CC BY
123
УДК 159.9:62
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА (КОНТЕЙНЕРОВОЗА) В ШТОРМОВЫХ УСЛОВИЯХ ПУТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ОСНОВНОГО КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ
Старжинская Н.В., к.т.н., доцент, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»
Демьянов В.В., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова
В работе проведена оценка надежностичеловеко-машинной системы управления морским судном (контейнеровозом) в штормовых условиях. Приведены результаты вычислений функции готовности рассматриваемой системы с учетом применения дистанционного резервирования основного канала управления и без него. Предложена идея организации внешнего дистанционного контура радиоуправления судном, основными задачами которого являются дистанционный контроль параметров движения судна, контроль действий оператора-судоводителя и судовой команды, выработка наиболее оптимальных рекомендаций с целью возможного предотвращения возникновения аварийной ситуации.
Ключевые слова: надежность, марковский процесс, человеко-машинная система, резервирование, контур управления
THE RELIABILITY INCREASE OF THE VESSEL (CONTAINER CARRIER) MOVEMENT IN STORM CONDITIONS BY REMOTE RESERVATION OF THE MAIN CONTROL PATH
Starzhinskaya N., Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Federal State Educational Institution of higher vocational training
«Admiral Ushakov Maritime University»
Demjanov V., Doctor of Technical science, Professor, Federal State Educational Institution of higher vocational training «Admiral Ushakov
Maritime University»
The questions of reliability of the human-machine control system by a vessel (container carrier) in storm conditions have been carried out in article. The results of availability function calculations of the system with the use of remote reservation of the main control path and without it have been given. The idea of the organization of an external remote contour of radio control by a vessel has been offered. The main objectives of such contour - remote control of vessel movement parameters, control of the work of operator-navigator and a crew, development of the most optimum recommendations for the purpose ofpossible prevention of occurrence of emergency.
Keywords:reliability, Markov process, human-machine system, backup,control contour
В настоящее время контейнерные перевозки считаются одним из наиболее востребованных, удобных и недорогих способов транспортировки грузов на различные расстояния. При этом для обеспечения безопасности мореплавания таких судов необходимо обеспечивать соответствующую остойчивость судна при различных вариантах его загрузки, особенно в штормовых условиях. При перевозке груза возникает опасность его смещения, которое происходит вследствие того, что действующие на груз усилия, появляющиеся при качке и вибрации, превосходят усилия, удерживающие его. В свою очередь смещение груза приводит к появлению опасного крена и потере остойчивости, что может привести к потере груза или опрокидыванию контейнеровоза [1, 2].
Поэтому управление контейнеровозом в штормовых условиях является сложной управленческой задачей. Обеспечение безаварийного плавания в штормовых условиях требует большого напряжения в работе всего экипажа, особенно персонала, управляющего судном, четких знаний, умений и дисциплины. Из опыта эксплуатации контейнеровозов известно, что ошибки в управлении контейнеровозом в штормовых условиях могут привести судно к аварийному состоянию или его гибели. Безопасное плавание в шторм зависит от многих факторов, в частности, профессиональных знаний и опыта экипажа, технической готовности судна, своевременного получения прогнозов погоды и использования всей поступающей информации для управления судном.
В связи с этим составной частью повседневной организации службы на судне независимо от предстоящего плавания, продолжительности рейса, прогнозируемой погоды, является подготовка контейнеровоза к штормовым условиям плавания. Судно должно пройти техническое обслуживание, которое обеспечит безопасность плавания в любых погодных условиях. При этом подготовке к выходу в рейс особое внимание должно уделяться погрузке контейнеровоза. Это достигается составлением предварительного грузового плана, в котором, в первую очередь, необходимо предусмотреть обеспечение остойчивости, местной и общей прочности корпуса, мореходных качеств на момент выхода судна из порта, на период рейса и приход в порт назначения с учетом расходования судовых запасов в рейсе и качественную доставку груза получателю. Во всех случаях во время погрузки судна необходимо контролировать остойчивость, при необходимости производить перераспределение груза; тщательно следить за укладкой, наливом, штивкой и сепарацией, креплением груза. Особый контроль необходимо осуществлять за погрузкой и креплением тяжеловесных и палубных грузов. Особенности загрузки контейнеровозов включают доступ к палубным механизмам и пробкам воздушных трубок балласта, льял или льяльных колодцев [3]. В целом при подготовке судна к рейсу следует руководствоваться Рекомендациями по обеспечению безопасности плавания судов в осенне-зимний период и в штормовых условиях (РОБПС-84) [4].
В целом, требования к обеспечению безопасности в штормовых условиях сводятся к следующим требованиям - провести судно по безопасному пути к пункту назначения, не допустить потерю перевозимого груз, а также опрокидывания судна и т.п.
Процесс управления судном, в рассматриваемом случае контейнеровозом, можно описать следующей структурой (рис. 1) [3]. Эта структура управления включает следующие основные звенья и узлы:
- управляющий контур (оператор-судоводитель, капитан, вахтенный помощник);
- два измерительных контура;
- исполнительный контур (судовая команда, оператор-судоводитель);
- объект управления, т.е. судно (контейнеровоз);
- технические средства наблюдения, навигации, радиосвязи и управления;
- внешняя среда, включая навигационные, гидрометеорологические условия и обстановку плавания.
Согласно представленной выше модели процесса управления судном основной задачей является проводка судна (контейнеровоза) по безопасному пути, без потери груза и аварийных ситуаций, потери остойчивости и опрокидывания судна на волнении.
Навигационный измерительный контур, рассматриваемый в данной модели, состоит из технических навигационных средств, позволяющих оператору-судоводителю оценить состояние контейнеровоза, его курс, скорость, координаты, угол крена, состояние груза на борту, провести обсервации и т.п.
Рис. 1. Модель процесса управления контейнеровозом
Также в модели присутствует измерительный контур внешнего наблюдения, с помощью которого судоводителем оценивается состояние судна относительно заданного маршрута. В этом контуре оператор-судоводитель оценивает навигационную информацию о положении и состоянии судна визуально, с учетом накопленного опыта. Для количественной же оценки применяются такие технические средства как: радиолокационные станции (РЛС), аппаратура автоматической идентификационной системы (АИС), эхолоты, бинокли.
При этом следует подчеркнуть, что информация о состоянии судна может поступать к оператору-судоводителю в явном виде (например, точка на навигационной карте, ситуация сближения на вторичном индикаторе САРП, визуально наблюдаемое положение судна относительно плавучих средств ограждения на фарватере и т.п.) и в неявном виде (например, навигационные параметры, измеренные для определения места судна, элементы счисления пути для ведения навигационной прокладки, пеленг и дистанция до обнаруженного объекта и т.п.) [3]. Информация, поступающая в явном виде, позволяет оператору-судоводителю сразу принимать решения по управлению судном. Неявная же информация требует проведения дополнительных измерений, расчетов, графических построений и т.п., т.е. обработки информации. Такую обработку информации осуществляет либо сам оператор-судоводитель, либо измерительный контур.
На основе полученной информации оператор-судоводитель, принимает решение о дальнейших действиях и маневрах, а также отдает команды судовому составу. При этом исполнительный контур должен точно и своевременно исполнять полученные команды. К условиям внешней среды, представленной в рассматриваемой модели, относятся навигационные, гидрометеорологические условия (ветер, течения, волнение) и окружающая обстановка. Следует особо подчеркнуть, что невыполнение каким-либо звеном своих функций, либо несвоевременное или неверное принятие управляющего решения оператором-судоводителем в критических (штормовых) условиях, как правило, создает предаварийную ситуацию, которая в конечном итоге может привести к потере груза и даже гибели судна.
Следует отметить, что в критических ситуациях, к которым следует относить штормовые условия плавания судна (контейнеровоза), а также сильную качку судна, оператору-судоводителю необходимо оперативно ориентироваться в условиях возникшей ситуации, для того чтобы не допустить опрокидывания контейнеровоза или потерю груза. Такие ситуации всегда требуют от человека максимального напряжения всех психологических возможностей, так как существует необходимость быстрого, иногда мгновенного принятия правильного
Рис. 2. Граф состояний системы управления контейнеровозом в штормовых условиях
решения по управлению судном.
С учетом сказанного ранее и представленной модели, указанной на рис. 1, проведем аналитические исследования возможных состояний исследуемого процесса управления судном. Для описания человеко-машинной системы управления контейнеровозом в штормовых условиях воспользуемся теорией марковских процессов оценки возможных состояний системы с дискретными состояниями и непрерывным временем[5]. Построим для рассматриваемой системы граф состояний (рис.2) и составим соответствующую систему дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена (4).
В процессе функционирования рассматриваемая система может находиться в одном из состояний: “0” - работоспособное состояние (все показатели в норме; команда работает исправно); “1” - ухудшение состояния системы (ухудшение погодных условий, опасность возникновения крена судна); “2” - восприятие оператором-судоводителем информации от навигационных приборов и о внешних погодных условиях (пока не предпринимает никаких управленческих действий); “3” - принятие управленческого решения и выдача команд; “4”
- выполнение команд судовой командой или самим судоводителем; “5” - дальнейшее ухудшение состояния, в случае неверных или несвоевременных действий экипажа или судоводителя (увеличение крена судна, потеря остойчивости); “6”- отказ (опрокидывание судна, потеря груза), в случае неверных или несвоевременных действий судовой команды или оператора-судоводителя, резкого ухудшения погодных условий, отказа технических устройств.
Интенсивности переходов между состояниями приведем в соответствии с литературными источниками по инженерной психологии [6]:
Я, =1.667-10}1/сек; ^ = 2.310"' 1/сек; Л, = 6J 10~21/сек;
Д4 =8.33-10 41/сек;
Я5 = 5.55 1 (Г4//сек; Л6 = 3.33 • 10“31/сек; Л, =8.33 -10-41/сек; Л* =2.310'11/сек;
В соответствии с приведенным на рис. 2 графом состояний системы для определения вероятностей нахождения системы в описанных состояниях, составим систему дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена:
(4)
Решив систему уравнений (4) вматематическом редакторе MathCAD, определим функцию готовности человеко-машинной системы управления контейнеровозом в штормовых условиях с помощью выражения:
Г (I) = Ра (| )+ р (| )+ р (| )+ р (| )+ р (| )+ р ( )
Рис. 3. Функция готовности человеко-машинной системы управления контейнеровозом в штормовых условиях
(5)
Полученные результаты показывают, что в момент входа судна в штормовые условия надежность рассматриваемой человеко-машинной системысущественно снижается и соответственно возрастает вероятность возникновения аварийной ситуации. Это объясняется тем, что оператор-судоводитель, попадая в штормовые условия плавания, находится в состояниях напряженности и стресса, которые могут препятствовать принятию оператором правильного или своевременного решения. Это существенно сказывается на состоянии всей человеко-машинной системы в целом. По мере поступления навигационной, визуальной и управляющей информации оператор-судоводитель может принимать как правильные решения, так и неверные, что ведет к ухудшению состояния судна в целом или даже аварии, что видно из графика функции готовности (рис.3).
В связи с этим, возникает идея введения внешнего дистанционного резервирования основного канала управления судном, а также уточнения параметров судовых приборов и параметров движения судна, угла крена и др. с целью возможного предотвращения возникно-
вения аварийной ситуации. Это может быть достигнуто путем выдачи оператору-судоводителю рекомендаций по управлению судном и уменьшению угла крена, если судоводитель сам не справляется с этой задачей.
Процесс проводки контейнеровоза в штормовых условиях с учетом применения внешнего дистанционного резервирования основного канала управления судном описывается графом состояний, изображенным на рис. 2, с учетом интенсивности перехода системы из состояния “6” в состояние “1”, изображенной на графе пунктирной линией - — 1 .67 -10 3 1/чОС, В соответствии с графом состояний
системы, составим систему дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена:
(6)
Определим функцию готовности человеко-машинной системы управления контейнеровозом в штормовых условиях с помощью выражения (5):
Рис. 4. Функция готовности человеко-машинной системы управления контейнеровозом в штормовых условиях (с учетом применения
дистанционного резервирования основного канала управления)
Полученные результаты показывают, что с применением дистанционного резервирования основного канала управления существенно возрастает вероятность безотказной работы рассматриваемой человеко-машинной системы (рис. 4). Из рис. 3 и 4 видно, что вероятность безотказной работы рассматриваемой человеко-машинной системы в момент времени t=40 мин без дистанционного резервирования со-
(\
ЬМІ = 3,22І
1-0,91
ставляет 0,71, а с учетом применения резервирования - 0,91. Т.е увеличивается в 3,2 раза ^ 7 ' . Таким образом, применение
дистанционного резервированияосновного каналауправления судном позволит снизить вероятность возникновения аварийной ситуации на начальном этапе входа судна в штормовые условия плавания, а также и в дальнейшем стабилизировать ситуацию.
Основными задачами такого резервного контура управления могут быть например, дистанционный контроль параметров движения судна; контроль действий оператора-судоводителя и судовой команды; выработка наиболее оптимальных рекомендаций на основе реальных сведений об обстановке и сведений, имеющихся в базе данных для предотвращения возможных ошибок судоводителя, могущих привести к аварии;оказание дистанционной психологической помощи операторам, принимающим решения и т.п.
Литература:
1. Лицкевич А.П.,Авдонькин С.В. Анализ спектральных плотностей колебаний и динамической остойчивости контейнеровоза “Калисто” при воздействии нерегулярного волнения моря/ / Транспортное дело России. №2(105), Москва, 2013, стр. 34-37.
2.Чернова А.И., Авдонькин С.В. Современное состояние и пути совершенствования организации обеспечения безопасности мореплавания контейнеровозов// Транспортное дело России. №2 (105), Москва, 2013, стр.38-40.
3.Дмитриев, В. И. Обеспечение безопасности плавания : учеб.пособие / В. И. Дмитриев. - М. : Академкнига, 2005. - 374 с. : ил.
4.Рекомендации по организации штурманской службы на судах (РШС-89). Правила ведения судового журнала. - Спб.: ЗАО ЦНИИМФ, 1999 - 152 с. (Серия «Судовладельцам и капитанам», вып. 13).
5.Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных систем. М.: Энергоиздат, 1986. - 345 с.
6.Справочник по инженерной психологии / Под ред. Б.Ф. Ломова. - М.: Машиностроение, 1982. - 368 с., ил.
