ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA E X P L O - S H I P 2 0 0 6
Krzysztof Dziedzicki, Roman Śmierzchalski, Andrzej Łebkowski
Symulator ruchu statku morskiego
Słowa kluczowe: symulacja, modelowanie matematyczne, nawigacja
Prawidłowe przygotowanie załogi statku do pracy na morzu można osiągnąć dzięki praktykom morskim lub szkoleniom na symulatorach. W artykule prezentowany jest sy-mulator nawigacyjny statku poruszającego się w środowisku morskim. Sysy-mulator pozwa-la na realizację różnych scenariuszy szkoleniowych i śledzenie przebiegu szkolenia w czasie rzeczywistym. Prezentowany symulator umożliwia również realizację szeregu celów w zakresie badania działania układów sterowania automatycznego statkiem, sys-temów unikania kolizji, sterowania po trajektorii itd.
Moving Ship Simulator in the Sea Environment
Key words: simulation, mathematical modelling, navigationCorrect preparation of the crew for work can be obtained via long-lasting appren-ticeship at sea, or training at simulators. The simulator of the moving ship in the marine environment is presented. It has an ability to realize different training scenarios and the follow-up action of training in real-time. The simulator makes it possible to test the ship steering systems, to verify the collision avoiding systems, the testing of the autopilot etc.
Wprowadzenie
Przyjęte standardy w zakresie wymagań szkolenia załóg i sposobu certyfi-kacji stopni morskich (Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers Convention (STCW’95)), opracowane przez Międzynarodową Organizację Morską (International Maritime Organization (IMO)), pozwalają na włączanie symulatorów systemów morskich do procesu edukacji i treningu marynarzy różnych specjalności, pracujących na różnych stanowiskach na stat-kach. Zgodnie z rozporządzeniem ministra infrastruktury z dnia 21 czerwca 2005 r. w sprawie uznawania, potwierdzania uznania oraz nadzorowania wyż-szych szkół morskich i ośrodków szkoleniowych (Dz. U. z dnia 8 lipca 2005 r.), symulatory wykorzystywane podczas szkolenia, oceny lub egzaminowania po-winny spełniać wymagania określone w Prawidle I/12 konwencji STCW oraz A-I/12 i B-I/12 Kodeksu STCW.
Rekomendowane jest realizowanie zadań na podzielonych tematycznie sy-mulatorach (np. symulator sterowania i kontroli silnika głównego, symulator nawigacyjny). Takie podejście z podziałem na typy i klasy symulatorów może zapewnić, zgodnie z wymaganiami dotyczącymi poszczególnych stanowisk pra-cy, pełny zakres szkolenia. Formalna klasyfikacja symulatorów, a także dokład-ne oszacowanie kompetencji na poszczególnych stanowiskach nie pozwala na ominięcie funkcji instruktora, który indywidualnie ustala zakres realizowanych zadań.
Uwzględniając powyższe i wychodząc naprzeciw wymaganiom konwencji STCW ‘95 w zakresie szkolenia marynarzy pływających na statkach handlo-wych, podjęto próbę zrealizowania w Katedrze Automatyki Okrętowej Akade-mii Morskiej w Gdyni symulatora ruchu statku w morskim środowisku nawiga-cyjnym. System ten umożliwia realizację wielu celów:
– w zakresie szkolenia nawigatorów: badanie funkcji rzeczywistych ukła-dów okrętowych związanych z nawigacją, prowadzenie nawigacji w różnych warunkach pogodowych i przy różnej widoczności, wyzna-czanie parametrów bezpieczeństwa dla napotkanych statków oraz wy-znaczanie i wykonanie manewru antykolizyjnego w razie wystąpienia takiej konieczności;
– w zakresie badań układów sterowania statkiem: analiza algorytmów i układów automatycznego prowadzenia nawigacji.
1. Struktura i budowa symulatora statku
Strukturę symulatora przedstawiono na rysunku 1. Przyjęta struktura obej-muje bazę sytuacji nawigacyjnych, model statku własnego, model ruchu obiek-tów, model zakłóceń, autopilota, interfejs oraz moduł wizualizacji.
Dynamika statku własnego opisana jest przez zbiór równań różniczkowych. Dokładniejszy opis przyjętego modelu statku umieszczono w punkcie 2. Dla pozostałych obiektów pływających występujących w symulatorze modelowana jest kinematyka ich ruchu.
Symulator zawiera mapę akwenu, obejmującą stałe ograniczenia nawiga-cyjne takie jak: lądy, płycizny boje itp. Otoczenie statku obrazowane jest w technice 3D. Wygląd obiektów statycznych w symulatorze przedstawiono na rysunku 2a. Dodatkowo poruszający się statek może napotkać góry lodowe, sztormy oraz inne statki. Symulator zawiera 20 sylwetek jednostek pływających ważnych z punktu widzenia przepisów drogi morskiej. Są wśród nich tankowce, chemikaliowce, kontenerowce, trałowce, holowniki itd. Przykładowe sylwetki statków przedstawiono na rysunku 2b. Informacje o wszystkich obiektach wy-stępujących w modelowanym środowisku morskim przechowywane są w bazie danych sytuacji nawigacyjnej.
Środowisko morskie Generator lądów Baza sylwetek obiektów Baza sytuacji nawigacyjnej Model ruchu obiektów Autopilot Model statku Moduł całkowania równań różniczkowych Model zakłóceń Generator pseudolosowy Interfejs Wizualizacja OpenGL
Rys. 1. Struktura symulatora
Fig. 1. Simulator structure
Symulator pozwala na wczytanie wcześniej przygotowanych scenariuszy. Scenariusze można tworzyć wykorzystując oddzielny program. Tworząc scena-riusz dla każdego statku występującego w symulacji, można zadać trasę przej-ścia oraz prędkości na poszczególnych jej odcinkach. Odpowiednio przygoto-wane scenariusze pozwalają na zapoznanie się lub sprawdzenie znajomości prawideł regulujących ruch morski.
Rys. 2. Obiekty występujące w symulatorze: a) elementy statyczne b) sylwetki statków
Fig. 2. Different types of objects in a simulator: a) static objects b) ship shapes
Symulator umożliwia zmianę zakresu widoczności. Możliwe jest wprowa-dzenie mgły oraz prowawprowa-dzenie nawigacji w warunkach nocnych. Aktualny sto-pień skali Beauforta znajduje odbicie w zakresie widoczności oraz wysokości i długości fali.
Sposób prezentacji parametrów opisujących zachowanie się statku w symu-latorze odpowiada układowi wskaźników występujących na rzeczywistych jed-nostkach pływających. Wygląd okna nawigacyjnego zawierającego panel kon-trolny przedstawiono na rysunku 3a.
Możliwy jest odczyt położenia statku we współrzędnych geograficznych, jego kurs, prędkość liniową oraz kątową. Panel po prawej stronie prezentuje dane opisujące bieżący odcinek trajektorii statku. Istnieje możliwość przyspie-szenia czasu symulacji. W każdym momencie można wprowadzić nową trajek-torię zadaną dla statku własnego. Symulator wyposażony jest w autopilota, który w razie potrzeby może sterować po zadanej trajektorii. Dokładny opis działania autopilota został przedstawiony w pracy [4]. Panel po lewej stronie prezentuje dodatkowe parametry, opisujące bieżące warunki nawigacji takie jak: stopień w skali Beauforta, prędkość i kierunek wiatru oraz prędkość i kierunek prądów morskich.
Interfejs symulatora pozwala zmieniać nastawy prędkości obrotowej silni-ka, kąt łopat nastawnej śruby napędowej, wychylenie steru oraz nastawy dwóch sterów strumieniowych – dziobowego i rufowego.
a)
Rys. 3. Okna symulatora: a) nawigacyjne, b) radarowe
Fig. 3. Different simulator views: a) navigation window, b) radar window
Symulator modeluje pracę radaru, układu ARPA oraz systemu AIS. Wygląd okna radarowego prezentowany jest na rysunku 3b. Zakres widoczności w oknie radaru można zmieniać od 0,25 do 96 mil morskich. Możliwe jest zobrazowanie w trybie course up lub north up. Wektory ruchu innych jednostek mogą być prezentowane w konwencji true oraz relative. Zadana trasa dla statku własnego widoczna jest w oknie radarowym jako linia z numerami w kolejnych punktach
a)
zwrotów. W panelu po prawej stronie można obserwować parametry ruchu in-nych jednostek pływających, informujące o zagrożeniu kolizyjnym takich jak CPA, TCPA itd. Możliwa jest zmiana ich nastaw. Zmienia się tym samym próg wystąpienia alarmu kolizyjnego, zgłaszanego przez podsystem ARPA. Panel, przedstawiony na rysunku 4, prezentuje dane z systemu AIS opisujące zazna-czony obiekt. Użytkownik symulatora ma do dyspozycji dwie linie namiaru elektronicznego (ang. electronic bearing line). Pozwala to na określenie namia-ru na napotkane obiekty.
Zgodnie z wymaganiami przepisów drogi morskiej statki powinny sygnali-zować swoją pozycję oraz aktualny status odpowiednio rozmieszczonymi świa-tłami nawigacyjnymi, ewentualnie sekwencją świateł. Na rysunku 4 przedsta-wiono płynący masowiec w warunkach ograniczonej widoczności.
Rys. 4. Symulacja płynącego masowca w warunkach ograniczonej widoczności
Fig. 4. Simulation of the sailing ship in the low visibility situation
Przebieg całej symulacji może zostać zapisany. Archiwizowane są zarówno parametry modelu matematycznego statku, jak i położenia prędkości i kursy obiektów ruchomych występujących w symulatorze.
2. Model matematyczny statku
Najważniejszym elementem symulatora jest model statku, który powinien odwzorowywać zachowanie prawdziwej jednostki pływającej. Tworzony symu-lator statku opiera się na modelu matematycznym statku typu drobnicowiec ro-ro o symbolu stoczniowym B-481. Schemat ogólny modelu przedstawiono na rysunku 5.
Kinematyka statku Dynamika statku Napęd główny Ster płetwowy YS XS u v r T HSz nSz xs ys Zakłócenia addytywne (wiatr, fala, prąd morski) Poprzeczne stery strumieniowe NS h r v u u v r u z XR YR NR XSS YSS NSS HTDz XZ YZ NZ Vwsr w VPP VP P u v f HTRz
Rys. 5. Struktura modelu matematycznego statku B-481, gdzie: Hz
S – zadany skok śruby nastawnej napędu głównego, nz
S – zadana prędkość obrotowa śruby głównej, T – siła naporu śruby napędu głównego, z – zadany kąt wychylenia steru płetwowego, HzTD – zadany skok śruby dziobowego steru strumieniowego, Hz
TR – zadany skok śruby rufowego steru strumieniowego, Vwsr, w – średnia prędkość i kierunek wiatru rzeczywistego, f – kierunek działania fali morskiej, Vp, p – prędkość i kierunek prądu morskiego, h – głębokość akwenu pływania, u – prędkość wzdłużna, v – prędkość poprzeczna, r – prędkość kątowa statku, – kąt dryfu, xs, ys – współrzędne położenia, – kurs statku, X, Y, N – siły i momenty działające na kadłub statku, [7]
Fig. 5. Structure of the mathematical model of the own ship: Hz
S – assumed pitch of the main
propulsion adjustable blade propeller, nz
S – assumed rotations of the main propulsion propeller,
T – thrust of the main propulsion propeller, z – assumed deflection of the blade rudder, HzTD –
assumed propeller pitch of the bow thruster , Hz
TR – assumed propeller pitch of the stern thruster,
Vwsr, w – average speed and direction of the real wind, f – direction of sea waves, Vp, p – speed
and direction of sea current, h – depth of the sailing area, u – ship’s longitudinal speed, v – ship’s transverse speed, r – ship’s rate of turn, – drift angle, xs, ys – position coordinates, –
ship’s course, X, Y, N – forces and moments acting on ship’s hull, [7]
Model obejmuje dynamikę kadłuba, napędu głównego składającego się z pojedynczej śruby nastawnej, steru płetwowego oraz dwóch poprzecznych sterów strumieniowych: dziobowego i rufowego. Zamodelowano również wpływ zakłóceń hydrometeorologicznych (wiatr, fala, prąd morski), jak i zmia-ny dynamiki powodowane przez efekt płytkowodzia. Model ten umożliwia ana-lizowanie zachowania się statku dla dwóch stanów załadowania: zabalastowa-nego i przy 100% załadowaniu.
Zależności kinematyczne pozwalające na wyznaczenie pozycji statku opisa-ne są wzorami: p p s V V x cos() cos p p s V V y sin() sin (1) r gdzie:
V wypadkowa prędkość statku, kurs statku,
kąt dryfu statku, r prędkość kątowa statku.
Dynamikę układu napędowego opisuje równanie:
S
SG z S S n n T n / ; |nS|1 (2) gdzie: TSG stała czasowa, nzS zadana prędkość obrotowa śruby.
Równania opisujące ruch wzdłużny, poprzeczny oraz kątowy płynącego statku przyjmują postać:
tot X u k ) 1 ( 11 tot Y v k ) 1 ( 22 (3) tot N r k ) 1 ( 66 gdzie: u prędkość wzdłużna, v prędkość poprzeczna, r prędkość kątowa statku,
k11, k22, k66 współczynniki masy wody towarzyszącej uwzględniające efekt płytkowodzia,
Xtot, Ytot, Ntot całkowite siły i moment działające na kadłub statku
odpo-wiednio w osiach X, Y oraz Z.
Siły i moment działające na kadłub są wyznaczane z zależności: Xtot = Xk + XS + XR + XSS + XZ
Ytot = Yk + YS + YR + YSS + YZ (4)
gdzie:
Xk, Yk, Nk siły i moment hydrodynamiczne powodowane przez kadłub
statku,
XS, YS, NS siły i moment pochodzące od napędu,
XR, YR, NR siły i moment pochodzące od steru płetwowego,
XSS, YSS, NSS siły i moment pochodzące od sterów strumieniowych,
XZ, YZ, NZ siły i moment pochodzące od zakłóceń.
Na model zakłóceń zewnętrznych składają się siły i momenty pochodzące od wiatru, fali i prądu morskiego. Szczegółowy opis modelu statku podano w pracy [2]. Do rozwiązania modelu matematycznego statku B-481 wykorzysty-wana jest metoda oparta na algorytmie Runge-Kutty prezentowykorzysty-wana w pracy [3].
3. Badania symulacyjne
Przedstawiony symulator został wykorzystany do testowania algorytmów i systemów sterujących statkiem, opracowanych w Katedrze Automatyki Okrę-towej Akademii Morskiej w Gdyni. Przygotowano również szereg scenariuszy szkoleniowych dla nawigatorów.
3.1. Badania symulacyjne autopilota statku
Prezentowany symulator wykorzystano do testowania regulatora kursu. Te-stowany regulator nadzorował realizację zadanej trasy przejścia dla statku wła-snego. Zapis jednej z przeprowadzonych symulacji podano na rysunku 6. Linią przerywaną zaznaczono zadaną trasę przejścia. Linią ciągłą zaznaczono trajekto-rię, po której poruszał się statek własny w czasie symulacji.
2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 x 104 3 3.5 4 4.5 5 5.5 x 104 wspolrzedna X [m] ws p o lr ze d n a Y [ m ]
Rys. 6. Przebieg symulacji podczas weryfikacji działania regulatora trajektorii
Na rysunku 7 przedstawiono odchylenie pomiędzy zadaną trasą przejścia dla statku własnego a trajektorią zrealizowaną w czasie symulacji.
500 1000 1500 2000 2500 3000 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 o d c h y le n ie [m ] t [ s]
Rys. 7. Odchylenie pomiędzy zadaną trasą przejścia a trajektorią zrealizowaną
Fig. 7. Difference between a pre-set trajectory and the realized ship trajectory
Na rysunku 8 podano parametry ruchu statku własnego oraz działające na niego zakłócenia hydrometeorologiczne podczas sterowania po zadanej trasie przejścia. 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 100 200 300 ku rs st . [st .] 500 1000 1500 2000 2500 3000 -40 -20 0 20 40 wyc h . s te r. [s t. ] 500 1000 1500 2000 2500 3000 6 8 10 p re d . s t. [ w ] 500 1000 1500 2000 2500 3000 60 80 100 120 140 p r. o b r. sil. [o b r/ m in ] 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 100 200 300 k ier . w iat ru [s t.] 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 2 4 6 8 pr e d. w iat ru [w ] 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 100 200 300 k ier . pr .m . [st. ] 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 0.2 0.4 0.6 czas [s] pr e d. pr .m . [ w ]
Rys. 8. Parametry ruchu statku własnego oraz zakłócenia hydrometeorologiczne podczas sterowania po zadanej trasie przejścia
3.2. Szkolenie nawigacyjne
Okno radarowe przykładowego scenariusza zrealizowanego w symulatorze przedstawiono na rysunku 9. Statek własny napotyka dwa statki obce (nr 1, nr 2). Statek własny musi przepłynąć przez cieśninę pomiędzy wyspami. Obsza-ry mielizn zostały oznaczone bojami.
Rys. 9. Okno radarowe symulatora szkoleniowego
Fig. 9. Radar window of training scenario
W trakcie symulacji system ARPA wykrył przekroczenie nastaw parame-trów bezpieczeństwa przez statek nr 2. Zgodnie z prawidłami drogi morskiej statek znajdujący się po prawej stronie ma pierwszeństwo. Należało więc podjąć decyzję o wykonaniu odpowiedniego manewru, pozwalającą na uniknięcie kolizji.
Przebieg symulacji wraz z wartościami sterowania i zakłóceń jest archiwi-zowany. Zapis symulacji przedstawia rysunek 10. Wykonany manewr pozwolił na uniknięcie zagrożenia kolizyjnego. W trakcie symulacji zrealizowano zadaną trasą, omijając jednocześnie płycizny.
Rys. 10. Zapis przebiegu symulacji
W trakcie symulacji możliwe było zapoznanie się ze specyfiką prowadzenia dużych jednostek pływających, która wymaga wykonywania manewrów z od-powiednim wyprzedzeniem ze względu na dużą bezwładność. Należało wyko-nać manewr antykolizyjny zgodny z prawidłami drogi morskiej. Możliwa była obserwacja świateł nawigacyjnych napotkanych jednostek.
Podsumowanie
Symulator realizuje najważniejsze funkcje nawigacyjne, jakie można spo-tkać na rzeczywistym statku. Zastosowany model matematyczny statku odwzo-rowuje dynamikę rzeczywistej jednostki pływającej. Dzięki temu prezentowany symulator może znaleźć zastosowanie jako narzędzie przygotowujące studentów i oficerów do zadań związanych z prowadzeniem statku. Odpowiednio przygo-towane scenariusze pozwalają na zapoznanie się w praktyce z prawidłami drogi morskiej.
Dostęp do danych radarowych i informacji opisujących ruch napotkanych jednostek pozwala na doskonalenie umiejętności związanych z zagadnieniami unikania kolizji.
Zastosowania dydaktyczne nie wykluczają innego wykorzystania symulato-ra. Za jego pomocą zweryfikowano w warunkach zbliżonych do rzeczywistych działania algorytmu regulatora trajektorii. Symulator został również wykorzy-stany do testowania systemu sterowania statkiem w sytuacji kolizyjnej [5, 6, 7]. Wyniki badań przedstawiono w pracy [8].
Wymienione cechy połączone ze stosunkowo niewielkimi wymaganiami sprzętowymi (komputer klasy PC), czynią z prezentowanego symulatora dobre narzędzie, które może znaleźć zastosowanie do celów naukowych, jak i dydak-tycznych. W dalszej perspektywie symulator zostanie wzbogacony o możliwość interakcji między jednostkami sterowanymi przez użytkowników. Możliwe bę-dzie również wprowadzenie awarii steru bądź napędu statku.
Literatura
1. Soares C.G., Teixeira A.P., Risk assessment in maritime transportation, Reliability, Engineering and System Safety 74 (2001) pp. 299-309.
2. Galbas J., Synteza układu sterowania precyzyjnego statkiem za pomocą sterów strumieniowych, Rozprawa doktorska, Gdańsk 1988.
3. Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery, Numerical Recipes in C The Art of Scientific Computing, Cambridge University Press 2002.
4. Tobiasz M., Łebkowski A., Tomera M., Dziedzicki K., Śmierzchalski R., Course and speed controller for ships steering in collision situation, 11th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, MMAR Międzyzdroje 2005.
5. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Evolutionary-fuzzy hybrid system of steer-ing the moveable object in dynamic environment. MCMCWC, IFAC Girona Spain, 17-19.09.2003.
6. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Dziedzicki K., Tobiasz M., Tomera M., Collision avoidance at sea by hybrid pfss system, 11th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, MMAR Międzyzdroje 2005.
7. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Hybrid System of Safe Ship Steering in a Collision Situation at Sea, KAEiOG, Łagów 2003.
8. Łebkowski A., Dziedzicki K., Tobiasz M., Śmierzchalski R., Tomera M., A marine environment simulator for testing ship control systems in danger-ous situations, ACSIM, Ełk 01, 03.07.2005.
9. Branstad Per, Use of Marine Simulators according to the STCW revision, Neues in der Shiffsbetriebstechnic, Gluckburg 30 May 97, 1-13.
10. Kluj S., The model of engine room simulator, 11th Ship Control Systems Symposium, Vol. 2, Southampton, UK, 567- 576 May 97, 1-13.
11. Help is at hand for training and safety, MER, May 99, no 51.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.
Recenzent
prof. dr hab. inż. Bernard Wiśniewski
Adresy Autorów
mgr inż. Krzysztof Dziedzicki, dr hab. inż. Roman Śmierzchalski, mgr inż. Andrzej Łebkowski Akademia Morska w Gdyni Katedra Automatyki Okrętowej ul. Morska 83, 81
