Введение к работе
Актуальность темы исследования. Многочисленные исследования в области судовождения свидетельствуют о том, что обеспечение безопасности мореплавания, как совокупности методов оптимального управления судном, является первостепенной задачей со времен первых мореплавателей.
Современные технические средства управления судном, навигации,
радиокоммуникации и автоматизации судовождения находятся в стадии
непрерывного совершенствования. Несмотря на существенный прогресс в
точности определения координат места судна и его кинематических
параметров, процессы управления движением судна, в том числе
автоматического, требуют дальнейшего исследования и совершенствования.
Среди предпосылок, способствующих заниматься проблемами
автоматизации судовождения можно выделить несколько основных.
Аспект безопасности мореплавания. Увеличение судопотока, особенно в прибрежных стесненных водах ведет за собой неизбежное усложнение задач судовождения. Повышение эффективности систем удержания судна на курсе или траектории, адаптивных, самонастраивающихся систем, оптимально выбирающих математические модели судна под конкретную ситуацию, систем прогнозирования движения судна, в соответствии с текущими условиями окружающей среды и состояния судна, предполагает закономерное снижение рисков аварийных случаев в судовождении.
Человеческий элемент. Поддержка или исключение оператора из
процесса управления на стадии сбора, обработки и систематизации
информации по окружающей обстановке, в процессе планового удержания
судна на заданной траектории или курсе, при прогнозировании движения и
навигационной обстановки, существенно повышает эффективность
реализации человеческого ресурса в море. Разрабатываемая IMO концепция Е–навигации предполагает возможность дистанционного контроля и управления движением судов удаленным оператором. Такое управление требует создание эффективных автоматических систем управления (САУ)
движением судов.
Степень разработанности проблемы исследования. Проблемам задания маршрута движения подвижных объектов и судна, автоматического управления по заданным траекториям посвящены многочисленные отечественные и иностранные исследования.
Исследованию математических моделей движения судов и
практическим вопросам управления и маневрирования судном в различных
условиях посвящены работы: Л.Л.Алексеева, Я.И.Войткунского,
А.Д.Гофмана, В.А.Лобанова, С.И.Кондратьева, В.А.Корнараки,
В.И.Снопкова, Н.В.Соларева, В.И.Тихонова, Ю.И.Юдина, K.G.Aarsther, J.Artyszuk, M.C.Armstrong, C.B.Barrass, К.Nomoto, N.H.Norrbin, и др.
Исследованию процессов автоматизации судовождения построению
интеллектуальных, адаптивных систем управления посвящены работы
Л.Л.Вагущенко, А.С.Васькова, Е.И.Веремея, В.А.Логиновского,
Ю.А.Лукомского, А.А.Мироненко, А.И.Родионова, А.Е.Сазонова,
Д.А.Скороходова, С.В.Смоленцева, Н.Н.Цымбала, A.Aguiar, K.J.strm, T.I.Fossen, K.Hasegawa, A.Pascoal, T.Perez, A.J.Sorensen, и др.
Концепция построения адаптивных нелинейных регуляторов при современных условиях судоходства требует расширения и дополнения.
Целью диссертации является разработка методов идентификации
моделей движения судна, автоматической адаптации процессов
идентификации для управления судном в различных условиях эксплуатации по заданным программным траекториям.
Для этого исследуются и решаются следующие задачи построения систем автоматического управления его движением:
-
Анализ методов, принципов и структур систем автоматического управления движением судна. Выбор модели поступательно–вращательного движения судна для САУ по криволинейной траектории.
-
Разработка технологий идентификации математических моделей движения судна. Формирование специальных маневров судна для
идентификации уравнений нелинейных математических моделей его движения.
-
Разработка технологий текущей идентификации нелинейных математических моделей в процессе движения судна на основе измерений и оценок вектора состояния адаптивным наблюдателем.
-
Выбор структуры и методов адаптивной автоматической настройки параметров системы управления судном по траектории.
Объект исследования – совокупность методов и средств
автоматического адаптивного управления движением судна по программным траекториям.
Область исследования – разработка математических моделей и методов автоматических адаптивных систем навигации и управления судном в различных условиях эксплуатации.
Научная новизна диссертации заключается в совокупности
теоретических и прикладных положений, развивающих технические и
технологические решения в области автоматизированных систем
судовождения:
-
Методика и технологические решения идентификации взаимосвязных линейных и нелинейных математических моделей поступательно–вращательного движения судна на основе специальных маневров.
-
Адаптивный линейный наблюдатель оценки вектора состояния нелинейной математической модели движения судна для текущей идентификации в процессе управления.
-
Методика и технологические решения адаптивного нелинейного управления судном по программной траектории, с учетом способа ее задания.
Теоретическая значимость полученных результатов заключается в создании современных научных технологий идентификации линейных и нелинейных математических моделей движения судна, формирования
программных траекторий движения для различных условий плавания, построения адаптивных систем управления судном по траектории с наблюдателем параметров движения, а именно:
- установление причинно-следственных связей кинематических
параметров движения судна от силовых воздействий;
- обоснование современных научных технологий идентификации
линейной и нелинейной математических моделей поступательно-
вращательного движения судна на основе специальных маневров,
расширяющих границы применимости полученных результатов;
модернизация математических моделей и алгоритмов формирования программных траекторий движения судна, обеспечивающих получение новых результатов для построения систем управления;
изложение и исследование новых положений построения линейного наблюдателя для оценки параметров нелинейных математических моделей.
Практическая значимость диссертации заключается в доведении
исследований до уровня алгоритмической реализации, что может служить
основой для методик, алгоритмов и программного обеспечения
проектирования судовых автоматизированных навигационных комплексов и береговых СУДС, систем управления другими видами транспорта. Это подтверждается результатами моделирования.
Методология и методы исследования. Основой теоретических и прикладных исследований диссертации являются:
- результаты и достижения автоматизации процессов навигации и
управления судном;
- общая теория управления, в том числе идентификации, адаптивного,
нелинейного и робастного управления;
- компьютерные методы обработки и моделирования процессов
маневрирования судов с помощью программ и языков программирования:
MATLAB, Simulink, Visual Basic, c++.
Положения, выносимые на защиту:
-
Взаимосвязная нелинейная модель поступательно–вращательного движения для САУ судном по криволинейным траекториям.
-
Технологические и решения идентификации математической модели движения судна по специальным маневрам и в процессе управления по текущим измерениям и оценкам вектора состояния адаптивным наблюдателем.
-
Методика построения адаптивного автоматического управления неустойчивым на курсе судном по различным типам траекторий.
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии в
получении исходных теоретических данных, научных экспериментах,
апробации результатов исследования, обработке и интерпретации
экспериментальных данных, подготовке основных публикаций по
выполненной работе.
Степень достоверности результатов исследования подтверждена:
- современными методами сбора, обработки экспериментальных
стандартных маневров, маневров судна в портовых водах и на подходах к
ним, полученным на сертифицированном оборудовании (GNSS, ECDIS, AIS,
СУДС);
- теорией, построенной на известных традиционных методах
судовождения, математических моделях движения судна, которые
согласуются с опубликованными результатами моделирования и
экспериментальными данными по теме диссертации;
- сравнением авторских результатов с результатами, представленными
в экспериментах и независимых источниках по данной тематике,
качественным и количественным их совпадением.
Апробация результатов работы. Результаты диссертации относятся к Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (РФ) (7. Транспортные и космические системы), Перечню критических технологий РФ (13.Технологии информационных,
управляющих, навигационных систем, 23.Технологии создания
высокоскоростных транспортных средств и интеллектуальных систем управления новыми видами транспорта), стратегическому плану E– Navigation, одобренному 17–21 ноября 2014 г на 94 Сессии Комитета по безопасности на море (MSC) Международной морской организации (IMO) (MSC 85/26/Add.1, NCSR 1/28):
- подтверждены зарегистрированной в ФГУ ФИПС программе для
ЭВМ «Модель движения судна и конфигурации зоны навигационной
безопасности» (№2006612643);
- внедрены в НИР кафедры Судовождения ГМУ им. адм. Ф.Ф.Ушакова:
Перспективные технологии алгоритмизации и оптимизации процессов
навигации и управления судном (№ГР115021010120);
- основные положения диссертационной работы и ее отдельные
результаты докладывались на конференции: Компьютерное моделирование
(КОМОД 2017), Санкт–Петербург.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе, 6 статьях, 5 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 отчете по НИР, 1 зарегистрированной в ФГУ ФИПС программе для ЭВМ.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации 132 страницы включает: содержание 2 страницы, введение 6 страниц, список сокращений 1 страница, 4 раздела 110 страниц, заключение 2 страницы, список литературы из 116 наименований 11 страниц, 55 иллюстраций и 11 таблиц.