CC BY
114
Вестник МГТУ, том 16, №1, 2013 г.
стр.187-192
УДК 656.61.052.4 : 656.61.052.7
Способ управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна, стоящего на якоре
Ю.И. Юдин, С.О. Петров, С.Н. Холичев
Морская академия МГТУ, кафедра судовождения
Аннотация. Предложен способ управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна, стоящего на якоре, с применением современных компьютерных технологий на базе используемых в судовождении технических средств.
Abstract. The method of steering the vessel during mooring operations to another vessel at anchor has been proposed. Some modern computer technologies based on present aids used in navigation have been applied.
Ключевые слова: безопасная швартовка; судно, стоящее на якоре; способы швартовки; швартовные маневры; подход к борту судна
Key words: safe mooring, vessel at anchor, mooring methods, mooring maneuvers, approach to vessel
1. Введение
Проведенный анализ описания поведения судна, стоящего на якоре, а также способов выполнения швартовной операции к борту судна, стоящего на якоре, дает основания сделать вывод о необходимости совершенствования способов и методов осуществления указанной операции.
Судоводитель, управляющий швартующимся судном, должен непрерывно контролировать текущее состояние трёх взаимодействующих систем - внешней среды, собственного судна и судна, стоящего на якоре, к борту которого осуществляется швартовка, а также прогнозировать характер протекания динамических процессов в этих системах. Это значит, что судоводитель должен непрерывно получать и оценивать огромное количество информации о состоянии всех контролируемых систем. На основании этого он должен непрерывно принимать решения, касающиеся характера действий швартующегося судна, что прежде всего относится к управлению основными параметрами движения судна (курс, скорость).
Эффективность швартовной операции в указанных условиях во многом зависит от уровня профессиональных знаний и практического опыта судоводителя, управляющего швартующимся судном. Однако не всегда профессиональных знаний и практического опыта оказывается достаточно, чтобы безопасно выполнить такое сложное маневрирование, как швартовная операция к борту судна, стоящего на якоре. Необходимо признать: в рассматриваемых условиях осуществление безопасного
маневрирования возможно только в том случае, когда большая часть информационной нагрузки судоводителя будет с него снята за счёт использования современных информационных технологий, в частности компьютерных. В статье предлагается новый способ управления движением судна, которое осуществляет выполнение швартовной операции к борту судна, стоящего на якоре.
2. Способ швартовки к судну, стоящему на якоре
Для решения задач, связанных с совершенствованием способов и методов выполнения швартовной операции к борту судна, стоящего на якоре, на наш взгляд, прежде всего следует обратить внимание на методы и способы применения современных компьютерных технологий на базе существующих технических средств, используемых в судовождении. В данном случае имеются в виду судовые технические средства, позволяющие осуществлять непрерывный контроль за основными кинематическими и динамическими параметрами движения судна и управлять им в соответствии с заданными сигналами управления, рассчитываемыми по установленному алгоритму, исходя из складывающихся в процессе маневрирования обстоятельств.
Основными техническими средствами в предлагаемом нами способе управления являются:
- приёмники спутниковой навигационной системы (СНС), установленные в двух разнесённых по длине судна точках и определяющие текущие координаты последних;
- бортовой компьютер, обеспечивающий обработку информации, поступающей с приёмников СНС и определяющий параметры сигнала управления;
- судовые средства управления движением швартующегося судна, осуществляющие управление им в заданном режиме движения.
Суть предлагаемого способа управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна, стоящего на якоре, заключается в следующем.
187
Юдин Ю.И. и др. Способ управления судном при выполнении...
Сигнал управления движением
швартующегося судна формируется исходя из величин поперечных смещений
расположенных на его диаметральной
плоскости носовой А и кормовой В точек от текущего положения траектории сближения (рис. 1, 3).
Для вычисления поперечных смещений носовой А и кормовой В точек швартующегося судна их координаты в неподвижной координатной системе
А(Х0А, Y0A), В(Х0В, Yob) измеряют с помощью спутниковой навигационной системы с дифференциальными поправками; перекладку руля судна производят в зависимости от комбинации поперечных смещений носовой dA и кормовой dB точек швартующегося судна относительно текущего положения траектории сближения, которое определяют используя заданную точку как объект, с которым
происходит сближение швартующегося судна и его центр тяжести (рис. 2). Текущие положения заданной точки и центра тяжести швартующегося судна определяют положение траектории сближения, проходящей через две точки в виде прямой линии, которая соединяет текущее положение заданной точки и центра тяжести швартующегося судна G. Текущие координаты его центра тяжести в неподвижной координатной системе
рассчитывают по формулам:
Рис. 1. Движение швартующегося судна при швартовке с судном, стоящим на якоре
Yog = Yoa - [(Yoa - Yob)x(Xa -Х.)]/(ХА - XB); (1)
Xog = Xoa - [(Xoa - Xob)x(Xa - Х.)]/(ХА - Xb), ( )
где Xog, Yog - координаты центра тяжести швартующегося судна в неподвижной координатной системе; Xoa, Yoa - координаты точки А в неподвижной координатной системе; Xob, Y0B - координаты точки В в неподвижной координатной системе; Xa, Xb - абсцисса носовой и кормовой точек швартующегося судна соответственно, в координатной системе (X, Y), связанной с судном; Xg - абсцисса центра тяжести швартующегося судна в координатной системе, связанной с судном, текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы с дифференциальными поправками.
Текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы с дифференциальными поправками.
Затем определяют с помощью СНС с дифференциальными поправками координаты носовой Ап(Х0Ап, Y0Art) и кормовой Вп(Х0Вп, Y0Brt) точек, расположенных на диаметральной плоскости судна, стоящего на якоре в неподвижной координатной системе, рассчитывают:
- координаты центра тяжести судна, стоящего на якоре .п(Х0.п, Y0Grt), в неподвижной координатной системе по формулам:
Y0Gn У'оАп [(^0Ап У'оВп)х(ХАп Х.п)]1(ХАп ХВп); (2)
Х0.п = Х0Ап - [(Х0Ап - Х0Вп)х(ХАп - XGп)]1(ХАп - ХВп),
где Х0.п, Y0Gtl - координаты центра тяжести судна, стоящего на якоре, в неподвижной координатной системе; Х0Ап, Y0Atl - координаты точки Ап в неподвижной координатной системе; Х0Вп, Y0Btl - координаты точки Вп в неподвижной координатной системе; ХАп, ХВп - абсцисса носовой и кормовой точки судна, стоящего на якоре, соответственно, в координатной системе (Хп, Yп), связанной с судном, стоящим на якоре; Х.дп - абсцисса центра тяжести судна, стоящего на якоре, в координатной системе, связанной с судном, стоящим на якоре;
188
Вестник МГТУ, том 16, №1, 2013 г.
стр.187-192
Рис. 2. Определение координат точек швартующегося судна (а) и судна-партнера (б)
- координаты точек A'„(Xb„,Yb„) и B'„(XB„,YB„), расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна, стоящего на якоре, восстановленных в точки А„ и В„ соответственно, по формулам:
Ха„ = Ха„ + [h + 0,5(B + Bn)] х cos y„;
Ya'„ = Ya„ - [h + 0,5(B + B„)] х siny„;
XB„ = Xb„ + [h + 0,5(B + B„)] х cosy;
YB„ = Yb„ - [h + 0,5(B + B„)] х siny„,
при этом величина отрезков А„ А'„ = В„ В'„ = h0 определяется с помощью зависимости, представленной формулой:
h0 = h + 0,5(B + B„), (4)
189
Юдин Ю.И. и др. Способ управления судном при выполнении...
где В - ширина швартующегося судна; Вп - ширина судна, стоящего на якоре; у - курс судна, стоящего на якоре. Значение курса судна, стоящего на якоре, у рассчитывается с использованием значений координат точек Ап и Вп в неподвижной координатной системе, а именно:
уп = агСё[(Х0Лп - Х0Бп)/(У0Лп - У0Вп)];
(5)
- координаты проекции центра тяжести судна, стоящего на якоре 0\(Х00<п, У00’п) в неподвижной координатной системе, на траекторию сближения в конечной стадии швартовки. Данная траектория проходит параллельно диаметральной плоскости судна, стоящего на якоре, через точки Лп и В'п:
Х))Оп = Х))Оп + h)) х cos у;
У)Ю’п = Усоп - ho х sin у;
- координаты второй заданной точки Р2 (Х0Р2, Уж) в неподвижной координатной системе:
X0P2 = Хооп + m х sin у;
Уор2 = Уоо'п + m х cosy;
- координаты первой заданной точки Р1(Х0Р1, У0Р1) в неподвижной координатной системе:
Xopi = Х)Р2 - St х sin у;
У0Р1 = У0Р2 - STх cosyn,
(6)
(7)
(8)
где St - тормозной путь швартующегося судна (рис. 3) при переходе его со скорости и = ин к скорости и = ик = ust (ин- начальная скорость, т.е. скорость швартующегося судна в первой заданной точке Р1, ик -конечная скорость, т.е. скорость швартующегося судна во второй заданной точке Р2, ust - скорость течения в районе якорной стоянки), длина тормозного пути равна расстоянию, преодолеваемому швартующимся судном при переходе его из заданной точки Р1 в заданную точку Р2.
Текущее значение длины тормозного пути швартующегося судна может быть рассчитано с использованием уравнения его движения:
du/ds = f(u, C1, C2, C3, ...),
(9)
где и - текущее значение скорости швартующегося судна; s - путь; С1, С2, С3, ... -текущие значения параметров уравнения движения швартующегося судна, зависящие от текущих значений параметров, характеризующих текущее состояние загрузки судна и внешней среды (водоизмещения швартующегося судна; параметров посадки корпуса; направ-ления и скорости ветра; параметров волнения; направления и скорости течения; глубины акватории в районе выполнения швартовной операции).
Текущее значение длины тормозного пути швартующегося судна в процессе его сближения с судном, стоящим на якоре, определяется интегрированием уравнения движения швартующегося судна (9) в пределах от и = ин до и = vst, т.е.
“st
St = J f (и, C1, C2, C3,...)du.
(10)
При этом текущие значения параметров уравнения движения
швартующегося судна (9) С1, С2, С3, ... в процессе выполнения швартовной операции могут непрерывно идентифицироваться с использованием метода, описанного в работах (Юдин, 2007; Юдин и др., 2009).
по траекториям сближения
190
Вестник МГТУ, том 16, №1, 2013 г.
стр.187-192
на третьем этапе швартовки
Наличие полученных указанным способом данных позволяет осуществлять сближение швартующегося судна с судном, стоящим на якоре, в три этапа.
1-й этап - выход швартующегося судна в первую заданную точку Р1. Текущее положение первой заданной точки P1(X0P1, 70Pi) на текущем положении линии, проходящей через текущее положение точек A'n(XA'n,YA'„) и В'„(ХВп,УВп), определяется величиной отрезка Р1Р2. Его длина равна расстоянию, проходимому швартующимся судном при снижении его текущей скорости и до значения, равного скорости течения ust, в момент выхода швартующегося судна на траверз судна, стоящего на якоре, т.е. в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке Р2. Управление швартующимся судном во время сближения с судном, стоящим на якоре, осуществляется по величинам поперечных отклонений носовой dA и кормовой dB точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, проходящей через текущее положение центра тяжести швартующегося судна G(X0G, Y0G) и текущего положения первой заданной точки P1(X0P1, Y0P1).
Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля швартующегося судна, по закону:
or = - kAxdA + kB х dB , (11)
где kA, kB - коэффициенты усиления по перечным смещениям носовой и кормовой точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения. Это положительные величины, причём kA больше kB. Угол перекладки руля or считается положительным при его перекладке в сторону правого борта швартующегося судна.
Окончание 1-го этапа сближения швартующегося судна с судном, стоящим на якоре, совпадает с моментом выхода швартующегося судна в первую заданную точку, т. е. в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке Р1.
2- й этап - выход швартующегося судна во вторую заданную точку Р2. Текущее положение второй заданной точки Р2(Х0Р2, Y0P2) на текущем положении линии, проходящей через точки A'^X^Y^) и В'п(ХВп^Вп), определяется заданным расстоянием m между центрами тяжести швартующегося судна и судна, стоящего на якоре, в конечной стадии швартовки. Управление швартующимся судном во время сближения с судном, стоящим на якоре, осуществляется по величинам поперечных отклонений носовой dA и кормовой dB точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, в качестве которой используется текущее положение линии, проходящей через точки A'^X^Y^) и В'п(ХВп^Вп). Окончание 2-го этапа сближения швартующегося судна с судном, стоящим на якоре, совпадает с моментом выхода швартующегося судна во вторую заданную точку, т. е. в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке Р2.
3- й этап. После выхода швартующегося судна в точку Р2 осуществляется дальнейшее сближение швартующихся судов до непосредственного контакта "борт к борту" (рис. 4).
С этой целью заданное текущее положение траектории сближения швартующихся судов, т.е. линия А'пВ'п, постепенно смещается параллельно ДП судна, стоящего на якоре, в сторону данного судна со скоростью не больше допустимого значения скорости поперечного движения швартующегося судна в направлении судна-партнёра ид. Скорость ид определяется исходя из безопасности швартовной операции,
191
Юдин Ю.И. и др. Способ управления судном при выполнении...
а именно из условия безопасного гашения поперечной скорости движения швартующегося судна в момент непосредственного контакта швартующихся судов средствами кранцевой защиты борта судна, стоящего на якоре. Параллельное смещение линии А'пВ'п в сторону судна, стоящего на якоре, обусловлено смещением точек А'п и В'п, текущее положение которых рассчитывается непрерывно в зависимости от значения расстояния h между бортами швартующихся судов. Постепенное уменьшение значения h в соответствии с законом
dh/dt = fu, h, h0, ...)
приводит к изменению значения задаваемого расчётным способом расстояния между ДП швартующихся судов h0 = h + 0,5 x (Вп+В), что, в свою очередь, изменяет координаты точек А'п и В'п, и в конечном итоге линия А'„В'п смещается в сторону судна, стоящего на якоре, оставаясь параллельной его ДП.
Смещение линии А'пВ'п от исходного положения в сторону судна, стоящего на якоре, образует смещение dA, dB носовой А и кормовой В точек швартующегося судна соответственно. Формируется сигнал управления
a = — кА x dA + кв x dB,
и ДП швартующегося судна приводится к новому положению линии А'пВ'п до их полного совпадения. Далее процесс смещения линии А'пВ'п по указанному алгоритму в сторону судна, стоящего на якоре, будет повторяться многократно, также многократно будут образовываться смещения носовой dA и кормовой dB точек швартующегося судна относительно текущего положения линии А'пВ'п. Смещения носовой А и кормовой В точек швартующегося судна относительно текущего положения линии А'пВ'п будет приводить к формированию управляющего сигнала средства управления швартующимся судном. Работа средства управления вернёт ДП швартующегося судна на линию, совпадающую с текущим положением линии А'„В'п-
Смещение линии А'пВ'п в сторону судна, стоящего на якоре, будет происходить до тех пор, пока расстояние h0 между ДП швартующихся судов не будет равно значению, определяемому из выражения h0 = 0,5х(Вп + В), т.е. в этот момент расстояние между бортами швартующихся судов будет равно нулю: h = 0. Указанный момент в предлагаемом способе управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна, стоящего на якоре, считается моментом окончания 3-го, последнего этапа швартовной операции.
3. Заключение
Управление судном, осуществляющим сложное маневрирование во время выполнения швартовной операции к борту судна, стоящего на якоре, сопряжено с достаточно большим риском аварийного происшествия или, в худшем случае, аварии. Вышеизложенный способ направлен на обеспечение безопасности выполнения швартовной операции к борту судна, стоящего на якоре, посредством постоянного контроля положения швартующегося судна относительно корпуса швартующего судна, что позволяет в значительной степени повысить эффективность выполнения работ, связанных с необходимостью применения данного метода швартовки.
Литература
Юдин Ю.И. Синтез моделей механизма предвидения для экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна. Мурманск, МГТУ, 198 с., 2007.
Юдин Ю.И., Пашенцев С.В., Мартюк Г.И., Юдин А.Ю. Теоретические основы безопасных способов маневрирования при выполнении точечной швартовки. Мурманск, МГТУ, 152 с., 2009.
192
