Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности процесса швартовки и анализ информаци о онных возможностей лазерной системы контроля
1.1. Особенности процесса швартовных операций в стесненных условиях
1.2. Особенности лазерной дальнометрии 16
1.3. Анализ информационных возможностей лазерной системы швартовки танкеров
1.4. Возможности программного обеспечения системы лазерного контроля
Глава 2. Математическая модель прогноза завершения циклов регулирования скорости сближения танкера с причалом .
2.1. Определение и анализ временных параметров процесса швартовки в условиях мешающих отклонений
2.2. Синтез вероятностной модели и оценка возникновения отклонений параметров швартовки танкеров от портовых нормативов 32
2.3. Оценка времени компенсации дестабилизирующих возмущений методом сетевого планирования
Глава3. Обработка статистической информационной базы параметров лазерной системы контроля
3.1. Статистическая база оценки влияния человеческого элемента при сближении судна с причалом 44
3.2. Синтез вектора возмущения скорости швартовки судна полиномиальной аппроксимацией её тренда
3.3 Анализ и количественные оценки статистической базы параметров швартовки лазерной системы дальнометрии 62
3.4. Статистические исследования временной базы циклов регулирования
Краткие выводы 83
Глава 4. Компьютерное моделирование процесса сближения танкера с причалом
4.1. Определение вероятности отклонения параметров швартовки от портовых нормативов
4.2. Особенности сближения с причалом носа и кормы судна 91
4.3. Модель однофакторного дисперсионного анализа сближения оконечностей судна с причалом 109
4.4. Методика прогнозирования параметров сближения судна с причалом
4.5. Система контроля и анализа сближения судна с прича- плом
Краткие выводы 139
Заключение и выводы 141
Библиографический список использованной литературы И2
- Особенности лазерной дальнометрии
- Синтез вероятностной модели и оценка возникновения отклонений параметров швартовки танкеров от портовых нормативов
- Синтез вектора возмущения скорости швартовки судна полиномиальной аппроксимацией её тренда
- Особенности сближения с причалом носа и кормы судна
Введение к работе
Современный этап развития систем безопасности мореплавания характеризуется существенными достижениями науки и техники в разработке, создании, массовом производстве высоконадёжной техники судовой навигации, радиосвязи, автоматизации и информатизации судовождения и судопроводки в сложных условиях инфраструктуры акваторий портов, проливов, каналов, и т.п. С введением в действие спутниковых систем морской навигации: американской GPS, российской ГЛОНАСС, системы управления движением судов (СУДС), системы обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ) была достигнута глобальность охвата ими всего мирового океана. С последними разработками подсистем дифференциальных поправок DGPS и ДГЛОНАСС морские системы навигации получили субметровую точность определения местоположения любых морских объектов, оснащенных соответствующим транспондером автоматизированной информационно - идентификационной системы (АИС).
Проблема безопасности, как известно, обуславливается как минимум двумя основными факторами: действиями экипажа (человеческий элемент) и надежностью функционирования техники (технический элемент). В идеальном варианте правильные действия экипажа и хорошее техническое состояние судна сводят на нет возможность ситуаций, требующих особого внимания.
Исторически международное морское сообщество подходило к вопросу безопасности на море, имея в виду, в основном, техническую сторону. Традиционным считалось применение технических и технологических решений в целях повышения безопасности и сведения к минимуму инцидентов на море. Суда оснащались современными техническими средствами навигации и связи, радиолокационными станциями и средствами автоматической радиолокационной прокладки, электронными картографическими и навигационно-информационными системами и т.п. Однако, как отмечается в документах ИМО, «несмотря на технические новшества, серьезные аварии и инциденты продолжают происходить» [1].Статистика инцидентов на море, произошедших в последнее время, вынудил международное морское сообщество постепенно отойти от одностороннего подхода, сфокусированного на технических требованиях к конструкции и оборудованию судна, и обратить внимание на роль человеческого элемента в безопасности на море. Было выявлено, что в условиях участия человека во всех аспектах деятельности на море, включая проектирование, изготовление, управление, эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт, почти во все инциденты на море вовлечен человеческий элемент. Число таких случаев, связанных с человеческим элементом, стабильно удерживается на уровне 70-80% [1, 8, 9, 74, 75- 81, 97, 98].
Следует отметить, что на морском и речном транспорте, как и на других видах транспорта, большая роль отводится человеку-оператору, осуществляющему управленческие действия (оператор-судоводитель, оператор СУДС и т.д.) и оказывающему существенное влияние на безопасность судоходства, т.е. человеческому элементу. Понятие человеческого элемента включает в себя: психофизиологические свойства человека, зависимость характеристик деятельности человека от особенностей используемого технического оборудования, и т.д. В целом, психологический анализ особенностей операторской деятельности представлен в ряде фундаментальных работ Зараковского Г.М., Стрелкова Ю.К., Бодрова В.А., В.Я. Орлова, Котика М.А., Голикова Ю.А., Костина
А.Н. и др.
Применительно к задаче безопасности швартовки в работах Демьянова
В.В., Попова В.В., Ерыгина В.В., Долматова Б.М., и др. сделаны выводы о том, что сантиметровая точность измерений расстояний недоступна ни человеку, при визуальном определении расстояний, ни техническим средствам навигации с помощью РЛС или оптических средств. Сантиметровая точность определения положения центра тяжести и концевых точек судна на ограниченной акватории в процессе швартовных операций доступна специальным портовым лазерным системам, действующим только в зоне каждого отдельного причала. Поскольку последние начали внедряться в портах мира с 2002-го года, и их распространение займёт некоторый период времени, то внедрение лазерных систем швартовки, в Новороссийске такая система уже развёрнута у прича- лов нефтетерминалов "Шесхарис", будет одним из факторов снижения субъективного воздействия человеческого фактора и повышения безопасности при выполнении операций швартовки больших морских судов в портах. Так же в работах акцентируется внимание на недоступности человеку высокой точности измерений, ограниченности временных реакций, проявляющихся в условиях его взаимодействия с объектом управления. В силу большой информационной нагрузки при непрерывном слежении за постоянно меняющейся ситуацией, обработки большого количества информации, принятие решений и, как следствие, возникающей усталости оператор-судоводитель может допускать ошибки, приводящие к возникновению аварийных ситуаций и авариям. Все эти факторы информационной перегрузки операторов оказываются в опасной зоне значений для безопасности судопроводки по акваториям больших портов, каким, например, является порт Новороссийск. Исследования в области рассматриваемой проблематики показывают, что технические системы высокоточного определения и надежного контроля местоположения судна в районах плавания с высокой интенсивностью судоходства, и особенно на заключительном этапе судозахода, при швартовке, приобретают все большее значение.
Необходимость повышения безопасности определяется все большим увеличением сложности современных танкеров. Эта проблема наиболее актуальна на современном этапе, решаемая внедрением таких технических систем, которые на основе выработанных рекомендаций предоставляют поддержку в принятии решения судоводителям в ситуациях с неявно выраженными параметрами. Перспективы применения таких систем открывают на морском транспорте, где человеческий элемент играет существенную роль, новые информационные возможности, для совершенствования процессов судовождения.
В соответствии с этим актуальной задачей информационного обеспечения процесса швартовки является исследование неиспользованной базы пространственно-скоростных параметров, сформированных лазерной системой контроля путём расширения её возможностей.
Для решения этой задачи необходимо: обработать и преобразовать статистическую информационную базу дистанций до причала и скоростей судна при швартовке, сформированную специализированной программой «DOCKMASTER»; разработать математическую модель прогноза завершения циклов регулирования при сближении судна с причалом; разработать методику и алгоритм формирования значений времён циклов регулирования скорости сближения судна с причалом; разработать методику определения резервного времени и прогнозной дистанции в процессе швартовки;
5) предложить систему, расширяющую поддержку судоводителя в принятии решения в ситуациях с неявно выраженными парамет рами, в виде индикатора безопасности.
Особенности лазерной дальнометрии
На четырех причалах нефтегавани Шесхарис в 2002 году смонтированы и пущены в эксплуатацию оптиколокационные дальномеры на основе лазера "LASER DISTANCE SENSOR LD90-3HiP" австрийской фирмы "RIEGL". Оптиколокационный дальномер, установленный на причале определяет дистанцию до приближающегося судна посредством его облучения зондирующим оптическим сигналом. Датчики ряда LD90-3 относятся к импульсным системам; их действие основано на принципе измерения времени распространения короткого зондирующего лазерного импульса до цели и обратно [7, 8, 9, 13]. С учётом того, что расстояние от излучающего зрачка лазера до швартуемого судна составляет не более нескольких сотен метров, т.е. сравнительно мало, интенсивность рассеянного бортом сигнала достаточно велика и поэтому дальномеры могут использоваться, фактически, при любой, даже плохо отражающей поверхности при любых погодных условиях, разрешённых для швартовки. В состав лазерного дальномера входят следующие компоненты: - полупроводниковый лазер; - фотоприёмник; - приёмопередающая оптическая система; - устройство измерения времени запаздывания между зондирующим и принятым импульсами; - микрокомпьютер; - аналоговый и цифровой интерфейс. Принцип действия заключается в следующем: полупроводниковый лазер формирует периодическую последовательность коротких инфракрасных импульсов, которые коллимируются оптической системой и излучаются в виде луча с малой расходимостью в направлении швартуемого судна. Одновременно с излучением импульсы запуска лазера поступают на систему измерения времени, включая высокостабильный генератор счётных импульсов.
Облучая борт судна, зондирующие оптические импульсы отражаются от него рассеянным потоком. Часть отражённого света воспринимается приёмной оптикой лазера, и на выходе фотоприёмника формируется импульс отражённого сигнала, который поступает на устройство измерения времени, останавливая генератор счётных импульсов. Таким образом, по количеству подсчитанных счётных импульсов одинаковой длительности определяется дальность до борта судна Результат передаётся во встроенный микрокомпьютер, который готовит необходимую базу данных для передачи в центр управления швартовкой, а также на информационное табло, установленное на причале № 1 нефтегавани «Шесхарис» и отображающее информацию о дистанции между судном и причалом, а так же скорости их сближения. Технические параметры лазерного дальномера приведены в таблице 1.2. Семилетняя эксплуатация дальномеров на причалах № 1, № 2, № 6, №7 нефтетерминала «Шесхарис» показала их надёжность, удобство в эксплуатации и минимум технического обслуживания. К достоинствам дальномеров можно отнести: - точное и динамическое измерение расстояния и скорости; - функциональный дизайн; легкий вес и устойчивое металлическое крепление; - короткий импульс излучения при достаточно высокой спектральной плотности обеспечивает превосходную помехоустойчивость; - герметичность корпуса и прекрасное качество защитного стекла позволяют эксплуатировать изделие в сложных погодных условиях; - узкий луч излучения с очень низким расхождением обеспечивает высокое пространственное разрешение; - дальномер измеряет дистанцию при любом положении судна, подготовленного для швартовки; - результаты измерения не зависят от погодных условий, температуры и параметров вдоль трассы распространения луча. Перечисленные особенности позволили использовать оптиколокацион-ный дальномер в составе лазерной системы контроля швартовки.
Лазерная система контроля швартовки судов, разработанная совместно с компанией Marimatech AS является вспомогательной системой для лоцманской службы порта и предназначена для повышения безопасности в процессе причаливания и швартовки судов, а также позволяет вести мониторинг их состояния после постановки к причалу [7, 9, 50]. Рассмотрим более подробно возможности лазерной системы информационного обеспечения швартовки. Одной из функциональных возможностей системы является обеспечение судоводителя информацией о дистанции и скорости сближения судна с причалом. Эта информация дублируется на переносном лоцманском индикаторе, находящемся в руках судоводителя. Кроме того, информация с компьютера центра управления швартовкой (дальность до судна, скорость сближения по корме и носу) отображается на цифровом табло, расположенном на причале № 1. Табло соединено кабелем с мультиплексором. Информация на цифровом табло читается с расстояния 200 м в дневное и ночное время при нормальной видимости, и выполнено для условий взрывоопасной зоны.
Синтез вероятностной модели и оценка возникновения отклонений параметров швартовки танкеров от портовых нормативов
Рассмотрим такую модель системы швартовки, в которой оператор, получив, информацию о возмущении отреагировал на неё не сразу, (например, посчитав не существенной, либо затратил достаточно много времени на выбор решения), т.е. какое-то время наблюдал за процессом, но не принимал активных действий, и осуществим анализ посредством модели (рис.2Л). Во многих системах управления можно считать, что возмущения поступают в виде пуассоновского потока с определенной интенсивностью Я.
Для решения задачи прогноза завершения циклов регулирования скорости при сближении судна с причалом рассмотрена статистика выборок результатов швартовки, осуществленных с помощью лазерных дальномеров и рассчитана интенсивность возмущений А, отклоняющих судно относительно заданного плана его перемещения.
Каждому возмущению, возникающему в системе, соответствует определенное резервное время Топ - Тцр. Тогда вероятность того, что за время t с момента начала движения судна успеет возникнуть возмущение и истечь резервное время, будет:
Поскольку возмущения определяются большим количеством факторов (ветер, течение, тип судна...), то они, вероятнее всего, как будет показано далее, распределены по нормальному закону. Для проверки этой гипотезы статистическую выборку необходимо подвергнуть исследованию по критерию согласия Пирсона. Время цикла регулирования так же, как и рассмотренные выше параметры, является случайной величиной. В таком случае вероятность появления /-го значения времени цикла регулирования можно рассчитать по формуле [8,19]: где Тцр ср - математическое ожидание времени цикла регулирования, ацр- среднее квадратическое отклонение случайной величины. Случайные события появления возмущения за время t и появления / -го значения времени цикла регулирования для пуассоновского потока независимы, поэтому вероятность того, что і — й цикл регулирования в системе будет завершен во временном промежутке 11 определяется произведением рассмотренных выше вероятностей:
Вероятность же завершения циклов регулирования всей системы управления швартовкой P(t,D), определяется суммой парциальных вероятностей:
Приведенные выше соотношения позволяют решить задачу определения вероятности того, что в процессе швартовки будут устранены все возникающие возмущения, путем завершения каждого из циклов регулирования.
Ситуация, в которой у оператора не хватит времени для устранения, какого - либо из возмущений и цикл регулирования не завершится до момента касания фендерной линии, расценивается как отказ системы, т.е. невыполнение поставленной задачи швартовки, ведущей к контакту судна со скоростью, превышающей нормативное значение, и рассчитывается по формуле:
Для количественной оценки времени компенсации дестабилизирующих возмущений ниже проведен анализ экспериментальных данных, полученных на нефтегавани «Шесхарис» в процессе наблюдения за сближением танкеров с причалом и хронометража радиообмена информацией между судоводителем, береговыми службами и буксирами.
Синтез вектора возмущения скорости швартовки судна полиномиальной аппроксимацией её тренда
Причалы нефтерайона «Шесхарис» порта Новороссийск оборудованы лазерной системой швартовки крупнотоннажных судов (ЛСШКС), обеспечивающей лоцмана информацией о дистанции до причала и скорости сближения с ним носа и кормы крупнотоннажного судна, а также гидрометеорологической информацией. Эта система позволяет вести документирование параметров движения судна при швартовке, отходе и во время стоянки. Информационные потоки от лазерных дальномеров, установленных на причалах, а также от гидрометеостанции нефтерайона обрабатываются специализированной программой «DOCKMASTER», представляющей информацию о параметрах движения и стоянки судна в виде электронных баз данных, а так же в более наглядном графическом виде. В ходе исследования выяснилось, что информация о параметрах швартовки записанная программой «DOCKMASTER» не сочетается с форматами компьютерных программ анализа статистических данных (EXCEL, SPSS, STATISTICA и им подобные). Поэтому необходимо осуществить преобразование электронных баз параметров швартовки, представленных программой «DOCKMASTER» к формату программ обработки статистической информации [48]. Наличие преобразованной базы данных позволяет проанализировать качество швартовки и выработать рекомендации по повышению безопасности сложной морской системы в целом. Анализ этой информации рассмотрим на примере графического представления преобразованных параметров электронной таблицы о сближении с причалом, например, носа крупнотоннажного судна «Lucky Sailor» вместимостью 100 тыс. тонн, длиной 277 и шириной 44 метра (рис.3.2). Из рисунка 3.2 видно, что с течением времени швартовки дистанция почти плавно, без видимых возмущений в рассматриваемом масштабе, снижается до нуля.
Поскольку нормируемым параметром является скорость швартовки [13, 49], то целесообразно рассмотреть, в первую очередь, именно этот параметр.
Анализ появления дестабилизирующих возмущений и времен на их устранение с учетом субъективных качеств лоцмана, экипажей буксиров, метеоусловий и т.д. позволяют оценить вероятность отклонения параметров швартовки от допустимых значений, а так же дать рекомендации для их предотвращения.
В связи с этим дальнейшее исследование необходимо проводить посредством обработки уже преобразованных накопленных данных, сформированных программой «DOCKMASTER».
Синтез вектора возмущения скорости судна рассмотрим на примере швартовки уже отмеченного судна «Lucky Sailor». Всю процедуру обработки информации и получение результирующей базы длительностей времён существования возмущения целесообразно разбить на три этапа.
На первом этапе происходит преобразование исходной информации к виду, удобному для дальнейшей обработки по схеме представленной на рисунке 3.3.
Фиксированное время с момента начала процесса швартовных операций, например, 21:23:22, которое не всегда записывается программой «DOCKMASTER» посекундно, а с интервалами времени 5, 10 и 15 секунд, необходимо перевести в текстовый числовой формат с тем, чтобы определить какую долю суток составляет каждое время. Например, времени 21:23:22 соответствует значение доли суток равное 0,89122. Далее преобразованное в текстовый числовой формат время пересчитывается во время с начала суток в секундах по формуле:
В рассматриваемом примере, для носа судна «Lucky SailoD , по формуле (3.1) имеем: 0,89122 24 3600 = 77002 секунд с начала суток. Из исходной электронной таблицы параметров швартовки фиксируются значения скорости носа судна относительно причала. Например, времени 21:23:22 соответствует скорость судна - 30,5 см /сек. Для построения диаграммы зависимости скорости судна от времени швартовки формируются базы посекундных значений времени и линейного изменения скорости судна В таблице 3.4 представлен фрагмент полученных массивов информации, на котором и заканчивается первый этап — этап преобразований исходных данных [48,49].
Особенности сближения с причалом носа и кормы судна
В процессе обработки статистических данных и накопления базы времён циклов регулирования Т цр было замечено, что оконечности судна (кормовая и носовая) к моменту первого контакта с причалом имеют различные скорости. Корме того, время момента первого касания фендерной линии одной из оконечностей судна отличается от времени касания фендерной линии другой оконечности. В сборнике обязательных распоряжений по морскому торговому порту Новороссийск определено условие: «...сближение судна с причалом следует осуществлять с помощью буксиров, параллельно причалу, чтобы судно «легло» на все четыре пала одновременно...» [13]. Однако анализ баз информационных данных о сближении судна с причалом, зафиксированных лазерной системой различных процессов швартовок показывает, что не всегда удается достигнуть одновременного касания носовой и кормовой оконечностей танкера.
Так, например, крупнотоннажное судно «OTTOMAN NOBILITY» длиной 269 метров, шириной 46 метров, дедвейтом 152622 тонн, производило швартовку 04.05.2009 г. к причалу №1 нефтегавани «Шесхарис». Скорость носа судна к моменту первого контакта с причалом составляет 6,7 см/сек, а скорость кормы -1 см/сек. Время первого касания носа судна зафиксировано лазерной системой в 01:07:50, а время касания кормы - в 01:13:20. Разница во времени моментов касаний фендерной линии носа и кормы, таким образом, составляет 5 минут 30 секунд. Ниже в таблицы 4.2, 4.3. сведены скоростные и временные характеристики оконечностей судна в различных процессах швартовных операций.
Скоростные параметры частей различных судов при первом контакте с причалом
з таблиц 4.2, 4.3 видно, что скоростные и временные параметры оконечностей судна при первом контакте с причалом различаются. Кроме того, разница во времени A t касаний фендерной линии причала носа и кормы судна колеблется в пределах от практически одновременного касания причала кормы и носа судна до значений достигающих минут и даже десятков минут. Поэтому необходимо провести анализ этих характеристик во время касания оконечностей судна причала. В соответствии с таблицами 4.2, 4.3 и условием, приведённом в нормативном документе целесообразно рассмотреть следующие ситуации [13]: 1. Скорости обеих оконечностей судна ниже допустимой V] 8 см/сек и Vi 8 см/сек; и одновременное касание кормовой и носовой оконечностей судна с причалом A t=0 при разных скоростях; 2. Скорость одной части судна выше допустимой скорости V] 8 см/сек, а другой оконечности судна - ниже допустимой V2 8 см/сек; 3. Скорость одной части судна при касании причала ниже допустимой 8 см/сек, скорость другой оконечности судна — выше допустимой скорости V2 8 см/сек; 4. Скорости кормовой и носовой оконечностей судна выше допустимой скорости V] 8 см/сек, V2 8 см/сек; Временные характеристики сближения носа и кормы различных судов
Из рисунка 4.4. следует, что ситуации 1 соответствует 37,5% швартовок, когда скорости оконечностей судна ниже допустимой. Здесь же показана ситуация, при которой оконечности судна касаются с причалом одновременно, имея разные скорости ниже 8 см /сек, их процентное соотношение составляет 6,25% от общего числа проанализированных швартовок. Желтым цветом окрашены столбики, соответствуюпще ситуациям 2 и 3. В этом случае одна из оконечностей судна соударяется с причалом со скоростью выше рекомендованной, а другая ниже. Наиболее опасной является ситуация 3, в которой первой коснулась причала оконечность, со скоростью ниже 8 см/сек, в этом случае судоводитель мог успокоиться и не обратить особого внимания на другую оконечность судна, которая ударилась о причал со скоростью выше допустимой. И красным цветом на диаграмме окрашен столбик гистограммы в ситуации, когда обе оконечности судна имеют скорости выше 8 см/сек, т.е. происходит нарушение условий, описанных в нормативном документе [13], В этой ситуации судно навалилось на причал, и степень тяжести навала зависит от того, на сколько скорости оконечностей судна превышают допустимую.
На рисунках 4.5 - 4.9 приведены примеры зависимостей скоростных и временных характеристик при контакте оконечностей судов с причалом, отражающие ситуации в которых возможен навал на причал.
