ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ СУДОВОЖДЕНИЯ И ДИНАМИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СУДНА

Техническое решение относится к судовождению и может быть использовано в средствах автоматического управления движением судов, а также в системах динамического позиционирования судов.
Основные принципы построения систем автоматического управления движением судов (АУДС) и их обобщенные схемы приведены в известных источниках [3, 4]. Позднее был запатентован ряд устройств АУДС, позволяющих в той или иной мере расширить их функциональные возможности, повысить эффективность их использования и безопасность судовождения: авторулевой судна [5], устройства управления движением судна [2, 6, 7], многоцелевые корабельные системы управления [8, 10, 11], устройства для выбора оптимального маневра судна [12, 13], морской интеллектуальный тренажер [9], устройство [1], реализующее способ автоматической проводки судов.
Общим признаком известных устройств АУДС [2, 3 и др.], как правило, является то, что они содержат блок измерения параметров движения судна, блок датчиков внешних воздействий, блок объектов управления, информационные выходы которых подключены к вычислительному блоку, а также блок управления, связанный информационно-управляющим входом-выходом с вычислительным блоком, управляющие выходы которого подключены к блоку объектов управления, при этом вычислительный блок выполнен с возможностью сравнения данных измерений текущих параметров движения судна с заданными программными значениями и формирования по результатам этого сравнения управляющих сигналов на блок объектов управления.
Однако, во всех известных устройствах АУДС [2, 5-11] состав аппаратуры не является полным и оптимальным для реализации потенциальных функциональных возможностей [3]: измерители параметров движения (курса, скорости и координат судна) не имеют требуемого параллельного дублирования, блок датчиков внешних воздействий учитывает, как правило, только воздействие ветра и волнения, а объектами управления в таких устройствах АУДС являются главные движители с гребными винтами и рулевое устройство. Неадекватность требованиям полноты и оптимизации состава аппаратуры таких устройств АУДС приводит [3] к недостаточной точности обеспечения заданной динамики движения судна (или удержания судна в заданном положении), к их недостаточной эксплуатационной надежности и, как следствие, - снижает безопасность судовождения. При этом конструкция известных устройств АУДС [2, 5-11] может быть усовершенствована посредством использования современных эффективных вычислительных средств.
Устройство [1, фиг.1], реализующее способ автоматической проводки судов и принятое за прототип, содержит блок измерителей параметров движения судна (ИПДС), блок датчиков внешних воздействий (ДВВ), блок объектов управления (ОУ), информационные выходы которых подключены к вычислительному блоку (ВБ), 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) в виде приемоиндикатора спутниковой навигационной системы (СНС), блок ДВВ включает датчики параметров ветра и волнения, блок ОУ включает объекты управления в виде судовых движителей и рулевого устройства с подключенными к ним датчиками ОУ (ДОУ), 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.
Известная система АУДС [1] требует конструктивной доработки с учетом современного уровня развития вычислительной техники, в частности - повсеместного распространения персональных компьютеров типа ноутбук для решения как вычислительных задач, так и задач управления различной сложности.
Кроме того, одним из основных недостатков устройства [1], как и других известных аналогов, является недостаточная полнота и оптимальность реализации функциональных возможностей: наличие в НМ аппаратуры лишь одной СНС GPS и отсутствие резервирования средств координирования судна посредством ряда других устройств снижает точность определения места при движении судна по заданной траектории, достоверность и эксплуатационную надежность данных, при этом неисправность СНС GPS влечет за собой сбои в работе устройства АУДС [1]. Неполнота измерений внешних воздействий (не учитываются течение и приливные воздействия) и ограничение ОУ главным судовым движителем и рулевым устройством в устройстве [1] также приводит к снижению точности и надежности судовождения.
Таким образом, известная система АУДС [1] требует конструктивной доработки для реализации эффективной промышленной применимости. При этом ссылки на усложнение устройства и повышение его стоимости при расширении состава аппаратуры нельзя признать обоснованными (особенно для крупнотоннажных судов [3]), поскольку некоторое усложнение аппаратуры для использования избыточных измерений компенсируется повышением точности и, как следствие, - повышением надежности управления движением судна и безопасности судовождения. Стоимость узлов и составляющих элементов в настоящее время не может считаться существенным препятствием для создания высокоэффективных и надежных систем АУДС с широким спектром функциональных возможностей, особенно для крупнотоннажных танкеров, геофизических, исследовательских, буровых судов, а также военных кораблей.
Точность, достоверность и надежность управления движением судна могут быть повышены путем использования избыточной исходной информации и рациональной конструкции систем АУДС и комплексов судовождения [3, 4].
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании информационно-управляющего комплекса для автоматизации судовождения и динамического позиционирования судна, реализующего на базе средств современной вычислительной техники максимальную синергию совокупного применения аппаратуры ряда различных средств координирования судна, полноты измерений внешних возмущающих воздействий и использования в качестве объектов управления всех без исключения движительных судовых систем и устройств.
Основной результат - расширение функциональных возможностей комплексов для автоматизации судовождения и/или их динамического позиционирования при повышении точности и достоверной информативности путем определения и обработки избыточных измерений параметров комплексным составом аппаратуры, что, в свою очередь, обеспечивает эксплуатационную надежность комплексов и безопасность судовождения и тем самым позволяет достигнуть оптимального критерия функционирования комплекса «сложность - стоимость - эффективность», т.е. достигнуть максимальной эффективности использования при приемлемых сложности и стоимости комплекса.
При этом применение в комплексе адекватных вычислительных средств позволяет реализовать необходимое рациональное резервирование путем использования портативных информационно-управляющих устройств комплекса на базе персональных компьютеров типа ноутбук.
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), 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) в виде приемоиндикатора спутниковой навигационной системы (СНС), блок ДВВ включает датчики параметров ветра и волнения, блок ОУ включает объекты управления в виде судовых движителей и рулевого устройства с подключенными к ним датчиками ОУ (ДОУ), 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.
Отличительной особенностью комплекса является то, что 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), 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).
Отличием комплекса также является то, что 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.
Кроме того, комплекс отличается тем, что блок датчиков внешних воздействий ДВВ дополнительно к датчикам параметров ветра и волнения содержит датчики параметров течения и приливного воздействия, причем выходы всех датчиков блока ДВВ подключены к соответствующим входам контроллера вычислительного блока ВБ.
Комплекс также отличается тем, что 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 движетельно-рулевых колонок (ПДРК) с соответствующими датчиками ДОУ управляющих воздействий на эти ОУ.
При этом особенностью комплекса является то, что 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.
Отличие комплекса также заключается в том, что вычислительный блок ВБ снабжен устройствами фильтрации и временного сглаживания измерений блока ИПДС и блока ДВВ, выполненными, например, в виде фильтров Калмана.
При этом синхронизация работы блоков ИПДС, ДВВ, ОУ, ВБ и блока управления осуществляется в реальном времени по сигналам СНС.
В конкретном случае выполнения комплекса 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
Т
где U - вектор управления, представляющий совокупность m управляющих воздействий (U, U…, U) на блок ОУ: U=(U, U,…, U);
1
2
n
1
2
n
T
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
T
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.
В предложенном комплексе 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.
В частных случаях выполнения комплекса вычислительный блок ВБ модуля судоводителя МС с соответствующим программным обеспечением может быть подключен к бортовой ЛВС судна или взаимодействовать 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, может быть 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);
3 - блок объектов управления (блок ОУ);
4 - модуль судоводителя (МС);
5 - вычислительный блок (ВБ) сбора и обработки информации;
6 - 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 СНС «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).
Работа комплекса заключается в следующем.
Процесс автоматического управления движением судна, как правило, включает [3, 4] 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 на ОУ 13 блока ОУ 3. Модуль судоводителя 4 служит для управления и контроля этого процесса.
Особенности работы предложенного комплекса (фиг.1) определяются новой совокупностью существенных признаков. На входы контроллера 18 поступает информация с выходов блока СНП 6, НРЛС 7, а также с выходов навигационного модуля НМ 8, который включает (фиг.2) 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). Структура и работа таких типов аппаратуры 22-27 известны и описаны, например, в книге: Соненберг Г.Д. Радиолокационные и навигационные системы: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1982. - 400 с.
При этом особенностью комплекса является то, что 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 6 в вычислительном блоке ВБ 5. Технология таких измерений ориентации судна с использованием аппаратуры СНС, а также устройства формирования по этим измерениям вектора состояния судна известны и описаны, например, в: RU 2144686 С1, 20.01.2000; RU 2248004 С2, 10.03.2005.
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 (например, фильтрации Калмана) и временного сглаживания (процедура обработки данных в комплексной навигационной системе известна и описана, например, в RU 2263280 С1, 27.10.2005 и в [3]). Значения измеренных параметров внешних воздействий ветра, волнения, течений и приливов, определяемые датчиками 9-12 блока ДВВ 2, и информация датчиков ДОУ 14 блока ОУ 3 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 3 с выходом 21 управляющих воздействий на судно.
Технология и устройства для измерений ряда параметров гидрофизических полей акватории известны и описаны, например, в: RU 2316794 С1, 10.02.2008 и RU 2328757 С2, 10.07.2008. Вектор управления U формируется вычислительным блоком ВБ5 согласно алгоритму (1) и в соответствии с заданными программными значениями параметров модели движения судна, размещенной в памяти блока ПО 19. Структура математической модели движения судна известна и приведена, например, в: RU 2197016 С2, 20.01.2003, RU 2151713 С1, 27.06.2000. Структура и работа датчиков ДОУ 14 описана в [3, 4]. Блок ОУЗ включает главные движетели 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 ИПДС1, 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.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. RU 2277495 С1, 10.06.2006 (прототип).
2. RU 2150409 С1, 10.06.2000 (аналог).
3. Золотов В.В., Фрейдзон И.Р. Управляющие комплексы сложных корабельных систем. - Л.: Судостроение, 1986. - 232 с.(аналог: с.64-73, рис.3.2).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
4. Родионов А.И., Сазонов А.Е. Автоматизация судовождения. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1983. - 216 с.(с.120-126).
5. JP 62-34597, 28.07.1987.
6. SU 1150155 А, 15.04.1985.
7. SU 979204 А, 07.12.1982.
8. RU 45032 U1, 10.04.2005.
9. RU 2251157 С2, 27.04.2005.
10. RU 23514 U1.20.06.2002.
11. RU 2163392 С1, 20.02.2001.
12. RU 16875 U1, 20.02.2001.
13. RU 16879 U1, 20.02.2001.
III. Источники по уровню техники приведены также в описании.