RU2847373C1 - Способ управления координированной групповой деятельностью комплексов азимутальных буксиров-автоматов - Google Patents

Abstract

Способ относится к средствам управления движением группы азимутальных буксиров-автоматов, предназначенных для эскортирования, раскантовки и швартовки грузовых крупнотоннажных судов к терминалу, в пределах заданной водной акватории. Реализуется одновременный контроль параметров жесткой сцепки с эскортируемым крупнотоннажным грузовым судном, включающий параметры силы тяги и синхронность включения поворотных швартовных механизмов и электромагнитных захватных секций во всех судах-буксирах ансамбля, за счет комплексирования информации использованных технических средств, включающих в себя динамическое позиционирование, анализ окружающей обстановки с помощью оптической системы, данные морской отказоустойчивой системы связи и автономной навигационной системы. Повышается точность управления движением судна и снижается загрузка рулевого привода. Повышается безопасность проводки судна в узкостях. 5 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.

Система и способ относятся к средствам управления движением группы азимутальных буксиров-автоматов, предназначенных для эскортирования, раскантовки и швартовки грузовых крупнотоннажных судов к терминалу, в пределах заданной водной акватории.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.

Известны системы и способы выполнения управления координированной группой судами вспомогательного и грузового флота направлены на описания методик выполнения швартовных операций, эскорта и раскантовки с помощью классических судов и средств швартовки, а так же с экипажем на борту.

Развитие автономного судовождения и концепции «умного порта» требуют технологий управления, позиционирования, швартовки, заменяющих стационарные установки на причале или на судне в операциях швартовки с причалом, а также для подхода лагом к другому судну с целью бункеровки, эскорта, раскантовки.

В виду вышеуказанного аспекта возникают проблемные ситуации при использовании новых технологий, которые заменяют человека, с традиционными способами швартовки и управления.

Отличительной чертой настоящего патента является использование систем и способов, направленных на формирование управления координированной групповой деятельности буксиров-автоматов, в основе которой заложены следующие запатентованные технологии:

• ПРОПУЛЬСИВНЫЙ КОМПЛЕКС БУКСИРА АВТОМАТА -RU 223623 U1;

• ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СИСТЕМЫ ВЫСОКОТОЧНОЙ ПРОВОДКИ И ШВАРТОВКИ (ПК СВПШ) -RU 2024616184;

• ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ШВАРТОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ (ПК СМШО) - RU 2024615423;

• КОРПУС СУДНА-БУКСИРА - RU 222507 U1;

• СПОСОБ ПРОВОДКИ, ШВАРТОВКИ И ОТШВАРТОВКИ МОРСКОГО ГРУЗОВОГО СУДНА В АВТОНОМНОМ РЕЖИМЕ И СПОСОБ РАБОТЫ ЦИФРОВОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ГРУППЫ АВТОНОМНЫХ СУДОВ-БУКСИРОВ В ПОРТОВОЙ АКВАТОРИИ - RU 2809129 С1;

• ПОВОРОТНЫЙ БУКСИРНЫЙ ШВАРТОВНЫЙ МЕХАНИЗМ -RU215135 U1;

• ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕМ DP5000 - №2023665603;

• ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА И ПОДАЧИ ИНЕРТНОГО МАТЕРИАЛА DP5000-AS - №2023666536;

• ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КУРСОМ СУДНА АР5000 - №2023667297.

• ИПКАС - ИМИТАЦИОННЫЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС АВТОНОМНОГО СУДОВОЖДЕНИЯ - RU 2024610995.

Известны способы швартовных операций по патентным документам.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА, УЧИТЫВАЮЩАЯ МОРСКОЕ ВОЛНЕНИЕ – RU 2014152297 U. Предлагаемая полезная модель относится к области судовождения -автоматическому управлению движением судна.

Известен способ и система автоматического управления движением судна по заданному направлению, реализованная в «Системе автоматического управления судном», (RU 2240953 С1, 27.11.2004). Система управления движением судна использует информацию от приемника спутниковой навигационной системы, датчика угловой скорости, блока заданного значения курсового угла и сумматора, в котором по сигналам: текущего путевого угла, заданного путевого угла и угловой скорости судна формируется сигнал управления рулевым приводом судна.

Известна также система автоматического управления движением судна (RU 2292289 С1, 27.01.2007, принятая в качестве прототипа), в которой автоматическое управление движением судна осуществляется аналогично описанному выше, но с дополнительной корректировкой заданного значения путевого угла в процессе плавания из точки «А» в точку «Б», затем «В» по заданному маршруту.

Недостатками существующих систем управления движением судна являются:

- появление ошибки по углу курса при движении по взволнованному морю,

- перегрузка рулевого привода при движении по взволнованному морю,

- при наличии поперечных внешних возмущений, воздействующих на судно в процессе плавания, появляется ошибка в направлении движения судна по курсу относительно заданного курса,

Предложенная аппаратура управления лишена этих недостатков. Техническим результатом, предлагаемого технического решения является:

- восстановление (выработкапо) оценок фазовых координат судна и внешних возмущений, воздействующих на судно в процессе плавания,

- выработка и введение сигналов восстановленных оценок внешних возмущений в закон управления движением корабля (что позволило повысить точность управления движения судна и снизить загрузку рулевого привода),

- повышение экономичности управления движением и безопасности проводки судна в узкостях.

Технический результат достигается тем,

что система автоматического управления движением (САУД) судна, учитывающая морское волнение, содержит датчик руля δ, рулевой привод, датчик угловой скорости ω, датчик угла куса ϕ, задатчик угла курса ϕзд., и сумматор, к входу которого подключены: датчик руля δ и задатчик угла курса ϕзд., выход сумматора подключен к входу рулевого привода.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА С КОМПЕНСАЦИЕЙ ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИЙ – RU 2016116035 U.

Полезная модель относится к области судостроения автоматическому управлению движением судна. Техническим результатом, предлагаемой системы автоматического управления движением судна с компенсацией внешних возмущений является: - восстановление оценки (текущего) внешнего возмущения, воздействующего на процесс движения судна, - коррекции «ПД» закона (путем введения в закон управления оценки текущего внешнего возмущения) для устранения отрицательного влияния на процесс автоматического управления движением судна при развитом морском волнении. Технический результат достигается тем, что система автоматического управления движением судна с компенсацией внешних возмущений содержит датчик руля, задатчик курса, датчик курса, измеритель угла дрейфа и угловой скорости судна, рулевой привод, фильтр оценки курса и угловой скорости, регулятор к входу которого подключены: датчик руля, задатчик курса, сигналы оценки курса и угловой скорости с выхода фильтра оценки курса и угловой скорости судна, к входу фильтра подключены сигналы угловой скорости судна и угла дрейфа с измерителя угла дрейфа и угловой скорости судна, датчик курса подключен к входу фильтра оценки курса и угловой скорости на выходе фильтра формируются сигналы оценки курса -и оценки угловой скорости судна -: где δ - угол перекладки руля, с датчика руля, φ - курс, с датчика курса,- оценка курса, с фильтра оценки курса и угловой скорости,- оценка угловой скорости судна, с фильтра оценки курса и угловой скорости, ω, β - угловая скорость и угол дрейфа, с измерителя угла дрейфа и угловой скорости, К, К, К- гидродинамические коэффициенты математической модели движения судна, К, К- коэффициенты.

СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ - 2003097320 2003.03.31 JP

Система управления согласно изобретению для регулирования величины, подлежащей контролю, на основе отклонения контролируемой величины от ее целевого значения и параметров управления включает в себя вычислитель значений характеристик поведения, вычислитель данных оценки базового состояния и установщик параметров управления. Калькулятор значений характеристик поведения определяет период или частоту поведения определенного типа, совершаемого субъектом, подлежащим контролю. Калькулятор данных оценки базового состояния вычисляет количество изменений за указанный период или частоту. Устройство настройки управляющих параметров обновляет значение по меньшей мере одного из управляющих параметров в зависимости от величины вышеупомянутых изменений.

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ И СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ - 2012029883 2012.02.14 JP.

Автоматическое рулевое устройство содержит блок вычисления целевого угла поворота руля, блок хранения целевого угла поворота руля и блок управления рулевым управлением. Блок вычисления целевого угла поворота руля вычисляет целевой угол поворота руля на основе курса и траектории полета. Блок хранения целевого угла поворота руля сохраняет целевой угол поворота руля во время выполнения предыдущей команды управления рулем. Блок управления рулевым управлением выдает команду рулевого управления для указания рулевому управлению выполнять управление на основе новейшего целевого угла поворота, рассчитанного блоком вычисления целевого угла поворота, и целевого угла поворота на момент подачи предыдущей команды управления, сохраненной блоком хранения целевого угла поворота.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

Технической задачей способа управления координированной групповой деятельностью комплексов азимутальных буксиров-автоматов является обеспечение контроля режима жесткой сцепки между судами-буксирами и эскортируемым грузовым судном, а также обеспечение слаженного управления поворотными швартовными механизмами и электромагнитными захватными секциями во всех судах-буксирах ансамбля, при этом жесткая сцепка рассматривается как основа автономного портового флота.

ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ

Технический результат достигается за счет комплексирования информации использованных технических средств, включающих в себя динамическое позиционирование, анализ окружающей обстановки с помощью оптической системы, данные морской отказоустойчивой системы связи и автономной навигационной системы и выражен в повышении быстродействия изменения и коррекции курса грузового крупнотоннажного судна автономными буксирами-автоматами, высокоточном позиционировании группы азимутальных буксиров-автоматов и грузового крупнотоннажного судна, снижении радиуса раскантовки грузового крупнотоннажного судна буксирами-автоматами в условиях активного судоходства в портовой акватории при сложных навигационных условиях.

Одновременно решаются также задачи по снижению времени перевалки грузов, уменьшению рисков перевалки за счет оптимизации процессов проводки и швартовки грузового крупнотоннажного судна к причалу терминала, а также сокращению простоя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Процесс выполнения управления координированной группой деятельности буксиров-автоматов должен функционировать в соответствии с описываемыми способом. Способ содержит описание технологического цикла и порядок применения буксира-автомата в процессе швартовной операции, эскорта, раскантовки, движении в строю и одиночно.

При каждом из способов управления (дистанционное управление и автономное управление) могут быть применены следующие режимы работы систем буксира-автомата:

• дистанционное управление движительно-рулевыми устройствами буксиров-автоматов;

• автоматическое координированное групповое управление буксирами-автоматами - основные режимы работы системы и одиночного буксира-автомата с заданным путевым углом и заданной скоростью;

• автоматическое удержание группы буксиров-автоматов, в заданной позиции с заданным курсом;

• автоматическое управление движением группой буксиров-автоматов по заданной траектории с заданным курсом.

При этом:

• если прямое управление движительно-рулевыми устройствами, задание путевого угла и скорости движения, назначение позиции удержания и курса в ней, или задание траектории осуществляются внешним капитаном из центра дистанционного управления - это дистанционное управление;

• если задание путевого угла и скорости движения, назначение позиции удержания и курса в ней, или задание траектории осуществляются неким вычислительным устройством, расположенным на буксире-автомате - это автономное управление.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ поясняется графическими материалами, на которых изображены:

На фиг. 1 - Объемная модель положения буксира-автомата относительно грузового крупнотоннажного судна.

УСТРОЙСТВО СОДЕРЖИТ

1 - буксир-автомат;

2 - грузовое крупнотоннажное судно;

3 - поворотное швартовное устройство;

4 -электромагнитный элемент стыковки (секция);

5 - пропульсивная установка;

На фиг. 2 - Схемы подхода буксиров-автоматов к грузовому крупнотоннажному судну.

1 - буксир-автомат;

2 - грузовое крупнотоннажное судно;

На фиг. 3 - Схемы выполнения раскантовки буксирами-автоматами.

1 - буксир-автомат;

2 - грузовое крупнотоннажное судно;

На фиг. 4 - Схемы выполнения эскорта буксирами-автоматами.

1 - буксир-автомат;

2 - грузовое крупнотоннажное судно;

На фиг. 5 - Схемы выполнения швартовки буксирами-автоматами.

1 - буксир-автомат;

2 - грузовое крупнотоннажное судно;

В схему управления координированной группой деятельности входят комплексы судовых азимутальных буксиров-автоматов 1, движение которых на протяжении всего времени выполнения маневров корректируется внешним капитаном, и находящихся во взаимодействии с эскортируемым крупнотоннажным грузовым судном 2, движущимся под контролем лоцмана, средства динамического позиционирования, оптическую систему анализа окружающей обстановки, морскую отказоустойчивую систему связи, автономную навигационную систему, технические средства, обеспечивающие автономное и дистанционное управление судами, при этом, буксиры-автоматы 1 оснащены поворотными швартовными устройствами 3 и электромагнитными захватами 4.

Способ управления координированной групповой деятельности комплексов азимутальных буксиров-автоматов 1 при автономном и дистанционном способах управления судами, основанный на контроле режима жесткой сцепки, включающий в себя поворотный швартовный механизм 3 и электромагнитную захватную секцию 4 по два на каждом буксире-автомате 1, с эскортируемым крупнотоннажным грузовым судном 2 за счет комплексирования информации использованных технических средств, включающих в себя динамическое позиционирование, анализ окружающей обстановки с помощью оптической системы, данные морской отказоустойчивой системы связи и автономной навигационной системы, при которых осуществляется по команде внешнего капитана движение координированной группы азимутальных буксиров-автоматов 1, с последующим мониторингом, из места базирования в место встречи с грузовым крупнотоннажным судном 2 для подхода к нему с целью выполнения последующего эскорта до грузового терминала и раскантовки, швартовных операций в жесткой сцепке, реализуемой с помощью поворотного швартовного устройства 3 и электромагнитной захватной секции 4, с использованием пропульсивных комплексов 5 буксира-автомата 1 для корректировки движения ансамбля из буксиров-автоматов 1 и грузового крупнотоннажного судна 2, который движется до грузового терминала на малом ходу под контролем лоцмана, а движение буксиров-автоматов 1 на протяжении всего времени выполнения маневров корректируется внешним капитаном.

Способ реализуется следующим образом.

Весь цикл системы работы буксира-автомата можно разделить на следующие фазы:

Движение в строю

Управление по курсу и скорости. В качестве цели управления - курс и скорость точки на впереди идущем буксира-автомата. Коррекция дистанции и курсового угла относительно цели.

Свободный ход

Управление по траектории и скорости. В качестве цели управления -заданная траектория движения и остановка в конце нее.

Эскортирование

Управление по курсу и скорости. В качестве цели управления - курс и скорость точки на судне. Коррекция дистанции и курсового угла относительно цели. Работа в режиме Подруливающего Устройства. Исполнение команд лоцмана.

Удержание позиции

Работа в режиме DP. Удержание судна в позиции, заданной координатами. Компенсация воздействий внешней среды. Стыковка

Жесткая сцепка - модификация режима «Эскорт» с постепенным сокращением дистанции удержания до грузового крупнотоннажного судна. Включение электромагнитных секций. Жесткая сцепка.

Стоянка

Гибернация. Зарядка.

Распределение позиции в строю, в районе рандеву Автоматическое адаптивное распределение

Назначение позиции в строю и места в точке рандеву производится специальным алгоритмом в зависимости от текущего местоположения буксира-автомата относительно других буксиров-автоматов и портовых сооружений.

В момент получения команды «встать в строй» все буксиры-автоматы просчитывают время прибытия в точку построения. Порядок в строю распределяется согласно очередности прибытия в точку построения.

Расстановка буксиров-автоматов в районе рандеву определяется порядком следования в строю. Наиболее близкий к району рандеву буксир-автомат занимает наиболее дальнюю позицию в районе рандеву.

Жесткое назначение

Каждому буксиру-автомату присваивается порядковый номер в строю и позиция в точке рандеву. Является более безопасной формой распределения, поскольку предсказуемо поведение буксиров-автоматов.

Групповая деятельность

Выход из места базирования. Следование строем к точке рандеву.

Активация;

Системы буксиров-автоматов находятся в режиме ожидания. При получении команды на активацию, системы переходят в рабочую готовность. Производится диагностика систем. При отсутствии неисправностей буксир-автомат передает в центр дистанционного управления подтверждение рабочей готовности. При наличии неисправностей передается соответствующее оповещение. Ожидание команды на следование в точку рандеву.

Получение назначения на выход в точку рандеву;

При получении из центра дистанционного управления команды на переход в точку рандеву активизируется загруженный в память буксира-автомата маршрут от места базирования до точки рандеву. Происходит последовательный выход буксиров-автоматов и их построение для перехода строем в точку рандеву.

Следование к точке рандеву в строю;

Буксиры-автоматы выстраиваются в походную колонну в том же порядке, что и выходили из места базирования. Первый буксир-автомат активирует управление по заданной траектории до точки рандеву. Позади идущие буксиры-автоматы активируют управление по заданным путевому углу и скорости, которые соответствуют путевому углу и скорости первого буксира. Производится контроль дистанции между буксирами. При выходе за рамки допустимых значений (менее 10 м, более 20 м) производится коррекция с помощью изменений скорости буксиров-автоматов. При чрезмерном сближении/отдалении оба буксира-автомата изменяют свою скорость на одинаковую величину по модулю, но противоположную по знаку.

Получение назначения на позицию для встречи грузовым крупнотоннажным судном.

Каждый буксир-автомат имеет свое заданное местоположение в окрестности точки рандеву, заложенное в память или полученное непосредственно перед операцией эскортирования.

По достижении первым буксиром-автоматом точки рандеву происходит распределение по заданным позициям в окрестности точки рандеву.

Удержание позиции в окрестности точки рандеву;

Удержание позиции. Переключение в режим динамического позиционирования и удерживает местоположение в заданных координатах игнорируя ориентацию по курсу.

Ожидание команды на эскортирование. Как правило, внешний капитан центра дистанционного управления дожидается момента входа грузового крупнотоннажного судна в окрестности точки рандеву, после чего, в оптимальный момент, дает команду на эскортирование.

Эскортирование грузового крупнотоннажного судна

Получение команды на сближение с грузовым крупнотоннажным судном в точке рандеву. Внешний капитан дает команду на эскортирование в момент, когда грузовое крупнотоннажное судно находится на таком расстоянии от буксиров-автоматов, чтобы они смогли как можно быстрее и по кратчайшей траектории сблизиться с заданными точками у корпуса грузового крупнотоннажного судна.

Сближение с грузовым крупнотоннажным судном в заданную позицию.

После получения команды на эскортирование система управления переключается с режима динамического позиционирования на удержание заданной позиции у корпуса грузового крупнотоннажного судна. В результате такого управления буксиры-автматы сближаются с судном на дистанцию до 5 метров.

Удержание позиции у корпуса судна.

По достижении буксиров-автмоатов соответствующих точек у корпуса грузового крупнотоннажного судна режим управления переключается на удержание путевого угла и скорости, которые соответствуют движению грузового крупнотоннажного судна. Кроме того, производится коррекция на дистанцию до заданной точки корпуса судна (не менее 5 и не более 15 метров). Ожидание команды на жесткую сцепку.

Сближение с корпусом грузового крупнотоннажного судна для жесткой сцепки.

Получение команды на сближение для жесткой сцепки. Заблаговременно, до начала морских маневров внешний капитан дает команду на буксиры-автоматы на сближение с корпусом грузового крупнотоннажного судна и электромагнитную сцепку.

Сближение.

Система управления буксиров-автоматов переключается в режим удержания заданного курса и удержания подвижной позиции у корпуса грузового крупнотоннажного судна. С той целью, чтобы коснуться электромагнитным швартовным устройством буксира-автомата в заданной точке корпуса грузового крупнотоннажного судна, при этом идя с ним на параллельных курсах.

Сцепка.

При достижении цели буксир-автомат передает в центр дистанционного управления оповещение о готовности к электромагнитной жесткой сцепке. В ответ на это внешний капитан дает команду на примагничивание буксира-автомата к грузового крупнотоннажного судну. После примагничивания буксир-автомат считается закрепленным.

Работа в сцепке с грузовым крупнотоннажным судном.

Подтверждение сцепки.

После активации электромагнитного швартовного устройство датчики на буксире-автомате анализируют успешность стыковки и передают подтверждение или отказ стыковки.

Получение/исполнение команд от лоцмана.

После сцепки с судном буксиры-автоматы переключаются на исполнение команд, получаемых от лоцмана через центр дистанционного управления. Систему судно-буксиры можно рассматривать как судно, оснащенное распределенной системой динамического позиционирования с двумя носовыми, двумя кормовыми подруливающими устройствами и главной пропульсивной установкой в корме. Лоцман по радиостанции дает команды внешнему капитану, который в свою очередь в дистанционном режиме управляет ориентацией пропулисивного комплекса буксиров-автоматов и частотой вращения винтов как всех вместе, так и каждого по отдельности. Ожидание команды на отстыковку.

Получение команды на отстыковку.

По мере производственной необходимости во время швартовных операций или по их завершению, или в аварийном случае, лоцман или непосредственно внешний капитан может дать команду на буксир-автомат об отстыковке. После чего буксир-автомат деактивирует поворотное швартовное устройство и передает внешнему капитану, что он находится в дрейфе.

Переход на базу.

Процесс осуществляется в обратном порядке, который был описан ранее.

НАДЕЖНОСТЬ.

Надежность способа обоснована с помощью имитационных экспериментов с помощью виртуальных моделей и физических макетов.

Claims (1)

1. Способ управления координированной групповой деятельностью комплексов азимутальных буксиров-автоматов при автономном и дистанционном режимах управления судами, включающий мониторинг движения буксиров-автоматов из пункта базирования к точке встречи с грузовым крупнотоннажным судном, для подхода к нему с целью выполнения последующего эскорта до грузового терминала и раскантовки, швартовных операций в жесткой сцепке, реализуемой с помощью поворотного швартовного устройства и электромагнитной захватной секции, с использованием пропульсивных систем буксиров-автоматов, расположенных так, что достигаются высокие маневровые характеристики, реализуемых в конкретном корпусе буксира-автомата, для коррекции траектории совместного движения ансамбля, включающего грузовое крупнотоннажное судно, которое следует на малом ходу под контролем лоцмана, тогда как управление буксирами-автоматами в течение всего маневра осуществляется внешним капитаном с применением элементов высокоточного позиционирования, отличающийся тем, что реализуется одновременный контроль параметров жесткой сцепки с эскортируемым крупнотоннажным грузовым судном, включающий параметры силы тяги и синхронность включения поворотных швартовных механизмов и электромагнитных захватных секций во всех судах-буксирах ансамбля, за счет комплексирования информации использованных технических средств, включающих в себя динамическое позиционирование, анализ окружающей обстановки с помощью оптической системы, данные морской отказоустойчивой системы связи и автономной навигационной системы.