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 co_t = 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 f_x = l/Дх именуется частотой события по пространственной координате х. Величина са_х == 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=F_ahd(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 = 2xfl_w

Система 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 возла гается:

• 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:

1. Картографическая база:

2. База для расчета приливных явлений

3. База сведений.

4. База для расчета приливных явлений;

5. База сведений о портах;

6. База данных о судне;

7. База рекомендованных

8. Базы корректур;

9. Другие базы.

 

1. Картографическая база данных (КБД) содержит информацию для построения навигационных карт на экране дисплея. Она представляет собой специально организованную для целей судовождения совокупность картографических и навигационно-гидрографических данных на весь Мировой океан либо его определенную часть.

2. База сведений о навигационных средствах хранит информацию пособий «Огни и знаки», «Радиотехнические средства» и других специальных источников.

3. База рекомендованных маршрутов включает каталог и файлы маршрутов. Запись маршрута в файле обычно содержит его номер, название, координаты путевых точек, значения допустимых отклонений от линии пути, перечень генеральных и путевых карт, список навигационных пособий.

4. База по приливным явлениям включает постоянные для пунктов величины и астрономические данные, необходимые для расчета приливных уровней и течений.

5. Местные условия в схеме расчета приливных уровней учитываются с помощью записанных в базе для каждого пункта величин:

6. координат места;

7. скорость постоянного течения,

8. направление приливного и отливного течения,

9. гармонические постоянные скорости приливного течения.

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:

1 Данные текущей погоды;

2 Прогнозы погоды, сгруппированные через 12 или 24 часа, на период до 7суток вперед;

3 Прогностические сведения о тропических циклонах, сгруппированные через 6 часов, на время до трех суток вперед;

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.

 

Ó Николай Иванович Величко

 

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ СУДОВОЖДЕНИЯ