Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 52
Министерство аграрной политики Украины
Государственный комитет рыбного хозяйства Украины
Керченский государственный морской технологический университет
Кафедра «Судовождение»
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ СУДОВОЖДЕНИЯ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
для студентов направления 6.070401
«Морской и речной транспорт»
специальности «Судовождение»
Керчь, 2009
УДК 629.5.05:681.5
Автор: Величко Н.И., ст. преподаватель кафедры «Судовождение» КГМТУ.
Рецензент: Жуплий В.И., ст.преподаватель кафедры «Судовождение» КГМТУ
Конспект лекций рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Судовождение» КГМТУ,
протокол № 1 от 08.09.2009 г.
Конспект лекций рассмотрен и рекомендован к утверждению на заседании методической комиссии МФ КГМТУ,
протокол № 1 от_02.10.2009 г.
Конспект лекций утвержден на заседании Методического совета КГМТУ,
протокол № 1_от_15.10.2009 г.
Керченский государственный морской технологический университет
СОДЕРЖАНИЕ
|
РАЗДЕЛ 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ |
4 |
|
ТЕМА 1 ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ. ТРЕБОВАНИЯ ИМО К АКС |
4 |
|
ТЕМА 2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АКС |
10 |
|
ТЕМА 3 СТРУКТУРЫ АКС. ВИДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА. |
13 |
|
РАЗДЕЛ 2 СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ АКС |
18 |
|
ТЕМА 1 ЭКС. НАЗНАЧЕНИЕ. СТРУКТУРА. АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ. |
18 |
|
ТЕМА 2 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ПРОКЛАДКИ |
24 |
|
ТЕМА 3 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА |
32 |
|
РАЗДЕЛ 3. Интегрированные системы ходового мостика. Требования к интегрированным системам ходового мостика. |
37 |
|
ТЕМА 3 СИСТЕМА ОЦЕНКИ И ОПТИМИЗАЦИИ МОРЕХОДНОСТИ |
37 |
|
Литература |
53 |
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ТЕМА 1 ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ .ТРЕБОВАНИЯ ИМО К АКС
Основные определения. Под системой в общем случае понимается совокупность частей, совместно выполняющих определенную задачу, и обладающую свойствами, которых нет у частей системы в отдельности. Главное, что определяет систему - это взаимосвязь и взаимодействие частей (компонентов, элементов множества) в рамках целого, а также наличие характерных свойств, присущих только системе и отсутствующих у отдельных её компонентов.
Множество внешних элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздействием в условиях рассматриваемой задачи, называют внешней средой либо окружением системы.
Автоматической называется система, в которой процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, вещества или информации выполняются без непосредственного участия человека.
Автоматизация систем может рассматриваться как задача алгоритмизации и программирования. Алгоритм представляет собой логическую схему решения задачи системы. Запись алгоритма на том или ином формализованном языке называется программой. Запрограммировав некоторые процессы, можно поручить их выполнение роботу, автомату или программной системе с целью улучшения надёжности выполнения этого процесса или повышения его эффективности.
Автоматизированными именуют системы, в которых одни функции выполняют технические средства, а другие возложены на человека.
Обеспечение эффективности систем. Важным требованием ко всем системам является обеспечение их эффективности. Под эффективностью (качеством) системы понимается соответствие функционирования системы ее целям. Задача обеспечения продолжительного эффективного функционирования систем имеет три основные составляющие: надежность, целостность, удобство эксплуатации и обслуживания. Ее решение предполагает, в первую очередь, борьбу с нарушениями в работе системы: ошибками и неисправностями, порождаемыми отказами, сбоями и другими причинами.
снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем
и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции,
уменьшения уровня помех,
использования облегченных режимов работы схем,
обеспечения благоприятных тепловых режимов работы,
совершенствования аппаратуры системы и методов ее сборки.
Числовым показателем надежности является среднее время наработки на отказ.
. Целостность обычно рассматривают ,как готовность системы в полном объеме качественно выполнять свои функции в любой момент времени.
Повышение готовности предполагает своевременное обнаружение нарушений в ее работе, подавление, в определенных пределах, влияния ошибок, отказов и сбоев на функционирование системы. Это осуществляется с помощью средств контроля, диагностики, коррекции ошибок, устройств зашиты, а также средств автоматического восстановления работоспособности после проявления неисправности, включая аппаратурную и программную избыточность, на основе которой реализуются различные варианты отказоустойчивых архитектур. Повышение готовности - способ сокращения времени простоя системы.
Количественно целостность оценивается показателем, называемым коэффициент готовности. Этот коэффициент определяет вероятность пребывания системы в работоспособном состоянии в любой момент времени, Статистически коэффициент готовности системы определяется как среднее время восстановления, иначе говоря, среднее время между моментом неисправности и моментом возврата системы к полноценному функционированию Понятие сложной системы. Среди систем различных видов выделяют сложные системы. Сложная система характеризуется большим числом элементов и, что наиболее "Важно, большим числом взаимосвязей между элементами. Специфика такой системы определяется разнообразностью взаимосвязей, множеством частных целей .
Системы управления.
Понятие системы управления. Система, в которой осуществляется управление тем или другим объектом либо процессом, называется системой
Под управлением обычно понимается процесс, когда один объект" обеспечивает требуемое поведение другого объекта с помощью целенаправленных воздействий (команд).
Объект, вырабатывающий целенаправленные воздействия, называется управляющей или командной системой (КС). В технических системах этот объект именуют устройством управления.
Объект, которым управляют, называется объектом управления (ОУ). Для него также используют термины - управляемый объект, управляемая система, управляемый процесс.
Обобщенно система управления представляется совокупностью командной системы и объекта управления, взаимодействующих при решении задачи управления.
Этапы принятия решений при управлении. В теории управления принятия решений рассматривается как циклический процесс, каждый цикл которого включает реализацию следующих функций:
1. получение информации о состоянии среды, прогноз и оценка
удовлетворительности состояния системы;
определение допустимых путей достижения системой поставленной цели;
выбор из множества допустимых решений наилучшего.
реализация принятого решения.
Виды структур CУ. Различают командную, функциональную и формальную структуры систем управления.
Представление СУ компонентами, выступающими в роли управляющих или управляемых подразделений, называется ее командной организацией или командной структурой.
Под функциональной структурой или функциональной организацией системы управления понимается схема функциональных устройств СУ и связей между ними.
Схема, отражающая формальный характер преобразования входных сигналов СУ в выходные, носит название формальной (описательной, математической) структуры системы управления.
. Информационные системы.
Информационная система - это автоматизированная система, предназначенная для хранения, и обработки информации.
Обобщенно, понятие информация может быть "истолковано; - как некоторая совокупность сведений, определяющих меру наших знаний о тех или иных процессах, событиях, явлениях, фактах и их взаимосвязи.
Применяются и более узкие определения, основанные на привязке понятий к области их использования. Информацией в этом случае считаются данные, оказывающие влияние на рассматриваемую задачу и используемые при ее выполнении.
Применительно к системам управления, информация представляет собой сведения, характеризующие систему управления, ее внешнюю среду, и используемые в процессе принятия решений или в связи с осуществлением тех или иных действий с системой.
Современные информационные системы базируются на микропроцессорной технике. Основными средствами обработки информации в них являются компьютеры. Поэтому информационные системы часто называют компьютерными системами.
Аппаратное обеспечение - это набор электронных, электрических и механических устройств, входящих в состав информационной системы. Оно включает измерительные устройства и другие источники информации, процессоры, блоки памяти, устройства отображения и регистрации информации, средства сигнализации и т.д.
Под информационным источником понимается объект, в котором возникает информация. Им могут быть различные технические устройства -датчики или преобразователи.
Программное обеспечение представляет собой совокупность программ, обеспечивающих работу системы и выполнение ее функций, а также создание новых программ.
Программное обеспечение информационной системы состоит из четырех основных частей:
операционной системы, управляющей работой всего оборудования;
программ платформы, преобразующей интерфейсы операционной системы в
нужную форму и предоставляющей необходимые виды информационных услуг;
■ прикладных программ, выполняющих задачи, ради которых создана
информационная система;
программ области взаимодействия, предоставляющей услуги связи прикладных программ, расположенных как в одной, так и в группе информационных систем. Задачи информационных систем.
Все средства информационных систем направленых на обеспечение решения ее главных - информационных задач:
сборка-регистрации, упорядочивания, защиты, обработки и представления
информации,
- быстрой выдачи необходимых справок,
выполнения заданий оператора,
контроля и устранения ошибок в информации, находящейся в памяти,
обновления хранящейся, информации с целью приведения ее на уровень
современности.
Поэтому методы и виды получения, регистрации, упорядочивания, хранения, поиска, обработки, защиты сведений, приведения их на уровень современности, представления данных потребителям имеют в информационных системах первостепенное значение. Охарактеризуем лишь некоторые из способов оперирования с данными.
Виды ввода данных в систему. Информационные системы обеспечивают автоматический ввод данных в свою память через каналы связи, с электронных носителей (дисков и дискет) и занесение данных вручную.
Виды доступа к данным. В информационных системах доступ к хранящимся в памяти сведениям может быть следующим:
только для чтения (Read only);
Методы поиска данных. Поиск нужных сведений в памяти информационных систем может осуществляться разными способами: по смысловому содержанию (по ключевому слову), по однозначно определяемому их признаку (наименованию или идентификатору), по совокупности таких признаков, по месту расположения сведений в памяти (по номеру страницы при страничной организации данных) и другими способами. Любой эффективный поиск, требующий минимальных затрат труда и времени, основывается на систематизированной организации информации в памяти системы. Из упорядоченных структур данных можно назвать записи, списки, таблицы, массивы, файлы, различного вида базы данных и базы знаний.
В навигационных информационных системах с электронными картами распространен поиск сведений о картографических объектах путем наведения курсора на интересующий объект.
Способы защиты данных. Для защиты данных используются разные системы паролей, ключей, устанавливаются определенные виды допуска к сведениям, вводятся ограничения на доступ к различным частям памяти, и принимаются другие меры.
Пользовательский интерфейс системы - это совокупность средств, определяющих процедуры взаимодействия оператора с информационной системой.
В современных информационных системах применяются развитые средства для общения пользователя с системой: пассивный диалог, активный диалог, а также их сочетания. При ведении диалога используются возможности интерактивных видеоустройств. Реализуются системы общения, сочетающие печатный текст, графику, речь, звуковые и видео эффекты. Все шире внедряются программы динамического отображения графики, в том числе трехмерной. Используется полиэкранный режим работы дисплея.
В ИСМ в основном реализован визуальный графический пользовательский интерфейс, дополненный элементами речевого интерфейса.
Визуальный графический пользовательский интерфейс системы организуется с помощью стандартных интерфейсных элементов, отображаемых на экране. Управление этими элементами производится с помощью манипулятора (джойстика, трекбола, мышки), и/или клавиатуры, и/или применением, так называемой touch screen технологии.
1.4. Характеристики информационных систем.
Работу информационных систем характеризуют определенные показатели, Ряд из них освещен ниже.
Количество информации. Для хранения, передачи и восприятия информации существенное значение имеет ее объем. В информационных системах при передаче и хранении сведения обычно представляется в виде последовательности некоторых символов, чаще всего букв и цифр. Поэтому объем информации принято определять количеством символов, в байтах.
Байт обычно состоит из восьми двоичных разрядов, что позволяет записать в закодированной форме 256 различных символов.
Наименьшей единицей количества информации является бит. Это название происходит от английского сокращения "binary digit" - двоичный разряд. Последовательность смежных бит, рассматриваемая как единое целое, именуется байт. Широко используются сокращения, обозначающие:
тысячу байт - килобайт (Кбайт),
миллион байт - мегабайт (Мбайт),
триллион байт - терабайт (Тбайт).
Ценность информации - характеристика важности ее для решаемой задачи. Например, в системах управления ценность информации определяется ее значением для правильного выбора решений. Существенны здесь два фактора: весомость самого решения и степень влияния информации на его выбор. Сообщения об аварийных ситуациях в ИСМ имеют для судоводителя большую ценность, чем обычные учетные данные.
Более ценные сведения передаются системой в первую очередь. Это достигается введением приоритетов на посылаемую информацию.
С увеличением объема сообщения не обязательно возрастает его ценность. Иногда краткое послание имеет несоизмеримо большую ценность, чем текст на многих страницах.
Достоверность информации - степень соответствия информации процессу или объекту, который она отражает. В случаях представления информации в буквенно-цифровом виде достоверность информации количественно оценивается вероятностью не искажения принимаемого символа. Эта вероятность выражается отношением числа неискаженных символов к общему их числу в достаточно длинном сообщении.
Точность информации - степень соответствия значений тех или иных параметров (или совокупности параметров) их истинным значениям. Количественно точность характеризуется с помощью различных оценок: абсолютной, относительной, среднеквадратической погрешностью и другими показателями.
Надежность информации - стабильность характеристик достоверности (точности) получаемых от системы данных на определенном промежутке времени, Численно надежность информации характеризуется вероятностью нахождения показателей достоверности (точности) в допустимых пределах в течение заданного интервала времени.
Полнота информации - характеристика достаточности содержания в ней данных, существенных с точки зрения решаемой задачи. Упрощенно она оценивается отношением количества получаемой информации к требуемому для задачи ее объему.
Действительность (своевременность) информации - пригодность сведений к решению задачи в текущий момент. Означает, что данные не потеряли своей ценности из-за старения,
Целостность информации - достоверность, надежность, полнота и действительность данных, на основе которых принимаются решения.
Пропускная способность - показатель эффективности информационной системы или сети. Она зависит от рассматриваемой задачи и определяется числом выполняемых команд в секунду, заданий в час и т.д. Пропускная способность коммуникационной сети оценивается числом блоков данных, передаваемых в единицу времени.
Защищенность информации - способность данных противостоять несанкционированным, непреднамеренным и злоумышленным искажениям.
Производительность источника данных - количество информации, вырабатываемое им в единицу времени.
Надежность информационной системы определяется, как ее способность работать без отказов. Численно надежность характеризуется временем наработки на отказ.
Готовность (доступность, активность) информационной системы - это ее способность предоставлять потребителям необходимые сведения в требуемые моменты времени. Количественно доступность оценивается отношением времени передачи системой сообщений на определенном интервале к продолжительности этого интервала, либо вероятностью получения информации на конкретном промежутке времени.
Частота передачи информации - количество посылок системой данных в единицу времени. Это показатель систем, передающих данные через определенный период. Взаимосвязанным с этим показателем является дискретность передачи данных, характеризуемая интервалом времени, через который система передает сведения.
Латентностью (задержкой) информационной системы называется время, затрачиваемое ей на подготовку сведений к передаче по каналу.
Из перечисленных выше характеристик при рассмотрении конкретных информационных систем выбираются те, которые существенны для решаемых с помощью этих систем задач.
классификационными обществами. Касаясь стандартов ИМО, необходимо отметить следующее.Общие требования к электронным навигационным средствам определены Резолюцией ИМО А.694(17) - Recommendation on General Requirements for Shipbora Radio Equipment Forming Part of the Global Maritime Distress and Safety System (GMDSS) and for Electronic Navigational Aids. - 1991. Содержание этого документа включает общие замечания по дизайну пультов, размерам и количеству органов управления, требования к настройке, к освещению, к шумности, к излучению, к работоспособности при различных погодных условиях и при изменении параметров электропитания, и т.д. В полной мере эти требования относятся и к интегрированным системам ходового мостика.
Специальные требования к ИСМ изложены в Приложении 1 резолюции ИМО MSC.64(67) - Рекомендации по эксплуатационным требованиям к интегрированным системам ходового мостика. Эта резолюция была принята 5 декабря 1996 года.
Анализируя рекомендации ИМО в отношении интегрированных систем ходового мостика, можно выделить требования
к объединяемому оборудованию к интеграции; к взаимодействию; к контролю работы;
Требования к объединяемому оборудованию. Компоненты ИСМ должны удовлетворять условиям, которые освещены ниже. Необходимо, чтобы каждая часть ИСМ соответствовала общим требованиям к электронным навигационным средствам (резолюция А.694(17)) и стандартам технических испытаний (публикация МЭК 60945). Здесь под «частью» ИСМ подразумевается индивидуальный блок, оборудование или подсистема.
Составные части ИСМ обязаны отвечать требованиям к каждой индивидуальной функции, которую они отслеживают, выполняют или которой они управляют. Отказ одной части ИСМ не должен затрагивать функциональность других ее компонентов, за исключением тех функций, которые прямым образом зависят от информации, поступающей от неисправной части.
Требуется, чтобы каждая подлежащая интеграции часть ИСМ обеспечивала подробности ее эксплуатационного состояния, латентности и действительность важнейшей информации.
Применяемые датчики информации должны быть совместимы с другим оборудованием ИСМ и удовлетворять международным требованиями к морским интерфейсам (протокол МЭК 61162). Они же обязаны информировать о своем эксплуатационном состоянии, латентности и действительности важнейших данных.
Требования к интеграции. При объединении систем в ИСМ необходимо учитывать следующие положения.
ИСМ предназначена обеспечивать работу систем, решающих две или более из следующих задач: выполнение перехода;
управление механизмами;
погрузка, выгрузка и управление грузовыми операциями;
безопасность и охрана.
Работа ИСМ должна быть такой же эффективной, как и отдельных ее компонентов.
В ИСМ следует иметь возможность отображения полной и используемой конфигурации системы.
ИСМ должна позволять оперировать данными и информационными ресурсами каждой ее части.
В интегрированной системе необходимо дублировать средства для выполнения важных функций, а также обеспечивать альтернативные источники важнейшей информации. ИСМ обязана указывать на потерю любого информационного датчика.
Сведения, поступающие от источника (информация измерительного устройства, результаты расчета средств обработки или вводимые вручную данные), должны отображаться в ИСМ непрерывно или по требованию.
Если в ИСМ используются средства отображения неисправностей и устройства управления функциями, необходимыми для безопасной эксплуатации судна, то это оборудование должно дублироваться и быть взаимозаменяемым.
Требования к взаимодействию включают стандарты обмена данными и необходимость учета человеческого фактора.
К обмену данными предъявляются такие требования.
Необходимо, чтобы обмен данными отвечал безопасной эксплуатации судна.
Интерфейс ИСМ должен соответствовать международным требованиям к взаимодействию морского оборудования (протокол МЭК 61162).
Следует обеспечивать целостность потока данных в информационной сети ИСМ.
Отказ в проводимости информации функциональность системы.
Человеческий фактор. С целью обеспечения эффективного взаимодействия с оператором, необходимо следующее.
Требуется, чтобы ИСМ могла эксплуатироваться персоналом, обладающим соответствующими дипломами.
ИСМ следует проектировать единообразно для всех функций, чтобы работа с ней была легко понятной.
Если используются устройства отображения неисправностей, то они должны быть цветными, непрерывно отображать информацию и функциональные области. Различные меню следует представлять единообразно.
Требуется, чтобы ИСМ запрашивала подтверждение оператора для действий, которые могут вызвать внеплановые результаты,
Непрерывно отображаемую информацию в ИСМ нужно сводить к минимуму, необходимому для безопасной эксплуатации судна. Дополнительную информацию следует иметь под рукой и представлять по требованию.
Всегда должно быть ясно, откуда может активироваться исполнение важнейших функций.
Требование к контролю работы. Необходимо обеспечивать эффективный контроль работы ИСМ.
Управление аварийно-предупредительной сигнализацией в ИСМ, как минимум, должно отвечать требованиям резолюции ИМО А.830(19) - Кодекс по аварийно-предупредительной сигнализации и индикаторам.
Управление аварийно-предупредительной сигнализацией требуется обеспечить по приоритету и функциональным группам.
Количество типов аварийно-предупредительной сигнализации и фактов ее срабатывания следует иметь как можно меньшим. С этой целью для информации меньшей важности рекомендуется применять индикацию.
Сообщения аварийно-предупредительной сигнализации должны быть такими, чтобы вызвавшая ее причина и функциональные результирующие ограничения могли быть легко понятыми. Следует обеспечивать ясность и доходчивость указаний и рекомендаций.
Требования к электропитанию. Требования ИМО к энергоснабжению отдельных частей интегрированной системы должны оставаться в действии при работе этих частей в составе ИСМ.
Электропитание ИСМ необходимо производить:
-от основного и аварийного источников с обеспечением, при необходимости, автоматического переключения через местный
-распределительный щит (возможность непреднамеренного вывода из работы должна быть исключена);
-от переходного источника электроэнергии в течение не менее I мин; где требуется, части ИСМ должны получать энергию от резервного источника.
Требования к функционированию после перерывов в электроснабжении. При включении после нормального вывода из работы ИСМ должна приходить в начальное состояние без вмешательства оператора.
-Необходимо, чтобы после перерывов в электропитании полная функциональность ИСМ обеспечивалась сразу же после восстановления функций ее компонентов. При подаче энергии ИСМ не должна увеличивать время прихода в готовность функций индивидуальных подсистем,
-После возобновления прерванного по той или иной причине электропитания ИСМ должна поддерживать используемую конфигурацию и продолжать автоматическую работу, насколько это практически возможно.
-Автоматические функции, связанные с безопасностью, после , перерывов в энергоснабжении необходимо восстанавливать только после подтверждения оператором.
Требования к навигационному комплексу ОМВО-судов. Следует отметить, что изготавливаемые разными фирмами ИСМ отвечают также требованиям к управлению судном одним человеком, Они имеют один пульт управления с двумя рабочими местами и аппаратуру, определяемую требованиями классификационных обществ к ОМВО-судам.
Обобщенный перечень обязательных навигационных приборов и систем, которые должны быть на мостике судна класса OMBO-ship, выглядит таким образом: радиолокатор, САРП, измеритель угловой скорости, гирокомпас, магнитный компас, лаг, эхолот, электронная система навигации (приемоиндикаторы РНС и СНС), авторулевой, автоматический приемник NAVTEX, авто прокладчик, система электронных карт, автоматическая система управления движением на траектории,
Некоторые из требований к автоматизированному комплексу судовождения ОМВО-судов охарактеризованы ниже. Пульт управления ИСМ должен иметь два рабочих места, одно для вахтенного штурмана, второе - для капитана или подвахтенного помощника. Требуется, чтобы конструкция мостика и его оборудование позволяли одному вахтенному штурману обеспечивать управления судном и соблюдение навигационной безопасности плавания в открытом море и в прибрежных водах. В стесненных водах и в районах лоцманской проводки ИСМ должна предоставлять возможность обеспечения безопасного плавания при взаимодействии двух судоводителей.
На крыльях мостика требуется иметь бортовые пульты управления (посты швартовки), обеспечивающие управление главным двигателем, рулем и подруливающими устройствами. Посты швартовки должны быть оборудованы средствами внутренней и внешней связи, а также иметь органы управления устройствами подачи звуковых сигналов.
ГИСМ должна непрерывно следить за безопасностью движения судна, контролировать работу устройств управления и датчиков информации. Она обязана подавать тревожные сигналы в следующих ситуациях:
При отклонении судна от заданного курса и/или траектории на величину, большую установленной;
При приближении к точке поворота;
При выполнении поворота, когда угловая скорость превысит допустимую величину;
При возможности посадки на грунт, прежде чем глубина моря, измеренная эхолотом, станет недостаточной для плавания по заданному курсу;
• При опасности столкновения с другими судами или объектами. Штурманскому составу должна быть предоставлена возможность установки времени (в пределах от 6 до 30 мин) срабатывания предупредительной сигнализации до возможной посадки на мель, или до момента столкновения.
Если в течение одной минуты принятие любого из тревожно-предупредительных сигналов не будет подтверждено вахтенным штурманом, то этот сигнал должен ретранслироваться подвахтенному помощнику и капитану. Они в этом случае обязаны в минимально-возможный срок подняться на мостик.
На ходовом мостике следует иметь двухстороннюю телефонную связь с другими постами управления и со всеми жилыми помещениями штурманского персонала. Эта система связи должна быть независимой от основного источника электроэнергии на судне. Система внешней связи должна удовлетворять требованиям GMQSS.i
ТЕМА 3 СТРУКТУРЫ АКС. ВИДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА.
Общие сведения. Рассматривая интегрированные системы управления (ИСУ) сложными объектами, необходимо обратить внимание на одну их важную составляющую, находящуюся в настоящее время в процессе интенсивного развития - систему обеспечения качества (эффективности) управления.
Практически любая интегрированная система управления сложным процессом требует принятия в реальном масштабе времени определенных мер для поддержания качественной ее работы. Кроме того, в современных ИСУ процессы так сложны и протекают настолько быстро, что без специальных технических средств контролировать правильность функционирования и обеспечивать эффективную работу системы практически невозможно.
Особенно остро эта задача стоит для судов, где необходимость повышенной готовности систем обусловливается опасностью процесса судовождения, высокой стоимостью объекта управления, перевозимого груза, тяжелыми экологическими последствиями аварий судов и связанной с этим возможностью больших убытков от поломок и сбоев в функционировании комплекса судовых технических средств.
Обеспечение эффективности ИСУ при эксплуатации может быть определено как задача специальной системы, управляющей качеством рассматриваемой ИСУ. Ниже система, управляющая эффективностью работы другой системы, именуется системой обеспечения качества (СОК)В результате внедрения СОК в состав ИСУ образуется иерархическая система, где на верхнем уровне находится СОК, а на нижнем - ИСУ в роли объекта управления качеством. Управляемыми величинами в СОК является совокупность показателей, характеризующих эффективность рассматриваемой ИСУ, а управляющими воздействиями - меры, которые принимаются для обеспечения требуемых их значений. Следует отметить, что обеспечение качества ИСУ невозможно без знания показателей управляемого ей процесса и текущей информации об их значениях.
Управление качеством ИСУ может осуществляться по-разному; вручную:
- человеком либо группой людей,
- полуавтоматически - человеко-машинной системой,
- автоматически - без участия оператора.
Эффективность современных ИСУ поддерживается СОК, использующими для обеспечения качества компьютеры (Computer Aided Quality Control System). Компьютеризованная СОК встраивается в интегрированную систему управления как одна из ее частей, и обладает структурной, программной, метрологической и конструктивной совместимостью со всеми другими компонентами ИСУ,
Перечень задач, которые должна решать СОК определяется, исходя из следующих соображений.
Под качеством управления обычно понимается соответствие функционирования ИСУ ее целям. На него влияет изменение свойств объекта управления и управляющей системы, нарушения целостности информационных потоков, изменение состояния внешней среды и ряд других факторов. Резкие ухудшения качества функционирования, а иногда и невозможность дальнейшей работы ИСУ, порождаются поломками ее аппаратуры, отказами.
Обеспечение полноценного функционирования сложных систем управления включает широкий круг задач. Среди них можно отметить: надзор за работой аппаратуры всех частей ИСУ и управляемого ей объекта, контроль информационных, энергетических и материальных потоков ИСУ ее частей, обнаружение изменения свойств подсистем ИСУ,
- прогноз работы и выявление нежелательных тенденций в изменении состояния аппаратуры, обнаружение ошибок в данных, в работе программного обеспечения,
- выявление неисправностей, их причин и др.
Задачи СОК кардинально отличны от функций ИСУ. В общем плане, система оценки качества должна осуществлять сбор информации о параметрах, отражающих свойства системы управления. Это параметры: - состояния процесса управления,
- работы технических средств ИСУ,
- состояния информационных, материальных и энергетических потоков.
В результате оценки этой информации СОК должна обнаруживать отклонения свойств системы управления от требуемых и выявить причины их изменения. На основании полученных результатов система обеспечения качества должна сформировать решение о мерах, т.е. о воздействии на ИСУ, для устранения причин, повлекших изменение свойств комплекса управления, с целью достижения высокой эффективности его функционирования.
Создание автоматических СОК для интегрированных систем управления включает решение следующих проблем:
- определение параметров, достаточно полно отражающих полезные свойства ИСУ;
- организацию источников информации для получения значений этих параметров
в процессе функционирования ИСУ', разработку стратегии наблюдения за свойствами ИСУ;
- создание алгоритмов для выявления причин изменения и для прогнозирования свойств системы управления по результатам наблюдений;
- построение алгоритмов выработки решений для устранения причин, ухудшающих качество работы ИСУ.
Таким образом, эффективная работа СОК в основном определяется содержанием процедур, связанных с информацией, и, главным образом, извлечением из наблюдений сведений об изменении свойств системы управления.
■ Основные процедуры СОК. Ограничимся перечислением основных информационных процедур, которые должна выполнять система обеспечения качества.
Измерение - сравнение наблюдаемой величины с ее единицей с целью получения значения этой величины в форме, наиболее удобной для использования. Измерения выполняются с помощью технических средств, называемых измерительными устройствами.
Контроль - совокупность операций, устанавливающая соответствие между состоянием (свойством) объекта и заданной нормой, определяющей различные области его состояния, и включающая, в общем случае, регулирующие меры по приведению состояния объекта в соответствие с нормой.
Мониторинг - частный вид контроля. Термин «мониторинг» произошел от английского слова monitoring (в переводе с латинского monitor -надзирающий). Впервые он возник в экологии в XX веке для определения системы целенаправленных повторных наблюдений за элементами окружающей природной среды в пространстве и времени. Позже он стал применяться и в других областях. Безотносительно к какой-либо науке существует следующее определение термина «мониторинг» - это постоянное наблюдение за каким-либо процессом или явлением с целью установления его соотношения желаемому результату или первоначальному предположению.
Диагностика - это анализ признаков с целью: установления состояния объекта (процесса) или причин отклонения этого состояния от желаемого-предсказания возможных отклонений для предотвращения поломок и аварий,- поиска ошибок, неисправностей и определения причин их возникновения. Обнаружение- операция выявления фактов, являющихся логическими, вероятностными или другими функциями простых событий, а также выявление событий в условиях шума ли на фоне других событий.
Идентификация - совокупность операций для отождествления объекта с одним из известных видов (моделей) oбъектов.
Распознавание образов - совокупность операций по классификации объектов на основе установленного словаря признаков и алфавита классов.
Виды наблюдений в системах обеспечения качества. В составе функций, выполняемых системами обеспечения качества, можно выделить функции наблюдения за свойствами ИСУ и функции воздействий на ИСУ.
В СОК обычно реализуется несколько видов наблюдений, по результатам которых определяются свойства ИСУ и формируются воздействия с целью поддержания качественной работы. Эти виды наблюдений зависят от типа системы, эффективная работа которой обеспечивается СОК.
Например, в системах обеспечения качества комплекса управления судном можно выделить следующие виды наблюдения:
- с целью обнаружения чрезвычайных событий в системе управления: пожара, водотечности корпуса, опасных газов и других опасных явлений;
за состоянием открытий в корпусе (водонепроницаемых и пожарозащитных дверей, люков трюмов, аппарелей и др.), важных с точки зрения безопасности судна;
за параметрами работы судового оборудования для выявления отклонений их от нормы;
- за информационными потоками с целью обнаружения ошибок, сбоев, задержек в предоставлении сведений и других нарушений;
- за состоянием запасов топлива, масла, воды и других материальных ресурсов, необходимых для функционирования судна; других виды.
Виды воздействий СОК на систему управления. Виды воздействий системы обеспечения качества в целях обеспечения эффективной работы ИСУ также разнообразны:
использование операций включения отключения различных средств с целью устранения причин нарушений свойств ИСУ, защиты аппаратуры от поломок или для восстановления ее работоспособности, а также для получения дополнительной информации, без которой невозможна эффективная работа ИСУ в сложившейся ситуации; изменение режимов работы аппаратуры;
корректировка параметров и алгоритмов управления аппаратуры ИСУ. Подсистемы СОК. В интегрированных информационно-управляющих системах контролю должны подлежать технические характеристики аппаратных средств, программное обеспечение, а также достоверность информации, с которой оперируют системы. Применяемые на современном этапе компьютеризованные системы обеспечения качества интегрированных систем управления выполняют обычно ограниченный круг задач. Чаше всего, они охватывают своими функциями оборудование, наиболее важное с точки зрения целевого назначения интегрированной системы и ее безопасности. Для обеспечения эффективной работы этого оборудования применяются локальные автоматические подсистемы: мониторинга, самоконтроля, диагностики, защиты, самовосстановления работоспособности.
Наибольшее распространение из этих средств получили подсистемы мониторинга. Они применяются с целью обнаружения чрезвычайных событий, для постоянного контроля параметров работы технических средств, для обнаружения ошибок в работе программного обеспечения и в информации определенных датчиков, и для сигнализации о случаях, требующих внимания и принятия мер со стороны персонала.
Подсистемы самоконтроля по сравнению с системами мониторинга выполняют более широкий круг задач при обеспечении эффективности систем. Следует принять во внимание, что мониторинг не включает деятельность по изменению протекания наблюдаемого процесса, но является источником информации необходимой для принятия решений по управлению качеством этого процесса и для других действий. Этим он отличается от термина «контроль», обозначающего в общем случае совокупность наблюдения и принятия активных регулирующих мер, улучшающих качество управления.
Методы контроля разделяются на аппаратные и программные. В программные входят методы: дублирования обработки, контрольных сумм, дополнительных усеченных алгоритмов, тестирования, способы, основанные на использовании избыточной информации и другие.
Аппаратные методы предусматривают введение дополнительного оборудования (датчиков, анализаторов и других приборов) для контроля рабочих процессов.
Подсистемы диагностики применяются для анализа состояния оборудования, тенденций в его изменении, для выявления неисправностей технических средств, ошибок программного обеспечения и установления их причин. Благодаря диагностике становится возможным прогнозирование поведения объекта в будущем.
Объектом диагностики может быть устройство, программа, система, компьютер, сеть. В процессе диагностики изучаются характеристики, параметры и функции, выполняемые объектом. Осуществляется тестирование и анализируется полученный материал. В случаях нарушений нормальной работы аппаратуры и/или программного обеспечения определяются характер, место, причина имеющихся неисправностей и ошибок.
При эксплуатации информационной системы либо сети диагностика осуществляется всякий раз, как только обнаружится ошибка. Диагностическая программа исследует причину возникновения ошибки и предоставляет данные для последующего анализа. Ошибки могут возникать при запоминании данных, их обработке и передаче. Для обнаружения ошибок в данные вводится определенная избыточность, позволяющая осуществлять необходимую диагностику. В особо важных случаях процесс обработки информации дублируется.
При возникновении неисправности технических устройств производится фиксация факта неисправности, определяется ее место и вид. Затем передается сообщение о неисправности для принятия необходимых мер по ее устранению.
Сигнализация. О случаях нарушений нормальной работы системы, о нежелательных тенденциях развития ее рабочих процессов, о сбоях, о появлении неисправностей и ошибок, подсистемы мониторинга, самоконтроля и диагностики должны сообщать с помощью визуальных и/или звуковых средств сигнализации.
Характеризуя требование обеспечения высокой готовности интегрированных систем к продолжительному полноценному функционированию, необходимо отметить следующие положения.
Система и сопрягаемые с ней устройства должны работать при определенных отклонениях от номинальных значений параметров электропитания. Они также должны иметь резервные (аварийные) источники электроэнергии на случай выхода из строя основного источника электропитании или неполадок в его работе, которые могут влиять на безопасность функционирования аппаратуры.
Подсистемы защиты. Для предупреждения поломок систему, при возможности, следует снабжать специальной подсистемой защиты, которая изменяет режим работы на облегченный или выключают работу системы при угрозе ее поломки.
Подсистемы восстановления работоспособности. В ИСУ необходимо предусматривать средства резервирования, повышающие надежность системы и обеспечивающие ее функционирование при поломках основной аппаратуры. Для автоматического ввода в действие резервного оборудования при поломках или для принятия других мер по их устранению, рекомендуется системы управления оборудовать подсистемами восстановления работоспособности.
РАЗДЕЛ 2 СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ АКС
ТЕМА 1 ЭКС. НАЗНАЧЕНИЕ. СТРУКТУРА. АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.
Навигационно-информационная система - НИС (Navigation and Information System) предназначена для:
• отображения картографической и навигационно-гидрографической информации, необходимой для безопасного и эффективного судовождения, в решения оперативных навигационных задач и ведения исполнительной прокладки,
• непрерывного отображения текущего места судна и корректуры
электронных навигационных карт.
НИС может рассматриваться как система информационной поддержки решений при проводке судна по заданному маршруту, так как она выполняет определенные операции по подготовке решений для штурманского состава:
-получает, обрабатывает и отображает информацию;
-контролируется ее достоверность;
-выдает необходимые справки, касающиеся района плавания;
-находит концентрированные, сжатые характеристики процесса судовождения, облегчающие принятие решений;
-оценивает навигационную безопасность и выдает предупреждения с помощью визуальных и акустических средств сигнализации.: Информация вахтенному помощнику представляется в интегрированном виде путем отображения концентрированных характеристик текущего состояния процесса судовождения на электронной карте (ЭК). Навигационно-информационные системы изготавливаются рядом фирм и организаций. Аппаратура разных производителей имеет определенные отличия по дизайну, составу, объему выполняемых функций и по другим характеристикам управления получением информации от РЛС, САРП, АИС и других источников, выполнения счисления, обсерваций и прокладки пути, контроля прохождения маршрута, оценки навигационной безопасности и опасности столкновений, предупреждений и регистрации информации, поддержания баз данных на уровне современности и ряд других.
Рис. 1.1. Модуль ИИС интегрированной мостиковой системы.
Для выполнения своих задач НИС использует информацию практически всех судовых навигационных датчиков: гирокомпаса, лага, эхолота, РЛС, САРП, АИС, приемоиндикаторов спутниковых и береговых радионавигационных систем и др.
Следует отметить, что НИС - это не только система, которая позволяет вести электронную прокладку и корректировать электронные карты. Это также система, которая:
содержит в памяти важную в навигационном отношении информацию и позволяет вызвать се в любое время и без задержки представить вахтенному помощнику;
обладает способностью получать сведения, как от внутрисудовых, так и от внешних источников информации и записывать их в свою память;
обеспечивает привлечение внимания вахтенного помощника к ситуациям, требующим его контроля;
-позволяет накладывать на электронную карту радиолокационное изображение, данные АИС, климатические карты, карты текущей погоды и ее прогнозов, карты ледовой обстановки, облегчая судоводителю, принятие решений в сложных ситуациях;
- является не только навигационной системой, но и средством предупреждения столкновений.
1.2. Состав системы.
НИС может рассматриваться как совокупность аппаратных средств, программного обеспечения и данных.
Рис. 4.2. Блок-схема НИС с периферийными устройствами.
Аппаратное обеспечение - это в общем случае установленный в специальной консоли высокопроизводительный персональный компьютер, который соединен с навигационными приборами. Он включает в себя системный блок, монитор, управляющую панель.
В системном блоке находятся процессор, сопроцессор, оперативная память, накопитель на жестком магнитном диске, дополнительные блоки памяти, устройства для ввода информации с гибких магнитных и оптических дисков, порты ввода/вывода информации и др. устройства.
На управляющей панели расположен манипулятор (обычно трекбол), дополненный несколькими клавишами. Может использоваться также типовая клавиатура.
В навигационно-информационной системе обеспечивается возможность приема данных от различных источников информации и вывода данных в другие системы и устройства.
На рис. 4.2 приведена одна из возможных конфигураций НИС с периферийными устройствами. Так, НИС получает курс от гирокомпаса, скорость - от лага, глубину - от эхолота и т.д. Отличительной чертой является автоматический ввод в НИС координат места от приемника спутниковой навигационной системы GPS или ГЛОНАСС, обеспечивающий возможность непрерывного отображения высокоточного текущего места судна на карте. Эта возможность, по сути, представляет наиболее важное достоинство НИС.
На изображение ЭК может накладываться информация от РЛС, цели от САРП и АИС, а также получаемые по каналам спутниковой связи метеорологические данные и карты, Через спутниковые каналы в память НИС могут поступать корректуры и другая информация, включая новые ЭК. На экране дисплея НИС может отображаться информация приемника НАВТЕКС.
Блок интеграции РЛС и ПК - это аппаратно-программный блок (PC radar kit). Он позволяет, с одной стороны, преобразовать эхосигналы РЛС в цифровую форму, передать их в ПК и наложить радиолокационное изображение на электронную карту. Кроме этого, он дает возможность передавать радиолокационное изображение через сеть Ethernet на любые другие компьютеры.
С другой стороны, это устройство предоставляет персональному компьютеру функции для управления РЛС. Современные устройства интеграции РЛС и ПК позволяют соединить с компьютером любую современную РЛС и обеспечить управление станцией с любого компьютера системы, главного или вспомогательного, где бы он ни находился на судне. Вывод информации из НИС может производиться на авторулевой, принтер и в другие устройства и системы. Ряд НИС позволяет по каналу Ethernet передавать изображение с главного ПК на дисплеи вспомогательных (периферийных) компьютеров. Это может быть компьютер в штурманской рубке, в каюте капитана или в другом помещении.
Программное обеспечение НИС состоит из программ организации пользовательского интерфейса, программ для отображения навигационных карт на дисплее и, так называемой, «библиотеки функций». «Библиотека функций» - это совокупность программ, которые в зависимости от активации кнопок, ключей и иных элементов пользовательского интерфейса позволяют решать определенные навигационные задачи, оперировать с изображением электронной карты, получать различные справки и т.д.
Данные - это хранящиеся в памяти НИС элементы карт, корректур к ним, сведения из различных навигационных пособий, полученные через каналы связи от внешних источников данные и другая информация, необходимая при выполнении задач проводки судна из порта отхода в порт назначения.
Ниже приведен перечень информационных баз,
Картографическая база;
База сведенийо навигационных средствах
База рекомендованных маршрутов;
Климатическая база
1.3. Виды ЭК и типы навигационно - информационных систем.
Основные виды ЭК. В навигационных информационных системах используются различные виды электронных карт. Эти карты классифицируются по разным признакам.
Довольно часто применяется классификация ЭК в зависимости от данных, представляющих изображение карты на электронных носителях. Согласно этого признака выделяют растровые и векторные ЭК. В растровых картах используется метод цифрового представления изображения карты в виде матрицы точек (пикселей). При таком представлении сведений об отдельных картографических объектах в памяти нет, что представляет основной недостаток этого вида карт. Растровые карты получаются путем сканирования бумажных карт и являются их электронными копиями.
Растровые карты могут быть в разных графических форматах. Британское адмиралтейство поставляет растровые карты в формате ARCS. Гидрографическая служба США выпускает растровые карты в формате NDI/BSB. Свой формат имеют и растровые карты других гидрографических служб и частных организаций, изготавливающих растровые карты.
Информация векторной карты хранится в памяти в виде последовательности записей, характеризующих каждый имеемый на карте объект. По этим записям НИС с помощью специальной программы сама строит изображение карты на экране дисплея.
Как и растровые ЭК, векторные карты могут быть в разных форматах. Векторные карты выпускаются государственными гидрографическими службами в формате S57, v. 3. Крупнейший из частных производителей векторных карт фирма «Транзас» изготавливает их в формате ТХ-97. Другая известная фирма «С-МАР» представляет ЭК в формате СМ-93/3. Можно привести примеры и других форматов, в которых информация векторных карт хранится на электронных носителях.
В зависимости от юридического статуса различают официальные и неофициальные карты. Официальными считаются ЭК, выпускаемые государственными гидрографическими организациями. Все другие ЭК относят к неофициальным картам.
Типы НИС.
В зависимости от уровня автоматизации операций, информационных ресурсов и функциональных возможностей НИС разделяют на три группы;
ECDIS (Electronic Chart Display and Information System);
ECS (Electronic Chart System);
ECDIS/ECS.
ECDIS-это навигационно-информационная система, удовлетворяющая специальным требованиям ИМО, МГО, МЭК.
Соответствие системы названным требованиям позволяет судоводителям официально использовать ее прокладку на электронной карте вместо прокладки на бумажных картах. Такой статус ECD1S определен правилом 20 главы V Международной конвенции ИМО по безопасности жизни на море (SOLAS-74).Согласно этому правилу, все суда должны быть снабжены приведенными на уровень современности картами, наставлениями для плавания, пособиями по огням, знакам, радиотехническим средствам, извещениями мореплавателям, таблицами приливов и другими специальными публикациями, необходимыми на предстоящий рейс. Требуемые карты могут быть обеспечены также путем их представления на экране ECDIS. Это касается и других необходимых на рейс навигационных пособий, информация которых также может быть отображена на экране ECDIS.
Таким образом, ECDIS может быть использована как эквивалент бумажных навигационных карт и пособий для плавания. Это означает не физическую эквивалентность прокладок на электронной и бумажной картах, а юридическое признание использования ECDIS без применения бумажных карт на район плавания.
В ECDIS должны использоваться только векторные электронные карты), данные которых подготовлены государственными, гидрографическими организациями, стандартизованы по содержанию (Публикация МГО S52), структуре, действующему формату обмена картографической информацией (Публикация МГО S57, v.3) и полностью удовлетворяющие специальным требованиям ИМО. В официальной литературе для этих карт используется сокращенная запись ENC - Electronic navigation chart, Таким образом, используемое сокращение ENC и термин ecdis-карта представляют одно и то же.
ECS - это навигационно-информационные компьютерные системы, не полностью удовлетворяющие требованиям к ECDIS. Применение ECS не освобождает судоводителя от ведения прокладки па бумажных картах. Используемые в таких системах карты, называемые ниже ecs-карты, не полностью отвечают специальным требованиям ИМО и МГО. К ECS относятся:
RCDS (Raster Chart Display System) - компьютерные системы с растровыми ЭК.
НИС с векторными ЭК, не полностью удовлетворяющими требованиям к ecdis-картам;
■НИС с упрощенными ЭК. ECDIS/ECS представляет собой НИС с «двумя лицами», в англоязычной литературе, так называемые, "dual-fuel ECDIS". Это системы, которые работают как с ecdis- так и с ecs-картами. Такая ситуация вызвана тем, что в настоящее время нет полного набора ecdis-карт на все районы Мирового океана.
Когда в ECDIS/ECS используются ecdis-карты, эта система имеет статус ECDIS.
В режимах работы с растровыми и векторными ecs-картами такие НИС приравниваются к ECS. Это требует наряду с выполняемой системой электронной прокладкой обязательного ведения графического учета движения судна на откорректированных бумажных картах.
Следует отметить, что ecs-карты по формату и принципам их отображения на экране могут значительно отличаться от ecdis-карт. Поэтому обеспечение в ECDIS/ECS возможности работы с разными ЭК существенно усложняет программное обеспечение системы. Требуется, чтобы в ECDIS/ECS системе ecs-карты не смешивались с ecdis-картами. С этой целью ecdis-карты и карты других видов должны храниться в разных частях памяти. При отображении ecdis-карты также должны иметь четкие отличия от ecs-карт.
Файлы ecdis-карт помещаются в так называемую ENC-базу данных. Эта база должна включать только ENC, выпущенные государственными гидрографическими организациями.
Данные ecs-карт разных видов также рекомендуется хранить в разных местах памяти. Например, файлы карт фирмы «Транзас» - в ТХ-97 базе данных, карты фирмы «С-МАР» - в базе СМ-93, и т.д.
Распространение ЭК. Электронные карты могут распространяться их изготовителями напрямую, либо через уполномоченные организации.
Официальные ЭК могут быть как векторными, так и растровыми.
Из крупных поставщиков официальных растровых электронных навигационных карт можно назвать;
•Британское адмиралтейство;
•Гидрографическую службу США (National Oceanic and Atmospheric- .. Administration -NOAA);
И гидрографические службы ряда других государств. Гидрографические службы Англии и США выпускают и поставляют также ecdis-карты официальные векторные карты формата S57, v.3 на воды Украины(Черное и Азовское моря) можно приобрести в организации "Укрморкартография".
Из частных организаций крупнейшими производителями и поставщиками ЭК являются фирмы «Транзас» и «С-МАР». Коллекция фирмы «Транзас» насчитывает более 7500 карт формата ТХ-97. По своему качеству эти ЭК не уступают официальным электронным картам для ECDIS. Фирма «С-МАР» поставляет пакет карт SDK-PRO на весь Мировой океан в формате СМ-93/3. Карты фирм «Транзас» и «С-МАР» могут быть конвертированы в формат S57.
Сертификация ECDIS. На классификационные общества возложена ответственность тестирования НИС на предмет соответствия стандартам и принадлежность к ECDIS. Руководство для тестирования содержится в публикации МЭК 61174.
Навигационно-информационные системы, отвечающие всем предъявляемым требованиям, получают от классификационного общества соответствующий сертификат (Type Approval Certificate) и могут после этого законно называться ECDIS.
Эквивалентность ECDIS бумажным картам. На законном основании, на судне можно не иметь бумажных карт и использовать электронную прокладку без дублирования ее графической прокладкой на бумажной карте, когда:
ECDIS сертифицирована классификационным обществом;
ECD1S снабжена одобренной резервной системой, которая имеет достаточные средства для обеспечения безопасного судовождения на оставшейся части рейса в случае выхода EC01S из строя Резервная система может иметь ограниченные функции ECDiS, либо полностью дублировать ее. Между основной и резервной системами должна быть возможность обмена информацией. По крайней мере, в резервную систему от основной следует передавать результаты предварительной прокладки и данные всех корректур;
При прокладке используются только ecdis-карты.
Ecdis-карты откорректированы по дату использования (приведены на уровень современности).
В случае невыполнения любого из этих требований на судне должен быть комплект откорректированных бумажных карт. При нарушении только второго требования разрешается использовать электронную прокладку без дублирования ее графической прокладкой на бумажной карте.
Ключевые положения эффективного использования ECDIS. Выделяют три основные аспекта, обеспечивающие эффективность ECDIS:
Использование точных откорректированных данных, включающих картографическую и всю другую относящуюся к навигации информацию;
Четкое знание возможностей и ограничений всей системы (аппаратных средств, программного обеспечения, данных, датчиков информации, дисплея);
Знание, какую информацию и когда необходимо использовать при решении задач.
ТЕМА 2 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ПРОКЛАДКИ
. Назначение, состав и функции системы.
Назначение. Судовая система для предупреждения столкновений (СПС) служит для решения следующих задач:
обнаружения судов-целей,
определения элементов движения целей,
предупреждения об опасности столкновения,
облегчения выбора маневров для расхождения с судами,
и других.
СПС представляет собой средство поддержки принятия решений для предотвращения столкновений с судами. Оно не освобождает штурманский состав от принятия решений и действий по обеспечению безопасности судна, а также от ответственности за эти решения.
Ввиду того, что радиолокационное оборудование, составляющее основу СПС, и методы его использования в судовождении изучаются в специальных курсах, ниже дается лишь краткая характеристика рассматриваемой системы. Состав. СПС включает:
-процессор для обработки радиолокационной информации и данных АИС средства для хранения и отображения информации;
- органы для управления (трекбол и ряд других); интерфейсные устройства для подключения датчиков информации и для связи с другими системами ИСМ;
-программное обеспечение;
-информационные ресурсы,
СПС строится на базе персонального компьютера. Для выполнения своих задач она использует данные РЛС, АИС, курсоуказателя и лага. К ней могут подключаться и другие источники информации. В памяти многих СПС хранится картографическая информация, по которой на экране дисплея СПС воспроизводятся электронные карты.
До недавнего времени основным датчиком информации СПС являлся радиолокатор. В настоящее время к нему добавляется транспондер ЛИС. Он предоставляет информацию о целях, оборудованных аппаратурой АИС.
РЛС служит для получения сведений об объектах, находящихся в зоне обзора. Задача СПС состоит в том, чтобы, получив видеосигналы из приемника РЛС и/или данные от АИС-транспондера, записать их в памяти, произвести необходимую обработку, а затем обеспечить воспроизведение обработанной информации на экране в удобной для судоводителя форме.
В настоящее время в эксплуатации находится довольно много типов СПС, изготавливаемых различными фирмами. Они имеют определенные отличия по дизайну, конструкции и объему решаемых задач. Внешний вид модуля СПС интегрированного мостика фирмы JRC приведен на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Радиолокационный модуль ИСМ.
Функции, При отображении радиолокационной обстановки СПС позволяет выбирать различные диапазоны дальности и ориентировать изображение по разным направлениям (по курсу, по стабилизированному курсу, по норду, по фарватеру). Информация системы может представляться в режимах истинного и относительного движения. Совместно с первичной радиолокационной информацией на экране монитора СПС могут отображаться вектора и следы сопровождаемых целей, радарные электронные карты и навигационные линии. Возможно отображение параллельных индексных линий, а также охранных зон и областей авто захвата.
СПС имеет функции:
- ручного и автоматического захвата целей на сопровождение;
автосопровождения целей;
изменения времени экстраполяции движения
отображения траекторий прошлого движения целей;
представления цифровых значений элементов движения целей;
обнаружения маневров сопровождаемых целей;
- предупреждения об опасности столкновения по заложенному в СПС критерию;
- проигрывания задаваемых или рекомендуемых маневров на расхождение. По каждой цели, передающей АИС-информацию, в СПС могут быть представлены подробные данные: MMSI номер, позывной сигнал, название и тип судна, навигационный статус и другие сведения.
2.2. Перечень требований к оборудованию СПС.
Минимальные эксплуатационные требования к оборудованию
СПС изложены в следующих документах ИМО:
Эксплуатационные требования к РЛС - Резолюция MSC.64(67), 1996, Приложение;
Эксплуатационные требования к САРП- Резолюция А.823(19), 1995;
Эксплуатационные требования к РЛС для скоростных судов – Резолюция А.820(19), 1995.
Временное руководство для представления и отображения информации о АИС-целях - ИМО циркуляр SN/Circ/217 от 11.07.01 .
Технические стандарты на радиолокационные приборы и аппаратуру АИС установлены Международной электротехнической комиссией. Они содержатся в следующих публикациях этой организации:
60872-1-стандарты для САРП;
60872-2 - стандарты для радиолокационных средств автосопровождения;
60936-1 - стандарты для судовых РЛС;
60936-2 - стандарты для РЛС высокоскоростных судов;
61993-2 - тестовые стандарты для АИС транспондеров класса А;
62287 - тестовые стандарты для АИС транспондеров класса В.
Перечисленные стандарты включают методы испытаний радиолокационного оборудования, рекомендации по применяемым символам и терминам для отображаемой информации, обозначения для органов управления и ряд других данных.
2.3. Требования к радиолокационному оборудованию судов.
Стандарты, которым должны соответствовать РЛС обычных судов, устанавливаются Резолюцией ИМО MSC.64(67),1996(Приложение 4) - «Эксплуатационные требования к РЛС». Действие этого документа распространяется на суда, построенные 1 января 1999 г. и после этой даты. Осветим эти требования. Радиолокационное оборудование предназначено для отображения относительно своего судна положения надводных объектов (других судов, препятствий, буев, берега, навигационных знаков) в виде, оказывающем помощь при навигации и предупреждении столкновений.
Требования к дальности. При нормальных условиях распространения радиоволн, когда высота антенны над уровнем моря равна 15 м. и нет помех, РЛС должна давать четкое изображение:
берега на расстоянии 20 миль, когда он возвышается над уровнем моря до 60 м.; и на расстоянии 7 миль, когда он поднимается до 6 м;
судов вместимостью 5000 брт независимо от ракурса - на расстоянии не менее 7 миль;
малых судов длиной порядка 10 м. - на расстоянии не менее 3 миль;
объектов, таких как навигационные буи, имеющих эффективную отражающую поверхность порядка 10 кв.м. - на расстоянии не менее 2-х миль.
Надводные объекты должны быть четко отображены, начиная с минимальной горизонтальной дистанции 50 м. от позиции антенны.
Индикация. Радиолокатор должен иметь дисплей для пользования при дневном свете без внешнего увеличения с эффективным минимальным диаметром в пределах шкалы пеленгов не меньшим, чем:- 180 мм для судов вместимостью 150-1000 брт 250 мм для судов вместимостью 1000-10000 брт.;
340 мм для судов вместимостью 10000 брт. и выше.
Разрешается применение цветных мониторов.
Обязательны для РЛС шкалы дальности: 0.25, 0.5, 0.75, 1.5, 3, 6, 12 и 24 мили. Шкалы дальности с другими номиналами допускаются.В пределах -эффективной площади экрана должна содержаться только информация, которая используется для навигации или предупреждения столкновений, а также элементы, которые имеют отношение к целям (например, символ цели, ее вектор) или к изображению.
Требуется, чтобы шкалы дальности были линейными с началом в месте своего судна. Изображаемая на экране информация должна быть легко читаемой и всех условиях освещенности.
Выбранные элементы системной электронной навигационной карты (СЭК) могут быть представлены на дисплее РЛС, но таким образом, чтобы формация РЛС не маскировалась, не затемнялась и не искажалась. Информация СЭК, показываемая на экране радиолокационной системы, должна, по крайней мере, включать безопасную изобату собственного судна, навигационные препятствия, стационарные и плавучие средства навигации. При представлении элементов СЭК совместно с информацией РЛС/САРП требуется, чтобы:
-информация РЛС/САРП и элементы СЭК были в одной и той же системе
координат;
-вся эффективная площадь дисплея содержала данные РЛС и СЭК; информации РЛС отдавался приоритет;
-обеспечивалась устойчивость изображения, векторов САРП, элементов
СЭК;
-четко указывался активный режим работы, обеспечивалась независимость РЛС/САРП и СЭК информация СЭК не должна оказывать неблагоприятный эффект на данные РЛС, данные РЛС/САРП и СЭК должны легко узнаваться, нарушение нормального функционирования одной из компонент не должно влиять на функции второй).
Измерение расстояний и пеленгов. Предписывается иметь на экране дисплея электронные НКД для оценки расстояний, причем на шкалах 0.25, 0.5, О.75М должно быть, по крайней мере, два, но не свыше шести НКД. На шкалах большего номинала следует иметь шесть НКД. При смещении центра развертки должны отображаться дополнительные кольца дальности с интервалом, равным интервалу между основными НКД.
Радиолокационное изображение необходимо снабжать подвижным маркером дальности в виде кольца (ПКД) с индивидуальным цифровым индикатором. Допускаются добавочные ПКД. Требуется, чтобы точность измерения дистанций с помощью НКД и ПКД как при несмещенном, так и смещенном центре развертки была не хуже ±1% от значения используемой шкалы, или 30 метров, если 3% от дистанции шкалы больше этой цифры. Предписывается иметь толщину НКД не больше максимальной разрешенной толщины курсовой линии. На всех шкалах дальности наведение ПКД на объект должно производиться с требуемой точностью в течение 5 с. Установленное с помощью ПКД расстояние не должно изменяться при переключении шкал дальности.
Курсовая линия на экране дисплея должна отображаться сплошной линией от начала развертки до края дисплея с ошибкой, не более ±1°. Требуется, чтобы ее толщина не превышала 0.5° на максимальном расстоянии шкалы. На шкале пеленгов дисплея РЛС предписано иметь указатель курса.
В радиолокационной системе должна быть ЭЛН - электронная линия для снятия направлении (пеленгов и курсовых углов), с индивидуальным цифровым индикатором. Она должна позволять получать в течение 5 с. направление на любой объект, где бы он ни находился на экране. Направление на цель на границе экрана должно измеряться с погрешностью, не большей ±1°.
ЭЛН должна быть не толще курсовой линии и отличаться от нее. Предписывается иметь возможность изменения яркости и выключения ЭЛН. Требуется, чтобы ЭЛН поворачивалась в обоих направлениях непрерывно или с шагом, не большим 0.2°.
Направление ЭЛН должно индицироваться в градусах, а отсчет состоять, по крайней мере, из четырех знаков, один из которых после десятичной точки. Предписывается иметь возможность измерения, как пеленгов, так и курсовых углов, отсчеты которых должны отличаться.
Требуется, чтобы шкала направлений была на краю экрана и разделена через 5°, с 5 и 10-градусными отличными друг от друга делениями. Числа у делений должны быть, по крайней мере, через 30°.
Начало ЭЛН должно перемещаться с места судна в любую точку экрана и обеспечиваться возможность относительно нового начала измерять направления. Рекомендуется на ЭЛН иметь ПКД.
Для параллельной индексации необходимо иметь, по крайней мере, две линии.
Разное. РЛС должна иметь такую разрешающую способность по дистанции, чтобы обеспечивать отдельную индикации на шкале 1.5 мили двух точечных целей, расположенных на одном пеленге в пределах пространства 50-И 00% номинала шкалы, и на расстоянии не более 40 м друг от друга.
Разрешение по пеленгу на этой шкале для двух точечных целей, расположенных на одном расстоянии от центра в пределах 50 - 100% номинала шкалы, должно быть не более 2.5°.
Радиолокационное оборудование должно нормально работать при килевой и бортовой качке до ±10°.
Предписано, чтобы антенна вращалась по часовой стрелке, равномерно, автоматически, со скоростью не меньшей 20 об/мин при относительной скорости ветра до 100 узлов. Допускается к такой работе использовать дополнительные режимы сканирования антенны по азимуту.
Следует иметь возможность ориентации изображения по норду и по курсу. Курс должен вводиться от ГК либо другого эквивалентного курсоуказателя. Погрешность согласования с компасом должна быть не больше ±0.5° при повороте судна со скоростью до 12%. Требуется, чтобы переключение с одного режима на другой с установкой заданной ориентации выполнялось в пределах 5 с.Обязательными для РЛС являются устройства подавления нежелательных эхосигналов от волнения моря, дождя и других форм осадков, облаков, грозы. Эти средства должны подстраиваться вручную. Допускается иметь и автоматическое подавление помех с возможностью его отключения.
Когда антенна расположена на высоте 15 м над уровнем моря, то даже в условиях помех от моря оборудование должно давать четкую отметку стандартного радиолокационного отражателя на расстоянии до 3.5мили.
РЛС должна быть полностью в рабочем состоянии в пределах 4 минут после ее включения. Необходимо предусмотреть положение предварительной готовности РЛС - «Подготовка». Переход из этого положения в режим "Работа" должен осуществляться в пределах 15 с.
Предписано обеспечивать возможность независимого изменения яркости ИКД, ПКД, ЭЛН и полного их выключения. Для РЛС, отображающих на экране вторичную информацию (символы целей, вектора, и др.), должна быть возможность отключения ее показа на экране.
Требуется в РЛС иметь режимы относительного и истинного движения, а также допускать смещение начала развертки не менее чем на 50% и не более чем на 75% номинала шкалы дальности. В режиме истинного движения следует обеспечивать стабилизацию изображения относительно воды (моря) и грунта.
Используемые в радиолокационной системе относительные лаги должны позволять измерять скорость на переднем и заднем ходу. При стабилизации относительно грунта необходимо обеспечивать двух координатный вход данных скорости и проходимого расстояния. Это могут быть данные от допплерлага, электронной позиционной системы, либо от самой РЛС при сопровождении неподвижных объектов. Следует иметь возможность ручного ввода скорости своего судна (от 0 до 30 узлов с шагом, не большим 0.2 узла) и данных течения и дрейфа.
Оборудование должно сопрягаться со средствами счисления, электронной позиционной системой в соответствии с международным стандартом к интерфейсу. Название источника получения информации должно отображаться. Дополнительно к радиолокационному изображению требуется иметь возможность представления на экране в графической форме точек, навигационных линий и карт.
Средства прокладки. В радиолокационной системе должны быть следующие устройства радиолокационной прокладки:
на судах от 300 до 500 брт - средства электронной прокладки (СЭП) с ручным вводом засечек целей (Electronic plotting aid - ЕРА);
на судах от 500 до 1600 брт - средства автосопровождения - САС (Auto tracking aid - ATA);
на судах от 1600 до 10000 брт - САРП (Automatic radar plotting aid) с эффективным минимальным диаметром дисплея не менее 250 мм;
на судах от 10000 брт и больше - САРП с эффективным минимальным диаметром монитора не менее 340 мм.
2.4. Требования к РЛС высокоскоростных судов.
К высокоскоростным относятся суда, скорость полного переднего хода которых больше 30 узлов. Условия, которым должно удовлетворять радиолокационное оборудование таких судов, определены Резолюцией ИМО А.820(19), 1995 - «Эксплуатационные требования к РЛС высокоскоростных судов». Действие этого документа распространяется на суда, построенные 1 января 1996 и после этой даты.
Ниже приведены основные из этих требований.
Назначение. Радиолокационное оборудование необходимо уста навливать на высокоскоростных судах со следующими характе ристиками:
максимальная скорость-до 70 узлов;
максимальная скорость поворота - до 20%;
район плавания - между 70"N и 70°S.
Оно предназначено для отображения относительно своего судна положения надводных объектов (других судов, препятствий, буев, береговой черты, навигационных знаков) в виде, способствующем навигации и предупреждению столкновений.
Требования к дальности. Когда антенна радиолокатора расположена на высоте 7,5 м над уровнем моря, то при отсутствии помех оборудование должно обеспечивать четкую индикацию надводных объектов, таких как навигационные буи (эффективная поверхность отражения приблизительно 10 м2), на расстоянии не менее 2,5 мили.
Надводные объекты, должны быть четко видны, начиная с минимального расстояния 35 м от позиции антенны.
Индикация. Требуется, чтобы обеспечивалось четкое цветное радиолокационное изображение надводной обстановки на экране с эффективным диаметром не менее чем 250 мм в условиях дневного освещения, без применения внешних увеличительных устройств. Должны быть предусмотрены цвета, характерные для дня и ночи с возможностью регулировки яркости.
Обязательными являются шкалы дальности; 0.25, 0.5, 0.75, 1.5, 3,6, 12 и 24 морские мили. Дополнительные шкалы дальности с другими номиналами допускаются. Необходимо обеспечить четкую индикацию номинала используемой шкалы дальности и расстояния между НКД, когда они отображаются.
Требуется иметь возможность смещения центра развертки, по меньшей мере, на 50% и не более 75% от номинала шкалы дальности.
Оборудование должно позволять в дополнение к информации радиолокатора представлять на экране графические элементы, например, точки поворота и линию пути между ними. Источник графической информации должен быть четко указан.
Измерение расстояний и пеленгов. Предписывается для измерения расстояний иметь ПКД с индивидуальным цифровым индикатором значений дальности и неподвижные электронные кольца дальности:
- на шкалах 0,25, 0,5 и 0,75 морских мили, по крайней мере, два НКД;
- на шкалах дальности большего номинала по шесть НКД.
НКД и ПКД должны обеспечивать измерение расстояния до объекта с погрешностью, не превышающей 1% от максимального значения используемой шкалы или 30 м, в зависимости оттого, что больше. Необходимо предусмотреть возможность изменения яркости НКД и ПКД до полного их удаления с экрана.
Курс судна должен указываться на экране линией с максимальной погрешностью не более ±Г. Ширину отметки курса предписывается иметь не более 0,5° у края экрана. Следует предусмотреть выключение линии курса.
Требуется обеспечить быстрое измерение направлений на любой объект, отметка которого появляется на экране. Предназначенные для этого средства должны измерять направление на объект, отметка которого расположена на краю экрана, с погрешностью, непревышающей ±1".
Для параллельной индексации необходимо иметь, по крайней мере, две линии.
Разное. Необходимо, чтобы разрешающая способность по дистанции обеспечивала раздельное отображение на экране двух целей (поверхность порядка 10 м2), лежащих на одном азимуте, на дистанции 50 - 100% шкалы 1 морская миля или меньшей, если нет засветки от моря, и, если расстояние между целями не превышает 35 метров. Разрешающая способность по пеленгу должна обеспечивать раздельное отображение на экране двух целей (площадь 10 м2), находящихся на одном расстоянии между 50-100% шкалы 1,5 мили, если их угловом положение различается не более чем на 2,5° (X-band) и 4° (S-band).
Параметры оборудования должны быть такими, чтобы при бортовой и килевой качках ±10° эксплуатационные требования к дальности были удовлетворены.
Антенна должна вращаться по часовой стрелке, автоматически, с частотой не менее 40 оборотов в минуту. Требуется, чтобы оборудование было работоспособно при относительной скорости ветра до 100 узлов.
РЛС должна сопрягаться с одобренным датчиком направления и обеспечивать по его данным азимутальную стабилизацию дисплея. Точность согласования с одобренным датчиком направления должна быть в пределах 0,5° при скорости поворота судна до 20°/с.
Требуется обеспечивать также удовлетворительную работу в режиме без стабилизации, когда связь с основным одобренным датчиком направления отсутствует.
Необходимо предусмотреть средства для быстрого определения значительного ухудшения работоспособности оборудования относительно калиброванного значения, а также средства для правильной настройки в случае отсутствия целей.
Обязательными являются устройства помехозащиты от нежелательных отражений от моря, дождя и других осадков, облаков и песчаных бурь. Они должны иметь органы для ручной плавной регулировки.
Работа оборудования. Включение оборудования и управление им должно выполняться с рабочего места судоводителя на мостике судна. Органы управления должны быть доступны, легко различимы и удобны в эксплуатации. Необходимо, чтобы применяемые символы соответствовали рекомендациям «Организации органов управления морского навигационного радиолокационного оборудования».
Система должна быть полностью в рабочем состоянии в течение 4 минут после ее включения. Предписано иметь положение предва рительной готовности, из которого оборудование может быть приведено в рабочее состояние за 15 секунд.
После установки и регулировки на судне, точность пеленгования, указанная в настоящих эксплуатационных требованиях, должна сохраняться без последующих регулировок, независимо от движения судна в магнитных полях Земли.
Оборудование должно иметь режимы относительного и истинного движения.
Необходимо обеспечить возможность смещения начала развертки на расстояние не менее 50% и не более 75% от радиуса экрана.
Предписано при стабилизации изображения относительно воды или грунта иметь точность и разрешающая способность, соответствующую настоящим эксплуатационным требованиям.
Антенна должна быть спроектирована таким образом, чтобы противостоять внешним воздействиям, которым подвергается судно.
Требуется, чтобы все радиолокаторы, работающие в диапазоне 3 см, имели горизонтально поляризованное излучение.
Необходимо предусмотреть возможность выключения тех устройств обработки сигналов, которые могут исключить изображение сигналов маяка на экране радиолокатора.
Там, где требуется две РЛС, они должны быть установлены таким образом, чтобы каждая могла работать самостоятельно, независимо друг от друга.
Интерфейс. Радиолокационная система должна быть способной в соответствии с требованиями протокола МЭК 61162 получать информацию от гирокомпаса, лага, а также от электронных систем определения местоположения.
Об отсутствии информации внешних датчиков РЛС должна сообщать с помощью индикации. Необходима аварийно-предупредительная сигнализация об ухудшениях качества информации внешних датчиков, которое может повлиять на работу РЛС.
Проигрывание. Проигрывание целей требуется представлять на экране в виде синтезированного послесвечения. Проигрывание может быть в истинном или в относительном движении. В истинном движении изображение может быть стабилизировано относительно воды или грунта.
ТЕМА 3 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА
3.1 Станция управления движением судна. Назначение и структура.
Назначение. Бортовая станция управления движением - СУД (Maneuvering Control Station) служит для дистанционного управления судовыми силовыми средствами и для задания различных режимов управления движением судна. На ней сосредоточены органы для управления курсом, траекторией и скоростью судна.
СУД представляет собой пульт управления. Силовые средства, используемые при маневрах судна, и системы дистанционного управления ими характеризуются в специальных курсах подготовки штурманского состава.
Состав. На станции управления движением судна расположены:
Многофункциональный штурвал (или круглая поворотная рукоятка) для управления курсом; Панель органов управления курсом и траекторией (Steering Controls);
Панель органов дистанционного управления пропульсивными устройствами (Main Engine and Thrusters Controls)
Дисплей для вождения судна (коннинг дисплей).
Рис. 3.1. Внешний вид станции управления движением судна.
Когда судно полностью управляемо по всем горизонтальным степеням свободы на предельно малых скоростях хода и снабжено дистанционной автоматизированной системой управления позиционированием (маневровой системой), то на станции управления имеется дополнительно панель органов управления маневровой
3.2. Панели органов управления.
Панель для управления курсом и траекторией. На этой панели размещены органы, с помощью которых производится ручное управление судном по курсу, выбираются режимы управления курсом и траекторией судна, задаются параметры поворотов, производится настройка авторулевого.
Внешний вид панели управления курсом и траекторией СУД интегрированной системы ходового мостика фирмы «Praxix automation technology» (Голландия) представлен на рис 3.2
Рис. 3.2. Панель управления курсом и траекторией.
Режимы управления курсом. Количество таких режимов зависит от типа, установленного на судне авторулевого (АР).
Ручные режимы. Может быть, два ручных режима для управления судном по курсу: «простой» и «следящий» или только один «следящий» режим Автоматические режимы управления курсом. Если на судне установлен неадаптивный АР, то автоматический режим один. Он обычно именуется - «Автомат» (Auto). В этом режиме, если не производится ручная настройка, коэффициенты закона регулирования остаются постоянными. Поэтому этот режим иногда называют «Auto-fixed».
Когда на судне адаптивный АР, то может быть несколько автоматических режимов управления курсом: один без адаптации «Auto-fixed» и два или три с адаптацией, отличающиеся используемым критерием оптимальности. Это может быть критерий безопасности, направленный на обеспечение максимальной точности регулирования, и экономичный - предусматривающий минимальный расход ресурсов. Первый из этих режимов часто называют «Стесненные воды» (Confined waters), второй - «Открытое море» (Open sea).
У некоторых адаптивных АР имеется и третий режим адаптации, специально для оптимизации управления в условиях шторма -«Штормовые условия» (Rough sea).
В режиме «Auto-fixed» авторулевой выполняет регулирование курса по неизменному закону с постоянными коэффициентами, некоторые из которых можно подстроить вручную.
В режимах адаптации при изменении внешних и внутренних условий работы авторулевой самостоятельно изменяет характер управления для обеспечения наилучшего по выбранному критерию качества управления. Адаптивные авторулевые обычно приспосабливаются к изменению загрузки, скорости судна, глубины на мелководье, к изменению степени волнения и характера рыскания.
Режимы управления движением по траектории. Суда, на которых устанавливаются ИСМ, снабжаются системой автоматической вождения судна по заданной траектории - САВТ (Track Control System).
Со станции управления движением может устанавливаться ручной или автоматический режим проводки судна по траектории.
В автоматическом режиме САВТ сама без непосредственного участия человека проводит судно по запланированному пути, элементы которого должны храниться в памяти ИСМ. Автоматический режим часто именуют навигационным режимом (NAV). Для него могут использоваться и названия: 'Track steering", "Track keeping", "Track auto". Некоторые САВТ дополнительно к названному имеют автоматический режим управления, обеспечивающий движение к заданной точке (Way point steering) Регулировки для режима «Auto-fixed». В различных типах авторулевых при ручной настройке на качественное управление регулируются разные параметры. Для настройки большинства находящихся в эксплуатации авторулевых используется три-четыре регулировки. Встречаемые в АР виды регулировок приведены ниже.
Регулировка общего коэффициента усиления управляющего сигнала (Ар). Такая регулировка называется «Руль» (Rudder). С ее помощью пропорционально изменяется величина вырабатываемого АР заданного значения перекладки руля. Диапазон выбора Ку обычно составляет 0.5-5-5.0. Регулировка коэффициента усиления управляющего сигнала, пропорционального производной рыскания (Ад). Регулировка ку определяет степень одерживания судна рулем. Чаще всего она называется «Контрруль» (Counter rudder). Диапазон изменения значений кД лежит в пределах от 0 до 30. Для установки регулятора обычно используется шкала с условными делениями, от нуля до единицы, либо от нуля до десяти.
Регулировки для подстройки АР к работе при плохой погоде. Для этой цели может применяться регулировка зоны нечувствительности, либо регулировка скорости руля. Они предназначены для уменьшения частоты и величины перекладок руля при рыскании судна на волнении.
С помощью первого регулятора загрубляется работа авторулевого путем увеличения диапазона его нечувствительности в условиях волнения. Зона нечувствительности может выбираться в пределах 0°-3°. Этот регулятор называется «Рыскание» (Yaw). В некоторых АР для него используется название «Погода» (Weather).
Регулятор «Скорость руля» (Rudder's rate) служит для снижения реакции авторулевого на волновое рыскание путем уменьшения скорости руля. С увеличением рыскания судна от волн скорость руля уменьшают. Диапазон выбора регулируемого параметра обычно составляет 1.5^-5.0 °/с.
Регулировка «Рулевой предел» (Rudder limit) используется для ограничения максимального значения перекладок руля. Применяется она с целью избежания значительных углов крена при поворотах. Диапазон выбора ограничений обычно составляет 5 - 35 ˚. Задание автоматически выполняемых поворотов включает установку: функции поворота, ее параметра, значения нового курса.
Наиболее распространенными функциями автоматического изменения курса являются: - с заданной угловой скоростью, с заданным радиусом.
Установка значений параметра функций поворотов может быть плавной либо дискретной.
В зависимости от времени начала выполнения могут быть два режима поворотов:
с началом в момент установки нового курса (Accept HTS),
с началом по дополнительной команде после назначения нового курса (Preset HTS).
Панель пропульсивных установок, На этой панели располагаются органы управления главным двигателем и подруливающими устройствами. В качестве примера на рис. 3.3 представлена панель пропульсивных установок фирмы «Praxix automation technology».
Рис. 3.3. Панель управления главным двигателем, носовым поперечным и кормовым азимутальным подруливающими устройствами
3.3. Коннинг дисплей.
Монитор СУД служит для отображения входных и выходных параметров систем управления судном и называется коннинг дисплеем (Conning Display). Это название происходит от английского слова con, которое означает - вести судно.
Коннинг дисплей представляет судоводителю заданные и текущие значения управляемых величин, основные элементы движения судна, параметры действующих на судно возмущений.
Для изменения и поддержания скорости хода могут выбираться следующие режимы управления главным двигателем:
Нормальный маневренный,
Замедленный экономичный для набора и снижения скорости,
Для длительного движения одним ходом,
Экстренный.
С панели управления пропульсивными установками на СУД может обеспечиваться выполнение следующих операций:
- пуск подготовленною к работе ГД, а в случае неудачного первого пуска -повторные попытки с подачей светозвукового сигнала;
- реверс ГД в особых случаях экстренный реверс дизеля с подачей контрвоздуха при определенном снижении частоты вращения с возможностью одновременного отключения защит, кроме защиты по разносу двигателя; изменение частоты вращения вала ГД в соответствии с нормальной, замедленной и экстренной программами управления;
- аварийная остановка ГД при подаче соответствующей команды с пульта управления;
- независимый от компьютерного, ручной режим управления главным двигателем с мостика.
Панель маневровой системы. Суда, которые на предельно малых скоростях способны управляться по всем горизонтальным степеням свободы, называются вполне или полностью управляемыми. Для обеспечения такой управляемости судно снабжается достаточным числом вспомогательных силовых средств: поперечными и/или азимутальными подруливающими устройствами, активными рулями или другими средствами.
На вполне управляемых судах, имеющих несколько силовых органов, стали популярными джойстиковые системы управления, значительно упрощающие задачу маневрирования в стесненных акваториях. В этих системах выполнение маневров сводится к управлению плоскопараллельным перемещением судна с помощью джойстика и к управлению его ориентацией по курсу с помощью штурвала либо круглой поворачивающейся рукоятки - кноба. Выбор соответствующих режимов работы силовых средств по командам джойстика и кноба выполняет компьютер.
Переход от оперирования отдельными силовыми средствами (винтами, рулями, подруливающими устройствами...) к управлению только плоскопараллельным движением и ориентацией по курсу, позволяет минимизировать количество органов для ручного управления маневрами судна.
Системы для упрощенного выполнения маневров на предельно малых скоростях хода называют электронными маневровыми системами. Их также именуют джойстиковыми дистанционными системами управления судном, либо системами дистанционного автоматического управления позиционированием (ДАУП). Эти системы устанавливаются на пассажирских лайнерах и паромах, судах, буксирах спасателях, танкерах, газовозах и на других судах, деятельность которых связана с частыми маневрами при малых скоростях движения или с необходимостью обеспечения повышенной безопасности.
Современные джойстиковые маневровые системы являются компьютеризованными. Они имеют режимы:
- ручного управления плоскопараллельным движением с помощью джойстика и ориентацией по курсу с помощью кноба;
- ручного управления плоскопараллельным движением с автоматической стабилизацией курса.
В ИСМ на станции управления движением на панели маневровой системы располагаются:
включатель маневровой системы в работу;
кноб - круглая рукоятка для управления курсом (вращением корпуса);
переключатель трех видов поворотов судна с центром: в носу, на миделе, в корме;
переключатель двух режимов управления курсом: ручного и автоматического;
джойстик - рукоятка для управления плоскопараллельным движением судна.
Рис. 3.4. Панель управления маневровой системы.
В качестве примера на рис, 6.4 показана панель управления маневровой системы фирмы «Praxix automation technology».
При управлении плоскопараллельным движением сторона наклона джойстика, задает направление силы упора, которую должны создать силовые средства. Величина наклона джойстика определяет модуль результирующей силы упора.
Кнобом в режиме ручного управления курсом задается величина момента для поворота судна. Сторона, в которую поворачивается кноб, определяет направление изменения курса. Угол отворота кноба от нулевого положения задает величину управляющих сил, обеспечивающих поворот судна относительно выбранного центра вращения.
В режиме авто ориентации кнобом устанавливается курс, который должна автоматически удерживать маневровая система.
РАЗДЕЛ 3. Интегрированные системы ходового мостика. Требования к интегрированным системам ходового мостика.
ТЕМА 3 СИСТЕМА ОЦЕНКИ И ОПТИМИЗАЦИИ МОРЕХОДНОСТИ
3.1. Общие сведения.
Мореходность и влияющие на нее факторы. Мореходностью
называется способность судна к безопасному плаванию в условиях интенсивного морского волнения и ветра. Мореходность может рассматриваться как безопасность нагрузок на судно в штормовых условиях с точки зрения остойчивости, прочности и герметичности корпуса, надежной работы систем и механизмов, управляемости. В условиях шторма величина воздействий на судно зависит от интенсивности волнения, размеров судна, его скорости и курса относительно направления распространения волн. Опасными являются напряжения на корпусе при больших амплитудах и ускорениях качки, при заливаемости носовой части судна, при различных видах слеминга (особенно днищевом), при оголении винта, при движении судна на попутных волнах большой высоты.
Самыми неблагоприятными по отношению к бортовой качке (с точки зрения величины вызывающих ее сил) являются курсовые углы к волне, близкие к 90°, а наилучшими - равные нулю или 180°. Когда судно в условиях сильного волнения располагается лагом к волне, особенно опасен резонанс бортовой качки.
По отношению к килевой качке влияние курсового угла волн обратное. На волнении с носа или с кормы килевая качка наиболее интенсивна. При встречном волнении существенно возрастает сопротивление движению судна, могут наблюдаться явления заливания носовой части судна, оголения винта, слеминга.
Значительное увеличение сопротивления ходу судна в условиях волнения может привести к перегрузке главного двигателя и к необходимости снижения его мощности.
Изменение погружения и оголение гребного винта сопровождается/ снижением эффективности его действия, попеременным разгоном и торможением, значительными колебаниями нагрузки на гребном .валу. Это оказывает вредное влияние на главный двигатель и требует ограничения его мощности по защитным параметрам.
Переменные гидродинамические нагрузки, действующие на винт при качке, могут вызвать вибрацию гребного вала и кормы, привести к поломке лопастей винта, конструкций гребного валопровода. Разгон и торможение винта при его периодическом оголении и погружении неблагоприятны для гребных установок, особенно для широко распространенных дизельных двигателей.
Наибольшее заливание носовой части судна происходит на встречном волнении при условии равенства длины волны длине судна.
Слеминг появляется на волнении с носовых курсовых углов, когда:
кажущийся период волнения близок к периоду собственных колебаний судна при килевой качке,
кажущаяся крутизна волны составляет не менее 1:30,
- скорость вертикальных колебаний корпуса превышает 3.5 м/с.
Бортовой слеминг (випинг) представляет собой сильные удары волн в развал носа. Они могут сопровождаться вибрацией корпуса. Явления заливания и випинга вызывают повреждения бака, наружной обшивки, люковых закрытий, палубного оборудования и т.д.
Днищевой слеминг появляется при сильном волнении с носовых курсовых углов, когда осадка носом меньше 0.04-КХ05 длины судна. Большие динамические нагрузки на днище судна при ударе об воду могут привести к серьезным повреждениям обшивки, набора корпуса и оборудования.
Резонансные явления. При резонансе интенсивность качки и соответственно величина нагрузок на корпусе резко возрастают. Условием возникновения резонанса (бортовой, килевой, вертикальной) качки является совпадение периода собственных колебаний судна на качке с кажущимся преобладающим периодом волнения в диапазоне ±30%. Исходя из этого условия, определяются резонансные зоны волнения. Под резонансной зоной понимается область значений курса и скорости судна, в которой период кажущегося волнения находится в пределах (0.7+1.3) Тк, где Тк - период собственных колебаний судна при качке
Следует учитывать, что резонансная зона - не всегда эффективная оценка опасности нагрузок на корпусе, так как интенсивность резонансных явлений зависит от силы волнения, размеров судна, а также от его демпфирующих свойств. При умеренном волнении в резонансной зоне энергии волн может оказаться недостаточно, чтобы раскачать крупнотоннажное судно до значений, при которых нагрузки на корпусе опасны.
Суда со скуловыми килями, обладающие большими демпфирующими свойствами, накреняются меньше и испытывают меньшие нагрузки при резонансе бортовой качки. Поэтому в действительности опасные области сочетаний значений курса и скорости судна в условиях волнения могут быть как уже, так и шире резонансных зон.
Уменьшение остойчивости. Опасным в отношении потери остойчивости является движение судна на сильном попутном волнении, когда длина и скорость волн близки к длине и скорости судна. При прохождении вершины волны около миделя судна при равенстве ее длины длине корпуса поперечная метацентрическая высота и остойчивость судна уменьшаются. Когда скорость бега волны равна скорости хода, то неустойчивое состояние судна сохраняется продолжительное время, которое может оказаться достаточным для появления опасного крена, чреватого опрокидыванием судна.
При движении на спутной волне может произойти потеря управляемости и самопроизвольный разворот судна лагом к волне сопровождаемый большим креном - брочинг. Наиболее опасным является захват судна на переднем склоне волны, имеющей скорость больше скорости судна и длину Брочингу в основном подвержены малые суда.
Методы оценки мореходности. Традиционно судоводители судят о мореходности на основе оценки характера качки, по отсутствию заливаемости, слеминга, оголения винта. При такой оценке используются различного вида штормовые диаграммы. Из всех элементов волнения и качки инструментально в традиционном методе измеряется только период и направление волнения.
Более объективная оценка мореходности судна выполняется с помощью приборных методов. Они основываются на косвенном и непосредственном измерении напряжений корпуса с последующим сравнением получаемых значений с допустимыми для судна. В условиях волнения силы на корпусе косвенно характеризуются параметрами качки.
Применение приборных методов стало возможным после создания надежных измерительных устройств, необходимых для оценки мореходности. Современные датчики параметров движения судна накачке включают в свой состав акселерометры и микропроцессор. Они могут измерять ускорение, скорость и величину:
бортовой качки,
килевой качки,
вертикальной качки,
рыскания, поперечного движения корпуса.
Созданы устройства для непосредственного измерения напряжений на корпусе, а также аппаратура для получения параметров морского волнения (высоты, периода, направления) по данным судовой навигационной РЛС, .
Рис. 3.1. Основной модуль системы."
Приборный метод реализован в специальных электронных системах для оценки мореходности. В ограниченной конфигурации они получили название «Системы мониторинга нагрузок на корпусе» - СМН (HuH Stress Monitoring System - HSMS).
В относительно полной конфигурации эти системы называют по-разному. Одно из таких названий - Системы оценки и оптимизации мореходности - COM (Vessel Seaworthiness Assessment and Optimization System).
В настоящее время устройствами для измерения параметров качки и напряжений корпуса снабжены около 100 балкеров, ряд танкеров и контейнеровозов. Вид расположенного на мостике модуля одной из таких систем представлен на рис. 7.1.
Внедрение электронных систем оценки мореходности в практику судовождения обусловлено следующими обстоятельствами.
Используя традиционную методику оценки мореходности для крупнотоннажных судов, особенно балкеров, даже опытный капитан в отдельных случаях не может с уверенностью сказать, опасны ли вызванные волнением нагрузки на корпусе. Этот недостаток традиционного метода подтверждается статистикой конструктивных повреждений балкеров на волнении. Доля таких повреждений, а в общем числе аварий и аварийных происшествий составляет около 15%.Учитывая необходимость их уменьшения, ИМО разработало «Рекомендации по установке систем мониторинга нагрузок на корпусе для повышения безопасной эксплуатации судов, перевозящих сухие грузы навалом» (Maritime Safety Committee circular, MSC/Circ/646, 1994).
Побуждающим фактором для внедрения систем оценки мореходности на разных типах судов стало также ужесточение требований к анализу причин аварий. Так как конструктивные повреждения являются одним из видов аварий, то при разработке требований к судовому регистратору данных рейса (РДР) ИМО посчитало целесообразным внести в состав подлежащих регистрации параметров - ускорения и нагрузки на корпусе (резолюция ИМО А.861(20), 1997). Это требование влечет за собой необходимость установки на судах, которые должны быть оборудованы РДР (суда валовой вместимостью свыше 3000 р.т. и пассажирские суда), приборов или систем для измерения названных параметров7.2. Рекомендации ИМО по установке СМН.
Системы мониторинга нагрузок на корпусе ИМО рекомендует устанавливать на балкерах дедвейтом 20 тыс. тонн и более. Аппаратурное и программное обеспечение системы должно быть одобрено Администрацией. В приложении к циркуляру MSC/Circ/646 содержатся минимальные требования к СМИ, которые освещены ниже.
Цель. Система мониторинга нагрузок на корпусе предназначается для обеспечения капитана и штурманского персонала информацией о параметрах качки и нагрузках на корпусе в процессе рейса и в течение погрузочных/разгрузочных операций.
Эта система должна рассматриваться как вспомогательное средство, Она не освобождает судоводительский состав от принятия решений по обеспечению безопасности судна и от ответственности.
Компоненты системы. ИМО предлагается следующая конфигурация СМН:
датчики напряжений на корпусе,
акселерометр для измерения вертикального ускорения на носу судна,
два акселерометра в центральной части судна для измерения ускорений бортовой качки и поперечного смещения,
- микропроцессор,
- дисплей для представления информации датчиков и результатов ее обработки в удобном для оператора виде,
- устройство хранения данных для аккумулирования информации с целью ее статистической обработки.
Датчики напряжений устанавливаются на главной палубе около каждого грузового трюма и в местах возникновения при общем продольном изгибе максимальных сил сжатия и растяжения. Они должны измерять силы напряжения палубы в процессе рейса и при грузовых операциях.
Микропроцессор предназначен для интерпретации сигналов датчиков, для сравнения их с допустимыми граничными значениями, одобренными национальной Администрацией. Рекомендуется соединять его с компьютером для расчета погрузки с целью получения сведений о фазе погрузочных или разгрузочных операций (начальная, промежуточная, конечная). Процессор с помощью звуковых и визуальных средств должен сообщать о высоких уровнях нагрузки на корпусе, приближающихся к пороговым значениям.
Информация датчиков. Измерители напряжений на главной палубе должны учитывать температурный эффект и давать информацию о текущем и среднем значении нагрузки в месте их установки. На основе анализа этой информации должны формироваться предупреждения о возможности проникновения воды в трюма.
Требуется, чтобы сигналы от акселерометров характеризовали вертикальное и поперечное движение корпуса судна. На основе анализа этой информации должны вырабатываться предупреждения о возможности слеминга.
Контроль работы системы. В системе следует использовать средства, гарантирующие целостность получаемой информации. Проверки всей системы должны производиться через интервал времени, одобренный Администрацией.
3.2 Системы для оценки и оптимизации мореходности.
Кратко охарактеризуем теперь более совершенные средства, предназначенные для оценки, прогноза и оптимизации мореходности в процессе перехода и для контроля прочности корпуса при грузовых операциях. Они представляют собой системы информационной поддержки решений судоводителя по обеспечению безопасности судна в штормовых условиях.
Такая система использует для решения своих задач информацию приборов, перечисленных в рекомендациях ИМО к СМН, и данные других измерительных устройств. Среди них можно назвать:
- инклинометры для измерения ускорений, скорости и углов бортовой и килевой качки;
- приемник СНС для получения координат места, путевого угла и путевой скорости судна;
- датчик давления воды на уровне днища в носовой части для оценки погружения форштевня, слеминга;
- датчики параметров работы ГДУ (частоты вращения и упора винта, момента на валу, передаваемой мощности) для получения информации об изменениях сопротивлений движению судна и вращению винта;
- подсистему мониторинга параметров морского волнения по данным РЛС.
Существующие системы для оценки, прогнозирования и оптимизации мореходности в определенной степени отличаются друг от друга составом оборудования, перечнем решаемых задач, информационными ресурсами.
Типовая СОМ выполняет следующие функции:
- Постоянно измеряет параметры качки (вертикальное, боковое ускорения, углы бортовой и килевой качки, погружение носа и др.), силы сжатия/растяжения от общего продольного изгиба в различных местах.
- Сравнивает результаты измерений с допустимыми предельными значениями.
-Сигнализирует о превышении пороговых значений.
-Сохраняет результаты измерений, производит их статистический анализ.
-Показывает графики изменения измеряемых параметров за введенный
оператором интервал времени.
-На основе обработки результатов измерений за время, порядка 20 минут,
определяет высоту, период и направление волн.
-Оперативно предсказывает на следующие 20 минут параметры качки,
вероятность слеминга, заливания, оголения винта.
-Вырабатывает рекомендации о благоприятных (с точки зрения
мореходности) значениях курса и/или скорости для движения в условиях
волнения.
По введенным данным о предполагаемом новом курсе и/или скорости предсказывает параметры всех видов качки, нагрузки на корпусе, вероятность слеминга, заливаемости и оголения винта, величину падения скорости. Предупреждает, если предсказанные значения параметров превышают пороговые.
Позволяет через каналы связи получать, сохранять в памяти и отображать на экране прогнозы погоды через 12 часов на время до 7 суток вперед.
По прогнозу волнения, по данным о намеченном курсе и скорости находит прогностические оценки падения скорости, параметров всех видов качки, нагрузок на корпусе, определяет вероятность слеминга, заливания палубы и оголения винта. Сигнализирует, если результаты прогноза неблагоприятны для судна.
Позволяет оформлять отчеты об условиях плавания и параметрах, характеризующих мореходность судна, на различных участках выполненного рейса.
Если в состав СОМ входит подсистема мониторинга морского волнения по данным РЛС, то значения параметров волнения получаются практически в реальном масштабе времени (с запаздыванием 2 мин.).
Достоинства системы. Внедрение систем для оценки мореходности на судах повышает безопасность плавания, погрузки/выгрузки, и экономическую эффективность эксплуатации судов за счет:
более точной и объективной оценки нагрузок на корпусе в условиях волнения по сравнению с традиционным методом;
непрерывного контроля нагрузок при грузовых операциях;
снижения вероятности повреждений обшивки и набора судна, груза, механизмов;
• уменьшения затрат на ремонт
Кроме того, эта система обеспечивает получение информации, подлежащей регистрации в «черном ящике» РДР.
3.4. Система мониторинга параметров морского
волнения.
Основные сведения о системе.
Назначение. Система мониторинга параметров волнения (CMI7B)
служит для:
извлечения данных о волнении из эхосигналов РЛС,
сохранения полученных данных,
представления судоводителю значений параметров волнения на текущий и прошлые моменты времени,
уведомлений об изменении силы волнения.
Данные о волнении на судне используются для разных целей. Во-первых, они нужны при выборе режима штормования. Одним из достоинств СМПВ является то, что эти данные могут быть получены не только в дневных, но и в ночных условиях. При необходимости то позволяет штурманскому составу изменять режим штормования и ночью, не дожидаясь утра. Во-вторых, знание реальных параметров волнения способствует улучшению адаптации авторулевых.
Следует также отметить, что высота значительных волн является основным операционным параметром для разрешения эксплуатации высокоскоростных судов. На таких судах СМПВ позволит в процессе рейса определять, приближаются ли к предельному значению высоты волн при ухудшении погоды.
На судне система мониторинга параметров волнения может работать автономно, либо входить в состав системы оценки и оптимизации мореходности.
Состав системы и предоставляемые данные. СМПВ состоит из конвенционной навигационной РЛС, высокоскоростного дигитайзера для преобразования эхосигналов РЛС в цифровой код, блока хранения данных, стандартного персонального компьютера и специального программного обеспечения.
СМПВ предоставляет текущие и прошлые значения следующих параметров волнения:
-высоты h значительных волн;
высоты h мах максимальных волн
обеспеченности:
среднего периода волнения;
периода преобладающих волн;
скорости и направления бега преобладающих волн; длины преобладающих волн.
Под преобладающими волнами здесь понимается главная гармоника волнения, соответствующая пику его спектра. На эту гармонику приходится максимум энергии волн.
СМПВ легко различает волны с длиной 40-бОО м. и с периодом от 5 до 40 с.
В графической форме на дисплее системы могут отображаться:
-частотный спектр волнения,
-спектр по направлению,
-спектр по частоте и направлению,
-график изменения во времени высот значительных волн и периода преобладающих волн,
-другие данные.
На рис. 7.4. показан вид представления данных о волнении в СМПВ Wavex фирмы Miros (Норвегия). Эта система обеспечивает получение параметров волнения с погрешностями
Рис. 3.4. Отображение информации о волнении в СМПВ Wavex. "
Требования к РЛС. Из существующих систем мониторинга параметров морского волнения по данным РЛС можно назвать Wavex фирмы Miros (Норвегия) и систему WaMoS фирмы OceanWaves (Германия). Название первой системы является сокращением от Wave Extractor, а второй - от Wave Monitoring System.
Охарактеризуем требования к РЛС со стороны системы Wavex. Для возможности получения данных волнения с требуемой точностью технические параметры РЛС должны быть следующими:
диапазон волн - 3-х сантиметровый (X-band);
ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости - не более 1.3°;
частота вращения антенны - 24-48 об/мин.
длительность зондирующего импульса - 50-80 не. '' '
частота повторения импульсов - 1000-2000 Гц или больше
• высота антенны над уровнем моря - 15+45 м,
Для целей мониторинга волнения выбирают малые шкалы дальности РЛС, обычно в пределах 3-х миль.
7.4.2. Интерпретация волнения и эхосигналов РЛС от моря.
Два типа повторяющихся явлений. Существуют события и явления, которые происходят через одинаковый интервал во времени или в пространстве.
Повторяющиеся во времени события характеризуются периодом, обозначим его At, Величина /, = 1/Д* называется частотой или временной частотой события. Ее также именуют частотой повторения во времени или частотой по временной координате. Отношение cot = wt представляет собой угловую (круговую) частоту повторения события.
Повторяющиеся в пространстве явления. События могут повторяться и в пространстве, Например, по линии электропередачи столбы для проводов устанавливаются через одинаковый интервал расстояния, обозначим его Ах. Отношение fx = l/Дх именуется частотой события по пространственной координате х. Величина сах == 2w/Ах представляет собой угловую (круговую) частоту повторения события по координате х.
С целью сокращения названий угловые частоты w а>Wc повторения событий по координатам t, х, у, ... соответственно будем также именовать t-частотой, х-частотой, у-частотой.
Интерпретация волнения. Волнение относится к явлениям, элементы которых имеют повторяющийся характер. Реальное волнение моря представляет собой протекающий во времени нерегулярный, трехмерный процесс. Следующие одна за другой волны различаются между собой по амплитуде, периоду, длине и форме. Протяженность гребней ветровых волн невелика и составляет около 2^-3 длин волны. У зыби протяженность гребней значительно больше. В ряде случаев она рассматривается как плоские волны, т.е. как двухмерные волны с бесконечной длиной гребней. Предельные высоты ветровых морских волн составляют 20М) м., а их длина не превышает 600 м.
Нерегулярность и определенная хаотичность взволнованной поверхности моря дали основание представлять волнение в виде случайного стационарного процесса. При этом волнение рассматривается как суперпозиция (наложение) бесконечного множества элементарных гармонических (синусоидальных) плоских волн, отличающихся по амплитуде, частоте, направлению.
Морское волнение анализируют во времени и в пространстве. При решении задачи нахождения параметров волнения по эхосигналам РЛС высота h морской волны рассматривается как случайная функция трех аргументов
h=Fahd(x,y,t).
Аргументами этой функции служат т - время; х, у - координаты точек в горизонтальной прямоугольной системе хоу.
Для получения данных о волнении анализируется обычно информация РЛС о небольшом участке акватории около судна, порядка ±600 м по х и у. Назовем этот участок субакваторией.
Начало системы хоу помещается в точке субакватории, соответствующей расположению антенны РЛС. При наблюдении волнения на судне ось ох направляется вдоль ДП к носу. Если волнение оценивается с неподвижного относительно грунта объекта, например, с буровой платформы или с береговой станции, то ось ох обычно направлена на север.
Виды координатной системы субакватории. Сокращенно в общем случае систему хоу обозначим как (о) .
Когда эта координатная система связана с объектом, который не имеет перемещения относительно воды, назовем ее (о).
Если РЛС, а, следовательно, и начало системы хоу (антенна РЛС) находится на движущемся судне, то хоу представим как систему (S).
Символом (р) обозначим систему хоу, которая связана с неподвижным относительно грунта объектом. Это случай, когда РЛС установлена на берегу, либо на буровой или нефтегазовой платформе,
Основные зависимости между элементами плоских волн.
Расстояние Ар между соседними гребнями по этой оси представляет собой длину волны, Угол q между осью ох и обратным направлением ор (направлением, откуда приходят волны) называется курсовым углом волн.
Промежутки между соседними гребнями волн по направлениям ох и оу обозначим соответственно Ах , Ау . Учитывая изложенное выше, можно получить следующие выражения для угловых частот волнения по осям ох, оу, ор:
а>х = 2л-/Ах, (оу = 2х/Ау, а>р = 2л/Ар = 2xflw
3.5Система планирования и оптимизации пути
. Общие сведения о планировании рейса.
Задача планирования рейса. Для всех судов требуется планировать рейс и переход судна. Эта необходимость определяется наличием большого числа факторов, влияющих на безопасное плавание, чистоту окружающей среды и эффективность перевозки. Одни факторы затрудняют движение всех судов. Другие причины влияют на плавание отдельных видов судов, например, крупнотоннажных, или судов со слабой машиной, либо перевозящих опасные грузы судов и т.д.
План перехода требуется составлять в начале рейса и корректировать по мере необходимости в процессе его выполнения. При планировании должна быть оценена вся относящейся к переходу судна информации, и разработан подробный график выполнения предстоящего рейса от причала порта отхода до причала порта назначения, включая и районы, где лоцман должен быть на борту судна.
Планирование рейса связано не только с установлением безопасного и эффективного пути следования к пункту назначения. Оно также включает определение будущего образа действий при выполнении перехода, закладку основ для принятия будущих решений, для предотвращения возможности ошибочных действий. Иными словами, планирование должно включать формирование стратегии управления. Напомним, что под стратегией управления в общем случае понимается план (алгоритм), определяющий последовательность управляющих действий, обеспечивающих решение задачи, имеющей определенную протяженность во времени.
С целью выработки стратегии выполнения рейса производится прогнозирование обстоятельств, которые могут возникнуть на предстоящем переходе. Такое прогнозирование будущих условий работы является основным средством совершенствования плана перехода .Для предсказания погодных условий на участках планируемого пути используются два вида прогнозов - долгосрочные и кратковременные.
Долгосрочное прогнозирование основывается на среднестатистических данных о погоде на каждый месяц или на сезон года, полученных по результатам многолетних гидрометеорологических наблюдений. Такие среднестатистические сведения о погодных условиях для разных акваторий приведены в различных навигационных пособиях (в лоциях и в других руководствах для плавания), на климатических (лоцманских) картах и в некоторых других изданиях. По этой информации оцениваются погодные условия на разных участках будущего пути на время всего рейса. Долгосрочное прогнозирование погоды применяется обычно при составлении плана рейса до его выполнения.
Краткосрочные прогнозы (до семи суток вперед) получаются по каналам связи от метеорологических центров и служб. Рациональность составленного плана перехода в значительной мере определяет эффективность, безопасность выполнения рейса и его экономические показатели. Необходимая информация. При составлении плана перехода требуется учитывать:
навигационные и гидрометеорологические условия;
установленные пути движения, системы судовых сообщений, службы движения судов, меры по защите морской среды;
-состояние судна и его механизмов, оборудование, эксплуатационные и
другие ограничения;
-маневренные и мореходные качества судна;
особые свойства груза, условия его сохранной перевозки, укладку, крепление;
- интенсивность движения судов;
- коммерческо-правовые условия; другие факторы, влияющие на безопасность плавания, эффективность рейса, чистоту окружающей среды.
Этапы планирования. Условно в процессе планирования перехода можно выделить следующие этапы:
Подбор и общая оценка всей относящейся к рейсу информации;
Определение начального варианта пути, подбор карт и пособий на переход;
Прогностическая оценка внешних условий на выбранном маршруте;
Анализ влияния условий предстоящего плавания на судно и груз;
Оценка плана перехода и его оптимизация по различным критериям.
Документирование результатов планирования.
3.6. Назначение СПП и ее состав.
Назначение системы. Для повышения эффективности эксплуатации судов создаются специальные автоматизированные системы планирования рейсов. Они разделяются на береговые и бортовые системы. Ниже рассматриваются только бортовые СПП, входящие в состав ИСМ.
Оборудование для планирования перехода представляет собой электронную систему поддержки решений судоводителя по выбору пути судна. Она служит для облегчения и ускорения планирования эффективного маршрута перехода с обеспечением высокой навигационной безопасности, мореходности судна и чистоты окружающей среды.
Готовых алгоритмов, позволяющих автоматически учесть все влияющие на предстоящий переход факторы и составить оптимальный план, нет. Поэтому на современном этапе задачи по выбору стратегии плавания разделяются между электронной системой и судоводителем.
На электронную систему возлагается:
оказание помощи в выборе первоначального варианта пути;
обеспечение возможности быстрого получения информации для оценки внешних условий предстоящего плавания;
предоставление «инструментов» для анализа влияния условий будущего плавания на судно и груз;
создание возможности для оперативных оценок плана перехода по разным показателям;
предоставление «инструментов» для редактирования выбранного маршрута и его оптимизации;
документирование результатов планирования.
Структура системы и основные требования к ее использованию. Бортовая СПП строится на основе персонального компьютера. Она включает в себя: системный блок, клавиатуру, манипулятор, средства отображения, документирования и регистрации информации, интерфейсные устройства для взаимодействия с другой аппаратурой, информационные ресурсы. При планирования рейса с помощью электронной системы рекомендуется применять только официальные электронные карты. При наличии на судне ECDIS, если официальными векторными данными, удовлетворяющими требованиям к ECDIS, обеспечен весь переход судна, то намечаемый путь может наноситься только на ЭК, без графической его прокладки на бумажных картах. В противном случае, а также при использовании официальных растровых карт, намеченный маршрут должен наноситься как на электронные, так и на бумажные карты. Системы с неофициальными ЭК не рекомендуется применять для планирования пути и исполнительной прокладки.
3.7 Информационные ресурсы системы.
Для возможности выполнения своих задач СПП снабжается специальными базами данных и программами для вычисления необходимых параметров, оценок, характеристик.
Базы данных содержат постоянную и медленноменяющуюся информация, требуемую при планировании пути судна. Следует отметить, что часть из этих ресурсов может принадлежать другим подсистемам ИСМ, в частности, навигационно-информационной системе. В этом случае системе планирования пути обеспечивается возможность использования информационных ресурсов НИС и других частей ИСМ.
Количество и полнота информационных баз СПП зависит от ее вида. В обобщенном варианте перечень баз данных, используемых при планировании пути, выглядит следующим образом:
Картографическая база:
База для расчета приливных явлений
База сведений.
База для расчета приливных явлений;
База сведений о портах;
База данных о судне;
База рекомендованных
Базы корректур;
Другие базы.
Для открытых мест, в которых наблюдаются приливные течения, в базе данных помещены:
-координаты точки,
меридиональная и по параллели составляющие скорости постоянного течения,
-гармонические постоянные меридиональной и по параллели составляющих скорости приливного течения.
Климатическая база данных (ее также называют - базой лоцманских карт или среднемесячных климатических условий) содержит основанные на многолетних наблюдениях статистические сведения о погоде каждого месяца на весь Мировой океан с разрешением в среднем один градус. Это данные о ветре, о поверхностных течениях, о высоте волн, температуре воды и воздуха. Сведения могут храниться в графическом и/или в символьном форматах. Наиболее объемная из таких баз составлена в фирме «Транзас». Она содержит порядка 480 тыс. векторов поверхностных течений, по 450 тыс. параметров превалирующих, результирующих ветров, значений высот волн.
Современная база портов захода включает информацию практически обо всех портах мира (более 8000 портов). Она содержит каталог портов и сведения о них. О каждом порте предоставляются такие данные:
Индекс порта и название;
-Необходимость; предварительного уведомления об ожидаемом времени прибытия;
- Широта и долгота
-Наставления для плавания
-Карты порта и его подходов;
-Лоцманская проводка;
-Размер гавани и ее тип;
-Буксиры;
-Предоставление убежища;
-Карантинные процедуры;
-Ограничения при входе
-Типы связи, предоставляемые портом;
База данных о судне хранит сведения о его измерениях, оборудовании, маневренных, мореходных качествах и другую информацию.
Базы корректур включает информацию для приведения на уровень современности содержания всех баз данных.
База районов со специальными условиями плавания. Для систем с растровыми картами образуют базу данных специальных районов плавания. В ECDIS информация об этих районах содержится в картографической базе.
К районам со специальными условиями относятся:
Зона разделения движения;
- Транзитный путь подводных лодок
Пересечение-зон
- Ледовый район;
Зона кругового движения;
- Двухсторонний маршрут;
Рыбный грунт;
Глубоководный маршрут;
Район,запретный для лова рыбы;
Рекомендованный путь;
Зона прибрежного плавания;
- Водо- (нефте-) провод;
Фарватер;
Район подводного кабеля;
Зона ограниченного плавания;
Якорная стоянка;
Район, запретный для
Зона повышенного внимания; постановки на якорь;
Шельфовая нефтегазовая зона
- Район дноуглубительных работ
- Район учений;
- Район перегрузки судов;
Район посадки
Район сжигания мусора;
гидросамолетов;
- Специальная защищенная зона,
Краткосрочная прогностическая информация. Система планирования пути обеспечивает прием от судовой системы связи информации о погоде, обмен информацией с навигационно-информационной системой, с системой мониторинга нагрузок на корпусе и с другими частями ИСМ.
СПП позволяет через каналы связи получать от наземных центров и со спутников в графическом и символьном форматах навигационные, метеорологические предупреждения, данные о погоде и хранить их в памяти. Ежедневно может приниматься следующая информация о погоде:
4 Штормовые и навигационные предупреждения
База прикладных программ. В эту базу входят:
программы для расчета всех интересующих судоводителя параметров маршрута,
программа для предвычисления приливных уровней и течений,
программа для оценки падения скорости и просадки на мелководье,
программа для нахождения по параметрам волнения амплитуд бортовой, килевой и вертикальной качки,
программа для определения резонансных зон,
программа для выбора наиболее благоприятных курса и скорости в условиях шторма,
другие программы.
СПП имеет функции для вызова любого рекомендованного маршрута из базы и коррекции его.
При определении начального варианта плана перехода путем использования рекомендованного маршрута не берутся во внимание. Кроме того, СПП предоставляет судоводителю функции:
1-цифрового ввода и корректировки параметров маршрута, координат поворотных точек, скорости на отрезках маршрута, времени прибытия в поворотные точки, значения безопасной глубины, а также расчета по опорным значениям всех интересующих судоводителя элементов маршрута;
2-отображение выбранного маршрута на ЭК для зрительной оценки с предоставлением возможности графического редактирования положения поворотных точек с помощью курсора. При этом могут использоваться операции добавления, вставки, смещения поворотных точек и изменения их последовательности; тестирования безопасности маршрута. Эта функция позволяет судоводителю протестировать запланированный маршрут на навигационные препятствия, опасные области глубин, районы с особыми условиями плавания;
3-реверсирования маршрутов (т.е. рассмотрения маршрута в обратном направлении);
4-печати опорных и расчетных данных выбранного маршрута, а также перечня карт на переход;
5-свободного выбора любой точки на линии намеченного маршрута для расчета дистанции и времени следования до любой следующей точки.
сПИСОК ЛитературЫ
1. Вагущенко Л.Л. Стафеев А.М. Автоматизация судовождения. Учебник. ОГМА.
2. Вагущенко Л.Л. Стафеев А.М Судовые автоматизированные Системы навигации.М.Транспорт.
3. Родионов А.Н. Автоматизация промыслового судовождения. Учебник для вузов.
Николай Иванович Величко
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ СУДОВОЖДЕНИЯ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Тираж_____экз. Подписано к печати_____________.
Заказ №________. Объем 3,15 п.л.
Изд-во “Керченский государственный морской технологический университет”
98309 г. Керчь, Орджоникидзе, 82.