Статья: РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ СУДНОМ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ROS2 (2025)

Актуальность работы обусловлена важностью развития в последние годы Северного морского пути как стратегически значимой артерии торгового судоходства и в особенности реализации топливно-энергетических проектов в Арктике.

Отмечается, что начиная с 2022 г. многие зарубежные компании не участвуют в подобных проектах, поэтому в сложившейся ситуации возникает необходимость создания отечественного ключевого оборудования в области судостроения. В обзорной статье рассмотрены вопросы перспектив разработки и реализации на территории Российской Федерации пропульсивных комплексов для танкеров, выполняющих транспортировку сжиженного природного газа.

Целью данной работы является исследование недостающих элементов пропульсивных комплексов, которые необходимо создать для успешной реализации проекта по постройке судна-газовоза ледового класса Arc7.

Для определения возможных вариантов реализации подобных энергетических установок выполнен обзор существующих пропульсивных комплексов, применяемых на аналогичных танкерах-метановозах, рассмотрены приемлемые для реализации типы главных двигателей, а также отдельно рассмотрены возможные аналоги движительно-рулевого комплекса.

Выполнена оценка их положительных и отрицательных характеристик, таких как коэффициент полезного действия, маневренность и перспективность реализации.

Также в статье указаны предприятия, способные выступить в качестве потенциальных поставщиков ключевого оборудования для вновь создаваемых судовых энергетических установок, причем все они находятся на территории Российской Федерации и большая их часть вовлечена в реализацию арктических проектов по добыче и экспорту энергоносителей.

Предметом настоящей работы является анализ систем оборудования судовой энергетической установки автономных судов.

Рассмотрена степень готовности современной судовой энергетической установки для применения на автономных судах с точки зрения ее высокой степени надежности.

В работе продемонстрированы возможности метода построения таблицы индексов рисков эксплуатации и индекса риска снижения избыточности на примере среднестатистического судна, предназначенного для каботажных морских перевозок.

На основе представленной выборки элементов энергетической установки выполнен анализ индекса риска эксплуатации и индекса риска снижения избыточности судового оборудования, а также анализ причин, в соответствии с которыми они имеют такое важное значение.

В качестве примеров рассмотрены главный двигатель и его элементы, механизм передачи крутящего момента, вспомогательные двигатели и генераторные установки, системы подачи топлива, смазки, охлаждающей воды, а также система воздушного пуска.

Кроме того, рассмотрено рулевое устройство и система выпуска отработавших газов, приведены индексы риска снижения избыточности RRRI выбранного оборудования. После выявления слабых звеньев рассматриваемых установок предложены решения по преодолению возникающих рисков.

Отмечается, что эти решения зависят непосредственно от слабого звена и могут состоять из нескольких вариантов.

Указано, что примерами могут служить избыточная настройка, поиск альтернативных элементов судового механизма с более низким индексом риска или рассмотрение действий, позволяющих сделать определенную деталь полностью работоспособной.

В работе предпринята попытка найти решение для каждого элемента выборки с высоким уровнем риска (RRRI равно 8, 9 или 10), когда компоненты рассматриваются на предмет повышения надежности. Также рассмотрены компоненты со средним значением RRRI - 6 или 7.

В этом случае отмечается высокая привлекательность реализации альтернативных способов формирования пропульсивного комплекса, например, исходя из известных принципов электродвижения как способа преодоления большого числа проблем. Сделано заключение о том, что любые решения невозможны без всестороннего анализа финансовой жизнеспособности.

Выводы, сделанные на основе полученных результатов, отражают возможную направленность работ по созданию судовой энергетической установки для комплектования автономных судов.

Темой работы является исследование сопротивления воды движению катамаранов с упрощенными обводами. В статье выполнен анализ существующих исследований ходкости судна с упрощенными обводами.

Показано, что в большинстве случаев использование такого рода конструкции судна ведет к увеличению буксировочного сопротивления до 30 %.

Представлены результаты модельного эксперимента, выполненного в опытовом бассейне ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова».

Отмечается, что было проведено испытание модели на тихой воде со следующими характеристиками: длина модели - 2000 мм, ширина - 148 мм, осадка 60 мм, 80 мм и 100 мм в диапазоне скоростей 1-4 м/с, что соответствует числам Фруда 0,22-0,90.

Выполнено построение кривых буксировочного сопротивления катамарана с упрощенными обводами, а также приведены результаты экспериментального исследования влияния дифферента и осадки на величину буксировочного сопротивления.

Рассмотрены зависимости коэффициента остаточного сопротивления от числа Фруда. Выполнено сравнение данных, полученных в процессе проведения испытаний, с опубликованными в других работах результатами исследований ходкости близких по основным соотношениям размерений катамаранов.

Приведены доказательства того, что упрощение обводов высокоскоростных многокорпусных судов оказывает отрицательное влияние на величину буксировочного сопротивления.

Сделан вывод о том, что полученные результаты могут найти применение при проектировании судов с упрощенными обводами.

Исследована смачиваемость водой материалов, применяемых для изготовления дейдвудных подшипников, работающих при смазывании водой: капролона и резины 8130, а также материалов, применяемых для изготовления облицовок гребных валов: стали 12Х18Н10Т и оловянистой бронзы БрО5Ц5С5. Оценка смачиваемости выполнена по значению краевого угла смачивания.

По результатам опытов выполнено построение моделей второго порядка, описывающих значения краевого угла смачивания от содержания солей в воде и шероховатости поверхности.

Выявлен схожий характер влияния исследуемых факторов на смачиваемость бронзы и нержавеющей стали, который для полимеров не только существенно отличается от аналогичного для металлических сплавов, но и характер изменения смачиваемости капролона при изменении этих факторов отличается от характера изменения смачиваемости резины.

Отмечается, что содержание солей в морской воде оказывает слабое влияние на смачиваемость материалов облицовок, заметное влияние на нее оказывает шероховатость поверхности, при этом существует значение высотного параметра Ra, при котором смачиваемость достигает максимального значения. Для резины, наоборот, шероховатость поверхности имеет слабое влияние на смачиваемость водой, но однако содержание солей в воде оказывает на нее очень сильное влияние (в пресной воде резина проявляет выраженные гидрофильные свойства, а в морской становится гидрофобной). Гидрофильность капролона как при увеличении содержания солей в воде, так и при увеличении шероховатости его поверхности, показывает умеренное увеличение.

Предлагается использовать в дейдвудном трибосопряжении, смазываемом водой, гидрофильный материал подшипника в сочетании с выраженным гидрофобным материалом облицовки, и, соответственно, в морской воде целесообразно вместо резинометаллических подшипников использовать капролоновые.

На основании полученных в работе результатов представляется целесообразным выполнить исследования по замене бронзы и нержавеющей стали при изготовлении облицовок из иного материала с выраженной гидрофобностью.

Предложен метод определения широты места судна по глубине на основе нейронной сети, которая принимает на вход последовательность глубин, измеренных при помощи однолучевого эхолота и прогнозирует широту на момент измерения последней глубины. Сеть имеет два слоя. Первый слой содержит нейроны с функциями активации в виде гиперболического тангенса, второй состоит из одного нейрона, обладающего тождественной функцией активации. Набор учебных данных состоит из обучающей и контрольной выборок. Обучающая выборка формируется на основе слоя глубин, содержащегося в электронной навигационной карте. Контрольная выборка формируется путем псевдослучайных вариаций входных образцов из обучающей выборки. Каждая такая вариация соответствует постоянному изменению уровня моря вследствие ошибок измерений и/или колебаний ветрового и/или приливоотливного характера. Обучается сеть методом Adamax. Критерием эффективности обучения служит наибольшее значение модуля ошибки прогноза широты, определенное для образцов из контрольной выборки. После обучения сеть проходит тестирование на образцах, полученных аналогичным образом, как для контрольной выборки. Моделирование выполнено с использованием языка программирования Python. Для обучения и реализации работы нейронной сети используется библиотека TensorFlow. Моделирование выполнено для нескольких вариантов архитектуры сети, каждый из которых отличается количеством нейронов в скрытом слое. В результате было зафиксировано, что нейронные сети имеют тенденцию к обучению их прогнозированию широты места судна по последовательности глубин, что позволяет рассматривать их в качестве перспективного инструмента для решения задач батиметрической навигации.

Темой исследования является оценка возможности загрузки и оптимального использования транспортной сети хинтерленда при организации отправки сборных партий грузов с территории морского порта.

Отмечается, что сложность такой задачи на текущий момент обусловлена необходимостью внедрения новых средств укрупнения сборных партий грузов в целях обеспечения их перевозок вглубь материка с применением контейнерных технологий, что способствует открытию новых маршрутов транспортировки и необходимости оценки транспортных характеристик перевозочного процесса.

Указано, что моделирование транспортной сети требует всесторонней оценки различных факторов, а также экономических и эксплуатационных показателей, характеризующих транспортный процесс продвижения грузов между регионами зарождения (морской контейнерный терминал) и поглощения товаров (склад получателя). В предлагаемой работе рассмотрены существующие модели оценки загрузки транспортной сети и дана их краткая характеристика.

В ходе оценки протекающих процессов подчеркивается, что каждая рассматриваемая корреспонденция между конкретным районом зарождения (морской контейнерный терминал) и поглощения (склад получателя) определенного грузопотока может быть представлена не только в объемных характеристиках, но и как функция времени, а также обращается внимание на то, что можно получить динамическую модель, базирующуюся на различных возможностях формирования грузовых мест и на оценке транспортных возможностей сети.

В ходе исследования сделан вывод о том, что при рассмотрении задачи распределения потоков по транспортной сети доставки с применением различных способов организации грузовых мест и ограничениями по пропускной способности маршрутов, по времени или стоимости перевозки, для нахождения оптимального показателя перевозки может быть использован метод проекции на множество допустимых решений.

В статье выполнен обзор развития требований, предъявляемых к судам, эксплуатируемым на внутренних водных путях.

Рассмотрены ключевые аспекты формирования нормативной базы Российского Классификационного Общества в части обеспечения безопасности эксплуатации речных судов с учетом специфики внешних нагрузок на корпус судна, а также методы и подходы, являющиеся основой существующих Правил Российского Классификационного Общества, сформированные в 60-70-х гг. ХХ в. после появления водохранилищ, условия плавания в которых значительно отличались от речного судоходства.

Отмечается, что следующим этапом развития является появление судов смешанного (река-море) плавания на базе речных судов, эксплуатируемых в крупных озерах и водохранилищах внутренних водных путей; к концу 1970-х гг. суда смешанного плавания были выделены в отдельную группу, для которой требования нормативных документов к обеспечению безопасности эксплуатации стали существенно отличаться от речных судов (в первую очередь это коснулось мореходных характеристик судна: остойчивости, прочности, надводного борта, корпуса судна и его оборудования, снабжения и устройств).

Проанализировано выполненное в начале XXI в. исследование о возможности эксплуатации судов внутреннего плавания в прибрежных морских районах и на защищенных от ветроволновых воздействий акваториях с морским режимом судоходства, результаты которого нашли применение в качестве «Предписания для судов рейдового и портового плавания» (Руководство Р.015-2006) Российского Классификационного Общества.

В статье выполнен анализ и подтверждена необходимость разработки аналогичного алгоритма, позволяющего назначать допускаемые эксплуатационные ограничения для судов, установленный класс которых ниже разряда бассейна.

Отмечается, что условия обеспечения безопасности эксплуатации судов при этом должны назначаться на основании откорректированных подходов, учитывающих специфику прогнозирования ветро-волновых параметров акваторий на внутренних водных путях.

Целью работы является оценка изменений ветрового режима в морях России и выявление районов судоходства и рыболовства, в которых повторяемость опасных ветров статистически показала тенденции к повышению. Оценка выполнена на основе данных глобального атмосферного реанализа ERA-5 о среднечасовой скорости ветра в 1991-2020 гг. Методика исследования предполагала использование стандартных статистических методов обработки данных.

Результаты оценки роста штормовых рисков по всем морям России представлены в виде итоговой таблицы.

Подтверждено, что ветровой режим в российских морях не является стационарным и реагирует на глобальные климатические изменения. Наиболее динамичные изменения ветровой обстановки происходят в открытых морях (Берингово, Баренцево), имеющих свободное сообщение с внешними морями и океанами. Наибольшие риски для судоходства и рыболовства, связанные с повышением повторяемости опасных ветров при средней или высокой климатической норме данного показателя, выявлены в следующих районах: северо-восточная часть Черного моря, включая подходы и портам Новороссийск, Туапсе, район Керченского пролива (зимний сезон); Балтийское море, в том числе трассы центральной части моря и Финского залива (зимний сезон); Баренцево море (зимне-весенний сезон); юго-западная часть Берингова моря, включая участки трансокеанских трасс (зимний сезон); северо-западный сектор Тихого океана, включая участки судоходных трасс и районы промысла у восточных побережий Камчатки и Курильской гряды (зимне-весенний сезон).

Отмечается, что экипажам морских судов и персоналу судоходных компаний предложено учитывать возрастающие штормовые риски при планировании навигации в указанных районах (особенно с суровым климатом) и принимать меры по их минимизации, в том числе предусматривать альтернативные маршруты переходов.

Обращается внимание на то, что особую важность приобретает качество подготовки судовых экипажей при плавании в условиях шторма, обледенения, отказа рулевого управления, оказании помощи судам, терпящим бедствие.

Темой исследования являются все более востребованные в настоящее время для безопасной морской деятельности системы динамического позиционирования и низкоскоростного маневрирования.

Отмечается, что широкое применение системы динамического позиционирования находят не только в нефтегазовой промышленности, но также и на судах снабжения, баржах и буровых установках, океанских лайнерах и грузовых судах.

Разработка и анализ систем управления для эффективной работы системы управления судном с динамическим позиционированием требует использования его математической модели, на основе которой производится исследование синтезированных систем управления.

В статье предлагается для моделирования общая структура системы управления судна с динамическим позиционированием. Система управления представлена совокупностью объекта управления (в данном случае морского судна), задающего устройства, устройства управления (контроллера), а также информационно-измерительной системы.

В статье рассмотрена математическая модель плоскопараллельного движения судна, описывающая движение судна в трех обобщенных координатах: поступательное продольное движение, боковой снос и рыскание. В качестве примера рассмотрены два типа судов с различными движительными системами: суда, оснащенные двумя кормовыми азимутальными винторулевыми колонками и носовым туннельным подруливающим устройством, и аналогичные суда, оборудованные носовой винторулевой колонкой. Упоры, формируемые движительными устройствами судов, определяются посредством связи с обобщенными силами и моментами через матрицу тяги для соответствующей кинематической схемы.

Приведенные движительные схемы обеспечивают возможность удержания судна в режиме динамического позиционирования. Описание математических моделей представлено в виде векторно-матричных нелинейных дифференциальных уравнений. Используемый для представления математических моделей судов математический аппарат позволяет использовать модели для синтеза и моделирования систем управления.

Приведены структура программной реализации системы управления, выполненная в среде Matlab, описание разработанных модулей и результаты моделирования.

Темой работы является анализ строения грядового дна, образующегося в условиях дноуглубительных судоходных прорезей.

Отмечается, что многочисленные наблюдения за трансформацией дна прорези свидетельствуют о том, что сразу после выемки грунта на дне прорези начинают формироваться гряды, при этом высотные отметки гребней гряд превышают отметки проектного дна прорези.

Сделан вывод о том, что формирование грядового рельефа дна приводит к потере глубины судового хода. Подчеркивается, что наблюдения за структурой рельефа русел равнинных судоходных рек показывают, что донный рельеф состоит из гряд и расположенных под ними волн, высоты которых близки к высотам гряд и, таким образом, их формирование приводит к дополнительной потере гарантированной глубины в прорези.

Отмечается, что в наиболее критичном виде такие потери могут наблюдаться на участках капитального дноуглубления, когда прорезь имеет большую длину.

Целью работы является исследование структуры донного рельефа, сформированного в различных условиях в 50-метровом гидравликом лотке. Выполненный сравнительный анализ параметров гряд показал, что гряды в прорези по своей относительной высоте в 2 раза меньше гряд, наблюдавшихся на этих же участках до дноуглубления, при этом под грядами располагались волны II, а еще ниже - III уровня (высоты этих волн близки к высотам гряд).

На основе результатов выполненной работы сделан вывод о том, что при проектировании дноуглубительных работ следует учитывать, что гряды и волны руслового рельефа будут приводить к потере гарантированной глубины судового хода, однако в пределах прорези их размеры будут меньше, чем при формировании в естественных условиях.

Выполнен анализ воздействия водотоков и водоемов на берега водохранилищ и грунтовые массивы искусственных насыпных сооружений: плотин, дамб и насыпей.

Определено, что основным фактором, влияющим на состояние берегов и грунтов насыпей, является насыщение их водой и формирование в массивах грунта фильтрационных потоков, порой с достаточно значительными градиентами, а основными процессами, определяющими состояние сооружений, служат процессы разуплотнения и разжижения грунтов и их последующей консолидации.

Отмечается, что переработка берегов водохранилищ продолжается в течение 5-10 лет, стабилизация берега происходит гораздо дольше - до 30 лет, а в некоторых условиях вообще не прекращается.

Подчеркивается, что переработка берегов вызывает загрязнение воды водоемов как минеральными частицами, так и древесной массой, а характер местностей расположения водохранилищ энергетических гидроузлов и мероприятий по подготовке лож водохранилищ к затоплению обусловливает наличие значительного количества плавающей в них древесины.

Отмечается, что изменение свойств грунтов (в частности, их несущей способности) при насыщении водой приводит к непроектным осадкам сооружений, возводимым на таких грунтах. Рассмотрено несколько примеров уплотнения оснований гидротехнических сооружений методом подтопления.

Описаны лабораторные исследования деформации грунтовой насыпи при заполнении водохранилища верхнего бьефа, натурным объектом которых явилась грунтовая плотина Белопорожской МГЭС.

Обращается внимание на то, что заполнение верхнего бьефа лабораторной установки привело к деформации насыпи и ее прорыву.

В итоге осадок конструкции насыпи произошло уплотнение ее грунта и увеличение плотности засыпки с 0,801 г/см³ до 1,830 г/см³. Констатируется, что при подтоплении насыпи частицы грунта испытывают действие нескольких сил: собственного веса, сил взаимного трения, взвешивающих архимедовых сил и сил гидродинамического давления. Под действием равнодействующих этих сил происходит переукладка частиц грунта в более плотную упаковки, при которой повышается прочность грунта и его способность к восприятию нагрузок. Рекомендовано использовать метод подтопления для повышения свойств грунтов насыпей и оснований гидросооружений.

Темой обзорного исследования являются особенности выполнения проводки судна по внутренним водным путям, сопряженной со значительными сложностями, вызванными следованием судов в условиях воздействия переменных внешних факторов.

Отмечается, что в таких условиях каждый судоводитель должен иметь четкое понимание того, что происходит с судном, находящимся под его управлением не только на текущий момент времени, но и о том, что будет происходить с ним в течение некоторого упреждающего интервала времени.

Рассмотрены особенности следования судна как по отдельным участкам ВВП, являющимся затруднительными для судоходства, так и по участкам с характерными для ВВП условиями плавания, требующими при пониженном уровне воды снижения значения проходной осадки судна и минимальной скорости его движения.

Отмечается, что участки, на которых снижение уровня воды вызывает необходимость ограничения проходной осадки, следует также относить к затруднительным для судоходства.

Обращается внимание на то, что снижение уровня воды не исключает влияние неправильных течений, которые в совокупности с действием ветра приводят к возрастанию степени влияния внешних факторов на судно. Полнота оценки судоводителем текущих условий плавания, обусловленных внешними факторами, определяет навигационную безопасность проводки.

Отмечается, что одним из радикальных способов повышения навигационной безопасности плавания является применение 3D электронных навигационных карт.

Подчеркивается, что внедрение на флоте новой аппаратуры, позволяющей эффективно решать задачи безопасной проводки судна по затруднительным для судоходства участкам, требует проведения исследования методов ее применения, и при необходимости может возникнуть необходимость модифицировать их для выполнения конкретных прикладных задач судовождения.