CC BY
125
АНАЛИЗ ДАННЫХ ДВИЖЕНИЯ СУДОВ НА ФАРВАТЕРАХ ПРИ СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ GPS И КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНИКИ
Лицкевич А.П., Попов В.В., Государственный морской университет имени Ф.Ф. Ушакова
Рассматриваемая в статье проблема посвящена анализу движения судов по проливам и фарватерам в сложных условиях, связанных с риском аварий. В работе авторами разработан более совершенный метод анализа движения судов, эмпирической базой которого являются объективные навигационные данные современных космических навигационных средств и их компьютерная обработка. В результате практического использования предлагаемого метода достигается более высокая достоверность определения местоположения судов, а также надежность мореплавания в стесненных водах.
Ключевые слова: движение судов, фарватер, компьютерная техника.
ANALYSIS OF THE DATA TRAFFIC ON THE FAIRWAYS WITH COMPLEX INITIAL CONDITIONS, USING GPS AND COMPUTER TECHNOLOGY
Litskevich A., Popov V., Admiral Ushakov State Marine University
Considered in the paper is devoted to the problem of analyzing the traffic on the straits and channels in difficult conditions associated with the risk of accidents. In this paper the authors have developed an improved method for the analysis of traffic, the empirical base of which is the objective of modern navigational data space navigation tools and computer processing. As a result, the practical use of the proposed method achieved higher accuracy ofpositioning of ships, as well as the reliability of navigation in narrow waters.
Keywords: traffic flow, the fairway, a computer technician.
Увеличение общего количества потоков судов порождает важнейшую проблему судовождения - риска аварий при движении судов по проливам и фарватерам. Этому способствует увеличение интенсивности судоходства, размеров судов, а также отставание развития обуживающей инфраструктуры узких мест для судоходства. Неоправданные риски при маневрировании судов в стесненных условиях (проливах, фарватерах) являются причиной возможных аварий. Известно, что в основе аварий лежат такие факторы как недостаточность навигационной информации, нехватка времени на обработку информации, человеческий фактор. Только совершенствованием средств обработки информации и методов судовождения риски навигационной аварийности могут быть снижены [1,2].
Современные радионавигационные средства (ОРБ/ГЛОНАСС, новые поколения РЛС) являются эффективным средством для повышения надежности движения судов в проливах и на фарватерах. Такие радионавигационные средства позволяют не только точно определять место судна, но оценивать положение судна относительно выбранных ориентиров, используя для этого компьютерные средства и электронную картографию. Новые средства обработки навигационной информации гарантируют высокую её оперативность, что позволяет существенно повышать надежного плавания в узкостях и на фарватерах[1,2].
Целью настоящей работы является разработка более совершенных методов анализа движения судов на фарватерах и определение меры надежности мореплавания с использованием потока информации от радионавигационных средств.
Главной задачей судоводителя по управлению судном при движении по фарватеру или проливу является компенсация отклонений судна от проложенного курса под влиянием внешних воздействий (ветер, течение, волнение), рыскания судна на курсе, погрешностей навигационных приборов. В случае непринятия действий компенсирующих возникающие отклонения ведет к тому, что действие внешних сил не компенсируются и судно отклоняется от курса, При обнаружении при помощи навигационных средств, обеспечивающих проводку, отклонений, то по оценке величины бокового смещения судоводитель вырабатывает управляющее воздействие, компенсирующее возникшее рассогласование до минимума. Поскольку дестабилизирующие факторы действуют непрерывно, то судоводитель постоянно осуществляет компенсацию возникающих рассогласований. В результате, судно движется вдоль фарватера или пролива, периодически отклоняясь от нее то вправо, то влево.
Анализ проводки судов по фарватерам и проливам [7,8] показывает, что траектории их движения могу быть описаны стационарными случайными процессами, параметры которых зависят от точности навигационных приборов, которые используются при проводке судна. При этом необходимо определение интенсивностей внешних возмущений, учете динамических свойств судна, а также профессиональных способностей судоводителя обрабатывающего навигационную информацию.
В начале рассмотрим приближенные асимптотические методы, описывающие движение судна по фарватеру или проливу. В этом
случае дестабилизирующие уклонения от траектории могут быть представлены суммой гармонической функции с амплитудами А и круговой частотой и узкополосной помехой / 0) [6]:
у(г) = А • со$(ю-г + ф) + / (г) (1)
где у (г) - боковое отклонение судна от оси проводки.
Под помехой ^ (г) понимают внешние и внутренние дестабилизирующие воздействия на судно, которые и отклоняют его от оси
фарватера. Навигационная безопасность является необходимым условием плавания в узкостях и проливах.
Основного критерием надежности проводки судна в узкостях и проливах в соответствии с работами принимается вероятность того, что в течение времени проводки не произойдет навигационного происшествия.
Причины навигационной аварийности при плавании в узкостях могут быть самые различные, но, в конечном счете, они сводятся к
превышению бокового отклонения у (г ) от оси проводки и допускаемой полуширины фарватера или Ж В этом случае происходит выход
судна на недопустимо малые глубины или на полосу встречного движения (возникновения угрозы столкновения). Таким образом, надежность проводки Я определяется вероятностью того, что за время проводки ? не будет ни одного выхода за границы канала или фарватера:
я = Р (^ ^ у (г)) (2)
где Ж - ширина свободной воды от борта судна до границы фарватера.
Учитывая, что траектория движения судна в узкости рассматривается с учетом выражения (1), вычисление вероятности Р(Ж>у) может
быть осуществлено на основе теории выбросов случайных процессов [3, 4]. Распределение отклонений у (I) от линии фарватера определяется законом Райса. В этом подходе существенным моментом, является отношения “сигнал - шум”. При этом рассматриваются два асимптотических разнесенных случая: при больших соотношениях сигнал/шум распределения вырождаются в нормальный закон, а при малых значениях отношения сигнал/шум в закон Релея [3,4].
В судоводительской практике отношения сигнал/шум имеет достаточно широкую смысловую интерпретацию (ОШепкашр I, (9)). Например, большое отношение сигнал/шум означает плавание в нормальных погодных условиях, в хорошо изученных районах, с известными динамическими характеристиками судна и под управлением опытного судоводителя. Малое отношение сигнал/шум означает плавание в районах при плохих погодных условиях, с плохо известными динамическими характеристиками судна под управлением судоводителя со средними профессиональными качествами [9].
Как было сказано выше, указанные законы распределения боковых отклонений судна в процессе проводки определяют два крайних случая судовождения: в нормальных и сложных условиях плавания. В соответствии с работами [3,4] среднее число выходов судна за границы канала, фарватера в обе стороны (+Ж —Ж) за время плавания I в нормальных условиях определяется выражением
Nnorm(t)=n■ exp
r"
т
(3)
где П - среднее количество пересечений оси проводки траекторией движения судна;
W
r = ■
а.
- нормированная (по средней квадратичной величине бокового отклонения судна Гу ), полуширина фарватера или пролива.
При плавании в сложных условиях среднее количество выходов за время плавания I
Nslo(t) = n ■ r -yfl- exp
(4)
Анализ проводки судов по проливам и фарватерам показывает, что выходы судна N за границы ± W являются независимыми и редкими событиями, которые, как известно, подчиняются закону Пуассона. В соответствии с законом надежность проводки (вероятность невыхода
судна за границы ± W ) определяется следующим образом:
R = exp [-N (t)] (5)
Подставляя выражения (3) и (4) в формулу (5), получим оценки надежности плавания судов в узкостях в нормальных и сложных условиях:
Rnorm = exp
2 '
r 1
-n■exp 2
_ V / _
(6)
Rslo = exp
-2.5 ■ r ■ n ■ exp
( 2 л
r
"2
V У
(7)
Рассчитанные по формулам (6) и (7) зависимости надежности Rnorm(m) b Rslo(m) от r и п представлены вычислительными блоками в Mathcad.
Rnorm(m) :=
W ^ 185.8 oy ^ 23.05 W
r <--------
oy
for n є 1.. m for r є 1.. m
С Г 2^
-r
V V 2 JJ
a ^ exp -n-exp — n, r 2
Rslo(m) :=
W ^ 185.8 oy ^ 23.05 W
r <--------
oy
for n є 1.. m for r є 1.. m
2
-2.51-r-n-exp
V 2 JJ
Rnorm(5) =
f 0.545 1 > f 0.218 0.507 0.92 0.997 1 ^
0.873 0.989 1 0.048 0.257 0.846 0.993 1
0.297 0.763 0.978 0.999 1
Rslo(5) = 0.01 0.13 0.778 0.99 1
0.162 0.666 0.967 0.999 1 - 3 2.266X 10 3
0.088 0.582 0.957 0.999 1 0.066 0.716 0.987 1
0. 0 4 oo 0.508 0.946 0.998 1J - 4 V 4.945 X 10 0.033 0.658 0.983 1 j
-r
a
a
В соответствии с этими результатами при сложных условиях добиться требуемой надежности мореплавания можно лишь имея одно
™ л
пересечение линии фарватера % = 1 , _ , при этом Rslo(5) = 0.997 .
Методика расчета величины Гу на основе зависимостей, показанных в работах [8]. Согласно этим работам средняя амплитуда
А(ґ) колебательного процесса проводки судна
Asred = у0 + D , Asred = 1.25 ■ ау
(8)
где Уо - величина бокового смещения судна, при достижении которой судоводитель замечает отклонение судна от оси проводки, Д
- динамическая составляющая коррекции курса. Величину Уо определяется по средней квадратичной погрешности определения бокового отклонения судна. Динамическая составляющая коррекции курса рассчитывается по формуле [8]
/
D = 0.01745 ■У^у'
t-L +
Y
\
2 Q
(9)
где V - скорость судна, м/с;
г - угол отклонения пути судна от линии проводки или неучитываемый угол суммарного сноса, град;
“ суммарное время оценки и переработки навигационной информации, принятия решения о коррекции и реализации решения, с; о “ угловая скорость эволюции при коррекции курса, град/с.
В формуле (9) значение У характеризует метеорологические и гидрологические условия проводки и может находиться в широких пределах, параметр Щ определяет поворотливость судна. Для судов среднего тоннажа 10 "15 тыс. т значение Щ установлено 0,1 град/с, суда 60 "100 тыс. т имеют среднее значение Щ =0,05 град/с, а при водоизмещении 100 "200 тыс. т, Щ = 0,02 град/с. Значения скорости
судна V и суммарного времени обработки информации и реализации решения при плавании в узкостях колеблются в более узких
пределах и могут быть оценены средними значениями V = 4 м/с и = 15 с
В соответствии с оценками параметров формулы (9) составлен программный вычислительный блок зависимости динамической составляющей амплитуды Э в метрах от угловой скорости эволюции Щ и угла сноса г.
D :=
Y —— (2 4 6)T
Q — (0.1 0.05 0.02)T for i є 1.. 3 for j є 1.. 3
a. . — 0.017545v-yj
i, j j
tS +
Y j 2-Q i
D=
f 3.509 9.825 18.949^ 4.913 15.44 31.581 V 9.123 32.283 69.478y
Как показывает практика, высокая аварийность судов при плавании наблюдается в узкостях, что предъявляет повышенные требования к обеспечению надежности проводки судов, которая, при современных средствах радионавигации, должна оцениваться величиной.
£ > 0.99 Учитывая это условие, можно определить требования к системам навигационного обеспечения плавания судна в сложных условиях.
Ф л
т — — * 4
В соответствии с расчетными значениями блока К81в(ш) значение 5 , а исходя из распределения Релея, получим
5 у
Азт = 1.25 -аУ . Подставляя эти величины в формулу (8) получим условие
у0 = 1.25 ■ — - D = 0.31-W - D 04
(10)
Для практических расчетов предельной ширину фарватера £ нормируют по ширине Вг расчетного судна. При сложных погодных
у
a
условиях, когда суммарный угол сноса достигает 10°, проекция расчетного судна на перпендикуляр к оси фарватера составляет 2 * Вс . В этом случае, формула (10) имеет вид
(3 - 2) Вс
Уо = 0.31* ^ ^ с - Э (11)
При сложных условиях плавания динамическая составляющая с параметрами (Щ=0,05 град/с и г=4°) численно равна Э = 15.4 м. Определим теперь ширину фарватеров, соответствующую установленным стандартам [9]: при 3 = 6 * Вс * Уо = 9.4 м, при
3 = 7 * Вс * Уо = 15.6 м, при 3 = 8 * Вс * Уо = 24.8 м.
Приведенный анализ показывает, что точность навигационных средств, обеспечивающих проводку судов по каналам и фарватерам, должна определяться средней квадратичной погрешностью определения бокового отклонения судна, равной 10"25 м, а поступающая навигационная информация должна быть непрерывной. Следует также отметить, что в рассматриваемом случае используются различные эмпирические формулы и допущения.
Современные космические радионавигационные системы и компьютерные системы позволяют получать данные в непрерывном режиме с высокой точностью, а компьютерные программы решать многомерные задачи значительно, повысив достоверность результатов.
Проанализируем вероятность невыхода судна при его движении по фарватеру за пределы установленных стандартов при действии дестабилизирующих факторов. Для этой цели воспользуемся радионавигационными данными об отклонениях движущегося судна от линии фарватера. Координаты о местоположении судна (сухогруза, дедвейт 60 тыс. тонн), движущегося по фарватеру Цемесской бухты и заходящего в порт Новороссийск фиксировались ежеминутно по данным приемника дифференциальной ОРБ, при этом наблюдалось
воздействии порывистого северо-восточного ветра, 3”4 м/сек, Полученные данные занесены в таблицу М. Таблица М представляет собой упорядоченную совокупность центрированных значений отклонений траектории движения судна от линии фарватера в течении 45 минут и представлена ниже. Общее число дискретных данных, представленных вектором <2, также составляет 45 единиц.
M :=
0 0.356 15 0.356 30 0.356
1 0.782 16 3.508 31 -0.099
2 2.916 17 4.564 32 2.645
3 0.062 18 0.83 33 13.537
4 -2.455 19 1.102 34 -7.805
5 -2.677 20 16.183 35 9.734
6 3.662 21 -4.858 36 -5.444
7 3.204 22 -23.363 37 -4.116
8 -15.588 23 -0.583 38 7.864
9 -18.206 24 1.284 39 9.145
10 -14.196 25 13.012 40 1.793
11 9.959 26 6.759 41 -3.023
12 -6.783 27 3.722 42 -7.004
13 7. 4 OO LO X 10 3 28 -0.425 43 -1.181
14 -1.601 29 -0.535 44 2.601
Развернутый по столбцам матрицы M вектор центрированных данных Q имеет вид Q = stack (M а>, M{3>, M{5>. Оператор Mathcad “stack” формирует вектор Q размерности 45x1. Дисперсия вектора отклонений судна от линии фарватера задается выражением (12)
лв=тг1а-0 ,
¿=0
и равна величине Dq = 40.736 , среднеквадратическое отклонение определяется выражением (13)
(12)
(13)
и равно (TQ = 6.382
Программный блок K вычисляет нормированную корреляционную функцию
V
K :=
for т e 0.. 40
45-т
У Q. • Q.
/ j i i
i = 0
1+T
45
V Q-Q
VI = 0
(14)
Аналитическое выражение для корреляционной функции (14) с неопределенными параметрами, учитывая дифференцируемость случайного процесса, описывающего движения судна определим выражением (15)
F (т,а, ß) = ехр(-а-|т |) •
COS(ß • т) + а- sin(ß • TI)
(15)
Для идентификации параметров корреляционной функции воспользуемся методом минимизации среднеквадратического отклонения в Ммкеай (16) по экспериментальным данным при заданном аналитическом выражении корреляционной функции (15).
h (a, ß) = Х Minimize ( H ,a, ß)
K - exp(-a • \ri |)
COS(ß • Ti ) + aß- sin(ß • Ti |)
(16)
0.405
1.203
Оптимальные параметры для корреляционной функции а — 0.405, в — 1.203
Выражение для нормированной корреляционной функции с известными параметрами имеет вид (17)
r (и ) = ехр(-0.405 • |т|) •
cos(1.203 •т)+0405 • sin(1.203 •T) 1.203
для ненормированной корреляционной функции с учетом дисперсии дискретного процесса (18)
korrel (и) = 40.736 • ехр(-0.405 • |т|) •
cos(1.203 • т) + 0:405 • sin(1.203 • IT) 1.203
(17)
(18)
a
Рис.1. Графическая зависимость аппроксимированной функции Г (Ы) и дискретной корреляционной функции К (т)
В соответствии с теорией выбросов случайных процессов вероятность того, что отклонения судна не превысит уровень а=24 м при движении судна по фарватеру в течении времени Т=45 мин определяется выражением (19)
P(T, a, T ) = exp
d korrel (т)
dT
korrel (т)
-•ехр
2 • ar
(19)
После подстановки всех параметров движения судна по фарватеру получим, что отклонение судна от оси фарватера в течение T = 45
мин на величину 24 метра не может произойти с вероятностью P(0, 24, 45) = 0.992 . Полученную вероятность следует интерпретировать как надежность по фарватеру мореплавания в сложных условиях.
Таким образом, применяя теорию выбросов случайных процессов к полученным экспериментальным методам, получаем подтверждение ранее полученных приближенных асимптотических оценок, изложенных в начале статьи. Однако в более точной постановке, во-первых, использованы реальные экспериментальные данные о движении судна, во-вторых, получена количественная мера оценки невозможности выхода судна за предельные границы.
Учитывая точности современные радионавигационных средств, обладающих защитой от помех, совершенную картографическую индикацию, становится возможной высокоточная проводка судов в узкостях и стесненных условиях вплоть до огражденных створами и парными буями морских проливов и фарватеров.
Литература:
1. Топалов В.П. Риски в судоходстве. Монография./ Топалов В.П., Торский В.Г.” Одесса: Астропринт, 2007. - 368 с.
2. Катенин В.А. Навигационное обеспечение судовождения. Монография. / Катенин В.А., Дмитриев В.Н.” М.: ИКЦ “Академкнига”, 2006. - 372 с.
3.Тихонов В. И. Выбросы случайных процессов. Монография. / Тихонов В. И. - М.: Наука, 1970. 392 с.
4. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов. Учебное пособие. / В.А Игнатов.” М.: Советское радио, 1979.
5. Баскин А.С., Блинов И. А., Елисеев Б. В. Навигациоино-гидрографическое обеспечение мореплавания. Монография. / А.С. Баскин., И.А. Блинов, Б. В. Елисеев.” М.: Транспорт, 1980.
6. Кондрашихин В. Т. Определение места судна. Монография./ В. Т. Кондрашихин” М.: Транспорт, 1981. 206 с.
7. Шевченко А.И., Дыба В. Г. Результаты опытных проводок судов по входному каналу порта Южный с использованием БРЛС. Статья./ А.И Шевченко, В. Г. Дыба - Экспресс-информация ЦБНТИ ММФ. Сер. Судовождение и связь. 1982. Вып. 3 (148), с. 1”9.
8. Бухановский И.Л. Радиолокационные методы судовождения. Монография./ И.Л.Бухановский “М.: Транспорт, 1970. 248 с.
9. Oldenkamp I. Statistical analysis of ship’s Manoeuvres Proceedings from Symposium on ship handling. Wegeningen, No. vember, 28—30, 1973.( сигнал -шум).
ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ В КОНЦЕПЦИИ ПОИСКОВО-СПАСАТЕЛЬНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОРСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Коровин А.Г., доктор транспорта, капитан-координатор МСПЦ в ФГУ «АМП Петропавловск-Камчатский»
Воды морей на Дальнем Востоке России, характеризуются высокой штормовой активностью. Актуальность исследования гидрометеорологического мониторинга морской среды обусловлено увеличением трафика в последние годы, добычей ресурсов нефти и газа на шельфе Охотского моря, прибрежным рыболовством и, следовательно, предоставлением поиска и спасания. Высокая аварийность и плохая организация поисковых и спасательных операций увеличивает спрос на научные исследования в области создания автоматизированных систем безопасности судоходства и гидрометеорологического мониторинга состояния морской среды.
Ключевые слова: метеорологические параметры, автоматическая гидрологическая станция, безопасность судоходства, радиотехнические системы безопасности мореплавания
APPLICATION OF AUTOMATIC METEOROLOGICAL STATIONS IN THE CONCEPT OF SEARCH AND RESCUE OF MARINE ACTIVITIES IN THE RUSSIAN FEDERATION
Korovin A., doctor of Transport, ^ief officer of the RCC in Federal State Institution «Petropavlovsk-Kamchatskiy Port Administration»
The water of the seas in the Russian Far East, characterized by high storm activity. Relevance of the research of hydrometeorological monitoring the marine environment due to the increase in traffic in recent years, extraction of oil and gas resources on the shelf of the Okhotsk Sea, coastal fisheries and, consequently, the provision of search and rescue. High accident rate and poor organization ofsearch-and-rescue operations increases the demand for scientific researches in the field of creation of the automated systems of safety of navigation and hydrometeorological monitoring subsystems of the state of the marine environment.
Keywords: meteorological parameters, аиШта^с hydrologic station, safety of navigation, radio navigation safety systems.
Дальневосточные моря России относятся к наиболее активным нием эффективности и безопасности мореплавания в дальневосточ-
местам на земном шаре, где море очень часто угрожает штормовыми ных морях Российской Федерации. Необходимо:
волнами зыби и цунами, нагонами и экстремальными течениями вбли- -создание эффективной системы мониторинга морских аквато-
зи побережья, достаточно частыми ураганами и тропическими тай- рий и обеспечение судов достоверной информацией о текущей об-фунами. Отсутствие должной гидрометеорологической информации становке на море, прогнозах, динамики изменения состояния моря приводит к многочисленным прибрежным разрушениям и корабле- и атмосферы;
крушениям с человеческими жертвами. Флот, работающий в морях -внедрение специальной судовой измерительной и счетно-ре-
Дальнего Востока, должен обладать способностью к длительному шающей аппаратуры, способной помочь оценить состояние моря,
автономному плаванию в условиях ураганных штормов, обледене- атмосферы. Аппаратура должна решить задачу судовой экспертной
ния и тяжелых ледовых условий. Возможность укрытия в надежных и аналитической системы, рекомендующей судоводителю самые
убежищах на акваториях Японского, Охотского и Берингово морей эффективные методы решения поставленных перед судном задач;
ограничена. Тяжелые гидрометеорологические условия существен- -при создании автоматизированных систем обеспечения безо-
но усложняют развитие морских коммуникаций и работ по освое- пасности мореплавания в регионах необходимо создавать подсис-
нию шельфа Охотского моря. Поэтому предлагается сформулировать тему метеорологического гидрологического и гидрометеорологи-
актуальные направления исследований тесно связанных с повыше- ческого контроля.
