Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Безопасность судоходства на водных путях 13
1.1 Анализ причин аварийности на водном транспорте 15
1.2 Современные средства навигационного оборудования 18
1.2.1 СНО ближнего действия 19
1.2.1.1 Традиционные створы 19
1.2.1.2 Лазерные системы 21
1.2.2 СНО дальнего действия 26
1.2.2.1 Спутниковые системы 26
1.2.2.2 Автоматизированные комплексы 33
1.3 Основные направления развития СНО 35
Выводы по главе 1 37
Глава 2. Высокоточные системы причаливания и проводки судов 38
2.1 Система проводки судов 38
2.1.1 Анализ причин аварийности на р. Нева 3 8
2.1.2 Пути повышения безопасности судоходства на р. Нева 42
2.1.3 Применение и расчет ЛСМ «Анемон» для проводки судов по р. Нева в черте г. Санкт-Петербург 44
2.1.4 Разработка методики расчета навигационной системы для проводки судов по фарватерам с отклонениями от прямолинейности 51
2.2 Система причаливания речных судов 59
2.2.1 Назначение и принцип действия системы 59
2.2.2 Состав оборудования, схемы размещения, технические характеристики 63
2.2.3 Эксперимент с ультразвуковой системой причаливания (на примере причала на р. Москва) 65
2.3 Система причаливания морских судов 69
2.3.1 Назначение и принцип действия системы 69
2.3.2 Состав оборудования, схемы размещения, технические характеристики (на примере порта Приморск) 72
2.3.3 Рекомендации по расчету импульсного лазерного дальномера для систем причаливания 78
Выводы по главе 2 80
Глава 3. Компьютерное моделирование высокоточных систем навигации 82
3.1 Задачи и особенности моделирования 82
3.2 Выбор способа отображения информации 85
3.3 Моделирование работы системы причаливания судов 89
3.3.1 Компьютерная программа «Модель лазерной системы причаливания» 90
3.4 Моделирование системы проводки судов 97
3.4.1 Компьютерная программа «Настройка параметров ЛСМ «Анемон» 101
3.4.2 Компьютерная программа «Проводка судна по ЛСМ «Анемон» 108
3.5 Оценка экономической эффективности применения ЛСМ «Анемон» для проводки судов (по сравнению с линейными створами) 118
Выводы по главе 3 123
Заключение 125
Список использованных источников
- Современные средства навигационного оборудования
- Анализ причин аварийности на р. Нева
- Применение и расчет ЛСМ «Анемон» для проводки судов по р. Нева в черте г. Санкт-Петербург
- Моделирование работы системы причаливания судов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одной из важнейших задач на водном транспорте является повышение безопасности судоходства на водных путях Это особенно актуально в случаях причаливания, швартовки, захода в шлюз (или док), при прохождении по узким фарватерам, плавании в сложных условиях
Надежность и эффективность навигационного оборудования играют значительную роль в обеспечении безопасности плавания и эксплуатации судов Судоводителю необходимо иметь возможность высокоточного контроля положения судна при плавании в прибрежной зоне, на подходных путях, на каналах и в акваториях портов Возможная авария связана с риском человечесіою жертв, загрязнения окружающей среды, порчи гидротехнических сооружений, повреждения судов и грузов
В современных условиях, когда «человеческий фактор» по-прежнему остается основной причиной транспортных происшествий, а существующие средства навигационного оборудования не всегда эффективны и не могут обеспечить необходимую точность, целесообразна разработка и применение на флоте высокоточных систем навигации, базирующихся на инновационных технологиях.
Научная задача - разработка комплекса методов, способов и технических решений, направленных на повышения безопасности судоходства на водны? путях
Цель исследования - Повышение безопасности судоходства на водных путях с минимизацией роли «человеческого фактора» путем применения высокоточных систем навигации
Задачи исследования. Достижение цели исследования реализуется путем решения ряда частных задач
1 Провести анализ причин аварий на водном транспорте, установить роль «человеческого фактора» и эффективности средств навигационного оборудования,
2. Разработать и применить высокоточные системы навигации на основе
инноваї ионных технологий - причаї ивания и проводки судов, в том числе
провеет ї эксперимент по оценке иозмоясности применения ультразвугового
локаторі в системе, причаливания речного пассажирского судна,
3 Разработать математические модели, на основе которых написать компьютерные программы, имитирующие работу высокоточных систем навита.ии, для наглядного обучения и ознакомления специалистов вэдного транеш рта.
Объект исследования ~ высокоточная система навиї-анди, в том числе причал: шания и проводки судов
Предмет исследования - навигационная безопасность судоходства на водных путях
А'етады исследований. Методы геометрии, высшей математики, математического анализа и моделирования, теоріии вероятностей и математической статистики, физіюи пазера и ультразвука, лазерной и ультра: вуковой дальнометрии, психологии и медацины, двух- и трехмерной компьютерной графики, объекта э-ориентиронанного программирования, расчет* и проектирования ЛСМ «Анемон» с учетом опыта многолетней эксплу. ітации
1Таучная новизна,
Проведен анализ причин аварийности на водном транспорте,
Разработана методика расчета лазерной системы проводки судов (на основе ЛСМ «Антон») для фарватеров с: отклонениями от прямолинейности,
3. Предложена идея и проведен эксперимент по оценке возможности
примеї ения ультразвукового лої а гора в системе зтричаливания речного
пассажирского с>дна;
^ Разработаны математичесше модели и написаны компьютерные программы, имртирующие работу высокоточных систем причаливания и провод ки судов.
Практическая значимость.
Проведенный анализ аварийности на водном транспорте позволил выявить роли «человеческого фактора» и эффективности средств навигационного оборудования, в результате чего были определены основные направления совершенствования существующих и разработки новых систем навигации,
Разработанная методика расчета лазерной системы проводки судов (на основе ЛСМ «Анемон») для фарватеров с отклонениями от прямолинейности является основой для проектирования таких систем, позволяет определять основные' характеристики аппаратуры, параметры установки на местности,
По результатам проведенного эксперимента была разработана ультразвз'ковая система причаливания речных пассажирских судов и даны рекомендации по ее внедрению и совершенствованию,
Написанные компьютерные программы на основе разработанных математических моделей позволяют наглядно обучать и знакомить специалистов водного транспорта с работой высокоточных систем причаливания и проводки судов
Положения, выносимые на защиту.
Результаты анализа причин аварийности на водном транспорте, практические рекомендации по совершенствованию существующих и разработке и применению новых высокоточных систем навигации,
Методики расчета лазерных систем проводки судов (на основе ЛСМ «Анемон») для участка р. Нева и фарватеров, с отклонениями от прямоли чейности
3 Результаты эксперимента, рекомендации по внедрению и
совершенствованию ультразвуковой системы причаливания речного
пассажирского судна,
4 Математические модели и компьютерные программы высокоточных
систем навигации
Обоснованность и достоверность полученных результатов
обеспечиваются. комплексным харгіктером работы (аналитические, теоретшеские и 'жспериментальные исследования), а также сопоставлением и подтве эжцением теоретических расчетов и результатов, полученных в ходе экспериментов; применением эксперимет альных методов исследования, базиро завшихся на изучении комглексных результатов работы и опыта многолетней эксплуатации ЛСМ «Анемон», систем управления, проводки, причах ивания, овзартовки судов
Практическая реализация результатов исследования. Результаты могут быть реализованы в комплексе мероприятий, предусмотренных подпрограммами «Морской транспорт» и «Внутренний водный траіспорт» Федершьной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 гг)», в деятельности организаций, подведомственных Федершьному агентству морской» и речного транспорта Министерства трансг орта РФ
По результатам проведенного эксперимента разработаны практические предложения по внедрению ультреїзиукового локатора в системе причаливания речны <. пассажирских судов.
'азработанные методы математического моделирования,
прогрі іммирования и расчета ЛСМ «Анемон>> используются на кафедрах физик і и химии и судовождения МГ АВТ
Цля морских портов Туапсе и Калининград предложены практические компьютерные модели с целью получения лоцманами и судоводителями практ гаеских навыков ориентирования по ЛСМ «Анемон»
Эсновные научные результаты могут быть использованы в дальнейших исследованиях и работах по модернизации средств навигационного обору кования, и частности, при проектировании новых модификаций ЛСМ «Анет гон», высокоточных систем причаливания, при написании компьютерных прогр шм, создааии тренажерных средств обучения судоводителей и лоцманов.
Апробация работы. Основные результатні исследования.
докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГАВТ в 2002, 2003, 2004, 2005 и 2006 гг,
представлялись на Научно-практической конференции «Научное творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» VI Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ-2006 в Москве на ВВЦ (выдан Сертификат участника),
экспонировались на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2006 в Москве на ВВЦ (отмечены Дипломом за творческий подход при создании научного проекта и активное участие в выставке)
Работа в целом апробирована на расширенном заседании кафедр физики и химии и судовождения МГАВТ с привлечением специалистов других кафедр и вузов
Публикации. Материалы исследования отражены в 10 научных статьях, 2 из которых опубликованы в издании, рецензируемом ВАК
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованных источников, 10 приложений, изложена на 135 страницах машинописного текста и включает 54 рисунка, 5 таблиц, список использованных источников из 103 наименований (в том числе 5 зарубежных)
Современные средства навигационного оборудования
Надежность навигационного оборудования играет большую роль в задаче обеспечения безопасности плавания судов и эффективности их эксплуатации. ;
Судоводителю необходимо иметь возможность высокоточного контроля положения судна при плавании в прибрежной зоне, на подходных путях, в узких фарватерах, на каналах и в акваториях портов. Возможная авария связана с риском человеческих жертв, загрязнения окружающей среды, порчи гидротехнических сооружений, повреждениями судов и грузов.
В зависимости от дальности действия [18, 19], различают следующие средства навигационного оборудования (СНО): - ближнего действия, предназначенные для оборудования зон стесненного плавания: фарватеры, узкие каналы рек и акваторий портов. Эти зоны, как правило, ограничиваются расстояниями от сотен метров до нескольких миль; - среднего действия, предназначенные для использования в зоне прибрежного плавания на удалении до 200 миль от берега; \ - дальнего действия, предназначенные для зоны открытого плавания на удалении свыше 200 миль.
По принципу действия СНО подразделяются на: радиотехнические; звукосигнальные; гидроакустические; зрительные.
Основными средствами при решении задач ближней навигации на водном, транспорте являются зрительные СНО. По технико-функциональным признакам они подразделяются на стационарные и плавучие. Стационарные маяки, знаки, огни и створы - служат для определения места нахождения судна (методом измерений направлений и расстояний до них). Плавучие - буи, бакены, вехи - используются как навигационные ориентиры и предназначены для ограждения мест, представляющих навигационную опасность - фарватеров, каналов, участков с особым режимом движения. Для использования в темное время суток они оборудуются специальной световой аппаратурой. :
Основные преимущества зрительных СНО перед другими заключаются в: простоте их использования, наглядности и относительной точности ориентирования. Для измерения навигационных параметров на судне достаточно иметь штатные средства судовождения. Каждый объект имеет определенную форму и цвет, что обеспечивает быстрое его опознание и определение места судна.
Обладая рядом достоинств, зрительные СНО имеют и существенные недостатки. Поясним это на примере осевого (линейного) створа, который в настоящее время является основой (больше половины всех береговых знаков) берегового оборудования внутренних водных путей России.
Створ указывает направление оси судового хода и состоит из двух знаков \ - переднего и заднего, расположенных на продолжении осевой линии судового хода (рис. 3). При проводке по створу судоводитель решает зрительную задачу совмещения двух створных знаков (огней), т.е. судно «идет по створу», если оба знака находятся на одной прямой. Днем судоводитель видит оба знака (ночью - оба огня), находящихся на одной вертикали.
Следовательно, чем дальше судоводитель находится от створа, тем на большее расстояние нужно отклониться, чтобы увидеть отклонение от линии створа. В результате, створ обеспечивает проводку судна не по оси судового хода, а в пределах некоторой зоны (за пределами которой знаки будут казаться не в створе).
Как видно, принцип действия створа основан на способности человеческого глаза оценивать взаимное расположение установленных на берегу знаков (огней). Зрительная задача, решаемая судоводителем при проводке судна, заключается в соблюдении определенных условий в видимом взаимном расположении знаков (огней). Необходимо отметить, что здесь, фактически, зрительные задачи решаются не абсолютно точно, а с некоторой ошибкой, обусловленной особенностями человеческого глаза. Кстати, это положение относится ко всем типам створов.
Анализ причин аварийности на р. Нева
Интенсивность судоходства на Неве в летне-осенний период очень высокая. За последние 10 лет она выросла почти вдвое. Только в 2004 году. грузооборот составил 17 млн. т. Более 40% общего объема грузов составляет нефть и нефтепродукты, что в случае аварийного разлива может привести к экологической катастрофе [35].
По данным Волго-Балтийского ГБУВПиС в 1996 году количество проходов танкеров, доставляющих топливо на территорию Северо-Запада, составляло 956 единиц, в 2004 году эта цифра возросла уже до 1192 судов. В 2005 году уже и этот уровень был превышен.
За одну навигацию под 10 разводными мостами Санкт-Петербурга проходит около 7000 судов. Ночью, в период с 1.30 и 5.00 часов, могут проследовать два каравана судов (вверх и вниз по течению) - до 25 единиц. До июня 2005 года интервал между следовавшими судами составлял 500 метров ; при скорости движения всего каравана - 12-16 км/ч. Руководство Волго- ; Балтийского ГБУВПиС совместно с Северо-Западным бассейновым; управлением Госнадзора для повышения безопасности судоходства по Неве летом предприняли ряд мер и изменили график движения судов. Интервал следования был увеличен до 700-1000 метров. Но этих мер оказалось недостаточно. Как известно, на всем протяжении Волго-Балтийского пути река Нева является самым сложным участком с точки зрения управления судовыми потоками.
В данном регионе предусмотрена обязательная лоцманская проводка/, судов [36] через разводные пролеты (в разведенном состоянии) Санктг і Петербургских мостов. Это касается всех транспортных судов, а также двух-, трех-, четырехдечных пассажирских теплоходов; исключение составляют: суда, судоводители которых прошли специальную проверку и имеют разрешение Волго-Балтийского ГБУВПиС, и суда водоизмещением менее 2000 т. - !г
К сожалению, несмотря на постоянный рост грузопотоков, до недавнего времени на р. Нева практически отсутствовала современная система диспетчеризации, контроля за прохождением флота и связи. В частности, к настоящему моменту не выполнены в полном объеме предписания соответствующего Плана [37], утвержденного Министерством транспорта РФ и Правительством Санкт-Петербурга, который предусматривал ввод ів эксплуатацию радиолокационного комплекса на Волго-Балте.
За навигацию 2005 года на Неве произошло 8 транспортных происшествий. Из них - семь навалов судов на опоры мостов, в том числе трех танкеров, имеющих на борту груз нефтепродуктов. Общий ущерб от происшествий превысил 12 млн. руб.
Эти транспортные происшествия вызвали серьезную озабоченность со стороны Администрации города Санкт-Петербурга, Минтранса России и Федеральной службы по надзору в сфере транспорта. На рис. 11 и 12 соответственно приведена статистика транспортных происшествий и их причин [1].
Анализ аварийности при подходе к мостам Санкт-Петербурга и при прохождении в их разводные пролеты в соответствии с [13] позволил определить основные причины транспортных происшествий: - недостаточная подготовка судоводителей к работе в экстремальных ситуациях; - техническая изношенность судов и неудовлетворительное состояние. средств управления судном, рулевых машин, главных и вспомогательных . двигателей; - оснащение судов устаревшими навигационными приборами и системами; - недостаточная оснащенность фарватеров рек навигационными знаками и оборудованием (при этом функционирующие знаки не обеспечивают необходимую точность прицеливания и ориентирования); - изменения гидрологического режима при существенном изменении скоростей течения не только по модулю, но и направлению векторов течения. Стоит отметить, что существенным фактором, влияющим на рост количества происшествий в данном регионе, является увеличение скорости течения р. Нева. Оно вызвано повышением уровня Ладожского озера, в котором река берет свое начало. Только за навигацию 2005 г. из-за роста расхода воды в реке на 20-25% увеличились скорости течения в пролетах мостов. Специалисты отмечают, что подобные природные изменения происходят с интервалом в 25 30 лет. ,;.ч.
Что касается стандартных средств навигационного оборудования, то судоходные пролеты мостов днем обозначены щитами белого цвета, а ночью -двумя красными створными огнями. Имеются двухцветные светофоры, регулирующие движение судов в период разводки. Для обеспечения, ориентировки при проходе через разведенные пролеты мостов установлены зеленые прицельные огни и створы зеленых огней. Когда судоходный пролет закрыт для движения, днем по его центру вывешивается красный флаг; ночью створные и габаритные огни выключаются.
Во время движения в разводку мостов на участке 1385,0 - 1365,0, управление судами и составами осуществляется капитаном.
Применение и расчет ЛСМ «Анемон» для проводки судов по р. Нева в черте г. Санкт-Петербург
Успешный опыт многолетней работы и эксплуатации (на Ладожском; озере и Черном море) [40] позволил с достаточной степенью эффективности оценить возможность разработки и применения его модификации для р. Нева [41].
Проведенный анализ выявил 8 наиболее сложных (с точки зрения судовождения) участков р. Нева в черте г. Санкт-Петербург, где суда преодолевают разводные пролеты мостов. В табл. 3 приведены их основные характеристики. ,. ,
К сожалению, современных данных о скоростях течений Невы в пролетах -разводных мостов не имеется, т.к. посты замеров просто отсутствуют. В связи с этим в качестве отправных были взяты данные 1982 г. [41]. Стоит отметить, что величины скоростей течений в случае с ЛСМ могут повлиять только на частоту почали сигналов (вспышек лазера).
По результатам проведенного исследования удалось определить наибольшие габариты судов [14], проходящих в разводку мостов Санкт-Петербурга: длина - 139 м, ширина - 16,5 м, высота борта - 13,2 м, длина составов 184 м. Этот, как правило, судна типа «Волго-Дон», «Волгонефть» и др. х
Известно, что ЛСМ «Анемон» особенно эффективен на длинных; и прямолинейных фарватерах [42]. Так, проведенное в 2005 году оплавывание створа третье модификации в порту Туапсе (рис. 13) показало высокую точность ориентирования, простоту и надежность, а также исключительное превосходство по всем эксплуатационным параметрам над всеми существующими на сегодняшний день створами.
Испытания ЛСМ «Анемон-3» (прошедшие в ноябре 2006 года) на і; морском канале порта Калининград также дали положительные результаты; Произведенная экспертная оценка погрешности отклонения оси судна от оси 5 фарватера на расстоянии 9 км от створного маяка показала, что отклонение составляет постоянную на всем участке величину- 3,5 м (рис. 14),
В рассматриваемом контексте, наиболее целесообразным местом л установки створа (как практически прямолинейный участок) может служить : участок р. Нева в районе моста Александра Невского, т.е. 1373-1375 км.
При движении сверху судно идет по прямолинейному фарватеру длиной примерно 1325 м и шириной 50 м, ориентируясь на разводной пролет шириной 36,5 м. Скорость течения в пролете моста очень высокая - около 4 км/ч. Это место характеризуется сильными свальными течениями. Важно отметить, что на этом участке единственным ориентиром у судоводителя является прицельный зеленый огонь, который расположен на здании, на левом берегу на Синопской набережной.
Инструкция предписывает следующий порядок действий судоводителя: при прохождении из Финляндского моста необходимо уклониться влево и держать курс на левый устой разводного пролета моста Александра Невского до появления в разводном пролете прицельного зеленого огня, установленного на здании на левом берегу ниже моста (рис. 15). При заходе в пролет этот прицельный огонь должен удерживаться ближе к правому устою моста с учетом свального течения к левому берегу [41].
Моделирование работы системы причаливания судов
Для достижения оптимизации процессов информационного обеспечения и принятия решения необходим правильный выбор источника информации на ; пунктах управления, т.е. учет наилучших характеристик информационной модели: степени обобщения (детализации) информации, выводимой на устройства информации; - объёма и темпа её обновления; - способов кодирования, обеспечивающих однозначное восприятие и запоминание информации.
Основной принцип организации информационной подготовки принятия решения состоит в том, чтобы по требованию оператора компьютер мог производить все трудоёмкие и вспомогательные преобразования имеющейся информации, а результаты выдавать в виде, наиболее подходящем для решения оперативных задач. В автоматизированных системах оператор лишён возможности непосредственного воздействия на управляемый объект. В этих. условиях возникает новая задача: согласование не только исполнительных двигательных актов человека с динамическими свойствами и характеристиками орудий и средств производства (эта задача решается методами психологии ; труда), но главным образом способностей оператора по приёму, переработке и передаче информации с информационными характеристиками объекта управления [81, 82, 83].
Проектирование деятельности индивидуума основывается на фундаментальных исследованиях его высших психических функций fr; ; восприятия, памяти, мышления (образного и понятийного), которые являются . внутренними психологическими инструментами и средствами деятельности человека [84]. К числу таких внутренних средств относятся опыт, знания, программы, схемы и навыки оператора, составляющие в совокупности его профессиональный облик. На основе внутренних средств деятельности формируются постоянные и оперативные образно-концептуальные модели, определяющие деятельность оператора и процесс принятия им решения. Используя арсенал внутренних средств деятельности, оператор опирается на внешние средства, к которым относятся информационные модели (они могут выводиться на устройствах отображения информации или в форме документа), / машинные алгоритмы и др. вспомогательные средства подготовки решения задач, органы управления и средства коммуникации [85]. Можно сказать, что проектирование деятельности человека состоит в координации внутренних и внешних средств деятельности, проектировании согласованных концептуальных и информационных моделей, полностью использующих психологические возможности оператора по приёму и переработке информации [86,87,88].
В разных условиях центр тяжести этого проектирования может, ; приходиться либо на внешние, либо на внутренние средства деятельности," Существует ряд информационных моделей, которые можно условно назвать моделями-изображениями реальной обстановки. К их числу относятся отображение воздушной обстановки на экране радиолокатора, аэрофотоснимки,; снимки процессов в трековых камерах и др. Эти модели определяются; : имеющимися техническими возможностями сбора первичной информации [89]. Инженерно-психологические рекомендации по работе с такими информационными моделями касаются условий освещённости, уровня контраста, режима работы и т. п. В этих случаях основная задача состоит в анализе деятельности [57]. Существуют и др. информационные модели, когда : оператор имеет дело не с первичной, а с предварительно обработанной информацией, например поступающей из компьютера на устройства отображения. В этих случаях разработчики и специалисты имеют большой простор для технической реализации различных типов информационных моделей, и основное внимание может быть обращено на создание адекватных внешних средств деятельности оператора [90].
Информационная модель позволяет отобразить состояния объекта , управления (предмет труда) в соответствии с определенной системой правші Физически информационные модели реализуются с помощью средств (устройств) отображения информации [91]. Пользуясь информационной моделью, оператор на основе своих знаний и опыта формирует : концептуальную модель — совокупность собственных представлений о целях и ; задачах трудовой деятельности и о состояниях предмета труда, внешней среды; ,; и способов воздействия на них [92].
