Одеська національна морська академія

Северін Віталій Васильович

УДК 656.61.052.484

ВИБІР ОПТИМАЛЬНОГО МАНЕВРУ ПРИ РОЗХОДЖЕННІ З ДЕКІЛЬКОМА СУДНАМИ

Спеціальність 05.22.16 – Судноводіння

Автореферат
дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Симоненко Сергій Валентинович,

начальник державної установи

„Держгідрографія”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Вагущенко Леонід Леонідович

Одеська національна морська академія,

завідуючий кафедрою електронних комплексів

судноводіння

кандидат технічних наук

Сафін Ігор Вікторович,

представництво компанії “Ві-Шипс” в

Україні, м. Одеса, директор

Захист відбудеться 11 жовтня 2007 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, корп. 2.

Автореферат розісланий 10 вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, Тарапата В.В.

д.т.н., професор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Високий рівень безпеки мореплавання, який значною мірою визначається безпекою судноводіння, необхідний для забезпечення ефективної роботи морських суден. Найважливішою проблемою безпеки судноводіння є висока аварійність від зіткнення суден, яка, не дивлячись на заходи, що вживаються, до теперішнього часу не одержала задовільного рішення. Тому зниження аварійності від зіткнення суден залишається актуальним і зараз, а розробка і упровадження методів, направлених на зниження аварійності від можливих зіткнень суден являється актуальним і перспективним науковим напрямком.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. По змісту дисертаційна робота пов'язана з держбюджетною науково-дослідною роботою "Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання", N ГР 0103U006406, в якій автор самостійно виконав розділ.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка способу вибору безпечного маневру судна при розходженні з декількома цілями.

Гіпотезою дослідження прийняте припущення про те, що при небезпечному зближенні судна з декількома цілями залежно від початкової відносної позиції і параметрів руху цілей можливе існування траєкторій безпечного розходження маневруючого судна зі всіма цілями.

Головною задачею дослідження є розробка алгоритму безпечного розходження судна з декількома цілями, яка в дисертаційному дослідженні представлена трьома наступними незалежними складовими задачами:

1. Системний аналітичний опис керованого руху множини суден методами теорії координації, який дозволяє представити взаємодію множини суден у вигляді керованої динамічної системи.

2. Розробка способу формування ситуативного збурення, яке формалізує структуру множини навколишніх суден і визначає специфіку допустимої множини безпечних маневрів розходження.

3. Формування способу розрахунку границь допустимої множини безпечних маневрів розходження з декількома цілями і процедури розрахунку параметрів оптимального маневру.

Об'єктом дослідження є процес розходження суден в умовах виникнення загрози зіткнення, а предметом дослідження є безпечний маневр при розходженні оперуючого судна з декількома цілями.

У роботі застосовані слідуючи методи:

- теорії систем при визначенні складових задач дослідження;

- теорії координації при описі керованого руху суден;

- теорії управління при обґрунтуванні маневрів розходження суден;

- дослідження операцій і побудови моделей при розробці імітаційної моделі;

- кінематики тіл на площині.

Наукова новизна одержаних результатів. Проведені в дисертації наукові дослідження підтвердили прийняту гіпотезу.

Розроблено спосіб безпечного розходження судна, який відрізняється тим, що дозволяє розрахувати параметри маневру розходження з декількома небезпечними цілями, враховуючи заважаючі судна в районі маневрування. При цьому маневр розходження може містити декілька етапів ухилення.

Наукова новизна дисертаційної роботи міститься в наступних результатах:

1. Вперше за допомогою методів теорії координації одержано системний опис керованого руху множини суден.

2. Доповнено спосіб формалізації ситуативного збурення для випадку розходження судна з декількома цілями.

3. Вдосконалено спосіб формування допустимої множини безпечних маневрів розходження з урахуванням декількох небезпечних суден і вибору оптимального маневру.

Практичне значення одержаних результатів. Практична значущість проведеного дисертаційного дослідження визначається тим, що запропонований в роботі метод вибору оптимального маневру розходження з декількома суднами може бути використаний для координованого управління рухом сукупності динамічних об'єктів по досягненню заданої мети.

Практична цінність роботи полягає в можливості використання одержаних в дисертації алгоритмів, програм і імітаційної моделі для упровадження при проектуванні сучасних ЗАРП нового покоління; при розробці експертних систем забезпечення безпечного розходження; на судах для вибору маневрів розходження з декількома цілями; у навчанні і при створенні тренажерів.

Особистий внесок здобувача. Всі теоретичні і експериментальні результати та розробки, одержані в дисертації, виконані здобувачем самостійно без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, одержані в дисертаційній роботі, були викладені і схвалені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ОНМА в період 2001- 2005 років.

Структура роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, додатків немає, повний об'єм роботи 176 стор., містить 27 рис. і 2 табл., список літератури з 87 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Перший розділ дисертації присвячений аналізу літературних джерел по проблемі забезпечення навігаційної безпеки суден шляхом попередження зіткнень суден в різних умовах плавання. В розділі приведене обґрунтування вибору наукових напрямків дисертації.

Аналізуючи множину робіт, присвячених проблемі попередження зіткнень суден, можна виділити декілька незалежних підходів до формалізації процесу розходження в цілому і вибору оптимального безпечного маневру розходження з урахуванням основних істотних факторів. У літературі також знайшли віддзеркалення численні часткові питання даної проблеми.

До одного з основних напрямів досліджень по проблемі забезпечення безпечного розходження суден в умовах небезпечного зближення відносяться роботи академіка Павлова В.В. і його учнів Положенцева М.А., Шепетухи Ю.М., Сеньшина Н.І., Богачука Ю.П. Ними запропонована формалізація процесу розходження суден за допомогою методу нелінійної інтегральної інваріантності, в якому як інваріантні координати вибиралися відстані від судна до зустрічних цілей, а як зовнішнє збурення розглядався вектор швидкостей і курсів зустрічних цілей. Формування допустимої області одноелементних стратегій (ухилень курсом або зміни швидкості) оперуючого судна виконується в припущенні, що всі цілі, які враховуються, вибирають найбільш небезпечні значення курсів і швидкостей щодо оперуючого судна. Проте схема застосування методу нелінійної інтегральної інваріантності, розроблена для одноелементних маневрів, не може бути застосовна для випадку двоелементних маневрів.

Вченими Фрейдзоном І.Р., Кудряшовим В.Е. і Івановим В.А. була запропонована формалізація процесу розходження суден за допомогою методів оптимального управління і диференціальних ігор. На початковому етапі дослідження процес розходження з декількома цілями формалізувався методами теорії оптимального управління з урахуванням МППЗС-72. З часом модель була доповнена описом взаємодії судна з метою методами диференціально- різницевих ігор. Для врахування інерційних властивостей судна при синтезі безпечного маневру розходження була запропонована розробка математичної моделі динаміки судна, яку можна періодично підстроювати в змінних умовах плавання.

Співробітниками Томського університету Піддубним В.В. і Куликовим А. А. було запропоновано рішення задачі синтезу оптимального управління судна при розходження з декількома цілями методами теорії оптимальних дискретних процесів за відсутності динамічних зовнішніх збурень і при незмінних параметрах руху цілей. Особливостями рішення пропонованої задачі є врахування умов району плавання, судноплавної обстановки і динаміки керованого судна за допомогою кінематичної тотожності. У задачі розглядаються три критерії оптимальності, а управління судном пропонується виконувати шляхом зміни кутової швидкості, хоча при розходженні суден МППЗС-72 приписують виконання одиничного упевненого і помітного маневру, а потім рух судна повинен бути з постійними параметрами до тих пір, поки не мине загроза зіткнення. Тому вибір кутової швидкості як управляючої величини судна не є коректним.

Ряд робіт присвячено питанню врахування інерційності судна при виборі маневру розходження, при цьому використовуються різні математичні моделі обертального руху судна і для них одержані аналітичні вирази розрахунку параметрів маневру розходження.

Широко представлені роботи присвячені формуванню множини безпечних маневрів розходження в умовах небезпечного зближення судна з ціллю і вибору з цієї множини оптимального маневру, причому тип критерію оптимальності залежить від їх початкової відносної позиції. Також обговорюються питання визначення областей взаємних обов’язків суден і можливості їх сумісного управління ситуацією розходження, зроблені спроби виразити ступінь небезпеки зближення через гранично-допустиму дистанцію найкоротшого зближення з урахуванням основних істотних факторів, які впливають на її величину.

Аналіз існуючих підходів для вирішення проблеми вибору безпечного маневру розходження показав, що одне із найважливіших для забезпечення безпеки судноводіння питань врахування навігаційних перешкод і заважаючих суден при розходженні в аналізованих роботах розглядаються на декларативному рівні.

Оскільки вирішення питань врахування навколишніх суден при розходженні з небезпечною ціллю мають першорядне значення і вони не знайшли належного освітлення в існуючій літературі, то їх зміст і визначив напрям досліджень по темі дисертації. Таким чином, актуальні питання проблеми вибору безпечного маневру розходження судна з небезпечною ціллю з урахуванням навколишніх суден вибрані, як основний напрямок дисертаційного дослідження.

Другий розділ дисертаційної роботи містить опис методологічного забезпечення дослідження по темі дисертації, обґрунтування вибору тематики дисертаційного дослідження з питань підвищення безпеки судноводіння за рахунок зниження аварійності суден від зіткнень. У другому розділі визначена мета дисертаційного дослідження, поставлена його головна задача і розглянуті методи її рішення. В розділі приведена технологічна карта дослідження, в якій представлена структура методологічного забезпечення дисертації. Головна задача роботи представлена трьома незалежними складовими задачами, по кожній із яких в результаті одержано окремий науковий результат. Наукові результати і результати імітаційного моделювання визначили практичну значущість і наукову цінність дисертації. Узагальнення теоретичних результатів наукового дослідження дозволило сформулювати наукове положення роботи. На закінчення розділу приведено опис методики проведення дисертаційного дослідження, з використанням коректних методів для вирішення кожної із задач.

У третьому розділі в рамках теорії координації виконано аналітичний опис керованого руху множини суден, на базі якого одержана дворівнева ієрархічна модель координуємої взаємодії суден, що небезпечно зближуються. Перший рівень моделі представлений координатором (рис.), який вирішує задачу

За наявності ситуативного збурення, викликаного декількома цілями, які небезпечно зближуються з оперуючим судном, збурення доцільно формалізувати за допомогою вектора збурення , компонентами якого є вектори для збурюваних цілей і - для незбурюваних.

Отже, ситуативне збурення, що виникає за наявності декількох небезпечно рухаючихся по відношенню до оперуючого судна цілей, характеризуватиметься вектором , який має слідуючу структуру:

Існує два окремі випадки розходження оперуючого судна з декількома цілями. У першому випадку початкова позиція дозволяє оперуючому судну розійтися одним ухиленням одночасно зі всіма цілями, а в другому - оперуюче судно послідовно розходиться по черзі з кожною ціллю. Узагальнюючи окремі випадки, можна знайти рішення для загального випадку розходження, коли необхідно виконати декілька ухилень, здійснюючи розходження при кожному ухиленні з декількома суднами одночасно.

У другому випадку, послідовного розходження оперуючого судна з декількома цілями, коли число ухилень рівне числу цілей, кожний етап ухилення маневру розходження загальний для двох суміжних суден і його параметри і вибираються з урахуванням обмежень по безпечному розходженню для обох суден. При цьому система нерівностей, що описує безпечний маневр розходження, приймає наступний вигляд:

У приведеній системі нерівностей міститися n пар нерівностей, - по числу цілей, не рахуючи першого рівняння, яке служить для визначення нижньої границі часу ухилення . З приведеної системи нерівностей, як показано в роботі, знаходять допустимі множини параметрів, .. , що є моментами часу початку і курсами ухилення оперуючого судна при розходженні з кожною із цілей.

У загальному випадку з множини навколишніх суден формуються послідовні групи, причому з кожною групою можливе розходження одним ухиленням. Маневр розходження зі всією множиною суден містить число етапів ухилень рівне числу груп суден.

П'ятий розділ присвячений розробці способу вибору безпечного маневру розходження з двома цілями, що є ситуацією, яка найчастіше зустрічається, а також імітаційному моделюванню процесу розходження судна з двома цілями. В розділі розглянуті дві стандартні ситуації: по-перше, коли обидві цілі є небезпечними і, по-друге, коли є небезпечна ціль і та, що заважає. При цьому враховується, чи зближуються небезпечно між собою самі цілі.

Врахування двох цілей за наявності ситуативного збурення в загальному випадку характеризується вектором збурення , двома компонентами якого можуть бути або вектора (i =1,2 для обох збурюваних цілей), або вектора і (у разі судна, що заважає).

Тому ситуативне збурення, що виникає за наявності двох цілей (одна з яких може бути судном, що заважає), характеризується вектором збурення

Спочатку розглянуто випадок, коли розходження можливе одним ухиленням

від обох цілей, а потім досліджено випадок розходження з використанням двох етапів ухилення. Розглянута умова існування непустої множини безпечних маневрів розходження для ситуації зближення судна с двома цілями.

Для обох випадків складена система нерівностей, одержані алгоритми розрахунку граничних значень множини допустимих маневрів розходження і вибору оптимальних маневрів. Одержані алгоритми були використані для розробки комп'ютерної програми імітаційного моделювання процесу розходження.

При імітаційному моделюванні програвалися по 90 ситуацій небезпечного зближення для обох випадків розходження і розраховувалися оптимальні значення параметрів маневрів розходження для кожної з ситуацій. Потім імітувався процес розходження з фіксацією поточних дистанцій між судном і цілями.

Для програвання маневру розходження початкова дистанція між судном і цілями вибиралася в межах чотирьох – шести миль, а припустимі дистанції найкоротшого зближення задавалася рівними одній милі. Коректність маневрів розходження оцінювалася відносними похибками дистанцій найкоротшого зближення відповідно з першою і другою ціллю, вираженими у відсотках.

Аналіз результатів імітаційного моделювання показав, що при програванні 180 маневрів розходження судна з двома небезпечними цілями максимальна різниця між гранично-допустимою і найкоротшою дистанціями не перевершує 3,3 %, а для більш ніж половини маневрів ця величина є меншою за 0,8 %. Ці результати підтверджують коректність одержаної в дисертації математичної моделі розходження судна з двома цілями.

ВИСНОВКИ

У дисертації одержане теоретичне узагальнення і нове рішення задачі підвищення безпеки судноводіння за рахунок зниження аварійності суден від зіткнень. Це рішення полягає в розробці способу безпечного розходження суден, який дозволяє розрахувати параметри маневру розходження з декількома небезпечними цілями, враховуючи заважаючі судна в районі маневрування. При цьому маневр розходження може містити декілька етапів ухилення.

В результаті проведеного дисертаційного дослідження одержані такі основні наукові результати:

1. Вперше за допомогою методів теорії координації одержано системний опис керованого руху множини суден.

2. Доповнено спосіб формалізації ситуативного збурення для випадку розходження судна з декількома цілями.

3. Вдосконалено спосіб формування допустимої множини безпечних маневрів розходження судна з декількома небезпечними цілями, і вибору оптимального.

Практична значущість дисертаційного дослідження визначається тим, що запропонований в роботі метод вибору оптимального маневру розходження з декількома судами може бути використаний для координаційного управління рухом сукупності динамічних об'єктів по досягненню заданої мети. Його практична цінність визначається можливістю використання одержаних в дисертації алгоритмів, програм і імітаційної моделі для упровадження при проектуванні сучасних ЗАРП нового покоління; при розробці експертних систем забезпечення безпечного розходження; на суднах для вибору маневрів розходження з декількома цілями; у навчанні і при створенні тренажерів.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в статтях:

1. Северин В.В. Постановка задачи расхождения судна с несколькими целями // Судовождение. - № 6. – 2003. – С. 130 - 135.

2. Северин В.В. Выбор маневра расхождения с двумя целями // Автома-

тизация судовых технических средств. - № 9.- 2005. – С. 91 – 95.

3. Цымбал Н.Н., Северин В.В. Описание управляемого движения множества судов // Судовождение. - № 9. – 2005 - С. 82 – 87.

У даній публікації автору належить процедура опису відносного переміщення множини суден за допомогою вихідного процесу, характеристики якого можуть керуватися всіма учасниками руху.

АНОТАЦІЯ

Северін В.В. Вибір оптимального маневру при розходженні з декількома суднами. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.16 – Судноводіння. Одеська національна морська академія, Одеса, 2007 р.

Дисертаційна робота присвячена актуальній проблемі зниження аварійності від зіткнення суден шляхом підвищення ефективності вибираних маневрів розходження. У роботі методами теорії координації виконаний аналітичний опис керованого руху множини суден, на базі якого одержана дворівнева ієрархічна модель координованої взаємодії суден, що небезпечно зближуються. Всі оточуючі судно цілі діляться на дві підмножини: збурюючих і незбурюючих цілей. Причому в першій множині здійснено ранжирування збурюваних цілей по ступеню небезпеки введенням відношення переваги. Запропонована формалізація ситуативного збурення, викликаного декількома цілями, які небезпечно зближуються з оперуючим судном.

У роботі запропонований спосіб розходження, згідно якому з множини навколишніх суден формуються послідовні групи, причому з кожною групою можливе розходження одним ухиленням. Маневр розходження зі всією множиною суден містить число етапів ухилення рівне числу груп суден. Проведене імітаційне моделювання підтвердило коректність пропонованого способу розходження.

Ключові слова: безпека судноводіння, попередження зіткнень, оптимальний маневр розходження, множина суден, імітаційна модель.

АННОТАЦИЯ

Северин В.В. Выбор оптимального маневра при расхождении с несколькими

судами. - Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.16 – Судовождение. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2007 г.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме снижения аварий-ности от столкновения судов путем повышения эффективности выбираемых маневров расхождения.

Как следует из работ, посвященных проблеме предупреждения столкновений судов, существует несколько независимых направлений формализации процесса расхождения судов и выбора оптимального безопасного маневра расхождения с учетом основных существенных факторов, анализ которых показал, что важнейшие для обеспечения безопасности судовождения вопросы учета навигационных опасностей и мешающих судов при расхождении в анализируе-мых работах учитываются на декларативном уровне, так как предлагаемые подходы к выбору безопасного маневра с учетом указанных существенных факторов носят самый общий характер. Так как решение вопросов учета окружающих судов при расхождении с опасной целью имеют первостепенное значение и они не нашли должного освещения в существующей литературе, то их содержание и определило направление исследований по теме диссертации.

В работе методами теории координации произведено аналитическое описание управляемого движения множества судов, на базе которого получена двухуров-невая иерархическая модель координируемого взаимодействия опасно сближа-ющихся судов. Первый уровень модели представлен координатором, решаю-щим задачу координации взаимодействия судов при опасном сближении, а вто-рой уровень составляют сами суда, которые управляют процессом совместного движения. Данная модель позволила произвести разработку способа формиро-вания множества безопасных маневров расхождения при опасном сближении судна с несколькими целями и выбора из него оптимального.

Все окружающие судно цели делятся на два подмножества: возмущающих и невозмущающих целей. Причем в первом множестве производится ранжирова-ние возмущаемых целей по степени опасности вводом отношения предпочте-ния. Предложена формализация ситуационного возмущения, вызванного нес-колькими целями, которые опасно сближаются с оперирующим судном. При расхождении оперирующего судна с несколькими целями и наличии мешающих судов в районе вынужденного маневрирования в общем случае маневр расхож-дения может состоять из нескольких подмножеств, причем элемент каждого из подмножеств характеризуется несколькими участками уклонения и одним уча-стком выхода на заданную траекторию.

В работе предложен способ расхождения, согласно которому из множества окружающих судов формируются последовательные группы, причем с каждой группой возможно расхождение одним уклонением. Маневр расхождения со всем множеством судов содержит число участков уклонений равное числу групп судов.

Рассмотрены практические вопросы выбора безопасного маневра расхожде-ния судна с двумя целями, что является наиболее часто встречающейся ситуа-цией. Было произведено имитационное моделирование процесса расхождения судна с двумя целями, которое показало, что при проигрывании 180 маневров расхождения судна с двумя опасными целями максимальная разность между предельно-допустимой и кратчайшей дистанциями не превосходит 3,3 %, а для более половины маневров эта величина меньше 0,8 %. Эти результаты подтвер-ждают корректность полученной в диссертации математической модели расхо-ждения судна с двумя целями.

Ключевые слова: безопасность судовождения, предупреждение столкновений, оптимальный маневр расхождения, множество судов, имитационная модель.

THE SUMMARY

Severin V.V. Choice of optimum maneuver at divergence with a few vessels. The dissertation is the manuscript. Speciality 05.22.16 - Navigation. The work is submitted for being defended in the Odessa national maritime academy, Odessa, 2007.

Dissertation work is devoted to the issue of the day of decline of accident rate from the collision of vessels by the increase of efficiency of selectable maneuvers of divergence. Analytical description of the guided motion of great number of vessels is produced in work by the methods of theory of co-ordination, which the two-tier hierarchical model of the co-ordinated co-operation of the dangerously drawn together vessels is got on the base of. All targets surrounding a ship divide by two parts: revolting and unrevolting targets. Thus in the first great number, ranging of the revolted targets on the degree of danger is produced by the input of relation of preference. Formalization of the situation indignation, caused by a few targets which are dangerously drawn together with an operating ship, is offered.

The method of divergence is offered in work, which from the great number of surrounding targets successive groups are formed in obedience to, thus with every group divergence by one deviation is possible. The maneuver of divergence with everything in a number of vessels contains the number of areas of deviations equal to the number of groups of vessels. The imitation design confirming correctness of the offered method of divergence is conducted.

Keywords: safety of navigator, warning of collisions, optimum manoeuvre of divergence, great number of vessels, simulation model.