Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время наблюдается интенсивный прорыв методов использования спутниковых навигационных систем (СНС) в различные области науки, технологии, службы надзора, контроля и эксплуатации, в том числе в различные виды транспорта, включая морской и речной флот.
Созданная для судов аппаратура потребителей – судовая спутниковая навигационная аппаратура (ССНА) – наделена множеством функций, производных от высокоточного ежесекундного определения обсервованного места судна. Полезной вспомогательной информацией ССНА является вычисление и индикация уклонения судна от локсодромии, проложенной между предшествующей и последующей путевыми точками. Это новый для судоводителя вид информации, не фиксируемой другими техническими средствами судовождения и прежде получаемой только графоаналитическими методами непосредственно судоводителем.
Информация об уклонении судна от заданной локсодромией линии пути используется судоводителем в настоящее время для коррекции курса судна с целью выхода в последующую путевую точку. Но достаточно успешно эту информацию можно использовать и для непосредственного управления рулем судна с целью удержания судна вблизи заданной линии пути, т.е. для ведения судна по ЗЛП.
Дополнительную актуальность управлению судном по уклонениям от заданной линии пути (УС по УЗЛП) придает то обстоятельство, что индицируемое уклонение аккумулирует в себе также и снос судна под действием ветра и течения, что в итоге придает технологии УС по УЗЛП качественно новый характер. Эта технология может быть использована в том числе и на судах внутреннего водного транспорта.
Информация об уклонении от ЗЛП при наличии на судне технических средств судовождения в виде гирокомпаса и лага может быть дополнена показаниями этих приборов, что позволяет придать новое качество процессу УС по УЗЛП. Оно может быть реализовано на электронной картографической навигационной информационной системе (ЭКНИС). На экране монитора ЭКНИС в большем размере и в более удобном, регулируемом масштабе может быть выведена система ближайших путевых точек, заданная линия пути, величина и направление уклонения судна от ЗЛП, а также вектор курса судна и вектор пути судна, разница между которыми дает вектор общего сноса судна. Эта дополнительная информация на экране ЭКНИС создает добавочные индикаторы, облегчающие и улучшающие процесс УС по УЗЛП.
В целом совместное применение ССНА и ЭКНИС создает достаточный комфорт работе рулевого, что сказывается на качестве УС по УЗЛП и приводит к улучшению статистических показаний уклонения судна при достаточно длительном процессе ведения судна по этой технологии. Это позволяет ставить вопрос о ее применении для управления судном по внутренним водным путям (ВВП).
Таким образом, как отдельное применение СНС, так и совместное применение СНС и ЭКНИС в технологии УС по УЗЛП является актуальной задачей современного судовождения, в том числе судовождения на ВВП.
Объектом исследования является способ управления судном по индицируемым с помощью СНС уклонениям обсервованного места судна от заданной линии пути судна.
Предметом исследования является величина уклонений обсервованного места судна в различных условиях плавания, при различных состояниях загрузки судна и персоналиях судоводителей, при различных гидрометеоусловиях, при ручном управлении судном по индицируемым уклонениям (при использовании только ССНА) или по индицируемым уклонениям и векторам курса и пути судна (при использовании ССНА и ЭКНИС).
Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной НИР кафедры судовождения НГАВТ «Проблемы повышения безопасности плавания судов», номер государственной регистрации 0120.0806449.
Научная гипотеза. Высокоточные обсервации с частотой 1с-1 по спутниковой навигационной системе с учетом функциональных возможностей ССНА индицировать величину уклонения обсервованного места судна от заданной линии пути позволяют использовать величину уклонения в качестве критерия для принятия решения о величине и законе перекладки руля для минимизации уклонения судна от заданной линии пути.
Степень изученности проблемы. К настоящему времени наиболее изучен вопрос развития СНС и ЭКНИС.
Вклад в развитие СНС в нашей стране, в оценку их практической достижимой точности, а также в развитие методов применения СНС в народном хозяйстве и конкретно на морском и речном флоте внесли труды достаточно большого числа авторов. По-видимому, далеко не полный перечень их может быть представлен следующими фамилиями: В.С. Шебшаевич, А.И. Лурье, П.Е. Эльясберг, М.М. Кобрин, Ю.В. Батраков, Е.Д. Голиков, В.П. Заколодяжный, Э.А. Жижемский, А.А. Колосов, Л.И. Кузнецов, В.Ф. Проскурин, А.Н. Радченко, Н.К. Сергеев, Б.А. Смольников, Е.Ф. Суворов, В.А. Фуфаев, Г.И. Черепанов, Е.П. Чуров, В.И. Юницкий, М.Ф. Решетнев, Ю.А. Соловьев, К.М. Антонович, Ю.А. Комаровский.
Вклад в развитие ЭКНИС и их модификацию для ВВП России – систему отображения электронных карт и информации (СОЭНКИ) – с трудом поддается персонификации, поскольку картографические стандарты ЭКНИС, СОЭНКИ – это программные продукты, разрабатываемые ИМО (IMO – International maritime organization), государственными предприятиями и крупными компаниями с участием больших коллективов программистов, персональный состав которых в силу целого ряда причин текущей острой актуальности не разглашается. С достаточной уверенностью могут быть названы компании, внесшие ведущий вклад в развитие электронной картографии – это отечественная компания ТРАНЗАС МАРИН и иностранная C-MAP.
Слабо изучен вопрос использования отдельных функций ССНА, в том числе информации об уклонении судна от заданной локсодромии. Вопрос об использовании уклонения от ЗЛП для непосредственного управления судном ранее не поднимался. По-видимому, впервые это предложение в письменном виде высказано В.И. Сичкаревым.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка метода повышения безопасности плавания судов за счет управления судном по контролируемому параметру – уклонению от заданной линии пути, учитывающему общий снос судна при ежесекундных обсервациях по спутниковой навигационной системе.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих научных задач:
- изучение особенностей СНС, достижимой точности обсерваций по спутниковым навигационным системам GPS NAVSTAR, ГЛОНАСС, ГЛОНАСС-NAVSTAR и путей повышения точности, особенностей ЭКНИС;
- проверка на математической модели возможности и результативности ручного ведения судна по заданной линии пути при управлении рулем на основе информации о величине и направлении уклонения судна от заданной линии пути;
- отыскание факторов-предшественников изменения уклонения от ЗЛП и поиск возможности их учета при управлении рулем;
- проверка процесса управления реальным судном по способу управления рулем на основе информации о величине и знаке уклонения судна от ЗЛП и привлечения дополнительных факторов, облегчающих реализацию указанной технологии;
- накопление статистики точности управления реальным судном по уклонениям от ЗЛП при различных состояниях загрузки судна, гидрометеоусловиях, при различных персоналиях судоводителей;
- проверка возможности и результативности подготовки судоводителей к УС по УЗЛП на судоводительском тренажере;
- разработка методики и программы подготовки судоводителей ВВП к УС по УЗЛП на тренажере;
- опытная подготовка судоводителей ВВП на тренажере.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели при решении научных задач использовались методы математического моделирования движения судна с изменяемым углом перекладки руля, методы натурного и тренажерного эксперимента, методы математической статистики и теории вероятностей, методы аналитической геометрии.
Научная новизна работы состоит в исследовании возможности и результативности управления судном по уклонениям от ЗЛП на математической модели, на натурном судне, на судоводительском тренажере. При этом впервые поставлены и решены следующие научные задачи:
- численно исследован процесс ручного управления судном путем задания различных углов перекладки руля по критерию минимизации уклонения судна от ЗЛП. При этом обнаружены факторы, предшествующие изменению уклонения от ЗЛП, способствующие повышению точности ведения судна по ЗЛП;
- выполнены натурные проводки судна по уклонениям от ЗЛП с использованием ЭКНИС. При этом накоплен статистический материал, позволивший получить обобщенные гистограммы уклонений судна от ЗЛП и некоторые удобные для использования точечные статистические оценки;
- разработана методология подготовки судоводителей к управлению судном по уклонениям от ЗЛП на судоводительском тренажере с использованием ЭКНИС.
Практическая ценность работы. Исследованный в работе способ управления судном по уклонениям от ЗЛП положен в основу разработанной технологии ручного управления судном по уклонениям от ЗЛП. Этой технологии обучены судоводители судна, использовавшегося для проведения натурных экспериментов.
Разработанная технология применена в методике обучения судоводителей на судоводительском тренажере и использована в составленной программе подготовки судоводителей к управлению судном по уклонениям от ЗЛП с оценкой результативности процесса обучения.
Реализация работы. Отдельные этапы работы по разработке способа управления судном по уклонениям от ЗЛП внедрены на судах ООО «Палмали», а также в ОАО «Западносибирское речное пароходство», с группой судоводителей которого проведено опытное обучение на судоводительском тренажере НГАВТ.
Личный вклад автора. Автор численно реализовал математическую модель УС по УЗЛП, организовал и провел натурные эксперименты на судах ООО «Палмали», выполнил их обработку и получил статистические характеристики процесса, выдвинул и реализовал идею использования ЭКС в технологии управления судном по уклонениям от ЗЛП и по векторам курса и пути судна, осуществил обучение судоводителей на судах ООО «Палмали» и опытное обучение судоводителей ОАО «ЗСРП».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Обобщенные гистограммы и точечные статистические оценки процесса управления реальным судном смешанного река-море плавания в речных условиях при различных состояниях загрузки судна;
2. Технология управления судном по уклонениям от ЗЛП с использованием возможностей ЭКНИС;
3. Методика тренажерной подготовки судоводителей ВВП к управлению судном по уклонениям от ЗЛП с оценкой результативности обучения.
Достоверность результатов. Включенные в работу результаты получены из натурных экспериментов на грузовом судне смешанного река-море плавания путем регистрации на ЭВМ показаний действующих судовых навигационных приборов, поэтому достоверность результатов подтверждена практикой эксплуатации реального судна.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и инженерно-технических работников речного транспорта и других отраслей, НГАВТ, 16-19 апреля 2007 года; на Межвузовской научной конференции: Философия науки и техники, НГАВТ, апрель 2008 года; на Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава «Водный транспорт России вчера, сегодня, завтра», НГАВТ, 2009; на V Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2009» «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия», СГГА, 20-24 апреля 2009 года.
Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, в том числе в 2 статьях периодических изданий по перечню ВАК. Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50%.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы, состоящий из 95 наименований, три приложения. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 15 таблиц.
