Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов в ироблем планирования маршрута авижения яудна и обеспечения безопасности судовождения
1.1 Анализ и формализация требований к планированию рейса судна и исходным данным модели района плавания
1.2 Анализ методов задания движения и маневрирования судна 19
1.3 Особенности планирования начала и конца поворота судна 23
1.4 Особенности задания траектории движения судна 28
1.5 Принципы выбора оптимального маршрута судна 33
1.6 Оценка потерь скорости судна на маршруте 34
1.7 Оценка гарантированной полосы проводки судна 36
1.8 Влияние мелководья на характеристики безопасности плавания
3 8 1.9 Влияние мореходности и интенсивности судоходства на
безопасность маршрута судна
1.10 Постановка и формализация задач планирования маршрута судна в автоматизированных комплексах
1.11 Интеллектуальные принципы планирования траектории 53
2 Анализ методов и ттхнологий представления и зздания движения судна
2.1 Технологии представления (задания) движения 62
2.2 Системы координат, применяемые при задании движения судна 63
2.3 Планирование траектории и движений объектов 66
2.4 Требования к задаваемой траектории и кинематическим параметрам движения судна
2.5 Кинематические принципы задания движений судна 72
2.5.1 Представление вектора скорости и перемещения 72
2.5.2 Векторный способ задания движения 75
2.5.3 Координатный способ задания движения з
2.5.4 Естественный способ задания движения 76
2.6 Технологии представления и программирования движения судна 77
2.6.1 Соотношения кинематических характеристик движения судна 77
2.6.2 Естественный способ задания программного движения судна 79
2.6.3 Взаимосвязь кинематических характеристик движения судна с силовыми воздействиями
2.6.4 Программирование траекторий судна на основе общего уравнения кривой второго порядка
2.6.5 Аппроксимация программной траектории дугой эллипса 84
2.6.6 Аппроксимация криволинейной траектории клотоидой 87
2.6.7 Аппроксимация траектории движения кривыми третьего порядка 88
2.6.8 Подход к аппроксимации траектории движения полиномами 90
2.6.9 Аппроксимация траектории и оптимальных режимов криволинейного движения судна на основе сплайн-функций
2.6.10 Применение искусственных нейронных сетей для аппроксимации траектории движения
2.7 Аппроксимация скорости подвижного объекта при движении по спланированной траектории
2.8 Недостатки методов планирования траектории и задания движения 103
3 Методология формализация навигационной обстановки и выбора маршрута плавания судна
3.1 Принципы формализации окружающей обстановки для планирования движения судна
3.2 Методология формализации навигационной обстановки 108
3.2.1 Классификация и формализация множеств районов плавания 108
3.2.2 Классификация и формализация множеств условий плавания 110
3.2.3 Классификация и формализация множеств условий судоходства 112
115
3.2.4 Классификация и формализация множеств навигационной обстановки
3.3 Математические модели навигационной обстановки 119
3.3.1 Информационные массивы и элементы навигационной обстановки 119
3.3.2 Граф модели навигационной обстановки и маршрута судна 122
3.4. Методология поиска оптимального маршрута перехода судна 128
3.4.1 Формулировка задачи поиска оптимального маршрута перехода судна
3.4.2 Алгоритм поиска маршрута минимальной стоимости 129
3.4.3 Границы района поиска оптимального маршрута 130
3.4.4 Уточнение модели района планируемого плавания судна характерными точками 137
3.5. Формирование графа района плавания и маршрута судна по характерным точкам опасностей
3.5.1 Методология поиска крайних характерных точек 137
3.5.2 Модель гидрометеорологической обстановки 141
3.5.3 Анализ стесненных районов плавания и объединение навигационных опасностей
3.5.4 Условия пересечения маршрута с навигационными опасностями 147
3.6 Уточнение маршрута судна делением района плавания 148
3.6.1 Выбор и формирование сечений маршрута судна 148
3.6.2 Методология построения сечений 150
3.7 Поиск оптимального маршрута 152
162
3.7.1 Критерии оптимизации маршрута движения судна 152
3.7.2 Алгоритмы поиска оптимального маршрута 156
4 Методология программирования траектории и режимов движения судна на основе экспоненциальных и сигмоидальных функций 162
4.1 Постановка задачи программирования траектории и режимов движения судна 164
4.2 Принцип программирования траектории и скорости подхода судна к выносному причальному устройству
4.3 Методология аппроксимации траектории и режимов движения судна сигмоидальной функцией
4.4 Модели формирования траектории и режимов движения судна на основе сигмоидальной функцией
4.5 Методология аппроксимации кинематических параметров движения судна сигмоидальной функцией с переменным коэффициентом кривизны
4.6 Методы оценки коэффициентов переменной кривизны сигмоидальной траекторной функции
4.7 Идентификация моделей траектории и движения судна. Поэтапный подход
4.8 Подстройка коэффициентов модели. Погрешности аппроксимации 195
4.9 Методика учета силовых воздействий при аппроксимации программной траектории
4.10 Методология программирования маневров при подходе к причалу 206
4.11 Учет динамических особенностей судна, диаграмма управляемости 210
4.12 Методика согласованного изменения программных кинематических параметров судна
4.13 Формирование области достижимости движения судна 220
5 Принципы генерирования и отслеживания программных движений судна в системе управления
5.1 Требования к процессам управления программными движениями 223
5.2 Формирование управления методом обратных задач динамики 226
5.3 Управление судном по программной траектории при постоянной скорости движения
5.4 Управление угловыми программными движениями судна 235
5.5 Управление судном по программной траекторией с запланированным режимом изменения скорости движения
6 Формализация навигационной обстановки в СИП процессов судовождения
6.1 Принципы формализации правил плавания по проблемным ситуациям в СИП
6.1.1 Формализация правил плавания и проблемных ситуаций 248
6.1.2 Типовая ситуация «Подход к проливу» 252
6.1.3 Типовая ситуация «Проход проливом» 254
6.1.4 Типовая ситуация вход/выход из порта 255
6.2 Механизм оценивания принадлежности текущей ПрС типовой 255
6.3 Принципы формализации (представления) знаний по вопросам судовождения
6.4 Ситуационное исчисление и язык логики предикатов в представлении знаний
6.5 Аксиомы ситуационного исчисления 265
6.6 Применение нечетких множеств в судовождении 267
6.7 Задание полосы движения судна нечеткими множествами 271
Заключение 280
Список литературы 2
- Принципы выбора оптимального маршрута судна
- Планирование траектории и движений объектов
- Классификация и формализация множеств районов плавания
- Методология аппроксимации траектории и режимов движения судна сигмоидальной функцией
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Задача обеспечения безопасности мореплавания существует со времен первых мореплавателей и остается важнейшей для современной системы судоходства, о чем свидетельствуют многочисленные исследования по проблемам планирования движения и управления подвижными объектами, в том числе, представляемые ведущими международными и отраслевыми организациями и научными конференциями IFAC MCMC, CAMS, ИПУ РАН УТЭОСС, ВСПУ, МКПУ.
Необходимость решения проблем безопасности мореплавания обусловлена высоким уровнем аварийности мирового флота. По данным IMO навигационная аварийность судов мирового флота составляет 60 - 70%. За последние 30 лет тенденция снижения аварийности незначительна: столкновения судов – 9% и навалы – 3% остаются практически на одном уровне. Причиной многих аварий на море в 80% случаев является "человеческий элемент".
Одним из направлений обеспечения безопасности мореплавания является передача ряда функций судоводителя автоматическим системам судовождения с искусственным интеллектом, в частности, планирование маршрута, режимов движения и последующее управление судном в пределах гарантированной полосы проводки (ГПП). От оптимальности маршрута напрямую зависит точность удержания судна на заданной траектории (физическая реализуемость) и безопасность судовождения.
Научно-технические достижения последних десятилетий, уровень автоматизации судовождения, накопленные знания, позволили обеспечить внедрение и использование глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), автоматических идентификационных систем (AIS), электронных картографических навигационных информационных систем (ECDIS), которые качественно изменили подходы к решению традиционных задач навигации и управления судов. Информационная база ECDIS может служить исходной для задач автоматизированного планирования, оптимизации маршрута судна и позволяет:
1) перейти к качественно новому уровню автоматизации и интеллектуализа-
ции процессов навигации и управления судном;
2) создать модель эффективного применения знаний для более высокого
уровня организации безопасности мореплавания;
3) внедрить новые технологии и методики оптимизации маршрута судна по
различным критериям с учетом множества факторов.
Задачи автоматического и интеллектуального задания и управления движением являются наиболее ответственными и сложными в современном судовождении. Системы искусственного интеллекта (СИИ) в судовождении обеспечат поддержку принятия решений при задании траектории, управлении и регулировании движения потоков судов, особенно в сложной обстановке, стесненных водах и нештатных ситуациях.
Степень разработанности проблемы исследования. Вопросам задания маршрута движения подвижных объектов и судна посвящены многочисленные отечественные и зарубежные исследования.
Исследованию математических моделей движения судов и практическим
вопросам их маневрирования в различных гидрометеорологических условиях по
священы работы: Я.И.Войткунского, А.Д.Гофмана, В.В.Дремлюга,
А.Н.Клементьева, С.И.Кондратьева, В.А.Корнараки, В.Б.Липиса, А.В.Лихачева,
В.И.Снопкова, Н.В.Соларева, Г.И.Сухомела, В.И.Тихонова, Ю.И.Юдина,
M.C.Armstrong, C.B.Barrass, K.Benedict, H.H.Hooyer, A.A.Millward, и др.
Формирование математических моделей района перемещения подвижных объектов рассматривается в исследованиях Ю.С.Завьялова, С.Л.Зенкевича, Г.В.Коренева, И.А.Мухаметзянова, Р.Г.Мухарлямова, А.В.Тимофеева, St.LaValle, T.Perez, M.Strandberg, и др.
Исследованию процессов автоматизации судовождения, заданию программных движений, построению интеллектуальных, адаптивных систем управления посвящены работы: А.С.Васькова, Е.И.Веремея, С.В.Глушкова, С.П.Дмитриева, А.А.Ершова, А.А.Лентарёва, В.А.Логиновского, Ю.А.Лукомского, С.Н.Некрасова, А.Е.Пелевина, А.И.Родионова, А.Е.Сазонова, С.В.Смоленцева, T.I.Fossen, K.Hasegawa, A.Pascoal, T.Perez, A.J.Sorensen и др.
Тем не менее, ключевые задачи навигации: формализация навигационной обстановки, автоматическое построение физически реализуемого маршрута судна и его отслеживание системой управления требуют новых подходов решения.
Целью диссертации является разработка теоретических положений автоматического представления множеств районов и условий плавания (РПл, УП) граф-моделями, объединяющими геометрические понятия свободного пространства для плавания судна, планирования оптимального маршрута его движения на основе сигмоидальных тракторных функций (СТФ), как решения научной проблемы, имеющей важное значение для безопасности мореплавания.
В рамках этого научного направления разрабатывается методология решения теоретических и прикладных задач построения моделей и алгоритмов формирования программных траекторий и соответствующих им взаимно скоординированных движений судна:
1. Исследование и анализ методов и проблем планирования маршрута судна
для обоснования моделей и алгоритмов формирования непрерывных, физически
реализуемых траекторий и движений судна;
-
Разработка методологии формализации математических моделей навигационной обстановки (НО), РПл, УП, ГПП, установление принципов их взаимодействия методами множественного анализа, детализации этапов формирования маршрута на основе информативных сечений и теории графов и поиска оптимального маршрута и режима движения судна динамическим программированием Беллмана;
-
Доказательство и реализация новой научной идеи задания траектории и режима движения подвижного объекта (судна) на основе разработанной СТФ с поэтапной идентификацией коэффициентов кинематических параметров движения с учетом динамических особенностей объекта и в зависимости от силовых воздействий;
-
Реализация новой научной идеи отслеживания программных траекторий и режимов движения судна;
-
Разработка единообразного подхода задания ГПП судна и ограждающих навигационных параметров на основе нечетких функций.
Объект исследования – система взаимосвязи РПл, УП с маршрутами, про-
граммными траекториями и движениями судна как совокупность методов и средств навигации и управления.
Область исследования –модели и методы оценки оптимальных маршрутов, траекторий и движений судна для обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства.
Научная новизна диссертации заключается в совокупности теоретических положений и прикладных решений, развивающих новое направление в области теории и проектировании автоматизированных систем обеспечения безопасности мореплавания:
-
Осуществлен научный анализ методов планирования маршрута судна и разработана новая концепция автоматизации процессов его поэтапного поиска, планирования движений и построения ГПП;
-
Предложена методология обобщенной математической модели НО, РПл, УП для планирования ГПП, маршрута перехода на основе теории множеств, графов и семантических сетей;
-
Разработана не имеющая аналогов универсальная СТФ, обогащающая научную концепцию формирования программной траектории и скоординированных режимов движения судна по запланированному маршруту, задающая во взаимосвязи все кинематические характеристики движения с учетом маневренных качеств судна;
-
Предложена методология поэтапной аппроксимации режимов маневрирования судна и формирования баз знаний о допустимых маневрах в моделях его программных движений на основе теории нечетких множеств;
-
Разработан и применен метод отслеживания программных траекторий и режимов движения судна в стесненных водах.
Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:
- раскрыты противоречия и несоответствия традиционных методов планирования и отслеживания криволинейных траекторий движения судна;
доказаны методы современных научных технологий формализации НО, РПл, УП, поиска и планирования маршрута движения судна, расширяющие границы применимости полученных результатов;
применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс теории множеств, графов и семантических сетей для формирования ГПП и маршрута перехода;
изложены и исследованы положения новой универсальной СТФ для задания взаимно согласованных программных движений судна;
изучены и установлены причинно-следственные связи кинематических параметров движения судна от силовых воздействий и возможности отслеживания программной траектории системой управления;
проведена модернизация математических моделей и алгоритмов формирования маршрута, программных траекторий и движений судна на основе экспериментальных данных, обеспечивающих получение новых результатов.
Практическая значимость работы подтверждается тем, что:
разработанные технологии планирования маршрута служат научной базой для проектирования алгоритмов и программного обеспечения широкого класса судовых автоматизированных навигационных комплексов и береговых систем управления движением судов (СУДС), систем управления другими видами транспорта, планирования лоцманских проводок, систематизации и накопления локальных знаний;
созданы модели формализации НО, УП, ГПП, программных движений, накопления знаний и опыта судоводителей;
определены пределы и перспективы практического использования теории СТФ на практике;
- представлены методические рекомендации по планированию маневров
судна и лоцманских проводок.
Методология и методы исследования. Основой теоретических и прикладных исследований диссертации являются:
- результаты и достижения автоматизации процессов навигации и управле-
ния судном;
общая теории управления и оптимизации, теория множеств и нечетких множеств, теория графов, вычислительные методы;
методы анализа и статистическая обработка экспериментальных данных стандартных маневров судов, маневрирования судов в стесненных водах;
компьютерные методы обработки и моделирования процессов маневрирования судов с помощью программ и языков программирования: ГИС Карта 2008, Matlab, Pascal.
Положения, выносимые на защиту
-
Концепция автоматизации процессов поэтапного поиска маршрута судна, планирования движений и построения ГПП по результатам анализа методов и проблем планирования маршрута судна;
-
Методология формализации математической модели НО для планирования ГПП и поиска маршрута перехода;
-
Методология формирования программной траектории и взаимно скоординированных движений судна с помощью универсальной СТФ;
-
Метод и алгоритмы отслеживания программных траекторий и режимов движения судна в стесненных водах;
-
Методология поэтапной аппроксимации экспериментальных маневров судна и формирования баз знаний о допустимых маневрах в стесненных водах.
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участие 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 стандарт
ных маневров, маневров судна в портовых водах и на подходах к ним, получен
ным на сертифицированном оборудовании (GNSS, ECDIS, AIS, СУДС);
- теорией, построенной на известных традиционных методах судовождения,
математических моделях движения судна, которые согласуется с опубликованны-
8
ми экспериментальными данными по теме диссертации;
идеей и элементами универсальной СТФ, базирующейся на стандартных экспериментальных маневрах судна, требуемых IMO;
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):
- внедрены в НИР кафедры Судовождения ГМУ им. адм. Ф.Ф.Ушакова: Оп
тимизация процессов навигации и управления судном на основе концепции зон
безопасности (№ГР01.20.0001230); Алгоритмизация и оптимизация процессов на
вигации и управления судном на основе перспективных технологий
(№ГР01201000122); Разработка системы тренажерной подготовки лоцманов и су
доводительского состава судов по проходу Керченского пролива
(№ГР01.2.00402941); Разработка перспективных направлений создания и развития
региональных систем безопасности мореплавания, основанных на интеграции
СУДС, GNSS, ECDIS, AIS, ССС и средств радиосвязи на морских путях и подходам
к портам Российской Федерации Северного и Южного регионов (№ГР
01.2.00900700); Перспективные технологии алгоритмизации и оптимизации про
цессов навигации и управления судном (№ГР115021010120); учебный процесс
подготовки инженеров-судоводителей ФГБОУ ВО ГМУ им. адм. Ф.Ф.Ушакова по
курсам "Навигация и лоция", “Автоматизация судовождения”, повышения квали
фикации «Управление судном», «Управление командой мостика», «КПК морских
лоцманов», внедрены в части рекомендаций по планированию и заданию схем ма-
неврирования судов (лоцманских проводок) в акваториях портов Новороссийск, Кавказ, Керченском проливе при модернизации существующих и построения перспективных автономных судовых систем управления.
- подтверждены патентами: Способ задания траектории и режимов движения
судна (пат. №2550236, 2015), Способ управления программными движениями
судна по траектории (пат. №2596202, 2016) и зарегистрированными в ФГУ ФИПС
программами для ЭВМ: Поиск кратчайшего маршрута по минимуму информации
о районе плавания (minroute) (№2003612014); Обзор обстановки для выбора мар
шрута (VisObj) (№2004610420); Экспериментальная модель траектории судна
(VslTrack) (№2011612461); Модель криволинейного движения судна (VTM)
№2012661178).
Основные положения диссертации и ее результаты докладывались на:
- Ежегодных научно-технических конференциях ГМУ им. адм.
Ф.Ф.Ушакова 1996 – 2016 годах;
- Российских и международных конференциях: Aims for future of engineering
science, HongKong, 2005; 5th International Conference on Maritime Transport. Techno
logical, Innovation and Research, Barcelona, 2012; 5-й Российской мультиконферен-
ции по проблемам управления «Управление в технических, эргатических, органи
зационных и сетевых структурах» (УТЭОСС-2012), Санкт-Петербург, 2012; 1st In
ternational Conference of Black Sea Association of Maritime Institutions «Actual prob
lems of marine shipping». Novorossiysk, Russia, 2013; Компьютерное моделирование
(КОМОД 2013, 2016), Санкт-Петербург, 2013, 2016; The 9th International Federation
of Automatic Control (IFAC) «Conference on Control Applications in Marine Systems
(CAMS)», Osaka, Japan, 2013; XII Всероссийское совещание по проблемам управ
ления (ВСПУ-2014). Москва. ИПУ РАН, 2014.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 67 изданиях, в том числе, 1 монографии, 48 статьях, 21 из которых в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 2 патентах на изобретение, 12 отчетах по НИР, 4 зарегистрированных в ФГУ ФИПС программах для ЭВМ.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации 310 страниц включает содержание 5 страниц, введение 11 страниц, шесть разделов 262 страницы, заключение 2 страницы, список литературы из 312 наименований 29 страниц, 107 иллюстраций и 13 таблиц.
Принципы выбора оптимального маршрута судна
Исследования [33, 34, 45, 48, 49] по вопросам маневрирования судов в стесненных акваториях, при швартовных операциях показывают, что многообразие воздействующих на судно при движении внутренних и внешних факторов, зависимость качества решения от знаний, опыта и состояния команды мостика (лоцмана, капитана, вахтенных помощников) порождают множество схем при маневрировании и удержании судна на маршруте, в общем случае - в пределах заданной гарантированной полосы проводки. В работах [189, 262, 274, 276, 280] отмечаются практические случаи, когда лоцман при успешном выполнении сложной проводки, швартовной операции не может четко и однозначно объяснить причинно-следственную связь подаваемых команд и рекомендаций. В большинстве случаев команды и рекомендации, подаваемые капитаном или лоцманом, основываются не на сложных расчетах, а на приобретенном опыте и интуиции. Экспериментальными исследованиями [45, 48, 49, 112] отмечается, что одно и то же судно, при практически равнозначных внешних условиях, при постановке к одному и тому же причалу ведет себя по-разному, поэтому лоцман каждый раз дает различные рекомендации при управлении судном.
Традиционно в судовождении существует множество практических методик графического и аналитического учета поворота (циркуляции) судна [13, 78, 84, 123, 177, 186, 195, 227, 266, 306]. Все методики, как правило, сводятся к определению точек начала и конца поворота (ТНП, ТКП) и простому представлению траектории поворота судна некоторой линией. Подобное задание маршрута соответствует кинематическому уровню представления при традиционном ручном управлении судном. При таком подходе не учитывается безопасность плавания при исполнении поворота, когда непрерывный контроль движения судна и постоянная выработка управляющих воздействий невозможна в силу ограниченных вычислительных способностей человека.
Анализ исследований [13, 27, 48, 84, 123, 145, 161, 162, 166, 186, 227, 266] показывает, что поворот судна выполняется в следующей последовательности: при выходе в ТНП руль перекладывается на заданный угол (до полборта) и удерживается до достижения необходимой угловой скорости. Далее удерживается (корректируется) скорость поворота, а до подхода к заданному курсу руль отводится в противоположную сторону для остановки поворота при достижении заданного (конечного) курса. Поскольку угловая скорость и ускорение при одном и том же угле перекладки руля могут принимать разные значения (обусловлено условиями загрузки судна, гидрометеорологическими факторами, мелководьем и т.п.), то и форма траектории может быть различной. Однако, на участке от ТИП до точки одержания поворота {ТОЩ криволинейная траектория соответствует циркуляции с заданным углом кладки руля.
По мнению адмирала С.О.Макарова «... и теперь, когда рангоут почти отменен, в чем собственно заключается знание морского дела, как не в точном понимании всех движений своего корабля, а таковое достигается по преимуществу упражнениями.... Следует также научиться управлять кораблем таким образом, чтобы после перемены курса он был одержан на известном направлении и более не катился. Нет ничего безобразнее и бесполезнее, как перекатиться более чем надо, и затем катиться обратно» [145].
По данным исследований [78, 84, 186, 218, 227] управление курсом судна на повороте характеризуется зависимостями: увеличения или уменьшения угловой скорости в зависимости от длительности маневра и угла перекладки руля. Функции этих управлений могут формироваться по таблицам и графикам циркуляции судна, маневров зиг-заг и одержания, обязательными по Резолюции MSC 137(76) и определяются следующими выражениями [167]: f(t,8,T)=[yf=l; f(t,bj)=rrf=l; (1.1) f(t,b,T)= [Sef= i; f(t,bj)=\lf=l; (1.2) где/() - функции изменения параметров движения и траектории судна при перекладке руля; t - длительность маневра; [ L И - таблицы, отражающие изменения курса и угловой скорости судна; [$в], V] - таблицы, отражающие значения выдвига и смещения; N - количество данных в таблице; Т - осадка судна (для маневренных элементов в грузу/балласте); 5 - угол перекладки руля. Исходя из вышесказанного, для аналитического представления движения судна на повороте, целесообразно его разбить на отдельные участки (периоды) в функциональной зависимости от значений угловой скорости поворота судна и угла перекладки руля во времени рисунок 1.1:
1. Временная задержка при перекладке руля на заданный угол от момента выработки и подачи судоводителем (системой управления) команды на рулевое устройство. Зависит от технических особенностей рулевого устройства и навигационного комплекса, угла перекладки руля, выбранного контрольного навигационного параметра.
2. Эволюционный период набор требуемого значения угловой скорости (см. рисунок 1.1, положение 2).
3. Поддержание с помощью руля требуемого режима изменения угловой скорости (постоянной, уменьшение, увеличение), в том числе, в зависимости от положения точки управления на траектории, для уменьшения нагрузки на винт или контроля процесса падения линейной скорости судна, вывода судна на запланированную траекторию по обстоятельствам плавания и т.п.
Планирование траектории и движений объектов
Задача планирования траектории сводится к ее заданию и построению в пространстве по известным координатам двух точек (А, B), рисунок 2.2. Если подвижный объект (судно) локально управляем, то можно из любой точки А пространства в начальный момент времени перевести его в любую другую -конечную точку В за время tk. Для этого необходимо найти соответствующую управляющую функцию [95] и решить классическую задачу планирования, известную как «проблему перемещения рояля» [286].
Очевидно, что при такой формулировке, не наложив ограничений, задача имеет множество решений. Возможны перемещения подвижного объекта (рисунок 2.2) вдоль прямой, соединяющей начальную и конечную точки (прямолинейная траектория), или вдоль некоторой гладкой кривой, удовлетворяющей ряду ограничений на начальном и конечном участках траектории (сглаженная траектория). Следовательно, при планировании траекторий и режимов движения подвижных объектов необходимо выделять следующие этапы: 1) формирование последовательности узловых точек в декартовом пространстве, расположенных вдоль планируемой траектории; 2) задание ограничений на положение, скорость и ускорение обобщенных координат подвижного объекта в узловых точках траектории; 3) выбор из некоторого класса аналитической функции (аппроксимирующей), проходящей через все узловые точки и удовлетворяющей в них заданным ограничениям (2) и задании желаемой траектории; 4) задание режимов движения подвижного объекта по спланированной траектории.
Аппроксимация заданной траектории в кинематических параметрах или декартовых координатах выполняется планировщиком. В результате получается последовательность точек, через которые должен пройти подвижный объект при движении от начальной к конечной точке траектории рисунок 2.3.
Если задаваемая последовательность точек траектории (векторов в пространстве кинематических параметров) формируется без учета ограничений динамики подвижного объекта, то при последующем управлении подвижным объектом по спланированной траектории могут возникнуть значительные отклонения отслеживания. Следовательно, планируя траекторию, необходимо выделить характерные путевые точки (точки приложения силовых воздействий [161, 162]), в которых будет производиться переключение управляющих функций при переходе с одного прямолинейного или криволинейного отрезка траектории на последующий [105, 231].
Планирование траектории подвижного объекта заключается в определении необходимого количества отрезков траектории со значениями производных вектора скорости, моментов переключения управляющих функций для обеспечения перехода объекта с данного отрезка траектории на последующий.
Ошибки в управлении судном - результат неправильной оценки и учёта судоводителем действующих на судно сил и моментов, а также степени их влияния на параметры движения [11, 16, 32, 34, 218, 250]. Вероятность ошибки в управлении возрастает, если условия, при которых выполняется маневр, не соответствуют практическому опыту судоводителя, основанном, в том числе, на методе проб и ошибок при оценке правильности выполняемых действий. Скоротечность многих сложных маневров, инерционность судна, перемещающегося в двух средах: воде и воздухе приводит к тому, что исправление любой ошибки в управлении требует времени. При этом очевидно, что при управлении судном только на основе собственного практического опыта и интуиции - повышается вероятность возникновения аварийной ситуации [198] (см. п. 1.4).
Классификация и формализация множеств районов плавания
Выбор маршрута судна, в том числе оптимального, подразумевает полный анализ отдельных участков перехода (Резолюция ІМО A. 893(21)), что требует значительных ресурсов на перебор большого количества ненужных элементов (множества «ложных» маршрутов, проходов, учета других факторов для оптимизации) на отдельных участках маршрута перехода для обеспечения безопасности плавания. Как показал анализ исследований [67, 106, 128, 131, 138, 142, 148, 158, 188, 213, 245, 261, 267, 268, 271, 272, 275, 277, 278, 283, 286, 296, 298, 304, 305, 310], проведенный в работах [157, 290], при решении перечисленных задач методами, ориентированными на статические среды с известной конфигурацией, возникают значительные трудности.
В научно-технической литературе [6, 19, 30, 95, 128, 131, 147, 148, 188, 229, 230, 234, 254, 267, 269, 272, 275, 286, 287, 296, 297, 301, 304, 305, 307, 310] рассматриваются различные методы поиска и прокладки маршрутов движения подвижных объектов, которые для целей судовождения на основе анализа [157, 167], можно подразделить на основные: 1.В формализованном, частично исследованном (нечетко заданном), неформализованном районе плавания; 2. Накапливающие и не накапливающие информацию о районе плавания; 3. Глобальные и локальные; 4. Адаптивные и неадаптивные. Каждое из направлений имеет свои преимущества и недостатки. Одни ориентированы на использование в ограниченных пространствах, в средах несложной конфигурации, включающих простые по форме и немногочисленные опасности [54, 188, 286]. Некоторые не обладают свойствами завершения движений, в связи с этим требуются дополнительные исследования в приложении к задачам судовождения.
Практика судовождения показывает, что поиск оптимальной траектории движения судна следует подразделить на уровни иерархии, на которых применяются модели окружающего пространства и движения различной степени абстракции (см. п. 2.3). При этом детализация модели движения должна соответствовать детализации модели района плавания, а эвристические и многоэтапные подходы должны предполагать совместимость результатов на каждом этапе планирования. Использование в общем случае какого-либо одного из методов может оказаться недостаточным для выбора оптимального маршрута судна. Целесообразно совместное применение различных по свойствам алгоритмов в зависимости от этапа построения маршрута и уровня детализайии района плавания [167].
Подобный подход позволяет использовать достоинства и компенсировать недостатки различных моделей и алгоритмов, удовлетворить различным критериям оптимальности, уменьшить требования к объемам ресурсов для переработки информации, обеспечить ее целенаправленное накопление и сохранение для конструирования баз знаний навигационной обстановки [43, 157, 290].
В исследованиях [272, 307] выделяются типовые уровни знаний человека о навигационном пространстве при планировании движения подвижных объектов: сенсомоторные, управляющие, каузальные, топологические, метрические и реляционные. В этой связи современная модель пространства функционирования подвижных объектов должна иметь сложную иерархическую структуру [144], которая для целей судовождения включает следующие элементы [157]: - интегрированные информационные поля однородных данных о пространстве; - структурные элементы пространства и логика их взаимосвязей; - закономерности общего и локального характера. Метрическую и топологическую информацию о пространстве, необходимую для планирования движения, предоставляет база данных карт, лоций, ОПМ, других руководств для плавания, в том числе, содержащая вероятностные или нечеткие значения. Эти базы данных являются информационным отображением района плавания в математическую модель (знания обстановки) [19, 128, 188, 278, 283, 286, 297, 298, 304, 307, 310].
На стратегическом уровне планирования маршрута движения п.2.3. целесообразно использовать топологическую информацию о районе плавания (РПл), которая определяет отношения связности крупных районов (объектов) пространства, через которые планируется маршрут судна. Топологическая и метрическая информация о пространстве не учитывает перемещения подвижных объектов (судов, буксиров, нефтяных платформ и др.) и их маневренные особенности, локальные правовые ограничения, правила плавания (СРД, рекомендованные пути и т.п.), изменения в гидрометеорологических условиях (ветер, течение, приливы и т.п.). Такое общее представление о районе плавания, достаточно для предварительного (генерального) планирования траектории движения [19, 157, 167, 188, 245, 286, 307] и локализации района поиска оптимального маршрута.
Для выбора маршрута перехода и обеспечения безопасности плавания судна с использованием автоматизированных навигационных комплексов с СИП должна быть формализована математическая модель навигационно-гидрографической обстановки на основе целенаправленной систематизации, сформулированной в [43], и установлены принципы взаимодействия элементов, связанных с мореплаванием. В исследовании [47], в основу подобных моделей положены принципы и методы традиционного судовождения, связанные с разделением маршрута перехода по характерным районам с различающимися условиями плавания [13, 78, 186, 227, 266].
На стратегическом уровне планирования (см. п.2.3) [43] предлагается выделять два характерных типа информации о РПл и уровня детализации рисунок 3.1: 1. Районы водного пространства (океаны, моря, проливы, заливы, бухты, реки); 2. Районы суши (материки, острова, полуострова, порты, волноломы, причалы и др.). Рисунок 3.1- Множества районов водных пространств: О - океан; МОТ- море открытое; МЗА - Море закрытое; Б - заливы, бухты и т.п.; ПР - узкости, фьерды, проливы и т.п.; П- портовые акватории, рейды; НВВ - нефтяные вышки, выносные причальные устройства (ВПУ) и т.п.
Отношения взаимосвязи между равнозначными типовыми районами водных пространств по маршруту плавания (перехода) судна определяются географическим расположением и особенностями судоходства с учетом выполненных ранее исследований [47, 48, 241] и представленных на рисунке 3.1.
В исследованиях [43, 47, 157, 167, 241] районы плавания по маршруту судна предлагается представлять в СИП множествами и сформулировать универсальное представление в виде иерархии отдельных элементов их множеств. Это позволяет применять существующие в научной литературе [51, 52, 72, 73, 118, 206] методы операций над множествами (принадлежности, включения, объединения, пересечения, вычитания) в качестве исходного математического аппарата алгоритмов СИП в судовождении, что в совокупности формирует логикоматематические модели навигационной обстановки.
Методология аппроксимации траектории и режимов движения судна сигмоидальной функцией
Уравнения естественного движения используются для получения зависимости обобщенных координат от времени. Решив вторую задачу динамики по заданным силам можно найти закон движения путем интегрирования уравнений движения. При заданных начальных условиях движение предсказывается со всеми подробностями. В целенаправленной механике уравнения естественного движения используются как средство получения целенаправленных уравнений. Кинематические уравнения естественного движения, в отличии от динамических, обладают тем свойством, что им подчиняется любое движение, в том числе и целенаправленное, т.е. они универсальны [198].
Большинство задач судовождения можно отнести к задачам приведения судна из исходного положения в конечное, определяемое заданными параметрами движения (выход в заданную точку, разгон/торможение, поворот на новый курс, расхождение со встречными судами и т.д.) [112]. Графы НО (3.3) и РПл (3.1), построенные по XT, XT маршрута (см. п.3) могут служить исходной моделью для формирования непрерывной программной траектории и режимов движений судна по ней. Следующим этапом детализации графа маршрута, в соответствии с п.2.3, является его представление в виде непрерывной аналитической линии, физически реализуемой судном и задание режимов движения по ней.
Для обеспечения движения судна по маршруту необходимо определить соответствующий закон изменения во времени координат состояния судна (программу движения). Программа движения - уравнения, символическая, графическая, словесная или любая другая форма представления, которыми определяется цель движения, учитывающая законы физики.
Следовательно, от маршрута, представляющего кинематику движения (п. 3), необходимо перейти к уравнениям динамики, определяющим причинную связь координат состояния и управления судна, при этом должны удовлетворяться следующие условия [167, 204, 229]: 1. Обеспечивается движение по заданной программной траектории, представляющей последовательность XT графа маршрута (F,-,... ,Fj), через которые должен пройти ЦТ судна или другой выбранный центр управления. 2. Выполняются навигационные и технические ограничения (ориентация диаметральной плоскости судна, управления и другие координаты состояния), определенные в виде ГПП, ЗНБ и допустимых значений скоростей и ускорений, которые (2.29), (2.30), (2.33) можно представить в общем виде [34, 154]: хс=f(Xc,с, t), с = (д,п), (4.1) гдеХс- расширенный вектор состояния судна (координаты положения, линейные, угловые скорости и курс); f- функция, определяющая вид уравнений движения судна; с,- векторы управлений и возмущений, соответственно.
Тогда, для отдельных участков маршрута, вектор состояния судна на совокупности точек, определенных графом маршрута (см. п.3), зависит от режима программного движения (2.29). В соответствии с этим вектор управления представляется зависимостью от вектора состояния с учетом допустимых навигационных и технических ограничений: 4) = С(ОЪ,Х№УМУМЧШ (4.2) C сдоп; Хс Xдоп, (4.3) где Сдот Хдоп - допустимые ограничения множества значений управлений и координат состояния судна. Ограничения по положению определяются, исходя из границ ГПП судна, а ограничения по скорости - техническими характеристиками судна Xdon(GF)tOk; k = 1,...,N; Xdon(GF RPr, j =l,...,NP3; л/т,/т, л/ / л/ / (4.4) О У І тах; 0 a,- атах; 0 г{ \гтах\, где Np3 - число графов районов ограниченных, запретных для плавания судна.
Таким образом, маршрут, заданный с учетом маневренных ограничений судна, представляется совокупностью путевых XT, в которых произойдет изменение вектора управления (4.2) и через которые последовательно пройдет ЦТ судна или другой центр управления [167] GFPi ={FI,F1C,...,FJC,FN}; (4.5) где Ftc - точки подачи команд на управление линейной скоростью, курсом, углом дрейфа судна.
Анализ фактических траекторий и параметров движения судов [91, 92] на подходах к ВПУ терминала Каспийского трубопроводного консорциума (КТК), экспериментально полученных по данным каналом системы AIS, показывает, что маневр сближения целесообразно разделить, в зависимости от выбора направления подхода: 1) против воздействующего ветра; 2) против воздействующего течения; 3) против результирующей от совместного воздействия ветра и течения.