Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие автоматизированных информационных идентификационных систем обеспечения безопасности судна в границах портовых акваторий 15
1.1. Общая характеристика АИС, цели и задачи системы... 15
1.2. Использование АИС, в целях обеспечения безопасности плавания и стоянки судна в границах портовых акваторий 16
1.3. Интеграция АИС с системами спутниковой навигации (СНС) и с системами управления движения судов (СУДС) в целях обеспечения безопасности мореплавания в границах портовых вод
1.3.1. Построение систем управления и контроля движения судна с использованием радиоканалов АИС 21
1.3.2. Стохастическая модель функционирования системы управления судном 24
1.3.3. Формирование программного дискретно-линейного маршрута судна 26
1.3.4. Инновация с учетом АИС метода динамического программирования траектории судна при маневрировании на акватории
порта 28
Глава 2. Анализ проблемы обеспечения безопасной стоянки судов в порту Новороссийск 33
Глава 3. Специфика синоптических процессов, характерных для Новороссийской бухты з
3.1. Орография района Новороссийской бухты и формирование сильных северо-восточных ветров 42
3.2. Южные штормы и условия возникновения сильного волнения в Новороссийской бухте 43
3.3. Гидрологическое районирование Новороссийской бухты и исследуемые причалы 44
3.4. Статистика штормовой активности в районе Новороссийской бухты 49
Глава 4. Примеры аварий, происшедших с судами в порту Новороссийск, по причине недооценки гидрометеоусловий стоянки 57
4.1. Характерные аварии при действии боры 57
4.2. Характерные аварии при действии южных штормов... 60
Глава 5. Построение целевой функции опасности стоянки судна у причала в штормовых условиях 67
5.1. Общая постановка задачи 68
5.2. Факторы, влияющие на функцию опасности
5.2.1. Факторы опасности при действии южных штормов 72
5.2.2. Факторы опасности при действии сильных северо-восточных ветров (боры) 78
5.2.3. Нормирование выбранных факторов
5.3. Принципы построения функции опасности 81
5.4. Класс математической модели 83
5.4.1. Расчет моделей М2, МЗ, М4 для построения функции опасности стоянки судна у причала при действии южного шторма 86
5.4.1.1. Характеристика скорости увеличения опасности (южные штормы) 90
5.4.2. Корреляционная зависимость моделей М2, МЗ, М4 с натурными наблюдениями 94
5.4.3. Расчет моделей М2, МЗ и М4 для построения функции опасности 97
5.5. Сравнительный анализ моделей Ма с учетом вариации парусности стоящего у причала судна. 101
Заключение 108
Список использованных источников 113
- Построение систем управления и контроля движения судна с использованием радиоканалов АИС
- Орография района Новороссийской бухты и формирование сильных северо-восточных ветров
- Характерные аварии при действии южных штормов...
- Факторы опасности при действии сильных северо-восточных ветров (боры)
Построение систем управления и контроля движения судна с использованием радиоканалов АИС
Для порта Новороссийск операционные зоны использования АИС представлены на рисунке 1.1. Зона действия Новороссийского ЦУДС охватывает акваторию Новороссийской бухты радиусом до 7 миль от района входа в бухту, и приблизительно на расстоянии 1000 - 1200 метров от входа в ворота порта судно, идущее в порт, выходит из операционной зоны контроля ЦУДС (Рис. 1.2.).
Участок внутренней акватории порта в силу ряда технических причин не обслуживается ЦУДС, и маневрирование судна на этом участке осуществляется только на основании опыта лоцмана и капитана судна.
Применение АИС для контроля за состоянием судна при его маневрировании и стоянке у причального сооружения в порту, в зоне не обсуживаемой СУДС, является более совершенным подходом к обеспечению безопасности мореплавания[24, 109].
Причем в аспекте применения АИС её функциональные возможности необходимо расширить с тем, чтобы обеспечить работу в условиях нахождения судна в портовых водах, на якорной стоянке, у выносного причального устройства (ВПУ) или у традиционного причального сооружения [36].
Внутренняя акватория порта, не обслуживаемая СУДС. Новая сфера использования АИС предполагает организацию контроля безопасности плавания и состояния судна на более высоком уровне, что согласуется с Резолюциями ИМО, предусматривающими создание паспортов безопасности для каждого причала, в которых будет отражен ряд аспектов и мер по обеспечению эффективного взаимодействия администрации судна с органами власти (портовыми властями), направленного на обеспечение безопасной работы причала в обычных условиях, а также в условиях возникновения чрезвычайных ситуаций [109, 112].
Часть информационной базы такого взаимодействия будут обеспечивать новые технологии использования АИС.
К июлю 2004 года планируется принятие и ввод в действие Кодекса безопасности морского порта, в формирование которого уже в настоящее время вовлечены различные портовые службы, службы морской безопасности и органы исполнительной власти, которые также будут являться потребителями информации, транслируемой транспондерами АИС в новых операционных зонах работы АИС - в портовых водах [24, 132].
Согласно нынешней редакции концепции по внедрению АИС на морском флоте существуют определенное ограничение по использованию АИС (на ряду с другими радионавигационными системами) после ошвартовки судна у причального сооружения и во время стоянки, когда транспондер АИС должен быть выключен [100]. Вместе с тем, необходимость продолжения контроля за состоянием судна остается.
С использованием АИС во время стоянки судна в порту могут быть решены задачи обеспечения безопасности состояния судна и портовых объектов путем транслирования параметров швартовной системы, гидрологического и ветрового режима у причала, перегрузочных работ (количество принятого на борт груза), факторов обледенения и пр. Некоторые из указанных информационных элементов настоящее время контролируются экипажем судна и стивидорами (или не контролируются вообще). Например, в порту Новороссийск информация о судах, производящих грузовые операции по перевалке опасного груза, аккумулируется соответствующей диспетчерской службой МАПН 1 раз в сутки [132]. Такая дискретность во времени сбора информации при большой мощности перегрузочного оборудования и высокой интенсивности погрузки-выгрузки не может считаться достаточной для надлежащего контроля за безопасность состояния судна.
В настоящей работе предлагается использование транспондеров АИС в том числе в процессе стоянки судна при введении соответствующего регламента передачи данных для соблюдения безопасности интересов РФ.
Схемы регулирования строятся на принципах различного рода ограничений операционных зон следования судна в пределах портовых акваторий (заданная ширина полосы следования, максимальная и минимальная скорости движения, рекомендованные курсы, радиусы поворота и пр.), т.е. задаются пространственные, временные и статутные границы я-мерных массивов (областей) параметров опасного состояния судна.
На современном уровне развития электронной картографии не составляет принципиальных трудностей индицировать пространственно временные границы операционных зон маневрирования и стоянки судна. Но вопрос по безопасности его статутного состояния остается не решенным. Иными словами, ни СНС, ни СУДС не могут, например, формировать информационные пакеты о степени опасности состояния судна из-за наличия на его борту опасного груза [108, 112], влияния экстремальных гидрометеофакторов, объективной и субъективной возможности судна совершить предусмотренный правилами регулирования маневр и т.п., а дополнительный учет этой информации может существенно скорректировать установленные пространственно-временные области маневрирования, контроль за движением в которых в настоящее время осуществляется с помощью СНС и СУДС.
Развертывание систем дифференциальной коррекции параметров положения и движения судна с применением транспондеров АИС [115] позволяет определять координаты судна с субметровой точностью, при разнесении транспондеров в нос и в корму судна, получать информацию о вращательном движении, что особенно важно при проведении швартовных операций с крупнотоннажными судами.
Интеграция СНС, СУДС и АИС формирует качественно новый уровень управления движением судна по программам, включающим несколько этапов маневрирования от исходной точки до места стоянки у причального сооружения (или в обратной последовательности). Для контроля состояния агрегатов и систем маневрирующего судна предлагается использовать специальный радиоканал АИС. Как оценка и контроль, так и управление судном осуществляется либо автоматически, либо непосредственно оператором (лоцманом, капитаном, диспетчером СУДС), либо аппаратурно и при участии оператора (Рис. 1.3.) [87].
Орография района Новороссийской бухты и формирование сильных северо-восточных ветров
В изучении поставленной проблемы можно выделить по крайней мере два основных направления исследований, которые в той или иной степени отличаются по постановке задачи, по определению и конкретизации объекта исследований и по методам оценки полученных результатов и выработке рекомендаций.
Первое направление косвенно затрагивает проблему обеспечения безопасности стоянки судов во время действия экстремальных погодных условий. Это целый ряд работ по изучению особых погодных явлений, наблюдающихся в Новороссийской бухте с точки зрения метеорологии и гидрологии. Одной из основных целей этих работ является совершенствование методов прогнозирования экстремальных параметров гидрометеофакторов, и посредством более точного прогноза, выработка рекомендаций по обеспечению безопасности стоянки судов.
В работе И. Лыткиной «Особенности распространения боры в Новороссийской бухте» рассматриваются условия формирования боры и условия ее распространения в Новороссийскую бухту. Автор выделяет пять основных режимов формирования боры [64], и описывает характер движения воздушных масс с учетом орографии района. В работе приводится анализ влияния рельефа на скорость распространения боры в различных пунктах Новороссийской бухты. Выделяются следующие 4 района: нефтегавань Шесхарис, район судоремонтного завода, Маркотхская балка (центральный район порта), район Малой земли [27, 73].
По выбранным районам бухты производится сопоставление скоростей ветра по градациям с показаниями, зафиксированными на опорной метеостанции «Маркотхская». На основе данных наблюдений составлены таблицы соотношений скоростей ветра по градациям на метеостанции и по каждому из вышеуказанных районов. Таблицами можно пользоваться при составлении прогнозов по районам. Автор упоминает о неодинаковом воздействии боры на причалы порта. Вводится выражение «степень опасности причала» [64], как некая характеристика, зависящая от первоначальной скорости боры, а также от характера расположения пирсов по отношению к генеральному направлению северо-восточного потока. Упоминается, что степень опасности причалов зависит также от того, каким наветренным или подветренным является причал по отношению к потоку боры, а также то, что в результате воздействия боры на грузовые причалы морского порта некоторые из них являются опасными для стоянки судов.
Здесь следует отметить, что достаточно обобщенное районирование Цемесской бухты в данном исследовании не позволяет конкретизировать параметры ветрового воздействия во время боры по отдельным причалам Новороссийского порта. Также не указывается, какие именно причалы являются «опасными», в какой степени и при каких внешних условиях [93].
Другая работа автора «Прогноз максимальной скорости новороссийской боры» касается возникновения боры, как следствия образования значительных барических и термических градиентов, результатом которых является большая скорость возникающего северо-восточного воздушного потока [61]. Устанавливается зависимость максимальной скорости боры от величины барического и термического градиентов [71]. Работа имеет обобщающий характер и дает рекомендации по прогнозированию максимальной скорости боры в целом для порта Новороссийск без указания конкретных районов, что затрудняет применение данного исследования в практических целях для повышения безопасности стоянки судов у конкретных причалов.
Работа В. Заборщикова «Расчеты средних значений параметров ветровых волн в Новороссийской бухте» содержит анализ ветрового волнения в бухте в направлении каждого из восьми румбов по пяти основным параметрам ветровых волн: направлению волнения, длине разгона, средней высоте волн, среднему периоду волн и средней длине волны [33, 121, 122]. Хотя волнение приобретает наиболее опасный характер именно для судов, ошвартованных у причальных сооружений и менее опасно для судов на рейде или на подходах к порту, автор предлагает следующую схему районирования Новороссийской бухты для снятия показаний параметров волнения: точка в центральной части входа в бухту, район Суджукского буя, голова оградительного мола Шесхарис, голова металлического пирса, Центральная часть нефтегавани Шесхарис, траверз мыса Любви, точка против входа в ворота порта. Работа предполагается к использованию в качестве пособия для прогноза волнения в различных районах бухты, но прогнозировать волнение с помощью приведенных в работе таблиц у отдельных причалов порта затруднительно из-за сложного характера расположения причалов, их различной ориентации к направлению волнения, различной глубины у причалов, а также наличия ряда искусственных сооружений, меняющих характер и параметры волнения.
Другая работа И. Лыткиной «Южные штормы в Керчь-Туапсинском районе» посвящена вопросам изучения ветра и синоптических условий развития южных штормов. Приводятся обширные статистические данные по скорости ветров по градациям во время южных штормов на Черном море в зависимости от типа порождающего циклона. Здесь автор принимает районирование по основным пунктам Черноморского побережья. Конкретно по портам Анапа, Новороссийск, Геленджик и Туапсе [63]. Приведенный материал показывает закономерность в зависимости распределения скоростей ветра от величины барического градиента и от угла набегания воздушного потока на Кавказский хребет, но в работе не приводятся данные по отдельным районам портов с учетом конфигурации и расположения волноломов и других оградительных сооружений, влияющих на общую схему распространения волновых процессов в бухтах, на подходах к портам и на рейдах. По этой причине усложняется выработка конкретных рекомендаций для судоводителей и операторов портов на период действия южных штормов.
Характерные аварии при действии южных штормов...
Факторы, участвующие в построении функции опасности стоянки судна у причала при действии ветра северо-восточного направления согласно экспертных оценок и анализа аварийности распределились в порядке убывания значимости следующим образом.
Первым выбран фактор, зависящий от угла ориентации причала по отношению к генеральному направлению северо-восточного потока (табл. 1, Такой выбор обоснован прежде всего анализом распределения аварий с судами в Новороссийском порту при действии боры. Самый распространенный вид аварий при данном погодном явлении - это отрыв судна от причала, что напрямую зависит от курсового угла ветра, действующего на ошвартованное судно. Самыми опасными для стоянки судов при боре оказались причалы с ориентацией близкой к 90 к направлению действия ветра. 2. Вторым фактором, влияющим на рост функции опасности стоянки судна у і-го причала выбрана нагрузка Nt от навала судна на і-й причал под действием ветра (для наветренных причалов), и нагрузка Nt от натяжения швартовов под действием ветра [83, 84] (для подветренных причалов) (табл. 2, Приложение 7) 3. Следующими по значимости факторами, определяющими рост функции опасности стоянки судна приняты гидрологические параметры волнения у г -го причала, как функции от скорости северо-восточного ветра: fn \р) - Н\ \р) - средняя высота ветровых волн (табл. 3, Приложение 7). 4. fl4 (и) = т в (и) - средний период ветровых волн (табл. 4, Приложение 7). 5. f.s(u) = %e(u) - средняя длина ветровых волн (табл. 5, Приложение 7). 6. Шестым фактором выбран фактор возможного обледенения судна у i го причала (табл. 6, Приложение 7) При температуре воздуха t 0 значение фактора обледенения равно нулю у всех причалов порта. При отрицательной температуре воздуха во время действия сильных северо-восточных ветров, согласно экспертных оценок, натурных наблюдений и анализа аварий и аварийных случаев с судами у причалов порта были выделены отдельные причалы, у которых влияние данного фактора особенным образом ужесточало действие боры на ошвартованное у причала судно.
К таким причалам были отнесены причал № 1 Геопорта, для которого fi6{o) принимается равным единице, все причалы каботажного мола (Морвокзала), для которых /6(о)=0.8, причалы № 29, 30 лесной пристани и причал № 27 пирса № 5, для которых fi6(o) = 0.7. На возможность обледенения судна, стоящего у причала, оказывает влияние открытость причала действию северо-восточного ветра, небольшая ширина пирса, по причине чего волны, бьющие в подветренную сторону кардона причала, перехлестывают через пирс, а также удаленность расположения причала от восточной стороны бухты, что обеспечивает достаточный разгон волн. 7. Иногда случаи аварий с отрывом судов от подветренных причалов усугублялись ущербом от навала оторванных судов на другие суда. Такие случаи оказывались возможными с судами, ошвартованными у причалов в бассейнах между пирсами.
Судно, оторванное от причала в глубине бассейна, практически не имеет возможности отработать машиной из-за узкости части акватории между пирсами и в результате ветрового дрейфа наваливает на суда, стоящие у противоположной наветренной стороны соседнего пирса.
Учитывая не редкость подобных аварий для соответствующей группы причалов был введен дополнительный фактор, учитывающий именно эту опасность стоянки у г -го причала. Этот фактор получил название сектора опасного дрейфа судна под действием ветра в случае отрыва судна от подветренного причала, а характеризуется он площадью данного сектора (табл. 7, Приложение 7). Пример определения площади сектора опасного дрейфа показан нарис. 5.1. f,M=S e. 8. Следующими факторами были выбраны расчетные параметры судна, под которые проектировался z -й причал, согласно техническому паспорту причала. f.s (р) = L - расчетная длина судна (табл. 8, Приложение 7). 9. fl9 (р) — d - расчетная осадка судна (табл. 9, Приложение 7). 10. Десятым по значимости фактором принято количество швартовных тумб на 1 метр кордона, приведенное к 1 метру расчетной длины судна для г-го причала (табл. 10, Приложение 7) Из рассмотренных факторов факторы fu, fi6, fi7, fi8, fi9 и/і10 зависят только от параметров и характеристик причала и судна и не зависят от значения величины о. Общее количество факторов для ветров обоих генеральных направлений принято одинаковым и равно п/= 10.
Факторы опасности при действии сильных северо-восточных ветров (боры)
Одним из важных практических показателей характера функции опасности следует считать скорость увеличения опасности (нарастание опасности) [38]. Ввод такого показателя позволит судоводителю и оператору порта иметь информацию о тенденции развития «опасности» данного причала для стоянки судна при усилении ветра.
В качестве характеристики скорости увеличения опасности (нарастания опасности) с изменением значения скорости ветра и будем рассматривать разностные отношения: к А а = Ок+1 Ок ч+1-ч (5.17) где: к =1,4 - номер промежутка заданных значений о. Геометрический смысл этого показателя заключается в следующем. Соединив на графике точки Мk\vk,gka),k =1,5 последовательно отрезками, получим ломаную линию, состоящую из четырех звеньев (отрезков) (Рис. 5.8). Величина А",к =1,4 равна угловому коэффициенту уравнения прямой, содержащей к-ьт отрезок ломаной. Рис. 5.8. Пример сглаживания дискретной функции. При сглаживании дискретной функции gf получается непрерывная функция gia(v), для графика которой каждый из отрезков МкМк+1 является хордой, стягивающей точки М\ и Мк+1 графика у =gia(v). Считая функцию gia(o) дифференцируемой на промежутке [vk,ok+l\k -1,4
в качестве среднего значения производной [g a(f)j на этом промежутке возьмем величину А". Физический смысл этой величины - средняя скорость роста функции опасности.
В таблице 5.5 приводятся значения разностных отношений для модели Мз, а визуально эти данные представлены на рис. 5.9 диаграммы «Скорость роста функции опасности стоянки судна у причала при действии южного шторма» (для района нефтегавани Шесхарис). Значения разностных отношений для модели Мз , рассчитанные для 46 причалов порта даны в таблице 1 (Приложение 10).
Анализируя результаты произведенных расчетов, можно сделать вывод о том, что рост критерия опасности стоянки судов у различных причалов даже в пределах одного района неодинаков.
Иными словами на начальный момент, соответствующий, например, моменту объявления штормового предупреждения по порту, величина КОСС у одного причала несколько выше, чем у другого, но с усилением ветра, в силу различия факторов, влияющих на функцию опасности для различных причалов, КОСС у второго причала растет быстрее и в определенный момент превышает значение первого.
Применение такого показателя функции опасности на практике, например, оператором порта, позволит ему реально оценивать опасность состояния судов, стоящих у причалов на определенный прогноз скорости ветра, а также в принятии решений об очередности отвода судов от причалов в условиях усиления шторма.
Поскольку соответствующие разделы обязательных постановлений по порту МАПН составлены не на основе научных расчетов, а главным образом из опыта последствий аварий и аварийных случаев, произошедших с судами, стоящими у причалов порта Новороссийск в период действия южных штормов или боры, то очевидно, что вышеуказанные данные о степени опасности некоторых причалов можно считать результатами натурных наблюдений. Таким образом, если Обязательные постановления предписывают капитану судна, стоящего у какого-либо причала при неблагоприятном прогнозе погоды немедленно отойти от причала и штормовать на рейде, то нормированная оценка опасности такого причала принимается равной
Если капитану судна, стоящего у какого-либо причала, предписывается значительно усилить схему швартовки с принятием на борт береговых бриделей или заводом на береговые швартовные тумбы якорь-цепей, то нормированная оценка принимается равной 0.667.
Если же в случае неблагоприятного прогноза капитану судна предписано усилить схему швартовки путем заводки дополнительных швартовных тросов, то нормированная оценка опасности причала принимается равной 0.333.
Все нормированные значения экспертных оценок уі,і=і,п для функции опасности приведены в таблицах 5.42, 5.43, 5.44 в столбце «экспертные оценки». Эти таблицы содержат также данные для функции опасности g " для случаев а = 2,а = 3,а=4 соответственно. При каждом заданном значении vk,k=l,5 скорости ветра и при фиксированном значении а получаем набор значений g1",i =],п . Для удобства дальнейших выкладок обозначим xi=gf,i=l,n, yL -нормированные экспертные значения, где і - номер причала. Для нахождения характеристики зависимости между случайными величинами X и Y, принявшими в результате п опытов пары значений (х,,у,),...,(хп,уп) , методом наименьших квадратов подбираем линейную зависимость Хот 7 вида:
Для определения коэффициента с методом наименьших квадратов приравниваем нулю частную производную по с от суммы квадратов ошибок во всех экспериментальных точках (причалах) называется векторной ковариацией величин X и Y и является числовой характеристикой совместного распределения двух случайных величин. За меру зависимости между X и 7 принимаем безразмерную величину называемую выборочным коэффициентом корреляции величин Х и Y, где Gx =-W y =-\/ 7 - среднеквадратичные отклонения величиной Y. Корреляционный анализ дает возможность установить, ассоциированы ли наборы данных { ,.} и \у .},і=і,п по величине [118]. То есть большие значения из одного набора данных связаны с большими значениями другого набора (положительная корреляция), или наоборот, меньшие значения одного набора связаны с большими значениями другого набора (отрицательная корреляция), или данные двух наборов никак не связаны (корреляция близка к нулю).
