• Nie Znaleziono Wyników

Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - An Optimal Solution to the...

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - An Optimal Solution to the..."

Copied!
19
0
0

Pełen tekst

(1)

I N Ż Y N I E R I A R U C H U M O R S K I E G O 2 00 5

ZESZYTY NAUKOWE NR 6(78)

AKADEMII MORSKIEJ

W SZCZECINIE

Stanisław Gucma

Optymalne rozwiązanie pilotowego systemu nawigacyjnego

Przedstawiono wyniki badań prowadzonych w Instytucie Inżynierii Ruchu Morskiego Akademii Morskiej w Szczecinie dotyczących rozwiązania optymalnego pilotowego systemu nawigacyjnego (PNS). Podano założenia budowy optymalnego PNS, realizowane problemy badawcze oraz metody ich rozwiązań. Określono op-tymalne parametry prototypów pilotowych systemów nawigacyjnych (stacjonarne-go i przenośne(stacjonarne-go).

An Optimal Solution to the Pilot Navigation System

This paper describes research, done at the Marine Traffic Engineering, Szcze-cin Maritime University, on optimal solutions to the Pilot Navigation System Pre-sented are guidelines for the construction of an optimal PNS, research problems being solved and methods of finding solutions. Optimal parameters of prototype pilot navigation systems (both stationary and portable) have been defined.

(2)

Wprowadzenie

Obecnie na świecie produkowanych jest kilka rozwiązań pilotowych syste-mów nawigacyjnych. Najbardziej znanymi systemami tego typu są:

1. E-Sea Fix firmy Marimatech.

2. DGPS Tanker Berthing Aid firmy Osprey. 3. Pilot Info 5 firmy Dolphin Maritime Software.

Systemy te zbudowane są na podstawie ECS (systemy map elektronicz-nych) lub ECDIS (systemy zobrazowania map elektronicznych i informacji na-wigacyjnej), który jest szczegółowym rozwiązaniem systemu ECS. Charaktery-zują się one tym, że statek zobrazowany jest na mapie elektronicznej w postaci obrysu nazywanego „umowną wodnicą”. Dokładność PNS zależy od zastosowa-nego systemu pozycjonowania i waha się od 1 m, gdy stosuje się system RTK, kilku metrów gdy stosuje się system DGPS i 15 – 20 m stosując system GPS.

Podstawowymi wadami współcześnie produkowanych PNS są:

 prezentowana informacja nie jest informacją optymalną, co powoduje niepełne jej wykorzystanie oraz trudności związane z jej przyswojeniem przez pilota;

 brak specjalnych zobrazowań przydatnych w nawigacji pilotażowej ta-kich jak: względem brzegu, względem osi toru itp.;

 brak optymalnego interfejsu użytkownika;

 brak systemu predykcji manewru.

Wady te wynikają z tego, że systemy te były jedynie modernizacją syste-mów pracujących na akwenach nieograniczonych (ECS lub ECDIS) dla potrzeb pilotażu i nie zostały opracowane metodami naukowymi.

Zespół naukowców Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Szcze-cinie podjął się opracowania optymalnego rozwiązania pilotowego systemu na-wigacyjnego, wykorzystując naukowe metody budowy systemów nawigacyj-nych. W wyniku przeprowadzonych badań powstały dwa prototypy PNS:

 stacjonarny przeznaczony na promy morskie,

 przenośny przeznaczony do pilotażu,

a niniejszy artykuł opisuje przebieg badań, zastosowane metody oraz uzyskane wyniki.

Obecnie prototypy te przechodzą badania eksperymentalne i przygotowy-wane są do uruchomienia produkcji. W skład tych systemów wchodzą następu-jące elementy:

 podsystem map elektronicznych,

 podsystem pozycjonowania,

(3)

1. Założenia budowy pilotowego systemu nawigacyjnego

Pilotowy system nawigacyjny przeznaczony jest do prowadzenia nawigacji na akwenach ograniczonych (nawigacji pilotażowej).

Nawigacja pilotażowa polega na wykonaniu trzech następujących zadań, które musi realizować PNS:

1. Zaplanowanie bezpiecznego manewru.

2. Określenie położenia statku na danym akwenie z określoną dokładnością. 3. Sterowanie ruchem statku umożliwiającego bezpieczne wykonanie

pla-nowanego manewru.

Zadanie 1, czyli zaplanowanie manewru spełniającego warunki (kryteria)

bezpieczeństwa nawigacji na akwenach ograniczonych. Ogólny warunek bez-pieczeństwa nawigacji na tych akwenach można zapisać następująco:

dijk(1-)  D(t)

h(x, y, t) T(x, y, t) + (x, y, t) (1.1) gdzie:

D(t) – dostępny akwen żeglugowy (spełniający warunek dostępnej

głębokości w momencie t),

dijk(1-) – bezpieczny akwen manewrowy (pasa ruchu) i-tego statku, wy-konującego j-ty manewr w k-tych warunkach nawigacyjnych określony na poziomie ufności 1-,

h(x, y, t) – głębokość akwenu w punkcie o współrzędnych (x, y) w mo-mencie t,

T(x, y, t) – zanurzenie statku w punkcie akwenu o współrzędnych (x, y) w momencie t,

∆(x, y, t) – rezerwa wody pod stępką w punkcie akwenu o współrzędnych (x, y) w momencie t.

Oznacza to, że aby spełnić bezpieczny warunek nawigacji szerokość pasa ruchu (bezpieczny akwen manewrowy) musi zawierać się w dostępnym akwenie żeglugowym spełniającym warunek bezpiecznej głębokości.

Zadanie to sprowadza się do:

 ustalenia bezpiecznej prędkości statku,

 ustalenia bezpiecznej rezerwy wody pod stępką,

 zaplanowania taktyki poszczególnych manewrów na akwenie ograni-czonym.

Rola PNS w realizacji tego zadania sprowadza się do:

 automatycznego określenia bezpiecznej rezerwy wody pod stępką w funk-cji aktualnej prędkości statku;

(4)

 prezentacji bezpiecznych izobat na wskaźniku PNS, włącznie z wszyst-kimi niebezpieczeństwami nawigacyjnymi;

 wykorzystanie systemu predykcji manewru (część składowa PNS) do określania przyszłej trajektorii ruchu statku. Są to kolejne położenia umownej wodnicy statku w określonym czasie przy założeniu, że nie na-stąpi w nim zmiana nastaw maszyn i sterów.

Zadanie 2, czyli ustalenie położenia statku sprowadza się do określenia

po-łożenia jego umownej wodnicy w stosunku do bezpiecznej izobaty lub linii brzegowej, czy też osi toru wodnego. Położenie wodnicy statku w stosunku do bezpiecznej izobaty określane jest w procesie myślowym nawigatora w następu-jących etapach:

– osiągnięcie dobrej znajomości lokalnych warunków nawigacyjnych, w tym treści mapy nawigacyjnej akwenu, na którym odbywa się żegluga; – określenie pozycji statku utożsamianej z pozycją punktu obserwacji; – określenie położenia umownej wodnicy statku w stosunku do

bezpiecz-nej izobaty, po uwzględnieniu parametrów statku i jego kursu. Rola PNS w realizacji zadania 2 sprowadza się do:

 prezentacji na wskaźniku PNS niezbędnych informacji w postaci mapy elektronicznej specjalnego standardu przystosowanego do nawigacji pi-lotażowej. Prezentowana jest na niej przetworzona informacja nawiga-cyjna w takiej postaci, która zapewnia bezpieczną nawigację na akwe-nach ograniczonych. Nie ma tam nadmiaru informacji, która jest niewy-korzystywana a jedynie „zaciemnia” obraz i rozprasza pilota lub kapina w konsekwencji prowadząc do tego, że przestaje on korzystać z ta-kiego systemu. System PNS wykorzystuje precyzyjną bazę danych ba-tymetrycznych (aktualne sondaże akwenu ograniczonego – często zmie-niające się) informacja ta jest przetwarzana i zobrazowana w postaci bezpiecznych izobat;

 prezentacji z wymaganą dokładnością na tle mapy elektronicznej na wskaźniku PNS położenia „umownej wodnicy” statku w skali mapy;

 prezentacji graficznej i alfanumerycznej parametrów ruchu statku, kursu, prędkości w osi x i y oraz prędkości obrotowej;

 możliwości określenia odległości dziobu lub rufy do wybranych punk-tów takich jak: bezpieczna izobata, oś toru wodnego, elementy brzegu.

Zadanie 3, czyli sterowanie ruchem statku umożliwiające bezpieczne

wy-konanie planowanego manewru polega na podjęciu decyzji dotyczącej nastaw: steru, maszyn, sterów strumieniowych i holowników. Decyzja dotycząca tych nastaw podejmowana jest przez nawigatora w następujących etapach:

– ustalenie bieżącego położenia umownej wodnicy na akwenie manewro-wym i parametrów ruchu statku;

(5)

– określenie planowanego położenia wodnicy statku na akwenie manew-rowym i parametrów jego ruchu;

– określenie parametrów wykonywanego manewru z uwzględnieniem pa-nujących warunków nawigacyjnych (warunki hydrometeorologiczne i batymetryczne);

– wypracowanie decyzji co do zmiany nastaw steru, maszyn, sterów stru-mieniowych i holowników.

Rola PNS w realizacji zadania 3 sprowadza się do:

 prezentacji położenia umownej wodnicy statku na akwenie manewro-wym (mapa elektroniczna) i określenie z manewro-wymaganą dokładnością para-metrów ruchu statku;

 określenie trajektorii ruchu (umownej wodnicy) w zadanym czasie z uwzględnieniem parametrów wiatru i prądu. Służy do tego system

pre-dykcji manewru PNS.

Wielkość systemu wspomagania pilotażu statków warunkują następujące ograniczenia:

1. Koszt systemu jest wprost proporcjonalny do ilości uzyskiwanych in-formacji dotyczących dokładności pozycji wodnicy statku na akwenie i jej trajektorii ruchu.

2. Możliwość przyswajania i przetwarzania informacji przez kapitana (pi-lota) wykonującego swoje bieżące zadania związane z prowadzeniem statku jest ograniczona.

3. System umożliwia bezpieczne wykonanie określonego manewru w okre-ślonych warunkach nawigacyjnych.

4. System powinien być projektowany dla takiego z rozpatrywanych stat-ków oraz dla takich warunstat-ków nawigacyjnych, dla których manewro-wanie wymaga maksymalnej ilości informacji.

Analiza zadań stawianych przed pilotowym systemem nawigacyjnym jed-noznacznie określa jego konfigurację, wymagania stawiane poszczególnym pod-systemom oraz realizowane przez nie funkcje. Poglądowy schemat budowy pilo-towego systemu nawigacyjnego przedstawia rys. 1.

Budowa poszczególnych podsystemów PNS, ich parametry oraz realizowa-ne funkcje zależą od wersji jego wykonania, a istnieją dwie wersje pilotowego systemu nawigacyjnego:

 system stacjonarny,

 system przenośny.

Biorąc pod uwagę zadania stawiane przed systemem PNS oraz doświadcze-nia dotyczące pilotażu i eksploatacji podobnych systemów w Polsce i na świe-cie, założenia budowy pilotowego systemu nawigacyjnego można przedstawić następująco:

(6)

1. System jest budowany specjalnie do prowadzenia nawigacji na akwenach ograniczonych (nawigacji pilotażowej). System posiada takie cechy jak:

 integracja z akwenem,

 integracja ze statkiem,

 optymalna informacja,

 optymalny interfejs użytkownika,

 predykcja i wspomaganie manewrowania. 2. System zbudowany jest w dwóch wersjach:

 przenośny dla pilotów (małe rozmiary, autonomiczne zasilanie),

 stacjonarny, przeznaczony na promy oraz statki stale poruszające się na określonych akwenach ograniczonych.

3. System, oprócz zobrazowań standardowych, posiada specjalne zobrazo-wania przeznaczone do wykonania określonych manewrów na akwenach ograniczonych, takie jak:

 zobrazowanie brzegowe dla manewru cumowania,

 zobrazowanie torowe dla manewrów przejścia torem wodnym. 4. Informacja prezentowana na wskaźnikach jest informacją optymalną,

określona na podstawie:

 badań ekspertowych pilotów i kapitanów promów,

 badań symulacyjnych prowadzonych z pilotami i kapitanami pro-mów,

 badań rzeczywistych prowadzonych na promach morskich i statkach nawigujących na akwenach ograniczonych.

Rys. 1. Ogólny schemat budowy pilotowego systemu nawigacyjnego

Informacje niezbędne do bezpiecznego wykonania planowanego manewru można podzielić na trzy rodzaje:

a. Informacja o akwenie dotycząca bezpiecznych izobat najbliższych prze-szkód nawigacyjnych i znaków nawigacyjnych (L1).

b. Informacja o położeniu wodnicy statku na akwenie (L2).

Podsystem pozycjonowania Podsystem zbierania informacji Źródła informacji Podsystem predykcji Podsystem przetwarzania danych (optymalizacja informacji) Elektroniczna mapa akwenu Podsystem zobrazowania informacji

(7)

c. Informacja o predykcji trajektorii statku na akwenie, to znaczy określe-nie przyszłej trajektorii ruchu wodnicy statku w określonej skali czasu przy bieżących nastawach (L3).

Przy tak postawionym zadaniu i jego ograniczeniach funkcja celu, którą jest informacja wykorzystywana do wykonania planowanego manewru w okre-ślonych warunkach nawigacyjnych będzie minimalizowana:

min 3 1 , 

  l ijklxy Y X Q Q przy ograniczeniach: dop xy ijkxy R Rdop lxy ijklxy Q Qakc xy xy Z Z  gdzie:

Qxy  informacja wykorzystywana w badanym systemie do

bez-piecznego wykonania manewrów na akwenie (xy);

Qijk1xy informacja dotycząca akwenu (xy) dla i-tego statku, przy

wy-konywaniu j-tego manewru w k-tych warunkach nawigacyj-nych;

Qijk2xy informacja dotycząca pozycji i-tego statku na akwenie (xy)

przy wykonywaniu j-tego manewru w k-tych warunkach na-wigacyjnych;

Qijk2xy informacja dotycząca predykcji i-tego statku na akwenie (xy)

przy wykonywaniu manewru w k-tych warunkach nawigacyj-nych;

Rijkxy ryzyko nawigacyjne wykonywania j-tego manewru przez i-ty

statek w k-tych warunkach nawigacyjnych na akwenie (xy);

dop lxy

R dopuszczalne ryzyko nawigacyjne na akwenie (xy);

dop lxy

Q maksymalna ilość informacji l-tego rodzaju, którą pilot lub kapitan może wykorzystać na akwenie (xy);

Zxy  koszt budowy systemu na akwenie (xy);

akc xy

Z akceptowalny koszt budowy systemu na akwenie (xy).

5. System posiada optymalny interfejs użytkownika zbudowany specjalnie dla pilotów i kapitanów promów. Interfejs ten skonstruowano na pod-stawie badań symulacyjnych prowadzonych z pilotami oraz badań rze-czywistych prowadzonych na torze wodnym Świnoujście  Szczecin.

(8)

6. System posiada specjalnie zmodyfikowaną mapę we własnym formacie, zawierającą niezbędne elementy do prowadzenia żeglugi pilotażowej, np. możliwość budowy dokładnej, bezpiecznej, dynamicznej izobaty. Możliwe jest w nim również korzystanie z map standardowych zgod-nych z IHO57, a także inzgod-nych systemów map elektroniczzgod-nych.

7. W obu systemach: stacjonarnym i przenośnym będzie zastosowana pre-dykcja wykonywanego manewru.

W systemie stacjonarnym predykcja manewru będzie oparta na do-kładnym modelu hydrodynamicznym identyfikowanym 40  60 para-metrami danego statku. Dokładność predykcji będzie wynosić około 10% parametrów wykonywanego manewru (liniowych i czasowych).

W systemie przenośnym predykcja manewru będzie oparta na eks-trapolacji aktualnych parametrów ruchu statku określonych na podsta-wie systemu pozycjonowania w ogólnym modelu hydrodynamicznym statku identyfikowanym 5  10 parametrami. Dokładność predykcji bę-dzie wynosić około 20% parametrów wykonywanego manewru (linio-wych i czaso(linio-wych).

8. W systemach zostaną zastosowane metody wspomagania manewrów, np.: dynamiczne domeny statku.

2. Problemy badawcze, które powstały przy budowie PNS

oraz ich realizacja

Podstawowe problemy badawcze, które powstały przy budowie PNS można sformułować następująco:

I. Konfiguracja podsystemu pozycjonowania zapewniająca

następujące parametry:

1. System stacjonarny PNS: • ciągłość określenia pozycji,

• dokładność każdego punktu umownej wodnicy nie mniejsza niż 3,0 m. 2. System przenośny PNS:

• ciągłość określenia pozycji,

• dokładność każdego punktu umownej wodnicy nie mniejsza niż 5,0 m. Badania eksperymentalne podsystemu pozycjonowania były prowadzone na promie m/f „Jan Śniadecki” w porcie Świnoujście i na podejściu do niego. Pozycję bazową statku (położenie „umownej wodnicy”) zapewniały 2 od-biorniki RTK zainstalowane w różnych ustalonych punktach statku, współ-pracujące z odbiornikiem referencyjnym RTK zainstalowanym w Ośrodku Pracy Twórczej w Świnoujściu, będącego własnością Akademii Morskiej w Szczecinie. Badano następujące konfiguracje systemu pozycjonowania:

 2 niezależne odbiorniki DGPS – duża odległość między antenami (rzędu 20 m);

(9)

 2 niezależne odbiorniki EGNOS – duża odległość między antenami (rzędu 20 m);

 2 skorelowane odbiorniki DGPS – mała odległość między antenami (rzę-du 1 m);

 1 odbiornik DGPS plus żyrokompas;

 1 odbiornik EGNOS plus żyrokompas;

 1 odbiornik DGPS plus kompas elektroniczny (magnetyczny).

Po wstępnej analizie odrzucono wariant 6 ze względu na to, że kompas elektroniczny (magnetyczny) jest trudny do zastosowania w nawigacji pilota-żowej, gdyż wymaga określenia dewiacji kompasu przed rozpoczęciem pilo-towania każdego ze statków.

Statystyczna analiza wyników przeprowadzonych badań eksperymental-nych oparta na około 15000 pomiarów wykazała:

1. W przypadku dwuodbiornikowych (dwuantenowych) systemów pozycjo-nowania wielkość błędu kołowego położenia punktów umownej wodnicy statku jest zmienna i zależy od położenia tego punktu w stosunku do po-zycji anteny. Na rysunku 2 przedstawiono rozkład błędów kierunkowych punktów umownej wodnicy m/f „Jan Śniadecki” dla systemu pozycjono-wania składającego się z 2 niezależnych odbiorników DGPS, gdzie odle-głość między ich antenami wynosi 21,5 m.

2. W przypadku systemów pozycjonowania składających się z jednego od-biornika GNSS i żyrokompasu największymi błędami obarczone są punk-ty statku (umownej wodnicy) najbardziej odległe od anteny satelitarnej. 3. Dokładność położenia statku określa największy błąd kierunkowy

umow-nej wodnicy. Błąd kierunkowy dowolnego punktu umowumow-nej wodnicy stat-ku obliczany jest dla kierunstat-ku prostopadłego do stycznej wodnicy w tym punkcie. Wielkości największych błędów kierunkowych poszczególnych podsystemów pozycjonowania odpowiednio wynoszą:

podsystem nr 1 – p = 1,5 m, podsystem nr 2 – p = 2,5 m, podsystem nr 3 – p = 1,5 m, podsystem nr 4 – p = 1,3 m, podsystem nr 5 – p = 2,0 m.

Jak wynika z powyższego zestawienia najkorzystniejszym rozwiązaniem z dokładnościowego punktu widzenia jest odpowiednio:

a) stacjonarny PNS

Podsystem pozycjonowania nr 4 składający się z 1 odbiornika DGPS i żyrokompasu;

b) przenośny PNS

Podsystem pozycjonowania nr 3 składający się z 2 skorelowanych od-biorników DGPS o odległości między antenami w granicach 1 m.

(10)

4. Niezawodność systemów satelitarnych określone w trakcie badań odpo-wiednio wynoszą:

system DGPS – 98,75 %, system EGNOS – 95,8 %.

Dane te potwierdzają wnioski punktu 3, że w chwili obecnej lepszym rozwiązaniem jest budowanie podsystemu pozycjonowania dla PNS opar-tego na systemach DGPS. -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 95% RTK [m] [m]

Rys. 2. Rozkład błędów kierunkowych punktów umownej wodnicy m/f „Jan Śniadecki” dla systemu pozycjonowania składającego się z 2 niezależnych odbiorników DGPS

(poziom ufności 0,95)

II. Budowa mapy elektronicznej w formacie przystosowanym do prowadzenia nawigacji pilotażowej, która charakteryzuje się następującymi parametrami:

1. Jest to mapa wektorowa akwenów ograniczonych, na których odbywa się pilotaż.

2. Posiada bazę danych przystosowaną pod względem zawartości, struktury i formatu niezbędną do prowadzenia nawigacji pilotażowej.

3. Baza danych zawiera:

• standardowe informacje nawigacyjne wykorzystywane w procesie na-wigacji pilotażowej,

• dodatkowe informacje nawigacyjne takie jak: aktualne sondaże, osie torów wodnych, ich skarpy itp.

4. Baza danych jest aktualizowana tylko w przypadku:

• wejścia nowych poprawek dotyczących danego akwenu podawanych oficjalnie przez upoważnione biuro hydrograficzne,

• wykonania nowych sondaży akwenu przez odpowiedzialną administra-cję morską.

5. Mapa posiada specjalny program ją obsługujący, spełniający wymogi na-wigacji pilotażowej.

(11)

Budowę mapy elektronicznej PNS realizowano w dwóch etapach: 1. Budowa wektorowej bazy danych, która składa się z 7 tabel:

 punkty,  obszary,  linie,  symbole,  głębokości,  nazwy,  wysokości

każda z tabel, oprócz tabeli „punkty”, tworzy osobną warstwę. Tabela „punkty” zawiera współrzędne geograficzne obiektów znajdujących się w pozostałych tabelach.

2. Budowa specjalnego programu obsługującego zbudowaną mapę elektro-niczną i przetwarzania danych w środowisku programowym Delhi. Pro-gram ten umożliwia:

 wyświetlanie mapy,

 zmiany skali mapy,

 wyświetlanie parametrów nawigacyjnych,

 określenie bieżącej bezpiecznej izobaty i jej prezentacja na mapie,

 współpracę z podsystemem zbierania informacji,

 prezentację statku na mapie w czasie rzeczywistym w postaci „umow-nej wodnicy”,

 podgląd przebytej trajektorii,

 zorientowanie względem północy,

 obrót mapy i zorientowanie jej we współrzędnych brzegowych wzglę-dem zdefiniowanego nabrzeża,

 obrót mapy i zorientowanie jej we współrzędnych torowych,

 wyświetlanie współrzędnych kursora,

 pomiar odległości i namiaru od statku do dowolnego punktu,

 współpracę z podsystemem predykcji i wyświetlanie przyszłej trajekto-rii ruchu statku „umownej wodnicy”.

III. Budowa optymalnego systemu zobrazowania informacji w PNS została sprowadzona do następujących problemów:

1. W jakich współrzędnych nawigacyjnych powinna być zobrazowana sytu-acja i czy rodzaj współrzędnych zależy od typu wykonywanego manew-ru?

2. W jakiej skali powinna być zobrazowana sytuacja i czy zależy ona od typu wykonywanego manewru?

3. Jakie treści mapy powinny być prezentowane na wskaźniku?

4. Jakie informacje alfanumeryczne powinny być prezentowane na wskaź-niku?

(12)

Budowa optymalnego systemu zobrazowania informacji PNS jest ściśle związana z budową optymalnego interfejsu użytkownika, gdyż badania by-ły prowadzone łącznie dla obu zadań i dlatego też najpierw zostanie omó-wiona budowa interfejsu użytkownika a następnie badania obu zadań.

IV. Budowa optymalnego interfejsu użytkownika zaprojektowanego specjalnie dla pilotów i kapitanów promów posługujących się PNS zostały sprowadzone do następujących problemów:

1. Jaka powinna być wielkość ekranu wskaźnika PNS i gdzie powinien być zlokalizowany w stacjonarnym i przenośnym wariancie?

2. Jaki powinien być układ prezentowanej informacji na wskaźniku? 3. Jak powinna być prezentowana informacja graficzna, a jak

alfanume-ryczna?

4. Jak powinna być rozwiązana sygnalizacja optyczna i akustyczna? 5. W jaki sposób należy rozwiązać sterowanie systemu PNS?

Badania dotyczące optymalizacji informacji prezentowanej na wskaźniku PNS oraz optymalnego rozwiązania interfejsu użytkownika przeprowadzo-no w trzech następujących etapach:

I. Badania eksperckie. II. Badania symulacyjne. III. Badania rzeczywiste.

Wyniki uzyskane z etapu poprzedniego służyły do budowy założeń etapu na-stępnego.

Etap I

Badania eksperckie przeprowadzono w grupie 13 pilotów pracujących w Zespole Portów Szczecin i Świnoujście oraz 8 kapitanów promów morskich z Euroafryki, PŻB i UnityLine. Wykorzystano metodę ankiet eksperckich, ce-chujących się niezależnością opinii ekspertów i anonimowością wypowiadają-cych sądów. Ankietę zbudowano w postaci zbioru 14 pytań, mająwypowiadają-cych dostar-czyć informacji na temat wymaganych eksploatacyjnych parametrów PNS.

Wyniki badań eksperckich przedstawiono w tabeli 1. Posłużyły one do budowy prototypu PNS badanego w następnym etapie.

Tabela 1 Wyniki badań eksperckich PNS

Lp. Opis funkcji System przenośny System stacjonarny

1 2 3 4

1. Wielkość ekranu 10 cali 15 cali

2. Lokalizacja wskaźnika Przenośny przez pilota Na stanowisku

(13)

Tabela 1 cd.

1 2 3 4

3. Zobrazowanie Brak jednoznacznych odpowiedzi. Należy zbadać

symulacyjnie następujące typy zobrazowań (w zależności od wykonywanych manewrów):

 względem N,

 względem kursu,

 względem osi toru,

 względem brzegu.

4. Skala pracy zmienna,

– sygnalizacja o wystarczającej dokładności

5. Przed dziobem statku na

torze wodnym należy wi-dzieć

odległość zmienna zależna od prędkości, nie mniej niż 2 x L

6. Przesuwanie pozycji przesunięcie pozycji automatyczne od środka

ekranu do jego końca z możliwością przesunięcia ręcznego.

7. Treści wskaźników

– pokazywane stale

 linia brzegowa,

 oś toru wodnego,

 bezpieczna izobata,

 stawy,

 pławy,

 linie nabieżnika,

 kable, rurociągi, światłowody,

 numer pławy lub stawy lub ich symboliczne

oznaczenia.

8. Treści wskaźników

– pokazywane na żądanie

 skarpa toru wodnego,

 sektory świateł,

 kilometry osi toru.

9. Oznaczenie statku na

wskaźniku  statek oznaczony maksymalnym obrysem, linia kursu powinna przechodzić przez cały

sta-tek i cały wskaźnik do dziobu.

10. Sygnalizacje moment rozpoczęcia zwrotu na torach

wod-nych,

 zbyt mała skala pracy.

11. Informacje alfanumeryczne

 pokazywana stale (może

z opcją wyłączenia i włączenia)  kurs,  prędkość liniowa,  prędkość boczna,  prędkość kątowa. 12. Informacje alfanumeryczne  pokazywana na żądanie

 odległość dziobu, rufy lub burty od osi toru

wodnego,

(14)

Tabela 1 cd.

1 2 3 4

13. Wyświetlana trajektoria na

żądanie (przedział czasu do wyboru w określonym zakresie)

 przebyta droga (sylwetki statku – maksymalny

obrys),

 przyszła trajektoria (sylwetki statku –

maksy-malny obrys).

Etap II

Badania symulacyjne przeprowadzono na specjalnie zbudowanym modelu interakcyjnym składającym się z trzech następujących elementów:

 system PNS (bez podsystemów pozycjonowania i predykcji),

 model symulacyjny ruchu statków,

 nawigator (pilot, kapitan).

Ogólny schemat budowy modelu symulacyjnego oraz przepływ informa-cji między jego elementami przedstawiono na rys. 3. Model symulacyjny zbudowano wykorzystując dwa komputery. Pierwszy z nich pracował jako

system PNS, a na jego wskaźniku zobrazowana była mapa elektroniczna z bieżącą sylwetką statku. Na drugim komputerze był zainstalowany model

ruchu statków a jego wskaźnik był interfejsem sterowania modelem. Interfejs ten wykonano w dwóch wariantach: dla statku jednośrubowego i dwuśrubo-wego.

Rys. 3. Ogólny schemat budowy modelu symulacyjnego oraz przepływu informacji w modelu

Zakres badań symulacyjnych obejmował wykonanie następujących manewrów: 1. Manewry podejścia do portu – statek 5000 DWT konwencjonalny (1

śru-ba, bez steru strumieniowego):

 manewr wejścia na pozycję kotwiczenia – zobrazowanie względem północy.

2. Manewry wejścia do portu:

 wejście na pogłębiony tor wodny (trasę) – zobrazowania względem północy i osi toru, statek 5000 DWT konwencjonalny;

PNS bez podsystemów predykcji i pozycjonowania Model symulacyjny ruchu statków Nawigator (pilot, kapitan)

(15)

 wejście do portu Świnoujście – zobrazowania względem północy i osi toru, statek 40.000 DWT konwencjonalny.

3. Manewry przejścia torem wodnym – prom m/f „Jan Śniadecki”:

 pogłębiony tor wodny bez oznakowania – zobrazowania względem północy i osi toru (zmiana osi co 10 i co 20);

 tor wodny ograniczony brzegiem – zobrazowania względem północy i osi toru (zmiana osi co 10 i co 20).

4. Manewry obracania – masowiec LC = 260 m, T = 8,5 m i 2 holowniki 2500 KM:

 obrotnica wytyczana bezpieczną izobatą i ograniczona dwoma brze-gami – Obrotnica Północna w Świnoujściu – zobrazowanie względem północy.

5. Manewry cumowania:

 manewr cumowania PB statku 5.000 DWT konwencjonalny do na-brzeża prostoliniowego – zobrazowania względem północy i brzegu;

 manewr cumowania LB promu m/f „Jan Śniadecki” do nabrzeża nr 3 Bazy Promów Morskich w Świnoujściu – zobrazowania względem pół-nocy i brzegu.

W badaniach brali udział piloci pracujący na torze wodnym Świnoujście – Szczecin oraz kapitanowie posiadający doświadczenie w żegludze na akwe-nach ograniczonych. Każdy z nich wykonał pełny zestaw ćwiczeń oraz po każdym ćwiczeniu i zestawie ćwiczeń wypełnił oddzielne ankiety eksperckie. Ankiety eksperckie zbudowano w postaci zbioru pytań dotyczących parame-trów interfejsu użytkownika oraz preferencji rodzaju zobrazowania.

Do oceny poszczególnych manewrów wykonywanych przy różnych zo-brazowaniach PNS wykorzystywano szereg parametrów zależnych od rodza-ju wykonywanych manewrów. Są to odpowiednio:

1) manewr kotwiczenia:

 odległość rzucanej kotwicy od zadanego punktu kotwiczenia,

 prędkość statku w momencie rzucenia kotwicy,

 czas kotwiczenia;

2) manewr wejścia na tor wodny:

 odległość wejścia na tor od początkowej pławy,

 czas wejścia na tor;

3) manewr przejścia torem wodnym i manewr wejścia do portu:

 szerokość pasa ruchu; 4) manewr obracania:

 wielkość akwenu manewrowego,

 czas manewru; 5) manewr cumowania:

(16)

 rozkład punktów pierwszego kontaktu statku z nabrzeżem (lub jego za-trzymanie się).

Statystyczna obróbka wyżej wymienionych parametrów określonych w wyniku badań symulacyjnych pozwoliła na określenie kryteriów ocen słu-żących do porównania poszczególnych serii manewrów symulacyjnych. Kry-teriami ocen były wielkości średnie omówionych parametrów lub wielkości określone na poziomie ufności 0,95.

Przykładowo, na rysunku 4 porównano manewr przejścia torem wodnym promu m/f „Jan Śniadecki” z wykorzystaniem różnych metod zobrazowania sytuacji nawigacyjnej PNS. Jako kryterium ocen zastosowano szerokość pasa ruchu określone na poziomie ufności 0,95. Analiza rysunku jednoznacznie określa najkorzystniejsze rozwiązanie, którym jest zobrazowanie względem osi toru (współrzędne torowe) ze zmianą osi co 10.

2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100 3150 3200 3250 3300 3350 3400 3450 3500 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100 3150 3200 3250 3300 3350 3400 3450 3500 3550 3600

Oś toru wodnego Linia brzegu 95% N 95% 10º 95% 20º

N

Rys. Pasy ruchu m/f Śniadecki (Z9 i Z10 i Z11), powiększenie pierwszego zakrętu. Wszystkie jazdy.

[ m ]

[ m ]

Rys. 4. Pasy ruchu m/f „Jan Śniadecki” na poziomie ufności 0,95 podczas przejścia torem wodnym

V. Budowa systemu predykcji została rozwiązana różnie w obu wersjach systemu:

1. W stacjonarnym PNS podsystem predykcji oparto na dokładnym modelu hydrodynamicznym statku. Model ten budowany jest indywidualnie dla statku, na którym jest zamontowany PNS a zmiana statku wymaga zmiany parametrów modelu.

(17)

2. W przenośnym PNS podsystem predykcji oparto na ekstrapolacji parame-trów ruchu statku (prędkości, przyspieszenia) określonych z wykorzysta-niem podsystemu pozycjonowania.

3. Określenie optymalnych parametrów prototypów stacjonarnych

i przenośnych PNS

W wyniku przeprowadzonych badań optymalizacyjnych powstały dwa pro-totypy PNS. Są to:

1) stacjonarny PNS, którego schemat budowy przedstawiono na rys. 5; 2) przenośny PNS, jego schemat budowy pokazano na rys. 6.

Rys. 5. Schemat budowy stacjonarnego PNS

Rys. 6. Schemat budowy przenośnego PNS

Podsystem predykcji oparty na modelu hydrodynamicznym statku DGPS Podsystem zbierania informacji Nastawy sterów strumieniowych Podsystem przetwarzania danych (optymalizacja informacji) Elektroniczna mapa akwenu (baza danych) Podsystem zobrazowania informacji Żyrokompas Wiatromierz Nastawy maszyn Nastawy sterów 2 x DGPS na określonej bazie Podsystem zbierania informacji Podsystem predykcji oparty na ekstrapolacji parametrów ruchu Podsystem przetwarzania danych (optymalizacja informacji) Elektroniczna mapa akwenu (baza danych)

Podsystem zobrazowania

(18)

Podstawowe parametry tych systemów podano w tabeli 2.

Tabela 2 Podstawowe parametry prototypów stacjonarnego i przenośnego PNS

Lp. Nazwa

parametru

Wielkość parametru i jednostka miary wariant stacjonarny PNS wariant przenośny PNS

1 2 3 4 1. Wymiary i waga systemu 2 moduły (~0,5 m x 0,5 m x 0,25 m) Waga około 10 kg Teczka (~0,5 m x 0,35 m x 0,2 m) Waga około 5 kg

2. Rodzaj pracy Ciągły Ciągły

3. Automatyczny czas pracy, zasilanie

Bez ograniczeń – zasilanie z sieci okrętowej

Bez ograniczeń – przy zasila-niu z sieci lub 3 h  12 h w zależności od zastosowanych akumulatorów własnych 4. Urządzenie prezentacji,

informacji Ekran notebuka 17’ Ekran notebuka 15’ 5. Lokalizacja wskaźnika Na stanowisku manewrowym Na stanowisku manewrowym 6. Rodzaj urządzeń pozycjonowania Okrętowy DGPS i żyrokompas podłączony do systemu 2 skorelowane odbiorniki DGPS na bazie 0,5 m. Ustawiane na magnesach w odkrytych miejscach statku, np. falszburta.

7. Dokładność określania położenia każdego punktu umownej wodni-cy (błąd kierunkowy prostopadły do wodnicy)

 1,3 m  1,5 m

8. Rodzaje zobrazowania względem N względem brzegu względem osi toru (zmiana osi co 10)

względem N względem brzegu

względem osi toru (zmiana osi co 10)

9. Opis treści mapy i

in-terfejsu użytkownika Patrz tabela 1 Patrz tabela 1 10. System predykcji Oparty na dokładnym

modelu hydrodynamicznym dla danego statku

Oparty na ekstrapolacji parametrów ruchu statku

11. Horyzont czasowy

predykcji Zmienny do 10 min Zmienny do 5 min 12. Dokładność predykcji

(zakładana w trakcie budowy)

~ 10% ~ 20%

Obecnie prototypy te są weryfikowane w warunkach rzeczywistych na promie m/f „Jan Śniadecki” oraz na różnych statkach poruszających się torem wodnym Świnoujście – Szczecin.

(19)

Wnioski

W wyniku badań prowadzonych przez zespół naukowy Instytutu Inżynierii Ruchu Morskiego AM w Szczecinie powstała teoria budowy optymalnego pilo-towego systemu nawigacyjnego, a opracowane na jej podstawie prototypy PNS są ideowo inne od istniejących na świecie urządzeń tego typu, gdyż te są wła-ściwie jedynie modernizacją systemów ECS i ECDIS. Prowadzone badania do-prowadziły do:

1. Opracowania metody projektowania optymalnych rozwiązań pilotowych systemów nawigacyjnych.

2. Opracowania optymalnych parametrów pilotowych systemów nawiga-cyjnych obejmujących:

 podsystem pozycjonowania,

 podsystem mapy elektronicznej,

 podsystem przetwarzania informacji nawigacyjnej,

 podsystem zobrazowania i interfejs użytkownika. 3. Zbudowania dwóch prototypów PNS:

 stacjonarny przeznaczony na promy morskie,

 przenośny przeznaczony do pilotażu.

Literatura

1. Gucma S., Nawigacja pilotażowa. Fundacja Rozwoju Przemysłu Okrętowego i Gospodarki Morskiej, Gdańsk 2004.

Recenzenci

dr inż. Zdzisław Kopacz, prof. AMW prof. dr hab. inż. Evgeniy Lushnikov

Adres Autora

prof. dr hab. inż. kpt. ż.w. Stanisław Gucma Akademia Morska w Szczecinie

Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego ul. Wały Chrobrego 1/2

70-500 Szczecin gucma@am.szczecin.pl

Cytaty

Powiązane dokumenty

Uzasadnienie jest tu nast´pujàce: wygrana ma znaczenie, wi´c lepiej nie ryzykowaç jej straty waga decyzyjna ni˝sza ni˝ wysokie prawdopodobieƒstwo wygranej, lub odwrotnie –

Nawiązując do przedstawionych powyżej badań, które wskazują, że wraz z wiekiem większego znaczenia nabierają pozytywne stosunki międzyludzkie, szczególnie rodzinne,

Koszt kapitału jednostek gospodarczych to jeden z najważniejszych elementów zarządzania finansami przedsiębiorstw. Oddziałuje on istotnie na wartość podmiotu

Borkowska wymienia kwestie pozyskiwania talentów, ich utrzymywania, rozwoju i motywowania jako klu13   Jak zauważa K.Thorne, słowa talent i zarządzanie talentem pojawiło

Ich racjonalnym uzasadnieniem jest potrzeba „zakupu” tych korzyści gospodarki leśnej, które nie mogą być przez leśników „sprzedane” tak jak drewno.. Sprowadzają się one

[ tak: - grupa l obejmuje pallstwa leżące blisko obiektu-antywzorca rozwoju, czyli daleko od środka ciężkości biplotu i przeciwnie do zwrotu wszystkich wektorów; są to państwa

Wysokińską założenie o poprawie konkurencyjności struktury obrotów w miarę przesuwania się w obrębie tej struktury od wyrobów surowcochłonnych poprzez

decisions, the Court accepted the admissibility of complaints based on the lack of eff ective offi cial investigation into events alleged to be in violation of Article 3 of