CC BY
114
Теоретические основы промыслового маневрирования и их практическое использование
1 2 3
В.Е. Ольховский , А.А. Соловьев , В.М. Суднин
1 Судоводительский факультет МГТУ, кафедра судовождения
2 Судоводительский факультет МГТУ, кафедра управления судном и промышленного рыболовства
Судомеханический факультет МГТУ, кафедра технической механики
Аннотация. В статье подведены итоги первого этапа исследований, выполненных группой преподавателей МГТУ в области разработки математических основ маневрирования судов с орудиями лова, а также алгоритмов и программ для автоматизированных информационных навигационно-промысловых комплексов. Рассмотрены задачи, выполняемые на втором этапе исследований: разработка теории движения системы судно-трал; разработка алгоритмов построения траекторий прицельного траления при облове подвижных косяков пелагических рыб. Представлены результаты третьего этапа: исследование маневренных характеристик системы судно-трал, включая: поворотливость, устойчивость на курсе, рыскливость, разгон, торможение и влияние ветра на управляемость, а также сформулированы принципы обеспечения безопасности судов на промысле, учитывающие требования безопасности в рамках производственной деятельности.
Abstract. In the paper results of the researches carried out in the MSTU in the field of mathematical bases of vessels manoeuvring with fishing appliances, and algorithms and programmes for the navigation and fishing complexes have been investigated. The tasks executed at the second stage of the studies have been considered: development of the theory of the "vessel-trawl" system movement; development of algorithms of aimed trawling trajectory constructing. The results of the third stage have been represented: the investigations of manoeuvring characteristics of the "vessel-trawl" system, the principles of fishing vessel safety and some others.
1. Введение
Стремительное развитие в 50-х годах активного океанического рыболовства и, прежде всего, разноглубинного тралового лова поставило такие задачи промыслового маневрирования, решение которых потребовало изучения кинематики и динамики сложной системы судно-орудие лова и выбора оптимальных методов статистической обработки гидроакустической и промыслово-навигационной информации. Мурманское высшее инженерное морское училище (МВИМУ, ныне МГТУ) явилось одним из инициаторов проведения исследований в этой области с целью создания необходимых пособий по промысловому маневрированию и, главное, разработки математического обеспечения автоматизированных систем тралового и кошелькового лова, с внедрением которых в значительной мере связано повышение эффективности работы добывающих судов флота рыбной промышленности.
В МВИМУ было выполнено математическое описание, разработаны алгоритмы и программы решения основных задач промыслового маневрирования, возникающих на разноглубинном траловом и кошельковом лове. Разработаны алгоритм и программа определения глубины погружения косяка пелагических рыб, расположенного в стороне от судна, рекуррентный алгоритм и программа расчета скорости и направления горизонтального перемещения косяка пелагических рыб по данным гидроакустических измерений (подбор коэффициентов сглаживания), различные варианты алгоритмов и программ расчета курсов прицельного траления при облове локальных косяков пелагических рыб.
Разработаны также алгоритмы и программы выдачи судоводителю рекомендаций по управлению длиной ваеров и скоростью траления для вывода трала на глубину залегания косяка. Разработчиками новой гидроакустической аппаратуры был принят адаптивный алгоритм, предусматривающий управление горизонтом хода трала либо изменением длины ваеров, либо изменением скорости траления при постоянной длине ваеров.
Ведение промысла на океанических банках поставило задачу управления системой судно-трал в условиях сложного пикообразного рельефа дна. В качестве одного из средств управления разноглубинным тралом является использование новых конструкций распорных устройств с позиционным регулированием распорной силы траловых досок. Выполненные в этой области
исследования показали возможность регулировать с помощью таких устройств в широких пределах горизонт хода трала и его положение относительно диаметральной плоскости судна.
Разработаны алгоритмы замета кошелькового невода на постоянном расстоянии от центра плотности косяка и на постоянном курсовом угле на центр его плотности, в частности, курсовом угле 101°, которые могут быть использованы в автоматизированной системе кошелькового лова и промысловом компьютерном тренажере. Обоснованы рекомендации по выбору начальной позиции замета невода, расчету курсов замета при неавтоматизированном процессе лова, позволяющие исключить опасность сближения судна с кромкой облавливаемого косяка на расстояние реакции рыбы на судовые шумы и выполнить замет невода без перекрытий и с минимально необходимыми "воротами", исключающими выход рыбы из зоны замета.
Все перечисленные выше исследования и разработки были выполнены группой преподавателей МВИМУ - МГАРФ - МГТУ: Ольховским В.Е., Яковлевым В.И., Ивановым A.M., Меньшиковым В.И., Соколовым A.B., Судниным В.М., Соловьевым A.A., Шадриным Ю.А. Их результаты отражены в статьях, опубликованных в журнале "Рыбное хозяйство" и других периодических изданиях, учебнике для вузов (Ольховский, 1979), в монографии (Ольховский и др., 1980) и других работах. Некоторые из разработанных алгоритмов использованы при создании компьютерного морского промыслового тренажера.
Учитывая, что автоматизированные информационные комплексы и системы с режимами рекомендаций не нашли еще применения на судах, были составлены номограммы, графики, планшеты для использования при неавтоматизированном процессе промыслового маневрирования. Эти пособия, нашедшие практическое применение на добывающих судах, позволяют решать задачи промыслового маневрирования без учета динамики системы судно-трал. Опубликовано практическое руководство по использованию программируемых микрокалькуляторов для решения задач промыслового маневрирования на траловом и кошельковом лове (Ольховский и др., 1989). В последние годы начался новый этап исследований, отличающийся более глубоким подходом к решению задач маневрирования судов с орудиями лова и широким использованием математического моделирования на ЭВМ.
2. Некоторые результаты исследования нестационарных режимов движения системы судно-трал
Соловьевым A.A. (1996, 1997) разработано математическое описание нестационарных режимов движения судна с тралом как единой управляемой динамической системы, учитывающее дополнительно такие влияющие на ее гидродинамические характеристики факторы, как ветер и косое обтекание гребного винта. Основой описания является математическая модель системы судно-трал, дающая целостное представление о взаимосвязи между ее элементами при любом технически допустимом режиме функционирования. Модель содержит полный набор соотношений, связывающих проектные параметры движительно-рулевого комплекса, корпуса судна и трала с динамическими и кинематическими характеристиками системы судно-трал, что позволяет построить управление любым нестационарным режимом движения системы. Неизвестными величинами в этих уравнениях являются: натяжения на ваерах F и углы наклона ваеров в вертикальной и горизонтальной плоскостях q>\, q, которые определяются этим уравнениями, а также скорость судна 3, угол дрейфа ß и угловая скорость судна со. Полученное математическое описание реализовано в компьютерной программе "Разноглубинный траловый лов" для исследования динамики системы судно-трал при различных способах наведения разноглубинного трала на подвижный косяк. Программа внедрена в учебный процесс Мурманского государственного технического университета для специальности "Судовождение".
Разработанные уравнения движения системы судно-трал были исследованы с целью их возможного упрощения Судниным В.М. Изменение скорости судна при переходе с прямого курса на циркуляцию определится из условия равенства мощностей, затрачиваемых на движении прямым курсом и на циркуляции:
&ц = Зц /30 = 1 / cos (q). (1)
Увеличение скорости судна, буксирующего траловую систему, на циркуляции обратно пропорционально косинусу курсового угла на трал. Этот вывод подтвержден расчетами по развернутым уравнениям движения. Учитывая квазипостоянство горизонтальной проекции ваеров, получено уравнение, связывающее параметры движения судна и трала:
dq /dt - со + (3/a ) sin (q - ßr) = 0. (2)
Это уравнение является обобщенным уравнением трактрисы при произвольном движении судна.
Из материалов анализа эффективности руля следует, что при движении по криволинейной траектории гидродинамическая эффективность руля увеличивается. На кормовую оконечность судна действует стабилизирующая боковая сила на гребном винте. Эти факторы, по мнению Ю.М. Мастушкина,
определенным образом компенсируются. Поэтому поперечной силой на гребном винте можно пренебречь и считать эффективность руля в процессе движения судна постоянной. С учетом вышесказанного уравнения движения системы судно-трал в относительных величинах запишутся следующим образом:
- m22 ~ß' cos ß+ mll a cos ß= alß + a2ßß + a3 а - E [aP - xn + lP ®)] + fn sin(q - ßT) ; (3) m№ со' = biß-(¿2 + Ъз02) со - fn It sin( q - ßT) + Elp [op - Xn (ß+lp ®)] ; (4)
q' - со + sin (q - 1T а - ß) / ( 1B 1 cos(pi ) = 0. (5)
В этих уравнениях, помимо известных из теории управляемости величин, введены следующие: относительная длина ваеров:
1= l /10 и 1B = l / L; (6)
угловые скорости ваера относительно точки подвеса в вертикальной и горизонтальной плоскостях:
(pi = (pi L /9о ; q ' = q ' L /9о . (7)
Натяжение F и угол наклона ваеров к горизонту при заданной величине 30 определяется решением стационарной задачи.
Уравнения 3-5 решались численно для конкретной системы (БМРТ "Лесков" - трал А8-54100, ПИНРО).
Численное исследование показало, что:
- используя формулу (1), можно не рассматривать уравнение, из которого определяется скорость судна при переходе с прямого курса на циркуляцию;
- учитывая квазипостоянство горизонтальной проекции ваеров, можно заменить уравнение движения трала в горизонтальной плоскости более простым обобщенным уравнением трактрисы (2);
- учитывая незначительное изменение горизонта хода трала на переходном режиме движения, допускается угол наклона ваеров к горизонту принимать равным стационарному.
Недостатком данной методики вычисления параметров маневрирования системой судно-трал является невозможность решения системы уравнений аналитическими методами. Данную методику можно использовать при проектных расчетах. Для целей практики необходим переход к малопараметрическим моделям, основанным на экспериментальных данных.
Исследования изменения горизонта хода трала при постоянной длине ваеров показали, что влияние изменения угла наклона ваеров к горизонту невелико. Так, при погружении трала на 100 м максимальная разница при определении скорости судна за время погружения составляет 2.6 %, а пути, пройденного судном за то же самое время, всего 1.1 %. Поэтому на практике рекомендуется принимать в расчетах среднее значение угла ^ из двух крайних значений, определяемых решением задач соответствующих стационарных режимов.
Скорость 3 и время г, необходимое для подтормаживания судна и снижения его скорости до скорости 3:
3 = - (A05/2a) tg(Zla5/ 2) (t+D) - b/2a, (8)
т = - (2 /Л05) arctg {(2a zla5( 3 - i) / [(2a 3 + b) (2a + b) + A]}. (9)
5 = S/L = -(i/a) ln{cos (arctg [ (2a + b) /А0'5] - тАаз/2)/ cos (arctg [(2a + b) /А0'5])}, (10)
где
2
а = ЛЬ / [(1+^ц) т]; Ь = 31 / [(1+^ц) т30]; с = СЬ / [ (1+^„) шЗо
Б = - (2 /А0'5) аг^[(2а + Ь) /А05]; А = 4ас - Ь2 > 0 .
Сопротивление корпуса судна и траловой системы представлены зависимостью:
КТ + КС = ЛЗ2 + 33+ С.
Решения приведены для нулевого упора винта Ре = 0. Однако они справедливы и при Ре Ф 0. В этом случае, учитывая, что кривая тяги по форме близка к прямой, силу тяги можно принять в виде линейной зависимости от скорости судна:
Ре = Л0(3- 30) 30. (11)
При разгоне судна параметры движения находятся по следующим приближенным зависимостям: 3 = {(-2)0'5/ 2а }•{ [2а - (- 2)°'5] + [2а + (-2)0'5]} / { [2 а + (- 2)°'5] - [2а - (- 2)°'5] е-х}, (12)
Г= [Lm(1+K„)] / [£о2(- 2)0-5] ln{([2 аЗ-(- 2)а5]/[ 2 аЗ+ (- 2)а5]}{ [2 а + (- 2)а5]/[2 а - (- 2)05])}, (13)
Т
s = S/L = i 3dr= -(1/а) ln{ch(arth [2а 3/(-2)05- (-2т)05/ 2] )/ ch(arth [2 а 3/(-2)05])}. (14)
о
В этих формулах:
x = 302(-Л)05т/ [Lm (1+K„)]; с = cL / [m (1+Kn)i02]; а = aL / [m (1+K„)]; А = 4а c.
X = (-J)0-5 t/[m (1+K„)] ; Ы)0'5 = (-4ас)05 ; С = Pe - С ; а = Kc + K .
Успешный промысел в водах с резко пересеченным рельефом дна зависит от точности решения задач по управлению траловой системой. Такие задачи могут быть успешно решены при сочетании экспериментальных и аналитических методов исследования, на основе которых могут быть получены соответствующие алгоритмы, позволяющие производить предварительные расчеты.
В преднерестовый и нерестовый период (август-сентябрь) объектами лова в водах САХ является макрурус и бэрикс, которые располагаются по склонам банок вплотную. Обловить такие скопления традиционными способами очень сложно или вообще невозможно.
Зная точно время отставания трала от судна, трал выводят на горизонт, соответствующий минимальному расстоянию над скалой. В момент прохода тралом вершины скалы, стопорят главный двигатель и мгновенно дотравливают расчетную величину ваеров до требуемого горизонта, тем самым бросают трал по склону в рыбное скопление. Этот прием был испытан в 1983 г. на БМРТ "Бирюсенск" на банке "Александрит". Из 26 тралений таким способом не было ни одного заверта или порыва трала. После того как трал достигнет заданного горизонта, дают полный ход по курсу траления и здесь уже можно наблюдать четкую картину по ИГЭКу. На ИГЭКе вначале просматривается рыба, а затем, по мере раскрытия трала, его параметры. После окончания заходов трал выбирают. Время выхода трала на нужный горизонт подлежит предварительному расчету.
Расчетными величинами являются: время выхода трала на требуемый горизонт и расчетная длина ваеров Al, требуемая на дотравливание.
Эта задача решена на основании следующих предположений:
- скорость травления ваеров принимается постоянной;
- угол наклона ваеров к горизонту не изменяется и определяется средним значением стационарных режимов при 3 = 30 и 3 = 3\.
Время выхода трала на требуемый горизонт:
X = - [ m (1+K11) / (LKa\) ] • arctg [ 1) / (5 + а^) ] , (15)
где
Kc = 0.5p CxcFe ; а1 = [F cos щ m (1 + K„) / (L Kc ^2)f5;
3 = a1 (1 - a1 tga) / (a1 + tga), а = т (L Kca1) / [ m (1 + Kn)] .
Путь, пройденный судном за этот промежуток времени, равен:
т
s = S/L = i 3dT= - m(1+K„)/ (KcL) ln{cos(arctg[(Kc^o)/(FKccos^) 05] -
0 (16) - t[(FKccos^f5/^))]}/cos (arctg[(Kc^o)/(FKccos^) 05])}.
Зная путь, пройденный судном за расчетный промежуток времени, легко находят необходимую длину ваеров на дотравление.
Дальнейшие исследования должны строиться на основе статистических моделей, ибо при несомненной ценности и полезности проведенных исследований они нуждаются в более тщательной экспериментальной проверке. Есть все основания предполагать, что математическое описание маневрирования системой судно-трал может быть еще более упрощено.
3. Алгоритмы прицельного траления
Соловьевым A.A. (1996, 1997) выполнена линеаризация уравнений движения системы судно-трал и получены безразмерные линейные уравнения движения разомкнутой системы. Получены также уравнения движения замкнутых систем судно-трал, управляемых по курсу, угловой скорости, углу дрейфа, углу скорости судна, углу скорости трала и углу отклонения ваеров. Приведены условия устойчивости замкнутых систем, управляемых по различным координатам. Разработан новый способ управления системой судно-трал при прицельном наведении трала на рыбные скопления, в основу
которого положен метод пропорциональной навигации, а управляемой координатой является угол скорости трала. Разработан алгоритм построения программной траектории наведения трала на подвижный косяк в горизонтальной плоскости с учетом динамики системы судно-трал и параметров движения косяка.
Практика промыслового маневрирования показывает, что при буксировке разноглубинного трала не допускается выполнение быстрых поворотов из-за опасности его заверта. При этом углы перекладки руля редко превышают величину 10°-15°. Это обстоятельство позволяет считать величины Д со, у малыми, а угол ф и скорость судна 3 - постоянными. В результате сделанных допущений математическая модель движения системы судно-трал упрощается и сводится к системе трех дифференциальных уравнений
Д' = Лф + Л2® + Л3ая + Л4у; (17)
со' = 3\Р + 32ю + Ззссп + 34/; (18)
= со- 3(/- Р) /ЬТ , (19)
где Д- угол дрейфа судна; а — угловая скорость судна;
X — угол отклонения ваеров от диаметральной плоскости судна;
ар — угол перекладки руля; Ьт- длина горизонтальной проекции ваеров.
Коэффициенты А\-А4 и зависящие от конструктивных параметров системы судно-трал, Ьт
- горизонтальное расстояние между точкой крепления ваера и центром устья трала - постоянные.
Принимая во внимание что 3 = система уравнений (17-19) с учетом уравнений связи приводится к следующему безразмерному виду
йр/йт = q2lД + г2\(о + 82\ак + Н2\у; (20)
с1со / йт= q3lД + гЪ\(о + + Ь3\у; (21)
йу/ йт = со - (г- Р) Кь ; (22)
й¥/ йт= со; (23)
dq /йт = со - йр/йт; (24)
йв/йт = йу/йт-йр/йт. (25)
Уравнения (20-25) содержат шесть неизвестных параметров состояния (Д со, q, у, #), каждый из которых принципиально может быть принят за управляемую координату, и один параметр управления ац. Последовательным исключением из системы этих уравнений всех неизвестных, кроме одной, можно получить независимые уравнения относительно каждой управляемой координаты, например, угла скорости трала в.
й4в/йт4 + Лйе/йт3 + 3 й2в/йт2 + С йв/йт = - Б4й2ак /йт2 + Б9йак /йт-Б3 ак , (26)
где Л, 3, С, Б1-Б11 - постоянные коэффициенты.
Выражение (26) представляет собой уравнение движения разомкнутой системы, которое позволяет определить закон изменения угла перекладки руля ак при известном законе изменения управляемой координаты. Уравнение можно использовать для построения траекторий, а также расчета кинематических и динамических характеристик системы в процессе прицельного траления при использовании метода пропорциональной навигации.
Были изучены три алгоритма прицельного траления и, следовательно, три способа управления.
Первый способ - управление по рекомендуемому курсу прицельного траления, вычисляемому по текущей гидроакустической информации о взаимном положении судна, косяка и трала. Алгоритм расчета рекомендуемого курса прицельного траления позволяет учитывать воздействие трудно формализуемых внешних факторов (направление и скорость ветра, волнение моря, различие элементов течения в поверхностном слое моря и на горизонте хода трала), которые могут оказать существенное влияние на взаимное положение судна, косяка и трала в процессе выполнения маневра. В основу алгоритма положен экспоненциальный закон уменьшения угла отклонения трала от ДП судна
у = Д0) ехр(-й/$ 008 р),
где У(0) - начальный угол отклонения трала от ДП судна.
К недостаткам этого способа следует отнести отсутствие учета динамических характеристик системы судно-трал при вычислении рекомендованного курса траления, невозможность построения траектории сближения и прогнозирования развития ситуации лова с точки зрения безопасности промысла.
Второй способ - управление глубиной хода трала для его вывода на глубину залегания косяка, путем изменения длины ваеров. В основу способа положен экспоненциальный закон уменьшения разницы текущей и стационарной глубины хода трала
AZT = ^Z0 exp(-St/S cos3 ^ь).
Третий способ - управление по углу скорости трала, который, включая в себя все достоинства первого алгоритма, дополнительно позволяет осуществлять предварительный расчет экстраполированных (прогнозируемых) кинематических и динамических параметров системы судно-трал, координат судна и трала на любой наперед заданный момент времени, построение траекторий движения судна и трала в процессе наведения последнего на центр плотности косяка.
Вычисление сигнала управления при реальном автоматическом наведении трала на подвижный косяк методом пропорциональной навигации производится в следующей последовательности:
1. После обнаружения косяка и определения его промысловой значимости автоматизированная система тралового лова определяет курсовой угол Ky и дистанцию DK центра плотности косяка, а также глубину его залегания ZK и параметры его движения KK и 3K. Косяк берется на автосопровождение.
2. Определяется угол отклонения трала у и дистанция до его устья LT.
3. Вычисляются координаты центра плотности косяка и центра устья трала относительно судна
XK = DK cos Ky , YK = DK sin Ky ;
XT = -LT cos y, XT = LT sin у
4. Вычисляются текущие значения угла визирования трал-косяк и угла скорости трала
0 = arctg[(YK- Yt )/(Xk-Xt )] , в = Y- у.
5. Вычисляются начальный угол упреждения и постоянная упреждения
s0 = в- 0, C = 0(1 - K) + £0.
6. Вычисляется расчетный угол скорости трала
ßP = K 0 + C .
7. Вычисляется угол рассогласования и скорость его изменения
Ав = ßP - в, Ав' = Ав/At.
8. Вычисляется управляющий сигнал
Sc = kg Aß-kg Aß ' - kOC CCR.
В результате математического моделирования установлено, что система автоматического наведения трала должна быть самонастраивающейся, т.е. сочетать в себе системы управления по различным координатам и переключаться с одного способа управления на другой в зависимости от заданных критериев качества управления.
Приведенные выше алгоритмы реализованы в компьютерной программе "Fisher", используемой для математического моделирования процесса автоматического наведения разноглубинного трала на подвижный косяк и синтеза алгоритмов прицельного траления.
Исследование алгоритма прицельного наведения трала методом пропорциональной навигации при различных законах наведения и начальных условиях сближения позволило предложить методику расчета оптимального коэффициента пропорциональности. Причем за критерии оптимальности были выбраны принятые на практике величины углов перекладки руля, отклонения ваеров, а также угловой скорости судна. Для уверенного облова рыбного скопления необходимо, чтобы в момент встречи трала с косяком режим движения системы судно-трал был близок к стационарному, т.е. указанные критерии были равны нулю. Кроме того, в процессе сближения углы перекладки руля и отклонения ваеров не должны превышать некоторых предельных значений, при которых еще обеспечивается устойчивая работа траловой системы.
Для определения области допустимых управлений методом пропорциональной навигации был поставлен вычислительный эксперимент, по результатам которого проведен множественный нелинейный регрессионный анализ и определены коэффициенты квадратичного полинома, позволяющего вычислять коэффициент пропорциональности К.
4. Особенности маневренных характеристик системы судно-трал
Международной морской организацией (ИМО) 19 ноября 1987 г. введена в действие Резолюция А.601 (15), касающаяся рекомендаций по обеспечению объективной информацией о маневренных характеристиках судна.
В п.2.2. Резолюции указывается: "Администрация должна поощрять представление информации о маневренных характеристиках судов на существующих судах и судах, которые ввиду необычных размеров или характеристик могут представлять опасность для других судов". Последнее замечание необходимо отнести к судам, занятым ловом рыбы ввиду их необычных маневренных характеристик. Таким образом, на промысловом судне должна быть представлена информация о маневренных характеристиках как свободного судна, так и судна с буксируемым орудием лова, которая должна быть положена в основу рекомендаций по расхождению судов при совместном лове. В МГТУ была разработана возможная форма дополнительной информации о маневренных элементах судна с буксируемым тралом, а также методика их определения в соответствии с пунктами Дополнения 3 Резолюции А.601 (15). Графики маневренных характеристик получены расчетным путем. Ниже описаны основные особенности маневренных элементов системы судно-трал.
Важнейшим показателем поворотливости является зависимость безразмерной угловой скорости от угла перекладки руля co(aR), графическое изображение которой называют диаграммой управляемости. Как показали вычисления, диаграмма управляемости системы судно-трал представляет собой линейную зависимость co(aR), что позволяет для ее расчета использовать линеаризованные уравнения движения системы (20-25), решение которых относительно со (aR) имеет следующий вид
® = {[(<?21 + ^21)^31 - (<?31 + Ä31)S21]ör}/ [(q31 ¿21 - д^зО /KL + r 21(431 + Ä31) - Г31(?21 + Ä21)]. (27)
Безразмерная угловая скорость системы судно-трал примерно на порядок меньше, чем у свободного суда, что подтверждают сравнительные данные элементов циркуляции.
Как показали расчеты, наличие трала сокращает время пассивного торможения в 5 раз, а тормозной путь, который составляет всего 2.1 длины судна, - в 4.4 раза. Такое изменение инерционных характеристик связано с тем, что трал, по сути, представляет собой огромный плавучий якорь, гидродинамическое сопротивление которого в 8-10 раз превышает сопротивление корпуса судна.
Наличие на судне информации о влиянии ветра на управляемость системы судно-трал связано с необходимостью учета ветрового дрейфа при наведении трала на рыбные скопления. Вычисления показали, что для осуществления траления на прямом курсе направление перекладки руля будет зависеть от курсового угла кажущегося ветра. При носовых курсовых углах до 70° для удержания судна на курсе траления руль необходимо перекладывать на левый борт, а при курсовых углах более 70° - на правый. При этом даже при отношении 3R /3 = 8 угол перекладки руля не превышает 5°, а угол дрейфа - 10°. Влияние ветровой нагрузки на свободное судно сказывается несколько иначе: при действии ветра на свободное судно с правого борта для осуществления им прямолинейного движения необходимо руль перекладывать на левый борт. Наибольшие углы перекладки руля при этом соответствуют курсовым углам 110°-130°, а наибольшие углы дрейфа -50°-70°, что хорошо согласуется данными натурных экспериментов. При этом сами углы перекладки руля у судна, занимающегося буксировкой трала, значительно меньше, чем при той же скорости у свободного судна.
5. Принципы обеспечения безопасности судов на промысле
Соловьевым A.A. (1998, 1999) предложена методика классификации степени опасности сближения судов и оценки риска возникновения аварийной ситуации. Введены следующие зоны: зона свободного маневрирования (ЗСМ), опасная зона (ОЗ), зона опасного сближения (ЗОС), зона навигационной безопасности (ЗНБ). Разработан алгоритм расчета границ ОЗ как для свободного судна, так и для системы судно-трал.
Любое судно, попавшее в ЗСМ, должно рассматриваться как потенциальная навигационная опасность, в той или иной степени ограничивающая свободу маневра нашего судна путем деформации ЗСМ. При этом деформация ЗСМ будет зависеть от курса, скорости, длины ваеров, кабелей и сетной части трала этого судна. Для классификации степени опасности судна,
находящегося в ЗСМ, необходимо определить его положение относительно опасной зоны, границы которой для судов, расходящихся на заданной дистанции DKP , могут быть вычислены по формулам:
xi = (А /£)[y/sin( ¥1 - Р2) - Dkp/tg(¥2- + y/tg(¥2 - Pi) - Dkp/sin(¥^ - ¥2); (28)
X2 = ( А /£) [(y + Dkp) /sin( % - ¥$)] + (y + Dkp) /tg( P2 - Pi), (29)
где P1 и - курсы расходящихся судов, x и y - координаты точек границы опасной зоны в связанной с судном системе координат.
Формула (28) используется для построения границы опасной зоны, соответствующей безопасному пересечению курса встречного судна по носу, а формула (29) - по его корме.
Для безопасного расхождения тралов на заданном расстоянии b, кроме курсов и скоростей расходящихся судов, необходимо учитывать их длину, т.к. длина судов может быть соизмерима с дистанцией расхождения b, а также следующие параметры траловой системы: раскрытие тралов, длину горизонтальной проекции ваеров, кабелей и сетной части тралов. С учетом сказанного, границы опасной зоны для тралов могут быть определены из выражений:
xi = (fl /9г) [y /sin( % - Р2) - (b + fm/2) /tg( P2 - ^1) + Lc2 + L^] (30) + y / tg( ^2 - ¥1) - (b + m/2) / sin( ¥1 - ¥^) + ¿02 + Li;
X2 = (fl /&д[ (y + b + fmi /2) / sin( ¥1 - ¥2) + ¿02 + ¿2] (31) + (y + b + fD2 /2) / tg(¥2 - ¥1) - Lei - L B1,
гдеfD1 и fD1 - расстояние между распорными траловыми досками; Lei и Le2 - длины расходящихся судов; LB1 и LB2 - величины горизонтальных проекции ваеров; L1 и L2 - сумма горизонтальных проекций ваеров, кабелей и сетной части трала.
Поскольку метод расчета границ опасной зоны должен учитывать информацию об опасности сближения одновременно для судов и буксируемых ими тралов, то судоводителю должны быть представлены наиболее удаленные от носа и кормы судна границы опасных зон, рассчитанных по формулам (28-31).
При нахождении судна внутри опасной зоны возникает необходимость "проигрывания" варианта маневра расхождения. Относительные координаты встречного судна после начала проигрывания поворота нашего судна могут быть определены из следующих формул:
■^C2 = XC20 - SX; (32)
YC2 = YC20 - SY, (33)
где XC20 и YC20 - относительные координаты встречного судна до начала проигрывания маневра на расхождение, SX и SY - относительное смещение встречного судна в процессе маневрирования в координатных осяхXи Y, вычисляемые по формулам:
Sx = 3i ti cos ¥1 + AX (z^cos^ + AY (z^sin^ - З2 [ ti + t2 (A^P)] cos¥/2 ; (34)
SY = ,9it1 sin¥i + AX (^¥)sin¥^ ± AY (^¥2)cos¥^ - 32 [ t1 + t2 (^¥)] sin ¥2 , (34)
где AX (AP), AY (AP), t2(AP) - соответственно, смещение маневрирующего судна вдоль оси X и Y за время t2 при изменении курса на величину АР, определяемые в процессе выполнения поворота судна с тралом на 90° при различной длине ваеров и угле перекладки руля не более 15°.
На рис. 1 показаны ЗНБ, ЗОС, ЗСМ, а также границы опасных зон для свободного судна и для системы судно-трал. Причем опасная зона применительно к системе судно-трал, ограниченная прямыми линиями 1a-1b и 2a-2b, как правило, значительно шире опасной зоны для свободного судна, ограниченной прямыми 3a-3b и 4a-4b. Для построения границ ЗОС и ЗНБ в пределах опасной зоны необходимо в формулах (32) и (33) заменить относительные координаты встречного судна на координаты точки 1а и 3а соответственно. После чего, вычислив относительные смещения SX и SY по формулам (34) и (35), получим кривые 1а-2а и 3а-4а, которые и будут являться, соответственно, границами зоны опасного сближения применительно к системе судно-трал и зоны навигационной безопасности судна.
2Ь
11
Рис. 1. Зоны свободного маневрирования, опасного сближения и навигационной
применительно к системе судно-трал, 3а-4а - зона навигационной безопасности
применительно к системе судно-трал, 3а-3Ь и 4а-4Ь - границы опасной зоны
применительно к судну, 1а-2а - граница зоны опасного сближения
1a-1b и 2a-2b - границы опасной зоны
для судна.
безопасности.
Таким образом, размеры и конфигурация ЗОС и ЗНБ определяются соотношениями курсов и скоростей расходящихся судов, а также геометрическими размерами буксируемых ими тралов. При изменении любого из перечисленных параметров размеры и конфигурация ЗОС и ЗНБ изменяются, т.е. подстраиваются под конкретную ситуацию сближения. На экране РЛС могут одновременно высвечиваться ЗОС и ЗНБ для всех целей, находящихся в ЗСМ нашего судна или, по желанию оператора, для любой отдельно взятой цели.
Для расчета опасной зоны и ЗОС необходимо, чтобы в формуляре цели, кроме информации об ее курсе и скорости, была представлена информация о длине вытравленных ваеров, длине кабелей и сетной части трала, а также раскрытии между распорными досками. Сбор такой информации и ее внесение в соответствующий формуляр для судоводителя промыслового судна труда не представляет, а ее последующее использование может в значительной мере повысить безопасность промыслового маневрирования.
6. Заключение
Разработано математическое описание нестационарных режимов движения системы судно-трал как единой управляемой динамической системы.
Исследования, выполненные численными методами, позволили упростить математическое описание нестационарных режимов движения системы судно-трал и линеаризовать математическую модель.
Выполнено математическое описание эволюции пространственного движения трала при малых возмущениях, являющееся основой для составления алгоритмов управления системой судно-трал по курсу судна и глубине хода трала.
Исследована возможность применения известных способов сближения (кривая погони, кривая постоянного угла упреждения, параллельное сближение, метод пропорциональной навигации) для прицельного наведения трала на рыбные скопления.
Выполнено комплексное исследование маневренных характеристик системы судно-трал, включая: поворотливость, устойчивость на курсе, рыскливость, разгон, торможение и влияние ветра на управляемость. Выявлены и проанализированы существенные отличия маневренных характеристик свободного судна от маневренных характеристик системы, которые в значительной степени определяются длиной ваеров. В результате анализа установлена необходимость обеспечения рыболовных судов информацией о маневренных характеристиках судна с орудием лова дополнительно к установленной 1МО Резолюцией А.601(15). Предложена форма представления дополнительной информации о маневренных характеристиках судна с орудиями лова и методика их определения.
Сформулированы принципы обеспечения безопасности судов на промысле, учитывающие требования безопасности в рамках производственной деятельности. Разработана концепция формирования зон, каждая из которых выполняет определенную функцию: зона свободного маневрирования, опасная зона, зона опасного сближения и зона навигационной безопасности. Перечисленные зоны могут использоваться при выработке рекомендации по выбору маневра расхождения при нахождении встречного судна в опасной зоне. Границы опасной зоны определяются соотношением курсов, скоростей расходящихся судов, размерами буксируемых ими траловых систем, заданной дистанцией расхождения, адаптируются под любые изменения условий сближения судов. Разработаны алгоритмы расчета границ зон по данным радиолокационной и гидроакустической информации для всех этапов технологического цикла тралового лова. Предложен алгоритм "проигрывания" маневра расхождения, в основу которого заложены реальные маневренные характеристики системы судно-трал.
Разработанные теоретическое положения в принципе обеспечивают решение задач автоматизации процесса разноглубинного тралового лова. Они объединяют две его проблемы в единую комплексную: обеспечение безопасности промысла и повышение точности прицельного траления. Практическое применение предложенных теоретических исследований предполагает комплексное использование навигационных (компас, лаг, РЛС, САРП) и рыбопоисковых (гидролокатор, эхолот, прибор контроля положения трала, сетной зонд) приборов для информационной поддержки АСУ тралового лова с целью уменьшения риска возникновения аварийного случая при реализации технологического процесса прицельного тралового лова
Литература
Ольховский В.Е. Навигация и промысловая навигация. М., Пищевая промышленность, 554 е., 1979. Ольховский В.Е., Яковлев В.И., Меньшиков В.И. Математическое обеспечение тралового и
кошелькового лова. М., Пищевая промышленность, 168 е., 1980. Ольховский В.Е., Яковлев В.И., Меньшиков В.И. Маневрирование промыслового судна: расчеты. М.,
Агропромиздат, 111 е., 1989. Суднин В.М. Маневрирование промысловым комплексом судно-трал. Мурманск, 192 е., 1996. Соловьев A.A. К вопросу об автоматическом наведении разноглубинного трала на подвижный косяк в горизонтальной плоскости. Инструментальные методы рыбохозяйственных исследований: Сб.науч.тр.: ПИНРО. Мурманск, Издательство ПИНРО, с.152-155, 1996. Соловьев A.A. Перспективы автоматизации тралового лова. Рыбное хозяйство. Сер. Актуальные научно-технические проблемы отрасли: Обзорная информация: М., ВНИЭРХ, вып. 1, с.52-58. 1997.
Соловьев A.A. Проблемы безопасности рыболовных судов, связанные с маневрированием на промысле.
Науч.-техн.сб. Российского Морского Регистра Судоходства, вып. 21, с.30-33, 1998. Соловьев A.A. Предложения по корректировке Резолюции ИМО А.601(15) применительно к рыболовным судам. Науч.-техн.сб. Российского Морского Регистра Судоходства, вып. 22, с.119-126, 1999.
