Дипломная работа (ВКР) — бакалавр, специалист на тему Анализ современных методов автоматического управления судном по заданной траектории.

Содержание:

Оглавление Введение. 3
Глава 1. Проблемы управления судном по заданной
траектории. 6
1.1
Основные проблемы.. 6
1.2
Международные документы, связанные с управлением (MASS) 11
1.3
IMO классы автономных судов. 13
1.4
Аварии, связанные с TRACK CONTROL с применением системы Автоматического
управления судном по траектории. 17
Глава 2. Принципы управления судном по заданной
траектории. 20
2.1
Варианты управления судном по траектории. 20
2.2
Минусы и плюсы алгоритма управления судном. 49
Глава 3. Алгоритмы отслеживания по траектории. 52
Глава 4. Моделирование. 63
Заключение. 70
Результат моделирования. 72
Список литературы.. 73

Введение:

Введение Современный этап развития систем мореплавания в мире
характеризуется существенными достижениями науки и техники в деле разработки,
создания, массового производства высоконадёжной техники судовой навигации,
радиосвязи, информатизации и автоматизации судовождения в сложных условиях
инфраструктуры акваторий портов, проливов и каналов. В настоящее время во многих
морских державах мира разрабатываются новые, более сложные, и в тоже время
обладающие большей функциональной нагрузкой системы, позволяющие
автоматизировать процесс судовождения. Первопричин такого рода разработок
несколько.

Во-первых, необходимость обеспечения безопасного
мореплавания в условиях все увеличивающейся интенсивности судоходства, резкий
рост цен на топливо для судовых силовых установок, усиление экологических
аспектов эксплуатации морского флота, строительство крупнотоннажных и
скоростных судов, управление которыми на должном уровне требует дополнительных
средств автоматизации процессов. Это позволяет уменьшить потери ходового
времени, снизить себестоимость перевозок, сократить численность экипажей,
повысить надежность оборудования, качество проводимых операций управления и
потому является наиболее эффективным средством повышения
тактико-эксплуатационных характеристик судов и условий труда плавсостава.

Во-вторых, для автоматизированного решения многих
навигационных задач, связанных с расхождением с судами, когда требуется
реализация определенных маневров, при удержании судна на заданном курсе, или
движении по любой необходимой траектории с прогнозированием возможной ситуации
и др., необходим адаптивный авторулевой, оптимально настраивающий параметры
системы. Такой адаптивный авторулевой должен обеспечивать корректировку
математических моделей судна и внешних сил, которые воздействуют в данный
момент на судно. Поэтому возникла необходимость в разработке новых адаптивных
авторулевых на основе технологий искусственного интеллекта.

Развитие научно-технического прогресса, оснащение
современных судов микропроцессорной техникой и вычислительными машинами при
разработанном прикладном математическом и программном обеспечении позволяют
решить поставленные задачи [2].

С одной стороны, системы автоматического управления
курсом судна должны: отвечать в полной мере растущим требованиям по обеспечению
безопасности плавания, по точности движения на заданном маршруте, надежности,
системности выделения и комплексной обработки информации от разнородных
приборов; обеспечивать оптимальную, в определенном смысле, настройку параметров
системы в режиме реального времени без участия вахтенного штурмана;
корректировать математическую модель системы при изменении гидродинамических
характеристик объекта.

С другой стороны, строгое решение задачи управления
движением судна, которые обеспечивает синтез управления в реальном времени и
заданного качества в общем случае, не удается получить с помощью используемых
сегодня систем автоматического управления курсом судна с традиционным
ПИД-регулятором и применяемых методик его настройки. Это вызвано тем, что во
время эксплуатации системы параметры и внешние воздействия меняются случайным
образом и изменяются в широком диапазоне (направление и сила ветра, высота и
длина волны, гидродинамические характеристики судна, осадка, глубина воды под
килем, скорость хода судна).

Проводка судна из порта отхода в порт назначения
относится к сложным задачам управления. Ее неординарность объясняется:
сложностью судна как объекта управления и многообразием влияния на него внешней
среды; необходимостью обработки большого количества данных, как от внутренних,
так и от внешних источников информации; сложностью навигационной аппаратуры и
силовых средств; ограниченным временем для принятия решений и рядом других
обстоятельств.

Разрешать указанную проблему необходимо путем
разработки новых систем на основе использования технологий, комплексной
обработки навигационной информации и в результате этого обеспечить требуемое
качество управления судном [2].

Следовательно, необходимость разработки новых научно
обоснованных методов создания систем управления судном на основе автоматических
систем определяет актуальность крупной научно-технической проблемы, решаемой в
работе.

Целью работы является разработка теоретических основ и
принципов создания автоматических систем управления судном на основе
определения областей работоспособности, с заданной вероятностью обеспечивающих
требуемое качество управления.

Достижение цели возможно посредством решения следующих
задач:

1. Изучение теоретических основ системы
автоматического управления курсом судна, выявление плюсов и минусов данных
алгоритмов.

2. Обоснование принципов определения параметров
системы автоматического управления курсом судна в различных условиях
эксплуатации.

3. Разработка алгоритма отслеживания по траектории
судна

Объектом исследования являются методы управления
судном, а именно, системы автоматического управления курсом судна по заданной
траектории.

Предметом исследования — автоматическая система
управления курсом судна и методы, обеспечивающие требуемую точность и качество
управления.

Заключение:

Заключение Важной
особенностью большинства управляемых процессов является обратная связь. Понятие
обратной связи можно легко проиллюстрировать с помощью простых примеров моряка,
который управляет кораблем с помощью рулевого колеса. Штурвальный выдерживает
курс судна в соответствии с заданными командами. Этот метод управления,
обозначаемый термином «управление с разомкнутым контуром», страдает несколькими
серьезными недостатками.

Так,
при изменении характеристик привода — исполнительного механизма, изменяется
положение руля, — судно будет сбиваться с курса, если рулевой не имеет никакой
информации о действительном направление движения. Если бы рулевой постоянно
следил за курсом судна по компасу, сравнивал его с заданным и вращал штурвал
так, чтобы уменьшить обнаруженную ошибку, судно примерно выдерживало бы нужный
курс.

Можно
заметить, что в этом случае штурвальный выполняет три основные функции —
выявляет отклонения действительного выполнения заданного, принимает решение о
коррекции действия и реализует его с помощью штурвала. Эти действия по
выявлению и коррекции ошибки, а также по управлению показана как обратная связь
от управляемой величины к управляющей.

В
такой системе фигурирует не только направление движения корабля, которое
задается положением штурвала, но и само положение штурвала зависит от этого
направления. Взаимозависимость двух величин — положение штурвала и курса судна
— определяет концепцию, называемую в инженерной среде обратной связью, а термин
«автоматические системы управления» обычно относятся к автоматическим системам,
построенным на этой концепции

Для
поиска настраиваемых элементов многоцелевой структуры используется
оптимизационный подход, в рамках которого разрабатываются вычислительные методы
построения приближенных к оптимуму решений. Сформированные методы достаточно
просты для непосредственного применения на борту в режиме реального времени,
что позволяет перенастраивать систему в зависимости от конкретных условий
плавания.

Основное
внимание в работе уделено следующим направлениям исследований:

—
рассмотрение особенностей применения оптимизационного подхода для синтеза
многоцелевого управления морскими судами;

—
формирование общей идеологии подхода к поиску приближенно оптимальных
варьируемых элементов многоцелевых законов управления движением в различных
режимах;

—
развитие методов и разработка расчетных алгоритмов синтеза многоцелевого
управления в морских автопилотах, функционирующих в условиях морского волнения;

—
разработка расчетных алгоритмов синтеза динамических корректоров для
многоцелевых законов управления в системах успокоения качки судов на морском
волнении;

—
развитие методов и разработка расчетных алгоритмов для оптимизации маршрутов
морских судов на трансокеанских переходах с учетом прогноза погодных условий;

—
рассмотрение практических примеров управления движением морских судов для
подтверждения применимости и эффективности разработанных в диссертации методов.

Фрагмент текста работы:

1.1 Основные проблемы Одно из последствий цифровой революции,
берущей свое начало в 1980-х гг. и получившей бурное развитие в настоящее время
— это концепция безэкипажного судоходства [1].

По данным Международной палаты судоходства,
сегодня в мире в плавании находятся свыше 50 тыс. торговых судов и на них в
качестве членов экипажа работает более 1 млн человек. Для судовладельцев
расходы на содержание экипажа являются одной из наиболее значимых статей
бюджета, второй — после расходов на топливо. Стоимость содержания судна в
среднем составляет от 3 до 4 тыс. долл. США в сутки. Кроме того, сегодня в
судоходной индустрии наблюдается явный дефицит квалифицированных моряков.

Эти и другие сопутствующие факторы привели к
пониманию, что одновременно уменьшить расходную часть и решить проблему кадров
судовладелец может только путем сокращения экипажей и в будущем вообще
отказаться от его услуг. И в этом процессе решающую роль призваны сыграть
информационно-коммуникационные технологии, позволяющие эффективно использовать
безэкипажные суда (мысль надо обработать, а то
получается что безэкипажные суда есть, а информационно-коммуникационных
технологий нет).

Этой проблемой озаботилась ММО —
Международная морская организация, являющаяся специализированным учреждением
ООН. На 98-й сессии Комитета по безопасности на море (далее — КБМ),
состоявшейся в июне 2017 г., вопросы безэкипажного судоходства было решено
включить в круг изучаемых ИМО вопросов. А на 101-й сессии КБМ в июне 2019 г.
было принято и одобрено Временное руководство по испытаниям морских автономных
надводных судов (англ. Interim Guide for Maritime Autonomous Surface Ships trials).

Таким образом, ИМО демонстрирует, что придает серьезное значение
перспективам использования морских судов без экипажей. Конечно же, центральной
проблемой здесь является полное отсутствие соответствующего
нормативно-правового обеспечения, а именно терминологии и определений MASS, в
том числе согласованное на международном уровне определение MASS и уточнение
значения терминов «капитан», «экипаж» или «ответственное лицо», в частности, в
третьей степени (дистанционно управляемое судно) и четвертой (полностью
управляемое судно). автономный корабль).

Другие ключевые вопросы включают удовлетворение функциональных и
эксплуатационных требований к станции/центру дистанционного управления и
возможное назначение удаленного оператора в качестве моряка

ИМО предложила унифицированное наименование
такого рода судов, а именно — морские автономные надводные суда (далее — МАНС).

Термин «автономные» является не вполне
удачным по отношению к судам без экипажей, потому что под определением
«автономность» более привычно подразумевать срок плавания без пополнения
запасов. Тем не менее, указанный термин уже используется и нам надо его принять
как закрепленный в международной морской практике. Между тем, каких только
терминов, обозначающих суда без экипажа, не встретишь в русскоязычной сфере —
беспилотные, самоуправляемые, роботизированные, телеуправляемые и т.п.[3]

Кроме того, возникает ряд проблем, связанных
с имплементацией норм, которые содержатся в целом ряде международных конвенций.
Пожалуй, одна из самых важных конвенций в этом контексте — это МППСС-72.

В Конвенции по охране человеческой жизни на
море (СОЛАС) существует отдельная глава, касающаюся безэкипажных судов.

Статья 10 Конвенции о спасании 1989 г.
предусматривает обязанность капитана оказывать помощь любому лицу, которому
угрожает гибель на море. Статья 270 УК РФ — «капитанская статья»,
предусматривает уголовную ответственность за нарушение этой обязанности.

Решающую роль играет глазомерная оценка и
учет течений. Есть еще одна важная социальная проблема, касающаяся развития
МАНС.

Россия является сегодня одним из крупнейших
поставщиков квалифицированных моряков на мировой торговый флот.

На сегодняшний день с ростом технических
возможностей в классификации судов появились такие символы класса автоматизации
как AUT-1,2 и 3, а также класс судов ОМБО — судно может управляться одним
вахтенным. Сейчас рассматривается проектирование и создание судов с уменьшением
экипажа, либо без экипажа — дистанционно управляемые суда, либо суда под
управлением искусственного интеллекта.

На данный момент известно несколько
проектируемых, строящихся и функционирующих безэкипажных судов.

В июне 2017 г. компания Rolls-Royce начала
внедрение безэкипажного флота и спустила на воду буксир «Svitzer Hermond»,
оборудованный системой динамического позиционирования, который стал первым
судном с дистанционным управлением. Норвежские компании Yara и Kongsberg
объединили усилия для постройки судна Yara Birkeland, который представляет
собой небольшой электрический контейнеровоз. В России с 2020 до 2025 г.
планировалось производить испытания переоборудованных судов трех судов:
челночного танкера «Совкомфлота» — «Михаил Ульянов», сухогруза компании «Пола
Райз», грузоотвозной самоходной баржи и земснаряда «Росморпорта». От внедрения
новых технологий не отстает и внедрение изменений в морское законодательство.
DNV GL в 2018 г. разработала документ «Autonomus and remotely operated ships»,
в 2020 г. РМРС выпустила «Положения по классификации морских автономных и
дистанционно управляемых надводных судов (МАНС)».

В 2020 г. на федеральном портале проектов
нормативно-правовых актов был размещен проект федерального закона «О внесении
изменений в Кодекс торгового мореплавания Российской Федерации и отдельные
законодательные акты Российской Федерации в части правоотношений, возникающих
при использовании автономных судов».

Основное требование к системам автономных и
дистанционно управляемых судов — надежность, безопасность и степень
автоматизации не хуже судна с экипажем. Автономные суда должны иметь
минимальное количество жилых и рекреационных отсеков, за счет чего
увеличивается полезное пространство судна (грузовое для транспортировки).

На автономных судах огромная роль будет
отведена локальной сети судна и системам связи.

Локальная сеть должна быть реализована с
возможностью функционирования при любом единичном отказе, при этом из сети на
время устранения отказа должно исключаться неисправное оборудование.

Вычислительные системы, отвечающие за
управление судном должны быть построены по мажоритарному принципу (то есть
ориентироваться по большему количеству совпадающих данных для расчета). При
этом вычислитель, выдающий некорректные значения должен быть отключен от общей
системы на время его перезагрузки и проверки, после чего должен быть
реинтегрирован в систему.