Тема: Цифровое управление движением беспилотных морских судов с автоматическим обходом препятствий

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.

Купить

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.

Купить