CC BY
16УДК 627.711
С.А. Дементьев, студент, ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
Т.В. Гордяскина, к.ф.-м.н, доцент, ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
В.И. Мерзляков, к.т.н., старший преподватель ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОБ ОРГАНИЗАЦИИ РЕГИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ В РАЙОНЕ ГОРОДЕЦ - НИЖНИЙ НОВГОРОД Р. ВОЛГА
Ключевые слова: система управления движением судов, радиолокационная станция, радиорелейная связь.
В статье предлагается один из вариантов региональной системы управления движением судов на базе локальных диспетчерских пунктов в районе Городец - Нижний Новгород, осуществляющей мониторинг реальной судовой обстановки системой береговых радиолокационных станций.
Рост интенсивности судоходства, увеличение объема пассажирских и грузовых перевозок, появление высокоэффективных дорогостоящих судов, увеличение их размеров и скоростей определяют повышенные требования к обеспечению безопасности судоходства по внутренним водным путям России. Одной из самых интенсивно загруженных европейских рек является р. Волга. Возникает необходимость разработки мер, обеспечивающих максимально безопасное судоходство по бассейну р. Волга.
Одним из проблемных с точки зрения безопасности судоходства (высокая интенсивность движения судов, малая глубина судоходного хода, ограниченная видимость из-за тумана, мглы, сильного ливня) является участок бассейна р. Волга от Городецкого гидроузла 853-855,5 км до г. Н. Новгорода.
В июле 2014 года приток воды в большинство водохранилищ на Волге и Каме был на 45% ниже нормы. В связи со сложившейся ситуацией на реке Волга в 2014 году из-за малого количества воды на участке от г. Городца до Нижнего Новгорода навигация практически остановилась, разделив реку на 2 участка. Прохождение судов по этому участку осуществлялось раз в 3 дня, так же на рассматриваемом участке увеличилось количество посадок на мель. В связи с этим несли огромные убытки не только пассажирский и грузовой флот, но и предприятия, пользующиеся перевозками по реке.
В настоящее время предлагается несколько путей решения данной проблемы: поднятие уровня Чебоксарской ГЭС с существующей сейчас 63-ей до 68 отметки; возведение низконапорной плотины в районе посёлка Большое Козино, что позволит поднять уровень воды только на участке от г. Городца до п. Большого Козино.
Дополнительным путем повышения безопасности судоходства является использование системы управления движением судов (СУДС) на проблемных участках. СУДС - это результат объединения возможностей глобальных навигационных спутниковых систем, систем автоматической цифровой радиосвязи, автоматической идентификационной системы, береговых радиолокационных станций и системы электронной картографии. С внедрением СУДС появляются реальные возможности эффективно и оперативно осуществлять контроль за движением судов на обслуживаемом участке реки и обмениваться информацией между диспетчерским пунктом и судном.
В зависимости от протяженности зоны действия СУДС, навигационных и гидрометеорологических условий, интенсивности движения судов, в соответствии с присвоенной категорией, СУДС должны выполнять целиком или частично следующие функции: 106
- организацию и регулирование судоходства в акваториях гидросооружений и на подходах к ним, контроль за соблюдением правил плавания;
- планирование графика движения судов;
- обеспечение безопасности судоходства в сложной навигационной, метеорологической и гидрологической обстановке, а также при плавании в узкостях;
- защиту окружающей среды за счет снижения риска аварий и разлива нефтепродуктов;
- обеспечение КВ и УКВ-радиосвязи операторов СУДС с судами в зоне ответственности СУДС;
- запись данных всей навигационной ситуации для передачи её в главное бассейновое управление (ГБУ) и воспроизведения по необходимости.
В настоящее время на всем протяжении бассейна реки Волги уже расположены диспетчерские пункты (ДП), которые отвечают за определенные участки движения судов. ДП имеют свой позывной, выделенный канал Диспетчер-Судно, а также канал передачи путевой и гидрометеорологической информации. На рассматриваемом участке от г. Городца до г. Н. Новгорода расположены три ДП: в г. Городце, г. Ба-лахне, г. Н.Новгороде; центральный диспетчерский пункт (ЦДП) находится в порту г. Нижний Новгород.
С целью контроля за судами и обеспечения надежной связи с судном каждый диспетчерский пункт уже оснащен:
1) Двумя УКВ - радиостанциями для связи диспетчера с судами.
2) Автоматической идентификационной станцией (АИС) для идентификации судов, их габаритов, курса.
3) Двумя ПВ/КВ - радиостанциями (для районов плавания А2, А3, А4), необходимых для решения задач по обеспечению безопасности судоходства, охраны человеческой жизни на ВВП, передаче специальной (гидрометеорологической, путевой и циркулярной) информации для флота, обмена служебной корреспонденцией.
Эффективное использование АИС возможно только при полномасштабном оснащении всех судов ответчиками (транспондерами), включая малотоннажные. Однако по реке передвигается достаточно много объектов, не оснащенных АИС, например: лодки, катера, различные посторонние предметы, которые можно наблюдать с помощью береговых РЛС.
Для обеспечения более полного контроля за судовой обстановкой в режиме реального времени предлагается объединить указанные выше ДП в единую региональную СУДС. Для полноценного функционирования региональной СУДС на участке Городец - Нижний Новгород необходимо разместить береговые радиолокационные станции (БРЛС) вдоль берега реки Волги. Каждый ДП будет получать информацию от БРЛС, расположенных в зоне его ответственности, а затем сведения от локальных ДП поступают в центральный ДП в Н.Новгороде [1, 2].
БРЛС в составе СУДС должна соответствовать требованиям, описанным в ГОСТ 21063-81 «Оборудование судовое навигационное. Термины и определения». В соответствии с данным документом в качестве БРЛС допустимо применять судовую РЛС «X» диапазона (длина волны 3 см).
В настоящее время на рынке представлено достаточно большое количество судовых РЛС. В нашем случае главными критериями выбора БРЛС являлись:
- рабочий диапазон (от этого зависит количество и расположение станций на выбранном участке);
- выходная пиковая мощность (на протяжении всего участка пути присутствуют населенные пункты, вблизи которых установка РЛС строго регламентируется).
Наиболее полно отвечают данным критериям технические параметры РЛС Koden MDS-50R: рабочие частоты 9445±30МГц; ширина диаграммы направленности по вертикали 25 град.; выходная пиковая мощность 2кВт; дальность действия 24 мили; наличие сертификата на применение Морского и Речного Регистров Российской Фе-
дерации. Размещение станций производилось с учетом рельефа местности на выбранном участке, возможности полного контроля за судовым ходом, дальности действия БРЛС, а также в соответствии с нормами СанПиН. Пример размещения БРЛС с учетом существующих ДП и зон их ответственности приведен на рис. 1.
Рис. 1. Размещение БРЛС с учетом существующих ДП
В качестве примера рассмотрим место установки БРЛС 7 (рис. 2). Размещение БРЛС проведено с учетом рельефа местности, взятого из атласа [3] и полного контроля за судовым ходом.
Рис. 2. Размещение БРЛС 7 с учетом судового хода
Конкретизация места расположения БРЛС проводится в соответствии с рельефом местности выбранного участка, полученным по спутниковому снимку с использованием программы Google Earth (рис. 3). В окрестности предполагаемого места расположения БРЛС промеряется рельеф местности вдоль линии берега, (жирная линия на карте), полученный рельеф относительно уровня моря приведен внизу рисунка (максимальная высота берега над уровнем моря составляет 66 м).
Рис. 3. Спутниковый снимок рельефа местности обзора БРЛС 7
При размещении БРЛС в границах населенных пунктов необходимо учитывать требования СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96, в соответствии с которыми в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц интенсивность электромагнитных излучений оценивается значениями плотности потока энергии (ППЭ) [4]. Предельно допустимые уровни электромагнитных излучений радиочастоты для населения составляет 100.0 мкВт/см2, что эквивалентно 1 Вт/м2. С учетом приведенных выше требований определяется радиус санитарно-защитной зоны, в которой человеку нельзя находиться длительное время.
Плотность потока энергии импульсной БРЛС рассчитывается по формуле [5]:
П =
Ри • Dg An- LL
(1)
где Ри - пиковая выходная мощность антенны;
Ба - коэффициент направленного действия антенны (КНД);
Ь - расстояние до цели.
Предельно допустимая плотность потока энергии ППЭ =1Вт/м2, из (1) определяется расстояние до цели - Ь, в нашем случае - радиус санитарно-защитной зоны:
L =
Ри-Dg Пт -An
(2)
Поскольку Ри = 2 кВт = 2103 Вт, а КНД Dg =1, (из технических характеристик Koden MDS-50R), следовательно,
L =
V
2-103 Вт
1 Вт / м - An
= 12,5м
Согласно технической документации, станция KODEN MDS-50R может эффективно обнаруживать цели, которые располагаются на расстоянии 25 м от неё. Из-за возможного паводка, мачты с антенной БРЛС необходимо устанавливать на возвышенности и достаточном расстоянии от берега (зададим расстояние от мачты до кромки воды не менее 50 м). Зоны действия БРЛС схематично показаны на рис. 4.
БРЛС
Рис. 4. Зоны действия береговой радиолокационной станции
Произведем расчет высоты установки радиолокационной антенны на мачте (выбраны алюминиевые мачты СТ-А3Т фирмы «Радиолинк», высоты которых составляют 10 м и 20 м). Исследуем рельеф берега от места установки мачты с антенной БРЛС7 до кромки воды, анализируя детальный спутниковый снимок места расположения БРЛС7 (белая линия 1-2 на рис. 5) [6].
Рис. 5. Рельеф местности в месте установки БРЛС7
Точка 1 - граница кромки воды, точка 2 - это место установки мачты БРЛС 7 в 50 м от берега. Угол наклона берега на данном участке ф=2,1°.
Рассчитаем высоту установки радиолокационной антенны - X исходя из следующих данных: ширина луча БРЛС по вертикали (а) - 25,0 град.; расстояние от мачты до кромки воды - 50 м.
1.=50ы Мертвая зона 1 Р-Волга
Рис. 6. Установка радиолокационной антенны на мачту Искомая высота выражается как
X = Н - И.
(3)
Согласно теореме синусов, стороны треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов:
AHL ~4 = ~~¿ = ~-• (4)
sin Л sin р sin у Здесь X=90 град., угол ß=12.5 град., угол у=77.5 град.
Высота установки радиолокационной антенны на мачте: °ф
X = L ■
■ /а i sm( — )
2
а
sin( 90 -а ) 2
-tg( ф)
(5)
Согласно выражению (5) найдем высоту X установки для БРЛС7:
X = 50м ■
■ .25°.
srn(—)
25'
sin(90° ——)
--tg (2.1°)
= 9.17м « 9.2м
Аналогично рассчитывается высота крепления антенн на мачты и для остальных БРЛС.
Для передачи информации с БРЛС, расположенных в зонах ответственности ДП (см. рис. 1), в соответствующие диспетчерские пункты предлагается использовать радиорелейную связь, осуществляемую при помощи цепочки приёмо-передающих радиостанций, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн. Станция радиорелейной связи полностью интегрируется с существующими телекоммуникационными сетями, обеспечивая передачу данных на расстояние до 80 км на пролет. Радиорелейные каналы связи по сравнению с традиционными проводными или оптоволоконными линиями имеют следующие преимущества:
- сравнительная дешевизна высокоскоростного канала связи;
- отсутствие работ, связанных с прокладкой наземных линий связи;
- нечувствительность к сложным для прохождения участкам трассы (магистральные трассы, путепроводы, реки, болота, леса и т.п.);
- централизованное обслуживание и ремонтопригодность.
В качестве радиорелейной станции (РРС) выбрана станция «Стрела-0,45», не требующая получения разрешения на использование полосы частот ГКРЧ, характеристики которой (диапазон частот 394-450 МГц; длина пролета до 70 км; скорость передачи по радиоканалу до 20Мбит/с; потребляемая мощность одним полукомплектом не более 30 Вт) полностью удовлетворяют требованиям к объёму и скорости передачи данных.
Антенны РРС для ДП предполагается размещать на крыше зданий, антенны удаленных пунктов устанавливать на алюминиевых мачтах над антеннами БРЛС. В местах установки БРЛС (удаленных пунктах) так же потребуется разместить специальные контейнеры (блок-боксы), подвести коммуникации (цепи питания).
Рис. 7. Расположение оборудования в блок-боксе удаленного пункта: 1. Шкаф аварийный распределительный; 2.1. Шкаф радиорелейной станции; 2.2. Шкаф радиолокационной станции, 3. Шкаф управления микроклиматом; 4. Электроконвектор; 5. Аварийное освещение; 6. Вентилятор.
Передача информации с помощью радиорелейной связи возможна только в зоне прямой видимости, поэтому проведено исследование рельефа местности на участках между ДП и соответствующими БРЛС. Существенных преград для установки РРС обнаружено не было, за исключением участка от БРЛС3 до ДП Городец. На участке от ДП Городец до БРЛС 3 присутствует возвышенность, в результате чего прямая видимость межу этими двумя точками отсутствует. Поэтому для организации радиорелейной линии связи необходимо установить дополнительный ретранслятор РРС на мачте высотой 10 м (рис. 8).
Высота, м
114 м 112м
1ДП Городец, 104 и J_ ^Ч si, -
Ретранслятор. y-f 102 м — ——
j БРЛС 3, 73 м
2,5 5 7,5 10 11
Рис. 8. Профиль высот между ДП Городец и БРЛС3 с мачтами антенн
Пример организации РРС на участке от ДП Балахна до БРЛС 7 приведен на рис. 9. Высота, м
70
60
[ев и
|Д" Ем/ыхил, 78 м ^V/vA IIS м
и., БРЛС 7, 65 mJ
О 2,5 5 7,5 10 13,5
Рис. 9. Профиль высот между ДП Балахна и БРЛС 7 с мачтами антенн
В настоящее время связь ДП Городец и Балахна с ЦДП Н. Новгород осуществляется по выделенному защищенному каналу связи интернет, который не всегда может обеспечить быструю бесперебойную связь. Более надежной является выделенная линия связи между ДП в СУДС. Расстояния между ДП и ЦДП не превышают 70км, поэтому в качестве системы связи можно использовать линию РРС. Рассмотрим ниже соответствующие профили высот.
Высота, н
135 125
100
95 м
75 60
I ДП Балахна, 75
135 и
и ДП h . Новгород, 125 и" / 1/ [
10
15
20
25
30,5
Рис. 10. Профиль высот между ДП Балахна и ЦДП Н. Новгород с мачтами антенн
Высота, н
145
125
100
145 м
и ______ |ДП Городам, 104 и ДП Н. Новгород, 125 и ^___^ 1
0 7,5 15 22,5 30 37,5 45 51
Рис. 11. Профиль высот между ДП Городец и ЦДП Н. Новгород с мачтами антенн
На базе описанной выше инфраструктуры можно создать электронно-картографическую навигационно-информационную систему (ЭКНИС), которая будет выполнять следующие функции:
- совмещение информации с БРЛС, АИС и гидрометеорологической информации и наложение её на электронную карту. На электронной карте отображаются: берега водного пути, сооружения с береговой чертой (волнорезы, насыпи, дамбы и т.д.), очертания шлюзов, дамб, границы фарватеров, отдельные подводные опасности, отдельные надводные опасности (мосты, линии электропередач), ось водного пути с указанием километров и их десятков;
- резервирование системы (при выходе из строя основной системы незамедлительно включается резервная, либо они работают одновременно);
- хранение информации для последующего воспроизведения;
- передача информации в ГБУ;
- представление средств навигации (вида буев, знаков, указателей) и текстов в специальном окне на дисплее ЭКНИС;
- показ изобат для действительного уровня воды и отображения индивидуальной судоходной полосы для судна в зависимости от выбранной его осадки и действительного уровня воды;
В речной ЭКНИС представлен информационный режим, в котором оператор может вручную прокручивать изображения карты контролируемого района и получать дополнительную информацию о навигационных объектах и судах, отображающихся на карте.
Пример экрана системы ЭКНИС показан на рисунке 12. Выделенный объект не оснащен системой АИС, но обнаруживается БРЛС.
Рис. 12. Экран системы ЭКНИС
Предлагаемое внедрение региональной СУДС на проблемном участке р. Волга позволит проводить полный мониторинг судового хода в режиме реального времени, что повысит безопасность и эффективность судоходства.
Список литературы:
[1] Ивашечкин М.А., Чижов К.Д., Швецов Д.В. Об организации локальных систем управления движением судов в бассейне р. Волга. Труды 16 международного научно -промышленного форума «Великие реки - 2014». Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, специалистов и студентов «Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек. Том 1. - Н. Новгород: изд-во ФГБОУ ВО «ВГАВТ», 2014, стр. 82-85.
[2] Ивашечкин М.А., Чижов К.Д., Гордяскина Т.В., Мерзляков В.И. Выбор радиолокационного оборудования и систем связи для локальных СУДС. Труды 16 международного научно-промышленного форума «Великие реки - 2014». Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, специалистов и студентов «Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек. Том 1. - Н. Новгород: изд-во ФГБОУ ВО «ВГАВТ», 2014, стр. 86-89.
[3] Карты Единой Глубоководной Системы Внутренних Водных Путей Российской Федерации (ЕГС ВВП РФ) том 5.
[4] СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. 2.2.4. Физические факторы производственной среды. 2.1.8. Физические факторы окружающей среды. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ). Санитарные правила и нормы.
[5] Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Советское радио, 1975.
[6] Сервис Google Earth, www.google.ru/earth
ABOUT THE ORGANIZATION OF A REGIONAL SYSTEM
OF VESSEL TRAFFIC IN THE VICINITY OF GORODETS - NIZHNY NOVGOROD, VOLGA RIVER
S.A. Dementyev, T. V. Gordyaskina, V.I. Merzlyakov
Key words: Ship traffic control system, radar station, radio relay communication In this article proposes the idea of creating a regional system of ship traffic management on the basis of local dispatch centers near Gorodets - Nizhny Novgorod, which monitors the actual shipping situation of coastal radar system.
УДК: 681.31+519.8
М.А. Коган, д.т.н., профессор ФГБОУВО «МГУПИ», А.М. Пушкин, аспирант ФГБОУ ВО «МГУПИ», 107996, г. Москва, ул. Стромынка, 20 Ю.С. Федосенко, д.т.н., профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ИНФОРМАЦИОННО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИНТЕЗА СТРАТЕГИЙ ОБСЛУЖИВАНИЯ ГРУППИРОВКИ СТАЦИОНАРНЫХ ОБЪЕКТОВ В ОДНОМЕРНОЙ РАБОЧЕЙ ЗОНЕ
Ключевые слова: теория расписаний, динамическое программирование, генетический алгоритм.
Рассматривается модель обслуживания группировки стационарных объектов, расположенных в одномерной рабочей зоне мобильного процессора. Процессор выполняет одностадийный цикл обслуживания, который начинается и заканчивается в базовой точке. Для каждого объекта считаются заданными требуемая продолжительность обслуживания, ранний срок его начала, функция индивидуального штрафа. Изучается бикритериальная задача, минимизируемые критерии которой - общее время работы процессора и суммарный по всем объектам штраф.
Введение. Рассматриваемая модель предназначена для описания систем, в которых перемещающийся процессор должен обслужить группировку стационарных объектов, линейно рассредоточенных в выделенных точках его одномерной рабочей зоны. Считается, что процессор выполняет одностадийный цикл обслуживания объектов, который начинается и заканчивается в базовой точке. С каждым объектом ассоциированы: его местоположение, требуемое время реализации обслуживания, ранний срок начала обслуживания и индивидуальный штраф, являющийся монотонно возрас-
