На правах рукописи
Росторгуева Наталья Юрьевна
РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ШВАРТОВКИ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ЛАЗЕРНОГО КОНТРОЛЯ
(на примере нефтегавани «Шесхарис» порта Новороссийск)
Специальность:
05.22.19 Эксплуатация водного транспорта, судовождение
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Новороссийск 2010
Работа выполнена в ФГОУ ВПО "МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова"
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Демьянов В.В.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Савельев В.Г.
кандидат технических наук, доцент Студеникин А.И.
Ведущая организация: ФГУ «Администрация морского порта Новороссийск»
Защита состоится «26» мая 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 223.007.01 при ФГОУ ВПО "МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова" в аудитории Б-1 по адресу: 353918. г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова" (г. Новороссийск, пр. Ленина, 93).
Автореферат разослан «19» апреля 2010 года.
Отзывы на автореферат присылать в двух экземплярах, заверенных печатью организации, и адресовать учёному секретарю диссертационного совета Учёный секретарь диссертационного совета Д 223.007. доктор технических наук, доцент Хекерт Е.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Процесс швартовных операций судов – один из самых опасных процессов в их плавании. В последние десятилетия прогресс в безопасности швартовки судов достигался дополнением традиционных способов подготовки высококвалифицированных морских специалистов швартовных операций новыми техническими средствами, например, лазерными системами контроля швартовки крупнотоннажных судов. На причалах нефтетерминала «Шесхарис» уже накоплен определённый опыт работы таких систем. Статистика свидетельствует, что использование лазерной системы швартовки не исключает полностью опасных ситуаций. Анализ причин этого показывает, что основной резерв совершенствования данной технологии связан с дальнейшим углублением интеллектуально-информационного взаимодействия операторов швартовных операций с предупреждающими средствами лазерной системы. Необходимость повышения безопасности определяется все большим увеличением сложности современных танкеров. Эта актуальная проблема на современном этапе решается внедрением таких технических систем, которые вырабатывают рекомендации в ситуациях с нечетко выраженными параметрами, предоставляя их судоводителю. Перспективы применения таких систем открывают на морском транспорте, где в структуре мер обеспечения безопасности человеческий элемент играет существенную роль, новые информационные возможности для совершенствования процессов судовождения.
Объект исследования лазерная система контроля швартовки.
Предмет исследования – расширение информационных возможностей лазерной системы контроля швартовки.
Цель исследования – формирование рекомендаций судоводителю (лоцману) интеллектуальной поддержки его решений при швартовке танкеров с помощью индикатора.
Для достижения поставленной цели:
– изучены характерные циклы замедления-ускорения оконечностей танкера относительно причала при швартовке;
– обработаны тысячи данных пространственно-скоростных параметров швартовки танкеров нефтегавани «Шесхарис», формируемых специализированной программой «DOCKMASTER»;
– разработана математическая модель прогноза завершения циклов регулирования скорости сближения судна с причалом;
– предложена методика формирования базы значений времён циклов регулирования скорости сближения судна с причалом, используемая при оценке безопасности принимаемых при швартовке решений;
– разработана методика определения резервного времени и прогнозной дистанции при швартовке;
– предложена система, расширяющая поддержку судоводителя в принятии решения в ситуациях с нечетко выраженными параметрами.
Научная новизна защищаемых соискателем положений характеризуется следующими результатами:
– разработан алгоритм формирования базы значений времён циклов регулирования скорости сближения танкера с причалом;
– разработана математическая модель прогноза завершения циклов регулирования скорости сближения судна с причалом;
– разработана методика определения резервного времени и прогнозной дистанции при швартовке;
– предложена система, расширяющая поддержку судоводителя в принятии решения в ситуациях с нечетко выраженными параметрами.
Научная достоверность и обоснованность результатов. Научная достоверность и обоснованность результатов, защищаемых в настоящей работе, состоит в том, что все теоретические исследования и практические реализации основаны на использовании известных методических принципов современной науки (теорем, законов, методов): системного анализа, теории вероятностей, теории графов, теории математической статистики, численных методов, методов инженерной психологии.
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что на основе прогнозов математической модели, учитывающей среднестатистический опыт действия возникающих возмущений при сближении судна с причалом, расширен спектр оценок реализуемости или не реализуемости принимаемых судоводителем маневренных решений. Эти оценки выводятся на мониторы руководителей швартовки и рекомендованы к внедрению в практику ФГУ «АДМИНИСТРАЦИЯ МОРСКОГО ПОРТА НОВОРОССИЙСК»; они используются так же в учебном процессе, дипломном проектировании и аспирантской работе в ФГОУ ВПО «Морская Государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» на кафедре «Автоматика и вычислительная техника» в дисциплине «Автоматизация судовождения», «Информационные технологии на транспорте», «Информационные системы на транспорте».
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях и семинарах в ФГОУ ВПО «Морская Государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» в 2003-2009 гг., на международной научной конференции в г. Ростов-на- Дону в 2006 г., а так же в 12-и публикациях по теме диссертации.
Объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержит 151 страницу, включая 51 рисунок, таблиц. Список литературы включает 104 наименования библиографических источников.
Публикации. Представленная совокупность научных результатов и технических решений опубликована автором в 12 работах Сборника научных трудов НГМА (г. Новороссийск) и Материалах XIV Международной научной конференции, проходившей в Ростове-на-Дону; две работы опубликованы в центральном журнале «Известия вузов», серия "Технические науки" (список ВАК).
На защиту выносятся:
1. Математическая модель прогноза завершения циклов регулирования скорости сближения судна с причалом.
2. Методики:
– формирования статистической базы оценок, складывающихся времён циклов регулирования скорости безопасного или опасного сближения судна с причалом;
– определения текущих резервного времени и прогнозной дистанции при швартовке, как мер безопасного или опасного сближения носа или кормы танкера с причалом.
3. Система, расширяющая поддержку судоводителя в принятии того или иного решения в ситуациях с неявно выраженными параметрами возмущения среднестатистического тренда сближения судна с причалом.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе процесс швартовных операций условно разделён на этапы: 1) подход судна на требуемое расстояние к причалу с разворотом в нужном направлении; 2) подвод судна с помощью буксиров в определенное положение по отношению к причалу и удержание в этом положении на время подачи швартовов; 3) подтягивание судна к причалу с помощью специальных устройств [1]. Каждый из этих этапов процесса швартовки имеет свои особенности.
Показано, что основной особенностью второго этапа швартовки является сближение танкера с причалом. При швартовке часто неизбежен контакт судна с причалом с ненулевой скоростью, который принято именовать навалом. Классифицируют навалы как преднамеренные, так и случайные, возникающие при контакте судна с причалом, иным неподвижным объектом, или с другим судном, находящимся на ходу или стоянке [1]. Поскольку размеры судна фиксированы, единственным путем избежать навала судна на причал является тщательное соизмерение скорости сближения судна и расстояния до причала. Постановка судна к причалу, как правило, проводится с помощью буксиров [1, 2]. С начала этапа сближения они разворачивают судно нужным бортом параллельно к причалу. В задачу буксиров входит подводка судна вплотную к причалу и удерживание его в этом положении до тех пор, пока не будут заведены и обтянуты швартовы. Постановка судна к причалу является опасной технологической операцией, требующей квалифицированных и своевременных действий судоводителя, управляющего с помощью технических средств судовождения и буксиров сближением танкера с причалом [1, 2]. Обзор работ в области рассматриваемой проблемы показал, что недостаточно точности визуального определения параметров швартовки судов с мостика в силу стеснённости многих акваторий портов и крупногабаритности судов [3]. Для решения этого вопроса в 2002 г. в Новороссийском порту на причалы нефтерайона «Шесхарис» была внедрена в эксплуатацию система лазерной швартовки крупнотоннажных судов (ЛСШКС), существенно повысившая точность измерения расстояний от борта швартуемого судна до причала [3].
В диссертационной работе проведён анализ особенностей лазерной дальнометрии, который показал, что эксплуатация дальномеров на причалах № 1, № 2, № 6, №7 нефтетерминала «Шесхарис» выявила их надёжность, удобство в эксплуатации, минимум технического обслуживания. Однако эта система не решила всех проблем нарушения правил, установленных администрацией порта при швартовке танкеров. Поэтому возникла необходимость глубже рассмотреть возможности информационного обеспечения процесса швартовки. Их анализ показал, что не весь информационный потенциал этой системы используется судоводителями для обеспечения безопасности швартовки танкеров. Оказалось, что формируемые программным обеспечением лазерной системы базы пространственно-скоростных параметров швартовки позволяют расширить информационное обеспечение процесса швартовки.
Таким образом, предлагаемое в диссертационной работе расширение возможностей системы лазерного контроля вырабатывает новое информационное обеспечение процесса швартовки танкеров, ограждая судоводителя от принятия тех решений по сближению судна с причалом, которые приводили, по статистической базе этой системы, к критическим ситуациям, навалам и т.д.
Во второй главе разработана вероятностная модель прогноза завершения циклов регулирования скорости в условиях дестабилизирующих возмущений. Рассмотрена модель, в которой судно сближается с причалом со скоростью V. Анализ информационной базы данных записей швартовных операций с применением лазерных дальномеров, установленных на причалах нефтетерминала Шесхарис, фиксирующих скорость и дистанцию судна до причала, показал, что практически при каждой швартовке судно движется к причалу с непостоянной скоростью. Это относится и к носу, и к корме судна.
Судоводителю же необходимо выдерживать параллельность судна к причалу, что достигается действиями буксиров, прилагающих по его командам силовое воздействие на нос и корму швартуемого судна. Поэтому изменения скорости будем считать возмущением или отклонением от нормы, а действие судоводителя по их компенсации – регулированием этого параметра. Основные временные компоненты, входящие в процедуру регулирования скорости показаны на рисунке 2.
Vвозм max Рис.2. Временные соотношения при сближении судна с причалом В соответствии с обозначениями на рис. 2 сигнал о дестабилизирующем возмущении появится на соответствующих индикаторах с некоторым опозданием t 0, обусловленным инерционностью технической системы; к этому времени скорость судна уже увеличится до значения V возм0. Для восприятия и переработки полученной информации судоводителю требуется время t1 ; за этот интервал времени скорость увеличится до значения V возм1. В интервале времени t 2 происходит устранение возникшего отклонения с помощью буксиров или иных средств, компенсирующих возмущение, причем устранение происходит не сразу, поэтому в течение времени t21 скорость ещё увеличивается до значения V возм max, а затем в интервале времени t22 отклонение полностью устраняется. Известно, что технические элементы системы по своему быстродействию, как правило, превосходят человека.
Время фиксации приборами возмущения составляет, как правило, доли секунды.
Для восприятия и обработки информации человеку требуется значительно больше времени – секунды, а, порой и минуты; на устранение же возникшего возмущения, например для танкера, требуется уже время порядка единиц и даже десятков минут [4]. Поэтому время цикла регулирования обусловлено, главным образом, временем деятельности судоводителя по компенсации возникшего возмущения, т.е. t >>(t0 + t1).
Период полного прохождения сигнала по звеньям системы управления, то есть время прохождения осведомительной информации о положении объекта (судна) к оператору и от него через регулятор к объекту управления, называется временем цикла регулирования Т цр = t 0 + t1 + t 2 [4].
Принимая во внимание жёсткие и переменчивые морские условия эксплуатации технических средств контроля швартовки и, как следует из теории вероятности, времена t 0, t1, t2 являются случайными величинами. Поэтому время цикла регулирования является также случайной величиной что предполагает его исследование вероятностными методами.
В каждый фиксируемый i-й момент времени лазерной системой определяются текущие (см. рис.2) дистанция D i и скорость V i сближения судна с причалом.
По этим данным вычисляется i-ое время до касания танкера причала:
При Тцр Tоп сближение судна безопасно, т.к. судоводитель при этом условии успеет завершить цикл регулирования до момента касания танкера причала, а при Тцр >Tоп не удается скомпенсировать дестабилизирующее возмущение, поскольку судоводителю не хватит времени для осуществления цикла регулирования при возмущающем отклонении, и происходит неизбежное столкновение судна с причалом со скоростью, превышающей допустимое значение, установленной администрацией порта. Итак, анализируемая система выполняет свои функции только при условии: Tоп Тцр. Если это неравенство соблюдается, то оператор, управляя системой, располагает избыточным, или, другими словами, резервным временем t рез :
Принято считать, что резервным временем системы, находящейся под воздействием возмущения, является избыток времени (над минимально необходимым Тцр), которым располагает оператор для предотвращения отклонений ее параметров за допустимые пределы и приведения их в заданное состояние [4].
В процессе швартовки уменьшается время сближения судна с причалом и, как следствие, резервное время, определяемое длительностью цикла регулирования и рассчитываемое по формуле:
С учетом введенных выше определений в работе рассмотрена такая модель системы швартовки, в которой оператор, получив, информацию о возмущении отреагировал на неё не сразу, (например, посчитав не существенной, либо затратил достаточно много времени на выбор решения), т.е. какое-то время наблюдал за процессом, но не принимал активных действий. Эта ситуация и проанализирована на математической модели (рис.2). Для решения задачи анализа возникновения отклонений параметров швартовки танкера рассмотрена статистика выборок результатов швартовки, осуществленных с помощью лазерных дальномеров и рассчитана интенсивность возмущений, отклоняющих судно относительно заданного плана его перемещения.
Вероятность того, что за время t в системе возникнет возмущение, рассчитывается по формуле [4].:
Каждому возмущению, возникающему в системе, соответствует определенное резервное время Топ Tцр. Тогда вероятность того, что за время t с момента начала сближения судна успеет возникнуть возмущение и истечь резервное время, будет:
Поскольку возмущения определяются большим количеством независимых факторов, то они, как будет показано далее, распределены по нормальному закону.
Для проверки этой гипотезы статистическая выборка была подвергнута исследованию с помощью критерия согласия. В диссертационной работе для подтверждения закона распределения был использован критерий Пирсона. Время цикла регулирования так же, как и рассмотренные выше параметры, является случайной величиной. В таком случае вероятность появления i-го значения времени цикла регулирования можно рассчитать по формуле:
где Тцр ср – среднее значение времени цикла регулирования, цр– среднее квадратическое отклонение случайной величины, рассчитанные по статистическим данным исследуемых процессов швартовок.
Случайные события появления возмущения за время t и появления i -го значения времени цикла регулирования независимы, поэтому вероятность того, что i – й цикл регулирования в системе будет завершен во временном промежутке t, определяется произведением рассмотренных выше вероятностей:
Вероятность же завершения циклов регулирования всей системы управления швартовкой P(t,D), определяется суммой парциальных вероятностей:
где k — количество вариант случайных возмущений.
Ситуация, в которой у оператора не хватит времени для устранения, какого-либо из возмущений и циклы регулирования не завершится до момента первого касания фендерной линии, расценивается как отказ системы, т.е.
невыполнение поставленной задачи швартовки, ведущей к возможному превышению скорости танкера, и рассчитывается по формуле:
Для количественной оценки времени цикла регулирования проведен анализ экспериментальных данных, полученных на нефтегавани «Шесхарис»
в процессе наблюдения за сближением танкеров с причалом и хронометража радиообмена информацией между судоводителем, береговыми службами и буксирами. В результате анализа методами сетевого планирования рассчитано среднее время цикла регулирования, которое составляет Тцр = 149 секунд.
В третьей главе на основе документированной информации параметров сближения судна с причалом проведен анализ процесса швартовки. Исследована накопленная база данных швартовки судов за период с 2003 года по настоящее время к причалу №1 нефтегавани «Шесхарис». Причал №1 выбран не случайно: к нему швартуются самые крупные суда и, следовательно, последствия от удара танкера о причал, превысившего установленные администрацией порта нормативы, могут повлечь за собой серьёзные технические убытки. Следует отметить, что информационные потоки от лазерных дальномеров, установленных на причалах, а также от гидрометеостанции нефтерайона «Шесхарис» обрабатываются специализированной программой «DOCKMASTER». Ниже представлен типовой фрагмент электронной таблицы хронологии сближения крупнотоннажного судна «Lucky Sailor», производившего швартовку 04.02.2003 г. к причалу №1, записанной и подготовленной к распечатке этой программой (см. табл.). В диссертационной работе исследованы сотни тысяч подобных пространственно-скоростных параметров.
Фрагмент хронологии параметров сближения судна с причалом, формируемых программой В первой колонке таблицы (Time) содержится информация о времени (с начала суток); момент начала формирования данных определяется попаданием носа и кормы судна в зону действия соответствующих лазерных дальномеров.
Необходимый дискрет времени (от 1 до 15 секунд) определяется специалистами нефтерайона, вносится в программу и в дальнейшем отслеживается автоматически.
Поскольку на каждом причале расположены по два автономно работающих лазерных дальномера, то записи для кормы (Aft) и носа (Fore) швартуемого судна в электронной таблице ведутся отдельно.
В колонке (Status) отображается информация о реальном поведении судна в текущий момент времени. Так, запись (Tracking) обозначает безопасное сближение судна. Если сближение с причалом происходит достаточно быстро, то в электронной таблице появляется запись о предупреждении об опасности – (Warning); если же судно имеет параметры сближения, превышающие допустимые по нормативным документам, то в этот момент времени появляется запись об опасности – (Alarm). В соответствии с нормативным документом «Сборник обязательных распоряжений по морскому торговому порту Новороссийск (с приписным портопунктом Анапа) и морскому торговому порту Геленджик» « … скорость сближения судна с причалом не должна превышать … 0,08 м/сек при водоизмещении судов … до 200 тыс. тонн» [5].
В силу высокой значимости этой информации, ячейки данных, соответствующие категории (Warning) выделены желтым цветом, а категории (Alarm) – красным. В колонках (Speed) и (Distance) содержатся значения скорости сближения (в см/сек) и дистанции до причала (в метрах) в каждый фиксируемый момент времени, начиная с попадания лазерного луча дальномера в область носа или кормы швартуемого судна и до окончания процесса швартовки.
«