Статья: Разработка основных требований к системам функционирования буксира-автомата для проводки морского автономного надводного судна (2025)

Исследование посвящено одному из аспектов проектирования автоматизированных систем управления объектами водного транспорта, такими как контейнерные терминалы, порты, судоремонтные предприятия, судоходные компании, шлюзованные судоходные каналы на регулируемых внутренних водных путях. Рассмотрена проблема создания методики проектной количественной оценки структурной сложности разрабатываемого программного обеспечения, поскольку указанная сложность является существенным фактором для оценки его надежности, а повышение сложности неизбежно приводит к возникновению различного рода уязвимостей в программном коде. Определена совокупность факторов, от которых зависит структурная сложность. Введена совокупность терминов для обозначения этих факторов при использовании модульного принципа разработки: «спектр модуля по вызовам», «спектр модуля по альтернативам», «глубина модуля», «цикличность модуля», «взвешенная глубина модуля», «взвешенная цикличность модуля». Обоснована целесообразность перехода к соответствующим безразмерным показателям. В развитие сформулированного ранее мультипликативного способа агрегирования общесистемного интегрального показателя из набора частных показателей приведена итоговая формула показателя проектной структурной сложности программного обеспечения автоматизированной системы управления и предложен способ его включения в проектную оценку общей надежности контура управления. Введена метрика для векторной оценки различия структурной сложности альтернативных программных продуктов.

Целью работы является реализация интеллектуальных алгоритмов синтеза систем управления электроприводами систем энергоснабжения на объектах водного транспорта с использованием искусственных нейронных сетей. Использование подобных интеллектуальных алгоритмов позволит на практике осуществлять цифровую трансформацию аппаратных узлов регуляторов (контроллеров) в системах управления различными объектами, в том числе электроприводами, в математические алгоритмы, базирующиеся на нейросетевых контроллерах. Такие контроллеры, например, с использованием эталонной модели, являются более предпочтительными при управлении нелинейными объектами, поскольку нейросети, на которых они базируются, нелинейны. В связи с этим существенно расширена область их применения в дальнейшем развитии методов компьютерного мониторинга и параметрической идентификации моделей судовых и береговых объектов управления энергоснабжением, а также анализа и прогнозирования показателей энергоэффективности их режимов работы. Рассмотрена процедура синтеза нейросетевого регулятора, построенного на основе эталонной модели, для стабилизации угловой скорости вращения двигателя постоянного тока с целью компенсации колебаний, возникающих в контуре управления приводом. С использованием PID-тюнера определены параметры PID-регулятора, существенно влияющие на качество управления и позволившие ему в составе с типовым астатическим звеном первого порядка выполнять функции эталонного регулятора для обучения нейросетевого регулятора. Показано, что выбранные параметры нейронной модели объекта управления и нейросетевого эталонного регулятора позволили существенно улучшить показатели качества переходного процесса и устранить колебания в приводе управления двигателя постоянного тока. Приведены показатели и характеристики качества обучения нейросетевого регулятора и нейронной модели объекта при выбранных параметрах обучения. Предложен алгоритм обучения нейронной модели управляемого объекта и нейросетевого регулятора модели, базирующийся на динамическом характере обратного распространения ошибки отклонений значений выходных сигналов от эталонных в многослойной нейронной сети с целью ее коррекции за счет введения поправок в значения весовых коэффициентов синаптических связей. Алгоритм может быть применим в системах управления электроприводами безэкипажных объектов, как летательных, так водного и наземного базирования, на внутреннем водном транспорте.

Представлены результаты расчета относительных характеристик распыливания дизельного дистиллятного и маловязкого судового топлива. Анализ показал, что по сравнению с дизельным топливом распыливание маловязкого судового топлива отличается более высокой степенью неоднородности и увеличенным размером капель. Это затягивает процесс сгорания и смещает процесс тепловыделения на линию расширения. В результате при переводе дизеля на судовое маловязкое топливо повышаются его удельный расход, температура отработавших газов и вредные выбросы. Для улучшения эксплуатационных свойств низкокачественных видов топлива разработан и осуществлен способ его предварительной обработки высоковольтным электрическим зарядом. Приведены результаты пробных испытаний дизеля на модифицированном топливе. На основе проведенных вычислений и изучения параметров распыления удалось установить факторы, приводящие к снижению эффективности работы судовых дизелей при использовании тяжелых видов топлива. В результате предложена методика повышения энергетической эффективности и снижения негативного воздействия на окружающую среду судовых дизельных установок, эксплуатируемых на дешевом топливе низкого качества. Данная методика представляет собой экономически целесообразное и экологически эффективное решение для повышения эксплуатационных характеристик судовых дизельных установок, работающих на тяжелых видах топлива низкого качества, и может быть рекомендована для широкого применения в судоходной отрасли.

Рассмотрены проблемы, связанные с взаимными перетеканиями электрической энергии между несколькими дизель-генераторов переменного тока при их параллельной работе. Отмечается, что амплитуда электроэнергии в ряде случаев приводит к аварийным ситуациям, снижает эффективность эксплуатации агрегатов и их надежность. Колебания режимных параметров вызывают пульсацию напряжения, снижают коэффициент полезного действия агрегатов, ограничивают использование полной мощности, оказывают отрицательное психофизиологическое воздействие на персонал, приводят к повышенному износу агрегатов. Понимание сути происходящих процессов и физической природы обменных колебаний позволяют принимать соответствующие технические решения, выполнять опытно-конструкторские разработки и обеспечивать безопасность эксплуатации дизель-электрических агрегатов при их параллельной работе. Из представленной математической модели двух параллельно работающих дизель-генераторов следует, что обменные колебания, узел которых находится посредине условного податливого вала в виде электрической связи, соединяющей ДГ, имеют одноузловую форму. Обращается внимание на то, что при значительном размахе амплитуды колебаний их частота на различных режимах нагрузки близка к частоте возмущающих сил, вызванных рабочими процессами в дизеле. Отмечается, что в упрощенной крутильной системе для параллельной работы группы ДГ на мощную электрическую сеть следует рассматривать каждый агрегат в качестве одномассовой крутильной системы. Сделан вывод о том, что собственная частота одноузловой формы колебаний имеет один узел в зоне условной электрической связи между генераторами. Рассмотрены резонансные колебания в системе, возникающие из-за неустойчивости рабочего процесса вследствие нестабильной работы топливной аппаратуры от цикла к циклу, которые приводят к повышенному перетеканию электрической энергии между параллельно работающими дизель-генераторами. Это явление сопровождается, как правило, снижением эффективности установки в целом.

Выполнен анализ конструктивных и гидростатических характеристик контейнеровозов в контексте их изменения на продольном волнении. Отмечается, что конструктивные и гидростатические характеристики контейнеровозов имеют свою специфику, обусловленную, в частности, экономической оптимизацией перевозки контейнеров, и оказывают непосредственное влияние на поведение судна на волнении. Отмечается, что эти особенности должны учитываться судоводителями при расчетах и контроле остойчивости в процессе выполнения рейса. Подчеркивается, что гидростатические характеристики судна на волнении постоянно изменяются, а их учет представляет собой сложную задачу. Решения этой задачи, пригодного для практического применения, в настоящее время нет. Прохождение волны вдоль корпуса судна предполагает, что различные его части в разное время будут иметь разную осадку. Исходя из этого в настоящей работе исследуется изменение и зависимость характеристик судна для разных осадок. В качестве важнейших параметров рассмотрена площадь ватерлинии и коэффициенты ее полноты. Для их расчета на волнении предложена методика, которая заключается в разбиении ватерлинии на секции и определении площади каждой из них с учетом ее коэффициента полноты, зависящего от осадки. Расчеты, выполненные с использованием характеристик действующих контейнеровозов разного тоннажа, показали зависимости и соотношения между такими конструктивными и гидростатическими характеристиками контейнеровозов, как обводы корпуса, соотношения линейных характеристик, осадка, коэффициент общей полноты и коэффициент полноты площади ватерлинии. Отмечается, что дальнейшие исследования на основе полученных в настоящей работе результатов, могут могут служить основой разработки методики учета параметров контейнеровоза на волнении, пригодной для применения судоводителями на практике, что, безусловно, будет способствовать повышению безопасности эксплуатации судов-контейнеровозов.

В работе исследованы изменения сопротивления воды движению скоростного пассажирского катамарана, возникающие вследствие изменения дифферента и осадки. Отмечается, что дифферент может варьироваться в небольших пределах как при проектировании с помощью изменения расположения масс по длине, так и при эксплуатации вследствие приема балласта или перемещения пассажиров; осадка также может измениться в процессе проектирования вследствие изменения условий поставки или неточностей определения масс при модернизации проекта, например, для эксплуатации в другом районе. С помощью изменения дифферента можно обеспечить судну лучшие мореходные и эксплуатационные качества. Подчеркивается, что одним из путей улучшения таких качеств может служить снижение сопротивления воды движению судна, поскольку при этом может уменьшиться нагрузка на главные двигатели, снизиться расход топлива, а достижимая скорость увеличится. В работе приведены результаты исследования влияния параметров посадки судна на коэффициент остаточного сопротивления. Испытания проводились в опытовом бассейне Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. Приведены экспериментально полученные кривые коэффициентов остаточного сопротивления для четырех заданных значений статического дифферента. При этом водоизмещение сохранялось постоянным и соответствующим полной загрузке судна, менялась абсцисса центра тяжести модели с помощью перенесения балласта. Исследования выполнялись для случая посадки с максимальным эксплуатационным дифферентом на корму (угол статического дифферента –0,7°, угол ходового дифферента на максимальной скорости около –2°) для случая, при котором ходовой дифферент был близок к нулю (угол статического дифферента 1,4°), а также для двух промежуточных вариантов. Испытания проводились в условиях тихой глубокой воды для чисел Фруда от 0,41 до 0,82, что соответствует скорости натурного судна от 14 до 28 уз. Показано, что влияние дифферента на сопротивление зависит от скорости движения — при значении числа Фруда 0,40–0,55 (скорость натурного судна 14–19 уз) дифферент на корму увеличивает сопротивление. При более высокой скорости с увеличением дифферента значение коэффициента остаточного сопротивления снижается, при этом с увеличением скорости положительное влияние дифферента увеличивается. Выполнена оценка влияния увеличения осадки на величину остаточного сопротивления при неизменном дифференте. На малых скоростях с увеличением осадки увеличивается коэффициент остаточного сопротивления. Таким образом, сделан вывод о том, что дифферент на корму позволяет снизить величину буксировочного сопротивления при движении с большими скоростями в условиях тихой глубокой воды.

Темой работы является исследование вопросов длительности безаварийной эксплуатации танкеров типа «Волгонефть» проекта № 1577 при условии качественного ремонта и модернизации. Актуальность работы обусловлена произошедшей 15 декабря 2024 г. аварией в Керченском проливе, где два судна проекта («Волгонефть-212» и «Волгонефть-239») потерпели крушение, вызвав экологическую катастрофу из-за выброса мазута. Рассмотрены возможные причины аварии, включая несоблюдение требований Российского классификационного общества, перегруз, отсутствие качественного ремонт корпусов. Выполнен анализ гипотезы о том, что надежность эксплуатации судов определяется не их возрастом, а техническим состоянием, которое в свою очередь обеспечивается судовладельцем через регулярные освидетельствования в совокупности с качественным ремонтом корпуса. Представлены результаты прочностных расчетов корпусов танкеров, выполненных в 2019–2024 гг., и данные о модернизации, включающей замену конструкций на сталь повышенной прочности (РС D32 с пределом текучести 315 МПа), подъем второго дна и перенос переборок в грузовой зоне в соответствии с требованиями МАКО. Рассмотрены особенности конструкции судов, их классификационные ограничения и влияние остаточных деформаций, таких как общий остаточный перегиб, на вероятность перелома корпуса. Особое внимание уделено опасным сечениям в районе грузовых танков, где произошли переломы у потерпевших крушение судов. Для повышения надежности предлагается усиление корпусов путем установки полос подкрепления на наиболее ослабленные связи (настил палубы или обшивку днища), что является экономически эффективным решением. Сделан вывод о том, что при соблюдении требований Российского классификационного общества в части регулярного контроля технического состояния и индивидуального подхода к ремонту танкеры «Волгонефть» могут продолжать безопасную и эффективную эксплуатацию несмотря на возраст, составляющий в среднем 48 лет в 2025 г. Результаты расчетов показывают, что модернизированные танкеры обладают достаточным запасом прочности для безопасной эксплуатации в рамках классов РКО («ХМ-ПР 2,5» или «ХМ–СП 3,5»).

Темой работы является исследование в качестве важной составляющей концепции умного порта путем поэтапного внедрения различных взаимосвязанных систем для развития автономного судоходства. В качестве такой составляющей может быть использована система обеспечения автономной проводки и швартовки судов в морском порту, задачами которой является дистанционное управление буксирамиавтоматами для проводки грузового судна, а также контроль автономномной работы буксиров-автоматов. Отмечается, что функционирование подобных систем недопустимо без контроля со стороны обученного персонала. Такой персонал должен обеспечивать и контролировать безопасность проводки и выполнения операций сопровождения морских и речных судов, мониторинг, контроль и управление буксирами-автоматами в различных режимах работы, их техническую эксплуатацию и ремонт, а также другого оборудования системы обеспечения автономной проводки и швартовки, выполнение требований эксплуатационных процедур центра дистанционного управления, обмен информацией с другими службами. Сделан вывод о необходимости разработки, систематизации и последующего нормативно-правового закрепления требований к процессу и результату профессионального обучения внешнего-капитана буксира-автомата, специалиста по эксплуатации буксира-автомата, администратора центра дистанционного управления, инженера-системотехника центра дистанционного управления, лоцмана, сервисного инженера пункта базирования буксиров-автоматов, сервисного инженера систем обеспечения пункта технического обслуживания буксиров-автоматов. Результаты, полученные в настоящей работе, могут быть использованы в качестве основы для дальнейших научных исследований, а также для разработки требований к профессиональной подготовке, квалификации и опыту персонала системы обеспечения автономной проводки и швартовки судов.

Темой работы является качественное исследование навигационных изоповерхностей с целью установления практичности полиномиальной аппроксимация для класса дифференцируемых функций с минимизированной «гладкостью». При решении задач восстановления скалярного поля навигационных параметров представляется, безусловно, важным формирование изначального правильного суждения об изогеометрической близости приближаемой и приближающих функций при условии предоставления конкретных сведений о дифференциальных свойствах синтезируемой навигационной изоповерхности. Предполагается, что структура графической модели объекта исследования и характеристики теории приближения функций должны быть согласованы между собой при формировании единого информационного подхода. В качестве конкретного показательного примера выполнено исследование дифференциальных свойств формализованного представления астронавигационной изоповерхности с геометрической интерпретацией в виде компьютерных скриншотов как результат работы составленного программного модуля. Выдвигается предположение о реалистичной возможности выбора оптимальной аппроксимативной навигационной функции на основе визуализации «гладкости» навигационной функции любой размерности в соответствии с гипотезой Шёнберга о взаимосвязи минимума кривизны с максимумом плавности алгебраической линии. Определен поиск решения неформализуемой в строгом математическом соответствии задачи графической трансформации точек разрыва абстрактной изолинии как частного случая навигационной изоповерхности. Предлагается использование разработанной методики в качестве эффективной проверки достоверности больших геопространственных данных. Акцентируется перспективная важность надлежащей математической обработки морских пространственных данных географических информационных систем в качестве приоритета предоставления потребителям обоснованной информации для практических целей. Актуальность необходимости проведения качественного исследования навигационных изоповерхностей с целью их последующей успешной аппроксимации с единых позиций теории сплайн-функций согласуется с прогнозированием появления сложных гипотетических изолиний, которые в перспективе предполагается изучать в процессе эволюции технических средств судовождения.

Темой исследования является оценка эффективности включения в технологические цепочки обработки большегрузных контейнеров специализированного перегрузочного оборудования для обработки подвижного состава железнодорожного транспорта в тыловой зоне морского терминала и в ходе погрузки судна насыпными грузами. Отмечается, что постановка задачи требует сравнительной оценки эксплуатационных характеристик и предварительных расчетов производительности погрузочно-разгрузочных машин на грузовом фронте их использования. Технологический процесс по обработке удобрений в большегрузных контейнерах предложено рассматривать как две отличающиеся по ритму работ подсистемы, обеспечивающие передачу груза между железной дорогой и складом накопления и подачу груза на погрузку внутритерминальным транспортом. В целях выработки предложений по поиску оптимального применения на фронтах работ выбранного типа перегрузочного оборудования может быть произведен сравнительный анализа «узких мест» терминала, обозначенных в представленной математической модели. Подчеркивается, что приведенная технология обработки насыпных грузов на морском контейнерном терминале отличается от традиционной схемы обработки большегрузных контейнеров тем, что контейнер применяется на этапе доставки удобрений только до борта судна — после высыпания груза он подлежит транспортировке через склад терминала до пункта затарки на завод-производитель. Поскольку выделенные в ходе исследования две подсистемы обработки на морском терминале удобрений в насыпных контейнерах требуют создания разного количества каналов обслуживания грузопотоков, в данном случае имеет место классический пример решения задачи многоканальной системы массового обслуживания с ожиданием с целью расчета количества мест выгрузки, погрузки и перегрузки на каждом выявленном фронте работ. В работе сделан вывод о том, что достоверность оценки возможностей перегрузочного оборудования терминала позволит организовать систему массового обслуживания без ожидания обслуживания в очереди, т. е. с заданной интенсивностью.

Предложен метод определения долготы места судна по рельефу дна с использованием нейронной сети, в качестве входного сигнала которой выступает вектор, содержащий значения глубины, измеренные с определенным пространственным шагом при помощи эхолота. Выходом сети служит значение долготы, соответствующее месту последнего измерения глубины. Сеть имеет несколько скрытых слоев, количество которых варьируется от одного до десяти. Скрытые нейроны обладают функциями активации в виде гиперболического тангенса. Единственный нейрон выходного слоя имеет линейную функцию активации. Определены алгоритмы формирования набора учебных данных, настройки и тестирования нейронной сети, формирующие технологию создания нейросетевой системы прогноза долготы места судна по глубинам и реализованные на языке программирования Python. Для работы с нейронными сетями используется библиотека TensorFlow. В качестве источника данных о глубинах выбирается официальная электронная навигационная карта. На основе извлеченного из нее слоя глубин формируется регулярная сетка, значения в узлах которой определяются линейной интерполяцией. Процедура формирования набора учебных и тестовых данных предполагает псевдослучайные изменения уровня моря, которые могут быть вызваны как реальными колебаниями, так и погрешностями измерений. На тестовой выборке сеть показывает приемлемую для навигации точность, причем результаты зависят от количества скрытых слоев. Лучшая точность в виде наибольшего значения модуля ошибки прогноза долготы достигается для сети с наибольшим количеством скрытых слоев. Отмечается также необходимость тестирования разработанной нейросетевой системы на основе моделирования движения судна.

В работе продолжены поисковые изыскания в части совершенствования методов использования изолиний основных навигационных параметров традиционных для практического судовождения в условиях плавания вблизи берегов. Ранее предложенная идея комбинаций изолиний для одной пары навигационных ориентиров по измеренным пеленгам и дистанциям получила развитие на основе анализа нескольких пар ориентиров. В качестве базового варианта рассматривается сопровождение четырех ориентиров. В предположении общего случая наличия случайных и систематических погрешностей в измерениях вначале компенсируются возможные систематические погрешности переходом к разностным изолиниям, которые затем представляются в общем виде и производится их редуцирование. Далее для совместного решения избыточных уравнений линий положения методом наименьших квадратов они приводятся к нормальному виду, т. е. используются единые размерности.

Точность получаемых обсервованных координат для сравнения различных вариантов решения оценивается радиальной погрешностью. Показано, что в разностных линиях положения систематическая погрешность компенсируется, но редуцирование позволяет компенсировать их остаточное влияние, вызванное вычислениями. Важнейшие положения проведенного исследования визуализированы, а приводимые выражения доведены до формы практического применения в программном обеспечении современных систем навигации. Компьютерное моделирование показало, что радиальная погрешность координат обсервованного местоположения судна по 26 редуцированным линиям положения комбинаций пеленгов и дистанций четырех ориентиров практически в два раза меньше регламентированной для ГНСС. Формализация предлагаемых методов в современных навигационных комплексах и системах управления автономными судами позволит судоводителю решать задачи обработки навигационной информации в прибрежных районах плавания на качественно новом уровне.