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 SZCZECINIEAndrzej Łebkowski, Roman Śmierzchalski, Marcin Tobiasz, Krzysztof Dziedzicki, Mirosław Tomera
Hybrydowy system sterowania statkiem na morzu
Słowa kluczowe: unikanie kolizji, system wspomagania decyzji.
W pracy opisano symulator umożliwiający badanie działania systemu sterowa-nia automatycznego ruchem statku w sytuacji zagrożesterowa-nia kolizją i występowasterowa-nia złych warunków hydrometeorologicznych. Zadaniem prezentowanego systemu jest wspomaganie decyzji nawigatora, a w przyszłości zastąpienie pracy nawigatora. Omówiono sposób wyznaczania bezpiecznej trasy przejścia statku, a także stero-wania po tej trasie.
The Hybrid System of Ship Control at Sea
Keywords: avoiding collisions at sea, decision support system.
The article presents a simulator for testing the operation of automatic systems controlling ship's movement in situations where a collision is a real threat, partic-ularly in poor hydro-meteorological conditions. The goal of the presented system is to support the navigator in decision making, with possible full replacement of his work in the future. Discussed is a method of determining a safe trajectory for the ship, and controlling its movement along this trajectory.
Wstęp
Transport morski jest ważnym elementem systemu gospodarczego świata. Statek jako środek transportu morskiego ma za zadanie przetransportowanie określonego towaru drogą morską z portu wyjścia do portu docelowego (rys. 1).
PORT WYJŚCIA PORT DOCELOWY DŁUGOŚĆ TRASY 1200 Nm ZAKRES 8 Nm Trasa przejścia Sytuacja kolizyjna
Rys. 1. Planowanie trasy przejścia statku
Drogę morską statku określa się za pomocą trasy przejścia statku. Trasa wyznaczana jest przez nawigatora, poprzez kolejne punkty zwrotu. Przykładowo przejście statku z portu w Gdyni do basenu Morza Śródziemnego może zawierać od 40 do 60 punktów zwrotu (ang. waipoint). Przy projektowaniu trasy przejścia uwzględnia się ograniczenia nawigacyjne takie jak np.: lądy, płytkowodzia, ka-nały itp. Sterowanie statkiem po określonej trasie przejścia realizowane jest po-przez zmiany kursu, co pozwala na prowadzenie statku po zadanej trasie, aż do osiągnięcia portu docelowego. Dodatkowo uwzględniając prognozy pogodowe, można dokonać korekty trasy. W czasie realizacji trasy może wystąpić sytuacja zagrożenia kolizyjnego. Uwzględniając zagrożenie kolizyjne, należy wykonać manewr antykolizyjny mający na celu bezpieczne mijanie się statków. Zgodnie z zaleceniami IMO (International Maritime Organization) każdy statek floty handlowej powinien dysponować środkami technicznymi, umożliwiającymi ste-rowanie po zadanej trasie przejścia. Do środków tych zaliczamy: autopilota, sys-temy radarowe, syssys-temy łączności jak również system AIS (Automatic
Identifi-cation System). System AIS umożliwia automatyczną wymianę informacji
z innymi jednostkami pływającymi i stacjami brzegowymi, dotyczącą oznacze-nia, położeoznacze-nia, kursu, prędkości, itd.
W celu wyznaczenia optymalnej i bezpiecznej trasy przejścia statku wła-snego i sterowania po tej trasie, opracowany został system PFSS (Path Finder
al-gorytmów ewolucyjnych do wyznaczania optymalnej i bezpiecznej trasy przej-ścia statku własnego oraz sterowania rozmytego do kierowania statkiem po za-danej trasie przejścia. Z tego względu system nazywany będzie hybrydowym systemem sterowania statkiem własnym. Dodatkową i istotną cechą systemu PFSS jest możliwość bezpiecznego oraz automatycznego sterowania statkiem własnym w sytuacjach kolizyjnych. System PFSS może być wykorzystywany jako system wspomagania decyzji nawigatora, co może przyczynić się w znacz-nym stopniu do odciążenia jego pracy, obejmującej prowadzenie obliczeń zwią-zanych z wyznaczeniem trasy przejścia statku, jak również z utrzymywaniem statku na tej trasie. Proponowane rozwiązanie powinno przyczynić się w znaczą-cym stopniu do zmniejszenia liczby wypadków, do jakich dochodzi w żegludze morskiej, podwyższyć poziom bezpieczeństwa na morzach a także ograniczyć koszty eksploatacyjne statku.
1. Opis środowiska nawigacyjnego
Statek poruszając się w środowisku morskim spotyka różnego rodzaju ograniczenia nawigacyjne, które mogą mieć charakter statyczny lub dynamicz-ny. Do ograniczeń o charakterze statycznym można zaliczyć: linie brzegowe lą-dów, mielizny, obszary ograniczone uwarunkowaniami prawnymi (tory wodne, obszary rozdziału ruchu itp.), boje wodne, sieci rybackie oraz inne. W systemie PFSS przyjmujemy, że statyczne ograniczenia nawigacyjne aproksymowane są wielokątami w sposób podobny, w jaki tworzy się elektroniczne mapy wektoro-we. Do ograniczeń nawigacyjnych o charakterze dynamicznym należą spotkane inne statki i poruszające się obiekty (góry lodowe). Ograniczenia te modelowane są za pomocą ruchomych wielokątów o kształcie sześciokąta (dla poruszających się spotkanych obiektów) i ośmiokąta (dla zagrożeń wynikających z warunków hydrometeorologicznych). Przedstawiony obszar wokół spotkanych obiektów ruchomych [6] nazywany jest domeną (rys. 2).
LEWA BURTA
PRAWA BURTA
\
Rys. 2. Kształt przyjętej domeny dla statku będącego w ruchu
Rozmiar domeny zależny jest od sytuacji nawigacyjnej, a także parametrów ruchu oraz położenia spotkanych obiektów i statku własnego. Położenie, pręd-kość i namiar spotkanych obiektów określane jest przez urządzenie ARPA
przejścia dla statku własnego, przyjmuje się aktualne położenie statku własnego i parametry ruchu obiektów obcych w danej chwili określonych przez urządze-nie ARPA. Wyznaczona trasa przejścia statku własnego opisana jest za pomocą linii łamanej, składającej się z odcinków łączących punkt wyjściowy z zadanym punktem docelowym. Część spotkanych obiektów stanowi zagrożenie kolizyjne dla ruchu statku własnego. W zadaniu unikania kolizji założono, że niebezpiecz-nym obiektem obcym jest obiekt, który wszedł w obszar naszej obserwacji i przecina nasz kurs w niebezpiecznej odległości. Warunek przekroczenia nie-bezpiecznej odległości określa operator i zależy ona od warunków pogodowych, rejonu żeglugi, a także typu własnego statku.
2. System sterowania statkiem
System PFSS realizuje dwie podstawowe funkcje: optymalizuje trasę przej-ścia statku i zapewnia bezpieczne pokonanie akwenu po wyznaczonej trasie. Wyznaczając trasę przejścia składającą się z kolejnych punktów zwrotu statku, należy uwzględnić kryteria ekonomiczne ważne z punktu widzenia kosztów eks-ploatacji. Kryterium ekonomiczne uwzględnia: długość trasy, czas potrzebny na jej pokonanie, zmiany prędkości statku na poszczególnych etapach trasy oraz ilość wykonywanych manewrów. Podczas nawigacji po wyznaczonej trasie przejścia, w wypadku wystąpienia zagrożenia kolizyjnego, może wystąpić ko-nieczność skorygowania wcześniej ustalonej trasy. Przyjętą strukturę sterowania statkiem własnym w sytuacji kolizyjnej pokazano na rys. 3. Sposób wykorzysta-nia algorytmu ewolucyjnego do wyznaczawykorzysta-nia optymalnej trasy przejścia statku własnego przedstawiono w pracach [1, 3, 7]. Realizację zadanej trasy zapewnia regulator trajektorii opisany w pracach [2, 3].
Sterowanie statkiem własnym na morzu realizowane jest przez system PFSS na trzech poziomach. Na pierwszym poziomie sterowania, na podstawie znanych parametrów położenia portu wyjścia i portu docelowego z uwzględnie-niem ograniczeń nawigacyjnych, stosując algorytm ewolucyjny określa się glo-balną trasę przejścia statku. Zadanie to realizowane jest przez podsystem GR (Global Route) systemu PFSS. Drugi poziom struktury systemu PFSS obejmuje sterowanie statku po zadanej trasie przez regulator trajektorii TC (Trajectory
Controller). Trzeci poziom sterowania statkiem własnym jest aktywowany
w momencie pojawienia się zagrożenia kolizyjnego. W celu zapewnienia bez-piecznego mijania się statków, na tym poziomie sterowania, koryguje się wcze-śniej określoną na pierwszym poziomie trasę przejścia. Realizowane jest to po-przez procedurę optymalizacji lokalnej trasy statku własnego z wykorzystaniem podsystemu LR (Local Route) systemu PFSS.
P F S S
Baza danych informacji nawigacyjnych
LOG Echo-s onda stacj a METEO AIS GPS RADAR Mapa Elektroniczna W sp. Punktu Docelowego Regulator prędkości SILNIK GŁÓWNY Maszyna Sterowa
Sterowanie po wyznaczonej trasie przejścia (TC) POZIOM II TAK
NIE ARPA
Określenie globalnej trasy przejścia (GR) POZIOM I Korekcja globalnej trasy przejścia -Określenie lokalnej trasy przejścia (LR)
POZIOM III
CZY KOLIZJA ?
Rys. 3. Struktura sterowania statkiem własnym w sytuacji kolizyjnej z zastosowaniem systemu PFSS
2.1. Podsystem planowania globalnej trasy przejścia statku własnego
Podsystem GR systemu PFSS ma za zadanie wyznaczanie trasy przejścia dla statku własnego z uwzględnieniem informacji o zarysie lądów oraz prognoz meteorologicznych. Wyznaczanie trasy przejścia następuje na podstawie wyspe-cjalizowanego algorytmu ewolucyjnego, przedstawionego w pracy [4]. Mecha-nizm generowania początkowej populacji osobników algorytmu tras przejścia opiera się na losowej generacji pewnej ilości punktów zwrotu (genów), które tworzą daną trasę (osobnika populacji) pomiędzy punktem początkowym a koń-cowym. Punkty zwrotu generowane są na płaszczyźnie stanowiącej odwzorowa-nie rzeczywistego rejonu żeglugi statku własnego. Każda z tras przejścia ocenia-na jest za pomocą wartości funkcji przystosowania do danego środowiska ocenia- nawi-gacyjnego. Naruszenie któregokolwiek z ograniczeń statycznych lub dynamicz-nych przez trasę przejścia, powoduje odpowiednie zmniejszenie wartości funkcji przystosowania do środowiska nawigacyjnego. Populacja osobników tras przejścia – poddawana jest modyfikacjom za pomocą specjalizowanych operato-rów genetycznych. Do operatooperato-rów tych zaliczamy: krzyżowanie, mutacje, usu-wanie genu, dodausu-wanie genu, wygładzanie [6]. W wyniku prowadzenia operacji genetycznych określana jest trasa przejścia posiadająca najwyższą wartość funk-cji przystosowania do określonego środowiska. Najlepsza trasa przejścia (najlep-szy osobnik), uzyskana w rozwiązaniu końcowym, nazywana jest globalną trasą przejścia statku własnego.
Wsp. punktu
docelowgo Echo- sonda Mapa elektroniczna
.
Maszyna sterowa
2.2. Regulator trajektorii
Na podstawie wyznaczonej globalnej trasy przejścia przez podsystem GR oraz uwzględniając dynamikę statku własnego i aktualnie występujące zakłóce-nia pogodowe działające na kadłub statku, takie jak wiatr, prąd morski, falowa-nie, wyznacza się sterowanie dla trajektorii rzeczywistej statku własnego. Proces ten jest nadzorowany przez drugi poziom sterowania systemu PFSS. Sterowanie po wyznaczonej globalnej trasie przejścia dokonywane jest z zastosowaniem rozmytego regulatora trajektorii. Do sterowania po wyznaczonej trasie przejścia wykorzystano idee statku wirtualnego, poruszającego się po wyznaczonej trasie przez podsystem GR. Zasadę pracy regulatora trajektorii oparto na procesie mi-nimalizacji uchybu poprzecznego EY oraz wzdłużnego EX odchylenia położenia
statku od zadanej trasy przejścia, z zachowaniem ustalonego czasu osiągnięcia kolejnego punktu zwrotu (rys. 4).
Regulator trajektorii z wirtualnym statkiem jako obiektem odniesienia umożliwia sterowanie statkiem własnym po odcinkach pomiędzy kolejnymi punktami zwrotu PZi (xi, yi, ti). W otoczeniu punktów zwrotu statek wirtualny, za
którym podąża statek własny, porusza się po wyznaczonych odcinkach okręgów. Promienie okręgów dobierane są przez odrębne procedury regulatora trajektorii z uwzględnieniem właściwości manewrowych statku własnego. Opracowany re-gulator trajektorii zbudowany jest z dwóch rozłącznych rere-gulatorów rozmytych typu Mamdamiego, regulatora kursu i regulatora prędkości [5]. Podczas pracy regulatorów w czasie rzeczywistym kontrolowane i korygowane jest odchylenie od wyznaczonego kursu oraz prędkość przemieszczania statku własnego po za-danej globalnej trasie przejścia statku własnego. Bazy wiedzy wymienionych re-gulatorów rozmytych kursu i prędkości, opierają się na wiedzy eksperta.
X E Y E R x y statek własny statek wirtualny
i i i
Zi x y t P , ,Rys. 4. Zasada działania regulatora trajektorii z wirtualnym statkiem jako obiektem odniesienia, gdzie: PZi (xi, yi, ti) – i-ty punkt zwrotu
2.3. Podsystem planowania lokalnej trasy przejścia statku własnego LR Trzeci poziom sterowania statkiem własnym aktywowany jest w przypadku zagrożenia kolizyjnego sygnalizowanego przez urządzenie ARPA. Poziom ten nazwano podsystemem LR (Local Route) systemu PFSS. Na podstawie informa-cji z systemu radarowego, ARPA określa parametry ruchu innych obiektów znajdujących się w otoczeniu statku własnego. Informacje te są dodatkowo po-równywane z danymi otrzymywanymi drogą radiową z systemu AIS. Przez oto-czenie statku własnego przyjmuje się obszar wokół statku będący w zasięgu ob-serwacji systemu radarowego. W praktyce zasięg obob-serwacji tego obszaru po-dyktowany jest możliwościami technicznymi radarów i może sięgać do 120 mil morskich. W sytuacji, gdy dojdzie do naruszenia ustalonego przez nawigatora obszaru bezpiecznego wokół statku własnego przez inny statek lub przecięcia trajektorii statku własnego z trajektorią obiektu ruchomego, urządzenie ARPA wygeneruje alarm. Alarm generowany jest również w przypadku, gdy naruszony zostanie obszar bezpieczny zdefiniowany dla lądów i mielizn. Pojawienie się alarmu jest sygnałem o zaistnieniu sytuacji nawigacyjnej zagrażającej kolizją. Wraz z wygenerowaniem alarmu przez ARPA inicjowana jest procedura algo-rytmu ewolucyjnego, który dokonuje korekty wyznaczonej na poziomie pierw-szym – globalnej trasy przejścia statku własnego. Algorytm ewolucyjny korygu-je położenie istniejących lub wprowadza nowe punkty zwrotu. Modyfikacja glo-balnej trasy przejścia statku własnego dokonywana jest na odcinkach pomiędzy aktualnym położeniem statku wirtualnego, w którym zasygnalizowany został alarm przez urządzenie ARPA, a punktem przecięcia zadanej trasy przejścia z przyjętym horyzontem obserwacji przez nawigatora. Powstała w ten sposób skorygowana trasa przejścia nazywana jest lokalną trasą przejścia statku własne-go, która zawiera sekwencję odcinków o ustalonym kursie oraz prędkości.
3. Symulator środowiska nawigacyjnego
Opracowany symulator środowiska morskiego pozwala na modelowanie różnorodnych sytuacji nawigacyjnych. Modelowane w symulatorze obiekty dy-namiczne to poruszające się jednostki pływające, obszary złych warunków po-godowych a także cyklony. Cyklony opisane są jako obszary o zadanym pro-mieniu poruszające się z zadaną prędkością w określonym kierunku. Przyjęto, że w centrum cyklonu panują najgorsze warunki pogodowe, poprawiające się stop-niowo w miarę oddalania od centrum.
Trajektorie spotkanych jednostek (innych statków) składają się z sekwencji odcinków o ustalonym kursie oraz prędkości i nie podlegają żadnym modyfika-cjom. Własności dynamiczne spotkanych jednostek nie są określone ani mode-lowane, uwzględniono ich kinematykę.
Model zakłóceń hydrometeorologicznych obejmuje siły pochodzące od prądów morskich i wiatrów. Dane dotyczące warunków atmosferycznych gene-rowane są w symulatorze i uwzględniane podczas rozwiązywania równań
mode-lu matematycznego statku. Wartości poszczególnych parametrów tworzone są w sposób losowy z zachowaniem płynności zmian.
Zamodelowano również inne statyczne elementy środowiska morskiego w postaci boi nawigacyjnych, latarni morskich i sieci rybackich. Symulator uwzględnia zjawisko płytkowodzia, modelowane za pomocą wielokątów, dla których przypisana jest określona głębokość. W założeniach projektu przyjęto, że symulator będzie pozwalał na przemieszczanie się obiektów w środowisku morskim, którego integralną częścią jest linia brzegowa ograniczająca obszar ru-chu statków. Ukształtowanie lądu generowane jest losowo z zachowaniem zada-nego obrysu linii brzegowej.
Parametry ruchu obiektów dynamicznych i położenie obiektów statycznych oraz zarysy lądów i obszarów płytkowodzia inicjalizowane są jednorazowo pod-czas uruchomienia programu. W celu sprawnego edytowania i tworzenia różne-go typu sytuacji nawigacyjnych opracowany został program SEE, któreróżne-go ekran z przykładową sytuacją nawigacyjną pokazano na rys. 5.
Rys. 5. Widok okna programu SEE modelującego sytuacje nawigacyjne
Podczas pracy programu następuje cykliczna wymiana informacji pomiędzy modelem matematycznym statku a środowiskiem graficznym. Zmiany położe-nia, kursu i prędkości statku znajdują odbicie w wyświetlanej grafice. Operator symulatora ma możliwość kontroli nad statkiem poprzez zmianę jego parame-trów odpowiadających za ruch w modelowanym środowisku. Istnieje również możliwość obserwacji otoczenia statku. Widok okna nawigacyjnego symulatora przedstawiono na rys. 6.
Do celów modelowania sytuacji nawigacyjnych zaimplementowano dwa-dzieścia trójwymiarowych sylwetek różnego typu statków (tankowce, masowce,
promy pasażerskie, żaglowce, jachty) istotnych z punktu widzenia przepisów MPDM.
Użytkownik symulatora może obserwować zmiany sytuacji pogodowej oraz stanu morza prezentowanych w technice 3D. Długość i wysokość fal zmienia się według skali Pedersena, natomiast bieżące warunki atmosferyczne określane są w skali Beauforta, dla której opracowano zakres widoczności.
Rys. 6. Widok zamodelowanej sytuacji nawigacyjnej z okna nawigacyjnego symulatora PFSS
Elementy statyczne tworzące sytuację nawigacyjną modelowane w symula-torze przedstawiono na rys. 7. Podczas obserwacji sytuacji nawigacyjnej na ekranie radarowym (rys. 8), operator ma możliwość podglądu parametrów opi-sujących własny statek, jak również parametry spotkanych obiektów. W łatwy sposób może zmieniać parametry, których przekroczenie przez ograniczenia na-wigacyjne o charakterze statycznym lub dynamicznym, będzie sygnalizowane przez system ARPA. W przypadku inicjacji alarmu kolizyjnego przez urządze-nie ARPA, w trybie pracy automatycznej systemu, aktywowany jest trzeci po-ziom sterowania systemu PFSS. Zadziałanie podsystemu LR sygnalizowane jest
dla operatora podświetleniem okienka z napisem „PFSS_LR WORKING” w oknie nawigacyjnym.
Rezultaty działania podsystemu LR możemy zaobserwować po zmianie kształtu linii przedstawiającej zadaną trasę przejścia statku (rys. 8).
Rys. 7. Elementy statyczne środowiska symulatora
Rys. 8. Wyznaczenie manewru antykolizyjnego przez podsystem LR
Podsumowanie
Opisany hybrydowy system PFSS bezpiecznego sterowania statkiem na morzu, wykorzystujący do wyznaczenia optymalnej trasy przejścia statku wła-snego techniki komputerowe: algorytmy ewolucyjne i sterowanie rozmyte,
sta-nowi nowe podejście do problemu unikania kolizji na morzu w środowisku z ograniczeniami nawigacyjnymi o charakterze statycznym i dynamicznym.
W opracowanym symulatorze modelowane są podstawowe dynamiczne pa-rametry środowiska morskiego. Uwzględniono zjawiska związane ze złą wi-docznością, efekt płytkowodzia oraz inne obiekty nawigacyjne o charakterze sta-tycznym (lądy, tory wodne, boje nawigacyjne, obszary ograniczonego ruchu, łowiska, latarnie morskie) a także dynamicznym (inne poruszające się jednostki pływające, góry lodowe oraz obszary niekorzystnych warunków pogodowych). Wykorzystany model matematyczny statku odwzorowuje własności dynamiczne jednostki pływającej typu B-481. Przedstawiony symulator pozwala na modelo-wanie różnych sytuacji nawigacyjnych, umożliwiając tym samym weryfikację ilościową proponowanego systemu sterowania statkiem.
Przedstawiony symulator wraz z systemem PFSS może stanowić komplek-sowe narzędzie do nauki nawigacji morskiej, a sam system PFSS może być wy-korzystany jako system wspomagania decyzji przez nawigatora na morzu.
Praca finansowana przez Komitet Badań Naukowych w ramach grantu 3-T11A-003-26.
Literatura
1. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Evolutionary fuzzy hybrid system of
steer-ing the moveable object in dynamic environment. IFAC MCMC, Girona
2003.
2. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Hybrid System of Safe Ship Steering in
a Collision Situation at Sea. KAEiOG, Łagów 2003.
3. Łebkowski A., Śmierzchalski R., System of safe ship steering in a collision
situation at sea. IEEE MMAR, Międzyzdroje 2004.
4. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Tomera M., Modelowanie domen oraz
ob-szarów pogodowych w procesie wyznaczania trasy przejścia statku. XV
KKA, Warszawa 2005.
5. Morawski L., Tomera M., Using the back propagation method to tuning
pa-rameters of ship course fuzzy controller. V KAEiOG, Jastrzębia Góra 2001.
6. Śmierzchalski R., Michalewicz Z., Modelling of a Ship Trajectory in
Colli-sion Situations at Sea by Evolutionary Algorithm. Journal of IEEE
Transac-tion on EvoluTransac-tionary ComputaTransac-tion 2000 No. 3, vol. 4, pp. 227-241.
Recenzenci
dr hab. inż. Tadeusz Szelangiewicz, prof. PS prof. dr hab. inż. kpt. ż.w. Stanisław Gucma
Adres Autorów
mgr inż. Andrzej Łebkowski
dr hab. inż. Roman Śmierzchalski, prof. AM w Gdyni mgr inż. Marcin Tobiasz
mgr inż. Krzysztof Dziedzicki dr inż. Mirosław Tomera Akademia Morska w Gdyni Katedra Automatyki Okrętowej ul. Morska 83
