Nowoczesne metody sterowania ruchem statku handlowego

Układy sterowania ruchem statku składają się na system nawigacji technicznej zapewniający dokładne, ekonomiczne i bezpieczne przemieszczanie się jednostki pływającej. Rozróżnia się układy, które realizują:

a) stabilizację kursu statku w ruchu prostoliniowym oraz stabilizację prędkości postępowej statku,

b) stabilizację prędkości kątowej lub promienia zwrotu przy zmianach kierunku ruchu,

c) kompensację kołysań bocznych,

d) sterowanie na trajektorii według punktów geograficznych wraz z zapobieganiem kolizjom z innymi statkami,

e) sterowanie precyzyjne z małymi prędkościami i dowolnym kątem dryfu,

f) dynamiczne utrzymywanie stałego położenia statku względem geograficznego punktu odniesienia (Dynamic Ship Positioning),

g) automatyczne cumowanie do boi lub punktu pobierania ładunku z kontrolą naprężenia lin i minimalizacją wpływu zakłóceń zewnętrznych,

h) sterowanie położeniem statku kotwiczącego typu FSO, FPSO lub FPDSO (statki używane na akwenach z podmorskimi polami naftowymi do przechowywania i/lub przetwórstwa ropy naftowej, typu FSO (Floating Storage Off-Loading) pełni rolę magazynu, FPSO (Floating Production Storage Off-Loading) także rolę wstępnej przetwórni, FPDSO (Floating Production, Driling Storage Off-Loading) dodatkowo dokonywać wierceń) w celu minimalizacji kołysań i nurzania (rys. 1).

W artykule przedstawiono wybrane systemy sterowania oraz metody weryfikacji ich poprawnego działania [1, 2].

Rys. 1. Podukłady systemu sterowania ruchem statku

Sterowanie precyzyjne ruchem statku w porcie i na podejściach do portu

Przemieszczanie statku na ograniczonym akwenie (port, reda, tor wodny, kanał itp.) znacząco odbiega od ruchu jednostek na otwartym morzu. Najważniejsze różnice można scharakteryzować przez:

• małe liniowe i kątowe prędkości przemieszczania przy możliwości wystąpienia bardzo dużych kątów dryfu,
• brak możliwości używania płetwy sterowej do zmiany kierunku ruchu,
• pogorszona dokładność niektórych urządzeń pomiarowych, na przykład logu,
• brak istotnego oddziaływania falowania na ruch statku przy wzroście znaczenia wpływu wiatru i/lub prądów morskich,
• znacząco odmienne właściwości dynamiczne statku poruszającego się z małymi prędkościami, szczególnie w niewielkiej odległości od nabrzeża i/lub przy małej głębokości akwenu.

Przykłady sterowania precyzyjnego podczas manewrów w porcie przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Przykłady sterowania precyzyjnego ruchem statku podczas manewrów w porcie

Aby statek pełnomorski był w stanie zrealizować manewry przedstawione na rys. 2, musi być wyposażony w odpowiednią liczbę pędników na dziobie i rufie jednostki. Przykładowo w powszechnie stosowanym rozwiązaniu występuje jedna śruba napędowa i ster płetwowy i wówczas na rufie musi być zainstalowany przynajmniej jeden tunelowy ster strumieniowy umożliwiający boczne przesuwanie rufy. Zamiast takiego zestawu urządzeń sterowo-napędowych jednostka może być wyposażona w pędniki gondolowe, azymutalne lub śruby nastawne w obrotowych dyszach Korta. Na dziobie najczęściej instaluje się odpowiednią liczbę – jeden, dwa lub trzy, tunelowych sterów strumieniowych.

Trudność właściwego, jednoczesnego sterowania wszystkimi pędnikami polega na tym, że:

• uruchomienie dziobowego steru tunelowego powoduje rozpoczęcie obrotu jednostki, ale również, wskutek zmiany położenia osi obrotu, przesunięcie boczne, a także niewielki ruch postępowy,
• uruchomienie pędnika obrotowego, ustawionego pod kątem do osi symetrii statku, w pewnej odległości od środka ciężkości, zmienia jednocześnie prędkość wzdłużną, poprzeczną i kątową jednostki.

Zatem, chcąc zachować wymogi ekonomiczności, bezpieczeństwa i precyzji manewrów stosuje się zamknięte układy regulacji z regulatorami wielowymiarowymi. Istnieje wiele metod takiego sterowania, które znalazły zastosowania praktyczne: sieci neuronowe, układy oparte o logikę wielowartościową, regulatory minimalizujące normy H₂ lub H_∞, czy regulatory LQR.

Bezpieczne sterowanie statkiem przy prędkościach eksploatacyjnych

Wprowadzenie radarowych systemów antykolizyjnych ARPA (Automatic Radar Plotting Aids), zapewniających automatyczne śledzenie ech, obliczanie parametrów ruchu i elementów zbliżenia do mijanych obiektów oraz wybór i symulację manewru zmiany kursu i prędkości w celu zachowania wcześniej przyjętej w danych warunkach nawigacyjnych bezpiecznej odległości zbliżenia, także nie rozwiązało do końca zadania zapewnienia bezpiecznej żeglugi. Trudności wynikają z niejednoznaczności przepisów Międzynarodowego Prawa Drogi Morskiej (MPDM) i błędów nawigatorów w ich praktycznej interpretacji.

W praktyce zdarzają się sytuacje nieprzewidywalne, których rozwiązanie wymaga wyboru najodpowiedniejszych rozwiązań w krótkim czasie. Ponad 80% wypadków spowodowane jest przez tak zwany czynnik ludzki (ang. human factor), podczas subiektywnej oceny sytuacji nawigacyjnej i podejmowania decyzji manewrowej.

Zakłada się, że około połowę tych strat można uniknąć stosując lepsze metody komputerowo wspomaganego bezpiecznego sterowania ruchem statku, wykorzystujące elementy teorii gier, optymalizacji i sztucznej inteligencji [3, 4].

W celu zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi statki zobowiązane są respektować reguły Międzynarodowego Prawa Drogi Morskiej MPDM. Jednak te reguły stosują się tylko do dwóch statków w zakresie dobrej widzialności, zaś w warunkach ograniczonej widzialności podają tylko zalecenia ogólnego charakteru i nie są w stanie uwzględnić wszystkich niezbędnych warunków rzeczywistego procesu.

Tak, więc rzeczywisty proces mijania się statków zachodzi w warunkach nieokreśloności i konfliktu przy nieścisłym współdziałaniu statków w myśl reguł MPDM. Dlatego celowe jest przedstawienie procesu oraz opracowywanie i badanie dla celów eksploatacyjnych metod bezpiecznego sterowania statkiem z zastosowaniem elementów teorii gier. Konieczność jednoczesnego uwzględnienia strategii spotkanych statków oraz ich własności dynamicznych jako obiektów sterowania przesądza o zastosowaniu do opisu procesu modelu gry różniczkowej, często nazywanej przez inżynierów grą dynamiczną (rys. 3).

Rys. 3. Układ rozgrywającego sterowania statkiem w sytuacji mijania się ze spotkanymi obiektami

Najbardziej adekwatnym modelem procesu mijania się własnego statku z j spotkanymi statkami jest model gry dynamicznej j uczestników. Właściwości procesu opisane są przezrównanie stanu. Ograniczenia stanu i sterowania wynikają z zachowania bezpiecznej odległości mijania D_b z zachowaniem prawnych reguł manewrowania MPDM.

Synteza sterowania rozgrywającego statkiem polega na minimalizacji funkcji celu danej w postaci całkowej i końcowej. Wypłata całkowa przedstawia straty drogi statku na bezpieczne wymijanie spotkanych statków, zaś wypłata końcowa określa końcowe ryzyko kolizji r_j do j obiektu i końcowe odchylenie bezpiecznej trajektorii statku d_k od zadanej.

Model podstawowy jest wykorzystywany jako laboratoryjny model symulacyjny do testowania opracowywanych algorytmów sterowania statkiem.

Dla celów praktycznej syntezy algorytmów sterowania wykorzystuje się modele przybliżone, z których wyróżnia się następujące rodzaje:

• model niekooperacyjnej gry pozycyjnej (grapoz_nk),
• model niekooperacyjnej gry macierzowej (gramac_nk),
• model kooperacyjnej gry pozycyjnej (grapoz_k),
• model kooperacyjnej gry macierzowej(gramac_k),
• model optymalny dynamiczny z neuronowymi ograniczeniami stanu (optdyn),
• model optymalny kinematyczny (optkin).

W sytuacji j = 19 spotkanych statków, zobrazowanej na rys. 4, przedstawiono na rys. 5 porównanie bezpiecznych trajektorii statku wyznaczonych przez algorytmy sterowania oparte na wymienionych wyżej modelach.

Rys. 4. Wektory prędkości własnego i 19 spotkanych statków w sytuacji nawigacyjnej na Morzu Północnym

Rys. 5. Porównanie bezpiecznych trajektorii statku dla D_b = 2 Mm

Metody weryfikacji systemów sterowania statkiem

Systemy precyzyjnego sterowania statkiem oraz metody określania trasy przejścia, a także manewrów antykolizyjnych, do sprawdzenia swojej poprawności wymagają użycia odpowiednich narzędzi. Jedną z metod jaka jest wykorzystywana do weryfikacji opracowanych algorytmów sterowania i systemów, jest metoda modelowa z wykorzystaniem matematycznych modeli fizycznych tworzonych na potrzeby specjalistycznego oprogramowania. Opcjonalnie można stosować weryfikację algorytmów i systemów na drodze badań prowadzonych z wykorzystaniem jednostek pełnowymiarowych lub modeli fizycznych.

Najczęściej ze względów ekonomicznych, do badań wykorzystuje się metody z zastosowaniem modeli matematycznych na drodze symulacji komputerowych. W tej grupie metod badawczych można wyróżnić kilka sposobów prowadzenia badań w których wykorzystuje się specjalistyczne symulatory nawigacyjne opracowane przez znanych producentów sprzętu elektronawigacyjnego (Kongsberg Maritime, Raytheon Anschütz GmbH, Transas Navi-Trainer Professional 5000), środowiska obliczeniowe takie jak Matlab lub nowatorskie programy zaprojektowane z użyciem języków programowania takich jak C, C++, C#, Java, Visual Basic, Perl, PHP i wiele innych (rys. 6, 7).

Rys. 6. Pełnowymiarowy symulator nawigacyjny firmy Transas Navi-Trainer Professional 5000 [5]

Rys. 7. Widok okna radarowego symulatora nawigacyjnego autonomicznego systemu sterowania statkiem [5]

Użycie metod matematycznych osadzonych w różnego rodzaju symulatorach i programach, nie gwarantuje pełnej funkcjonalności danego systemu antykolizyjnego czy też układu precyzyjnego sterowania statkiem. Głównym elementem powodującym trudności w procesie weryfikacji jest uwzględnienie rzeczywistej dynamiki obiektu i zakłóceń hydrometeorologicznych oddziałujących na jego kadłub (prądy morskie, falowanie, wiatr, pływy). Innym aspektem wpływającym negatywnie na proces weryfikacji danego systemu lub układu sterowania na drodze symulacji komputerowych z zastosowaniem modeli matematycznych jest konieczność uwzględnienia opóźnień i zakłóceń sygnałów jakie występują podczas pracy z rzeczywistymi urządzeniami elektronawigacyjnymi.

Z tego względu do weryfikacji układów i systemów sterownia wykorzystuje się modele fizyczne oferujące szerszą paletę parametrów z uwzględnieniem różnych aspektów badawczych (rys. 8). Niewątpliwą wadą procesu weryfikacji danego systemu sterownia z użyciem modeli fizycznych są wyższe koszty prowadzenia badań w stosunku do metod symulacji komputerowych.

Rys. 8. Zdjęcie przykładowego fizycznego modelu statku wykorzystywanego do weryfikacji systemu doradczego dla nawigatorów

Mając na uwadze, iż od prawidłowego funkcjonowania systemu antykolizyjnego lub układu precyzyjnego sterowania statkiem może w przyszłości zależeć życie i zdrowie ludzkie, do weryfikacji systemów antykolizyjnych powinno używać się modeli fizycznych chociażby w ich uproszczonej wersji i dużej skali odwzorowania. Badania z użyciem modeli fizycznych lub pełnowymiarowych jednostek badawczych maja bezpośredni wpływ na wzrost poziomu bezpieczeństwa na morzu.

Literatura:

[1] Grimble M.J.: Industrial Control Systems Design. Wiley&Sons, Chichester, 2001.

[2] Skogestad S., Postlethwaite I.: Multivariable Feedback Control. Wiley&Sons, Chichester, 2003.

[3] Baba, N., Jain, L.C.: Computational intelligence in games. Physica-Verlag, New York, 2001.

[4] Nisan, N., Roughgarden, T., Tardos, E., Vaziriani, V.V.: Algorithmic game theory. Cambridge University Press, New York, 2007.

[5] http://www.worldmaritimenews.com (05.2014).