Мобильная система управления движением судов для обеспечения безопасности мореплавания на акватории с интенсивным судоходством

Актуальность темы

Столкновения судов являются одним из самых опасных видов аварий в мореплавании, которые могут привести к повреждению или гибели нескольких судов с их грузом, экипажем и пассажирами. В истории мореплавания известно относительно небольшое число столкновений судов, которые приводили к их полному затоплению. Человеческие потери, сопровождающие эти виды аварий, гибель перевозимого груза, утраты других материальных ценностей, находившихся на судах, всегда вызывали повышенное внимание людей во всем мире. Столкновение судов часто сопровождается пожарами, затоплением большого числа отсеков каждого из судов и другими последствиями, препятствующими эффективным спасательным операциям. Повреждения судов при столкновениях ведут к потере их плавучести и остойчивости, нарушению других мореходных качеств и могут привести к гибели каждого из объектов столкновения.

Получить подробную статистику аварийных ситуаций (АС) морского флота сложно, а иногда невозможно, поскольку многие судоходные компании скрывают истинное число аварий. Существует ряд компетентных источников, ведущих статистический учет в данной области. Ежегодные статистические отчеты Международной морской организации (IMO) можно найти на сайтах Internet [88−95]. В работе [41] приводится статистика по самым крупным кораблекрушениям с 1588 по 1994 г. Анализ АС на море за период с 1995 г. по 2003 г. и до настоящего времени, выполненный на основании архивных материалов инспекции безопасности мореплавания, публикаций в открытой печати, Интернет-сообщений, материалов Федерального агенства по рыболовству РФ (Госкомрыболовства РФ), государственной администрации Мурманского морского порта, материалов архива РК «Красное знамя» (г. Мурманск), материалов некоммерческой организации «Союз рыбопромышленников севера» (НО «Союз рп. Севера») (г. Мурманск) и других источников, — всего свыше 200 АС, систематизированных по однородным признакам и классифицированных по типовым причинам — позволил выявить основные причины столкновений и классифицировать их [14]. В целях проследить современные тенденции анализ ограничен статистическими данными по причинам АС и их последствий за последние десять лет, однако полученная статистика сохраняется на протяжении нескольких десятилетий.

На первом месте среди причин АС находятся столкновения судов. На долю столкновений и навалов приходится 20,5% всех АС, в 2,3% случаев причина аварии осталась неизвестной. Причем, в условиях роста интенсивности морского судоходства сохраняется тенденция роста числа столкновений судов. Наибольшее число погибших являются жертвами столкновений. Тенденция изменения числа жертв серьезных аварий на море со смертельным исходом отражена на рис. В.1. При построении кривых была использована информация IMO по 18 странами и областями. Использованная выборка отражает заниженные сведения, т.к. во многих случаях отсутствуют официальные свидетельства о смерти или заключения коронера. На рис. В.1 синей линией показан характер изменения количества жертв аварийных ситуаций от всех видов аварий в процентном соотношении к общему их количеству за весь период с 1995 г. по 2003 г. Красными линиями обозначена гистограмма распределения по годам числа жертв от столкновений судов в процентном соотношении к общему числу смертных исходов за рассматриваемый год. На диаграмме видно, что тенденция роста числа жертв аварий на море сопровождается стабильным соотношением числа жертв от столкновений приблизительно на уровне 10%. Таким образом, в целом прослеживается тенденция роста числа смертельных случаев на море в результате столкновений судов среди всех видов аварий.

Среди всех видов навигационных аварий в Мировом морском флоте столкновения судов в наибольшей степени свидетельствуют о проблемах, существующих в организации движения судов.

Динамика изменения числа смертельных случаев от морских аварий от всех видов аварий от столкновении.

1996 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 год.

Рис. В.1.

Сравнение статистических данных по морским авариям за последнее десятилетие (1995 — 2004 г.) с данными за последнее столетие (1895−1994 г.) показывает, что соотношение основных причин (по группам) аварийности сохраняется. По-прежнему на первом месте — столкновения судов [14]. Согласно данным [41] за период 1895 — 1994 гг. среди всех причин аварийных случаев на первом месте стоит человеческий фактор (75% случаев). Лишь около 10% аварий возникает в результате действий непреодолимой силы, около 15% являются следствием технического несовершенства судов и внезапного отказа судового оборудования. Обобщенные и классифицированные по типовым причинам аварий данные IMO за 1995 — 1997 гг. приведены на диаграмме (рис. В.2). На диаграмме большая область, обозначенная как «неизвестные причины» (50% случаев), соответствует не расследованным причинам.

По данным Российского морского регистра судоходства более 80% аварий, происходящих на море, связаны с человеческими ошибками, независимо от причины аварии [77]. Рост аварийности из-за человеческого фактора, наблюдаемый, не смотря на продолжающееся внедрение новых более совершенных технических средств судовождения, объясняется сокращением численности экипажей в связи с все большей автоматизацией судов. Как следствие — совмещение обязанностей специалистов и рост психологических нагрузок. Чтобы снизить влияние человеческого фактора, совершенствуются нормативы, касающиеся сферы взаимодействия «оборудование — оператор» [91, 49, 76]. Усиливается значение эргономических критериев при проектировании. Издаются инструкции для предупреждения наиболее часто повторяемых ошибок. J.

Количественное соотношение причин аварий человеческая ошибка п повремдение механизма повреждение судна.

Я неблагоприятная погода обледенение другая причина ш неизвестная причина.

50,1%.

Рис. В.2.

Учитывая особенности человеческой личности, только организационными мерами, нормативными ограничениями, наказаниями, и усовершенствованием средств технического обеспечения безопасного мореплавания проблему снижения аварийности не решить. Актуальной задачей повышения безопасности мореплавания является разработка и совершенствование мероприятий, направленных на оказание судоводителю дополнительной помощи, особенно при движении в районах с большим скоплением судов, где человеческий фактор велик.

В целях обеспечения безопасности движения судов в районах с интенсивным судоходством используются системы управления движением судов (СУДС). Основными недостатками современных СУДС являются «привязка» к береговым службам конкретного района, громоздкость, сложность применяемых процедур управления, которые требуют дорогостоящего специализированного оборудования. Действие СУДС ограничено береговыми и прибрежными районами и не распространяется на районы удаленных морских промыслов. Подходы и принципы, используемые при построении современных СУДС, не ориентированы на использование в удаленных районах морского промысла.

Объект исследования. Диссертационная работа посвящена разработке мобильной системы управления движением судов (МСУДС) — Mobil Vessel Traffic Services (MVTS) в районе интенсивного судоходства в целях обеспечения безопасности мореплавания.

Цель исследования. Целью настоящей работы является разработка и обоснование теоретических принципов построения и организации функционирования МСУДС, которую отличают локальность дислокации, задаваемая площадью акватории промысла, оперативность, быстрота развертывания и прекращения действия, формализуемость процедур управления, снижающая долю человеческого фактора в принятии решения, простота реализации, мобильность, позволяющая использовать систему в любом районе с интенсивным судоходством.

Предметом исследования является разработка научно обоснованных методов, алгоритмов и практических рекомендаций по организации оптимального безопасного движения судов на акватории с интенсивным судоходством с помощью назначений (имеющих рекомендательный характер) оптимальных траекторий, точек поворота курса, среднего времени движения.

Детализация поставленной цели позволяет сформулировать следующие основные задачи научного исследования:

1. Построить базовую модель движения судов на ограниченной морской акватории с интенсивным судоходством, позволяющую принципиально избежать опасного сближения судов, находящихся на обслуживании.

2. Разработать основной математический аппарат теории графов кодовых пересечений (ГКП), являющийся аналитической базой для вывода расчетных формул и вычисления текущих параметров движения судов в МСУДС.

3. Построить аналитическую модель МСУДС, которая учитывает вопросы организации контроля и управления потоками движения судов.

4. Разработать методику оптимизации структуры МСУДС с учетом прогноза безопасности и временных факторов движения.

5. Разработать имитационную модель МСУДС в районе с интенсивным судоходством для постановки эксперимента.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы теории графов, комбинаторного анализа, теории массового обслуживания, математического аппарата аналитической геометрии, теории вероятностей, тензорного анализа, теории кодирования, теории планирования эксперимента, математической статистики, имитационное моделирование и др.

4.5. Выводы.

1. Предложена архитектура прикладной системы МСУДС, учитывающая специфику реализации взаимодействия прикладных процессов в МСУДС.

2. Разработана схема взаимодействия модулей в Программном комплексе МСУДС. Практическое применение Программного комплекса предполагает использование навигационных приборов (PJIC, САРП), систем (АИС) и других средств контроля акватории для информационной поддержки МСУДС.

3. Проведено экспериментальное исследование имитационной модели МСУДС и статистический анализ его результатов. Доказана адекватность разработанной имитационной модели реальным условиям эксперимента.

4. Экспериментально подтверждена пригодность разработанной математической модели к решению задач имитационного моделирования и прогнозирования вероятностно-временных характеристик движений судов в МСУДС.

5. Экспериментально исследована и подтверждена эффективность использования МСУДС по времени. Разработаны рекомендации по практическому использованию и оптимизации МСУДС.

6. Экспериментально исследована и оценена безопасность мореплавания с использованием МСУДС. Разработаны практические рекомендации по оптимизации МСУДС в целях обеспечения безопасности мореплавания в районе промысла.

7. Экспериментально подтверждена принципиальная возможность формализации управления движением судов в акватории с интенсивным судоходством в целях обеспечения безопасности мореплавания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты, определяющие научную новизну работы, ее практическую ценность и являющиеся предметом защиты:

1. Впервые предложена концепция безопасного движения судов в морском районе интенсивного судоходства с использованием мобильной СУДС. Разработана логическая архитектура МСУДС, доступная для взаимодействия с другими системами, открытая для стандартов, протоколов взаимодействия, технических и программных решений, гибкая, обеспечивающая возможность постепенной («мягкой») модернизации и дальнейшего развития. МСУДС не имеет «привязки» к береговым службам какого-то конкретного района, благодаря чему является мобильной и не имеет территориальных ограничений в реализации. Разработанная базовая модель позволяет оперативно развернуть МСУДС в любом районе с интенсивным судоходством без дополнительных ресурсных и денежных затрат: портовом, прибрежном или на удаленной морской акватории.

2. Впервые предложен метод формализованного определения траекторий движения судов на ограниченной акватории с интенсивным судоходством, принципиально обеспечивающий движение без их опасного сближения. Реализация метода в МСУДС требует минимальный набор информационно-технических средств, входящих в состав ИНК современного судна без привлечения дополнительных ресурсов.

3. Разработана базовая модель ВСПД, реализующая бестабличную (кодовую на базе ГКП) маршрутизацию судов с целью определения траекторий их движения в районе интенсивного судоходства. Применение ВСПД в МСУДС, позволяет исключить оператора из процедуры принятия решений по оптимальному судоходству на подконтрольной акватории.

4. Определены критерии безопасности движения в МСУДС. Получены аналитические выражения для расчета коэффициентов безопасности для различных вариантов движения судов. Использование расчетных коэффициентов позволяет оперативно получать прогнозированные количественные оценки безопасности движения обслуживаемых судов по расчетным траекториям.

5. Разработана методика оптимизации структуры ВСПД с топологией на базе ГКП, позволяющая определять оптимальные координаты поворотных точек траекторий движений судов на подконтрольной акватории. Применение методики позволяет позиционировать ВСПД на акватории с учетом ее особенностей и изменений.

6. Впервые сформулирована и решена задача оптимального распределения скоростей движения судов в МСУДС, минимизирующего среднее время движения судов в системе с учетом требований безопасности мореплавания. Получены аналитические выражения для определения скоростей, интервалов и среднего минимального времени движения судов. Сформулированы границы и условия применимости модели. Использование расчетных формул позволяет прогнозировать и выбирать оптимальные временные параметры движения обслуживаемых судов в МСУДС.

7. Развит математический аппарат теории графов кодовых пересечений в приложении к МСУДС, являющийся аналитической базой для разработки расчетных формул для вычисления текущих параметров движения судов в ВСПД.

Практическая ценность полученных результатов сводится к следующему.

1. Разработан метод расчета параметров движения судов в районе интенсивного судоходства с использованием ВСПД.

2. Получены аналитические выражения для инженерного расчета характеристик движения судов, позволяющие по заданным требованиям выбирать текущие параметры движения судна, взятого на обслуживание.

3. Предложена базовая архитектура МСУДС, реализующая типовые протоколы доступа к сетевым информационным ресурсам и учитывающая тип используемых сред (вода, эфир) и особенности объектов управления (суда).

4. Разработано программное обеспечение диспетчерского управления движением судов в районе интенсивного промысла для МСУДС, реализованное в имитационной модели.

Результаты диссертационной работы могут найти практическое применение на судах морского флота при решении задач безопасного прохождения районов с интенсивным судоходством в условиях ограниченной видимости, когда минимальное время в пути является решающим фактором. Полученные результаты соответствуют целям Резолюции IMO А.849(20) (международный кодекс проведения расследований аварий и инцидентов на море).