Система оперативного контроля крена судна на волнении

Полезная модель относится к судостроению, в частности к системам контроля параметров качки судна, и может быть использована для оперативного контроля остойчивости или других показателей мореходности судна при качке в условиях ветра и волнения.
В теории корабля известны работы, связанные с возможностью автоматизации методов контроля мореходности [Лукомский Ю.И. Навигация и управление движением судов / Ю.И. Лукомский, Д.А. Пешехонов, Д.А. Скороходов. - СПб.: Элмор, 2002. - 350 с.], [Fossen T.I. Guidance and Control of Ocean Vehicles. - John Wiley & Sons, 1999. - 480pp.], [Нечаев Ю.И. Моделирование остойчивости на волнении. Современные тенденции. - Л.: Судостроение, 1989. - 240 с.], [Вагущенко Л.Л. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности/ Л.Л. Вагущенко, А.Л. Вагущенко, С.И. Заичко. - Одесса: Феникс, 2005. - 273 с.]. Серии патентов и авторских свидетельств в указанном направлении, как правило, основываются на информации о начальной метацентрической высоте или других характеристиках [Патент 2259301 РФ], статической либо динамической диаграммах остойчивости, дополнительных измерениях [Патент 2221726 РФ, Патент АС 1782863], в связи с чем требуют вмешательства человека (оператора, пользователя и т.п.) и не могут быть использованы для полностью автоматического управления судном, например, в безэкипажном режиме.
Наиболее близкими техническими решениями являются [Патент 2033369 РФ, Патент 2033370 РФ, Патент 2091269 РФ, Патент 2405712 РФ], в которых используется архитектура экспертных систем, [Патент 1625773 РФ] использует в качестве интегральной характеристики мореходности показатель риска, характеризующий вероятность опрокидывания. Недостатками перечисленных патентов является отсутствие в предлагаемых системах блоков оценки вероятности критического события по объективным данным о движении судна.
Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей судна и повышения его функциональной устойчивости путем постоянного контроля качки и на этой основе оценки вероятности и времени наступления критического события. Полезная модель далее представлена в контексте контроля бортовой качки, но все остается справедливым и для килевой качки при замене крена на дифферент.
В основе модели лежит принцип больших уклонений, позволяющий оценивать вероятность Р* критического состояния (КС) динамической системы через функцию действия S, характеризующую затраты энергии возмущения на приведение системы в КС, а именно - логарифм Р* оценивается минимально возможным значением  функции действия, обеспечивающим КС. В [Вентцель А.Д., Фрейдлин М.И. Флуктуации в динамических системах под действием малых случайных возмущений. М.: Наука, 1979. 424 с.] показано, что если динамическая система описывается уравнением
t
t
0
для вектора состояния ϕ, возмущений ν и начального состояния X, то функция действия имеет вид
ƒ
Каждая ситуация контроля мореходности и, в частности, контроля бортовой качки, определяется конкретной парой матриц (А, В) в (1). Момент t- в (2) - это момент достижения КС, то есть, для бортовой качки - критического значения угла крена: , где  выходная координата для уравнения состояния (1), то есть, угол крена. Таким образом, к уравнениям (1), (2) следует добавить еще соотношение
0
0
0
0
Вместо решения параметризованной задачи оптимального управления (1)-(3), сформулированной выше для конкретных начальных условий t, x, будем искать предельное решение  задачи (1)-(3) при t→∞, x→0, которое будем называть профилем КС. Такое решение дает минимум S среди всех значений (2) параметризованных задач, который обозначим . В случае гурвицевости матрицы А и управляемости пары (А, В) профиль КС определяется единственным образом в соответствии с [Дубовик С.А., Кабанов А.А. Функционально устойчивые системы управления: асимптотические методы синтеза / С.А. Дубовик, А.А. Кабанов. - М.: ИНФРА-М, 2019. - 249 с.] (теорема 6.4) выражением
где матрица D - единственное решение уравнения
0
0
0
ƒ
0
ƒ
При фиксированном t оптимальная функция действия  становится функцией t. Имеет место следующее свойство, вытекающее из принципа оптимальности Р. Беллмана: решение (параметризованной) задачи (1)-(3), в которой  (и -∞<t≤t), совпадает с решением предельной задачи  на отрезке [t, t]; достигаемое при этом значение (2)
ƒ
Функция  монотонно убывает от максимального значения  до нуля в точке t=t, а в произвольный момент времени имеем для вероятности КС
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства (модели), на фиг. 2 - графики выходной координаты  (угол крена, рад) профиля , амплитудные значения которой обозначены как , и инвертированная функции действия  для конкретного судна.
Устройство содержит датчик 1 угла крена, АЦП 2, блок 3 осреднения ординат крена, блок 4 определения дисперсии угла крена, блок 5 определения амплитуды качки, сумматор 6, блок 7 вычисления ординаты профиля, блоки 8, 9 и 10 - блоки сравнения, соответственно: 1-й, 2-й и 3-й, блоки переключения (ключи) 11 и 12, блок 13 обнуления счетчика номера амплитуды крена, блок 14 сигнализации о превышении вероятности критического крена порогового значения.
i
i
π
π
0
π
Устройство работает следующим образом. Датчик 1 угла крена выдает непрерывный сигнал - ордината крена 6(f), который после АЦП 2 представляет собой числовую последовательность θ. Элементы θ в блоке 3 усредняются, а в 4 вычисляется эмпирическая оценка дисперсии  на каждом интервале [t-Δ, t], предшествующем текущему времени t, после чего в блоке 5, как и в базовом варианте, определяется амплитуда  по формуле . Все остальные блоки с 6-го по 14-й реализуют заявляемую полезную модель следующим образом. В последовательно соединенных сумматоре 6 и вычислителе 7 согласно (4) определяются амплитудные значения выхода  (фиг. 2), пронумерованные целой неотрицательной величиной k=0,1, …, k, …, где нулю соответствует некоторое минимальное значение, с которого начинается процедура контроля, а k - номер, при котором значение вероятности КС впервые оказывается не меньше порогового значения π (для случая, представленного на фиг. 2 π=1.25Е-6, тогда как для начального значения, соответствующего k=0, имеем P=0.06E-6). Поскольку вероятность вместе с S(t) возрастает во времени, в процессе контроля вероятности КС достаточно определить при получении данных об амплитуде крена , какому значению k соответствует данное . Для этого на каждом шаге счетчика, k:=k+1, происходит сравнение на достижение порога, то есть в блоке 8 проверяется условие k≥k, и, в зависимости от результата, замыкается либо ключ 12 (выход 1 блока 8, соответствующий выполнению условия - «да») и происходит проверка выполнения условия в  в третьем блоке сравнения (блок 10), либо ключ 11 (выход 2 блока 8, когда условие не выполнено - «нет») и во втором блоке сравнения (блок 9) проверяется условие , в случае «нет»  счетчик k сбрасывается в 0 в блоке 13 и управление передается блоку 6 (k:=k+1); в случае срабатывания первого выход («да») в блоке 9 и второго («нет») в блоке 10 управление передается в счетчик 6 (без его обнуления), а в случае «да» в блоке 10 (то есть ) инициируется выходной блок 14 по сигнализации о пороговой вероятности критического крена и необходимости корректирующего маневра.
Технический результат достигается тем, что, применяя вероятностный анализ критических ситуаций, получаются знания о поведении судна в моменты времени, предшествующие критическим состояниям, которые используются в алгоритмах контроля качки, используемые в блоках оценки вероятности критического события по объективным данным о движении судна.
Предлагаемая полезная модель обладает следующими преимуществами: вместо разрозненных параметров динамики судна используется стандартный формат описания судна как динамической системы в виде тройки матриц (А, В, С), что позволяет воспользоваться методами теории управления для построения устройства контроля мореходности, обеспечивающими:
- прогноз возможности события критического крена за несколько периодов до наступления этого события и с выдачей его вероятности на момент прогноза;
- снижение риска опрокидывания судна;
- уменьшение нагрузки на экипаж, управляющий судном, вплоть до реализации управления в безэкипажном режиме.
Исследования выполнены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57817X0259).