Навигационные риски буксировки судна в стесненных навигационных условиях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВЕСТИ IT

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВ^

3. Кудряшов В. Е. Математическая модель процесса расхождения нескольких управляемых объектов / В. Е. Кудряшов. // Известия ЛЭТИ. - 1976. - № 206. - С. 15-19.

4. Павлов В. В. Инвариантность и автономность нелинейных систем управления / В. В. Павлов. - Киев: Наукова думка, 1971. - 272 с.

5. Павлов В. В. Некоторые вопросы алгоритмизации выбора маневра в ситуациях расхождения судов / В. В. Павлов, Н. И. Сеньшин. // Кибернетика и вычислительная техника. - 1985. -№68. - С. 43-45.

6. Куликов А. М. Оптимальное управление расхождением судов / А. М. Куликов, В. В. Поддубный // Судостроение. - 1984. - № 12. - С. 22-24.

7. Сафин В. П. Использование маневра изменения скорости для предотвращения столкновения судов / В. И. Сафин, Е. Е. Тюпиков // Судовождение. - 2005. - № 10. - С. 143-147.

8. Тюпиков Е. Е. Анализ возможности расхождения судна с целью изменением скорости / Е. Е. Тюпиков // Судовождение. - 2006. - № 12. - С. 122-126.

9. Вагущенко Л. Л. Расхождение с судами смещением на параллельную линию пути: монография / Л.Л. Вагущенко. - Одесса: Феникс, 2013. - 180 с.

10. Statheros Thomas. Autonomous ship collision avoidance navigation concepts, technologies and techniques / Statheros Thomas, Howells Gareth, McDonald-Maier Klaus // J. Navig. - 2008. 61. - № 1. -P. 129-142.

11. Lisowski J. The dynamic game models of safe navigation / J Lisowski // Advances in Marine Navigation and Safety of Sea Transportation. - 2007. - P. 23-30.

12. Цымбал H. H. Гибкие стратегии расхождения судов / Н. Н. Цымбал, И. А. Бурмака, Е. Е. Тюпиков. - Одесса: КП ОГТ, 2007. - 424 с.

Рассмотрен вопрос определения навигационных рисков прохода судов подходного фарватера к порту Высоцк при различных гидрометеорологических условиях. Использованы методы, известные в теории вероятностей и математической статистике для оценки навигационных рисков. Оценку навигационных рисков буксировки предложено производить стохастическими методами, учитывая смещение центра величины судна и изменчивость маневренной полосы движения. Показано, что по результатам имитационного моделирования движения судна по фарватерам и подходным путям п. Высоцк

УДК 656.61

С. Н. Некрасов,

д-р техн. наук, профессор, ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова;

К. И. Ефимов,

ассистент,

ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;

Д. В. Трененков,

аспирант,

ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова

НАВИГАЦИОННЫЕ РИСКИ БУКСИРОВКИ СУДНА В СТЕСНЕННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

NAVIGATION RISKS TOWING IN CRAMPED NAVIGATIONAL CONDITIONS

Выпуск 6,

(Выпуск 6

ВЕСТНИК

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

.МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

эти навигационные параметры подчинены нормальному закону распределения и задача оценки рисков сводится к задаче отыскания вероятности попадания случайной величины в назначенную полосу. Выполнена формальная оценка риска прохода узкости судами, на основании которой можно судить о качестве управления судном и некотором числе навигационных аварий и происшествий в заданном районе плавания.

Considered to the question of determination of navigation risks passage of vessels of the approach fairway to the port ofVysotsk in different hydrometeorological conditions. Used techniques known in probability theory and mathematical statistics to assess navigational hazards Assessment of navigational risks towing asked to produce stochastic methods, estimating the displacement of the centre of buoyancy of the vessel and the variability ofmaneuvering lanes. It is shown that the results ofsimulation of ship motion on fairways and approach paths port ofVysotsk these navigation options are subject to the normal law of distribution. Then the task of risks assessment is reduced to the problem offinding the probability of a random value in the assigned band. Made aformal risk assessment of the passage of outcaste courts, on the basis of which you can judge the quality control of the vessel and a number of navigation accidents and incidents in a given area of navigation

Ключевые слова: навигационный риск, навигационная безопасность, ширина маневренной полосы движения судна.

Key words: navigation risk, navigation safety, width maneuverable lanes of the vessel.

навигационными рисками [5, с. 12]. Необходимость включения в руководящие документы (обязательные постановления капитана порта) крупнотоннажных судов для возможности движения в / из п. Высоцк обусловлена потребностью снижения расходов на один судозаход и повышением экономических показателей.

Одним из подходов к обоснованию возможности буксировки крупнотоннажных судов в стесненных условиях является имитационное моделирование, применяемое для оценки навигационных рисков при проектировании и строительстве сооружений и объектов, а также для оценки рисков при движении судов в стесненных условиях [3, с. 164]. Одним из главных параметров, определяющих область возможного нахождения судна, является ширина маневренной полосы движения судна, которая зависит от размерений судна и углов сноса. Навигационными параметрами, характеризующими положение судна на фарватере с учетом его размерений, являются уклонение центра тяжести (ЦТ) судна от эталонной (заданной) траектории Дх(0 и угол дрейфа С. В соответствии с правилами применения критерия согласия Колмогорова - Смирнова [2, с. 343] будем полагать, что процесс Дх(0 распределен по нормальному закону и имеет некоторые значения математического ожидания тАх и дисперсии о2Дс [4, с. 34-35]. Помимо процесса Дх(0 положение судна на траектории движения будет характеризоваться шириной маневренной полосы движения B{t) при угле дрейфа С ф 0[3, с. 165].

Совместный учет статистических характеристик процессов Дх(0 и B(t), характеризующих качество управления судном, позволяет оценить изменчивость параметров траектории движения судна, что, в свою очередь, дает возможность оценить навигационные риски прохода узкости. Процессы Дх(0 и B{t) статистически независимы, поэтому оценка общего среднего значения изменчивости траектории судна [4, с. 34] составит

где т - математическое ожидание изменчивости ЦТ судна; тв - математическое ожидание изменчивости ширины полосы движения судна; тв - суммарное математическое ожидание. Значение дисперсии изменчивости полосы траектории движения судна составит

УКСИРОВКА судна в стесненных условиях отличается особой сложностью и необходимостью обеспечения навигационной безопасности плавания, так как навигационные и гидрометеорологические условия оказывают существенное влияние на управление

т — т + т fnz ГПАх тв’

(1)

2 2 а Е = а Ах

+ а'

2

в,

(2)

где о2Дх - дисперсия изменчивости ЦТ судна; о2в - дисперсия изменчивости ширины полосы движения судна; o2s - общая дисперсия изменчивости параметров движения судна [4, с. 35].

Имитационное моделирование движения танкера в сложных гидрометеорологических условиях проводилось на подходном фарватере к п. Высоцк с помощью навигационного тренажера NTPro 4000 и электронной картографической навигационно-информационной системы (ЭКНИС). Были получены значения уклонения центра тяжести (ЦТ) судна и угол дрейфа при движении судна в грузу и в балласте при различной скорости ветра. Результаты, характеризующие движение судна, были проанализированы классическими методами статистического анализа [1, с. 82], [6, с. 137].

Гистограммы и статистические моменты временных рядов отклонения ЦТ судна X(nh) и угла дрейфа C(nh), где h - шаг квантования, приведены на рис. 1-3 и в табл. 1-3.

б)

Рис. 1. График распределения уклонения ЦТ судна от оси фарватера (а) и угла дрейфа судна (б) при скорости ветра 8 м/с

Выпуск 6,

(Выпуск 6

а)

б)

Рис. 2. График распределения уклонения ЦТ судна от оси фарватера (а) и угла дрейфа судна (б) при скорости ветра 10 м/с

а)

б)

Рис. 3. График распределения уклонения ЦТ судна от оси фарватера (а) и угла дрейфа судна (б) при скорости ветра 12 м/с

Движение танкера при ветре 8 м/с

Таблица 1

Параметры Количество измерений Среднее значение Минимальное значение (ЛБ) Максимально е значение (ПрБ) Дисперсия Стандартное отклонение

Отклонение ЦТ, м 64 -4,64062 -45,0000 27,00000 329,3132 18,14699

Изменение угла дрейфа, град. 64 0,26563 -10,0000 11,00000 19,7855 4,44809

Движение танкера при ветре 10 м/с

Таблица 2

Параметры Количество измерений Среднее значение Минимальное значение (ЛБ) Максимально е значение (ПрБ) Дисперсия Стандартное отклонение

Отклонение ЦТ, м 642 -4,79751 -43,0000 37,00000 239,5596 15,47771

Изменение угла дрейфа, град. 642 -1,40810 -21,0000 28,00000 51,6959 7,18999

Движение танкера при ветре 12 м/с

Таблица 3

Параметры Количество измерений Среднее значение Минимальное значение (ЛБ) Максимально е значение(ПрБ) Дисперсия Стандартное отклонение

Отклонение ЦТ, м 413 -2,69855 -67,0000 70,00000 858,4362 29,29908

Изменение угла дрейфа, град. 413 -3,53511 -24,0000 21,00000 65,5601 8,09692

Выпуск 6,

(Выпуск 6

Математическое ожидание ширины маневренной полосы движения [3, с. 165] можно определить по формуле

1т б Lc / • \

----= — (sm тс + cos тс),

Б Б^ ’

(3)

где тс - математическое ожидание угла сноса; тв - математическое ожидание ширины маневренной полосы движения; Вс - ширина судна.

Математическое ожидание (тв) ширины маневренной полосы движения судна также определяется из табл. 2. При — = 6 и мс= 0,27 по табл. 2 [3, с. 165] определим тв = 1,07В, = 1,07 • 48,3 = 51,68 м.

Bc

Среднее квадратическое отклонение (СКО) изменчивости ширины маневренной полосы движения можно определить по формуле [3, с. 165]:

JB _ ис

Вс 57,3°

— cos C - sin C B

(4)

где ов - СКО маневренной полосы движения судна; о, - СКО суммарного дрейфа судна.

При = 6 и о, = 4,45 по табл. 3 [3, с. 165] определим ов = 0,46Вс = 0,46 • 48,3 = 22,22 м. Суммарное математическое ожидание изменчивости параметров движения судна составит

М _ Lc Bc Ba

sm mc + cos mc + mAx

(5)

На основании формулы (4) дисперсия составит

Be °с

57,3c

— cos C - sin C B

У

(6)

Полученные результаты позволяют оценить вероятность свершения событий изменения суммарной маневренной полосы в пределах допустимой ширины судового хода [3, с. 166]:

Р'{ а1 < х < а2} = Ф

а2

- Ф

а1

(7)

где ах,а2- границы габаритов судового хода; х - случайная величина ширины маневренной полосы движения судна; Ф - функция Лапласа.

На основании результатов табл. 1 т&х = 4,64 м; а&х = 18,15 м; тс = 0,27°, ос = 4,45°.

По формуле (1) определяем тв = т + тв = 4,64 + 51,68 = 56,32 м.

По формуле (2) находим o2s = ст2^ + а2в отсюда os = Vl8,152 + 22,222 = ^823,15509 = 28,69 м. Тогда значение вероятности безопасного прохода узкости при допустимой ширине составит: - для первого колена (190 м):

2Ф

^ а -

V а£ J

28,69

190-56,32 if 133,68 ,

= 2Ф |--------— I = 2Ф|----— | = 2Ф(4,659);

28,69

- для второго колена (180 м): 2Ф

^ а - тъ^

28,69

180-56,32 If 123,68,

= 2Ф|---------— | = 2Ф|----— | = 2Ф(4,311)-

28,69

- для третьего колена (230 м): 2Ф

^ а - тъ^

V J

28,69

230-56,32 if 173,68,

2Ф|--------— | = 2Ф|----— | = 2Ф(6,054);

28,69

2

а

в

V J

ВЕСТИ IT

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВ^

для входных ворот (120 м):

(

\

120 - 56,32 28,69

63.68

28.69

2Ф

а - mg

= 2Ф

= 2Ф

2Ф(2,22) .

V

а-

g J

В табл. 3 [2, с. 374] находятся значения функции Лапласа Ф(2,22) = 0,4868, для 2Ф(2,22) = 0,9736. Следовательно, значение навигационного риска при проходе входных ворот шириной 120 м танкером с шириной корпуса 48,3 м составит 1 - 0,9736 = 0,0264 = 2,64 10 2. При движении танкера по первому, второму и третьему колену шириной 190, 180 и 230 м соответственно вероятность касания кромки фарватера стремится к нулю.

Выбраны основные навигационные параметры, характеризующие положение судна относительно кромок фарватера.

На примере подходного фарватера к п. Высоцк определены навигационные риски буксировки танкера длиной 248 м и шириной 48,3 м при различных навигационных условиях

1. Вентцелъ Е. С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения: учеб, пособие / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. - М.: КНОРУС, 2010. - 342 с.

2. Абезгауз Г. Г. Справочник по вероятностным расчетам / Г. Г. Абезгауз, А. П. Тронь, Ю. Н. Копенкин, И. А. Коровина. - М.: Воениздат, 1970. - 560 с.

3. Некрасов С. Н. Оценка навигационных рисков при проектировании Ново-Адмиралтейского моста / С. Н. Некрасов, Ю. Г. Андреев // Журнал университета водных коммуникаций. - СПб.: СПГУВК. - 2012. - Вып. 2. - С. 163-167.

4. Некрасов С. Н. Определение навигационных рисков при имитационном моделировании управления судном при проходе узкости / С. Н. Некрасов, К. И. Ефимов, Д. В. Трененков // Вестник Еосударственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. -СПб.: ЕУМРФ имени адмирала С. О. Макарова. - 2014. - Вып. 1 (23). - С. 34-36.

5. Катенин В. А. Навигационно-гидрографическое обеспечение судоходства на внутренних водных путях: произв.-практ. изд. / В. А. Катенин, А. В. Зернов, Е. Е Фадеев. - М.: Моркнига,

2010. -344 с.

6. Груздев Н. М. Математическая обработка и анализ навигационной информации: учебник /

Н. М. Еруздев. - М.: Воениздат, 1979. - 222 с.

Выводы

Список литературы

Выпуск 6,