Введение к работе
Актуальность работы. При современном развитии водного транспорта и водных путей большое внимание уделяется безопасности. Безопасность судна, гидротехнических сооружений, людей включает в себя комплекс мер и методов для их обеспечения. Одной из причин аварийных ситуаций является неправильная или неточная навигационная информация. Повышение точности, надежности навигационной информации приведет к повышению безопасности на водных путях.
В Московской государственной академии водного транспорта (МГАВТ) с 80-х годов под руководством д.т.н., проф. Савельева В.Г. ведется разработка методов и систем повышения безопасности судоходства, за счет внедрения визуальной навигационной системы лазерного створного маяка (ЛСМ) "Анемон". К началу 90-х годов первое поколение системы ЛСМ на газовых лазерах прошло государственные испытания, система была рекомендована на снабжение флота и внедрена в производство, но вследствие экономических преобразований внедрение этой системы задержалось. К 2000 году в МГАВТ была предложена и совместно с научно-исследовательским институтом прецизионного приборостроения Роскосмоса разработана система второго поколения ЛСМ на полупроводниковых лазерах, которая прошла испытания и была установлена на опытную эксплуатацию на Волго-Балтийском водном пути. Итоги эксплуатации показали достоинства этой системы, и было принято решение о расширении её использования применительно к морским портам.
При изучении запросов потенциальных пользователей ЛСМ стало очевидно, что параметры ранее разработанных вариантов систем не в полной мере отвечают требованиям в части обеспечения требуемой дальности и точности ориентирования. Для удовлетворения этих требований была необходима оптимизация параметров и разработка методики адаптации функционирования системы под конкретные заданные условия. Возникла проблемная ситуация, связанная с неразработанностью вопроса проектирования и создания визуальных навигационных систем на основе лазеров.
Таким образом, выявлено основное общее противоречие между необходимостью иметь визуальные средства навигации на основе лазеров для повышения безопасности при подходах к портам и на внутренних водных путях, и отсутствием научных методов расчета и оптимизации систем ЛСМ, основанных на реальных технических требованиях к таким системам.
В рамках выявленного основного общего противоречия выявлены три следующих частных противоречия:
1) между потребностью в научно обоснованных методах для определения всех необходимых параметров навигационных систем на основе лазеров и наличием лишь части таких методов;
2) между необходимостью иметь полную, целостную и отвечающую реальным требованиям потребителей методику расчета параметров навигационных систем на основе лазеров и фактическим отсутствием такой методики;
3) между необходимостью обеспечить безопасные и комфортные условия наблюдения огней, ориентации по визуальным навигационным системам на основе лазеров и отсутствием методов обеспечения этих условий.
В связи с этим актуальной и важной научно-практической задачей является повышение безопасности судовождения за счет использования новых, более точных навигационных систем на основе сканирующих лазеров ЛСМ, оптимизированных и адаптированных к конкретным условиям морских портов и внутренних водных путей (ВВП).
Цель работы – разработка методов расчета параметров и повышения эксплуатационных характеристик лазерных створных маяков, обеспечивающих их оптимальное функционирование в условиях морских портов и на внутренних водных путях.
Основными задачами исследования являются:
-
Оценка эксплуатационных возможностей ЛСМ на основе анализа результатов их эксплуатации;
-
Исследование вариантов компоновки створов на основе изучения реальных возможностей размещения ЛСМ на местности;
-
Оценка влияния различных характеристик внешних условий на точность ориентирования судов по ЛСМ с учетом возможных конструкций опор;
-
Разработка методов расчета параметров ЛСМ и разработка на их основе методики расчета параметров ЛСМ;
-
Разработка методов повышения эксплуатационных характеристик ЛСМ на базе исследования способов управления параметрами излучения.
-
Практическая апробация разработанной методики и методов расчета при создании ЛСМ для порта Туапсе;
-
Анализ полученных теоретических и экспериментальных результатов испытаний ЛСМ в порту Туапсе на базе проведенного натурного эксперимента (оплавывания) как пример сравнительного анализа теоретических и экспериментальных результатов.
Объект исследования – навигация и управление судном в стесненных условиях плавания с помощью лазерных створных маяков
Предмет исследования – математические модели и методы расчета лазерных створных систем и методы оптимизации функционирования систем лазерных створных маяков.
При исследовании и разработке использовались работы целого ряда отечественных и зарубежных авторов.
Методы исследования.
В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы базировались на квантовой теории излучения, теории рассеяния света, методов дифференциального исчисления. Экспериментальные методы основывались на методах наблюдения и измерения лазерного излучения в лабораторных и натурных условиях и на обработке данных, полученных в ходе лабораторных и натурных испытаний.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, обеспечены комплексным характером работы (аналитические, теоретические и экспериментальные исследования), а также сопоставлением и подтверждением теоретических расчетов и результатов, полученных в ходе экспериментов и использованием математического программного обеспечения MATHCAD.
Основные положения выносимые на защиту:
-
Метод выбора оптимальных параметров расположения огней лазерных створных маяков определяющий варианты размещения огней в зависимости от особенностей фарватера и береговых условий.
-
Методика оперативного расчета параметров системы лазерного створного маяка.
-
Методы повышения эксплуатационных характеристик лазерного створного маяка путем обеспечения постоянного бокового уклонения и компенсации повышения яркости огней створа при приближении к ним судна.
Новизна научных результатов работы заключается в следующем:
-
-
Разработан метод выбора оптимальных параметров расположения огней. Данный метод отличается многовариантным подходом к расположению огней, учитывающим реальную форму береговой линии и вертикальный контур рельефа местности, что позволяет реализовывать преимущества пространственного подхода к построению систем береговой навигации в аспекте повышения точности определения навигационного параметра.
-
В основе методики расчета параметров лазерного створного маяка использован целостный подход к расчету контролируемого рассогласования оптических сигналов излучателей лазерного створа. Разработанная методика, в отличие от ранее известных, учитывает влияние атмосферы на траекторию и параметры пучка излучения, а также влияние характеристик опор на стабильность направления излучения. Это позволяет обеспечить оперативное определение параметров вхождения и отклонения судна от линии створа с более высокой точностью и надежностью.
-
Предложены два метода обеспечения постоянного бокового уклонения и компенсации повышения яркости огней лазерного створного маяка при приближении к ним судна.
Первый метод основан на регулировании мощности излучения лазерного створного маяка и отличается от известных двухкоординатным способом регулировки мощности при сканировании, т.е. по вертикали и горизонтали, что позволяет более точно выровнять яркость вспышек огней створа, воспринимаемую судоводителем на разных расстояниях от лазерного створного маяка при более широком спектре вариантов компоновок створа.
Второй метод основан на регулировании скорости сканирования и отличается тем, что зону синхронного свечения луч пересекает с нарастающей скоростью, что позволяет обеспечить одинаковую точность (одинаковую ширину створной зоны) практически по всей длине створной зоны и выровнять яркость вспышек огней створа, воспринимаемую судоводителем на разных расстояниях от лазерного створного маяка.
Теоретическая значимость результатов заключается в следующем:
-
Уточнение формулы расчета необходимой мощности излучения в системе лазерного створного маяка.
-
Разработка модели влияния базы лазерного створного маяка на точность ориентирования на протяжении створной зоны.
Практическая значимость работы и результатов:
-
Разработанные методы и методика расчета параметров лазерного створного маяка, методы компоновки створа и оптимизации его функционирования позволяют создавать системы класса лазерный створный маяк с оптимальными эксплуатационными характеристиками, максимально соответствующие требованиям потребителей.
-
Методика расчета параметров лазерного створного маяка использована при создании опытного образца системы лазерный створный маяк «Анемон 3», установленного в порту Туапсе.
Диссертация выполнялась в соответствии с планами основных научных работ МГАВТ, являлась составной частью НИОКР, включенной в соответствующие планы.
Апробация работы.
Основные результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических конференциях МГАВТ (2001-2007 гг.). Методика была представлена на выставке НТТМ ВВЦ, по результатам которой была отмечена дипломом и медалью.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 1 работа в издании из перечня ВАК, 3 научных отчета, 10 работ на научно-практических конференциях МГАВТ, 1 патент.
Структура и объем диссертации.
Похожие диссертации на Методы оптимизации параметров функционирования систем лазерных створных маяков для обеспечения безопасности судовождения в стесненных условиях плавания
-
