CC BY
44
УДК 656.61
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА БЫСТРОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ИНТЕГРИРОВАННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МАНЕВРИРОВАНИЯ ПРИ РАСХОЖДЕНИИ СУДОВ
Cубанов Р.Э., аспирант, ФГБОУВО «ГМУ им. Адмирала Ф.Ф. Ушакова» Попов А.Н., к.т.н., доцент кафедры «Технические средства судовождения», ФГБОУ ВО «ГМУ им. Адмирала Ф.Ф. Ушакова» Субанов Э.Э., к.т.н., доцент кафедры «Управление судном», ФГБОУ ВО «ГМУ им. Адмирала Ф.Ф. Ушакова»
В работе предлагается повысить эффективность оценки опасности столкновения судов за счет использования алгоритма быстрого моделирования. Учет конкретных условий текущей обстановки позволит формализовать процесс маневрирования и увеличить запас времени судоводителя для принятия решения.
Ключевые слова: алгоритм быстрого моделирования, зона безопасности, маневрирование, опасность столкновения.
THE USE OF FAST TIME SIMULATION IN THE NAVIGATIONAL INTEGRATION SYSTEMS TO IMPROVE COLLISION AVOIDANCE ACTIONS
Subanov R., the post-graduate student, FSEIHE «Admiral Ushakov Maritime State University» Popov A., Ph. D., associate professor of the TMN chair, FSEI HE «Admiral Ushakov Maritime State University» Subanov E., Ph. D., associate professor of the SM chair, FSEI HE «Admiral Ushakov Maritime State University»
The present investigation offers to increase the efficiency of ship's collision danger evaluation by the use of fast time simulation algorithm. The consideration of the definite conditions of the current situation will allow formalizing the maneuvering process and increasing navigator's time for decision making.
bywords: fast time simulation, safety zone, maneuvering, collision danger.
Используемые сегодня методы предупреждения столкновений судов не в полной мере удовлетворяют возрастающим требованиям обеспечения безопасности при маневрировании. Функциональные особенности сигнализации о наличии опасности столкновения по-прежнему базируются на обычных алгоритмах. Они являются надежными, но зачастую не эффективны из-за того, что иногда количество активной сигнализации на мостике превышает возможности судоводителя по восприятию и эффективной обработке данной информации при выборе оптимального маневра. Поэтому разработка новых, более надежных и эффективных подходов для решения этой проблемы является весьма актуальной задачей. Однако, несмотря на то, что МППСС-72 содержат Правило 7 «Опасность столкновения» они указывают только на базовые понятия о существовании опасности столкновения [1]. В качестве основных параметров используются следующие критерии опасности столкновения: постоянство пеленга на цель и тенденции изменения дистанции до цели (приближающееся судно). Поэтому для объективной оценки опасности столкновения, оперативного реагирования на скоротечность сближения судов при маневрировании, возникает необходимость в формировании комплексного набора критериев [2]. В настоящее время также нет четко определенных зон безопасности (ЗБ), дистанций и времени реакции судна при маневрировании для предупреждения столкновения, хотя на данный момент опубликованы работы зарубежных и отечественных экспертов по рекомендуемым ЗБ.
В работе [3] английского капитана Р. Кейхилла определяющие зоны чрезмерного сближения представлены в виде диаграмм. На трех
A
диаграммах показано взаимное положение между условным судном и другими судами, скорости которых относятся к скорости судна
A 1,5/1 1/1 1/1,5 OB OS
как , и . ЗБ показана как заштрихованная область для ситуации обгона, ограничена линиями и , для
случая встречи - линиями MB и MS (рис. 1).
Рисунок 1. «Зоны столкновения» условного судна А с различными судами (соотношение скоростей - 1/1,5). Обзор построенных диаграмм показывает, что наибольшее значение дистанции начала наибольшей ЗБ составляет 0,7 мили для соотношения скоростей судов - 1/1,5, начало наименьшей ЗБ составляет 0,4 мили при равной скорости судов и начало наименьшей ЗБ
03 й 1,5/1
составляет около 0,3 мили для соотношения скоростей судов - .
Также английским капитаном А. Коккрофтом в работе [4] предложено для оценки ситуации чрезмерного сближения количественные ЗБ (рис. 2). Обзор зон действий при опасном сближении показал, что судам нельзя без веских причин сближаться на расстояние менее 4 миль, т.е. заходить в зону под названием «Ситуация непосредственной близости», а менее 2 миль является зона «Непосредственной опасности», где необходимо предпринимать маневр последнего момента для предотвращения столкновения судов.
Рисунок 2. Зоны действий при опасном сближении.
Российский ученый А. Родионов - основоположник исследования процесса расхождения судов в море предложил зоны областей безопасного расхождения судов (рис. 3) [5]. Под опасной ситуацией предложил понимать область пространства параметров, в пределах
которой (при заданном пороге) возникает необходимость изменить вектор управляющих воздействий - маневрирование выделяет три области ситуаций:
область Б
м
. При этом
- наблюдения и безопасности дальнейшего движения в виду наличия резерва времени, либо дистанции сближения;
область М - маневрирования, в которой практически производятся нормальные изменения режима движения судов (ЗБ при ясной видимости 3,2 мили, в тумане 4,6 мили) для выполнения операции расхождения;
область О - непосредственной опасности, при вхождении в которую возникает необходимость безусловного изменения режима движения для обеспечения безопасности (при ясной видимости 2 мили, в тумане 2,6 мили);
ТЕ Б
- время, соответствующее области ^ ;
Т
о.
в
время, соответствующее области ;
'к Б Б
кр' - дистанция, соответствующая области Б .
Рисунок 3. Эллипс зон областей безопасного расхождения судов.
На рис. 3 приведены условные законы плотности и нарастающей вероятности начала маневра расхождения по двум основным пара-
вк Тк
метрам - кратчайшему сближению кр и времени до кратчайшего сближения кр в ясную погоду и туман.
Закон распределения маневра от этих параметров может быть выражен в виде функции выполнения двух неравенств:
F(M) = p[
В <В п
кр1 кр.П
т.<т,
п
в т
где кр' , П- предельные значения, определяющие безопасную область;
в т
кр, ,
, - оптимальные значения для реализации маневра. При независимости их влияния на оценку ситуации совместная плотность маневра представляется в виде выражения:
\2
1 I 1 в..
АМ/Вкр,Т)= _ ^ охр-
2 тго ¿7
й т
кр 1
кр
0
Т пг,
С7
Отсюда, можно получить эллипсы равной плотности вероятности маневра:
(1)
58 ТКЛШРОЯТ Би81КБ88 ТК Яи88ТЛ | №4 2016 |
(3)
З С = 1,2,3 й
Задаваясь получим уравнение эллипса, ограничивающего площадь местоположения судна с заданной плотностью вероят-
т-, „ „ 'ТБ , ВВг, кр.Б
ности. В нашем случае, установив для ясной и ограниченной видимости предельные значения г получим решающие значения
эллипсы 1 и 2 (рис. 3), распределяющие области ситуации. Чем ближе располагается зона реализация маневра к началу системы координат,
тем выше опасность столкновения и вероятность маневра. Указанная процедура сопровождается соответствующей сигнализацией.
Технические системы поддержки принятия решения (СППР) САРП, АИС предоставляют возможность выбора установки сигнализации для опасной ситуации, но решение принимает судоводитель, и данную ситуацию можно характеризовать, как не имеющую четкого определения. В МППСС-72 Правило 8 «Действия для предупреждения столкновения» сказано, что действие, предпринимаемое для предупреждения столкновения с другим судном, должно быть таким, чтобы привести к расхождению на безопасном расстоянии. Но не указаны параметры для определения безопасного расстояния. Для формализации этого понятия авторами были проведены исследования и предложены инновационные решения. Идея нового подхода заключается в использовании модели риска для оценки ситуации и алгоритма быстрого моделирования с учетом маневренных характеристик собственного судна. Модель оценки риска «приспосабливается» в зависимости от текущей ситуации (ситуация сближения судов, идущих прямо друг на друга, ситуация пересечения курсов, обгон) и эта модель рассматривается для двух условий видимости (хорошая и ограниченная). Также в модели предлагается учесть положения Резолюции ИМО М8С.252 (83) [6]. Процесс маневрирования при расхождении судов можно разбить на этапы и ввести классификацию ЗБ судна и сигнализацию о наличии степени опасности столкновения.
Первый уровень сигнализации (низкий) «Осторожность» соответствует ситуации, когда существует некоторое отклонении от нормальной ситуации. Второй уровень сигнализации (средний) «Предупреждение» соответствует ситуации, когда необходимо обратить немедленно внимание на текущие изменения. Третий уровень сигнализации (высший) «Тревога» соответствует ситуации, когда необходимо предпринять действие, чтобы предотвратить существующую опасность.
Для анализа предложенного подхода использовался метод экспертных оценок. В качестве экспертов привлекались судоводители (старший командный состав), проходившие курсы подготовки и переподготовки в Институте повышения квалификации ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова. Полученные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Коэффициенты для расчета
В
кр
в зависимости от ситуации
Безопасная дистанция расхождения (БДР) может быть определена,
БДР {номинальная ) = КхТтах ^
и использоваться, как значение дистанции кратчайшего сближения
В
кр
Т
где
- максимальная длина наибольшего судна.
Время реакции судна для выполнения маневра по расхождению может использоваться для определения времени наступления дис-
Тк
танции кратчайшего сближения кр . Данная информация имеется в наличии только для выполнения стандартных маневров и обычно никто точно не знает, как применить эти данные для конкретной опасной ситуации. Эта информация может быть получена из базы данных записанных маневров или рассчитана с помощью алгоритма быстрого моделирования. Данная информация необходима для определения запаса времени, которым располагает судоводитель, чтобы предпринять маневр для безопасного расхождения. Принципиальная структура приложения и соответствующие данные представлена на рисунке 4 [7]. Математическая модель движения судна можно представить в виде:
N ~ I/ + тха (V + ги)
и V х У
где и у составляющие скорости судна в продольном и поперечном направлении ось ^ и ^ ;
(5)
т
угловая скорость поворота;
- масса судна;
- метацентрическая высота;
Рисунок 4. Структура приложения и данные для автоматического определения параметров сигнализации о наличии опасности.
Controls /Steering parameters:
Commanded Rudder angle, Engine speed rate, Bow/ Stern thmsterssettings,...
States I Motion parameters:
Heading, speed (longitudinal./ transverse), positions, ROT, .
Environmental parameters;
Wind, current, water depth
Ships condition data:
leading parameters-Draft, Lateral Areas; Maximum Control settings limit (nidder angle & turning rale, engine power, reversing time
Pre-processing ! Filtering
Input data screening & re-adjustment, Filtering the input data
Parameter settings/ Identification:
Parameters of simulation equation according to ships condition & environmental data
Simulation/Trial Manoeuvre Mode
Simulation of ships track speed & heading for free trial manoeuvres, planning algorithms & training
Simulation / Prediction
Simulation/ Prediction ofships track speed & heading for the prediction time period
Presentation & Displaying
Display of predicted track in F.CDIS -, * Radai-environment; Control of display options (Prediction time period settings)
Filter Enhancement
Diagnosis-System:
Ships-/Engine- condition data; Maximum Control setting limits...
VDR/MKR: Parameter Collection Module:
Controls/ Commands, States &
Environmental data
Fre-Proeessing Module:
VDR/MER-data screening & readjustment, Filtering...
Shared Memory 1:
Actual ship data, conditions &
parameters ... *
Simulation / Prediction Module:
Simulation/ Prediction ofships track for the prediction time period
Simulation/Trial Manoeuvre Module:
Simulation ofships track, speed & heading for free trial manoeuvres...
, I :
Presentation Module:
Display of predicted track in ECDIS Radar-environment Simulation Control Prediction time period settings
Shared Memory 2t
fredictcd data
Рисунок 5. Концепция вход/выход для прогноза маневра и данные (слева) и модули и источники данных, и блок приема.
h z - момент инерции относительно оси ^ ;
X, Y, N
- силы корпуса судна.
Решение дифференциальных уравнений производится каждую секунду. Входные и выходные данные представлены на рисунке 5.
Регистратор данных рейса (РДР) или «черный ящик» выполняет роль сборщика данных для контроля, установки и определения параметров окружающей среды с помощью судовых сенсоров. После предварительной обработки данные будут записаны в блок памяти (Shared Memory 1), совместно с параметрами состояния, которые представляются системой диагностики. Система диагностики постоянно контролирует судовые параметры (мостик, машина). Данные блока памяти доступны для модуля моделирования прогноза маневра (The Simulation Prediction Module) который использует данные блока памяти (Shared Memory 1) для прогноза траектории и скорости для определенного временного интервала. Результаты пересылаются в блок памяти (Shared Memory 2) для обработки. Модуль представления информации (The Presentation Module) используется для показа текущего места судна и прогнозируемой траектории. На рисунке 6 представлен результат быстрого моделирования на основе ранее предоставленных и переданных данных, и времени изменения курса на 90
Т
градусов с перекладкой руля на 10, 20 и 30 градусов соответственно, которое рассматривается как минимальное кр [8].
Рисунок 6. Метод быстрого моделирования маневрирования крупнотоннажного судна.
Модуль моделирования связан с РДР и имеется возможность рассчитать временную реакцию перекладки руля для изменения курса на 90 градусов с учетом текущего состояния судна (в грузу, в балласте) и окружающие условия (ветер, течение) и предоставить эти данные
Тк
для технических СППР САРП/Радар с учетом минимального кр . Второй параметр сигнализации и критерий с учетом минимального и может быть рассчитан в соответствии с размерами судна-цели по данным АИС.
В результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что высокая частота сигнализаций о наличии опасности столкновения возникает из-за фиксированных пределов без учета конкретных условий опасной ситуации (район плавания, состояние видимости и др.). Другими словами любая настройка должна быть выполнена вручную. Первые исследования по применению данной концепции показали снижение количества «эффективной» сигнализации до 40% [8].
Таким образом, для применения метода быстрого моделирования в интегрированных навигационных системах необходимо ввести количественную оценку опасности столкновения, а процесс маневрирования при расхождении судов можно разбить на этапы и ввести классификацию ЗБ судна и сигнализацию о наличии степени опасности столкновения.
Литература:
1. Международные правила предупреждения столкновений судов в море 1972 (МППСС-72) - М.: Моркнига, 2007 г. - 79 с.
2. Субанов Э.Э. Идентификация ключевых индикаторов, присущих процессу расхождения судов, с использованием метода экспертных оценок. /Субанов Э.Э. Миронов А.В. Материалы VII-ой международной научно-практической конференции «Наука в современном мире» / -Таганрог: Изд. СибТУ, 2011 г. - С.76-82.
3. Ричард А. Кейхилл. Столкновения судов и их причины. - М.: Транспорт, 1987г. - 239с.
4. Коккрофт А.Н., Ламейер Дж.Н.Ф. Толкование МППСС-72. - М.: Транспорт. 1981 г. - 214 с.
5. Родионов А.И. Автоматизация судовождения.- М.:Транспорт,1992г.-192с.
6. Резолюция MSC. 252(83) от 01. 10. 2007 г. Новые требования к интегрированным навигационным системам.
7. Rymarz E.W. The determination of a minimum critical distance for avoiding action by a stand-on vessel as permitted by Rule 17a) ii). In: Weintrit, A. (editor): Advances in Marine Navigation and Safety of Sea Transportation. Monograph, Gdynia, 2007 .- P. 207-212.
8. Benedict, Kirchhoff, Baldauf, Gluch, Fischer: Concept for On-board Prediction Displays based on actual Ship Condition and Manoeuvring Simulation for Navigation and Shiphandling. Paper at IMSF Conference 2007, August 20 - 24 2007 Busan / Korea.
