RU16875U1 - Система выбора оптимальной тактики движения судна - Google Patents

Abstract

Система выбора оптимальной тактики движения судна, включающая бортовой компьютер, в системный блок которого смонтирован аналого-цифровой преобразователь (АЦП), датчики, подключенные к интерфейсной плате АЦП, специализированное программное обеспечение, отличающаяся тем, что для выбора оптимальной тактики движения ледокола в тяжелых ледовых условиях, когда невозможно движение непрерывным ходом, она снабжена датчиками кинематических характеристик: линейного ускорения и угловой скорости, соединенными с аналого-цифровым преобразователем, встроенным в бортовой компьютер, и набором программ, позволяющих определять характеристики ледовых условий непосредственно с борта ледокола и выбирать оптимальную тактику движения во льдах, толщина которых превышает толщину, преодолеваемую непрерывным ходом.

Description

СИСТЕМА ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ ТАКТИКИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА

Полезная модель относится к области судостроения, в частности к экснлуатации ледоколов в тяжелых ледовых условиях, когда толщина ледяного нокрова нревышает толщину, преодолеваемую непрерьшным ходом, и движение осуществляется набегами.

Известно из литературных источников 1, 2, что движение ледоколов во льдах, толщиной больше предельной, осуществляется набегами. (Под предельной толщиной ледяного покрова понимается такая толщина, которую ледокол преодолевает непрерывным ходом с минимально устойчивой скоростью).

Длина продвижения в сплошном льду зависит от скорости разбега, следовательно, от длины разгонного участка, а суммарное время цикла набега - от всех этапов маневрирования. Поэтому вопрос о выборе оптимальной длины разбега ледокола в зависимости от толпщны ледяного покрова является актуальным. За целевую функцию принята максимальная средняя скорость движения

v ,(1)

являющаяся основным показателем ходкости ледокола набегами. Для достижения максимальной средней скорости движения набегами v для конкретного ледокола необходимо использовать оптимальную тактику маневрирования, которая заключается в следующем. После остановки ледокола в сплошном льду из-за невозможности продолжить движение, так как сопротивление превышает тягу, необходимо отойти назад с целью набора кинетической энергии для очередного продвижения /„ в сплошном ледяном по1фове. Причем, отойти надо так, чтобы средняя скорость движения за цикл бьша максимальной. Для этого оцениваются ледовые условия, а именно, определяются толпршы ледяного h и снежного АС покрова. Это осуществМКИ G 05 В 13/00, G 01 С 23/00

лается с борта ледокола с помощью прибора дистанционного измерения толщин, если такой имеется, или ледомерной рейкой по льдинам, повернутым на ребро. С использованием расчетных диаграмм, которые должны быть в рулевой рубке, определяют оптимальное время или оптимальную длину отхода ледокола до момента реверса энергетической установки с учетом толпщны ледяного и снежного покрова. Вьшолняют реверс гребных винтов с переднего хода на задний до оборотов, регламентируемых инструкцией по эксплуатации двигателя в течении времени пз, и отходят назад до момента реверса на расстояние /от не меньше оптимального или в течении времени / не меньще оптимального. После отхода в течении нужного времени производят реверс движителей с заднего хода на передний согласно инструкции по эксплуатации судовой энергетической установки. При этом ледокол продо.11жает движение задним ходом по инерции до полной остановки. На это затрачивается время /зп и ледокол проходит путь /,„ . После полной остановки на заднем ходу начинается разбег на переднем ходу в собственном канале битого льда до момента контакта со сплощным льдом в течении времени tp при работе энергетической установки на полную мощность. В сплошном льду скорость ледокола снижается вплоть до полной остановки. При работе набегами в ровном малозаснеженном льду, когда вероятность заклинивапия минимальна, реверс движителей осуществляют сразу же после остановки судна. В заснеженных льдах бывает полезно проработать мащинами вперед еще некоторое время, особенно при движении вверх по течению, с целью промьтки ледового канала за кормой и облегчения отхода назад. Если в предыдущих циклах происходило заклинивание ледокола, на которое затрачивается время /03, то для уменьшения вероятности заклинивания следует производить заблаговременный, до остановки судна, реверс движителей на задний ход. Это может сократить затраты времени на цикл в целом. При заклинивании для освобождения ледокола принимают специальные меры (маневрирование движителями и рулями, работа пневмо-омывающего устройства и крено-дифферентной системы). Если не произопшо заклинивание корпуса или после его освобождения от заклинивания гфоцесс нестационарного движения ледокола повторяется.

Недостатком существующей оптимальной тактики служит то, что для ее практической реализации судоводителю необходимо:

следить за тем, заклинивается ледокол или нет. Если ледокол заклинивается, то надо онределять время освобождения от заклинивания;

зная толщину льда и снега, время освобождения от заклинивания, подбирать расчетную диаграмму для конкретных ледовых условий;

по расчетной диаграмме определять оптимальную длину иди время отхода ледокола до момента реверса движителей с заднего хода на передний, и только после этого начать маневрирование.

Весь перечисленный набор действий занимает немало времени, является довольно трудоемким процессом, требует дополнительных знаний и навьпсов, отвлекает внимание судоводителя, что приводит к быстрому его переутомлению.

Другим недостатком существующей тактики является то, что на борту ледокола надо иметь полный комплект расчетных диаграмм с разными вариантами ледовых условий (толщина льда, толщина снега, время освобождения от заклинивания). Чем больше расчетных диаграмм, тем больше потребуется времени на поиск нужной. Чем меньше расчетных диаграмм, тем с меньшей точностью и большими затратами времени будут определены оптимальные параметры, так как необходимо выполнять интерполяцию.

В настоящее время известны различные системы для оптимизации работы судов с использованием бортовых компьютеров.

В качестве прототипа рассмотрена навигационная гидрографическая система для проведения морских гидрографических съемок и эхотраления (свидетельство на полезную модель № 13093, G 01 С 23/00, 14.10.1999 г.), содержащая компьютер, оборудование определения местоположения Syledis, гирокомпас, один инклинометр, эхолот, эхотрал, выходы которых соединены с входом компьютера, авторулевой, мониторы рулевого и оператора, входы подключены к выходам вьппеупомянутого компьютера, который снабжен интерфейсной платой для подключения датчиков, цифровой платой для подключения датчиков, платой управления судном.

Однако эта система не позволяет рещать задачу по оптимизации движения ледоколов в тяжелых льдах.

Решаемые задачи полезной модели - обеспечение выбора оптимальной тактики движения ледоколов набегами в тяже.шых льдах и совершенствование автоматизации труда судоводителей.

Технический результат - увеличение функциональных возможностей в определенных ледовых условиях работы, определение параметров ледовой обстановки, необходимых для оптимизации движения ледокола в этих условиях, которые приводят к экономии топлива и снижению затрат на него.

Этот технический результат достигается тем, что система выбора оптимальной тактики движения судна, включающая бортовой компьютер, в системный блок которого вмонтирован аналого-цифровой преобразователь (АЦП), датчики, подключенные к интерфейсной плате АЦП, специализированное программное обеспечение, снабжена датчиками кинематических характеристик: линейного ускорения и угловой скорости, соединенными с аналого-цифровым преобразователем, встроенным в бортовой компьютер, и набором программ, позволяющих определить характеристики ледовых условий непосредственно с борта ледокола и выбирать оптииальуую тактику движения во льдах, толщина которых превышает толщину, преодолеваемую непрерьшным ходом.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, т.е. в судостроении, позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемой системе и признать заявляемое решение соответствуюпщм критерию «новизна.

Соответствие критерию «промышленная применимость подтверждают проведенные модельные испытания.

На чертеже показана схема системы. Она содержит бортовой компьютер 1, в системный блок которого вмонтирован аналого-цифровой преобразователь 2. Через специальный разъем в системном блоке аналого-цифровой преобразователь соединен с группой датчиков 3, которые позволяют определять кинематические характеристики движения (линейные ускорения и угловые скорости). Бортовой компьютер 1 снабжен специализированным программным обеспечением 4, состоящем из комплекта программ, каждая из которых вьшолняет отведенные ей функции. Управление сигналами, поступаюпщми с датчиков 3 и преобразованными с помоп1;ью аналого-цифрового преобразователя 2, ведется с дисплея компьютера 1. Специальная программа определяет интегральные характеристики ледяного покрова, в котором осуществляется прокладка канала ледоколом, а затем производится расчет оптимальной тактики движения с целью достижения максимальной средней скорости движения набегами и, следовательно, минимизации расхода топлива на заданную ледокольную работу, результаты которого в режиме подсказки судоводителю о правильном маневрировании энергетической установкой выдаются на дисплей компьютера 1. Компьютер 1, соединенный с датчиками 3, устанавливается в рулевой рубке ледокола. Датчики 3 жестко фиксируются на неподвижную поверхность.

Система выбора оптимальной тактики движения судна работает следующим образом.

Судоводитель включает компьютер 1. Осуществляет запуск программного продукта 4, в который заложены математические модели, уже настроенные на экспериментальные данные по движению данного ледокола, на борту которого установлен компьютер. Для работы необходимо использовать Microsoft Windows 95. В программе реализована следующая последовательность действий. Сначала необходимо получить информацию о характеристиках ледяного покрова.

Для этого на этапе продвижения в сплошном льду следует записать сигналы с датчиков 3, нажав на панели ршструментов рабочего листа последовательно кнопки «Запись -«Начать. На экране появится сообщение «Внимание Осзоцествляется запись. После остановки или до остановки ледокола запись следует остановить последовательным нажатием кнопок «Запись -«Остановить. Записи необходимо производить при движении именно в сплошном льду, поскольку определение характеристик ледяного покрова на данном этапе продвижения будет более достоверным. Поступившие сигналы с датчиков 3 и преобразованные с помопц ю аналого-цифрового преобразователя 2, записьшаются в специально отведенный файл в виде массива чисел. Как только массив сформирован, программа начинает работу с ним и путем численного интегрирования формирует зависимости параметров движения ускорения х, скорости л;, пути л: во времени t.

На этапе продвижения в сплошном льду уравнение движения имеет вид:

где А, В - выражения, в которые вошли характеристики ледокола (главные размерения, скорость, тяга), составляющие ледового сопротивления с параметрами льда

+ Л ,(2)

и снега. Решение этого днфференциального уравнения представлено в ввде зависимостей:

(0; jc f(0; f(0.(3)

Подставляя в (3) полученные параметры t, х, л, jc и уук& заложенные характеристики ледокола, неизвестными остаются характеристики ледяного покрова, которые находятся в результате решения системы уравнений (3). Определенные параметры ледовой обстановки вьщаются в качестве сообш;ения на экран компьютера и заносятся в отведенный для них массив.

По уже известным параметрам льда и характеристикам ледокола по желанию судоводителя можно рекомендации по оптимальной тактике маневрирования энергетической установкой. Для этого производнтся расчет оптимальных параметров движения ледокола в конкретных ледовых условиях с указанием времени освобождения от заклинивания, если это необходимо.

За критерий принята средняя скорость движения v (1), которая не только зависит от длины продвижения в сплошном льду /п, но и от суммарного времени продвижения за цикл, следовательно, и от длины разгонного участка.

Параметры движения t, t, /„, /„, входящие в (1), определяются из

решений дифференцнальных уравнений движения ледокола на каждом этапе циклического движения набегами: отходе назад в собственном канале битого льда, разбеге и продвижении в ненарушенном ледяном покрове в зависимости от длины

отхода ледокола, а параметры движения /зп пз возможностями энергетической

установки. Затем рассчитьтаются средние скорости движения набегами v (1) для заданных длин отхода ледокола и определяется максимальная.

Результаты расчетов оптимальных параметров движения ледокола в конкретных ледовых условиях вьщаются на монитор бортового компьютера 1 в режиме реального времени в качестве рекомендаций судоводнтелю по маневрированию энергетической установкой судна. По желанию вахтенного начальника эти рекомендации принимаются к исполнению, и судоводитель продолжает управлять ледоколом, двигаясь набегами в тяжелых льдах.

Если судовой команде потребовалось использовать компьютер 1 для решения другой общесудовой задачи, то необходимо закрыть программный продукт 4 и продолжать движение с учетом ранее полученных рекомендаций или полагаясь на опыт и интуицию судоводителя.

Система позволяет уточнять или настраивать математические модели, заложенные в программный продукт 4, на любой ледокол. Для этого в нее включены специальные программы, позво.11яющие производить накопление экспериментальных данных и опреде.11ять эмпирические коэффициенты моделей. Это можно сделать следуюпщм образом. Производить периодические непосредственные измерения толпщн льда и снега с борта ледокола. По соответствующему загфосу ввести эти данные с клавиатуры. Параметры движения ледокола на различных этапах движения набегами определяются путем записи сигналов с датчиков 3, как было описано вьщге. Данные сохраняются в отведенном массиве. При достаточном накоплении экспериментальных данных подгверждается желание о перенастройке математических моделей. Это произойдет в результате рещения системы уравнений вида (3) для различных этапов движения, где в качестве неизвестных будут выступать эмпирические коэффициенты.

Получив сообщение о завершении настройки математических моделей, система может работать описанным вьппе образом, то есть выдавать рекомендации по оптимальной тактике маневрирования в тяжелых ледовых условиях. Соответственно в процессе эксплуатации точность и достоверность рекомендаций по маневрированию повышается.

Список используемых источпиков

1.Ледоколы / В.И.Каштелян, А.Я.Рьшлин, О.В.Фадеев, В.Я.Ягодкин. - Л.: Судостроение, 1972.-298 с.

2.Грамузов Е.М., Калинина Н.В. Оптимизация движения ледокола в тяжелых льдах / 2-я международная конференция по морским интеллектуальным технологиям, сентябрь 1997 г., г.С.-Петербзфг.

Claims (1)

1. Система выбора оптимальной тактики движения судна, включающая бортовой компьютер, в системный блок которого смонтирован аналого-цифровой преобразователь (АЦП), датчики, подключенные к интерфейсной плате АЦП, специализированное программное обеспечение, отличающаяся тем, что для выбора оптимальной тактики движения ледокола в тяжелых ледовых условиях, когда невозможно движение непрерывным ходом, она снабжена датчиками кинематических характеристик: линейного ускорения и угловой скорости, соединенными с аналого-цифровым преобразователем, встроенным в бортовой компьютер, и набором программ, позволяющих определять характеристики ледовых условий непосредственно с борта ледокола и выбирать оптимальную тактику движения во льдах, толщина которых превышает толщину, преодолеваемую непрерывным ходом.