close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Навигационная безопасность каравана при морских и океанских буксировках плавучих сооружений

код для вставкиСкачать
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Мурманский государственный технический университет»
(ФГБОУ ВО «МГТУ»)
На правах рукописи
БРАЖНЫЙ АНДРЕЙ ИВАНОВИЧ
НАВИГАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ КАРАВАНА ПРИ МОРСКИХ
И ОКЕАНСКИХ БУКСИРОВКАХ ПЛАВУЧИХ СООРУЖЕНИЙ
Специальность 05.22.19 – Эксплуатация водного транспорта, судовождение
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Владивосток – 2018
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Мурманский государственный технический
университет» Министерства образования и науки Российской Федерации
Научный руководитель: Меньшиков Вячеслав Иванович, доктор
технических наук, профессор, ФГБОУ ВО "Мурманский государственный
технический университет", профессор кафедры судовождения.
Официальные оппоненты:
Гриняк Виктор Михайлович, доктор технических наук, доцент, ФГАОУ ВО
«Дальневосточный федеральный университет», профессор кафедры прикладной
математики, механики, управления и программного обеспечения;
Кукуи Фирмин Дживо, кандидат технических наук, ведущий инженер отдела
морских перевозок Службы грузооборота и комплектации Управления по
транспортному обеспечению ООО «Газпром нефть шельф».
Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования «Государственный морской
университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».
Защита диссертации состоится 21 июня 2018 г. в 15-00 часов на заседании
диссертационного совета Д 223.005.01 в Морском государственном университете
имени адмирала Г.И. Невельского по адресу: 690003, г. Владивосток,
ул. Верхнепортовая, д.50а, в аудитории 241.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Морского государственного университета имени адмирала Г.И. Невельского
http://msun.ru/upload/dis/brazny.pdf
Автореферат разослан "___" "____________" 201__ г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Левченко
Наталья Георгиевна
2
Общая характеристика работы
Актуальность. Перспектива истощения запасов минерального и углеводородного
сырья в традиционных районах их добычи требует дальнейшей экспансии основных мировых недропользователей в шельфовые районы Мирового океана. Основные участники
рынка при поддержке правительств прибрежных государств продолжают наращивать усилия по разведке, обустройству и эксплуатации морских месторождений углеводородного и
минерального сырья. Концепция развития Арктического региона Российской Федерации и
освоения северного континентального шельфа России в свете Морской доктрины Российской Федерации на период до 2020 года создаёт условия для включения крупнейших национальных компаний России в деятельность по разработке шельфовых месторождений
углеводородов с последующим вхождением в схему поставок основным мировым потребителям. Для обеспечения процесса освоения шельфовых месторождений необходимо построение морской инфраструктуры, позволяющей поддерживать материально-ресурсную
составляющую для снабжения объектов разведки и промысла, и в то же время, обеспечить
доставку добытого на шельфе сырья потребителям, что неизбежно приведёт к резкому возрастанию грузопотока. Для решения этой задачи следует рассматривать необходимость совершенствования старых и разработки новых технологий морских буксировочных операций, связанных с массовой доставкой к месту разведочных работ снабжения и оборудования на специализированных плавучих сооружениях, обладающими признаками «маломореходных» объектов. Такие объекты, как правило, имеют достаточный запас плавучести,
обладают свойствами непотопляемости и остойчивости, но не обладают свойством ходкости и не являются управляемыми. Поэтому при обеспечении безопасной буксировки плавучих сооружений возникает необходимость в создании комплекса мер, сводящих к минимуму последствия неверно принятых решений, например, принятых капитаном или вахтенным помощником капитана на общее состояние безопасной эксплуатации всей системы
буксировки.
Степень разработанности темы. В целях безаварийного проведения буксировочных
операций комитетом Безопасности на море Международной Морской Организации разработано Руководство по безопасности океанских буксировок (циркулярное письмо 884), в
котором содержатся рекомендации по планированию, подготовке, комплектации экипажами, а также необходимые стандарты к применяемому оборудованию и снабжению. Способность членов экипажей решать задачи в проведении буксировок как «человеческого
элемента» системы отражена в резолюции Международной Морской Организации
А.850(20), суть которой состоит в том, что ошибки одного человека, даже ответственного за
судовождение, не должны влиять на безопасность действий всего экипажа или буксирного
каравана в целом. Поэтому разработку технологий безопасных и эффективных буксировочных операций для плавучих сооружений, обладающих признаками «маломореходных»
объектов, с учетом особенностей их траекторного движения можно отнести к разряду актуальных задач, особенно в части разведки и освоения углеводородного и минерального сырья в перспективных шельфовых районах Мирового океана. Теоретические основы морской буксировки были разработаны академиком А. Н. Крыловым, дальнейшее развитие получили в работах Б.В. Богданова, М.К. Петрова. Некоторые особенности эксплуатации
буксировочных систем исследованы в работах В.Е. Ольховского, В.М. Суднина, Ю.И. Юдина, А. А. Соловьева, А.А. Ершова, В.И. Меньшикова.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка рекомендаций по
проведению безопасных и эффективных буксировочных операций плавучих сооружений с
3
признаками «маломореходных» объектов с учетом особенностей их траекторного движения и механизма выбора последовательности приоритетных решений, обеспечивающих
навигационную безопасность и безопасность маневрирования буксировочной системы в
целом.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
 исследовать особенности проектирования морских буксировок плавучих сооружений и оценить конфликтность интересов при подготовке проекта морской буксировки
«маломореходного» объекта;
 определить необходимые уровни информированности при разработке проектов
морской буксировки плавучих сооружений и выделить пути повышения уровня информированности судоводителей при разработке проекта морской буксировки;
 составить вероятностную оценку структурной устойчивости системы морской
буксировки «буксировщик – «маломореходный» объект» и исследовать динамику этой
системы при установившихся элементах движения в процессе морской буксировки;
 оценить безопасность плавания системы «буксировщик – «маломореходный»
объект» по маршруту в рамках линейного навигационного процесса и составить модель
стабилизации объекта в кильватерной струе буксировщика;
 составить пространственную модель появления возможных опасностей при буксировке плавучих сооружений объектов и сформулировать принцип выбора доминирующих опасностей;
 разработать механизм выбора последовательности приоритетных решений, обеспечивающих безопасность маневрирования при буксировке плавучего сооружения с признаками «маломореходного» объекта и исследовать особенности его движения при расхождении с навигационными опасностями.
Научная новизна работы состоит в следующем:
 определен уровень информированности при разработке проекта морской буксировки плавучего сооружения с признаками «маломореходного» объекта и показаны пути
повышения этой информированности;
 предложена оценка структурной устойчивости системы морской буксировки для
«маломореходного» объекта при стационарности процесса этой буксировки;
 предложены модели оценки безопасности плавания при буксировке «маломореходного» объекта в рамках линейных предположений и модель механизма стабилизации
этого объекта в полосе положения;
 разработан механизм выбора последовательности приоритетных решений, обеспечивающих безопасность маневрирования буксировочной системы при расхождении с
навигационными опасностями.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключена в построении математического описания процесса буксировки «маломореходного» объекта при его стабилизации в полосе положения и механизма выбора последовательности приоритетных решений, обеспечивающих навигационную безопасность буксировки.
Практическая значимость работы состоит в том, что результаты исследований, представленные в виде перечня рекомендаций, позволят снизить уровень аварийности при проведении буксировочных операций «маломореходных» объектов. Материалы диссертационного
исследования использованы в учебном процессе при осуществлении основных образовательных программ обучения курсантов ФГБОУ ВО «МГТУ» по направлению 26.05.05
«Судовождение (Промысловое судовождение; Судовождение на морских путях)». Внедре-
4
ние в промышленное использование подтверждено соответствующим актом. Результаты
исследований в виде конкретных рекомендаций могут быть использованы в практической
деятельности службы безопасности мореплавания компании, специализирующейся на буксировках плавучих сооружений. Подана заявка на регистрацию программы для ЭВМ
«Программный комплекс математического моделирования буксировки плавучих
сооружений», № 2018613426/69, дата подачи 27.03.2018 г.
Методология и методы исследования. Организация реализации работ по теме диссертации лежит в основе анализа данных технической, научной и патентной литературы с
дальнейшим определением целей и задач исследования. Объектом исследования является
система «буксировщик – «маломореходный» объект» при выполнении навигационнобезопасной буксировочной операции с учетом особенностей траекторного движения этого
объекта и механизма выбора последовательности приоритетных решений, обеспечивающих навигационную безопасность и безопасность маневрирования буксировочной системы
в целом. Предметом исследования является процесс буксировки «маломореходного» объекта, при наличии навигационных опасностей и использования «человеческим элементом»
механизма выбора последовательности приоритетных решений, обеспечивающих безопасность маневрирования буксировочной системы в целом. Теоретической базой исследования является системный анализ обеспечения навигационной безопасности при морской или
океанской буксировке «маломореходных» объектов.
Положения, выносимые на защиту:
 оценка уровня информированности при разработке проекта морской буксировки
плавучего сооружения, обладающего признаками «маломореходного» объекта и пути повышения этой оценки;
 оценка структурной устойчивости системы морской буксировки для «маломореходного» объекта при стационарности процесса буксировки;
 модель безопасности плавания при буксировке «маломореходного» объекта при
его стабилизации в полосе положения, с учетом кильватерной струи буксировщика;
 механизм выбора последовательности приоритетных решений, обеспечивающих
навигационную безопасность буксировочной системы при расхождении с навигационными
опасностями.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность и обоснованность данных, полученных в ходе диссертационной работы, обеспечивается корректным
применением теорий информации и вероятности, общепринятыми методами математической статистики, системной оценки, структурного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, а также подтверждается практическими данными экспериментальных исследований при эксплуатации транспортно-буксирных судов и передвижных буровых установок. Основные положения и результаты были представлены на международных
научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава
МГТУ «Наука и образование» (г. Мурманск 2010, 2012 гг.).
Личный вклад соискателя состоит в организации и проведении экспериментальных
исследований с построением математической модели буксировки плавучих сооружений на
основании гипотезы о движении буксируемого объекта по кривым погони, разработке механизма выбора последовательности приоритетных решений, обеспечивающих навигационную безопасность буксирного каравана.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 8-ми работ, 4
из которых – в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
5
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 168 страницах, в состав входит введение, три главы, заключение, список литературы и приложения. В приложениях
изложены данные натурного эксперимента и приведены акты внедрений, которые подтверждают использование данного исследования в производственном и учебном процессах.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи,
приведено описание основных характеристик работы.
В первой главе рассмотрено проектирование морской или океанской буксировки
плавучего сооружения с признаками маломореходного объекта в условиях неполной информированности, как разработчиков проекта, так и лиц, реализующих этот проект. Буксировка судов относится к особым случаям морской практики, которая, как правило, осуществляется транспортно-буксирными судами или мощными буксирами-спасателями. Буксировочная операция предусматривает предварительную проработку предстоящего маршрута
перехода, предварительные расчеты по обеспечению надежности буксировки, выработку
рекомендаций капитанам по проведению буксировочной операции каравана. Проведению
буксировки предшествуют мероприятия по планированию этой операции, выполняемой
специалистами научных учреждений морского флота, конструкторскими бюро и экспертами в том случае, если буксировочная операция планируется заранее. Однако современный
проект буксировочной операции в большей части нацелен на оценку надежности функционирования буксирной линии и совершенно не учитывает такой важный вопрос как навигационная безопасность буксировки «маломореходного» объекта, а также безопасное маневрирование всего каравана в целом. В рамках существующих нормативных документов проект морской или океанской буксировки рассматривается решением системной задачи по
минимизации количества эксплуатационных и навигационных опасностей, способных перерасти в аварийные ситуации. Схематизация такой задачи должна основываться на адекватно заданных математических моделях буксировщика и буксируемого «маломореходного» объекта и привлекать иерархию математических моделей морской среды, в которой будет функционировать система технических средств, взаимодействуя между собой и морской средой. Кроме того, разрабатываемый проект должен включать в себя особенности
поведения «человеческого элемента» при принятии решений по управлению буксировочной операцией. В такой схематизации технического проекта особенности поведения «человеческого элемента» при обеспечении безопасной буксировочной операции должны учитываться как основные. Схематизированное представление объектов и их взаимодействий
при решении задачи безопасной буксировки «маломореходного» объекта может быть
представлены графами с элементами циклической топологии (рисунок 1). Описание проекта буксировочной операции при заданном уровне безопасности (рисунок 1) должно опираться на представления о статистической системе, которая включает буксировщик, буксирную линию, маломореходный объект и окружающую среду с наблюдаемыми входами
X1, . . . , Xn ненаблюдаемыми входами U1, . . . , Um , а также одним выходом T. В такой системе целью управления является поддержание выхода системы на заданном уровне навигационной безопасности с некоторыми допустимыми отклонениями. Поэтому для выработки
управляющих воздействий в соответствии с планом операции «человеческому элементу»
необходимо представить в этом плане возможность предвидеть в любой момент времени
параметры состояния T с некоторой дисперсией по наблюдениям входных информационных переменных. Кроме того, в проекте буксировочной операции необходимо построить
модель механизма предвидения развития возможных ситуаций, обеспечивающую задан-
6
ную точность прогнозирования и оптимальную, например, по критерию максимальной
прибыли.
Рисунок 1– Схематизированное представление объектов и их взаимодействий
Процесс проектирования надежной буксировочной операции с приоритетом максимальной безопасности при минимально возможных затратах компаний на буксировку зависит от степени информированности персонала, участвующего как в планировании, так и ее
реализации. Примем, что элементы организационной структуры по разработке и реализации проекта буксировки «маломореходного» объекта, включают: представителей собственника буксировщика; представителей собственников «маломореходного» объекта; капитана буксировщика. Объединим субъекты организационной структуры в стремлении к
максимизации некоторой вещественной функции надежности планирования буксировочной операции f r=f r(λ,y). Пусть функция f r определена и непрерывна на компактном множестве Λ r× Y r, которое, представляет собой пространство требований к плану буксировки и к
управлению караваном. Пусть эта функция реализуется за счет выбора управлений из
множества управлений yY r, закрепленного в плане проведения буксировки для минимизации выделяемых навигационных и технологических рисков, которые учитываются при
планировании этой операции. Интересы менеджеров компаний при планировании операции являются доминирующими, и их следует отождествлять со стремлением к максимизации более общей непрерывной вещественной функции Φr=Φr(λ,y), которая отражает степень их информированности, требования к управлениям при минимизации затрат судовладельцев даже в нарушение норм этичности бизнеса. Поэтому, чтобы практически запланировать функцию Φr, необходимо путем дополнительного запроса у менеджеров компаний
участников получить всю необходимую информацию вида λΛr, где Λr – можно принять за
произвольный компакт банахова пространства. Такое допущение позволяет, в частности,
рассматривать информацию λ, поступающую занятым в планировании проекта специалистам, как функцию плановых (возможных) управлений, минимизирующих технологические и навигационные риски в следующем виде λ = λ(y). Надежность реализации проекта
буксировочной операции, планируемой с учетом требований всех элементов организационной структуры представим следующим образом
K 1 r   max min Ф r  , y ,
  r y  Arg max f r  , y 
(1)
r
y Y .
Предложенная модель оценки надежности основана на допущении, что эта оценка
способна обеспечить максимально гарантированный результат при получении капитаном
судна всей необходимой объективной информации. При условии полной информирован-
7
ности капитана буксировщика относительно особенностей требований к буксирной операции менеджеров компаний и условий плавания в районе проведения этой операции (в
данном случае множество Ω должно быть одноточечным s = r). При одноточечном множестве Ω вероятностная модель позволяет сверху получить оценку надежности реализации безопасного проекта буксировочной операции. С физической точки зрения предложенная модель отражает свойства, присущие любому процессу управления средствами
повышенной опасности, так как соответствует требованию, при котором, независимо от
требований к затратам на проведение операции, такая буксировка должна осуществляться
при допустимых технологических и навигационных рисках. Правильный сбор априорной и текущей информации является одним из возможных путей повышения
безопасности управления караваном, а предельное значение этой безопасности
можно характеризовать величиной максимальной вероятности прибыли. Недостаточная информированность капитана буксировщика о состоянии каравана будет
сказываться на навигационной безопасности и может внести элементы дезинформации в управление операцией, осуществляемое береговыми операторами.
Так для исключения дезинформации сообщения капитана ξ, ответственного за
буксировку, должны выбираться из множества
(2)
 гар   Arg max min g  ,  
 
N,
где η – случайная величина с известной функцией распределения F(η).
Информационное множество, которое используется береговыми операторами при принятии решений без элементов дезинформации можно определить
так
(3)
*    Гар    Оср  ,
где
 оср  Arg max  g  , dF   .
(4)
При сформулированных условиях истинности множество Ξ* будет содержать
хотя бы одно сообщение, минимизирующее критерий g=g(ξ,η). Поэтому капитан
судна при информировании береговых операторов должен выбрать содержание
доклада ξΞ* так, чтобы максимизировать свое должностное положение и минимизировать критерий g. При полной централизации в системе управления состояния безопасности, навигационная безопасность буксировочной операции в
значительной мере будет определяться согласованностью между владельцами
буксирных судов и владельцами буксируемого «маломореходного» объекта, образующих конфликтующую пару (u,v) W. При этом за функцию рисков, отражающую степень согласованности требований всех судовладельцев при реализации требований к навигационной безопасности, примем зависимость вида
R(Y,Z). В этой зависимости для конфликтующей пары (u,v)W величина Y определяет состояние навигационной безопасности буксирного каравана, а величина
Z-ресурс, который выделяется владельцами на безопасную реализацию буксировочной операции. Пусть так же состояние навигационной безопасности каравана, определяемое по результатам измерений, выполняемых вахтенной службой
буксировщика, является случайным, подчиняющимся закону распределения
плотности вероятностей f(Y). Тогда средний показатель риска от несогласован-
8
ности в части обеспечения каравана необходимым ресурсом можно определить
следующим образом
J Z    RY , Z d Y ,
(5)
где μ(Y) – нормированная мера состояния навигационной безопасности Y.
Для разрешения конфликтной ситуации при условии J(Z) → min необходимо
создать условия, при которых обеспечивается процесс принятия компромиссного решения в части выбора величины согласованного управленческого ресурса
Z0 конфликтующей парой (u,v)W. Если для конфликтующей пары (u,v) W определена культура отношений для полного набора стратегий k = (k1,...kn), то с
помощью этого набора каждый участник пары (u,v)  W может рассчитывать на
результат выбора
Z i  Max Min g i k1 ,  , k n , i  j
(6)
Тогда окончательный выбор согласованного управленческого ресурса для пары
(u,v)W состоится, если
Z 0  IR при IR  Z1  Z 2  ,
(7)
где IR – точечное множество индивидуальных и рациональных исходов.
Таким образом, поддержание безопасного технического и организационного состояния каравана в рамках требований, связанных с буксировкой «маломореходного» объекта, невозможно без привлечения надлежащего управленческого ресурса, который способен решить проблему навигационной безопасности каравана.
Во второй главе рассмотрены особенности поддержания навигационной
безопасности буксирного каравана с устойчивой структурой, включающей «маломореходный» объект, для линейного маршрута при стабилизации этого объекта в заданной полосе положения. Навигационная аварийность при выполнении
буксировочных операций является объективной реальностью, обусловленной
внешними и внутренними факторами, и которая будет иметь место всегда по независящим от человека причинам. Одним из направлений по разрешению проблемных ситуаций с участием «человеческого элемента» может быть метод усреднения навигационного процесса, который можно использовать при проектировании и реализации буксировки «маломореходного» объекта.
Опишем состояние навигационной безопасности каравана системой феноменологических дифференциальных уравнений первого порядка, записанной
в стандартной форме
ki  K
kj K .
dx / dt  X x, t,  ,
(8)
где x  Rr, ε (0, ε], t [0; 1/ε], причем ε > 0 - малый параметр.
Полагая, что функция X(x,t,ε) равномерно ограничена при х=0 и удовлетворяет условию Липшица по аргументу х:
(9)
X  x1 , t ,    X  x 2 , t ,    M x  x ,
1
r
где M = const, x1,x2  R .
2
9
Полученное свойство для элементов x1,x2  Rr траектории состояния навигационной безопасности каравана позволяет ввести индикаторную функцию
вида
1, если x t , x 0 ,    x' t , x 0 ,    ,
f x   
(10)
0, если xt , x 0 ,    x ' t , x 0 ,    ,
которая дает возможность найти вероятность структурной устойчивости системы, при безопасной буксировке в любой момент времени t [0; 1/ε]. Вероятность структурной устойчивости буксирной системы, выраженной в виде событий x(t,x0,ε)- x'(t,x0,ε) < Σ , можно определить через «хорошо» определенное значение p в рамках эргодической теоремы Боголюбова. Используя гипотезу о полной вероятности сложного события вида, аналогично получим «хорошо» определенное значение p0, то есть вероятность событий x(t,x0,ε)-x'(t,x0,ε) Σ, нарушающих структурную устойчивость и эксплуатационное состояние каравана
уже не отвечают условию навигационной безопасности. Рассмотренный метод
усреднения позволяет более широко, чем традиционный, получать соответствующее приближение, необходимое для оценки навигационной безопасности
каравана. Область реализации последовательности структурных переходов, фиксированных индикаторной функцией, фактически обладает двумя точками плотности и для поддержания состояния структурной устойчивости необходимо и
достаточно минимизировать «хорошо» определенное значение p0. Возможность
поддержания устойчивости структуры в системе управления состоянием навигации каравана должно осуществляться через выделяемый судовладельцем буксировщика и владельцем «маломореходного» объекта ресурс Z0 = R при IR =
Z1∩Z2≠Ø.
При практической разработке
проекта буксировки на примере полупогружной передвижной
буровой установки (ППБУ)
проекта 22590 с использованием результатов модельных
испытаний получены данные,
представленные графиками
на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2 – Зависимость буксировочного сопротивления ППБУ от скорости буксировки без
учета волнения
10
Рисунок 3 – Зависимость буксировочного сопротивления ППБУ от скорости буксировки с
учетом волнения
Комплексное рассмотрение
данных анализа, полученных
при практической разработке
проекта буксировки ППБУ
проекта 22590 и натурного
эксперимента, показало, что в
рассматриваемом диапазоне
натяжения буксирных линий
и скоростей движения караванов с учетом гидродинамических особенностей выбранных для исследования
буксируемых объектов, выражение правомерно рассматривать как ( ) =
,
где n→1, что показывает на
практике линейную зависимость (Рисунок 4).
Рисунок 4 – Комплексный анализ зависимости буксировочного сопротивления
от скорости буксировки
Учитывая, что вектор скорости «маломореходного» объекта совпадает с направлением тяги буксировщика, получено следующее уравнение траектории этого
объекта
m / L ad  2 / dt  d / dt  mv 2 /  L sin     vt / R C  / RC cos    0. (11)
При буксировке «маломореходного» объекта величиной m/λL как малым
параметром можно пренебречь. Тогда при m/λL → 0 получим дифференциальное
11
уравнение траектории маломореходного объекта в виде плоской кривой (рисунок 5) следующего вида
d / dt  v / L sin  0.
(12)
Анализ уравнения показывает, что
после поворота буксировщика,
курсовой угол на «маломореходный» объект qБ стремится к 180º, а
траектория движения объекта
приближается к траектории буксировщика как к асимптоте (рисунок 6).
Рисунок 5 – Трактриса прямой линии
Рисунок 6 – Отклонение от заданного пути при длине буксира L= 200 м
Именно событие x(t, x0, ε) - x'(t, x0, ε) <Σ, представленное в индикаторной функции, показывает, что имеет место асимптотическое стремление траектории «маломореходного» объекта к кильватерной струе буксировщика, при котором в
системе преобладают активаторные силы. Взаимодействие сил, реализуемое в
рамках представлений о диффузионности этих взаимодействий, позволяет составить модель изменения состояний навигационной безопасности каравана при
стационарном плавании по заданному курсу. Такую модель представим векторным линейным уравнением
dYt  / dt  at, Y t , U t   bt, Y t , U t t  / t  ,
(13)
n
m
где Y  R – вектор фазовых переменных каравана; UR – вектор из множества
допустимых марковских воздействий на буксирный караван; a – n-мерный век-
12
тор; b – матрица n n заданных и, в общем, нелинейных функций от векторов
Y(t),U(t); (t) – стандартный n-мерный винеровский процесс с независимыми
компонентами. Решая задачи по стабилизации объекта в кильватерной струе
буксировщика необходимо дополнительно учитывать особенности методов наблюдения за навигационным состоянием буксирного каравана. Учитывая ограничения, накладываемые на процесс Y(t) и особенности наблюдений, выполняемых штурманской вахтой буксировщика, задача синтеза оптимальных воздействий для удержания каравана в полосе положения должна определяться структурой некоторого заданного множества, на котором следует искать экстремум
функционала качества стабилизации. Поиск этого экстремума можно упростить,
если использовать для этой цели детерминированный момент времени t, полученный в рамках усечения неопределенности для вектора фазовых переменных
буксирного каравана.
Поэтому, учитывая, что вектор скорости «маломореходного» объекта совпадает с направлением тяги буксировщика можно использовать уравнения
m / L ad 2 / dt  v / L sin   d / dtL  0 .
(14)
Момент «усечения» процесса Y(t) найдем априорно, задавая параметры
полосы положения, относительно кильватерной струи буксировщика, в которой
будет находиться маломореходный объект при заданной вероятности. Чтобы
найти оптимальные решения, характеризующие свойство стабильности буксирной системы «маломореходный объект – буксировщик» в классе всех линейных
и «усеченных» процессов Y(t) следует, определить значение параметра из уравнения вида
* = inf  t  0: y*(t)  [b-,b+], при M[*] = T* , y  Sqδ.
(15)
Нетривиальное решение последнего уравнения можно найти, если выполняется отношение cR 2. Тогда с точностью до O(b3) имеем


b0   3BR 2  c  .
(16)
Полученные значения оптимальных границ сфероида навигационной безопасности
для буксирного каравана (полосы положения) позволяют определить интервал времени, равный максимально возможному времени пребывания процесса y*(t) в области, определенной
сфероидом навигационной безопасности Sqδ. Используя физический принцип «минимального действия» и «усечение» времени фиксации текущего состояния системы буксировки, решим задачу обеспечения навигационной безопасности каравана. Полученные соотношения
по принципу минимального действия при взаимодействии сил в системе буксировки, позволят найти время достижения «маломореходным» объектом границы полосы положения и
показатель свойства стабильности буксирной системы в целом, позволяя решить задачу по
обеспечению безопасного плавания каравана.
В третьей главе рассмотрен выбор альтернативы, минимизирующей вероятность
больших затрат при расхождении с навигационными опасностями и выбор последовательности управлений, реализующих ее для заданного траекторного движения «маломореходного»
объекта. Современный подход к оценке безопасности мореплавания основан на результатах
реакции судоводителей на текущую навигационную информацию без учета возможности
заблаговременности действий и решений по управлению состоянием судна. Разрешение проблемных ситуаций можно осуществить на основе данных о наблюдаемой ситуации под давлением такого фактора, как «хорошая морская практика». Поэтому при разрешении таких
1/ 2
13
ситуаций судоводители, несущие вахту на мостике буксировщика, вынуждены отдавать
предпочтение быстродействующим интуитивным решениям, не выполняя оценку ни возможных затрат, ни возможной выгоды от получаемого результата. Анализ модели распределения опасностей в функции курсовых углов буксировщика показывает, что для неподвижных и подвижных навигационных опасностей, их обнаружение за траверзом маловероятно.
Практически это означает, что вероятность появления навигационных опасностей при буксировке «маломореходного» объекта на различных курсовых углах неодинакова, и интенсивность наблюдений по различным направлениям должна быть различной. Проблемную навигационную ситуацию для буксирной операции можно описать с помощью математической
структуры, включающей основные элементы навигационного пространства и связи между
ними. Структуру проблемной навигационной ситуации можно представить в виде
  ,V , G, H , R,Y , Q,
(17)
где Λ – множество детерминированных и случайных факторов, определяющих
навигационную безопасность буксирной системы; V – множество управлений,
используемых лицом, несущим ходовую штурманскую вахту (далее лицом, принимающим решения - ЛПР); G – множество результатов, получаемых в процессе
несения ходовой вахты; H – множество моделей навигационных процессов
адекватных Λ,V, G; R – глобальная цель разрешения проблемной навигационной
ситуации; Y – множество операторов соответствия; Q – множество критериев
эффективности.
Пусть в модели проблемной навигационной ситуации, возникшей в процессе реализации буксирной операции, заданы компоненты множества Λ, определено множество управлений V, принята модель H, а также задан критерий эффективности Q. В целом, проблемная навигационная ситуация при буксировке
может быть успешно разрешена ЛПР с результатом, записанным в виде
H : V  2  Y G .
(18)
Результаты Y(G), определяют количественную оценку влияния случайных
факторов, несущих навигационную опасность каравану. Предполагая, что количественная оценка результата осуществляется в рамках предложенной Международной Морской Организацией, концепции формальной оценки безопасности
(ФОБ) и Временного руководства к ней. В теории оптимизации по Парето предполагается, что верхний конус Kx каждой точки пространства рисков не зависит
от состояния y Rm если Kx = Rm+. Но при разрешении проблемной навигационной ситуации, связанной с буксировкой, может сложиться так, что этот конус не
только не представляет собой первый ортант Rm+, но и его структура зависит от
заданной точки. В подобных случаях разрешения проблемных навигационных
ситуаций при буксировке методом выбора оптимальных управлений по Парето
пользоваться нельзя. Навигационная ситуация для каравана будет обладать
свойством навигационной безопасности лишь при выполнении условии, когда в
элементе Λ2  Λ из структуры η отсутствуют доминирующие навигационные
опасности, характеризуемые с помощью значений из множества , определенного ФОБ как риски r  . Исходя из проблемы управления рисками, возникает
необходимость в выборе и принятии однократного решения, когда такой выбор
приходится осуществлять исключительно среди альтернатив с потерями. Естественно, что лицу, принимающему решения (ЛПР), целесообразно использовать
14
выбор альтернативы по такому критерию, который обеспечит уменьшение вероятности возникновения больших потерь. В рамках данного подхода описан механизм выбора оптимальной альтернативы из их множества, заданного так
(19)
Ai  li1 , pil ;  ; lijj pij ; , i  1,2,  , n ,
где lij – величина потерь, возникающих при j-м исходе альтернативы Ai; pij pij вероятность j-го исхода альтернативы Ai.
Наиболее полную информацию относительно вероятностей возникновения больших потерь может содержать функция
p l   Pi  l  ,
(20)
i
где ξi – вероятностная переменная, выражающая величину потерь в случае реализации альтернативы Ai, l – определенное значение величины потерь.
Уменьшение вероятностей возникновения больших потерь при поддержании навигационной безопасности буксирного каравана осуществится в том случае, если ЛПР выбирает такую альтернативу Ai, при которой будет истинно высказывание
l  L pl   min pi l  ,
(21)
i
где L – область интересующих ЛПР значений l.
Следовательно, при выборе и принятии однократного решения в условиях рисков,
среди альтернатив с потерями, возможно, найти способную обеспечить при управлении состоянием навигационной безопасности каравана уменьшение вероятностей возникновения
больших потерь. Выбор такой альтернативы должен предусматривать ее последующую реализацию. При реализации альтернативы с малыми потерями можно принять то, что ЛПР обладает неполной информацией о состояниях навигационной безопасности буксирного каравана. Поэтому далее рассмотрим синтез механизма выбора «человеческим элементом» последовательности управлений навигационным состоянием каравана на базе выбранной альтернативы с минимальными потерями при неполной априорной информации о параметрах
движения каравана и плотностях распределения ошибок «человеческого элемента» при эксплуатации буксирной системы. Механизм выбора управлений, синтезированный для буксирного каравана, относится к классу параметрических адаптивных систем. В основу синтеза
механизма выбора, при существенно неполной информации, могут быть положены статистические методы управления, основанные на апостериорных статистических выводах, которые позволяют значительно сократить объем обработки данных и расширить возможности
поиска последовательных оптимальных управлений караваном в условиях высокой степени
информационной неопределенности. Определим буксирный караван, как объект наблюдения
итерационной моделью
x n 1  F x n , u n ,  n , a, b , y  Gx n , n , c ,
(22)
где xn – параметры фазовых координат каравана; ηn и ξn - независимые ошибки
«человеческого элемента» при оценке параметров каравана и наблюдений за
ним; un – управления, используемые ЛПР для обеспечения навигационной безопасности каравана; a, b, c ,–- неизвестные параметры, характеризующие эксплуатируемую модель буксирного каравана и принятые модели ошибок «человеческого элемента». Тогда механизм выбора предпочтительных управлений в условиях неполной информации для вахтенной службы буксировщика с учетом модели наблюдения должен минимизировать математическое ожидание функции
15
потерь W(xn, un - 1) по апостериорному распределению вероятности фазовых координат буксирного каравана при выполненных наблюдениях yn – 1 вида
N
 k   EW xi , ui 1 , где i  1  N ,
(23)
ik
где – EW(xn, un - 1) = ∫ W(xn, un - 1) p*(xn |un - 1,yn - 1) p(un - 1 | yn - 1) d ν(xn)dun – 1,
yn - 1 = (y1, y2,... yn – 1); p*(xn |un - 1,yn - 1) – апостериорное распределение параметров фазовых координат каравана при заданных наблюдениях yn – 1.
При достаточно общих ограничениях апостериорные оценки состояния
процесса <xn> при идентифицированном с помощью рекуррентного выражения
апостериорном распределении величин p*(xn| yn) являются оптимальными в
классе минимаксных оценок. Поэтому предположим, что вероятностные приоритеты при выборе управлений un в реализуемой последовательности будут нерандомизированными и отвечать условию
opt
p un 1 y n 1   un 1, un 1 ,
(24)

 

где un -1opt – оптимальное управление.
Допуская нерандомизированность вероятностных приоритетов и используя принцип оптимальности по Аоки, получим функциональное уравнение в виде
opt
 nopt  min n    n 1 pyn y n 1, u n 1 dyn
(25)

opt
u n 1



n  n  W xn , un 1  p * xn un 1, y n 1 dvxn  ,
(26)
где γn - средняя функция потерь для последовательности оптимальных управлений, реализующих альтернативу с минимальными потерями, на предыдущих шагах от un - 1opt до un – 1; p*(xn |un - 1, yn - 1) - апостериорная плотность вероятности относительно меры ν(xn).
При управлении навигационным состоянием буксирного каравана следует
выбрать оптимальную альтернативу, минимизирующую вероятность больших
потерь, а затем на ее базе выбрать при неполной информированности ЛПР оптимальную последовательность управлений, которая минимизирует среднюю
функцию потерь. При буксировке «маломореходного» объекта буксировщику
для обеспечения навигационной безопасности иногда необходимо маневрировать, описывая пологую циркуляцию, близкую к отрезку окружности. Такое маневрирование можно считать полностью отвечающим выбору альтернативы,
минимизующющей потери, с ее реализацией последовательности управлений,
минимизирующих, среднюю функцию потерь. Поэтому возникает необходимость в построении математической модели траектории движения «маломореходного» объекта, когда буксировщик совершает продолжительные и пологие
повороты. Для осуществления практических расчетов траектории «маломореходного» объекта при циркуляции буксировщика получены уравнения траекторного
движения «маломореходного» объекта вида qБ =f(ΔK), где qБ – курсовой угол на
«маломореходный» объект, ΔK – изменение курса буксировщика. Вводя дополнительно в уравнения qБ =f(ΔK) коэффициент A=L/RЦ, варианты траекторного
движения «маломореходного» объекта при маневрировании буксировщика можно записать так
для A < 1

qБ   / 2  2arcctg 1  A 2
 / 1  Ath A
1/ 2
2
 K  C  / 2 A;
1
1/ 2
1
(27)
16
для A > 1

 /  A  1tg A
qБ   / 2  2arcctg A2  1
1/ 2
2
 K  C  / 2 A;
1
1/ 2
2
(28)
для A = 1
qБ   / 2  2arcctgK  C3 .
(29)
В этих выражениях C1,C2,C3 – постоянные величины интегрирования, значения которых устанавливаются по начальным условиям, так при ΔK = 0, qБ
=3π/2 C1= C2 = C3 = 0.
Полученные уравнения траекторного движения «маломореходного» объекта позволяют исследовать характер этого движения, оценивая опасность маневрирования каравана и «маломореходного» объекта в зависимости от отношения длины буксирной базы L и радиуса циркуляции буксировщика RЦ при расхождении с навигационной опасностью.
Заключение
В целях достижения поставленных в работе задач было выполнено следующее:
 исследованы особенности проектирования морских буксировок плавучих сооружений и проведена оценка конфликтности интересов при подготовке проекта морской буксировки «маломореходного» объекта;
 определены необходимые уровни информированности при разработке проектов
морской буксировки плавучих сооружений и выделены пути повышения уровня информированности судоводителей при разработке проекта морской буксировки;
 составлена вероятностная оценка структурной устойчивости системы морской
буксировки «буксировщик – «маломореходный» объект» и исследована динамика этой системы при установившихся элементах движения в процессе морской буксировки;
 проведена оценка безопасности плавания системы «буксировщик – «маломореходный» объект» по маршруту в рамках линейного навигационного процесса и разработана
модель стабилизации объекта в кильватерной струе буксировщика;
 разработана пространственная модель появления возможных опасностей при буксировке «маломореходных» объектов и сформулирован принцип выбора доминирующих
опасностей;
 разработан механизм выбора последовательности приоритетных решений, обеспечивающих безопасность маневрирования при буксировке плавучего сооружения с признаками «маломореходного» объекта и исследованы особенности его движения при расхождении
с навигационными опасностями.
Для обеспечения навигационной безопасности буксировки «маломореходных» объектов с учетом особенностей их движения синтезированы механизм выбора альтернатив с
минимальной вероятностью больших затрат и механизм реализации этой альтернативы последовательностью приоритетных управлений. Установлено, что позитивная полнота проектов морских или океанских буксировок «маломореходных» объектов существенно зависит от
уровней информированности судового и берегового персонала, а также от согласованности в
требованиях судовладельцев к навигационной безопасности операции. Составленная на основе расширенной методики усреднения вероятностная модель оценки структурной устойчивости буксирного каравана, включающего «маломореходный» объект, позволяет классифицировать динамику этой системы и выделить режим стационарности процесса буксирной
операции. В режиме стационарности процесса буксирной операции при плавании каравана
по маршруту, заданному в рамках линейного навигационного процесса, предложена методи-
17
ка оценки навигационной безопасности каравана и определен физический принцип, ответственный за стабилизацию «маломореходного» объекта. При значительном и длительном повороте буксировщика полученные уравнения движения «маломореходного» объекта на буксирной линии позволяют определить конкретный характер этого движения и оценить опасность маневрирования каравана при расхождении с неподвижными или подвижными навигационными опасностями.
Список работ, опубликованных по материалам диссертации
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:
1. Бражный, А. И. Механизм выбора приоритетных альтернатив и последовательности решений для обеспечения навигационной безопасности буксирного каравана /
А. И. Бражный // Вестн. МГТУ: Труды Мурман. Гос. техн. Ун-та – 2016. – Т. 19. – № 4. –
C. 759-766.
2. Бражный, А.И. Навигационная безопасность плавания каравана по маршруту
буксировки в условиях стационарности движения / А. И. Бражный // Вестн.
МГТУ: Труды Мурман. Гос. техн. Ун-та. – 2015. – Т. 18. – № 4. – С. 601–604.
3. Бражный, А.И. Вероятностная оценка структурной устойчивости организационно-технических систем управления безопасностью судов методом усреднения /
А. И. Бражный, В.И. Меньшиков, Н.П. Дедков, А.Н. Папуша, В.В. Ковальчук // Вестн.
МГТУ: Труды Мурман. Гос. техн. Ун-та. – 2012. – Т. 15. – № 3. – С 559–561.
4. Бражный, А.И. Безопасное проведение и повышение эффективности промысловой операции / А. И. Бражный, В. Я. Сарлаев, В. И. Меньшиков // Рыбное хозяйство. – № 4. –
2012. – С. 107–108.
Статьи в журналах, сборниках научных трудов, материалов конференций и депонированные статьи
5. Меньшиков, В.И. К вопросу об исследовании обеспечения безопасности морских
буксировок / В.И. Меньшиков, А.И. Бражный. – Наука и образование – 2010: Материалы
межд. науч.-техн. конф.(5–12 апреля 2010г). [Электронный ресурс] / МГТУ. Электрон. текст
дан. (138 Мб) Мурманск: МГТУ. – 2010. – С.1178 –1184 (НТЦ "Информрегистр"
Рег. св. №18725 от 12 августа 2010 г. № гос. регистрации 0321000362).
6. Бражный, А.И. Достоверность информации при полной централизации в системе безопасной эксплуатации судов компании [Электронный ресурс] / А. И. Бражный,
А. Н. Суслов, В. И. Меньшиков // Наука и образование – 2012 : материалы междунар. науч.техн. конф., Мурманск, 2–6 апреля 2012 г. / Федер. агенство по рыболовству, ФГБОУ ВПО
«Мурман. гос. техн. ун-т». – Мурманск. – 2012. – С.816–819.– Режим доступа:
http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2012-9.pdf
7. Бражный, А.И. Основные принципы формирования проекта буксировочной
операции «маломореходного» объекта / А. И. Бражный, В. Я. Сарлаев, В. И. Меньшиков;
Мурман. гос. техн. ун-т. – Мурманск. – 2012. – 40с. – ил. – Библиогр.: 21 назв. – Рус. – Деп. в
ВИНИТИ 20.08.2012, № 355-В2012.
8. Бражный, А. И. Безопасность маневрирования каравана при морских буксировках «маломореходных» объектов / А. И. Бражный, В.Я. Сарлаев, В. И. Меньшиков; Мурман.
Гос. Техн. ун-т. – Мурманск, 2012. – 28с. – ил. – Библиогр.: 10 назв. – Рус. – Деп. в ВИНИТИ
20.08.2012, № 356-В2012.
Личный вклад соискателя в статьях, опубликованных в соавторстве,
составляет не менее 50 %.
18
Бражный Андрей Иванович
НАВИГАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ КАРАВАНА
ПРИ МОРСКИХ И ОКЕАНСКИХ
БУКСИРОВКАХ ПЛАВУЧИХ СООРУЖЕНИЙ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук
Подписано в печать__.04.2018 г.
Усл. изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Формат 60  841/16
Заказ №
Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм. Г. И. Невельского
690003, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
1 044 Кб
Теги
морские, буксировки, безопасности, плавучих, океанских, караван, сооружений, навигационная
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа