СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ИМ ШВАРТОВНОЙ ОПЕРАЦИИ К БОРТУ СУДНА ПАРТНЕРА
METHOD OF SHIP CONTROL WHEN SHE IS MOORING TO BOARD OF PARTNER SHIP

Изобретение относится к водному транспорту и касается управления судном (далее швартующееся судно) при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера по величине поперечных смещений двух точек швартующегося судна, носовой А и кормовой В, от текущего положения траектории сближения с судном партнером.
0A
0A
0B
0B
A
B
Известен способ управления швартующимся судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера (патент №2375249, опубл. 10.12.2009) по величинам поперечных смещений расположенных на диаметральной плоскости судна его носовой А и кормовой В точек от текущего положения траектории сближения, при котором рассчитывают поперечные смещения этих точек, для вычисления поперечных смещений носовой А и кормовой В точек судна их координаты в неподвижной координатной системе А (Х, Y), B (Х, Y) измеряют с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) и с дифференциальными поправками, перекладку руля судна производят в зависимости от комбинации поперечных смещений носовой d и кормовой d точек судна относительно текущего положения траектории сближения, которое определяют, используя заданную точку, как объект, с которым происходит сближение судна и центр тяжести судна, текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна определяют текущее положение траектории сближения, проходящей через две точки в виде прямой линии, соединяющей текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна G, текущие координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной системе рассчитывают по формулам:
0G
0G
где X, Y - координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной системе;
0A
0A
X, Y - координаты точки А в неподвижной координатной системе;
0B
0B
Х, Y - координаты точки В в неподвижной координатной системе;
A
B
Х, X - абсцисса носовой и кормовой точки судна соответственно, в координатной системе (X, Y) связанной с судном;
G
Х - абсцисса центра тяжести судна в координатной системе, связанной с судном,
текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками.
Текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками.
n
0An
0An
n
0Bn
0Bn
Определяют с помощью СНС и с дифференциальными поправками координаты носовой А (Х, Y) и кормовой В (Х, Y) точек, расположенных на диаметральной плоскости судна партнера в неподвижной координатной системе, рассчитывают:
n
0Gn
0Gn
- координаты центра тяжести судна партнера G (Х, Y) в неподвижной координатной системе по формулам:
0Gn
0Gn
где Х, Y - координаты центра тяжести судна партнера в неподвижной координатной системе;
0An
0An
n
Х, Y - координаты точки A в неподвижной координатной системе;
0Bn
0Bn
n
X, Y - координаты точки В в неподвижной координатной системе;
An
Bn
n
n
X, Х - абсцисса носовой и кормовой точки судна партнера соответственно, в координатной системе (Х, Y) связанной с судном партнером;
Gn
Х - абсцисса центра тяжести судна партнера в координатной системе, связанной с судном партнером;
n
n
- координаты точек  и  расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна партнера, восстановленных в точки А и В соответственно, по формулам:
при этом величину отрезков  определяют с помощью зависимости, представленной формулой:
n
n
n
n
n
где В - ширина швартующегося судна; В - ширина судна партнера; ψ - курс судна партнера, значение курса судна партнера ψ рассчитывают с использованием значений координат точек А и В в неподвижной координатной системе, а именно:
- координаты проекции центра тяжести судна партнера  в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна партнера через точки  и :
2
0P2
0P2
- координаты второй заданной точки Р (Х, Y) в неподвижной координатной системе:
1
0P1
0P1
- координаты первой заданной точки P (X,Y) в неподвижной координатной системе:
T
н
к
n
н
1
к
2
1
2
где S - тормозной путь швартующегося судна при переходе его со скорости υ=υ к скорости υ=υ=υ (υ - начальная скорость, то есть скорость швартующегося судна в первой заданной точке P, υ - конечная скорость, то есть скорость швартующегося судна во второй заданной точке Р), длина тормозного пути равна расстоянию, проходимому швартующимся судном при переходе его из заданной точки P в заданную точку Р.
Наличие полученных указанным способом данных позволяет осуществлять сближение швартующегося судна с судном партнером, в два этапа:
1
1
0P1
0P1
I-ый этап - выход швартующегося судна в первую заданную точку P. Текущее положение первой заданной точки P (X, Y) на текущем положении линии, проходящей через текущее положение точек
1
2
n
2
А
B
0G
0G
1
0P1
0P1
1
и  определяется величиной отрезка РP, длина которого равна расстоянию, проходимому швартующимся судном при снижении его текущей скорости υ до значения, равного скорости судна партнера υ, в момент выхода швартующегося судна на траверз судна партнера, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке P. Управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляют по величинам поперечных отклонений носовой d и кормовой d точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, проходящей через текущее положение центра тяжести швартующегося судна G (Х, Y) и текущего положения первой заданной точки P (X, Y). Окончание I-го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна в первую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке P.
2
2
0P2
0P2
A
B
2
II-ой этап - выход швартующегося судна во вторую заданную точку Р. Текущее положение второй заданной точки Р (Х, Y) на текущем положении линии, проходящей через точки  и  определяется заданным расстоянием m между центрами тяжести швартующегося судна и судна партнера в конечной стадии швартовки. Управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляется по величинам поперечных отклонений носовой d и кормовой d точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, в качестве которой используют текущее положение линии, проходящей через точки  и  Окончание II-го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна во вторую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке P.
1
Однако в этом способе управления судном, выполняющим швартовную операцию к борту судна партнера, есть определенный недостаток, не позволяющий в полной мере обеспечивать безопасность, как швартующегося судна, так и судна партнера. Причина указанного недостатка заключается в том, что текущее значение длины тормозного пути, определяющее текущее положение первой условной точки P на текущем положении линии, проходящей через текущее положение точек
н
п
1
и , является переменной величиной и зависит не только от скорости швартующегося судна, на момент начала сближения υ=υ, и скорости судна партнера υ=υ в тот же момент, но и значений параметров, характеризующих: во-первых, состояние загрузки швартующегося судна (водоизмещение, посадка корпуса); во-вторых, состояние внешней среды (скорость и направление ветра, степень волнения и ее направление, глубина акватории в районе выполнения швартовной операции, скорость течения и его направление) на момент начала швартовной операции. Более того, ряд из перечисленных выше параметров меняют свои значения уже в процессе сближения швартующегося судна с судном партнером, что, в свою очередь, приводит к постоянному изменению расчетного значения длины тормозного пути. Изменение значения длины тормозного пути должно учитываться при определении текущего положения первой упреждающей точки P на линии, проходящей через текущее положение точек  и  в процессе выполнения швартовной операции.
Неучет или неправильный учет изменения значения длины тормозного пути при управлении швартующимся судном в процессе его сближения с судном партнером может привести к нарушению условий безопасного выполнения швартовной операции. В частности, из указанных условий наиболее важными являются следующие условия (Пат. РФ № 2375249, опубл. 10.12.2009):
n
1) равенство скоростей швартующегося судна (υ) и судна партнера (υ) в конечной стадии их сближения, то есть в момент времени, когда швартующееся судно движется параллельно борту судна партнера на минимальном заданном траверзном расстоянии h от борта судна партнера (фиг.1);
n
n
n
n
2) продольное положение швартующегося судна относительно судна партнера в конечной стадии сближения должно быть фиксированным, то есть расстояние между центром тяжести швартующегося судна (G) и центром тяжести судна партнера (G) в неподвижной координатной системе, в направлении продольной оси Х координатной системы (Х, Y), связанной с судном партнером, в конечной стадии их сближения должно иметь определенное заданное значение (m) (фиг.1).
Текущее значение длины тормозного пути швартующегося судна может быть рассчитано с использованием уравнения его движения:
где υ - текущее значение скорости швартующегося судна;
S - путь;
1
2
3
С, С, С,… - текущие значения параметров уравнения движения швартующегося судна, зависящие от текущих значений параметров, характеризующих текущее состояние загрузки судна и внешней среды (водоизмещения швартующегося судна; параметров посадки корпуса; направления и скорости ветра; параметров волнения; направления и скорости течения; глубины акватории в районе выполнения швартовной операции).
н
п
Текущее значение длины тормозного пути швартующегося судна в процессе его сближения с судном партнером определяется интегрированием уравнения движения швартующегося судна (9) в пределах от υ=υ до υ=υ, т.е.
1
2
3
При этом текущие значения параметров уравнения движения швартующегося судна (9) C, С, С, … в процессе выполнения швартовной операции непрерывно идентифицируют с использованием метода, описанного в работе (Юдин, Ю.И. Синтез моделей механизма предвидения для экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна: монография /Ю.И.Юдин. - Мурманск: Изд-во МГТУ, 2007. - 198 с.: ил.; Юдин, Ю.И. Теоретические основы безопасных способов маневрирования при выполнении точечной швартовки: монография /Ю.И.Юдин, С.В.Пашенцев, Г.И.Мартюк, А.Ю.Юдин. - Мурманск: Изд-во МГТУ, 2009. - 152 с.: ил.).
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в соблюдении условий безопасного выполнения швартовной операции швартующегося судна к борту судна партнера.
0A
0A
0B
0B
A
B
n
0An
0An
n
0Bn
0Bn
Для достижения указанного технического результата в способе управления швартующимся судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера по величинам поперечных смещений расположенных на диаметральной плоскости судна его носовой А и кормовой В точек от текущего положения траектории сближения, при котором рассчитывают поперечные смещения этих точек, для вычисления поперечных смещений носовой А и кормовой В точек судна их координаты в неподвижной координатной системе А (Х, Y), B (Х, Y) измеряют с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) и с дифференциальными поправками, перекладку руля судна производят в зависимости от комбинации поперечных смещений носовой d и кормовой d точек судна относительно текущего положения траектории сближения, которое определяют, используя заданную точку, как объект, с которым происходит сближение судна и центр тяжести судна, текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна определяют текущее положение траектория сближения, проходящей через две точки в виде прямой линии, соединяющей текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна G, текущие координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной системе рассчитывают по формулам (1), текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками. Определяют с помощью СНС и с дифференциальными поправками координаты носовой А (Х, Y) и кормовой В (Х, Y) точек, расположенных на диаметральной плоскости судна партнера в неподвижной координатной системе, рассчитывают:
n
0Gn
0Gn
- координаты центра тяжести судна партнера G (Х, Y) в неподвижной координатной системе по формулам (2);
n
n
n
n
n
- координаты точек  и  расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна партнера и восстановленных в точки А и В соответственно, по формулам (3), при этом величина отрезков  определяется с помощью зависимости, представленной формулой (4), значение курса судна партнера ψ рассчитывают с использованием значений координат точек А и В в неподвижной координатной системе, по формуле (5);
- координаты проекции центра тяжести судна партнера  в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна партнера через точки  и  определяют по формуле (6);
2
0P2
0P2
- координаты второй заданной точки Р (Х, Y) в неподвижной координатной системе определяют по формуле (7);
т
н
п
1
2
3
- дополнительно текущее значение длины тормозного пути S по формуле (10), при этом учитывают не только значения скорости швартующегося судна на момент начала сближения υ=υ и скорости судна партнера υ=υ, но и текущие значения параметров, определяющих состояние как загрузки судна, так и внешней среды, определяющих текущие значения параметров уравнения (10) C, С, С, …, непрерывно идентифицируемых в процессе швартовной операции известным методом [2], [3];
1
0P1
0P1
- координаты первой заданной точки P (X, Y) в неподвижной координатной системе по формуле (8);
Наличие полученных указанным способом данных, позволяет осуществлять сближение швартующегося судна с судном партнером, в два этапа:
1
1
0P1
0P1
I-й этап - выход швартующегося судна в первую заданную точку P. Текущее положение первой заданной точки P (X, Y) на текущем положении линии, проходящей через текущее положение точек
1
2
т
н
п
A
B
0G
0G
1
0P1
0P1
1
и  определяется величиной отрезка PP, длина которого равна текущему значению длины тормозного пути S, рассчитанному по формуле (10) с учетом значения скорости швартующегося судна на момент начала сближения υ=υ и скорости судна партнера υ=υ, а также текущих значений параметров, определяющих состояние как загрузки судна, так и внешней среды. Управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляют по величинам поперечных отклонений носовой d и кормовой d точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, проходящей через текущее положение центра тяжести швартующегося судна G (Х, Y) и текущего положения первой заданной точки P (X, Y). Окончание I-го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна в первую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке P.
2
2
0P2
0P2
A
B
2
II-ой этап - выход швартующегося судна во вторую заданную точку Р. Текущее положение второй заданной точки Р (X, Y) на текущем положении линии, проходящей через точки  и  определяется заданным расстоянием m между центрами тяжести швартующегося судна и судна партнера в конечной стадии швартовки. Управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляют по величинам поперечных отклонений носовой d и кормовой d точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, в качестве которой используют текущее положение линии, проходящей через точки  и  Окончание II-го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна во вторую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке Р.
Отличительным признаком предлагаемого способа от указанного вышеизвестного, наиболее близкого к нему, является следующий:
т
н
п
дополнительно рассчитывают текущее значение длины тормозного пути S, при этом учитывают не только значения скорости швартующегося судна на момент начала сближения υ=υ и скорости судна партнера υ=υ, но и изменения текущих значений параметров, определяющих состояние как загрузки судна, так и внешней среды, методом интегрирования уравнения движения швартующегося судна
1
2
3
dυ/dS=f(υ, C, C, С, …),
1
2
3
текущие значения параметров C, С, С, … которого непрерывно идентифицируют в процессе выполнения швартовной операции известным методом [2], [3].
n
n
n
n
Предлагаемый способ управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера осуществляется чертежами, представленными на фиг.1, 2, и осуществляется следующим образом. В пределах контуров швартующегося 1 судна и судна 2 партнера, в их диаметральных плоскостях выбирают по две точки, одна А из которых находится в носу (швартующееся 1 судно), A (судно 2 партнер), другая В - в корме (швартующееся 1 судно), B (судно 2 партнер) (фиг.1, 2) относительно мидель-шпангоута соответствующего судна. Расстояние между точками А и В, А и В выбирают в зависимости от технической возможности размещения в указанных точках приемных антенн СНС. Чем больше это расстояние, тем качественней работа системы управления движением швартующегося судна, осуществляющего сближение с судном партнером.
n
n
0A
0A
0B
0B
n
0An
0An
n
0Bn
0Bn
A
A
B
B
n
An
An
n
Bn
Bn
G
G
n
0Gn
0Gn
Координаты точек А, В, А, В в неподвижной координатной системе определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на суда дифференциальные поправки. Используя значения координат точек А (Х, Y), B (Х, Y) швартующегося 1 судна и А (Х, Y), В (Х, Y) судна 2 партнера в неподвижной координатной системе, координаты тех же точек в подвижных системах координат, связанных с швартующимся 1 судном А (X, Y), В (Х, Y) и судном 2 партнером А (Х, Y), В (Х, Y), координаты центров тяжести швартующегося судна в связанной с ним подвижной координатной системе G (Х, Y) и судна 2 партнера в связанной с ним подвижной координатной системе G (Х, Y), а также значения параметров h и m рассчитывают:
0G
0G
- координаты центра тяжести швартующегося 1 судна G (Х, Y) в неподвижной координатной системе по формулам (1);
n
0Gn
0Gn
- координаты центра тяжести судна 2 партнера G (Х, Y) в неподвижной координатной системе по формулам (2);
n
n
- координаты точек  и  расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна 2 партнера, восстановленных в точки A и В соответственно, по формулам (3), (4), (5);
- координаты проекции центра тяжести судна 2 партнера  в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна 2 партнера через точки  и  по формулам (6);
2
0P2
0P2
- координаты второй заданной точки Р (Х, Y) в неподвижной координатной системе по формулам (7);
т
- текущее значение длины тормозного пути S по формуле (10);
1
0P1
0P1
- координаты первой заданной точки P (X, Y) в неподвижной координатной системе по формулам (8).
1
0P1
0P1
0G
0G
Зная координаты первой заданной точки и координаты центра тяжести швартующегося 1 судна, определяют текущее положение траектории 3 сближения, проходящей через первую заданную точку P (X, Y) и центр тяжести швартующегося 1 судна G (Х, Y). После этого определяют поперечные смещения точек А и В от найденной указанным способом траектории сближения по формулам:
n
n
т
1
A
B
Непрерывно определяемые значения координат точек А и В, A и В позволяют непрерывно вычислять координаты центра тяжести швартующегося 1 судна G, а вместе с непрерывно определяемым текущим значением длины тормозного пути S и первой заданной точки P, а также поперечные смещения d и d точек А и В швартующегося 1 судна от текущего положения траектории 3 сближения. Причем, поперечное смещение рассматриваемой точки относительно текущего положения траектории 3 сближения считается положительным, если она смещается вправо от траектории, и отрицательным, если она смещается влево.
Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля швартующегося 1 судна, по закону:
A
B
A
B
где k, k - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек швартующегося 1 судна от текущего положения траектории 3 сближения. Это положительные величины, причем k больше k. Угол перекладки руля α считается положительным при его перекладке в сторону правого борта швартующегося 1 судна.
0G
0G
1
0G
0P1
0G
0P1
0G
0P1
2
2
0P2
0P2
В момент выхода швартующегося 1 судна в первую заданную точку, что соответствует равенству координат центра тяжести швартующегося 1 судна G (X, Y) и координат первой заданной точки P (X, Y) (Х=X; Y=Y), оно переходит к сближению со второй заданной точкой Р, при этом текущее положение траектории 3 сближения соответствует положению линии, проходящей через точки  и , координаты которых рассчитываются непрерывно по формулам (3), (4), (5). Как известно, текущие координаты второй заданной точки Р (Х, Y), лежащей на линии  вычисляются непрерывно по формулам (7).
n
n
n
2
A
B
Непрерывно определяемые значения координат точек А и В, A и В, позволяют непрерывно вычислять координаты точек  и  центра G тяжести швартующегося 1 судна и центра G тяжести судна 2 партнера, второй заданной точки Р в неподвижной координатной системе, поперечные смещения d и d точек А и В швартующегося 1 судна от текущего положения траектории 3 сближения, которой является линия :
Причем, поперечное смещение рассматриваемой точки относительно текущего положения траектории 3 сближения считается положительным, если она смещается вправо от траектории, и отрицательным, если она смещается влево.
Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля швартующегося 1 судна, по закону:
A
B
A
B
где k, k - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек швартующегося 1 судна от текущего положения траектории 3 сближения. Это положительные величины, причем k больше k. Угол перекладки руля α считается положительным при его перекладке в сторону правого борта швартующегося 1 судна.
2
0G
0P2
0G
0P2
Моментом окончания сближения швартующегося 1 судна с судном 2 партнером считают момент выхода швартующегося 1 судна во вторую заданную точку Р, что соответствует равенству координат центра тяжести швартующегося 1 судна и второй заданной точки, то есть Х=Х, Y=Y.
В результате применения данного изобретения достигается возможность получения технического результата - повышение безопасности управления швартующимся судном и точности выполнения швартовной операции при выполнении ее швартующимся судном к борту судна партнера, находящегося в движении.
Источники информации
1. Пат. 2375249 Российская Федерация, МПК В63Н 25/00. Мурманск. гос. техн. ун-т - № 2008126354/11; заявл. 27.06.2008; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 15.
2. Юдин, Ю.И. Синтез моделей механизма предвидения для экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна: монография /Ю.И.Юдин. - Мурманск: Изд-во МГТУ, 2007. - 198 с.: ил.
3. Юдин, Ю.И. Теоретические основы безопасных способов маневрирования при выполнении точечной швартовки: монография /Ю.И.Юдин, С.В.Пашенцев, Г.И.Мартюк, А.Ю.Юдин. - Мурманск: Изд-во МГТУ, 2009. - 152 с.: ил.