ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ СУДОВОЖДЕНИЯ И ДИНАМИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СУДНА

МПК(2009)В63Н25/ОО
Информационно-управляющий комплекс для автоматизации
судовождения и динамического позиционирования судна
Полезная модель относится к системам автоматического управления движением судов, плавучих платформ и предназначена для реализации автоматического управления движением при динамическом позиционировании в условиях изменяющихся внешних воздействий.
Наиболее близкий информационно-управляющий комплекс для автоматизации судовождения и динамического позиционирования судна того же назначения к заявляемой полезной модели по совокупности признаков (Пат. РФ № 107124, опубл.10.08.2011), принятый в качестве прототипа, содержит блок измерителей параметров движения судна (ИПДС), блок датчиков внешних воздействий (ДВВ), блок объектов управления (ОУ), информационные выходы которых подключены к вычислительному блоку (ВБ), который снабжен устройствами фильтрации и временного сглаживания измерений блока ИПДС и блока ДВВ, выполненными, например, в виде фильтров Калмана, а также блок управления, связанный информационно-управляющим входом-выходом с ВБ, причем блок ИПДС включает блок судовых навигационных приборов (СНП) в составе эхолота, лага и гирокомпаса, навигационную радиолокационную станцию (НРЛС) и навигационный модуль (НМ) включает аппаратуру дифференциального варианта СНС GPS, аппаратуру дифференциального варианта СНС «ГЛОНАСС», аппаратуру инерциальной навигационной системы (ИНС), аппаратуру радионавигационных систем (РНС), аппаратуру гидроакустических навигационных систем (ГНС) и аппаратуру радиогеодезических систем (РГС), причем выходы аппаратуры СНС GPS, СНС «ГЛОНАСС», ИНС, РНС, ГНС и РГС подключены к входам контроллера вычислительного блока ВБ, аппаратура СНС выполнена с возможностью определения координат, скорости и курса судна, а также его
крена и дифферента с последующей фильтрацией данных совместно с измерениями блока СНП в вычислительном блоке ВБ, блок ДВВ включает датчики параметров ветра и волнения, датчики параметров течения и приливного воздействия, причем выходы всех датчиков блока ДВВ подключены к соответствующим входам контроллера вычислительного блока ВБ, блок ОУ включает главные движители с гребными винтами регулируемой скорости или регулируемого шага, рулевое устройство, двигатели подруливающих устройств (ПрУ) типа «винт в трубе», поворотные двигатели регулируемой скорости или регулируемого шага поворотных движительно-рулевых колонок (ПДРК) с соответствующими датчиками ДОУ управляющих воздействий на эти ОУ, вычислительный блок ВБ включает контроллер, блок программного обеспечения (ПО) и центральный процессор (ЦП), при этом к входам контроллера подключены информационные выходы блоков ИПДС, ДВВ и ОУ, а выходы контроллера и блока ПО подключены к входам ЦП, который выполнен с возможностью сравнения данных измерений текущих параметров движения судна с заданными программными значениями и формирования по результатам этого сравнения управляющих сигналов на ОУ, адаптивное управление движением судна (удержание судна в заданном состоянии) реализуется вычислительным блоком ВБ в соответствии с алгоритмом формирования вектора управления
1
2
m
1
2
m
1
2
n
1
2
n
Т
Т
U=U(Z, F), где U - вектор управления, представляющий совокупность m управляющих воздействий (U, U, …U) на блок ОУ: U=(U , U,…U); Z -вектор наблюдений, представляющий совокупность n параметров (z, z,...,z) судна, измеренных и оцененных блоком ИПДС: Z=(z, z,…z);
1
2
k
1
2
k
Т
F - вектор возмущающих воздействий, представляющий совокупность k возмущающих воздействий ( f, f, …,f), измеренных блоком ДВВ: F=( f, f, …,f), и в соответствии с заданными программными значениями параметров модели движения судна, размещенной в памяти блока ПО, синхронизация
работы блоков ИПДС, ДВВ, ОУ, ВБ и блока управления осуществляется в реальном времени по сигналам СИС, блок управления совмещен с вычислительным блоком ВБ, выполнен в виде модуля судоводителя (МС) и включает блок управления и контроля (БУК), связанный информационно управляющим входом-выходом с блоком отображения информации (БОИ), выход которого подключен к блоку регистрации (БР), блок отображения информации БОИ и блок регистрации БР являются устройствами визуализации, хранения и вывода текстовой и графической информации и включают лазерный струйный принтер, графопостроитель-плоттер цифровых электронных карт в заданном масштабе и в заданной системе координат, а также устройство магнитной записи данных, выполненное в виде магнитно-оптического накопителя, причем блок БУК связан информационно-управляющим входом-выходом с центральным процессором ЦП вычислительного блока ВВ, а управляющие выходы блока БУК подключены к входам блоков ИПДС, ДВВ и ОУ, при этом модуль судоводителя МС выполнен в виде стационарного оборудования в рулевой рубке судна, а также в виде дополнительных переносных модулей пользователей на базе персональных компьютеров типа ноутбук, включающих средства сопряжения с бортовой локальной вычислительной сетью (ЛВС), вычислительный блок ВВ модуля судоводителя МС с соответствующим программным обеспечением подключен к бортовой ЛВС судна или взаимодействует с судовыми техническими системами и устройствами посредством беспроводной ЛВС, модуль судоводителя МС, выполненный на базе персонального компьютера типа ноутбук и взаимодействующий с беспроводной ЛВС, выполнен в двух вариантах: 1) с возможностью доступа судоводителя и 2) с возможностью, ограничивающей использование считыванием информации, и блокировкой реализации функций управления судном. На фиг. 1 представлена общая конструктивная схема информационно-управляющего комплекса для автоматизации судовождения и динамического
позиционирования судна; на фиг.2 приведена схема навигационного модуля определения местоположения судна.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - блок измерителей параметров движения судна (блок ИПДС);
2 - блок датчиков внешних воздействий (блок ДВВ);
З - блок объектов управления (блок ОУ);
4 - модуль судоводителя (МС);
5 - вычислительный блок (ВБ) сбора и обработки информации;
б - блок судовых навигационных приборов (блок СНП): эхолот, лаг,
гирокомпас;
7 - навигационная РЛС (НРЛС);
8 - навигационный модуль (НМ) определения местоположения судна;
9 - датчик параметров ветра;
10 - датчик параметров волнения;
11 - датчик параметров течения;
12 - датчик параметров приливного воздействия;
13 - объекты управления (ОУ): гребные винты, подруливающие устройства и
т.п.;
14 - датчики объектов управления (дОУ);
15 - блок управления и контроля (БУК);
16 - блок отображения (визуализации) информации Бои;
17 - блок регистрации (прокладчик, принтер и т.п.) - БР;
18 - контроллер вычислительного блока;
19 - блок программного обеспечения (блок ПО);
20 - центральный процессор (ЦП);
21 - выход управляющих воздействий на судно;
22 - аппаратура СНС GPS (дифференциальный режим);
23 - аппаратура СИС «ГЛОНАСС» (дифференциальный режим);
24 - аппаратура инерциальной навигационной системы (ИНС);
25 - аппаратура радионавигационных систем (РНС);
26 - аппаратура гидроакустических навигационных систем (ГАНС);
27 - аппаратура радиогеодезических систем (РГС).
При всей полноте и кажущейся избыточности измерительной аппаратуры предложенного в прототипе информационно-управляющего комплекса, его основным недостатком является отсутствие возможности прогнозирования результатов управляющих воздействий. Следствием этого оказывается управление объектом исключительно по отклонениям управляемых параметров движения от их уставных значений, т.е. фактически, управление методом проб и ошибок, что снижает как точность результатов, так и эффективность всего информационно-управляющего комплекса.
Таким образом, выбранный в качестве прототипа информационно-управляющий комплекс требует технологической доработки с учётом современного уровня развития компьютерных и информационных технологий и существующей практики их использования в судовождении.
Целью предлагаемой технологической доработки является осуществление пошаговой оценки адекватности выбранных значений сигналов управления с выходом на оптимальные их значения методом компьютерного прогнозирования движения судна с использованием его математической модели и передача оптимального сигнала управления на объекты управления.
При этом в качестве критерия оценки адекватности выбранных значений сигналов управления считают величину разности значений заданных координат, соответствующих заданной позиции судна и рассчитанных значений координат с использованием компьютерного моделирования (прогнозирования) на базе математической модели судна.
Главным отличием предлагаемого информационно-управляющего комплекса для автоматизации судовождения и динамического позиционирования судна от прототипа является оценка адекватности сигналов управления и определение оптимальных сигналов управления методом компьютерного моделирования (прогнозирования) движения судна
на базе его математической модели, что позволяет до минимума сократить время выхода судна в заданную позицию (заданную точку, заданную траекторию, заданную линию положения и т.п.), тем самым существенно уменьшить энергетические затраты движительно-рулевого комплекса, выполняющего управление судном, а также сохранить технический ресурс движительно-рулевого комплекса.
Техническим результатом является высокая точность позиционирования и минимальное время занятия точки позиционирования судном, плавучей платформой при автоматическом управлении движением в условиях изменяющихся внешних воздействий.
Технический результат достигается следующим образом.
Информационно-управляющий комплекс для автоматизации судовождения и динамического позиционирования судна содержит блок измерителей параметров движения судна (ИПДС), блок датчиков внешних воздействий (ДВВ), блок объектов управления (ОУ), информационные выходы которых подключены к вычислительному блоку (ВБ), который снабжен устройствами фильтрации и временного сглаживания измерений блока ИПДС и блока ДВВ, выполненного в виде фильтра Калмана и отличающегося тем, что содержит математическую модель судна (ММС), блок управления, связанный информационно-управляющим входом-выходом с ВБ, причём блок ИПДС включает блок судовых навигационных приборов (СНП) в составе эхолота, лага и гирокомпаса, навигационную радиолокационную станцию (НРЛС) и навигационный модуль (НМ) включает аппаратуру дифференциального варианта СНС GPS, аппаратуру дифференциального варианта СНС «ГЛОНАСС», аппаратуру инерциальной навигационной системы (ИНС), аппаратуру радионавигационных систем (РНС), аппаратуру гидроакустических навигационных систем (ГНС) и аппаратуру радиогеодезических систем (РГС), причём выходы аппаратуры СНС GPS, СНС «ГЛОНАСС», ИНС, РНС, ГНС и РГС подключены к входам контроллера вычислительного блока ВБ, аппаратура СНС выполнена с
возможностью определения координат, скорости и курса судна, а также его крена и дифферента с последующей фильтрацией данных совместно с измерениями блока СНП в вычислительном блоке ИБ, блок ДВВ включает датчики параметров ветра и волнения, датчики параметров течения и приливного воздействия, причем выходы всех датчиков блока ДВВ подключены к соответствующим входам контроллера вычислительного блока ВБ, блок ОУ включает главные движители с гребными винтами регулируемой скорости или регулируемого шага, рулевое устройство, двигатели подруливающих устройств (ПрУ) типа «винт в трубе», поворотные двигатели регулируемой скорости или регулируемого шага поворотных Движительно-рулевых колонок (ПДРК) с соответствующими датчиками ДОУ управляющих воздействий на эти ОУ, вычислительный блок ВБ включает контроллер, блок программного обеспечения (ПО) и центральный процессор ЩИ), при этом к входам контроллера подключены информационные выходы блоков ИПДС, ДВВ и ОУ, а выходы контроллера и блока ПО подключены к входам ЦП, отличающийся тем, что ЦП выполняет пошаговую оценку адекватности выбранных значений сигналов управления с выходом на оптимальные их значения методом компьютерного прогнозирования движения судна с использованием его математической модели и передачу оптимального сигнала управления на объекты управления, синхронизация работы блоков ИПДС, ДВВ, ОУ, ВБ и блока управления осуществляется в реальном времени по сигналам СНС, блок управления совмещен с вычислительным блоком ВБ, выполнен в виде модуля судоводителя (МС) и включает блок управления и контроля (БУК), связанный информационно-. управляющим входом-выходом с блоком отображения информации (БОИ), выход которого подключен к блоку регистрации (БР), блок отображения информации БОИ и блок регистрации БР являются устройствами визуализации, хранения и вывода текстовой и графической информации и включают лазерный струйный принтер, графопостроитель-плоттер цифровых электронных карт в заданном масштабе и в заданной системе координат, а
также устройство магнитной записи данных, выполненное в виде магнитно-оптического накопителя, причем блок БУК связан информационно-управляющим входом-выходом с центральным процессором ЦП вычислительного блока ВБ, а управляющие выходы блока БУК подключены к входам блоков ИПДС, ДВВ и ОУ, при этом модуль судоводителя МС выполнен в виде стационарного оборудования в рулевой рубке судна, а также в виде дополнительных переносных модулей пользователей на базе персональных компьютеров типа ноутбук, включающих средства сопряжения с бортовой локальной вычислительной сетью (ЛВС), вычислительный блок ВБ модуля судоводителя МС с соответствующим программным обеспечением подключен к бортовой ЛВС судна или взаимодействует с судовыми техническими системами и устройствами посредством беспроводной ЛВС, модуль судоводителя МС, выполненный на базе персонального компьютера типа ноутбук и взаимодействующий с беспроводной ЛВС, выполнен в двух вариантах: 1) с возможностью доступа судоводителя и 2) с возможностью, ограничивающей использование считыванием информации, и блокировкой реализации функций управления судном.
Работа комплекса заключается в следующем.
Процесс автоматического управления движением судна включает (Золотов В.В., Фрейдзон И.Р. Управляющие комплексы сложных корабельных систем. - Л.: Судостроение, 1986. - 232 с.; Родионов А.И., Сазонов А.Е. Автоматизация судовождения. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.:Транспорт, 1983. - 216 с.) измерение параметров движения судна блоком ИПДС 1, измерение параметров внешних воздействий блоком ДВВ 2, сравнение в вычислительном блоке ВБ 5 данных блока ИПДС 1 текущих параметров движения судна с заданными блоком ПО 19 программными значениями модели движения, формирование по результатам этого сравнения управляющих сигналов, ЦП 20 выполняет пошаговую оценку
адекватности выбранных значений сигналов управления с выходом на оптимальные их значения методом компьютерного прогнозирования движения судна с использованием его математической модели и передачу оптимального сигнала управления на ОУ 13 блока ОУ 3. Модуль судоводителя 4 служит для управления и контроля этого процесса.
На входы контроллера 18 поступает информация с выходов блока СНП 6, НРЛС 7, а также с выходов навигационного модуля НМ 8, который включает совокупность аппаратуры GPS 22, аппаратуры 23 СНС «ГЛОНАСС», аппаратуры 24 ИНС, аппаратуры 25 РНС (например, аппаратуры фазовых и импульсно-фазовых РНС), аппаратуры 26 ГНС и аппаратуры 27 РГС (радиотехнических фазовых, а также лазерных).
Аппаратура СНС 22 и 23 выполнена с возможностью определения
координат, скорости и курса судна, а также его крена и дифферента с
последующей фильтрацией данных совместно с измерениями блока СНП б
вычислительном блоке ВБ 5.
Избыточность измерений аппаратурой 22-27 в совокупности с данными блоков СНП 6 и НРЛС 7 обеспечивает повышение точности определения места судна [3, 4]. Комплексная информация совокупности различных типов аппаратуры 6, 7, 22-27 по определению координат судна обрабатывается ЦП 20 посредством фильтрации Калмана и временного. Значения измеренных параметров внешних воздействий ветра, волнения, течений и приливов, определяемые датчиками 9-12 блока ДВВ 2, и информация датчиков ДОУ 14 блока ОУ З также поступают на вход контроллера 18 и далее в ЦП 20, где определяются вектор наблюдений и вектор возмущающих воздействий, а также формируется вектор управления на ОУ 13 блока З с выходом 21 управляющих воздействий на судно.
Вектор управления U формируется вычислительным блоком ВБ5 согласно приведённому выше алгоритму и в соответствии с заданными программными значениями параметров модели движения судна,
размещенной в памяти блока ПО 19. Блок ОУЗ включает главные движители с гребными винтами регулируемой скорости или регулируемого шага, рулевое устройство, двигатели ПрУ типа «винт в трубе», поворотные двигатели ПДРК с соответствующими датчиками ДОУ 14 управляющих воздействий на эти ОУЗ.
Блок 16 отображения информации БОИ и блок 17 регистрации БР являются устройствами визуализации, хранения и вывода текстовой и графической информации и включают лазерный струйный принтер, графопостроитель-плоттер цифровых электронных карт в заданном масштабе и в заданной системе координат, а также устройство магнитной записи данных, выполненное в виде магнитно-оптического накопителя.
Синхронизация работы блоков ИПДС 1, ДВВ2, ОУЗ, ВБ5 и модуля 4 судоводителя осуществляется в реальном времени по сигналам СНС (блоки 22 и 23).
Вычислительный блок ВБ 5 с соответствующим программным обеспечением блока 19 ПО и модуль судоводителя МС 4 подключены к бортовой ЛВС судна с возможностью реализации линий обмена информацией с судовыми техническими системами и средствами (блоки 1, 2 и 3), а также пользователями системы АУДС. Модуль судоводителя МС 4 может быть выполнен в виде стационарного оборудования в рулевой рубке судна, а также в виде дополнительных переносных модулей на базе персональных компьютеров типа ноутбук, включающих средства сопряжения с бортовой локальной вычислительной сетью ЛВС, либо взаимодействующих с судовыми техническими системами и устройствами посредством беспроводной ЛВС.
При этом модуль судоводителя МС, выполненный на базе персонального
компьютера типа ноутбук и взаимодействующий с беспроводной ЛВС,
выполнен в двух вариантах: 1) с возможностью доступа судоводителя и 2) с
возможностью, ограничивающей использование считыванием информации, и
блокировкой реализации функций управления судном (для исключения несанкционированного доступа к процессу управления судном).
Таким образом, из формулы и из описания комплекса и его работы следует, что достигается его назначение с указанным техническим результатом, который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков независимого пункта формулы.