Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ экстремальных ситуаций аварийности судов и постановка задачи исследований 12
1.1. Аварии и катастрофы с внезапным обнаружением угрозы столкновения судов 12
1.2. Анализ причин внезапности угрозы столкновения судов 15
1.3. Возможности АИС и постановка задачи исследований 19
2. Разработка математических моделей маневра последнего момента 26
2.1. Математическая модель маневра последнего момента уступающего дорогу судна 26
2.2. Математическая модель маневра последнего момента привилегированного судна 32
2.3. Математическая модель маневра последнего момента обоих судов 35
2.4. Математическая модель маневра последнего момента при встречном движении судов 38
2.5. Экспериментальная проверка математических моделей маневров 41
3. Оптимизация маневра скоростью и структура судовой навигациоено-информационной сети для расчета параметров движения судна 48
3.1. Аналитические зависимости маневра скоростью 48
3.2. Прогноз развития ситуации при маневре скоростью 54
3.3. Методика контроля маневров и структура судовой навигационно-информационной сети для расчета текущих параметров движения судна з
4. Расчет текущрїх параметров движения судна в судовой навигационно-информационной сети 66
4.1. Линейная база ПИ СНС как составная часть судовой навигационно-информационной сети и ее возможности 66
4.2. Расчет текущих параметров движения судна в судовой навигационно-информационной сети 69
4.3. Расчет элементов маневров в судовой навигационно-информационной сети 73
4.4. Расчет истинного курса, инерционной девиации и поправки гирокомпаса 81
5. Оценка интервала и шага траекторных измерений в аис и особенности прогноза траекторий движения судов 84
5.1. Методика выбора интервала и шага обсерваций по СНС для построения траектории движения судов 84
5.2. Прогноз траектории движения судна для расчета параметров его движения 89
5.3. Замечания и рекомендации по воспроизведению траекторий судов 95
Заключение 97
Литература
- Анализ причин внезапности угрозы столкновения судов
- Математическая модель маневра последнего момента привилегированного судна
- Прогноз развития ситуации при маневре скоростью
- Расчет текущих параметров движения судна в судовой навигационно-информационной сети
Анализ причин внезапности угрозы столкновения судов
В литературе отсутствует четкое определение термина «маневр последнего момента» или «маневр последних мгновений», хотя он хорошо известен судоводителям. Под этим термином следует понимать маневрирование, направленное на предотвращение столкновений судов, как правило, неожиданно определенной визуально угрозы столкновения на малых расстояниях между ними (0,5-МЗ,6 мор. миль), когда на обдумывание или решение задачи нет времени и нужно действовать мгновенно, применяя как правило «сильные» маневры: «лево или право на борт» или «полный задний ход». Именно в этом состоит смысл «маневра последнего момента». Однако в частных случаях маневр может быть и не «сильным», а с ограниченной перекладкой руля. В этом случае маневр последнего момента характеризуется лишь его немедленным выполнением.
Исследования причин столкновений судов [53,55,57,69,70,71,77,95,108] показывают, что наиболее тяжелые аварии в прошедшем столетии происходили, когда капитаны при внезапном обнаружении угрозы столкновения на близком расстоянии между судами применяли «маневр последних мгновений» путем реверсирования двигателя с перекладкой руля на борт.
В 1902 г. при зарыскивании крейсера «Хаук» в Атлантическом океане при обгоне в сторону пассажирского лайнера «Олимпик» на крейсере был дан ход назад. Столкновение унесло десятки человеческих жизней. 14 апреля 1912 г. в районе Северной Атлантики в 23 ч 40 мин вахтенный помощник капитана «Титаник» услышал крик вперед смотрящего: «Впереди по носу айсберг, сэр!»[46]. Увидев айсберг на расстоянии 0,5 мор. мили, вахтенный помощник «Титаника» дал команду «лево на борт», и через пару секунд ручки машинного телеграфа были поставлены в положение «стоп» и затем «полный задний ход». Последствия примененного маневра последних мгновений «лево на борт - полный задний ход» хорошо известны. В результате катастрофы погибло 1503 человека.
Английский профессор К. Барбари в книге «Некоторые морские катастрофы и их причины», вышедшей в Лондоне в 1968г., на основании качественного анализа приходит к выводу: «Команда «лево борт» была правильной. Однако команда «среверсировать двигатели» уменьшила активность руля и задержала необходимый поворот».
Попав в полосу густого тумана, пассажирский лайнер «Эмпрес оф Айрленд» [46] после выхода из порта Квебек на реке Святого Лаврентия в 23.00 28 мая 1914 г. совершенно неожиданно обнаружил нос большого судна. Капитан лайнера дал команду «полный задний ход». Произошло столкновение с норвежским углевозом «Стурстад». В результате столкновения лайнер затонул, погибло 1014 человек.
При появлении угрозы столкновения судов судоводители теплоходов «Адмирал Макаров» и т/х «Москвич-85» на Чебоксарском рейде 10 октября 1969 г. применили маневр торможения. От столкновения т/х «Москвич-85» затонул, погибло 65 пассажиров.
Следуя в густом тумане на подходе к проливу Гибралтар, капитан танкера «Таллин» в 09 ч 30 мин 27 мая 1975 года увидел прямо по носу на расстоянии около 0,5 мор. мили бурун, а затем силуэт встречного судна, оказавшийся югославским теплоходом «Београд». На танкере переложили руль на правый борт, дали «стоп» и «полный назад». Произошло столкновение судов. Повреждения судов были столь значительными, что восстановление «Таллина» было признано нецелесообразным.
На Волго-Балтийском канале в 1976 г. при появлении угрозы столкновения на расстоянии 0,5 мор. мили из-за отказа рулевого устройства на груженном нефтью танкере «Волгонефть» дали машинам задний ход. На встречном сухогрузе «Профессор Керичев» сделали то же самое. При столкновении на палубу сухогруза вылилось около 200 тонн горящей нефти. Сухогруз сгорел (не подлежал восстановлению), в огне погиб весь экипаж.
13 мая 1979 года при плавании в густом тумане на паротурбоходе «Фредерик Томи Кюри» в 06 ч 10 мин услышали туманный сигнал справа по носу. Немедленно была дана команда «полный назад». Через минуту на курсовом угле 70 в дистанции около 3 кб визуально обнаружили судно, идущее на пересечение курса. Это был, танкер «Тбилиси», который, обнаружив встречное судно, застопорил машину и дал полный задний ход. Руль был переложен на левый борт. В 06 ч 12 мин суда столкнулись, получив серьезные повреждения.
3 ноября 1979 г. в Персидском заливе греческое судно «Эолиан Скей» следовало с грузом ядовитых веществ в густом тумане. Радиолокатор неожиданно вышел из строя. Капитан снизил скорость до малого хода. На голландском эсминце, следовавшем со скоростью более 30 уз, капитан с помощью РЛС определил, что встречное судно проходит на расстоянии 3 кб. Услышав звуковой сигнал, капитан греческого судна сделал поворот влево и оказался на курсе эсминца. Обнаружив угрозу столкновения, на эсминце дали полный задний ход. В результате столкновения «Эолиан Скей» затонул.
31 августа 1986 года в 23 ч 09 мин после выхода из порта Новороссийск капитан танкера «Петр Васев», визуально обнаружив угрозу столкновения с идущим на пересечение курса п/х «Адмирал Нахимов» на расстоянии между судами 0,6 мор. мили, дал команду «полный ход назад» и за минуту до столкновения переложил руль на правый борт. В результате столкновения, происшедшего в 23 ч 12 мин, пароход «Адмирал Нахимов» затонул. Катастрофа унесла жизни более 400 человек.
Математическая модель маневра последнего момента привилегированного судна
Здесь интегралы означают изменения координат х и у на циркуляции маневрирующего судна Б. Закон изменения скорости определяется выражением [59] l + e R ( _6 V(t) = 0,5V0 где: VQ- начальная скорость; Ro - радиус циркуляции. В выражениях (2.2), (2.3) обозначены: p(t) = (Or ( v t\ t + Te т J изменение угла поворота судна [93,98,100,101], где: со 0- установившаяся угловая скорость на циркуляции; _t_ p{t) = р0[ 1-е ) - изменение угла дрейфа (Т- постоянная судна, а А)- Угол Дрейфа при установившейся циркуляции).
Зная закон изменения координат при маневре (2.2) и (2.3), можно определить закон изменения расстояния между судами Д(ї) через разности координат судов А и Б Дх(ґ)и Ду(0 Д(0 = VM0r+[4K0r (2.4) Координаты маневрирующего судна в неподвижной системе координат в развернутом виде определяются с помощью следующих выражений [59] ( -Л ( -Л" xb{t)=J0.5Vb о Уь( )=)о-5Уь о l + e ґ -6 Ro -6 J Ro l + e V cos sm Щ co0 t + TeT J -Л t + TeT Л) Pi l-eT V J l-eT dt dt. зо Координаты судна-цели равны xa{t)=VatcosQ ya{thVatsmQ. Обозначив текущее значение дистанции между судами для данного маневра Д1(і), после подстановки х, у получим Д1(0= л/k +xa{t)-Xb{tf +\у0 -ya(t)-yb(tf . (2.5) Выражение (2.5) является рабочей формулой для прогноза текущей дистанции. Значения xa(t), ya(t), Xb(f), yb(t) в (2.5) определяются предшествующими выражениями.
Проверка предлагаемой математической модели производилась для следующей ситуации. В качестве маневрирующего судна принят танкер водоизмещением 180 000 т [10,16,17]. Дистанция между судами, с которой начался маневр последнего момента, равна 1400м. Начальная скорость варьировалась от 4 уз до 20 уз при постоянной начальной разности курсов судов, равной 60. Время маневра изменялось от 0 до 300 с. Динамика расхождения судов по модели (2.5) иллюстрируется графиками, представленными на рис. 2.3, 2.4. На рис. 2.3 показан график для определения дистанции между судами при дистанции начала маневра между судами, равной 1400 метрам, постоянной скорости судов 6 м/с (12уз.) и ракурсе цели, изменяющемся от 10 до 100. На рис. 2.4 показан график для определения дистанции между судами при Д0 = 1400 метров, ракурсе цели 0=60 и изменяющейся скорости от 2 до 10 м/с (4- 20уз.).
Пользование графиками покажем на примере. Определим дистанцию кратчайшего сближения при начальной скорости 6 м/с « 12 уз. На рис. 2.3 при начальной дистанции между судами в начале маневра, равной 1400м, дистанция между судами составляет более 300м. Эта дистанция и определяет нижнюю границу для крупнотоннажных судов для маневра последнего момента. 300 Q, град 100-r Рис. 2.3 График для определения дистанции между судами при маневре уступающего дорогу судна при До =1400 м в зависимости от разности курсов
График для определения дистанции между судами при маневре уступающего дорогу судна при До= 1400м в зависимости от скорости 2.2. Математическая модель маневра последнего момента привилегированного судна
В практике возможны случаи, когда судно, уступающее дорогу, из-за несвоевременного обнаружения встречного судна (сон на вахте и др.) не маневрирует. Возникает вопрос, когда должно начать маневр последнего момента судно, которому должны уступать дорогу, но не уступают.
Геометрическая сущность маневра последнего момента привилегированного судна иллюстрируется на рис. 2.5. А и Б - положение судов в момент начала маневра судна Б; 1,2,3,4,5,6 - положение судов в равные моменты времени; Do- дистанция начала маневра. Координаты маневрирующего привилегированного судна в отношении неподвижной системы координат x(t), y(f) в развернутом виде определяются с помощью следующих выражений [59]
Координаты неманеврирующего судна Б равны xb{ )=Vbt Обозначив текущее значение дистанции между судами для данного маневра Д 2(t), после подстановки в (2.4) х, у получим Д2{г)= {[х0 +xa(t)coiQ) + ya(t)sm{Q) + xb{t)f + (2.6) + \y0+ya(t)coiQ)-xa{t)sm(Q)}2\ 2 Выражение (2.6) является рабочей формулой для прогноза текущей дистанции. Значения xa(t), ya(t), xb(t), yb(t) в (2.5) определяются предшествующими выражениями.
Динамика расхождения судов по модели (2.6) иллюстрируется графиками, представленными на рис.2.6, 2.7. На рис. 2.6 показан график для определения дистанции между судами при дистанции начала маневра между судами, равной 1400 метрам, постоянной скорости судов 6 м/с (12уз.) и ракурсе цели, изменяющемся от 10 до 100 . На рис. 2.7 показан график для определения дистанции между судами при Д0 = 1400 метров, ракурсе цели Q= 60 и изменяющейся скорости от 2 до 10 м/с (4- 20уз.). 1300
График для определения дистанции между судами при маневре привилегированного судна в зависимости от разности курсов Q График для определения дистанции между судами при маневре привилегированного судна в зависимости от скорости нашего судна при Д0=1400м Результаты исследования позволяют рекомендовать минимальную дистанцию для начала маневра привилегированного судна, равную 1400м.
В практике имеются случаи, когда одновременный маневр последнего момента выполняют оба судна. Эти случаи наблюдаются, например, при выходе из строя руля и заклинивании его на правом борту, когда второе судно начинает маневр по требованию первого (аварийного) судна (например, столкновение танкера «Герои Новороссийска» с т/х «Сигулда»).
Прогноз развития ситуации при маневре скоростью
Маневр скоростью для предупреждения столкновения судов является одним из наиболее сложных маневров для крупнотоннажных судов по двум факторам: безопасные дистанции между судами, с которых должен начинаться маневр крупнотоннажных судов, очень велики и достигают при расхождении с высокоскоростными судами 15-20 миль и более, длительность маневра от его начала до окончания расхождения может достигать 30 мин и более. Редкое применение маневра в сочетании с вышеизложенными обстоятельствами приводит при определении дистанций для начала маневра к очень большим ошибкам, достигающим 300-400 % от величин безопасных дистанций, и как результат к столкновению судов.
При расхождении крупнотоннажных судов в море одним из важных факторов для предупреждения столкновений судов является правильный выбор дистанции для начала маневра.
В соответствии с хорошей морской практикой дистанция между крупнотоннажными судами, с которой определяется наличие угрозы столкновения судов путем пеленгования встречного судна, составляет от 6 до 12 и более морских миль.
Решение проблемы состоит в создании математической модели расхождения судов и ее реализации на мостике с помощью ЭВМ.
В работе [38] дано теоретическое обоснование и разработаны практические рекомендации по выбору угла отворота при расхождении с судном, приближающимся на курсовом угле правого борта, с использованием данных САРП и созданной авторами номограммы. Рекомендации по выбору дистанций для начала маневра скоростью и вида маневра (подтормаживание, пассивное торможение, активное торможение) с помощью номограммы содержатся в работе [59].
К недостаткам решения задач расхождения с помощью номограмм следует отнести: ограниченный диапазон применения, сравнительно невысокая точность решения задачи, необходимость навыков при их использовании и др.
В настоящее время при наличии на всех крупнотоннажных судах ЭВМ и широком их использовании судоводителями для решения эксплутационных задач назрела необходимость применения вычислительной техники для решения следующих задач маневрирования: расхождение судов, разработка программ и предварительной прокладки прохода проливов, узкостей и акваторий портов с учетом динамических качеств судна. Остановимся на решении задачи с использованием ЭВМ по выбору дистанции для начала маневра скоростью уступающим дорогу судном, когда по тем или иным условиям плавания применение более эффективного маневра курсом невозможно или нецелесообразно.
К настоящему времени задача решается следующим образом. Безопасная дистанция между судами Дб, с которой следует начинать маневр скоростью, зависит от динамических качеств судна и вида маневра, разности курсов Q, скорости нашего судна V т скорости судна-цели v4 и определяется по формуле (3.1)
Определение величин vH, v4, Q не представляет затруднений. Они могут быть сняты с экрана САРП. В выражении (3.1) Q = ИКН- ИКЦ- разность между курсом нашего судна (ИКН) и курсом цели {ИКЦ), a tM- время маневра или время от начала маневра до момента пересечения курса нашего судна с судном-целью, т.е. до окончания расхождения, которое в общем случае неизвестно и его нахождение проблематично. С физической точки зрения tM- это время, за которое расстояние до точки пересечения курсов в результате маневра уменьшается на величину АД = 1 мор. миль - в прибрежном плавании или АД = 2 мор. миль - в открытом море заданной судоводителем дистанции на расхождение. Для определения tM строятся графики разности дистанций f{t) = vH-s{t), (3.2) для следующих маневров: подтормаживания (уменьшения скорости); пассивного торможения; активного торможения. В выражении (3.2): f\t)— разность дистанций между путем, пройденным нашим судном на постоянной скорости за время t, и путем, пройденным нашим судном за время tupn маневре уменьшения скорости; vH- путь, пройденный нашим судном на постоянной скорости vHза время t; S\t)- путь, пройденный нашим судном за время t при маневре скоростью. Для каждого из видов маневра функция s(t) строится следующим образом. При уменьшении скорости от VH до малого (или самого малого хода) функция s(t)=sl(t) имеет вид [27,28,87,59] s\{t) =vMt + a In VH a v —vyH yM -1 (3.3) где: vM- установившаяся скорость, до которой снижаются обороты двигателя; а - инерционный параметр, который определяется по результатам натурных испытаний судна или по формуле маневренных качеств судна а = - р (3.4) v v0 Здесь At = t2—ti - это промежуток времени (4-5 мин) от начала наблюдений t\ до их окончания, за который скорость после остановки двигателя (пассивном торможении) снизилась от v0 до v.
Расчет текущих параметров движения судна в судовой навигационно-информационной сети
Обратим внимание, что интервал траектории движения судна (5.1) (0=/i(0 Ж)=fib) практически неограничен. Построение функций (5.1) на неограниченном интервале плавания (на всем переходе) бессмысленно и невозможно. Поэтому, как отмечено в разд. 4 для аппроксимации траектории (5.1), во-первых, необходимо выбрать лишь неполную конечную часть траектории фь At; / = т, т + 1, ...п - 1, п, то есть ограничить интервал измерений Ти= п- т. (5.2) Во-вторых, известно, что точность аналитического воспроизведения дискретно заданной функции зависит от шага отсчетов Д = «- /. (5.3)
В связи с этим возникают два вопроса: каким должен быть интервал измерений Ти (5.2) и шаг отсчетов At (5.3), чтобы обеспечивалась требуемая точность ( "аналитического построения функций (5.1)?
В теории информации и в теории обработки сигналов вопрос о выборе шага решается теоремой Шеннона об отсчетах [105,106], а также теоремой Котельникова (Найквиста) [21].
Оценка шага отсчетов по Шеннону состоит в следующем. Если Сдтах-граничное значение частоты (О, при котором Фурье-образ F\p) 0, сигнал f[t) поддается точному восстановлению по выборочным отсчетам ft при шаге, отвечающем условию At . (5.4) "птах По Котельникову-Найквисту ширина спектра процесса f[t)равна B= если Фурье-образ F j O, a F((DK+i) = 0. Шаг отсчетов, обеспечивающий восстановление процесса f\t) определяется промежутками В общем случае смысл оценок (5.4) и (5.6) одинаков, а начальное значение частоты преобразования Фурье [21] равно «1=у. (5-7) где Т - длительность сигнала или процесса. Спектр Фурье-образов равен 0)J=J-0)(J = 1,2X-,K). По Шеннону термин «сигнал f{t)» имеет информационный смысл, а по Котельникову-Найквисту «процесс /(/)» имеет энергетический смысл. В нашем случае будем использовать термин «функция f{t)», под которым понимается траектория движения судна /(,) є { ( ),} ( )} в параметрической форме. Под восстановлением функции будем понимать аппроксимацию точечных измерений fi некоторой функцией f\t) с заданной точностью Sf так, чтобы (5.8) Причем, интервал измерений Т = {N — \)-At должен быть минимально достаточным для выполнения условия (5.8) при количестве измерений, равном N.
Ширина спектра В (5.5) или граничная частота 60К определяется из разложения функции f{t) в ряд Фурье [21] S(KJ) = aQ + [aj cos jcoxt + Ъ} sin jcoj) 7=1 2 N где a j =— fІ cos jco ; 2 N (5.9) af " -Yf Минимальная погрешность преобразования (5.9) достигается при нечетном значении yV и к — [N — 1). Последнее вытекает из теоремы Котельникова. Для выполнения преобразования (5.9) необходимо предварительно аппроксимировать траекторные измерения /J, например, степенным полиномом
Необходимость аппроксимации (5.10) диктуется следующим. Во-первых, на интервале Ти = (5-ь10)мин изменение погрешности обсерваций не превышает (2-гЗ)м, во-вторых, погрешность дифференциальных вариантов СНС [18] также примерно равна этой величине. Причем, ее характер - случайный. Аппроксимация (5.10) сглаживает флуктуации и обеспечивает плавность функции fit). Экспериментальные исследования [60] показывают, что условие (5.11) аппроксимации (5.10) выполняется при шаге А/порядка 0,5 мин на интервале Ти = (5-г10)мин. Порядок полинома (5.10) п «5. Реально JT 5MHH, ЧТО обеспечивает надежность условия (5.11). Заметим, что условие (5.11) базируется лишь на изменении погрешности обсервации на интервале Ти, а не на ее значении, так как вычисление параметров движения судна основывается на производных fit) и fit). По аппроксимации (5.10) вычисляются сглаженные значения fl для интервала Ти.
Далее, варьируя величиной Т в пределах от Ти до его отдельных частей и задаваясь для каждого интервала Т последовательностью значений N, устанавливается іУт пряда (5.9), при котором выполняется условие (5.8). Для каждого значения Т находится шаг At = у/дг _Л- Обработка кривой циркуляции и заключительного этапа швартовки (в обоих случаях 7 =15мин) показала, что результат преобразования (5.9) практически не зависит от величины Т и определяется лишь значением N. Для однозначного решения проблемы необходимо косвенно установить значение At, например, из условия Sf / ах At. Зная N и At, получаем интервал измерения T = (N-l)At.
