Введение к работе
Актуальность темы. Развитие технических средств и автоматизированных методов судовождения является одной из важнейших теоретических и технических проблем обеспечения безопасности мореплавания. Международные требования, SOLAS-74 (глава V, правило 34), STCW-78 (A-VIII/2, часть 2), Резолюция IMO А-893(21), предписывают обязательное предварительное планирование рейса судна. Для реализации этих требований необходима разработка и совершенствование математических методов программирования траекторий и режимов движения судна, т.е. программирование маневров и движений судна для действующих навигационных условий плавания: ветров, волнения, течений, мелководья, опасностей, плотности и упорядоченности судопотока и т.д. Эти методы должны учитывать характер и тип решаемых судном задач, условия эксплуатации, маневренные качества судна как объекта управления, навигационные опасности, правила плавания и т.д. Программы движений судна должны быть совместимы с кинематическими параметрами движения судна и ресурсами системы управления, определяемыми управляемостью, поворотливостью и инерционно-тормозными характеристиками при заданной загрузке и посадке судна, мощности средств управления, а также учитывать состояние окружающей внешней среды.
В настоящее время процессы судовождения в открытом море являются уже достаточно автоматизированными. Однако прибрежное плавание и маневрирование в портовых водах основываются, главным образом, на практическом опыте судоводителя, реализующего управление командами на выполнение управляющих воздействий. При этом вероятность ошибки управления существенно возрастает, если условия, в которых выполняется управление, не соответствуют практическому опыту судоводителя.
Таким образом, большое влияние на безопасность судовождения, особенно в сложных навигационных условиях, оказывает человеческий фактор, который,
как известно из различных источников, является причиной около 83% аварийных случаев в мировой практике судовождения.
Часто решения о выборе того или иного управляющего воздействия принимаются в условиях дефицита времени, постоянно меняющейся навигационной обстановки и скоротечности сложных маневров, при этом часто у судоводителя практически не остается возможности для коррекции управления, что не оставляет ему права на ошибку при принятии очередного решения. Поэтому возникает необходимость разработки и исследования методов программирования целенаправленного движения судна в сложных навигационных условиях.
Степень разработанности проблемы программирования движения характеризуется, с одной, стороны наличием теоретических исследований программного управления движением тел, а с другой - сложностью внедрения и применения некоторых методов на практике для заданных условий эксплуатации, обстановки, типа объекта управления и т.д.
Теоретические аспекты программирования движения тел и исследования систем управления движением рассматривались в научных трудах В.И.Васильева, С.В.Емельянова, Г.В.Коренева, Н.Н.Красовского, А.В.Небылова, А. А. Первозванского, В.В.Солодовникова, Я.З.Цыпкина, A. Bensoussan, С.А. Desoer, Е. Hendricks, J. Levine, К. Najim, А.С. Smith и др.
Вопросы автоматизации процессов судовождения, управления судном и некоторые приложения методов программирования движения судна рассматривались в научных работах А.С.Васькова, С.П.Дмитриева, А.А.Мироненко, А.Е.Пелевина, В.Г.Пешехонова, А.И.Родионова, А.Е.Сазонова, К. Nomoto, R. Smierzchalski, Т. Tanaka, G. Xuan, R. Zhang, M. Zong и др.
Вместе с тем остаются недостаточно разработанные вопросы непосредственно программирования целенаправленных движений судна с учетом особенностей конкретизируемого типа объекта управления и ограничений, накладываемых навигационной обстановкой, маневренными характеристиками, состоянием внешней среды, правилами плавания и т.д. Это в
свою очередь определяет постановку цели и задач диссертационного исследования.
Целью диссертации является разработка и исследование методов формирования и программирования целенаправленных движений судна.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
Принципы программирования целенаправленного движения судна на основе взаимной геометрической ориентировки объектов элементами типа «точка - точка», «точка - линия», «линия - точка», «линия - линия»;
Методика формирования программ целенаправленного движения судна на основе метода «аркана», уравнений кривых второго порядка и кусочно-линейных элементов;
Методика построения программ маневрирования судна для расхождения с объектами и опасностями на основе метода зон навигационной безопасности;
Алгоритмы обеспечения программного движения судна.
Объектом исследования является программирование целенаправленных движений судна, как совокупность методов и средств навигации и судовождения.
Область исследования - разработка методов и алгоритмов формирования программ движения судна для обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства.
Методы исследования. Основой теоретических и прикладных исследований диссертации являются результаты и достижения автоматизации процессов навигации и управления судном, методы механики управляемого движения и оптимизации, визуального программирования, методы математического и компьютерного моделирования.
Эмпирической базой обеспечения достоверности теоретических положений и практических выводов являются экспериментальные маневренные качества судов и компьютерное моделирование процессов программирования целенаправленного движения и алгоритмов обеспечения программного движения судна.
Научная новизна исследований, выдвигаемых на защиту:
Методика построения полных программ целенаправленного движения судна отличается обеспечением принципами кинематической и динамической совместимости траекторий и режимов движения судна для решения навигационных задач на основе взаимной геометрической ориентировки объектов;
Алгоритмы конструирования целенаправленного движения и обеспечения программного движения судна отличаются принципами дополнения целей и адаптации к окружающей обстановке;
Технология программирования всех кинематических характеристик управляемого судна обеспечивает безопасность маневрирования в зависимости от текущей обстановки, классифицируемой навигационными зонами.
Теоретическая значимость полученных результатов заключается в создании современных научных технологий формирования целенаправленного движения и управления судном по заданной полной программе в различных условиях плавания.
Практическая ценность результатов заключается в доведении исследований до уровня алгоритмической реализации, на основе которых могут создаваться опции программирования целенаправленного движения и управления судном в различных условиях плавания для тренажеров, судовых автоматизированных навигационных комплексов и береговых СУД С.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обобщением существующих информационных источников; использованием методов апробированного математического аппарата и механики управляемого объекта; практической проверкой выдвигаемых основных положений компьютерным моделированием и сравнением расчетных величин с натурными и тренажерными данными.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации относятся к Федеральной целевой программе "Развитие гражданской морской техники" на 2009 - 2016 годы, являются частью НИР кафедры Судовождения МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова "Алгоритмизация и оптимизация процессов навигации и
управления судном на основе перспективных технологий" (№ГР01201000122; Инв.№ 02201001413), программы для ЭВМ «Модель программного движения судна (Ship manoeuvre)», внедрены при совершенствовании Правил маневрирования судов в порту Новороссийск и в программы тренажерного обучения МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации
докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-практических
конференциях МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (Новороссийск, 2009 - 2011),
на XVIII Международной конференции «Математика. Экономика.
Образование». VI международный симпозиум «Ряды Фурье и их приложения».
Междисциплинарный семинар «Информационно-коммуникационные
технологии» (Новороссийск, 2010), на IX Региональной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России» (Новороссийск, 2010).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных статьях, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации 142 страницы включает содержание 2 страницы, введение 6 страниц, четыре раздела 122 страницы, 73 иллюстрации и 3 таблицы, заключение 2 страницы, список литературы из 108 наименований 9 страниц.
