Бурмака Ігор Олексійович

УДК 656.61.052.484

БЕЗПЕЧНЕ РОЗХОДЖЕННЯ СУДЕН З ВРАХУВАННЯМ

ЇХ ІНЕРЦІЙНОСТІ

Спеціальність 05.22.16 – Судноводіння

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник : кандидат технічних наук, професор

Цимбал Микола Миколайович,

декан факультету морського судноводіння

Одеської національної морської академії,

завідувач кафедри морські перевезення.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Потьомкiн Олександр Емануїлович,

Одеська національна морська академія,

завідувач кафедри судноводіння.

кандидат технічних наук

Олійник Тетяна Віталіївна,

АСК “Укррічфлот”, м. Київ,

капітан далекого плавання.

Провiдна установа : Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова Мiнiстерства освiти i науки України, м.Миколаїв.

Захист відбудеться 20 травня 2004 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп.1, зал засідання вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029 м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8.

Автореферат розісланий 9 квітня 2004 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Голіков В.А.

д.т.н., професор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найважливішою проблемою безпеки судноводіння, належний рівень якої забезпечує успішну роботу суден, є проблема зіткнення суден. Незважаючи на численні наукові дослідження і практичні міри, спрямовані на зниження аварійності від зіткнень суден, проблема попередження зіткнення суден залишається актуальною.

Одним з факторів зниження ризику зіткнення суден є належне врахування інерційних характеристик судна при виконанні маневру розходження, особливо для великовантажних і швидкохідних суден. Тому розробка і впровадження методів, що сприяють зниженню аварійності від зіткнення суден, безсумнівно є актуальним і перспективним науковим напрямком.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи зв'язана з держбюджетною науково-дослідницькою роботою "Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання", номер державної реєстрації 0103U006406. Автор дисертації самостійно виконав розділ науково-дослідницької роботи.

Дослідження з дисертаційної роботи також зв'язані з “Тематичним планом науково-дослідної роботи Одеської національної морської академії” і темою держбюджетних досліджень “Розробка комп'ютерного тренажера по розходженню суден” факультету морського судноводіння академії.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка способу врахування динаміки суден для безпечного маневрування при їх розходженні.

Інерційність судна затримує початок виконання маневру розходження, збільшуючи ризик зіткнення. Тому в основу дослідження покладена гіпотеза про те, що в залежності від початкової позиції судна і цілі, їхніх параметрів руху при відомих інерційних характеристиках можливе існування траєкторій безпечного розходження маневруючого судна на дистанції не меншої, чим завдана.

Головною задачею дослідження є розробка алгоритму безпечного розходження суден, що враховує їх інерційність. Головна задача представлена трьома допоміжними задачами:

- розробка способу розрахунку часових виправлень попередження при заданому курсі відхилення, що забезпечують з урахуванням динаміки судна розходження з ціллю в заданій дистанції найкоротшого зближення;

- формування процедури обчислення курсу відхилення в заданий момент часу початку маневру з урахуванням інерційностй судна;

- уточнення умови існування припустимої множини маневрів розходження з урахуванням динаміки судна.

Об'єктом дослідження є процес розходження суден в умовах виникнення загрози зіткнення. Предмет дослідження - параметри маневру розходження і їхня залежність від інерційних характеристик повороткості судна.

У роботі застосовані методи:

- теорії систем при декомпозиції головної задачі дослідження на часткові;

- теорії керування при описі динамічних моделей обертального руху судна;

- кінематики тіл на площині;

- чисельного інтегрування і рішення систем нелінійних рівнянь, зокрема метод Сімпсона, методи Ньютона і простих ітерацій, а також метод найменших квадратів;

- побудови моделей при розробці імітаційних моделей.

Наукова новизна отриманих результатів. У результаті виконаних наукових досліджень одержала підтвердження гіпотеза про існування множини початкових відносних позицій судна і цілі, для яких існують виправлення часу до моменту початку маневру, які забезпечують розходження з ціллю в заданій дистанції.

Розроблено спосіб урахування інерційності судна при розрахунку параметрів маневру розходження, який відрізняється тим, що дозволяє обчислити моменти початку повороту, що забезпечують розходження з ціллю в заданій дистанції найкоротшого зближення. При цьому можуть використовуватися різні моделі повороту судна.

Отримано наступні результати, що містять наукову новизну:

- вперше отриманий спосіб розрахунку часових виправлень до моментів початку повороту судна на заданий курс відхилення, що враховують інерційність судна;

- вперше отриманий спосіб обчислення моментів часу початку маневру для динамічних моделей повороту судна другого і третього порядків з урахуванням стратегії кладки пера керма в процесі маневру;

- вперше отримана процедура розрахунку курсу відхилення в заданий момент початку маневру з урахуванням динаміки судна;

- уточнена умова існування множини маневрів розходження, що враховує інерційність судна.

Практичне значення отриманих результатів. Практичні результати дисертаційної роботи мають практичну значимість, яка полягає в тому, що запропонований у роботі метод урахування динаміки судна при його поворотах може бути використаний не тільки при розходженні, але і для керування судном в інших умовах плавання. При цьому даний спосіб може бути використаний і для керування іншими рухомими об'єктами.

Отримані в роботі алгоритми, програми й імітаційна модель являють собою практичну цінність роботи, тому що можуть бути використані і впроваджені на суднах для урахування інерційності судна при маневруванні, у навчанні, при розробці експертних систем розходження суден і при проектуванні нових поколінь САРП.

Особистий внесок здобувача. Отримані в роботі результати і розробки виконані здобувачем самостійно без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були повідомлені і схвалені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ОНМА в 2001- 2003 роках, а робота в цілому представлена на науково - технічній раді факультету морського судноводіння ОНМА.

Структура роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, без додатків, повний обсяг роботи 184 стор., містить 28 мал. і 9 табл., список літератури 80 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

В першому розділі дисертації приведені результати аналізу літературних джерел по проблемі забезпечення безпечного розходження суден з урахуванням їх інерційності та обґрунтовано вибір основних напрямків дослідження з теми дисертації.

Проведений у роботі аналіз показав, що в переважній більшості робіт огляду (більш 70%), що присвячені формалізації процесу розходження суден, інерційність судна, що маневрує, зовсім не ураховується. Імовірно, автори таких робіт відносять вплив інерційності судна на безпеку розходження до другорядних факторів, хоча проведене в дисертаційній роботі імітаційне моделювання показало, що вибір маневру розходження без урахування інерційних характеристик судна, що маневрує, у деяких ситуаціях веде до зниження дійсної дистанції найкоротшого зближення на 50-70% відносно планованої.

У ряді робіт урахування динаміки судна при виборі маневру розходження рекомендується робити за допомогою двухшкальної системи керування, яка містить у своєму складі самонастроювальну математичну модель судна, що забезпечує вибір необхідних управляючих дій. Цей підхід носить загальний характер, тому що не розглядається можливий тип моделі, її ступінь адекватності реальному перехідному процесові руху судна і можливість одержання з її допомогою коректних рішень. Тому такий підхід можна характеризувати, як декларативний, а не предметний.

Практично у всіх аналізованих роботах маневрування судна для попередження зіткнення не формалізовано у вигляді маневру розходження, що має визначену структуру і характеризується чисельними параметрами. Під маневром розходження неявно розуміється відхилення судна від цілі, однак невідомо на яку величину приросту курсу.

Аналіз робіт показав, що як керуючі дії в них розглядалися різні величини: поточне значення кутової швидкості повороту судна, проекції лінійної швидкості судна на осі деякої системи координат, швидкість зміни координат судна і т.п., і тільки в одній роботі як керуючі дії були прийняті кути кладки пера керма.

У роботах, що описують динаміку судна, відсутній зв'язок координат поточного положення судна і цілі з умовою безпечного розходження, що дозволяє визначити необхідні виправлення курсу або часу для урахування інерційності.

Практичні рекомендації для урахування інерційності судна при виконанні маневру розходження повинні містити стратегію кладки пера керма, що являє собою моменти часу перекладки пера керма на деякі кути в одну й іншу сторону (відхилення й одержання). В аналізованих роботах відсутні навіть згадування такого роду.

Таким чином, існуючі підходи до опису маневру попередження зіткнення суден з урахуванням їх динаміки не можуть бути покладені в основу аналітичного способу урахування інерційних характеристик судна, що маневрує, при розрахунку параметрів його маневру розходження з ціллю.

Обмеженість розглянутих у даному розділі підходів можна усунути, виходячи, насамперед, із практичних вимог і повноти урахування всіх необхідних факторів, що істотні для процедури урахування інерційних характеристик судна при виборі маневру розходження.

Другий розділ дисертаційної роботи містить методологічне забезпечення досліджень по темі дисертації. На початку розділу зроблено обґрунтування вибору теми дисертаційних досліджень, потім приведена методологія рішення задач дисертації, що представлена технологічною картою. Технологічна карта дисертації являє собою структуру методологічного забезпечення досліджень по темі дисертації, що базується на системному підході до досліджуваної теми. Зроблено формулювання наукової гіпотези і головної задачі дослідження, при декомпозиції якої отримані три часткові задачі. У результаті рішення часткових задач було отримано три наукових результати, коректність яких була підтверджена натурним експериментом і імітаційним моделюванням. Були визначені практична значимість і цінність роботи, а також сформульоване наукове положення роботи.

На завершення розділу розглянута загальна методика проведення досліджень по темі дисертації, що визначає його основні етапи і використані на них методи.

В третьому розділі дисертації отриманий в загальному вигляді аналітичний опис залежності параметрів маневру розходження від інерційності судна, що маневрує.

У роботі, з огляду на розходження судна з однією ціллю, маневр розходження містить дві ділянки: ділянка відхилення з програмної траєкторії руху, що характеризується курсом відхилення , і моментами часу початку і закінчення відхилення, а також ділянка виходу на задану траєкторію руху з параметрами – курсом виходу та і – моментами відповідно початку і кінця повороту на курс виходу. Заключними параметрами маневру розходження є моменти часу початку і кінця повороту судна з ділянки виходу на програмну траєкторію і кінцевий програмний курс .

У роботі отриманий аналітичний вираз розрахунку моменту часу початку відхилення судна при заданому курсі відхилення з урахуванням динаміки судна, який формалізує перший спосіб розходження судна з ціллю:

де - швидкість і курс цілі;

відносний курс відхилення;

- тривалість маневру судна;

, - приріст координат судна, що маневрує, за час ;

, - початкові відносні курс і швидкість;

- момент часу початку маневру, розрахований без урахування динаміки судна, що визначається виразом:

У цьому виразі ,, - відповідно гранично-припустима дистанція, початкові дистанція і пеленг на ціль.

Значення величин і у виразі для визначаються динамічною моделлю, що описує рух судна.

У роботі розглядається поворот судна, що містить дві фази кладки пера керма. Спочатку, на першій фазі, у початковий момент часу проводиться перекладка керма на кут і кермо утримується в такому положенні протягом інтервалу часу . Потім виконується перекладка керма на протилежний борт на ту ж величину і гаситься інерція повороту судна протягом інтервалу часу t, по закінченні якого судно виходить на завданий курс, кутова швидкість повороту зменшується до нуля, а перо керма приводиться в діаметральну площину судна.

Тому для розрахунку величини необхідно обчислити інтервали часу і t, що у сумі дають величину часу повороту судна , а також приріст координат судна за цей час.

Очевидно, що поточне значення курсу судна на першій і другій фазах повороту має різний аналітичний вираз, тому значення курсу судна на першій фазі повороту позначимо через K, а на другій – через . У роботі показано, що для обчислення інтервалів часу і t використовується система рівнянь:

.

Для другого способу маневру відхилення з урахуванням інерційних характеристик судна курс відхилення судна розраховується як сума збільшень курсу на двох фазах його повороту, тобто =K() + (t), при цьому для обчислення значень і t, як показано в роботі, розраховується за допомогою наступної аналітичної залежності:

= [ + -

®

для рішення якої використовується метод прямих ітерацій з початковим наближенням: = ( - ) / ,

де - значення курсу відхилення, обчислене в допущенні безінерційного руху

судна;

- швидкість і курс судна;

- стале (середнє) значення кутової швидкості повороту судна.

У роботі отримані аналітичні вирази, що враховують інерційні характеристики судна, що маневрує, при розрахунку параметрів повороту судна з ділянки відхилення на ділянку проходження до програмної траєкторії, причому час початку повороту t обчислюється з допомогою виразу t = t , у випадку, коли радіус циркуляції судна більший, ніж гранично-припустима дистанція найкоротшого зближення, а в протилежному випадку:

t= - {sin- cos +

(t+)sin(-)}/[sin(-)],

де - момент часу повороту без урахування інерційних характеристик судна, що оперує, причому:

=t+{ + sin - cos }/[ sin( - )] і

t = t + ctg [ ] / .

У приведених виразах:

- відносний курс проходження до програмної траєкторії;

- відносна швидкість на ділянці відхилення;

- пеленг на ціль в момент часу t .

На закінчення розділу отримані формули для розрахунку моментів часу початку і закінчення повороту судна, що маневрує, на програмну траєкторію після закінчення маневру розходження:

= + ( - )/ sin( - ),

причому де і

Якщо тривалість повороту позначити то, очевидно, . В третьому розділі отримані перший і другий наукові результати.

В четвертому розділі спочатку отримана умова існування множини припустимих маневрів розходження судна з урахуванням інерційних характеристик судна, що маневрує, яка передбачає порівняння значення початкового моменту часу з величиною . Причому, якщо , то множина припустимих маневрів розходження, що забезпечують розходження судна з ціллю на дистанції не меншої, ніж завдана гранично-припустима , з урахуванням інерційності судна, існує. У протилежному випадку, коли < , множина припустимих маневрів розходження є порожньою.

У роботі розглянуті три динамічні моделі обертального руху судна, причому перша модель припускає поворот судна з постійною кутовою швидкістю й описується диференціальним рівнянням першого порядку, що має такий вигляд:

де - коефіцієнт ефективності керма.

У даній моделі поворот судна виконується без одержування, тобто поворот має тільки одну фазу і тому = = K/ . Приріст координат і судна, що оперує, за час маневрування визначається наступними виразом:

= ( - cos ); = ( sin - ).

Друга динамічна модель руху судна, що характеризує зміну курсу судна K під дією пера керма, описується неоднорідним лінійним диференціальним рівнянням другого порядку з постійними коефіцієнтами:

де - постійна часу, що характеризує інерційні властивості судна.

Вираз для курсу судна на першій фазі повороту має вигляд:

,

а на другій фазі:

.

Тривалості першої і другої фаз повороту судна й визначаються із системи нелінійних рівнянь:

;

,

рішення якої знаходиться методом простих ітерацій з початковим наближенням =

Приріст координат судна і , що маневрує, визначається виразом:

;

,

де .

Значення і знаходяться чисельним інтегруванням з допомогою методу Сімпсона.

У розділі також розглянута третя динамічна модель обертального руху судна, представлена неоднорідним лінійним диференціальним рівнянням третього порядку з постійними коефіцієнтами:

де і - постійні часу, що характеризують інерційні властивості судна.

Поточне значення курсу судна на першій і другій фазах повороту описується наступними аналітичними виразами:

;

.

У роботі отримані вирази, що зв'язують і t:

= -

+ K/ ;

,

де L= .

Значення і t обчислюються методом простих ітерацій.

Для третьої моделі отримані вирази збільшення координат і , що обчислюються чисельним інтегруванням (методом Сімпсона) наступних інтегралів:

}dt + {

}dt +

+{

}dt +

+{

}dt.

{

}dt - {

}dt +

+ {

}dt -

-{

}dt.

На закінчення розділу показаний зв'язок між динамічними моделями обертального руху судна.

В п'ятому розділі дисертації приведені результати експериментальних досліджень по темі роботи.

У роботі наведені результати натурних спостережень повороткості контейнеровоза “Oxford” у реальних умовах, що були використані для визначення типу динамічної моделі та обчислення чисельних значень її параметрів. У табл. 1 приведені характеристики умов натурних спостережень повороткості судна.

По експериментальним даним розраховані параметри динамічної моделі обертального руху судна другого порядку, що приведені в табл. 2, причому, для розрахунку використовувався метод обраних крапок.

Таблиця 1.

Характеристики умов натурних спостережень

Номер

маневру | Сторона

повороту | Кут кладки

керма | Швидкість

судна | Число серій | Стан

завантаження

Маневр 1 | вправо | 5 | 24 | 5 | у баласті

Маневр 2 | вліво | 5 | 24 | 5 | у баласті

Маневр 3 | вправо | 10 | 21 | 5 | завантажене

Продовження табл. 1.

Маневр 4 | вліво | 10 | 21 | 5 | завантажене

Маневр 5 | вправо | 15 | 27 | 4 | завантажене

Маневр 6 | вліво | 15 | 27 | 4 | завантажене

.

Таблиця 2.

Параметри динамічної моделі другого порядку

Номер

маневру | Кут кладки

керма | Швидкість

судна | (с) | (/с) | (с)

Маневр 1 | 5 | 24 | 0 | 0,92 | 14,23

Маневр 2 | -5 | 24 | 0 | 0,92 | 14,23

Маневр 3 | 10 | 21 | 0 | 1,38 | 13,22

Маневр 4 | - 10 | 21 | 0 | 1,38 | 13,22

Маневр 5 | 15 | 27 | 14 | 2,70 | 10,23

Маневр 6 | - 15 | 27 | 11 | 2,50 | 8,70

Тут і далі - час затримки в секундах, протягом якого після перекладки керма кутова швидкість судна дорівнює нулеві.

Розрахунки параметрів динамічної моделі обертального руху судна третього порядку потребують застосування методу найменших квадратів, за допомогою якого були отримані наступні нормальні рівняння для визначення параметрів і :

= 0; = 0,

причому = ,

де і - i-е значення приросту курсу і відповідний йому момент часу.

Проведений аналіз показав, що для рішення системи нелінійних рівнянь доцільно застосувати метод Ньютона. З цією метою попередня система рівнянь записується у вигляді:

= = 0; = 0.

Відповідно до методу Ньютона ітераційний цикл організується за допомогою системи лінійних рівнянь:

;

,

з яких знаходяться виправлення і до раніше отриманих значень параметрів і . Причому часткові похідні мають вигляд:

= ,

= = ,

= .

У табл. 3 поміщені результати розрахунку параметрів динамічної моделі третього порядку.

Таблиця 3.

Результати розрахунку параметрів моделі судна третього порядку

Номер

маневру | Кут кладки

керма | Швидкість

судна | (с) | (/с) | (с) | (с)

Маневр 1 | 5 | 24 | 0 | 0,88 | 9,61 | 1,69

Маневр 2 | -5 | 24 | 0 | 0,88 | 9,61 | 1,69

Маневр 3 | 10 | 21 | 0 | 1,28 | 8,89 | 1,54

Маневр 4 | - 10 | 21 | 0 | 1,28 | 8,89 | 1,54

Маневр 5 | 15 | 27 | 14 | 2,65 | 9,62 | 1,23

Маневр 6 | - 15 | 27 | 11 | 2,50 | 7,45 | 0,80

Потім у роботі була зроблена перевірка коректності отриманих динамічних моделей обертального руху судна шляхом зрівнювання експериментальних кривих із кривими,

Мал. Розрахункова залежність K від t для маневру 6,

отримана за допомогою третьої динамічної моделі.

розрахованими по чисельним параметрам моделей для різних маневрів, що показала гарне узгодження експериментальних даних з розрахунковими. На мал. як приклад

приведені експериментальні крапки для маневру 6 і теоретична крива, отримана за допомогою третьої динамічної моделі для цього маневру.

У роботі отримані процедура й алгоритм розрахунку інтервалів часу обох фаз повороту судна і t для динамічних моделей обертального руху судна другого і третього порядків методом простих ітерацій. Також отримані аналітичні вирази та алгоритм розрахунку приросту координат і судна, що маневрує, за час повороту судна для обох динамічних моделей методом Сімпсона.

Розрахунок приросту координат виконується за допомогою виразів:

= + + + ,

= - + - ,

де = , = , = і

=;

=, =, =, =.

Причому = , = , = , = , значення й у випадку другої динамічної моделі визначаються виразами:

=,

=.

Для третьої динамічної моделі справедливі співвідношення:

= ;

=

.

На закінчення розділу зроблено опис імітаційної моделі, призначеної для перевірки коректності отриманого способу безпечного розходження з урахуванням інерційності судна, що маневрує, і оцінки можливих помилок у дистанції найкоротшого зближення при некоректному урахуванню динаміки судна.

Так, у табл. 4 приведені мінімальні і максимальні значення зменшення дистанції найкоротшого зближення відносно гранично-припустимої дистанції у відсотках для випадку, коли інерційність судна не враховується, а табл. 5 містить значення і для випадку, коли враховується радіус циркуляції судна.

Таблиця 4.

Результати моделювання повороту судна без урахування інерційності

Початкова D | 4 милі | 6 миль

| 0,5 | 1,0 | 2,0 | 0,5 | 1,0 | 2,0

(%) | 4 | 13 | 24 | 4 | 7 | 7

(%) | 46 | 51 | 71 | 16 | 17 | 15

Таблиця 5.

Результати моделювання повороту з урахуванням радіуса циркуляції

Початкова D | 4 милі | 6 миль

| 0,5 | 1,0 | 2,0 | 0,5 | 1,0 | 2,0

(%) | 2 | 4 | 5 | 0 | 3 | 2

(%) | 30 | 27 | 29 | 12 | 12 | 10

ВИСНОВОК

У дисертації отримані теоретичне узагальнення і нове рішення задачі безпечного розходження суден з урахуванням їх динаміки руху. Це рішення полягає в розробці способу урахування інерційності при розрахунку параметрів маневру розходження, який дозволяє вичислити моменти початку повороту, що забезпечують розходження з ціллю в заданій дистанції найкоротшого зближення. При цьому можуть бути використані різні моделі повороту судна.

У результаті проведеного дисертаційного дослідження отримані наступні основні наукові результати:

- розроблений спосіб розрахунку часових виправлень, що враховують інерційність судна, до моментів його повороту при заданому курсі відхилення, причому запропонований спосіб використовується для розрахунку моментів початку поворотів до заданої траєкторії руху і виходу на неї;

- запропоновано процедуру розрахунку курсу відхилення при заданому моментові початку маневру з урахуванням динаміки судна;

- отримано уточнену умову існування множини маневрів розходження, яка враховує інерційні характеристики судна, що маневрує.

На рівні додаткового наукового результату дисертації можна розглядати алгоритм обчислення моментів часу початку маневру з урахуванням моделей повороту судна першого-третього порядків.

Практична значимість проведеного дисертаційного дослідження визначається тим, що запропонований у роботі метод урахування динаміки судна при його поворотах може бути використаний не тільки при розходженні, але і для керування судном у різних умовах плавання. Даний спосіб може бути використаний для керування іншими об'єктами.

Практична цінність роботи полягає в тому, що отримані в дисертації алгоритми, програми, імітаційна модель, які описують безпечне розходження судна з урахуванням його інерційних характеристик, - способи обчислення виправлень часу попередження і курсу відхилення; уточнення умови існування припустимої множини маневрів розходження; використання для розрахунків різних динамічних моделей обертального руху судна, можуть бути використані і впроваджені:

- на суднах для урахування їх інерційності при маневруванні;

- у навчанні при створенні тренажерів;

- при розробці експертних систем вибору маневру розходження;

- при проектуванні САРП нового покоління.

Результати, отримані в дисертаційній роботі, можуть бути використані як для підготовки фахівців із судноводіння, так і для підвищення кваліфікації судноводіїв, що працюють на морських суднах.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в слідуючих статтях:

1. Бурмака И.А. Учет динамики судна при выборе маневра расхождения

// Судовождение. - 2002. - №4. - С. 32- 36.

2. Бурмака И.А. Учет инерционности судна при расчете момента времени

завершения маневра расхождения // Судовождение. - № 5. - 2002. -

С. 13 – 21.

3. Бурмака И.А. Расчет длительности поворота судна при расхождении

// Автоматизация судовых технических средств. - №7. - 2002. - С. 3- 6.

4. Бурмака И.А. Применение численных методов для расчета времени

начала уклонения судна при расхождении // Судовождение. - № 6.-

2003. - С. 27-31.

АННОТАЦИЯ

Бурмака Игорь Алексеевич. Безопасное расхождение судов с учетом их инерционности. Диссертацией является рукопись. Специальность 05.22.16 – Судовождение. Работа представлена к защите в Одесской национальной морской академии, Одесса, 2004 год.

Одним из факторов снижения риска столкновения судов является надлежащий учет инерционных характеристик судна при выполнении маневра расхождения, особенно для крупнотоннажных и быстроходных судов, чему и посвящена диссертационная работа. В работе рассмотрены два возможных способа выбора параметров расхождения с целью. Для первого способа задается курс уклонения и с учетом динамики судна рассчитывается момент времени начала уклонения судна. Для второго способа маневра уклонения, когда ищется курс уклонения при заданном моменте времени начала поворота, в работе получены аналитические выражения расчета длительности поворота.

В работе предусмотрен учет инерционных характеристик маневрирующего судна при расчете параметров поворота судна с участка уклонения на участок следования к программной траектории, а также получены формулы для расчета моментов времени начала и окончания поворота судна на программную траекторию после окончания маневра расхождения.

Так как инерционность судна задерживает начало его маневра, то в работе получено условие существования множества допустимых маневров расхождения судна, учитывающее его инерционные характеристики.

Для случая вращательного движения судна с постоянной угловой скоростью получены аналитические выражения в явном виде, с помощью которых можно рассчитать продолжительность поворота судна и приращение его координат за это время. Для расчета интервалов времени на первой и второй фазах поворота судна, а также приращения его координат за время поворота, получены формулы в случаях, когда вращательное движение судна описывается динамическими моделями второго и третьего порядков. Причем полученные формулы представлены в виде, удобном для использования численных методов.

Для проверки корректности полученных в работе теоретических результатов в реальных условиях эксплуатации были проведены натурные наблюдения поворотливости судна для различных маневров и условий плавания, произведена их обработка методом выбранных точек и методом наименьших квадратов. При этом были использованы метод простых итераций и метод Ньютона, с помощью которых находились численные параметры динамических моделей.

В работе была произведена проверка корректности полученных динамических моделей вращательного движения судна путем сопоставления экспериментальных кривых с кривыми, рассчитанными по численным параметрам моделей для разных маневров, которая показала хорошее согласие экспериментальных данных с расчетными.

Для расчета интервалов времени обоих фаз поворота судна с помощью динамических моделей вращательного движения судна второго и третьего порядков были получены процедура и алгоритм реализации метода простых итераций, а также найдены для обеих динамических моделей аналитические выражения и алгоритм вычисления приращения координат маневрирующего судна за время поворота судна методом Симпсона.

В работе произведено описание имитационной модели, предназначенной для проверки корректности полученного способа безопасного расхождения с учетом инерционности маневрирующего судна. Приведены результаты имитационного моделирования, показывающие необходимость учета динамики судна при расхождении.

Ключевые слова: суда, расхождение, инерционность, безопасный маневр, динамическая модель, имитационная модель.

АНОТАЦІЯ

Бурмака Ігор Олексійович. Безпечне розходження суден з врахуванням їх інерційності. Дисертацією є рукопис. Спеціальність 05.22.16 – Судноводіння. Робота представлена до захисту в Одеській національній морській академії, Одеса, 2004 рік.

Робота присвячена актуальній темі зниження аварійності від зіткнення суден шляхом коректного урахування їхньої динаміки при розрахунку маневру розходження. У роботі отримані в загальному вигляді вирази, які враховують інерційність судна, для розрахунку початку повороту судна, що маневрує, на всіх етапах маневру розходження. У роботі розглянуті три динамічні моделі обертального руху судна, що описують його інерційність. Для кожної з моделей отримані аналітичні вирази, які дозволяють розрахувати параметри маневру розходження з урахуванням динаміки судна, що маневрує, причому широко застосовані чисельні методи інтегрування і рішення нелінійних рівнянь.

У реальних умовах експлуатації були проведені натурні спостереження повороткості судна для різних маневрів і умов плавання, зроблена їхня обробка методом обраних точок і методом найменших квадратів. У роботі зроблений опис імітаційної моделі, призначеної для перевірки коректності отриманого способу безпечного розходження з урахуванням інерційності судна, що маневрує. Результати експерименту та імітаційного моделювання показали необхідність урахування динаміки судна при розходженні.

Ключові слова: судно, розходження, інерційність, безпечний маневр, динамічна модель, імітаційна модель.

THE SUMMARY

Burmaka Igor Alekseevich. Safe divergence of vessels taking into consideration they momentum. The dissertation is the manuscript. Speciality 05.22.16 - Navigation. The work is submitted for being defended in the Odessa national maritime academy, Odessa, 2004.

The work deals with the actual problem of reducing the number of accidents resulting from collisions of vessels by the correct consideration of their dynamics while calculating a divergence maneuver. The work gives the general formulas, considering the momentum of ships for calculating the commencement of the turn of the maneuvering ship at all the stages of the divergence maneuver. Three dynamic models of the vessel’s turning moment, describing her momentum are considered in the dissertation. Analytic formulas are obtained for each of the models. They allow to calculate the parameters of the divergence maneuver taking into account the dynamics of the vessel. The digital methods of integration and working out unlinear equations are widely used in the thesis.

The natural observation of the ship’s turning ability for different maneuvers and sailing conditions were made in the real condition of the ship’s operation. They were studied by the method of selected points and minimum squares. The imitation model is described in the work. It is designed for checking the correctness of the obtained method of safe divergence with consideration of the momentum of the maneuvering ship. The results of the experiment and imitation modeling revealed the necessity for allowing for the ship’s dynamics while diverging.

Key words : a vessel, a divergence, a momentum, a safe maneuver, a dynamic model,

a imitation model.