МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

ІНФІМОВСЬКИЙ СЕРГІЙ ЮРІЙОВИЧ

УДК 656.61.052

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИКИ ОЦІНКИ ТОЧНОСТІ
НАВІГАЦІЙНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

У ЗОНАХ ПІДВИЩЕНОЇ ОБЕРЕЖНОСТІ ПЛАВАННЯ

Спеціальність 05.22.16 – судноводіння

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Одеса – 2005

Дисертація є рукописом.

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

Науковий керівник — доктор технічних наук, професор Гладких Ігор Іванович, Одеська національна морська академія, декан факультету судноводіння на морських та внутрішніх водних шляхах, завідуючий кафедрою гідрографії та морської геодезії.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Потьомкін Олександр Еммануїлович, Одеська національна морська академія, завідуючий кафедрою судноводіння на морських та внутрішніх водних шляхах.

- кандидат технічних наук, Сафін Ігор Вікторович, директор представництва компанії “Ві Шипс” в Україні, м. Одеса.

Провідна установа Національний університет кораблебудування ім.. адм.

Макарова, Міністерства освіти і науки України,
м. Миколаїв

Захист відбудеться „16” червня 2005 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .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 у бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2.

Автореферат розісланий „ 10 ” травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради

д. т. н., професор В.А. Голіков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Безпека судноплавства та ефективність функціонування транспортного, промислового, наукового й технічного флотів безпосередньо пов’язані з проблемами створення систем навігаційного супроводження суден (далі – СНСС) у зонах прибережного та стислого плавання, які є зонами (районами) підвищеної обережності плавання.

Світові статистичні дані свідчать, що до 75% навігаційних морських аварій та подій припадає саме на райони прибережного та стислого плавання, значна частка яких пов’язана з впливом “людського фактору”. Для цих районів характерна висока інтенсивність судноплавства, так, наприклад, для української частини Керченської протоки Азовського моря вона складає біля 40 тисяч суднопроходів на рік й мало чим відрізняється від інтенсивності судноплавства у протоці Босфор де вона складає порядку 50 тисяч. Така велика інтенсивність судноплавства у зонах підвищеної обережності плавання потребує зниження навігаційної аварійності та удосконалення методики оцінки точності навігаційного забезпечення при навігаційному супроводженні суден у зонах підвищеної обережності плавання. Ці та інші проблеми обумовлюють актуальність теми удосконалення методики оцінки точності навігаційного забезпечення у зонах підвищеної обережності плавання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень, отримані наукові і практичні результати відповідають програмам та планам науково-технічних робіт, направлених на розвиток народного господарства України – цільовій комплексній програмі розвитку транспортного комплексу України “Транспорт”, держбюджетній науково-дослідній роботі “Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання” номер державної реєстрації U006406. Автор дисертації самостійно виконав розділ науково – дослідної роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є удосконалення навігаційного супроводження суден у зонах підвищеної обережності плавання.

Наукова задача дослідження – удосконалення методики оцінки точності визначення місця судна у робочій зоні СНСС та якісних показників функціонування СНСС у зонах підвищеної обережності плавання й побудова на її основі, за регіональною ознакою, системи навігаційного забезпечення безпеки мореплавства.

Об’єктом дослідження є процес навігаційного супроводження суден у зонах підвищеної обережності плавання, а предметом дослідження обрано удосконалення методики оцінки точності навігаційного забезпечення у зонах підвищеної обережності плавання.

Методи дослідження. Вирішення задачі наукового дослідження проведено методом системного аналізу. Декомпозиція головної задачі на допоміжні дозволила вирішити наступні задачі. Так, за допомогою системологічного методу, систематизовано та ранжировано навігаційну аварійність на основі аналізу стану навігаційної аварійності у морських водах України. Методом узагальнення навігаційної аварійності у морських водах України, за регіональним принципом, визначено фактори виникнення навігаційних аварій. Застосування теорії імовірностей запропоновано для їх оцінки імовірностей виникнення аварій від можливих варіантів з’явлення негативного фактору. Дослідження точності визначення місця судна у робочій зоні СНСС при навігаційному супроводженні суден здійснено імовірнісно – статистичним методом. Ґрунтуючись на основах теорії систем масового обслуговування узагальнено й систематизовано якісні показники функціонування СНСС у зонах підвищеної обережності плавання.

Синтез допоміжних результатів дослідження дозволив отримати за допомогою новітнього для морської галузі методу формалізованої оцінки — The Formal Safety Assessment (далі — FSA), відповідь на питання головної задачі дисертаційного дослідження — яким чином оцінювати точність навігаційного забезпечення у зонах підвищеної обережності плавання та визначити напрям його удосконалення шляхом створення регіональних систем навігаційного забезпечення безпеки мореплавства (далі – РСНЗБМ).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в отриманих наступних результатах, що містять наукову новизну:

1. Вперше запропоновано імовірнісну модель центрованих похибок контрольованих та неконтрольованих факторів навігаційної аварійності, яка відрізняється від традиційного підходу до прогнозування тим, що розглядається як багатомірний нормальний розподіл випадкового вектору залежності імовірностей виникнення навігаційної аварії при врахуванні імовірностей сумісного з’явлення усіх варіантів негативних факторів виникнення навігаційної небезпеки у певних регіонах морських вод України.

2. Удосконалено методику та алгоритм оцінки точності визначення місця судна у робочій зоні СНСС при навігаційному супроводженні у зонах підвищеної обережності плавання, яка відрізняється від попередніх врахуванням взаєморозташування вісі каналу та виносних постів СНСС.

Одержані наукові результати можуть бути застосовані для оцінки навігаційної безпеки будь – якого морського регіону Світового океану, а також для оцінки точності визначення місця об’єкту системою навігаційного супроводження в інших галузях транспорту.

Обґрунтованість наукових результатів забезпечена:

коректним застосуванням апробованих методів теорії ймовірностей та математичної статистики;

використанням у розрахунках достовірних даних з досвіду навігаційного супроводження суден

та підтверджена результатами розрахунків, які показали здебільшого методики, яка запропонована, у порівнянні з традиційною.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

1. Застосування дисертаційних досліджень дозволило покращати навігаційне супроводження суден у зоні дії радіотехнічних постів ВМС ЗС України та служби регулювання руху суден у зоні української частини Керченської протоки Азовського моря, а саме:

підвищити точність визначення місця судна при навігаційному супроводженні СНСС у зоні української частини Керченської протоки на каналі Керч – Єні – Кале в цілому та на кінцевих ділянках коліна Єні – Кале, зокрема, від 1,6% до 7,4% за рахунок врахування геометричного фактору при встановленні додаткових виносних постів СНСС на запропонованих БЗНО;

удосконалити та структурувати систему якісних показників функціонування СНСС з включенням в неї наступних показників: коефіцієнтів технологічної перерви та напруженості робочої зміни лоцманів – операторів, що дозволило запропонувати покращання якісних показників функціонування СНСС служби регулювання руху суден у зоні української частини Керченської протоки Азовського моря, наприклад, за рахунок збільшення встановленої на каналі швидкості суден з осадкою до 6 метрів до 12 вузлів:

скоротити майже на 1/5 інтервал у навігаційному супроводженні суден при зменшенні тривалості навігаційного супроводження.

При цьому збільшується кількість лоцманів – операторів у робочій зміні на 3 особи покращує інтенсивність судноплавства по каналу Керч – Єні – Кале у двічі, а напруженість роботи лоцманів – операторів зростає лише на половину.

2. Надбало подальшого розвитку структура РСНЗБМ, яка на відміну від існуючих регіональних систем безпеки мореплавства, наприклад у Новоросійському морському торговельному порту, включає такі додаткові компоненти як: лоцманську службу, берегові та плавучі засоби навігаційного обладнання, контрольно – корегуючу станцію супутникової навігаційної системи GPS, радіостанцію системи NAVTEX, навігаційно – інформаційну систему INMARSAT з єдиним органом управління.

3. Отримані у дисертаційній роботі результати характеризуються теоретичною значимістю, яка полягає у тому, що метод, запропонований у роботі, може бути використаний для рішення задач навігаційного супроводження у існуючих системах навігаційного супроводження суден.

Основні результати роботи впроваджені:

в органах управління Західної військово – морської бази ВМС ЗС України у системі навігаційного орієнтування радіотехнічних постів (акт використання результатів дисертаційної роботи № 74/4/34 від 12.01.2004 р.);

у службі регулювання руху суден Керченського морського торговельного порту (акт використання результатів дисертаційної роботи від 19.11.2003 р.);

в Інституті післядипломної освіти керівних працівників та спеціалістів водного транспорту України у навчальному процесі фахівців морського флоту (акт використання результатів дисертаційної роботи від 12.11.2003 р.);

в Одеській національній морській академії у навчальному процесі для підготовки офіцерів запасу з військово – облікової спеціальності 072300 “Штурманська та лоцманська кораблів” (акт використання результатів дисертаційної роботи від 25.05.2004 р.);

в Севастопольському військово – морському інституті ім. П.С. Нахімова у навчальному процесі по спеціальності 7.100381 “Кораблеводіння військових кораблів та підводних човнів” та підготовки студентів цивільного факультету по спеціальності 7.100301 “Судноводіння” (акт використання результатів дисертаційної роботи від 28.04.2004 р.).

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на:

54_й науковій і науково–методичній конференції професорсько-викладацького складу і курсантів Одеської національної морської академії (ОНМА) (2002 р., м. Одеса);

міжнародній науково–технічній конференції професорсько-викладацького складу Одеського національного морського університету (ОНМУ) “Проблеми теорії та практики реалізації рішень грудневої (2002 року) сесії ІМО, яка присвячена посиленню безпеки мореплавства та діяльності водогосподарського комплексу“ (2003 р., м. Одеса);

ІІ науково–методичній конференції ОНМА “Практичні проблеми розвитку ГМЗЛБ, радіонавігації, систем регулювання руху суден (СРРС), автоматичних ідентифікаційних систем (АІС) та річкових інформаційних систем (РчІС)“ (2003 р., м. Одеса);

ІІІ науково-технічній конференції Військово-Морських Сил “Стан і розвиток Військово-Морських Сил Збройних Сил України на сучасному етапі” (2003 р., м. Севастополь);

міжнародній науково–технічній конференції ОНМА “Сучасне судноплавство і морська освіта“ (2004 р., м. Одеса);

міжнародній науково – практичній конференції “Безпека судноплавства та “людський фактор” присвяченій 60 – річчю Одеської національної морської академії у рамках Шостої міжнародної конференції “Морські та річкові перевезення. Питання економічної взаємодії, функціонування та розвитку” (2004 р., м. Одеса);

науково – практичному семінарі у Держморінспекції “Аналіз стану навігаційної аварійності у морських водах України за 1999 – 2003 роки та врахування “людського фактору” при дослідженні процесу управління навігаційною безпекою мореплавства“ (2004 р., м. Одеса);

науково – практичному семінарі у Центральному науково–дослідному інституті навігації і управління з обговорення даної дисертаційної роботи (2005 р., м. Київ).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 6 друкованих праць у спеціалізованих наукових виданнях, затверджених ВАК України, тезах на 2-х наукових і науково-методичних конференціях професорсько-викладацького складу і курсантів ОНМА й 2-х міжнародних науково-технічних конференціях у ОНМА та ОНМУ й науково-технічній конференції Військово-Морських Сил України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з переліку умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів, вступу, п’яти розділів, висновків та рекомендацій, 20 додатків, списку використаних джерел з 162 найменувань, повний обсяг роботи становить 234 сторінки, 30 таблиць та 66 рисунків, з них 4 діаграми, 9 номограм та 26 графіків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано необхідність досліджень щодо навігаційного супроводження суден у зонах підвищеної обережності плавання з метою покращання безпеки судноплавства у морських водах України.

Огляд морської аварійності у виключній (морській) економічній зоні України показує, що не завжди об’єктивно висвітлюються або враховуються всі похідні факторів впливу на навігаційну аварійність. Регіональний розподіл найбільш впливових навігаційних аварій та подій при навігаційному супроводженні СНСС у виключній (морській) економічній зоні в Україні не розглядається, чим не забезпечується концентрація зусиль щодо навігаційного облаштування у найменш слабких, за рівнем навігаційного забезпечення, регіонах та їх підрегіонах.

Перший розділ присвячено огляду літературних джерел у галузі дослідження та означенню проблемних питань які потребують вирішення.

У роботах Джузеппе Ангрізано, С.О. Верещагіна, Е.М. Житкова, С.М. Павликова та інших розглядається оцінка точності виміру навігаційних параметрів відносно їх спостереження технічними та зоровими засобами судноводіння з борту судна (рухомої платформи).

Докладно досліджено А.М. Баскіним, Л.Л. Вагущенком, Ю.Л. Воробйовим, В.Т. Кондрашихіним, О.М. Криловим, А.С. Мальцевим, Ю.О. Мастушкіним, Р.Я. Першицем, Г.В. Соболевим, управління судном та системами управління суден де знайшли відповідь питання що пов’язані з маневруванням судна та процеси, які відбуваються з ним під час руху.

Запропоновані Г.Г. Дрожжиним, А.І. Сорокіним, Ю.Д. Стефановським методи оцінки ефективності навігаційного забезпечення безпеки мореплавства, розглядають підходи до способу оцінки ефективності навігаційного супроводження суден. Г.Г. Дрожжин у системному підході до оцінки навігаційного забезпечення розглядає вирішення проблеми через побудову математичної моделі ефективності навігаційного забезпечення й пропонує надати узагальнений показник у вигляді окремих складових показників аналітичної моделі відповідно до теореми про складання імовірностей сумісних подій.

У роботах професора О.Е. Потьомкіна розглядаються питання підвищення ефективності, безпеки та точності судноводіння через підвищення точності результатів випробувань навігаційних приладів, тобто еталонування навігаційних пристроїв та приладів.

Л.А. Позолотіним, В.П. Топаловим, В.Г. Торським та іншими розглянуті загальні питання безпеки мореплавства пов’язані з безпекою експлуатації певного типу суден – балкерів за допомогою методики FSA з врахуванням „людського фактору”.

За межами вищезазначених робіт залишилися навігаційні спостереження з нерухомої платформи, БЗНО, а також способи розрахунку середньої квадратичної похибки (далі – скп) визначення місця судна з урахуванням впливу взаємоположення осі каналу та БЗНО та оцінка імовірної смуги руху судна у зонах підвищеної обережності плавання не отримали достатньої уваги.

У наведених роботах не виказана відповідь на запитання: якими ж критеріями оцінювати ефективність функціонування СНСС?

Виконаний аналіз літературних джерел та підходи до навігаційного супроводження СНСС дозволяють уточнити та сформулювати основний напрям дисертаційного дослідження.

Висновки по розділу:

1. Необхідність дослідження виникнення навігаційної аварії на основі можливих варіантів та середньостатистичних даних з’явлення навігаційної аварії при супроводженні суден по морським шляхам за певний термін спостережень.

2. Потребують розробки методика оцінки точності визначення місця судна у робочій зоні СНСС при навігаційному супроводженні суден, а також узагальнення й структуризації якісні показники функціонування СНСС у зонах підвищеної обережності плавання при навігаційному супроводженні суден.

3. Необхідність створення системи навігаційного забезпечення безпеки мореплавства за регіональним принципом.

У другому розділі розглянуто методи рішення головної задачі та складено алгоритм дисертаційного дослідження, який являє собою структуру методологічного забезпечення дисертації, що ґрунтується на методі системного аналізу до теми дослідження.

Висновки по розділу:

1. Напрям дисертаційного дослідження обґрунтовано та обрано за результатом аналітичного огляду існуючих підходів до проблеми навігаційного супроводження СНСС у зонах підвищеної обережності плавання, при цьому сформульовані вимоги та припущення, які покладено в основу вихідної математичної моделі.

2. Рішення головної задачі при її декомпозиції на допоміжні та обґрунтування їх вибору отримано за допомогою методу системного аналізу. Синтез допоміжних наукових результатів дозволить знайти рішення головної задачі дисертаційного дослідження.

3. Загальна методика проведення досліджень по темі дисертаційної роботи щодо навігаційного супроводження СНСС у зонах підвищеної обережності плавання визначає основні етапи наукового дослідження та методи, які використовуються на кожному етапі.

Третій розділ присвячено аналізу статистики навігаційної аварійності, розробці методики оцінки точності визначення місця судна у робочій зоні СНСС та способу їх розрахунку при навігаційному супроводженні у зонах підвищеної обережності плавання.

За 1999 – 2003 роки у виключній (морській) економічній зоні України відбулося 67 морських навігаційних аварій та подій, що складає 63,1% від загальної кількості морських аварій та подій, серед них – 25 крупних аварій (посадка на мілину) та 14 морських інцидентів (навал), що дорівнює 38,46% та 21,54% від загальної кількості морських навігаційних аварій та подій.

Розподіл кількості морських навігаційних аварій за регіональним принципом по підрегіонам виключної (морської) економічної зони України за означений період по рокам надано на рис. 1.

Рис. 1 Розподіл морських навігаційних аварій за регіональним принципом

по районам у виключній (морській) економічній зоні України.

З наведеного аналізу найбільш складними для плавання, у навігаційному відношенні, є райони: Бузько – Дніпровський лиманський та Херсонський морський канали; підрегіон № 1 Північно-Західної частини Чорного моря; українська частина Азовського моря; українська частина Керченської протоки; підрегіон № 1 Південно-Західної частини Чорного моря.

“Людський фактор” виказав вплив у 60% від загальної кількості аварій та подій у морських водах України та є найбільш вагомим для навігаційної аварійності в останні роки. Він висовує нові, за рекомендаціями ІМО, вимоги та підходи до покращання умов й рівня навігаційної безпеки мореплавства з урахуванням регіональних особливостей.

З розгляду похідних основних факторів впливу, які обумовлюють навігаційну безпеку мореплавства, а саме: встановлених шляхів руху суден та СНСС та складеного співвідношення між ними дозволяє провести комплексну оцінку взаємозалежності чинників цих факторів та їх вплив на умови навігаційної безпеки мореплавства морських водах України за регіональною ознакою.

Розглянемо можливий негативний вплив на навігаційне забезпечення на прикладі Керченської протоки Азовського моря.

Таблиця 1

Відомості про можливі варіанти факторів негативного впливу у регіоні Керченської протоки

№

з/п | Фактор впливу | Вид аварії | Число

аварій | Частота

випадків n/ N | Розподілення імовірності

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6

1 | Висока інтенсивність руху суден | зіткнення | 1 | 1/7=0,14 | гістограма

2 | Якість забезпечення району

існуючими БЗНО | посадка на мілину | 1 | 1/7=0,14 | вибіркове середнє

3 | Рух суден, які перевозять

небезпечні вантажі | зіткнення,

навал | 1 | 1/7=0,14 | гістограма

4 | Зовнішні фактори, включаючи переважні погодні умови, приливо – відливні та постійні течії | навал | 1 | 1/7=0,14 | вибірковий

момент розподілу

5 | Складні гідрографічні, гідрологічні та

метеорологічні умови | посадка на мілину | 2 | 2/7=0,29 | вибірковий

момент розподілу

6 | Завади, що утворюються рухом суден

для іншої морської діяльності | зіткнення | 1 | 1/7=0,14 | вибіркове нормальне розподілення

7 | Портові води та райони де

просування суден обмежено | зіткнення, навал | - | - | гістограма

8 | Статистика морських аварій | аварія | 7 | 7/7=1 | гістограма

9 | Екологічні міркування | забруднення

довкілля | - | - | вибірковий

момент розподілу

10 | Залишкова мінна небезпека | конструктивні

пошкодження | - | - | гістограма

ВСЬОГО | 7 | 7

З розгляду табл.1 вважаємо, що фактор впливу на навігаційну аварійність Uнфk N (0; ) тоді вектор з незалежними компонентами фактору впливу на навігаційну аварійність Uнфk, розподілені за нормальним законом розподілу одиничного випадкового фактору N (0; ).

Імовірність випадкового незалежного негативного фактору виникнення навігаційної аварії можна надати у вигляді формули:

де D – область негативних значень факторів, які впливають на навігаційну безпеку мореплавства;

– дисперсія випадкової величини Uнфk, k = 1, 2, …, п;

mk – середньоквадратичне відхилення випадкової величини Uнфk;

uнфk – випадкова величина Uнфk k–го фактору, яка впливає на навігаційну аварійність;

PНА (D)– імовірність виникнення навігаційної аварії від випадкового вектору Uнф до області негативних значень факторів, які впливають на навігаційну безпеку мореплавства.

Запропонована імовірнісна модель центрованих похибок контрольованих та неконтрольованих факторів, як багатомірне нормальне розподілення випадкового вектору Uнф з незалежними компонентами uнфk, що мають різні дисперсії , а порядок вектору залежить від характеру задачі, яка вирішується та знаходиться у діапазоні п = 15 ± 5.

Аналіз характеру навігаційної аварійності налаштовує на доцільність створення, за світовою тенденцією, РСНЗБМ у морських водах України.

Безпечні навігаційні умови мореплавства характеризуються такими основними показниками ефективності, як точність та імовірність отримання обсервації, які відповідали б цілій низці специфічних вимог, а саме: повинна бути забезпечена можливість проведення вимірів необхідних для визначення місця; ці виміри повинні виконуватися дуже швидко, а у ідеалі миттєво, оскільки для відновлення істинного шляху, визначення повинні бути безперервними або, по крайній мірі, дуже частими; дальність дії СНСС повинна забезпечувати визначення місця по усій зоні плавання під час руху судна; для вірного відображення місця судна засобами автоматизованого навігаційного супроводження, визначення місця судна повинно проводитися з додержанням вимог до точності визначення місця судна які наведено у резолюції ІМО А.953(23).

Оцінка придатності тих, чи інших засобів та способів отримання обсервації повинна базуватися на ступені задоволення цих основних вимог.

При навігаційному супроводженні у зоні підвищеної обережності плавання на рух судна впливають складові зовнішнього середовища: вітер, течії, хвилювання, а також його розміри та керуючі команди центру регулювання руху суден СНСС щодо удержання судна у заданій смузі руху (вхідні перемінні). Зворотною реакцією судна на вплив зовнішнього середовища та керуючих команд центру регулювання руху суден СНСС, є його удержання у заданій смузі руху, опосередком заданого алгоритму руху по каналу шляхом змін курсу та швидкості судна (вихідні перемінні).

Дослідження точності визначення місця судна СНСС при навігаційному супроводженні у зоні підвищеної обережності плавання, як об’єкта дисертаційного дослідження, є сенс розглянути за допомогою методу системного аналізу, який передбачає надання будь – якого об’єкту дослідження у вигляді системи.

З цих позицій СНСС можна розглядати як складну систему, що має дві функціонально різні підсистеми:

підсистему прийняття рішень або підсистему управлінь (дворівневу: на судні – капітан, лоцман, вахтовий помічник, вахтовий механік, рульовий та власно саму СНСС – через лоцмана – оператора);

підсистему виконання рішень – судно, яке проводиться по каналу (об’єкт керування).

Відомості про зовнішнє середовище (вхідні перемінні): вітер, течії, хвилювання, просідання за мілководдя та інше, що впливають на судно як об’єкт керування, можуть передаватися і на центр регулювання руху суден СНСС. Вхід на кінцевому інтервалі часу t [to, T] можна надати у вигляді вектор – функції часової перемінної t

, при to = t = T

де - множина усіх можливих значень входу.

Швидкість та курс, які виробляються судном під час навігаційного супроводження СНСС також можна надати у вигляді вектор – функції часу t

, при to = t = T

де - множина усіх можливих значень виходу.

Вираз є результатом функціонування системи, при цьому стан судна (об’єкту керування) описується вектор – функцією

, при to = t = T

та реалізується у виразі

де - множина усіх можливих значень припустимого стану системи.

Таким чином, вище згаданий оператор f є композицією операторів ц та hu

.

Загальна мета системи реалізується функцією кращості

,

де - простір показників ефективності роботи СНСС щодо навігаційного супроводження у заданій смузі руху.

Таким чином, задача дослідження може бути надана у вигляді:

Вказаний недолік оцінки функціонування СНСС, пов’язаний з кінцевою тривалістю надходження інформації між підсистемами та встановлення реакції судна на заданий керуючий вплив, вирішується за допомогою такого обов’язкового елементу відпрацювання ефективних керуючих рішень, як передбачення, тобто прогнозування наступних змін некерованих перемінних.

Для рішення задачі прогнозування знаходження судна відносно вісі каналу при навігаційному супроводженні СНСС будемо вважати систему, за допомогою якої здійснюється навігаційне супроводження судна, лінійною динамічною, що описується лінійними кінцево – різносними стохастичними рівняннями стану та виходу динамічної системи:

і =.і0

де і0, і – початкові та текучі моментів часу ti0, ti.

Матриці А(і), В(і), С(і), D(і) мають порядки (lЧl), (lЧn), (mЧl), (mЧn) або у цифровому виразі (7Ч7), (7Ч2), (5Ч7), (5Ч2) та знаходяться за допомогою методу теорії ідентифікації по даним .

Ґрунтуючись на оптимальній фільтрації Калмана відповідно до розглянутих умов за відомою сукупністю вимірювань y(i0), y(i0+1), … , y(i) можна знайти найкращу оцінку вектора стану , таку, що

– незсувність оцінки,

– ефективність оцінки.

При додатковому припущенні, щодо нормального розподілу випадкових векторів , сформульована задача навігаційного супроводження у заданій смузі руху вирішується за допомогою рекурентних співвідношень фільтру Калмана

при k=і0, і-1.

Доцільністю застосування фільтра Калмана є його пристосованість для реалізації у вигляді програмного забезпечення на ПЕОМ у реальному часі по мірі надходження вимірів навігаційного параметру під час руху судна по каналу при навігаційному супроводженні СНСС.

Теоретичні та практичні дослідження (розрахунки) показують, що прогноз стану системи на протязі часу як завгодно мало відрізняється від оптимального незалежно від неточностей завдання , тому вона може бути заданою приблизно.

У процесі навігаційного супроводження в умовах підвищеної обережності плавання важливо не тільки визначати координати будь-яких точок, але й вірно оцінювати їх точність. Науковою основою оцінки точності визначення місця служать теорія імовірностей та математична статистика.

Ґрунтуючись на складових підкорінного виразу формули визначення величини середній квадратичній похибці поодинокого випадку бокового зсуву судна mu видно взаємозалежність співвідношення півосей еліпсу похибок від кута q, який характеризує вплив геометричного фактору на точність вимірів

.

Ефективність точного визначення місця судна, у часовому просторі, характеризується імовірністю відсутності жодного виходу судна за межі каналу, між двома послідовними обсерваціями tu, при якій можна прийняти з’явлення виходів за межі каналу вважають розподіленими за законом Пуассону

,

де N – середня щільність потоку випадкових викидів траєкторії руху судна по каналу.

Якщо математичне очікування випадкового процесу розподілу траєкторії руху судна співпадає з віссю каналу, то безпечну ширину каналу можна розрахувати по формулі:

,

де Рзад – задана імовірність відсутності виходів судна за межі каналу.

Для розрахунку безпечної ширини каналу з урахуванням другої похідної кореляційної функції k" (0) = – 0,759 при імовірності визначення місця судна Рзад = 0,95 та для Рзад = 0,997, відповідно, які рекомендована Резолюцією ІМО А.953(23), отримано формули:

, та

Розрахунок припустимого інтервалу часу tu (tприп), у хвилинах, між двома обсерваціями, який виконує лоцман – оператор СНСС при навігаційному супроводженні судна, з урахуванням Рзад = 0,95 та для Рзад = 0,997 при другій похідній кореляційної функції k" (0) = – 0,759 пропонується використовувати отримані формули, відповідно:

, та .

У ході дослідження удосконалено методику та алгоритм оцінки точності визначення місця судна у робочій зоні СНСС у зонах підвищеної обережності плавання, яка відрізняється від попередніх врахуванням взаєморозташування вісі каналу та виносних постів СНСС.

Висновки по розділу:

1. Проведено регіональний розподіл морських вод України з урахуванням характерних навігаційних небезпек та вимог до точності визначення місця судна.

2. Визначено найбільш небезпечні підрегіони у регіонах морських вод України: Бузько – Дніпровський лиманський та Херсонський морський канали; підрегіон № 1 Північно-Західної частини Чорного моря; українська частина Азовського моря; українська частина Керченської протоки; підрегіон № 1 Південно-Західної частини Чорного моря.

3. Встановлено аналітичну залежність імовірності виникнення навігаційної аварії, на основі вітчизняної статистики у морських водах України, від середньостатистичних даних про з’явлення навігаційної аварії при навігаційному супроводженні суден та варіанту імовірності виникнення негативного фактору за регіональним принципом.

4. Застосований імовірнісно – статистичний метод для дослідження точності визначення місця судна у робочій зоні СНСС при навігаційному супроводженні у зонах підвищеної обережності плавання дозволив розробити методику та алгоритм, за допомогою яких можливо встановлювати область f (, D). Для цієї області існує рішення задачі навігаційного супроводження суден за наступними вихідними даними: існуючій ширині каналу Вк; граничній або оптимальній середній квадратичній похибці mu; припустимому часі tприп між обсерваціями. Розрахунок mu та tприп доцільно проводити на ПЕОМ з використанням програм розроблених у системі MathCAD 2000.

У четвертому розділі дослідження якісних показників функціонування СНСС здійснено за умови її розгляду, як п – канальну масового обслуговування систему з очікуванням.

Однією з головних характеристик функціонування систем навігаційного супроводження суден у зонах підвищеної обережності плавання є їх ефективність. Академіком О.М. Колмогоровим сформульовано принцип відповідності показника ефективності системи її меті. Згідно цьому принципу показник ефективності системи неможливо призначити, а можливо лише виявити, виходячи з визначення її мети. Оскільки метою СНСС є забезпечення досягнення мети супроводжуваними суднами у зоні дії своєї відповідальності, то мета СНСС формулюється як підмножина задач (підцілей), до яких відносяться: контроль за навігаційною безпекою судноплавства, регулювання руху суден, радіолокаційне проведення; надання допомоги суднам під час аварійно – рятувальних операцій, інформування про рух суден, стан засобів навігаційного обладнання, гідрометеорологічні умови та інші фактори, що впливають на навігаційну безпеку судноплавства.

Оскільки система навігаційного супроводження суден завжди має п – лоцманів – операторів, то її можливо розглядати як п – канальну систему масового обслуговування з очікуванням відповідно до теорії систем масового обслуговування та обрати вектор показників ефективності системи навігаційного супроводження суден за допомогою відомих формул Пуассону, Колмогорова та Ерлангу визначено закон розподілу часу очікування початку навігаційного супроводження суден та імовірність того, що усі лоцмани – оператори СНСС зайняті навігаційним супроводженням. Це дозволило розробити систему якісних показників функціонування СНСС та обґрунтувати вимоги до кількості місць у районі якірної стоянки при очікуванні навігаційного супроводження й кількості лоцманів – операторів СНСС у робочій зміні, які узагальнено та систематизовано й наведено у табл. 2.

Таблиця 2

Система показників ефективності функціонування СНСС у зонах стислого плавання

№

з/п | Показник | Характеристика показника | Величина або

формула розрахунку | Одиниця виміру

1 | Пропускна спроможність зони підвищеної обережності плавання | Кількість суден, яка може одночасно знаходитися у каналі | натуральне число

2 | Інтенсивність

судноплавства | Кількість суден, яка проходить канал

за годину | л

3 | Напруженість роботи

лоцмана-оператора | Кількість суден, яку може опрацювати лоцман-оператор за одну годину | м

4 | Коефіцієнт напруженості робочої зміни лоцманів – операторів | Імовірність відмови у навігаційному супроводженні | відсоток

5 | Коефіцієнт технологічної перерви робочої зміни лоцманів – операторів | Імовірність тривалості часу відпочинку

лоцмана – оператора за зміну | відсоток

6 | Тривалість навігаційного

супроводження судна | Середній час навігаційного

супроводження одного судна | година

7 | Інтервал навігаційного

супроводження | Середній час очікування початку

навігаційного супроводження | година

8 | Наповненість району

очікування проведення | Кількість точок якірної стоянки у

районі очікування проведення | точка якірної стоянки

Доведено, що за останні п’ять років у морських водах України, 97 % від загальної кількості навігаційних аварій та подій трапилося через “людський фактор”.

За загальною методикою застосування FSA, яка є новітньою для морської галузі, розроблено алгоритм дослідження впливу “людського фактору” на навігаційну безпеку мореплавства.

Висновки по розділу:

1. Запропоновано систему якісних показників функціонування СНСС при навігаційному супроводженні по морським шляхам у зонах підвищеної обережності плавання, яку можливо використовувати й для інших зон плавання, а запропонований підхід до оцінки ефективності функціонування систем навігаційного супроводження рухомих об’єктів розповсюдити для інших галузей транспорту.

2. Для програмування задач визначення якісних показників функціонування СНСС зручними є системи програмування у якості вихідних мов яких використовуються мови близькі до мови математичних формул. Однією з таких сучасних систем є система програмування MathCAD 2000. Програмування у цій системі здійснюється за допомогою вихідних мов математичних формул, що дозволяє використовувати загальновідомі математичні операції шляхом безпосереднього їх завдання на екрані монітору комп’ютера, причому введення знака рівняння приводить до виконання відповідної операції.

3. Використання методики FSA для оцінки ризиків при запобіганні навігаційної аварійності, оцінки витрат та вигод для зниження ризиків у морській діяльності є раціональним й систематичним процесом.

4. Методика FSA дозволяє комплексно оцінювати стан навігаційної безпеки, найбільш повно враховувати “людський фактор” й може бути використана для передбачення навігаційної аварійності у будь–якому морському регіоні.

У п’ятому розділі розглянуто значення для Східного регіону морських вод України географічного положення української частини Керченської протоки Азовського моря, яка має стратегічне значення для морської діяльності України як у економічному, так і військовому відношенні.

Проведено оцінку режиму плавання та впливу існуючої СНСС на рівень безпеки мореплавства у зоні української частини Керченської протоки за власно розробленими автором алгоритмами відповідно до методики FSA.

Керченська протока, яка поєднує Азовське та Чорне моря каналом Керч – Єні – Кале й потребує, при прагненні до практичного виключення навігаційних аварій, як джерела екологічних аварій та катастроф, запровадження у ній РСНЗБМ.

Застосування методики FSA у зоні української частини Керченської протоки дозволило висвітити слабкі місця навігаційної безпеки мореплавства які складаються з наступного:

робочі зони БЗНО не забезпечують точність визначення навігаційного параметру по усій довжині каналу Керч – Єні – Кале;

наявність небезпечно шляхів руху суден, які перетинаються з режимними районами та відсутність колового руху у точці збігу шляхів руху на підходах до каналу Керч – Єні – Кале з півночі.

Проведені порівняльні розрахунки оцінки точності визначення місця судна при навігаційному супроводженні по коліну Єні – Кале з БЗНО на м. Зміїний та передньому створному знаку Комиш – Бурунський наведені на графіки порівняння точності визначення навігаційних параметрів місця судна на коліні Єні – Кале (рис. 3) дозволили апріорно визначити місця розташування виносних постів СНСС на БЗНО для підвищення точності навігаційного супроводження суден у зоні каналу Керч – Єні – Кале.

Рис. 3 Графік порівняльного розподілу середньої

квадратичної похибки визначення місця судна та

смуги імовірного знаходження судна відносно

БЗНО на коліні Єні – Кале

Таким чином запропоновано наступні місця встановлення виносних постів СНСС:

1. Для покращання навігаційного супроводження суден по каналу Керч – Єні – Кале виносні пости СНСС доцільно розташувати: на передньому створному знаку північної пари створних знаків мірної милі для обслуговування суден від району очікування навігаційного супроводження до пари буїв № 3 – 4; на передньому створному знаку Бурунського коліна – від пари буїв № 3 – 4 до пари буїв № 7 – 8; на задньому створному знаку заводу “Залив” – від пари буїв № 7 – 8 до пари буїв № 13 – 14 та на підхідному каналі портового пункту Аршинцеве; на мису Білий (Ш= 45? 19' 54"півн.
Д= 36? 29' 24"сх.) – від пари буїв № 13 – 14 до пари буїв № 25 – 26 та на Керченському підхідному каналі й підхідному каналі Керченського морського рибного порту; на мису Зміїний – від пари буїв № 25 – 26 до пари буїв № 39 – 40; на передньому створному знаку порту Крим – від пари буїв № 39 – 40 до пари буїв № 47 – 48 та на фарватері № 28; на маяку Єні – Кале – від пари буїв № 47 – 48 до пари буїв № 51 – 52 (рис.4).

Рис. 4. Графік порівняльного розподілу середньої квадратичної похибки визначення

місця судна та смуги імовірного знаходження судна відносно вісі каналу Керч – Єні - Кале

2. Для контролю за суднами на зовнішніх перевантажувальних рейдах виносний пост СНСС розташувати – на маяку Такил.

3. Управління автоматичними виносними постами СНСС здійснити за допомогою радіорелейної мережі, при навігаційному супроводженні суден по каналу Керч – Єні – Кале та для контролю за суднами на підходах до Керченської протоки, доцільно організувати з центру регулювання рухом суден, який розташовано на БЗНО на мису Зміїний.

Запропоновані у дисертаційній роботі алгоритми оцінки навігаційної безпеки мореплавства дозволяють апріорно оцінювати стан безпеки мореплавства та розробляти пропозиції до його покращання, у тому числі й при створенні РСНЗБМ.

У розділі 3 доведено, що: у зонах підвищеної обережності плавання найбільш ефективним способом визначення місця судна при навігаційному супроводженні визнано БРЛС СНСС, які є основним джерелом отримання навігаційного параметру. А відповідно з Інструкцією з навігаційного обладнання (ИНО –89) резервним джерелом у зонах підвищеної обережності плавання можна вважати лінійні навігаційні створи, а допоміжними джерелами – плавуче огородження та супутникові навігаційні системи. Особливе значення щодо безперервності та достовірності місцеположення судна приділяється у зонах підвищеної обережності плавання.

Таким чином, при визначенні джерел виміру та отримання навігаційного параметру потрібно окрім основного джерела мати резервний та допоміжні, які повинні забезпечити безперервність та достовірність місцеположення судна під час плавання.

Своєчасність надходження інформації до судноводіїв повинна забезпечуватися передачею по радіо навігаційної та гідрометеорологічної інформації на прибережні води цифровим вибірковим зв’язком у телексному режимі системи NAVTEX району А1 й встановленого району морських вод України національних повідомлень мореплавців та довгострокової й оперативної інформації Всесвітньої служби навігаційних попереджень на район плавання у вигляді повідомлень NAVAREA через супутникову навігаційно – інформаційну систему INMARSAT.

Рис. 5 Загальна схема функціонування структурної моделі РСНЗБМ

при проведенні судна по каналу

Отже, виходячи з наведеного, до складу РСНЗБМ у зоні української частини Керченської протоки доцільно включити систему з виносних постів БЗНО СНСС, які розташувати на: передньому створному знаку північної пари створних знаків мірної милі; передньому створному знаку Бурунського коліна; задньому створному знаку заводу “Затока”; на мису Білий
(Ш= 45? 19' 54" півн.
Д= 36? 29' 24" сх.); на мису Зміїний – центрі регулювання руху суден у зоні української частини Керченської протоки; передньому створному знаку порту Крим; маяку Єні – Кале та на маяку Такил – для контролю за суднами на зовнішніх перевантажувальних рейдах у південній частині зони української частини Керченської протоки Азовського моря.

Зі схеми