимых целей на экране кругового обзора; все суда, оборудованные РЛС, должны обеспечивать радиолокационную прокладку на экране РЛС. Средства радиолокационной прокладки в зависимости от степени автоматизации подразделяют на электронные средства прокладки (ЭСП), средства автосопровождения (САС) и средства автоматической радиолокационной прокладки (САРП). САРП совместно с РЛС предназначены для повышения безопасности мореплавания в районах интенсивного судоходства, в сложных навигационных и метеоусловиях [15].
Косвенные признаки маневрирования курсом
Дополнительным средством сбора информации является аппаратура Автоматической идентификационной системы (АИС). Назначением АИС, устанавливаемой на судне, является приём и передача информации об опознавательном позывном судна, его типе, текущем местоположении, курсе, скорости, а также других навигационных данных, контроль и слежение за другими судами по принятым от них данным, а также обмен данными с береговыми службами. АИС применяется как судами, так и береговыми постами регулирования движения судов (ПРДС), входящими в системы управления движением судов (СУДС). Для передачи информации АИС применяется протокол SOTDMA; данные передаются через УКВ-эфир.
В соответствии с конвенцией СОЛАС 2, оборудование АИС является обязательным для судов водоизмещением свыше 300 регистровых тонн 3, совершающих международные рейсы, судов водоизмещением более 500 регистровых тонн, не совершающих международные рейсы, и всех пассажирских судов [89]. В главе 5 Конвенции указаны сроки оснащения судов аппаратурой АИС. Обязательное оснащение некоторых типов судов АИС, введенное в морское законодательство, упрощает наблюдение за такими судами, поскольку информация, полученная визуальным и радиолокационным способом, дополняется данными АИС из УКВ-эфира.
Информации, передаваемая морским судном через АИС, достаточно для идентификации и определения координат судна; точность ограничивается аппаратурой определения координат, имеющейся на самом судне, передающем данные о себе. В некоторых случаях АИС может становиться единственным средством определения координат судна (например, при отсутствии судна в пределах прямой видимости, когда применение РЛС и визуального наблюдения невозможно). Такие параметры, как текущий курс судна и скорость его изменения, при их верном измерении на самом судне будут более точными, чем полученные в результате расчётов, основанных на наблюдении за судном с помощью РЛС; соответственно, при передаче этой информации через АИС окружающие суда и береговые службы получат более точные сведения об окружающей морской обстановке.
Вместе с тем, применение АИС для передачи информации о судне может сопровождаться и ошибками, которые без дополнительных данных сложно отследить на принимающей стороне. Так, в [74] рассмотрено влияние человеческого фактора на точность передаваемых данных. Были проанализированы несколько сотен тысяч сообщений, переданных кораблями в эфир посредством аппаратуры АИС. В результате проведённого исследования выявлены случаи некорректной настройки аппаратуры АИС, сопровождавшиеся выдачей в эфир неверного идентификационного номера, названия, типа, ширины, длины, статуса корабля. В отдельных случаях передавалась некорректная информация о координатах судна. В другом исследовании [60], посвящённом применению АИС, установлено, что 80% сообщений АИС содержат ошибки или неточности.
Управление судном требует от судоводителя постоянной оценки окружающей обстановки с целью выявления опасности столкновения с другими судами.
В Международных правилах предупреждения столкновения судов (МППСС-72) вопросы оценки опасности столкновения отражены в Правиле 7 [31]. Согласно пункту (d) (i) Правила 7, «... опасность столкновения должна считаться существующей, если пеленг приближающегося судна заметно не меняется». При отсутствии изменения пеленга, измеряемого через равные промежутки времени, можно сделать вывод об опасности столкновения в случае сохранения судами прямолинейного равномерного движения. При ведении относительной прокладки (судно находится в центре маневренного планшета или экрана РЛС) линия относительного движения (ЛОД) другого судна будет проходить через начало координат или рядом с ним.
Судоводитель имеет возможность оценить опасность столкновения на ос новании расстояния между судами в момент кратчайшего сближения (кр) с другим судном. Для этого, помимо кр необходимо вычислить время кратчайшего сближения кр. Кроме того, судоводитель на основании личного опыта, геометрических размеров судна, навигационной обстановки и условий видимости может назначать заданную безопасную дистанцию расхождения зад, являющуюся минимально допустимым расстоянием в момент кратчайшего сближения, а также заданное безопасное время расхождения зад, т.е. время от момента начала наблюдения до кратчайшего сближения двух судов, за которое можно собрать и обработать информацию о ситуации сближения и выполнить эффективный манёвр расхождения. На основании соотношения кр, кр, зад и зад по отношению к наблюдаемому судну делается вывод о принадлежности судна к одному из следующих классов [33]: опасное судно — такое судно, пеленг которого не изменяется и расстояние до него уменьшается, а параметры кратчайшего сближения кр и кр меньше допустимых, заданных судоводителем значений зад и зад; потенциально опасное судно — такое судно, которое до начала манёвра для расхождения не является опасным, но становится опасным в результате изменения собственных параметров движения для расхождения с другими судами. Потенциально опасным судном может быть такое, которое опасно по линейному фактору (т.е. по расстоянию кратчайшего сближения) и неопасно по временному, в противном случае выполнять запланированный манёвр для расхождения не представляется возможным. Бывают случаи, когда судоводитель временно, на период расхождения с другими судами, намеренно превращает неопасное судно в опасное по линейному фактору; при возвращении к первоначальным параметрам это судно снова становится неопасным;
Эксперимент 1: сравнение стратегий исключения фильтра из банка фильтров
Опасность столкновения может существовать и при изменяющемся пеленге, «...в частности, при сближении с очень большим судном или буксиром или при сближении судов на малое расстояние» (Правило 7 (c) (ii) МППСС-72). Если расстояние кр невелико, пеленг будет сохраняться почти постоянным при большом расстоянии до судна; в то же время, он будет быстро меняться при малой дистанции между ними. Заметное изменение пеленга может, таким образом, быть связано с угрожающе малой дистанцией расхождения судов.
Как было сказано выше, постоянство пеленга на больших расстояниях означает опасность столкновения; такой вывод можно сделать, если исходить из предположения о прямолинейном равномерном движении сближающихся судов. Если это предположение неверно, и наблюдаемым судном предпринимается ряд последовательных небольших (почти незаметных) изменений курса, которые не были замечены, пеленг на него может измениться. Заключение о том, что наблюдаемое судно пройдёт, в зависимости от направления изменения пеленга, перед носом или за кормой собственного судна, будет необоснованным. Позднее понимание складывающейся ситуации в подобных случаях неоднократно приводило к морским происшествиям.
В дополнение к правилам МППСС-72 были разработаны несколько алгоритмов оценки опасности столкновения судов.
В [70] предлагается рассматривать область вокруг корабля, которую желательно сохранить свободной от других кораблей и неподвижных объектов.
В [68] модель области была расширена понятием «арена» (ship arena). Арена корабля представляет собой большую область, построенную с учётом расстояний до других кораблей, при достижении которых мореплаватель начинает предпринимать действия по уклонению от столкновения.
В работе [8] в процессе опасного сближения двух судов выделяют различ ные этапы, отличающиеся по свободе маневрирования. Выбор этапа основан на аналитической модели, которая может быть использована для выработки рекомендаций по предупреждению столкновений на судах в море.
В [53] множество опасно сближающихся судов представлено в виде динамической системы, которая может находиться в нескольких системных состояниях. Наличие и степень опасности столкновения пары судов формализуется понятием ситуационного возмущения, природа которого заключена в прогнозируемом попадании судов в область недопустимых положений.
В работе [34] предлагается использовать новый способ оценки опасности столкновения путём сравнения курсового угла другого судна и его курсового угла линии относительного движения.
В работе [56] судно в море предложено представлять в виде круга, радиус которого равен половине максимальной длины судна с центром на пересечении миделя и диаметральной плоскости (ДП), и производить пересчёт координат приёмной спутниковой антенны на координаты центра тяжести. Для повышения точности расчёта предложено рассчитывать курсовой угол судна, курсовой угол ЛОД, дистанцию и время кратчайшего сближения двумя способами – с использованием БРЛС и АИС судов; также предлагается использовать блок оценки точности результатов и согласования результатов по точности. При назначении зад и выдаче рекомендаций для расхождения судов предлагается учитывать максимальную длину судов, инструментальные радиальные средние квадратические погрешности определения места в АИС и унаследованные погрешности расчёта кратчайшего сближения.
Службы управления движением судов (СУДС, англ. VTS — Vessel Trafc Service) способствуют безопасности человеческой жизни на море, безопасности и эффективности судовождения и защите морской окружающей среды приле гающих береговых районов, мест проведения работ и морских сооружений от возможного неблагоприятного воздействия морского судоходства. Договаривающиеся правительства прибрежных государств обязуются учреждать Службы управления движением судов там, где, по их мнению, интенсивность судоходства или степень опасности оправдывают наличие таких служб [89].
Технической основой первых береговых комплексов служили обычные серийные судовые РЛС. Первая СУДС (Ливерпуль, 1948 г.) состояла из судовой РЛС «Декка» и аппаратуры УКВ радиосвязи. Эта система предназначалась для обслуживания паромов и крупных судов в плохую видимость, помощи в проведении спасательных операций, а также сбора навигационной, метеорологической и другой важной для навигации информации. Такие системы, состоящие из судовых РЛС, аппаратуры УКВ радиосвязи и вспомогательного оборудования, относятся к системам первого поколения. СУДС второго поколения содержали специализированные береговые РЛС, имевшие по сравнению с судовыми РЛС ряд усовершенствований: выносные и секторные индикаторы, блок формирования электронных меток, с помощью которого на радиолокационном индикаторе индицировалась дополнительная информация. Часто СУДС второго поколения имели структуру «радарных цепочек», когда система состоит из нескольких постов, оснащённых береговыми РЛС. Обслуживание судов первой СУДС второго поколения (Новый Водный путь на подходах к Роттердаму, 1956 г.) в режиме радиолокационной проводки выполнялось последовательно, радиолокационные посты как бы передавали суда друг другу. Внедрение этой системы привело к существенному уменьшению навигационной аварийности: при увеличении интенсивности движения в два раза количество столкновений уменьшилось в четыре раза [32].
