Введение 3
Постановка задачи 8
Обзор литературы 9
Глава 1. Уравнения движения МПО 11
1.1. Системы координат 11
1.2. Линеаризация системы 20
Глава 2. Формирование алгоритмов управления движением МПО для обхода препятствий 23
2.1. Способ вычисления минимальных расстояний 27
2.2. Реализация вычисления минимальных расстояний в
программной среде MATLAB 29
2.3. Реализация компьютерной модели в среде Simulink 37
2.4. Исследования с помощью компьютерной модели 40
Выводы 43
Заключение 44
Список использованной литературы 45
ПРИЛОЖЕНИЕ 46
Развитие судоходной отрасли с XV века значительно определялось разделением международной экономической деятельности, общества и природной среды. Из-за того, что имеет место отделение рынка труда от потребительского рынка при удаленности производства товаров, процессы обработки продуктов на разных этапах и их продажа осуществляется в совершенно разных регионах мира. Такая структура производства и потребления способствуют развитию судоходной отрасли с постоянным снижением стоимости перевозок. В свою очередь, снижение стоимости доставки обратно повлияла на развитие структуры производства. Это влияние привело к тому, что Китай, регионы Восточной и Юго-Восточной Азии, характеризуемые особыми рынками труда, завоевали титул мировой фабрики. Такой способ производства является одним из важнейших факторов, способствующих процветанию услуг судоходства в регионе Дальнего Востока.
Среди многих видов транспорта, современное судоходство существенно отличается от авиаперевозок, железнодорожного и автомобильного транспорта. Это связано с тем, что его транспортные характеристики, определяемые огромным объемом грузов, далеко не всегда доступны другим видом транспорта. Особую роль играют низкие транспортные издержки, что определяет значительный вес судоходства на рынке перевозки товаров. В международной торговле перевозки с использование судоходства является общедоступным, исключительно популярным видом транспорта.
С развитием мировой экономики, торговли и масштаба международных импортных и экспортных услуг, существенно повысилась важность морского судоходства в области товарных перевозок. Однако увеличение количества судов на существующих маршрутах вызывает значительные трудности в обеспечении безопасности морского судоходства. Согласно статистическим данным Port of Hamburg, пропускная способность контейнеров из 30 крупнейших портов мира увеличилась с 188 млн. контейнеров в 2004 году до 367 млн. контейнеров в 2015 году и почти удвоилась за 10 лет.
Рост контейнерных перевозок приводит к соответствующему увеличению плотности судов на маршруте. На оживленных маршрутах этот рост увеличился более, чем в два раза. Например, плотность потока судов увеличилась в несколько десятков раз на маршрутах Дальний Восток - Северная Америка, Западная Европа - Северная Америка, Восточная Азия - Юго-Восточная Азия и Дальний Восток - Персидский залив - Европа. При такой плотности маршрутов движения судов естественным образом стали возникать проблемы с беспрецедентными требованиями к вопросам обеспечения безопасности при обходе различных препятствий в процессе плавания.
В былые времена, для безопасного плавания по океану специализированное управление судом для обхода препятствий могло выполняться один раз в течение несколько дней. Такое управление вполне возможно реализовать вручную с предварительным планированием маршрута с большим количественным запасом. Однако в настоящее время, опираясь на существующие способы маневрирования, чтобы избежать препятствий при высокой плотности
движения судов, несомненно, потребуются весьма высокие затраты человеческих сил, и они будет постоянно увеличиваться.
Кроме того, определенный произвол операторов и ошибки ручного управления, порождают большие проблемы с безопасностью судоходства. Для решения задач по обходу препятствий традиционные способы, основанные на предварительно спланированном маршруте и ручном управлении, с трудом обеспечивают достижение поставленных целей. Это связано с тем, что не только сложные условия плавания, но и движения возможных динамических препятствий заранее не предсказуемо. С увеличением сложности задачи существенно увеличивается объем вычислительных работ по планированию маршрута, причем требования к вычислительным ресурсам увеличиваются со скоростью геометрической прогрессии. Задачи планирования маршрута с учетом требований по безопасному обходу препятствий становится не решаемыми с помощью традиционных ручных методов.
Актуальность развития исследований в данной области определяется следующими двумя важнейшими обстоятельствами.
Во-первых, современные вычислительные системы, а также инструментальные программные средства, определяют непрерывно растущие возможности для существенного повышения эффективности и качества работ по исследованию и проектирования систем управления движением судов и других морских подвижных объектов МПО. Это позволяет по-новому решать комплекс вопросов, относящихся к сфере моделирования, анализа систем, оптимизации прокладки маршрута плавания и формирования управления для обхода препятствий с учетом погодных условиях.
Современные вычислительные системы и компьютерные технологии всё шире применяются на борту судна для решения различных технологических задач. В частности, используются новейшие спутниковые и инерциальные навигационные системы, позволяющие с высокой точностью определять положение подвижных объектов в пространстве.
Во-вторых, с развитием человеческого общества и с появлением новых технических средств, существенно расширился набор требований, предъявляемых к системам автоматического управления. Это соответствует очевидному желанию значительно повысить эффективность и качество функционирования системы управления движением МПО, которые эксплуатируются в постоянно усложняющихся организационных и транспортных условиях, что особо значимо для безопасности судоходства.
Одним из наиболее важных направлений исследований является формирование алгоритмов оптимального управления, обеспечение высокого качества и безопасности плавания, проведение имитационного моделирования и обеспечение технической реализации проектируемых систем на современной цифровой элементной базе.
Целью данной выпускной работы является формирование надежных и гибких алгоритмов автоматической прокладки маршрутов с обеспечением обхода препятствий. Эти алгоритмы формируются на основе существующих систем удержания судов на заданном курсе (морские автопилоты), ориентированные на применение в беспилотном рабочем режиме движения. Подлежат рассмотрению также и более простые варианты задач по обходу препятствий с использованием автопилота в менее и более сложных ситуациях с оптимизацией управления движением судна.
Представляет также интерес решение задачи о коррекции (исправлении) маршрута движения судна в соответствии с погодными условиями в локальном районе и фактическим положением препятствий для оптимального достижения цели плавания. Методы, представленные в данной работе, должны обладать хорошей адаптируемостью и устойчивостью к изменениям условий движения. В соответствии с выбором заданного порога безопасности, должны быть получены результаты с использованием соответственных ограничений на управляющие воздействия и другие факторы, с проведением соответствующей оптимизации.
В качестве базовой инструментальной среды, поддерживающей разработку компьютерных моделей и выполнение имитационного моделирования, в выпускной работе принята широко распространенная система MATLAB - Simulink.
Постановка задачи
В данной области исследования многие ученые проделали большую работу, а также получили довольно много результатов и практических решений. Среди опубликованных результатов существует метод обхода препятствий с помощью построения искусственных потенциальных полей, которые используются для описания препятствующих объектов, чтобы выбрать лучшие маршруты обхода препятствий путем снижения потенциальной энергии с максимальной скоростью. Также существует методы с использованием алгоритмов, такие как нейронные сети, генетические алгоритмы.
Из-за различий в представлении навигационных зон существуют также различные требования к безопасности судоходства и к условиям предотвращения столкновений с препятствиями. Внутриводные маршруты и океанские маршруты принципиально различны. Во внутриводных маршрутах потребуется достаточно много поворотов судна, и существует сложные ситуации задачи обхода препятствий. Наоборот, океанский маршрут обычно более простой и гладкий, и количество кораблей невелико. Поэтому разные аспекты алгоритма для задачи обхода препятствий также требуют разных подходов.
Выбор соответствующих технических требований должен быть согласован с имеющимися вычислительными ресурсами, чтобы не вызвать их чрезмерное потребление. Это определяет обоснованное формирование управляющих воздействий для решения задачи обхода препятствий с предотвращением высоко опасных «аварийных ситуаций».
Обзор литературы
С развитием мировой экономики и судоходной отрасли, развивались также и научные исследования в области планирования оптимальных маршрутов и методов обхода препятствий для обеспечения безопасности плавания судов. Многие методы из различных областей научного исследования приняли для решения данной проблемы.
Но, прежде всего, исследования по автоматизации движения судов и их динамических характеристик не менее важно, как фундамент для других научных исследовательских работ.
Существует огромное количество работ по улучшению динамических характеристик, в том числе следующие работы: Войткунский Я. Я., Бородай И. К., Нецветаев Ю. А. Мореходность судов [1], Веремей Е.И., Корчанов В.М., Коровкин М.В., Погожев С.В. Компьютерное моделирование систем управления движением морских подвижных объектов [2], Лукомский Ю. А., Корчанов В. М. Управление морскими подвижными объектами [3], Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А. Навигация и управление движением судов[4] и многие другие.
Нет никаких сомнений в том, что проведение исследования в данной области привело к существенному улучшению качественных и количественных показателей разработки МПО, и способствовали развитию систем управления их плаванием.
Улучшения механических структур, определяемых развитием теории автоматического управления и компьютерных технологий, методы синтеза законов управления продолжают непрерывно развиваться. В качестве примера, можно привести работу Дмитриева С. П., Пелевина А. Е. Задачи навигации и управления при стабилизации судна на траектории[5], в которой приведены исследовании возможностей улучшения качества динамики процессов управления движением МПО.
Для улучшения оценки потери скорости при повороте, провели исследование для задачи обхода препятствий Li Z., Zhang X., Jia Y., исследования по снижению скорости в процессе возвращения судна [6], Davidson K.S.M. On the turning and steering of ship[7], и Shiba H. Model experiments about the maneuverability and turning of ships[8]. И для решения задача обхода препятствий, привели разные способы из различных область Chang K. Y., Jan G. E, Parberry, I. A. method for searching optimal routes with collision avoidance on raster charts [9], Gen H., Проблемы О создании буферов на основе системы ГИС [10], Tang
Q. Алгоритм оптимизации маршрута на основе электронных диаграмм [11].
В итоге проведенных исследований по теме выпускной квалификационной работы получены следующие результаты:
1. Сформирована математическая модель, описывающая динамику движения на горизонтальной плоскости МПО, и разработан компьютерный моделирующий комплекс для решения задач анализа и синтеза законов оптимального автоматического управления движением МПО к цели обхода препятствий.
2. В качестве базового метода построения управлений принята оптимизация процессов обхода препятствий с учетом существенных влияющих факторов, проведен выбор весовых коэффициентов для достижения оптимальной настройки, найдены управления и проведен анализ динамики соответствующих систем.
3. Рассмотрены вопросы практического синтеза с использованием модели нелинейной потери скорости при движении конкретного МПО.
4. Состоятельность и эффективность принятого подхода подтверждена результатами компьютерного моделирования замкнутой системы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
