CC BY
6УДК 519.876.2:656.62
А.М. Жидкова
Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова,
Санкт-Петербург, 19803 e-mail: zhidkovaam@gumrf.ru
ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ БАРЖЕ-БУКСИРНЫХ СОСТАВОВ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЙ ВОДНОГО ПУТИ
Для развития технологии интеллектуального управления движением внутреннего водного транспорта необходимы элементы управления и выдачи рекомендаций при плавании по стесненным участкам и прохождении поворотов. В работе рассматриваются частные задачи моделирования взаимосвязей движения барже-буксирных составов и габаритных неоднородностей участков внутренних водных путей. Для этого из совокупности путевых точек выделяются поворотные точки, которые являются их частью, с целью формализации водного пути на участки, оказывающие однородное влияние на скорость и конфигурацию барже-буксирных составов. Под поворотной точкой понимается путевая точка, в которой судно изменяет направление движения относительно курса, заданного перед ее прохождением. Аппроксимация путевых точек производится по данным АИС относительно параметра ROT и разности параметров COG и Heading. Для моделирования прохождения составом заданного маршрута выполнена дискретизация водного пути на уровни, характеризующие поведение состава на каждом отдельном участке, сгруппированном из точек. Выделено три базовых уровня поворотных точек, в которых происходит изменение скоростных характеристик или конфигурации состава, а также метауровень, не предполагающий изменения поведения судна. Разработанная модель поворотных точек внутренних водных путей определяет рекомендованное поведение состава на каждом отдельном участке маршрута, что позволяет использовать ее в качестве одного из элементов адаптивного алгоритма организации работы внутреннего водного транспорта.
Ключевые слова: барже-буксирные составы, внутренние водные пути, путевые точки маршрута, поворотные точки маршрута, описание внутренних водных путей, технология интеллектуального управления элементами транспортной системы.
A.M. Zhidkova
State University of Marine and River Fleet named after Admiral S.O. Makarov,
St. Petersburg, 198035 e-mail: zhidkovaam@gumrf.ru
INFORMATION MODEL OF BARGE-TOW TRAINS MOVEMENT IN VIEW OF WATERWAY CHANGES
To develop the technology for intelligent control of the inland water transport movement the control elements and recommendations issuance when sailing through tight areas and making turns are needed. The particular tasks of modeling the relationships between the barge-tow trains movement and areas with overall heterogeneities of inland waterways are considered. For this purpose, turning points that are part of the set of waypoints are identified to formalize the waterway into sections that have a uniform impact on the speed and configuration of barge-tow trains. A turning point is a waypoint at which the ship changes direction relative to the course set before passing it. Waypoints are approximated using AIS data with respect to the ROT parameter and the difference between the COG and Heading parameters. To simulate the passage of a given route by a barge-tow train, the waterway was discretized into levels that characterize the behavior of the barge-tow train at each individual section, grouped from points. Three basic levels of turning points are identified, at which a change in the speed characteristics or configuration of the barge-tow train occurs, as well as a meta-level that does not imply a change in the behavior of the vessel. The developed model of turning points of inland waterways determines the recommended behavior of the barge-tow train on each the route individual section, that allows to use it as one of the adaptive algorithm elements for organizing the work of inland water transport.
Key words: barge-tow trains, inland waterways, route waypoints, route turning points, description of inland waterways, technology of intelligent control of transport system elements.
Одним из направлений развития транспортной системы Российской Федерации является устранение узких мест и лимитирующих участков внутренних водных путей. В транспортной стратегии [1] отмечается, что это особенно важно для поддержания и увеличения объема перевозки грузов водным транспортом. При этом в качестве одного из принципов организации его работы предлагается обеспечение максимальной загрузки речных судов, которая сейчас является неполной. Другой важный аспект - это повышение уровня цифровизации на транспорте, который может быть достигнут за счет внедрения технологий интеллектуального управления элементами транспортной системы, под этим в работе понимается управляющее воздействие или рекомендации по организации перевозок грузов барже-буксирными составами по внутренним водным путям с неоднородными габаритными характеристиками, которые формируются с использованием элементов искусственного интеллекта, в том числе адаптивных алгоритмов.
Геопространственные технологии навигации в настоящее время получили широкое распространение для автомобильного, железнодорожного и морского транспорта [2-4], однако при описании внутренних водных путей практически не применяются [5, 6]. При этом основное внимание уделяется маршрутизации, а планирование рейса переходит в категорию частных задач.
На внутреннем водном транспорте маршрут имеет преимущественно линеарный характер и зависит от габаритов водных путей, ограничивая возможность эксплуатации или снижая грузовместимость судов. В цикле научных статей предполагается представить развитие новых технологий организации и работы барже-буксирных составов, позволяющих за счет изменения их конфигурации в пути следования увеличить объем перевозимого груза за один рейс.
Цель данной статьи - обоснование адаптивного алгоритма определения конфигурации барже-буксирных составов в зависимости от характеристик участков внутренних водных путей. Частной задачей является разработка модели, определяющей влияние характеристик участков внутренних водных путей на их прохождение барже-буксирным составом.
Предлагается модель прохождения барже-буксирным составом поворотных участков внутренних водных путей. Движение судов осуществляется преимущественно в границах судового хода, что позволяет определить основную траекторию прохождения стесненных участков маршрута. Под поворотным участком понимается участок пути, где происходит изменение курса судна.
Маршруты от пункта отправления до пункта назначения задаются множеством координатных точек. Определим их как путевые точки. Тогда поворотная точка - это путевая точка, в которой судно изменяет направление движения относительно курса, заданного перед ее прохождением. Каждая поворотная точка имеет определенные координаты. Для определения поворотных точек используются данные о движении судов на аналогичном участке водных путей по АИС. Данные представляют собой набор координат путевых точек, характеризующих положение судна с интервалом в 1 минуту. Выбор поворотных точек из совокупности путевых производится по параметру ROT (скорость поворота), фиксирующему маневрирование судна. В качестве дополнительного признака применяется разность значений параметров COG (курс относительно грунта) и Heading (гирокомпасный курс).
Причины и характер маневренных операций, выполняемых барже-буксирным составом при прохождении маршрута, отличаются между собой, что позволяет классифицировать поворотные точки по следующим признакам:
- по происхождению места выполнения маневров (связанные с естественными факторами; связанные с искусственными факторами);
- по признаку прогнозируемости выполнения маневров (прогнозируемые - необходимость выполнения маневра определяется до начала рейса; непрогнозируемые - невозможно определить их наличие и необходимость выполнения маневра до непосредственного сближения);
- по признаку постоянности местонахождения (постоянные - имеют фиксированные географические координаты; переменные - изменяют местоположение в пространстве и географические координаты).
В целях моделирования рассматриваются поворотные точки маршрута, связанные как с естественными, так и искусственными факторами, относящиеся при этом к постоянным и прогнозируемым. Основные факторы, влияющие на появление таких точек: изгибы судового хода, опоры мостов, эстакад и других инженерных сооружений, гидротехнические сооружения (в том числе шлюзы). Прочие поворотные точки могут быть также учтены при моделировании при наличии достоверных сведений о них.
Математическая формализация предполагает описание судового хода, при котором выполняется его разделение на прямолинейные и криволинейные участки. Прямолинейные участки представляют собой отрезок между двумя последовательными поворотными точками, где вводятся ограничения на любые маневры барже-буксирных составов. Криволинейный участки - это последовательный набор большого количества точек, находящихся на минимальном расстоянии друг от друга, при котором фактор поворота на расстоянии между ближайшими точками имеет незначительно малое значение.
Поворотные точки не однородны в своем составе. Участки, которые они определяют, различаются по длине и ширине, что потенциально оказывает влияние на скоростные характеристики и габаритные параметры состава. В статье [7] и патенте [8] раскрыта возможность переформирования состава на маршруте следования для преодоления стесненных участков внутренних водных путей.
Полученные координатные точки из данных АИС аппроксимируются относительно параметра ROT и разности параметров COG и Heading. Набор поворотных точек формируется за счет исключения путевых точек, в которых маневрирование не выполнялось или имело незначительно малое значение относительно пройденного расстояния от точки начала маневрирования. В схематическом виде аппроксимация путевых точек показана на рис. 1 и 2.
а б
Рис. 1. Схема аппроксимации прямолинейного участка внутренних водных путей: а - исходные данные - путевые точки маршрута; б - аппроксимированные данные - поворотные точки маршрута
Рис. 2. Схема аппроксимации криволинейного участка внутренних водных путей: а - исходные данные - путевые точки маршрута; б - аппроксимированные данные - поворотные точки маршрута
Для исследования был выбран участок водного пути Волго-Балтийского бассейна от Нижне-свирского шлюза до Ладожского озера, относящийся к основным судоходным трассам и имеющий профиль с выраженными изгибами русла реки, что создает ограничения по длине судна/состава судов.
Пример аппроксимации участка внутренних водных путей приведен на рис. 3. Изображенный участок содержит 24 путевые точки, полученные по данным АИС. В результате аппроксимации было отобрано 11 точек, определенных в качестве поворотных. Среди исключенных точек параметр ROT варьируется от -3 до 3, разница параметров COG и Heading составляет от -5 до 5.
Рис. 3. Пример аппроксимации участка внутренних водных путей
В ходе исследования поворотные точки были подразделены на уровни в зависимости от поведения состава судов на данном участке водного пути. В метауровень включены точки, где изменения скоростного режима и конфигурации состава не предполагается.
1-й уровень: включает участки внутренних водных путей, требующие учета изменения скоростного режима движения судов;
2-й уровень: содержит участки внутренних водных путей, требующие переформирования барже-буксирного состава;
3-й уровень: составляют участки внутренних водных путей, требующие смены расположения в составе или изменения назначения буксиров, в том числе замены толкачей на тягачи.
Уровень более высокого порядка включает в себя характеристики предыдущих уровней. Поворотные точки второго и третьего уровней являются местами переформирования барже-буксирного состава. При этом одна и так же точка для составов с разными габаритными (длина, ширина, осадка) и маневренными характеристиками может относиться к различным уровням.
На рис. 4 приведен пример дискретизации участка внутреннего водного пути по разработанной модели.
9 Участок, включающий точки маршрута 1 уровня ф Участок, включающий точки маршрута 2 уровня О Участок, включающий точки марштура 3 уровня
Рис. 4. Пример дискретизации участка внутренних водных путей по разработанной модели
Безопасная скорость движения и габариты внутренних водных путей на участках маршрута неоднородны. Правилами движения и стоянки судов по бассейнам внутренних водных путей Российской Федерации [9] устанавливаются скоростные ограничения, однако скорость движения на прямолинейных участках при прочих равных условиях выше, чем на криволинейных участках. При выполнении маневра также увеличивается площадь, необходимая судну для движения. Такие особенности прохождения маршрута необходимо учитывать при планировании рейса.
На морском транспорте применяется международный стандарт RTZ [10], предполагающий общий формат для обмена маршрутными данными. Реализация представляет собой созданные стандартные XML-схемы, включающие блоки с общей информацией о маршруте, его геометрией и расписанием, которые могут содержать как основную, так и дополнительную информацию. Основным назначением стандарта является указание маршрутных координат движения судна и скорости прохождения участков маршрута. В связи со спецификой морских перевозок ограничения участков водного пути по габаритам учитываются только в общем виде, в то время как для целей подбора габаритов барже-буксирных составов, наиболее адаптированных к характеристикам внутренних водных путей, требуется детальное рассмотрение размеров маневровой полосы в каждой поворотной точке маршрута.
Разработанная трехуровневая модель определяет поведение состава в каждой отдельной поворотной точке, то есть задает необходимость изменения конфигурации или скорости. Полученные данные о поворотных точках и их характеристики будут использоваться для дальнейших численных расчетов движения барже-буксирного состава по маршруту, в том числе в целях оценки эффективности выполнения перегруппировки.
Модель прохождения барже-буксирным составом поворотных участков, функционируя в качестве одного из элементов адаптивного алгоритма организации работы внутреннего водного транспорта, может быть внедрена в систему формата, аналогичного стандарту RTZ. Это позволит в начальном варианте учесть особенности движения судов по внутренним водным путям и задать основу для планирования работы барже-буксирных составов, в том числе при изменении их конфигурации на маршруте.
Литература
1. Транспортная стратегия Российской Федерации до 2030 года с прогнозом на период до 2035 года, утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 ноября 2021 г. № 3363-р. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
2. Ольховик Е.О., Исаулова К.Я., Тезиков А.Л. Результаты использования геоинформационных технологий при исследовании параметров судоходства в Восточном секторе Северного морского пути // Речной транспорт (XXI век). - 2020. - №. 1. - С. 40-43.
3. Куныгина Л.В. Современные информационные технологии в управлении железнодорожным транспортом // Транспорт: наука, образование, производство (Транспорт-2021). - 2021. -С. 111-115.
4. Полтавская Ю.О., Крипак М.Н., Гозбенко В.Е. Оценка условий движения транспортных потоков с применением геоинформационных технологий // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2016. - № 1 (49). - С. 155-161.
5. Гончаренко Е.А., Кокорина И.П. Геоинформационное моделирование в обеспечении работы речного порта // Интерэкспо Гео-Сибирь. - 2020. - Т. 6, № 1. - С. 104-109.
6. Сафонова А.П., Афанасьев А.П. Актуальность внедрения геоинформационных систем управления судоходством и обеспечения безопасности на внутреннем водном транспорте в Республике Беларусь // Перспективы развития транспортного комплекса. - 2017. - С. 36-41.
7. Жидкова А.М. Оптимизация конфигурации барже-буксирных составов в зависимости от габаритных и навигационных характеристик внутренних водных путей // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала СО Макарова. - 2022. - Т. 14, № 5. -С. 722-735.
8. Способ формирования судового состава: Патент № 2786282 С1 Российская Федерация, МПК В63В 21/62. № 2022121005: заявл. 02.08.2022: опубл. 19.12.2022 / А.М. Жидкова, Е.О. Ольховик; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». - EDN: NYSHKC.
9. Правила движения и стоянки судов в Волго-Балтийском бассейне внутренних водных путей Российской Федерации, утв. приказом Минтранса России от 10.07.2013 № 235. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
10. Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems - Electronic chart display and information system (ECDIS) - Operational and performance requirements, methods of testing and required test results, IEC 61174.
