Методологические основы управления движением судна и конфигурацией зоны навигационной безопасности Васьков, Анатолий Семенович

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем морского флота является обеспечение безопасности мореплавания. Необходимость ее решения обусловлена высоким уровнем аварийности мирового морского флота. Навигационная аварийность морских судов составляет около 60 - 70% и тенденция ее снижения за последние 30 лет наблюдается незначительной, а такие виды аварийности судов, как столкновения - 9% и навалы - 3% остаются практически постоянными.

Успешное решение задач безопасности плавания крупнотоннажных судов, особенно в стесненных условиях, находится в зависимости от функциональных возможностей систем управления и умения судоводителей выбирать эффективную организацию процессов планирования маршрута, траектории двнжепия и маневрирования судна.

Научно-технические достижения последних десятилетий позволили качественно изменить подходы к решению задач судовождения и автоматизировать информационное обеспечение о координатах судна, обстановке и других елементах движения. Причем, получаемая информация обладает свойствами дублирования и избыточности от различных систем. Эта информация может быть использована наилучшим образом при автоматизации процессов управления движением судна на основе новых технологий в классе адаптивных и интеллектуальных систем. Такие системы обладают качественно новым уровнем функционирования и позволяют обобщить опыт и умения судоводителей и более быстро передавать их молодым специалистам.

Перспективным направлением разработки адаптивных систем управления являются методы судовождения с применением зоны навигационной безопасности (ЗНБ) вокруг судна, изменяющейся в зависимости от условий плавания. Эти методы позволяют реализовать требования по безопасности плавания в условиях неопределенности движения судна и внешней среды.

Целью диссертационной работы является развитие этих исследований и создание теоретических основ управления движением судна и ЗНБ, представленной в виде конфигурации сплошной деформируемой среды, как единого целого. Взаимодействие моделей судно-ЗНБ объединяет геометрические понятия свободного пространства вокруг судна и динамическое поведение ЗНБ при контакте с ограждающими линиями или опасностями. В результате конфигурация ЗНБ становится управляемой и позволяет адаптироваться к преобладающим условиям неопределенности движения судна и внешней среды с учетом опыта судоводителей, производить экспериментальную проверку' и идентификацию модели движения конфигурации судно-ЗНБ.

В рамках этого научного направления разрабатывается методология решения ряда теоретических и пршоїадньгх задач построения алгоритмов управления от линейной и угловой скоростей движения судна до коорди-

-4-нат его положения и деформации ЗНБ.

Методы исследований. Основой теоретических исследований диссертационной работы являются результаты и достижения автоматизации процессов судовождения, векторное и тензорное исчисления, теория линейных и нелинейных дифференциальных уравнений, уравнений состояния, теория систем управления, механика пространственного движения твердого тела, теория сплошных сред, методы решения обратных задач динамики систем, методы синтеза адаптивных систем управления, методы моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны методологические направления решения задач автомати
зации процессов навигации и управления судном с применешіем деформи
руемой конфигурации ЗНБ, предполагающие комбинированное управление -
программное, с обратной связью и адаптацию:

1. Обобщены формулы взаимного преобразования прямоугольных и произвольных криволинейных координат движения судна и основных кинематических характеристик для решения задач судовождения;

2. Проігзведена обобщенная систематизация и классификация применения концепций ЗНБ для обеспечения безопасности мореплавания;

3. Впервые сформулировано понятие конфигурации сплошной деформируемой среды ЗНБ, которая движется вместе с судном как единое целое;

4. Впервые разработана теория кинематической модели движения конфигурации ЗНБ как сплошной деформируемой среды. Получены ее характеристики в виде перемещений, деформаций, скоростей, градиентов и тензоров, которые также могут применяться для представления полей скоростей течения и других навигационных параметров. Сформулированы понятия и уравнения изоповерхностей параметров ЗНБ, определяющих уровни безопасности плавания судна;

6. Впервые разработана теория динамической модели движения судна и конфигурации сплошной деформируемой среды ЗНБ с учетом действия всех сил, включая искусственно вводимые, на основе единой методологии уравнений Эйлера - Лагранжа и понятіш суммарной кинетической энергии системы судно - жидкость - ЗНБ - внешняя среда;

7. Впервые разработана методология функциональных связей контакта конфигурации ЗНБ с ограждающими линиями, которая позволяет рассматривать движение конфигурации судно-ЗНБ, как движение судна в потенциальном силовом поле функциональных деформаций конфигурации ЗНБ и определять работу органов управления необходимую для обеспечения заданного уровня безопасности плавания через изопотенциальные поверхности ЗНБ;

8. Разработана методика иерархической декомпозиции процессов управления движением судна и конфигурацией ЗНБ. при которой на верхнем уровне управления положением судна и конфигурацией ЗНБ формируются псевдоуправления в виде изменений линейных и угловой скоро-

-5-стей судна, а на нижнем уровне - непосредственно управляющие воздействия на руль и движители для отслеживания псевдоуправлений;

9. Разработаны прикладные методы построения алгоритмов управления судном по уровням иерархии от скоростей движения до коордишт его положения и конфигурации ЗНБ на основе обратных задач динамики систем;

10. Разработаны прикладные методы аналитического конструирования оптимальных регуляторов (Л КОР) по критерию обобщенной работы (КОР) для построения адаптивных алгоритмов управления судном и конфигурацией ЗНБ с прогнозирующей моделью, текущей идентификацией параметров и оценкой состояния.

Практическая цепность работы заключается в том, что на основе разработанных теоретических положешш открываются перспективы нетрадиционной формулировки и решения комплекса задач по обеспечению безопасности плавашія. Предлагаемые решешія позволяют адаптировать движение судна к изменению обстановки, классифицировать ее уровнями конфигурации ЗНБ, совершенствовать понятия "хорошей морской практики" для использования в последующем в системах управления.

Прикладные результаты псследовашія могут быть использованы при разработке конкретных адаптивных судовых систем управления или береговых систем управления двіикенпем судов (СУДС), а также систем управления другими видами транспорта.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы является основной частью комплексной госбюджетной НИР кафедры Судовождения НГМА "Теоретические и методологические основы решения задач судовождения с помощью современных ТСС" (№ГР 01.9.30004058). выполненной в соответствии с отраслевой программой П05 "Перспективных работ по повышению безопасности мореплавания и совершенствования ТСС и связи на 1991 - 1995 гг.".

Основные результаты диссертационной работы переданы в департамент мореплавания "РОСМОРФЛОТ" в віще научно-технического продукции по хоздоговорной ПИР №51-28-41-94/1 "Разработка математического и алгоритмического обеспечения процессов навигации и управления движением системы судно - зона навигационной безопасности (ЗНБ)" (№ГР 01.9.50 001812), выполненной в 1994 - 1995 гг. под руководством автора по заказу "РОСМОРФЛОТ".

Отдельные результаты диссертационной работы использованы в хоздоговорных НИР "Организационно - техническое обеспечение и рекомендации по внедрению Международного Кодекса по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращением загрязнения (МКУБ)" (№ГР 01.9.60 002293) и "Анализ и разработка системы контроля и стоянки судов на акватории порта Новороссийск, в зоне действия СУДС а прилежащих водах" (№ГР 01.9.70 005092) при разработке "Положения о системе движения судов Морской администрации порта Новороссийск (СДС МАПН)", "Руководств

оператору СДС", "Обязательных Постановлений по порту Новороссийск'", выполненных в 1995 - 1997 гг. под руководством автора по заказу МАПН.

Основные положения диссертационной работы внедрены в учебный процесс для подготовки инженеров-судоводителей НГМА при дипломном проектировании, по курсам "Автоматизация судовождения", "Навигация и лоция", "Управление судном".

Результаты исследовании по определению гарантированной полосы проводки судов, допустимого запаса глубшш под иием судна, характеристик зон навигационной безопасности судна внедрены в ОАО "НОВОШИП" при разработке разделов Руководства но навигационной безопасности для судов в соответствии с требованиями Международного кодекса по управлению безопасностью.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались п обсуждались на:

1. На ежегодиых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава НГМА в 1985-1997 гг. (г. Новороссийск);

2. На научно-технических конференціях профессорско-преподавательского состава ГМА имени адмирала СО. Макарова в 1991 -1994 гг. (г. С. - Петербург);

3. Научной конференции РАН: Проблемы экологии, энергетики, безопасности на транспорте, результаты исследований, практика их применения (г. С.-Петербург) 1992г;

4. XVI Международной научно-технической конференции. Секция радиосвязи и радионавигации СПБНТОВТ (г. С. - Петербург) 1992 г:

5. 3rd International Conference МСМС'94 7-8 semtember 1994. Southampton, UK (стендовый доклад).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 45 работах, в том числе, 1 учебном пособии, 3 монографиях. 33 статьях, 8 отчетах по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из содержания на 3 страницах, введения на 9 страницах, семи глав на 236 страницах, заключения на 4 страницах, списка литературы из 327 наименований на 30 страницах, двух приложений на 6 страницах. Общий объем диссертации 290 страниц, включая 36 иллюстраций и 12 таблиц.