БАЗОВАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ НА СУДАХ РЕЖИМОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО И ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к судовождению и может быть использована в средствах автоматического и дистанционного управления движением судов.
Одним из условий реализации управления судна в безэкипажном режиме является разработка автоматических систем, обеспечивающих безопасность судовождения в различных критических ситуациях, в том числе в районах интенсивного судоходства, где требуется обеспечить безопасное расхождение с окружающими судами согласно требованиям МППСС-72.
Из уровня техники известна система автоматической проводки судов по заданной траектории движения по патенту RU 165915 (В63Н 25/00, опубл. 01.2006 г.), которая содержит измеритель скорости, измеритель курса и угловой скорости циркуляции, спутниковую навигационную систему, электронную картографическую навигационную информационную систему, средство определения пеленга на ориентир, систему координированного управления движением судна, включающей блок управления и авторулевой, береговой ориентир и метеорологический локатор.
Техническое решение, известное из патента RU 165915, выбрано в качестве ближайшего аналога данной полезной модели. Недостатками прототипа являются: невозможность обеспечить управление судном в автоматическом режиме без присутствия на борту экипажа, а также в дистанционном режиме управления с берегового поста дистанционного управления (БПДУ); отсутствие канала управления скоростью хода судна.
Задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в создании базовой платформы, обеспечивающей реализацию на судах коммерческого флота автоматического режима (без присутствия на борту экипажа) и дистанционного режима управления движением судна с БПДУ, в которой используются стандартизованные протоколы сопряжения с навигационным оборудование, системой управления движителями, техническими средствами, радиолокационной станцией (РЛС), автоматической идентификационной системой (АИС) и камерами видеонаблюдения судна коммерческого флота.
Технический результат заключается в расширение функциональных возможностей, которые в совокупности позволяют реализовать безэкипажный режим судовождения существующих судов коммерческого флота.
Указанный технический результат достигается тем, что в базовую платформу для реализации режимов автоматического и дистанционного управления движением судна, включающей систему координированного управления движением судна, дополнительно в состав платформы включены корпус с источником питания, автономная навигационная система, обзорно-поисковая система, блок комплексирования навигационных данных, блок распознавания целей, блок технической диагностики, блок коммутации и комплексная система управления техническими средствами, причем входы-выходы системы координированного управления движением судна подключены к входам-выходам автономной навигационной системы, блока технической диагностики и комплексной системы управления техническими средствами, входы-выходы которой соединены с входами-выходами автономной навигационной системы и блока технической диагностики, входы-выходы которого соединены с входами-выходами блока коммутации и автономной навигационной системы, входы-выходы которой соединены с входами-выходами блока коммутации, блока распознавания целей и блока комплексирования навигационных данных, входы-выходы которого соединены с входами-выходами блока коммутации и блока распознавания целей, входы-выходы которого соединены с входами-выходами блока коммутации и обзорно-поисковой системы, выход которой подключен к входу блока коммутации, причем обзорно-поисковой системы выполнена с возможностью подключения комплекта камер видеонаблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах, расположенные снаружи судна, блок распознавания целей выполнен с возможностью подключения радиолокационной станции и автоматической идентификационной системы, система координированного управления движением судна и блок комплексирования навигационных данных выполнены с возможностью получения данных от измерителей параметров движения судна, автономная навигационная система, блок коммутации и комплексная система управления техническими средствами выполнены с возможностью соединения с береговым постом дистанционного управления по средствам комплекса средств связи, система координированного управления движением судна выполнена с возможностью соединения с движительно-рулевым комплексом судна, а комплексная система управления техническими средствами выполнена с возможностью соединения с техническими средствами судна.
Технический результат достигается также тем, что в состав базовой платформы дополнительно включены:
регистратор данных рейса, входы которого подключены к выходам автономной навигационной системы и блока коммутации;
соединенный с блоком коммутации блок видеонаблюдения, выполненный с возможностью подключения комплекта камер видеонаблюдения, расположенные во внутренних помещениях судна и с снаружи судна с обзором на груз судна.
Сущность заявляемой базовой платформы для реализации режимов автоматического и дистанционного управления движением судна поясняется примером ее реализации и фиг. 1, где изображена структурная электрическая схема системы. На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - система координированного управления движением судна (СКУДС);
2 - автономная навигационная система (АНС);
3 - обзорно-поисковая система (ОПС);
4 - блок видеонаблюдения;
5 - блок комплексирования навигационных данных (БКНД);
6 - блок распознавания целей (БРЦ);
7 - блок технической диагностики (БТД);
8 - блок коммутации;
9 - комплексная система управления техническими средствами (КСУТС);
10 - регистратор данных рейса (РДР);
11 - измерители параметров движения судна (гирокомпас (магнитный компас), спутниковая навигационная система (GPS/ГЛОНАСС), эхолот, лаг, метеостанция, датчики крена и дифферента);
12 - движительно-рулевой комплекс судна (винто-рулевые колонки, гребные винты, рули, подруливающие устройства и др.);
13 - РЛС;
14 - АИС;
15 - технические средства судна (ТСС);
16 - комплекс средств связи (КСС);
17 - БПДУ;
18 - комплект камер видеонаблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах, расположенные снаружи судна;
19 - комплект камер видеонаблюдения, расположенные во внутренних помещениях судна и с снаружи судна с обзором на груз судна.
Базовая платформа для реализации на судах автоматического и дистанционного управления включает (фиг. 1) систему 1 координированного управления движением судна, автономную навигационную систему 2, обзорно-поисковую систему 3, блок 4 видеонаблюдения, блок 5 комплексирования навигационных данных, блок 6 распознавания целей, блок 7 технической диагностики, блок 8 коммутации, комплексную систему 9 управления техническими средствами, регистратор 10 данных рейса и корпус с источником питания.
Система 1 координированного управления движением судна предназначена для управления движительно-рулевым комплексом 12 судна, обеспечивая стабилизацию заданной скорости хода и заданного курса судна по командам, полученным от АНС. Навигационные данные о курсе, скорости хода и координатах судна, а также о ветре, действующем на судно, СКУДС получает от гирокомпаса (магнитного компаса), лага, спутниковой навигационной системы и метеостанции соответственно. Система 1 координированного управления движением судна может быть реализована на базе прибора управления независимой джойстиковой системы управления из состава системы динамического позиционирования.
Автономная навигационная система 2 предназначена для приема от БПДУ данных о заданном маршруте судна, выработки команд заданного курса и заданной скорости хода для СКУДС при ведении судна по маршруту, анализа информации об окружающей обстановке на предмет опасности и выработки данных и команд для маневров с целью расхождения с морскими подвижными объектами (МПО) и другими объектами (препятствиями) в случае возникновения опасных ситуаций, а также для формирования световых и звуковых сигналов встречным судам. Автономная навигационная система 2 может быть реализована на базе электронной картографической навигационной системы с дополнительной возможностью корректировки маршрута с учетом безопасного расхождение с окружающими судами по МППСС-72. Расчеты по корректировке маршрута выполняются по утвержденным алгоритмам, согласованных с сертификационными обществами, необходимые навигационные данные и данные об окружающей целевой обстановке в АНС 2 поступают от блока 5 комплексирования навигационных данных, ОПС 3 и блока 4 видеонаблюдения. Заданный маршрут, отрабатываемый АНС 2, может быть скорректирован с БПДУ 17 по средствам КСС 16.
Обзорно поисковая система 3 предназначена для наблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах, распознавания, обнаружения и сопровождения МПО, распознавания сигнальных огней на МПО, определение дальностей и углов положения до обнаруженных объектов (препятствий) и представляет собой программно-аппаратный комплекс, реализованный с использование специализированного программного обеспечения по сшивке и обработке изображения поступающих с комплекта 18 камер видеонаблюдения, а также дальнейшего анализа изображений с целью распознавания объектов и определения дальности и пеленга до них.
Блок 4 видеонаблюдения предназначен для обеспечения сигнализации по событиям, происходящим во внутренних помещениях судна и на внешних палубах судна с целью обеспечения контроля за грузами, расположенными на палубе судна или в помещениях судна на основе данных, получаемых с комплекта 19 камер видеонаблюдения, и представляет собой программно-аппаратный комплекс, реализованный с использование специализированного программного обеспечения, которое обеспечивает анализ отклонения текущего статического изображения от заданного статического изображения после закрепления грузов.
Блок 5 комплексирования навигационных данных предназначен для приема, анализа и комплексирования сигналов, поступающих от измерителей 11 параметров движения судна, и представляет собой программно-аппаратный комплекс, который обеспечивает прием, анализ и отказоустойчивую фильтрацию навигационных данных на основе диагностических [1] и отказоустойчивых фильтров Калмана [1, 2].
Блок 6 распознавания целей предназначен для приема данных о целевой обстановке от РЛС, АИС и ОПС 3, дальнейшего анализа полученных данных и формирование обобщенной целевой обстановке, окружающей судно, с последующей выдачей целевой обстановки в АНС 2 и представляет собой программно-аппаратный комплекс, который обеспечивает прием, анализ и сопоставление данных о целях, полученных от ОПС 3, РЛС 13 и АИС 14, с последующим их объединением в единую целевую обстановку и передачей ее в АНС 2.
Блок 7 технической диагностики предназначен для диагностики работы блоков и систем базовой платформы, определение неисправности и выдачу рекомендаций оператору БПДУ 17 по устранению неисправности, ведение протокола неисправностей и их устранения, а также передачу протокола неисправностей в РДР 10 и представляет собой программно-аппаратный комплекс, который обеспечивает прием, анализ и сопоставление данных самодиагностики блоков и систем базовой платформы.
Блок 8 коммутации предназначен для коммутации и сопряжения данных, передаваемых по каналам с использованием различных протоколов, между блоками и системами базовой платформы, а также последующей передачи этих данных в РДР 10.
Блок 8 коммутации может быть реализован на основе индустриальных коммутаторов интерфейсов Ethernet, размножителей интерфейсов RS422/485, преобразователей аналоговых/дискретных сигналов в последовательный интерфейс RS485 или Ethernet с использованием протоколов Modbus RTU или Modbus TCP соответственно.
Комплексная система 9 управления техническими средствами предназначена для сбора данных о состоянии технических средств на судне, формированию аварийно-предупредительной сигнализации и передаче данных о техническом состоянии судна на БПДУ 17 и представляет собой программно-аппаратный комплекс, осуществляющий сбор, диагностику, управление техническими средствами судна.
Регистратор 10 данных рейса предназначен для сбора и хранения данных о работе всех технических средств судна, окружающей навигационной обстановке, заданных и отработанных командах при управлении движением судна и представляет собой программно-аппаратный комплекс, который осуществляет получение, сортировку, запись и последующее хранение данных на твердотельных накопителях, находящихся в специальном защищенном боксе.
Корпус с источником питания предназначен для размещения и электропитания составных частей базовой платформы, представляет собой серверный шкаф.
Для реализации автоматического и дистанционного управления судном базовая платформа соединена с (фиг. 1) измерителями 11 параметров движения судна, движительно-рулевым комплексом 12, РЛС 13, АИС 14, технические средства 15 судна, комплексом 16 средств связи, береговым постом 17 дистанционного управления и комплектами 18, 19 камер видеонаблюдения.
Измерители 11 параметров движения судна предназначены для измерения и передачи в СКУДС 1 и БКНД 5 текущих координат судна, его курса, крена, дифферента и скорости хода, а также ветра, действующего на судно. Минимальный состав измерителей 11 включает спутниковую навигационную систему GPS/ГЛОНАСС, гирокомпас или магнитный компас, эхолот, датчики крена и дифферента, датчик ветра.
Движительно-рулевой комплекс 12 предназначен для создания сил и моментов от средств активного управления и движителей судна и включает в свой состав системы дистанционного управления совместно с исполнительными устройствами, такими как винто-рулевые колонки, главные движители с гребными винтами регулируемой скорости и/или регулируемого шага, рулевое устройство, подруливающие устройства и выдвижные винто-рулевые колонки. Из СКУДС 1 в движительно-рулевой комплекс 12 поступают задающие команды на исполнительные устройства (заданные обороты, угол поворота и др.), а обратно - данные о текущем состоянии исполнительных устройств (текущие обороты, угол поворота и др.).
Радиолокационная станция 13 обеспечивает получение и передачу данных в БРЦ 6 о береговой линии, надводных МПО и других объектах (препятствиях), их местоположения и параметров движения.
Автоматическая идентификационная система 14 предназначена для передачи в УКВ-диапазоне данных о параметрах судна и его движении, а также получении соответствующих данных об окружающих его судах.
Технические средства 15 судна включают в свой состав все средства и системы, управляющие данными средствами, имеющиеся на борту судна (цистерны, насосы, датчики, генераторы и др.). Из КСУТС 9 в ТСС 15 передаются команды на запуск исполнительных механизмов, таких как насосы, генераторы и др., а обратно - данные о состоянии всех технических средств (цистерны, насосы, датчики, генераторы и др.).
Комплекс 16 средств связи состоит из оборудования, обеспечивающее УКВ канал или канал спутниковой связи, между базовой платформой и БПДУ 17.
Береговой пост 17 дистанционного управления, представляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из пультовых секций, в составе которых установлены мониторы, вычислители, панели контроля и управления. На одном из пультов установлена электронная картографическая навигационная информационная система (ЭКНИС), на мониторе которой отображается движение судна и окружающая его обстановка. Дистанционное управление судном с БПДУ 17 может осуществляться путем задания траектории на ЭКНИС либо с помощью джойстика, расположенного на панели контроля и управления из состава берегового поста. Обмен данными между базовой платформой и БПДУ 17 осуществляется посредством оборудования КСС 16.
Комплект 18 камер видимого и инфракрасного диапазона, расположенных снаружи судна, обеспечивает круговой обзор по периметру судна с пересекающимися секторами между камерами.
Комплект 19 камер видимого диапазона, расположенных во внутренних помещениях судна и на внешних палубах судна, обеспечивает обзор палубы судна.
Базовая платформа работает следующим образом. В систему АНС 2 через блок 8 коммутации по средствам КСС 16 из БПДУ 17 поступает команда о выбранном текущем режиме работы базовой платформы, которая далее поступает СКУДС 1, а в АНС 2 передаются данные о заданной траектория движения судна. При получении сигнала о переходе в автономный или дистанционный режим работы СКУДС 1 посылает сигналы запроса в системы управления движительно-рулевым комплексом 12 о передаче управления данными системами от сигналов управления СКУДС 1. После подтверждения перехода на управление системами движительно-рулевого комплекса СКУДС 1 подает команду в АНС 2, которая начинает определять и передавать в СКУДС 1 данные заданного курса (угловой скорости циркуляции) и скорости хода, которые необходимо выдерживать при движении по заданной траектории. На основе этой информации и навигационных данных, поступающих от измерителей 11 параметров движения судна, СКУДС 1 осуществляет управление движительно-рулевым комплексом 12 так, чтобы стабилизировать заданный курс (угловую скорость циркуляции) и скорость хода судна на заданном участке траектории. Автономная навигационная система 2 постоянно отслеживает навигационную обстановку, получая необходимы данные об окружающих целях из БРЦ 6 и БКНД 5. Блок 6 распознавания целей формирует данные обобщенной целевой обстановки, окружающей судно, на основе данных, поступающих от ОПС 3, РЛС 13 и АИС 14. В случае возникновения навигационной опасности, БРЦ 6 формирует траекторию расхождения на основе правил МППСС-72 и передает заданные команды в СКУДС 1. В случае возникновения нештатных ситуаций при перевозке грузов, расположенных на палубе, блок 4 видеонаблюдения по данным, поступающим от комплекта 19 камер, распознает возникшую ситуацию и формирует сигналы аварийно-предупредительной сигнализации, которые передает в блок 8 коммутации, с последующей передачей в АНС 2 и БПДУ 17 по средствам КСС 16. Если судно находится в дистанционном режиме управления с БПДУ 17, то о происшествии узнает оператор, после чего он выполняет корректировку маршрута следования или останавливает судно. При нахождении судна в автономном режиме АНС 2, по заложенным в него алгоритмам, либо уменьшает скорость хода и скорость циркуляции при движении по маршруту, либо останавливает судно и выдает необходимые команды в КСУТС 9 для управления ТСС 15 (например, команда о смене сигнально-отличительных огней).
Блок 7 технической диагностики обрабатывает данных самодиагностики, поступающие от блоков и систем базовой платформы, формирует общий сведения о ее техническом состоянии и передает в АНС 2 и БПДУ 17 через блок 8 коммутации и КСС 16 для принятия соответствующих решений оператором БПДУ 17 или АНС 2 в соответствии с заложенными в нее алгоритмами.
За время рейса судна в РДР 10 поступает для сохранения следующая информация: навигационные данные, данные о работе всех технических средств судна, данные об окружающей навигационной обстановке, заданных командах от АНС 2, отработанных командах СКУДС 1 при управлении движением судна и поступившие команды от БПДУ 17.
Опытная эксплуатация показала, что заявленная полезная модель позволяет обеспечить автоматический (автономный) и дистанционный режимы работы с БПДУ и использования оборудования судна, тем самым реализовать безэкипажный режим управления судном. Все эти факторы в совокупности позволяют снизить затраты на модернизацию и эксплуатацию судов коммерческого флота.
Заявленная полезная модель реализована на действующем грунтовозе проекта НВ900 и сухогрузе проекта RSD49. В дальнейшем планируется оснащение заявленной полезной моделью танкера проекта Р-70046.
Источники информации
1. В.М. Амбросовский, А.С. Коренев, Ю.А. Лукомский, А.Г. Шпекторов. Координированное управление морскими подвижными объектами/ под ред. Ю.А. Лукомского. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. - 128 с.
2. Коренев А.С. Отказоустойчивый адаптивный к внешним возмущениям фильтр Калмана/ В.М. Амбросовский, С.П. Хабаров, А.С. Коренев // Морская радиоэлектроника. Корабли и вооружение как единая система - 2015. - №3. - С. 20-23.