Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Организация безопасности подводных сооружений и объектов
1.1. Существующие проблемы организации безопасности подводных сооружений и объектов в Российской Федерации и Республике Казахстан 11
1.2. Особенности выполнения правила безопасности на подводных сооружениях, надводных и подводных средствах движения 14
1.3. Организация информационного мониторинга безопасности подводных сооружений, надводных и подводных средств движения 27
1.4. Подводные роботы и их роль в ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций на воде 34
Выводы по 1 главе 56
Глава 2. Математическая модель информационно-управляющей системы подводного робота-спасателя, маневрирующего в горизонтальной плоскости
2.1. Детерминированные математические модели движения подводного робота-спасателя 58
2.2. Вероятностные математические модели движения подводного робота-спасателя в горизонтальной плоскости 92
Выводы по 2 главе 107
Глава 3. Математическая модель информационно-управляющей системы подводного робота-спасателя, маневрирующего в вертикальной плоскости
3.1. Условия декомпозиции при описании пространственного маневрирования подводного робота-спасателя 108
3.2. Математические модели управляемого движения подводного робота-спасателя 115
3.3. Математическое моделирование траекторий маневрирования подводного робота-спасателя 121
3.4. Вероятностные математические модели для исследования свободного и управляемого движения подводного робота-спасателя 130
Выводы по 3 главе 139
Глава 4. Исследование информационно-управляющей систем автоматического маневрирования подводного робота-спасателя в условиях чрезвычайных ситуаций
4.1. Методы численного интегрирования в задаче моделирования управляемого движения подводного робота-спасателя 140
4.2. Автоматическое управление подводным роботом в режиме сближения с объектом спасения 140
4.3. Сравнительная оценка режимов моделирования при использовании линейных и нелинейных функций управления движением подводного робота-спасателя 165
4.4. Реализация математических моделей управляемого движения подводного робота-спасателя в системе MATLAB 168
4.5. Решение задачи автоматического управления движением подводного робота-спасателя по замкнутой траектории заданного вида 174
Выводы по 4 главе 183
Заключение 184
Список использованной литературы
- Особенности выполнения правила безопасности на подводных сооружениях, надводных и подводных средствах движения
- Вероятностные математические модели движения подводного робота-спасателя в горизонтальной плоскости
- Математические модели управляемого движения подводного робота-спасателя
- Автоматическое управление подводным роботом в режиме сближения с объектом спасения
Особенности выполнения правила безопасности на подводных сооружениях, надводных и подводных средствах движения
Надводные средства движения - речные и морские суда различных классов, являются сложными техническими объектами, безопасность которых во многом определяется эксплуатационной надежностью систем и механизмов, расположенных ниже ватерлинии, то есть в подводной части судов.
Подводные части морских и речных судов подвержены внешним воздействиям, которые слабо контролируются в процессе эксплуатации. Сюда относятся: течения, воздействия льдов при плавании в высоких широтах, а также в периоды ледохода или позднего окончания навигации на реках, обрастание подводных частей морских судов, плавающих в тропических широтах и т.п. В соответствии с Федеральным законом от 7 марта 2001 г. № 24-ФЗ «Кодекс внутреннего водного транспорта Российской Федерации» (Собрание законодательства Российской Федерации, 2001, № 11, ст. 1001) [11], а также в целях обеспечения безопасности на судах внутреннего водного транспорта Российской Федерации Министром транспорта РФ Приказом от 24 декабря 2002 г. № 158 были утверждены Правила безопасности на судах внутреннего водного транспорта Российской Федерации [12], в которых отражены особенности выполнения правила безопасности на надводных средствах движения.
Судовладелец или руководитель (владелец) пункта ремонта на каждое ремонтируемое надводное средство движения (НСД) назначает лицо, ответственное за проведение ремонта и обеспечение безопасности НСД.
Для охраны и обеспечения безопасности НСД в пункте ремонта руководитель (владелец) пункта ремонта организует дежурную вахтенную службу. Обязанности дежурной вахтенной службы определяются должностными инструкциями и оперативным планом обеспечения безопасности НСД в пункте ремонта.
Ключи от входов в надстройки и в машинные помещения ремонтирующихся НСД хранятся у дежурного. В начале рабочего дня лицо, ответственное за ремонт НСД, получает ключи от НСД у дежурного под подпись в журнале выдачи ключей. По окончании рабочего дня ответственный за ремонт лично осматривает судовые помещения, запирает их, отключает от береговой электросети и сдает ключи от НСД дежурному также под подпись в журнале. Для вскрытия судовых помещений запрещается пользоваться другими ключами, кроме ключей, хранящихся у дежурного. Допуск любых лиц, в том числе и членов экипажа, на НСД без сопровождения ответственного за ремонт НСД запрещается.
План расстановки НСД в пунктах ремонта выполняется графически с указанием: - места постановки каждого НСД, - средств связи и звуковой сигнализации, - точек наружного освещения, - расположения вахтенных постов, дежурных судов, пирсов и подъездов к ним. В пояснительной записке к плану указывается: - количество и краткая характеристика состояния НСД, планируемых к постановке в пункт ремонта, - наличие топлива на НСД, подготовленность их к проведению огневых работ, планируемое докование; - порядок несения вахт; - краткая характеристика дежурных НСД, - обоснование количества и порядка комплектования вахтенных по стов; - другие данные, характеризующие защиту пункта ремонта.
Плавучие мастерские, доки и прочие плавучие сооружения, предназначенные для работы в межнавигационный период, устанавливаются отдельно на расстоянии не менее 30 м от зимующих НСД и береговых сооружений.
В исключительных случаях допускается постановка к борту плавучей мастерской одного ремонтирующегося НСД с разрывом между бортами 3 м. Дежурное судно должно быть снабжено необходимым оборудованием и инвентарем, и круглосуточно находиться в постоянной готовности к работе.
Выделяемое для дежурства судно должно иметь: - буксирные и эксплуатационные качества, обеспечивающие возможность буксировки самого крупного зимующего НСД; - водооткачивающие установки, позволяющие осушать отсеки самого крупного зимующего НСД; - исправную радиосвязь.
Дежурное судно на весь период зимнего ремонта закрепляется за пунктом ремонта. Отвлечение его для иных целей и вне акватории пункта ремонта запрещается. Использование дежурного судна осуществляется до тех пор, пока безопасно движение во льдах, и возобновляется весной с момента нарушения ледяного покрова, заканчивается после выхода из пункта ремонта в эксплуатацию последнего зимующего НСД.
Дежурное судно находится в оперативном подчинении ответственного дежурного по пункту ремонта. Все указания на дежурное судно поступают только через дежурного по пункту ремонта. Пункт ремонта обеспечивается: - соответствующей документацией; - телефонной (радиотелефонной) связью между ответственным дежурным и вахтенными постами; - звуковой сигнализацией на вахтенных постах (колокола, металлический рельс и т.п.). В договоре постановки НСД на ремонт и отстой рекомендуется предусматривать: - порядок оформления передачи НСД под ответственность админист рации пункта ремонта; - перечень необходимых подготовительных работ, выполняемых судовладельцем, по приведению судна в безопасное зимовочное состояние с указанием исполнителей и сроков их выполнения; - ответственных за ремонт и/или отстой судна лиц командного состава; - порядок использования судового электрооборудования в период ремонта и/или отстоя; - порядок проведения зачистных работ, определяемый действующими технологическими инструкциями, а также ответственность сторон за проведение указанных работ. При ремонте НСД должен быть определен порядок использования судовой электросети, исключающий возможность нарушения мер безопасности и техники безопасности. Следует также определить порядок подключения НСД к береговому электропитанию, ответственность сторон, их обязанности по обеспечению безопасного использования, как судовой электросети, так и берегового источника питания. НСД, подлежащие «горячему ремонту» (без вывода судовой техники из эксплуатационного состояния), устанавливаются в пункте ремонта в отдельную линию вне каравана зимующих судов. Для обеспечения защиты НСД в период «горячего ремонта» необходимо: - соблюдать график очередности ремонта водоотливных и энергетических средств, систем сигнализации; - обеспечить свободный доступ к местам расположения спасательного оборудования и инвентаря; На период «горячего ремонта» НСД должно быть укомплектовано временным экипажем численностью, достаточной для обеспечения безопасности НСД, обслуживания судовых технических средств и ведения спасательных работ в случае возникновения чрезвычайных ситуаций. Обязанности членов экипажа определяются временным судовым расписанием.
Вероятностные математические модели движения подводного робота-спасателя в горизонтальной плоскости
Кстати, по крену аппарат также управляется изменением положения тяжёлых аккумуляторов внутри корпуса, подобно тому, как это делается для изменения угла спуска или подъёма машины. Для этого служит отдельный блок батарей, вращающийся вокруг продольной оси.
Одновременно при таком сеансе связи учёные могли посылать роботу, также через спутник, поправки к программе, какие-либо новые инструкции.
В частности один раз ему «посоветовали» поправить курс, после того как робот, попав на участок сильного течения, потерял за два дня расстояние, с таким трудом пройденное за предыдущие две недели. В этом рейсе Spray был оснащён датчиками давления, температуры, солёности и прозрачности воды.
Но учёные говорят, что в других миссиях машину можно будет оснастить иным набором оборудования, например, химическими анализаторами или биологическими датчиками или акустическим доплеровским измерите лем течений, позволяющим строить вертикальные срезы подводных потоков [54,63,77,85,90].
В начале 2005 года Spray отправился в новое путешествие. Его маршрут был близким к трассе нынешнего рейса. Но на этот раз робот самостоятельно не только доплыл от побережья Массачусетса до Бермуд, но также в автономном режиме вернулся обратно.
В дальнейшем авторы проекта намерены создать целый флот роботов-планеров, которые, при сравнительно невысоких затратах на эксплуатацию, могли бы месяцами плавать в океанской толще, передавая через спутник гору научных данных.
А поскольку энергия нужна этим машинам лишь на связь и работу насосов, время от времени управляющих плавучестью корпуса, запаса в аккумуляторе должно хватать на полгода автономной работы в океане. Привлекательное свойство. Тем более, что максимальная глубина погружения машины составляет полтора километра, а для снятия с неё научных данных не требуется присутствия научного судна— океанологи могут получать через спутниковый «мост» поток ценных битов прямо с этих роботов на свои компьютеры в университете. Подводный аппарат - робот модульной конструкции. В США проходят испытания беспилотной мини-субмарины (Autonomous Underwater Vehicle). Ученые из Университета Пенсильвании (Penn State University) изначально разрабатывали Seahorse («Морской конек») для Океанографического управления ВМС (Naval Oceanographic Office (NAVOCEANO).
Океанографы собирались с его помощью изучать рельеф морского дна и составлять его карты, а также проводить другие исследования. Однако впоследствии «Морским коньком» заинтересовались военные.
Аппарат имеет модульную конструкцию, что позволяет ему выполнять самые различные задания, меняя «профиль» в самое короткое время [14]. Маршрут его плавания закладывается в бортовой компьютер заранее [17].
«Морской конек» может действовать в радиусе 480 километров. Зарядки аккумуляторов ему хватает на 72 часа работы. Seahorse планируется оснащать многоцелевые военные катамараны проекта X-Craft.
По своей форме он напоминает торпеду, однако его размеры - 8,5 метра в длину и примерно метр в диаметре - не позволяют запускать его из торпедных аппаратов, калибр которых не превышает 50 сантиметров.
В будущем аппарат, скорее всего не будет принят на вооружение. Как отмечает Defense Tech, Seahorse станет испытательной моделью, на которой военные отработают возможности применения подобных аппаратов. В настоящее время Пентагон разрабатывает несколько программ по созданию подводных роботов-тральщиков.
Министерство обороны США (Department of Defense) прияло решение пересмотреть программу создания боевых подводных дистанционно управляемых или полностью автономных механизмов, принятую в 1999 году. Тогда предполагалось, что на вооружение военно-морских сил США в обозримом будущем поступят подводные лодки, способные действовать без экипажа, подводные роботы-тральщики, роботы-разведчики и т.д. Однако этим планам не суждено было сбыться - разработанные образцы оказались слишком дорогостоящими. К примеру, стоимость пары одноразовых подводных роботов-охотников за минами составляет $20-30 млн., стоимость аккумуляторов к ним достигает $250 тыс. Исходя из этого, Пентагон планирует не отказаться от своих планов, а переориентировать разработчиков на создание меньших по размеру и менее дорогих устройств.
Исследовательское агентство ВМФ США давно занимается разработкой подводных киберов, способных выполнять боевые задачи в морских глубинах. Недавно им были представлены два механизма, различных в технической реализации, но предназначенные для одной задачи - разминирования участков акватории и морских рейдов.
Первый из роботов, носящий имя REMUS - Remote Environmental Monitoring UnitS - (Рис. 1.7) участвовал в последней иракской операции, «бок о бок» со спецназом ВМФ, морской пехотой и дельфинами, также находящимися на службе ВМФ. Это был первый случай, когда под водой собралась такая «разношёрстная компания».
Математические модели управляемого движения подводного робота-спасателя
Как и при любой катастрофе, успех спасательных операций под водой зависит от времени начала ее выполнения, а это требует быстрого оповещения о возникновении катастрофы и высокой скорости подводного робота-спасателя. Кроме этого существенное значение для быстрого проведения спасательных работ под водой имеет маневренность подводного робота, его способность предельно быстро подойти к подводному объекту и эффективно применить все имеющиеся на борту средства спасения.
В реальных условиях подводные течения могут значительно осложнить эффективное применение спасательных средств.
Данный раздел диссертации посвящен созданию математических моделей для исследования маневренных свойств подводного робота-спасателя, минимизирующих время его подхода к подводному объекту и время маневрирования, необходимых для эффективного проведения спасательных операций, с учетом внешних возмущений в виде течений,, препятствующих подводному роботу при выполнении им своих основных функций..
Внешние факторы, действующие на подводный робот, носят, как правило, случайный характер. Для их задания в математической модели требуется не только знание общих характеристик случайных возмущений, но и использование оценок значений их параметров, что возможно при анализе статистических данных натурных экспериментов, связанных с результатами воздействия на подводный робот таких случайных факторов, как: - направление и величина течения в районе выполнения подводным роботом его функций; - величина и характер внутренних волн и др.
Процесс получения перечисленной информации во время действий подводного робота, связанных с ликвидацией последствий катастрофы на подводном объекте, а также процесс использования этой информации для корректировки маневров подводного робота с целью эффективного использования его средств спасения может быть темой отдельного исследования ввиду его сложности [101,102].
В данном разделе диссертации сформулированы подходы к способам учета случайных факторов, действующих на подводный робот-спасатель, в математической модели, описывающей различные режимы его движения.
По отношению к математическим моделям морских объектов различают внешние возмущения и возмущения, генерируемые системами самого объекта или подводного робота.
Природа внешних возмущений связана с воздействием на подводный робот водной среды и компонентов этой среды внутренних волн и течения. Параметры внешних воздействий носят случайный характер, учет которого в ряде случаев затруднен.
Для учета внешних случайных возмущений в математической модели подводного робота-спасателя, в первом приближении, достаточно знание априорной информации о характере этих возмущений.
Если природа случайных воздействий на подводный робот не известна, но возможна оценка диапазона изменения определяющих параметров явления, как равновероятная в указанном диапазоне.
В случае, когда имеются среднестатистические данные о случайном процессе в районе катастрофы, например, средняя скорость течения составляет 1,5 узла, то возможно использование гипотезы о нормальном законе распределения такой случайной величины, как скорость течения и соответствующим описанием этого явления в математической модели. 2.2.2. Структура системы управления движением подводного робота-спасателя с учетом случайных воздействий.
Управление движением подводного робота осуществляется в автоматическом режиме с использованием авторулевого. Система автоматического управления движением подводного робота имеет традиционную структуру (рис. 2.24) и включает: - блок измерения кинематических параметров движения подводного робота-спасателя; - блок обработки измеренной информации для реализации управляющих функций подводного робота; - блок исполнительных устройств, преобразующий сигналы управления в управляющие силы и моменты. Внешние случайные возмущения, действующие на подводный робот Внутренние случайные возмущения, действующие на системы подводного робота Структура системы управления движением подводного робота-спасателя с учетом случайных воздействий. На схеме (рис. 2.24) использованы следующие обозначения: БСУД - бортовая система управления движением подводного робота; БЦУМ - бортовая цифровая управляющая машина для обработки измеряемой и другой информации с целью выработки сигналов, обеспечивающих работу рулевой машины подводного робота; Вх, Вых - входные и выходные преобразователи информации для согласования измеренной информации с устройством ее обработки и вычисляемой информации с исполнительными устройствами системы управления движением подводного робота; Д - датчики кинематических параметров подводного робота, измеряющие его курс и угловую скорость циркуляции в горизонтальной плоскости, на каналы измерения которых могут воздействовать в виде помех внутренние случайные возмущения; ДП - датчики прерываний, формирующие информацию для бортовой управляющей машины; ИУ - исполнительные устройства, воздействующие на вертикальные рули подводного робота, которые, как и сам робот, могут испытывать воздействие внешних случайных возмущений в виде течения и внутренних волн; Т - таймер или датчик времени, обеспечивающий управление движением подводного робота в реальном масштабе времени; УП - устройство прерывания, управляющее, в соответствии с заданными приоритетами, последовательностью обработки информации и реализацией алгоритмов управления бортовой цифровой управляющей машиной подводного робота-спасателя [53, 56]. Зная места приложения случайных воздействий, можно оценить их влияние на подводный робот с использованием его вероятностной математической модели.
Автоматическое управление подводным роботом в режиме сближения с объектом спасения
Реализация алгоритмов управляемого движения подводного робота-спасателя, приведенных во 2-й главе диссертации, требует использования численных методов, обеспечивающих требуемую точность маневрирования и адекватных затрат на программирование задач математического моделирования.
После анализа возможных для программирования задач управляемого движения подводного робота численных методов интегрирования было принято решение об использовании многошаговых методов.
Использование полученных в диссертации конечно-разностных уравнений при программировании задачи исследования автоматического маневрирования подводного робота-спасателя позволило обеспечить требуемую точность решения и преемлемые затраты машинного времени.
Для построения математической модели, описывающей сближение подводного робота с объектом спасения, используют связанную с ним систему координат X0Z. Математическая модель свободного движения подводного робота-спасателя описывается двумя обыкновенными дифференциальными уравнениями. Первое характеризует поступательное движение робота и имеет следующий вид: dB(t)/dt =ajiB(t)+ ai2Wy(t), где: В (t) - угол дрейфа, который образуется между направлением вектора линейной скорости робота и его продольной осью Ох, wy(t) - угловая скорость вращения робота в горизонтальной плоскости относительно оси Оу, atj - коэффициенты, полученные с использованием геометрических, массовых и гидродинамических параметров подводного робота-спасателя, как функции перечисленных характеристик. Второе линейное дифференциальное уравнение описывает вращательное движение робота. dwy(t)/dt = a2iB(t) + a22Wy(t). Система этих дифференциальных уравнений используется для исследования режимов свободного движения подводного робота-спасателя.
Общий вид решения этой системы дифференциальных уравнений используется для оценки устойчивости установившегося движения подводного робота и имеет вид: t B(t) = I(a„B(t) + a12wy(t))dt + Во о t wy(t) = J(a21B(t) + a22wy(t))dt + wy0. (4.1) 142 Для заданного матрицей А описания подводного робота строим структурную схему моделирования его свободного движения, используя средства программного пакета MatLab Simulink.
Структурная схема моделирования свободного движения подводного робота-спасателя. Принятый в программном пакете MatLab Simulink способ описания структуры исследуемой математической модели требует использования библиотек типовых решающих элементов, которые классифицируются по определенным признакам: - по типу реализуемых математических операций и функций на: линейные и нелинейные; - по способам представления переменных, используемых в математических моделях на: непрерывные и дискретные; - по методам организации вычислительных процессов в исследуемых системах на: детерминированные и вероятностные и т.д..
По результатам исследования свободного движения можно определить, как будет вести себя робот при отсутствии управляющих воздействий. Если результаты исследований будут давать неустойчивые решения обыкновенных дифференциальных уравнений (4.1), то необходимо откорректировать характеристики робота, заданные матрицей А, чтобы добиться устойчивых решений [9, 11, 12].
Математическая модель свободного движения подводного робота-спасателя может быть расширена введением в нее уравнений связи. Смысл этих уравнений объясняется необходимостью увеличения количества информации о роботе, необходимой для дальнейшего управления подводным роботом-спасателем. Уравнения динамики подводного робота дополняются кинематическим уравнением связи, в результате получаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений (4.2) вида: dB(t)/dt=ajjB(t) + ai2wy(t); dwy(t)/ dt = a21B(t) + a22wy(t); (4.2) d F/dt=wy(t).
Концепция управляемого движения требует дополнения уравнений динамики подводного робота-спасателя управляющими функциями, структура которых и определяет характер целенаправленного движения робота [16, 22].
Вычислительная среда для решения дифференциальных уравнений (4.4) позволяет выбрать параметры маневра робота и проанализировать полученные данные с помощью программы MatLab Simulmk. Структурная схема моделирования управляемого движения подводного робота-спасателя. На рис. 4.5 представлена структура модели управляемого движения подводного робота. Результаты исследования маневров подводного робота при его подходе к объекту спасения приведены нарис. 4. 6.
Исследование проводится при условии, что Ч/зад} для линейной управляющей функции вида 8e(t) = hy(W(t) - задан) + kwywy(t), равно 1. В результате исследования установлено, что маневр успешно завершен, так как подводный робот-спасатель вышел на заданный курс. При этом, время переходного процесса было невелико и статическая ошибка отсутствовала.
