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
Wiesław Juszkiewicz
Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego
w urządzeniach ARPA
Słowa kluczowe: śledzenie, ARPA, bezpieczeństwo żeglugi
Podstawowym zadaniem stawianym przed urządzeniami umożliwiającymi automa-tyczne śledzenie obiektów jest zapewnienie obserwatorowi możliwości właściwej oceny sytuacji panującej wokół statku własnego, włączając w to możliwość zaplanowania sku-tecznego i bezpiecznego manewru zapobiegawczego. W artykule przedstawiono wyniki eksperymentu przeprowadzonego w symulatorze nawigacyjno-radarowym, którego ce-lem była weryfikacja dokładności planowania akcji zapobiegawczej z użyciem funkcji TRIAL.
The Verification of Anti-collision Trial Manoeuvre Accuracy
in ARPA Systems
Key words: tracking, ARPA, safety of navigation
The main goal of tracking systems is providing the observer with a proper safety assessment, including a possibility of proper and effective trial manoeuvre planning. For the trial manoeuvre accuracy examination, some typical scenarios were simulated in a radar simulator. The research results of trial function accuracy are presented in the article.
Wstęp
We wszystkich dokumentach precyzujących zasady prowadzenia kursów obsługi urządzeń ARPA szczególną uwagę zwraca się na konieczność prezenta-cji błędów i ograniczeń urządzeń oraz niebezpieczeństwa wynikającego ze zbyt-niego zaufania do wskazań ARPA. Istotnie w trakcie prowadzenia kursów daje się zauważyć zbyt duży poziom zaufania, jakim nawigatorzy darzą uzyskiwane z ARPA dane o śledzonych obiektach. Oficerowie w praktyce często zapominają o ograniczeniach urządzeń ARPA lub wręcz ich nie znają. Fakt ten skutkuje podejmowaniem decyzji bardziej ryzykownych, powodujących zmniejszenie wartości bezpiecznej odległości mijania się ze śledzonymi obiektami. W tym kontekście również istotne znaczenie ma, z punktu widzenia bezpieczeństwa podejmowanych przez nawigatorów decyzji, znajomość dostępnych rozwiązań oraz powiązanych z nimi ograniczeń funkcji TRIAL.
Funkcja manewru próbnego (TRIAL) jest jedną z podstawowych funkcji wymaganych w urządzeniach z automatycznym śledzeniem ech (ARPA). Zgod-nie z Rezolucją IMO A.823(19) powinna ona zapewnić możliwość symulacji wpływu manewru statku własnego na ruch wszystkich śledzonych obiektów bez przerywania procesu ich śledzenia i wyświetlania aktualnych danych. Symulacja ta może być przeprowadzona z uwzględnieniem lub bez uwzględnienia czasu opóźnienia rozpoczęcia manewru (manewr natychmiastowy) oraz parametrów manewrowych statku własnego (statyczna lub dynamiczna forma prezentacji skutków planowanego manewru) [5].
Ponieważ wymagania dotyczące funkcji manewru próbnego, zawarte we wspomnianej rezolucji, mają dosyć ogólny charakter, w praktyce spotyka się wiele wariantów jej realizacji [1, 2]. Z punktu widzenia nawigatora wykorzystu-jącego urządzenia ARPA istotna jest znajomość podstawowych ograniczeń wspomnianej funkcji oraz precyzji, z jaką możliwe jest zaplanowanie a następnie wykonanie akcji zapobiegawczej. Jedynie pełna wiedza na ten temat pozwala zaplanować efektywny i zarazem bezpieczny manewr antykolizyjny.
W związku z tym podjęto próbę oceny dokładności planowania takiej akcji z użyciem funkcji manewru próbnego, a polegającej na porównaniu planowanej i uzyskanej w rzeczywistości najmniejszej odległości minięcia się statków. Przeprowadzone symulacje w symulatorze nawigacyjno-radarowym polegały na rozwiązywaniu sytuacji kolizyjnych poprzez dokładne wykonanie manewrów zapobiegawczych, wypracowanych wcześniej z użyciem funkcji TRIAL. W trakcie eksperymentu wykorzystane zostały urządzenia antykolizyjne różnych producentów (Norcontrol, Furuno, Atlas, Sperry), charakteryzujące się różnym sposobem realizacji funkcji manewru próbnego i formą prezentacji informacji o skuteczności wybranego manewru.
Na podstawie uzyskanych wyników dokonano weryfikacji dokładności i skuteczności funkcji manewru próbnego zastosowanej w wybranych urządze-niach ARPA.
1. Sposoby realizacji funkcji manewru próbnego
Jak już wspomniano, wymagania dotyczące funkcji manewru próbnego ma-ją ogólny charakter i w związku z tym w praktyce spotyka się wiele jej warian-tów. Praktycznie każdy z producentów stosuje nieco inne rozwiązanie. Z punktu widzenia dokładności planowania manewru zapobiegawczego na pierwszy plan wysuwają się różnice wynikające z uwzględnienia (lub nie) zdolności manew-rowych statku własnego. W związku z tym urządzenia ARPA można podzielić na te, w których funkcja manewru próbnego realizowana jest w sposób dyna-miczny (dynamic trial presentation) lub statyczny (static trial presentation) [1, 2]. Dodatkowo można wyróżnić urządzenia umożliwiające wprowadzenie opóź-nienia czasowego rozpoczęcia planowanego manewru (delay time) lub zaplano-wanie jedynie manewru natychmiastowego. Należy jednak zauważyć, iż wspo-mniane opóźnienie czasowe inaczej powinno być traktowane w przypadku dy-namicznej, a inaczej w przypadku statycznej formy prezentacji skutków plano-wanego manewru zapobiegawczego.
1.1. Statyczna forma prezentacji funkcji manewru próbnego
Statyczna forma prezentacji manewru próbnego może być porównana do planowania manewru zapobiegawczego na nakresie radarowym (oczywiście, symulacja prowadzona jest jednocześnie dla wszystkich śledzonych obiektów). Ponieważ nie są uwzględnione parametry manewrowe statku własnego, plano-wany manewr nie jest w praktyce możliwy do wykonania. Z tego powodu przy planowaniu akcji bez opóźnienia czasowego manewr powinien zostać zaplano-wany z pewnym zapasem i ze świadomością tego, że w efekcie po wykonaniu manewru, uzyskana najmniejsza odległość minięcia (CPA – Closest Point of Approach) będzie nieco mniejsza od wcześniej zaplanowanej. Precyzja plano-wania zależy zatem zarówno od doświadczenia nawigatora, jak i znajomości parametrów manewrowych własnej jednostki. W zależności od wydatności pla-nowanego manewru wspomniany zapas plapla-nowanego CPA powinien być mniej-szy lub więkmniej-szy.
Te opóźnienia czasowego rozpoczęcia manewru (delay time) pozwala w sposób pośredni uwzględnić czas, w jakim możliwy jest do wykonania pla-nowany manewr. W tym przypadku nawigator także powinien znać charaktery-styki manewrowe statku własnego i odpowiednio wcześnie rozpocząć wykony-wanie manewru zapobiegawczego, tak aby zakończyć go w przybliżeniu w
mo-mencie, na który zaplanowano manewr. W związku z tym opóźnienie czasowe w przypadku statycznej formy prezentacji nie może być postrzegane jako czas pozostający do rozpoczęcia manewru, ale faktycznie jako czas konieczny na jego wykonanie. Najczęściej po wprowadzeniu opóźnienia czasowego w tej formie prezentacji manewru próbnego, nie jest ono odliczane do zera, ale utrzymuje stałą wartość w trakcie planowania manewru (np. Atlas 9800, Furuno 2805). Powoduje to stałe przesuwanie wektorów śledzonych obiektów przed ich echami, w odległości równej drodze, jaką pokonają one w czasie wprowadzone-go opóźnienia wykonania manewru. Powoduje to stałą zmianę sytuacji i konieczność ciągłej korekty planowanego manewru.
1.2. Dynamiczna forma prezentacji funkcji manewru próbnego
W porównaniu ze statyczną formą prezentacji informacji, dynamiczna od-miana tej funkcji powinna w sposób bardziej rzeczywisty odzwierciedlać pla-nowany manewr. Dzieje się tak dzięki wprowadzeniu (co prawda w bardzo uproszczonej formie) parametrów manewrowych statku własnego. W praktyce najczęściej stosowanymi parametrami są:
prędkość kątowa zwrotu (turn rate) – wykorzystywana przy planowaniu manewru zmiany kursu i wyrażona w [°/min],
szybkość zmiany prędkości statku własnego (speed rate) – wykorzystywa-na podczas planowania zmiany prędkości statku i wyrażowykorzystywa-na w [w/min]. Mogą one być dostępne dla operatora w trakcie normalnej eksploatacji, umożliwiając mu dostosowanie szybkości wykonania planowanego manewru do aktualnej sytuacji, w jakiej znajduje się statek własny (urządzenia firmy Nor-control). Nieco mniej funkcjonalnym jest rozwiązanie pozwalające na zmianę wartości ww. parametrów jedynie przy wyłączonym urządzeniu, np. przez usta-wienie odpowiedniej kombinacji mikroprzełączników. Rozwiązanie takie stosu-je firma Kelvin Hughes.
1.3. Obszary zagrożenia kolizyjnego – PAD
Obszary zagrożenia kolizyjnego PAD (Predicted Area of Danger) są alter-natywnym do wektorów sposobem prezentacji sytuacji kolizyjnej, dostępnej w urządzeniu ARPA firmy Sperry. Ich wielkość zależy m.in. od wartości limitu CPA wprowadzonego przez operatora. Pozwalają one w łatwy sposób zaplano-wać akcję zapobiegawczą, polegającą na zmianie kursu. Wielkość planowanego manewru można określić namierzając się na kraniec prezentowanych na ekranie obszarów PAD. Podjęty manewr powinien zapewnić wyprowadzenie kreski kursowej poza obszar PAD. Będzie to oznaczać uzyskanie wymaganej bez-piecznej odległości minięcia się ze śledzonym obiektem.
2. Scenariusze sytuacji kolizyjnych
Badania przeprowadzone zostały w symulatorze radarowo-nawigacyjnym NMS-90 firmy Norcontrol. Wykorzystano dwa modele statków: masowca i kontenerowca, co pozwoliło na zróżnicowanie prędkości wykonywania ma-newru.
W trakcie eksperymentu symulowane były sytuacje kolizyjne (CPA = 0), w których zadaniem operatora było zaplanowanie manewru zapobiegawczego, polegającego na zmianie kursu i zapewniającego minięcie się statków w określonej bezpiecznej odległości (1 lub 2 Mm), a następnie jego dokładna realizacja.
2.1. Charakterystyka wykorzystanych modeli statków
W trakcie symulacji wykorzystano matematyczne modele dwóch statków, których podstawowe dane przedstawia tabela 1.
Tabela 1 Dane modeli statków [3]
Ship models data
Model statku Długość [m] Szerokość [m] Zanurzenie [m] DWT [T] Obroty (CN) [obr./min] Prędkość (CN) [w] Masowiec (BULKCARIER) 174,0 31,1 12,0 54600 124 14,5 Kontenerowiec (CONTAINER) 194,5 30,5 11,2 37636 87 23,8
W celu umożliwienia precyzyjnego ustalenia prędkości kątowej manewrów zmiany kursu, przy dynamicznej formie manewru próbnego, dokonano pomia-rów prędkości kątowej zwrotu w trakcie wykonywania manewpomia-rów zmiany kursu w zakresie 010° 090°, a następnie wyliczono wartość średnią prędkości kąto-wej uzyskiwanej w trakcie poszczególnych manewrów. Zmiany wartości pręd-kości kątowej zwrotu zostały przedstawione na rysunkach 1 i 2. Następnie okre-ślono wartość średniej prędkości kątowej dla wszystkich manewrów zmiany kursu, która została wykorzystana w trakcie dynamicznego planowania akcji zapobiegawczej i wynosi odpowiednio:
– dla masowca 20,4°/min; – dla kontenerowca 31,8°/min.
Model statku: BULKC 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Wielkość zmiany kursu [stopnie]
S zy bk oś ć ką to w a zw ro tu [s to p n ie /m in ]
w art. średnia w art. maksymalna
średnia w artość dla w szystkich manew rów : 20,4 st/min
Rys. 1. Prędkość kątowa zwrotu modelu masowca Fig. 1. Rate of turn value for a Bulkcarrier model
Model statku: CONTAINER
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Wielkość zmiany kursu [stopnie]
S zy bk oś ć ką to w a zw ro tu [s to p n ie /m in ]
w art. średnia w art. maksymalna
średnia w artość dla w szystkich manew rów : 31,8 st/min
Rys. 2. Prędkość kątowa zwrotu modelu kontenerowca Fig. 2. Rate of turn rate value for Container model
Biorąc pod uwagę statyczną formę realizacji funkcji manewru próbnego z możliwością wprowadzenia opóźnienia wykonania manewru (delay time), zarejestrowano również czasy trwania manewrów zmiany kursu (tab. 2).
Analizując zawarte w niej wyniki można stwierdzić, iż dla modelu masow-ca wprowadzenie 2-minutowego czasu opóźnienia właściwe jest dla manewrów zmiany kursu do 40°, natomiast dla zwrotów w zakresie 40° do 70° konieczne jest już wprowadzenie 3-minutowego opóźnienia. W przypadku modelu konte-nerowca dla zwrotów do 70° wystarcza wprowadzenie opóźnienia czasowego równego 2 minutom. Container Bulkcarrier P rę dko ść ką to wa zwr otu P rę dko ść ką to wa zwr otu
Tabela 2 Czas wykonania manewru zmiany kursu
Time of ship course alteration Model statku Wielkość zmiany kursu
10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° Bulkcarrier 1m24s 1m38s 1m52s 2m07s 2m22s 2m35s 2m55s 3m10s 3m27s
Container 0m44s 0m57s 1m07s 1m20s 1m33s 1m45s 2m01s 2m15s 2m29s
2.2. Scenariusze testowe
W celu określenia błędu prognozy manewru zapobiegawczego (uzyskanej z wykorzystaniem funkcji TRIAL) przeprowadzono symulacje, polegające na dokładnym wykonaniu wcześniej wypracowanego manewru. Punktem wyjścia był jeden z przedstawionych w tabeli 3 scenariuszy początkowych.
Tabela 3 Dane początkowe symulowanych scenariuszy testowych
Initial scenarios data
Scenariusz Model statku Dane statku własnego Dane obiektu 1 Bulkcarrier Kw = 000°; Vw = 14,5 w Ko = 180°; Vo = 14,5 w NR = 000°; D = 7,0 Mm 2 Container Kw = 000°; Vw = 23,8 w Ko = 180°; Vo = 14,5 w NR = 000°; D = 8,45 Mm 3 Bulkcarrier Kw = 000°; Vw = 14,5 w Ko = 270°; Vo=14,5 w NR = 045°; D = 6,5 Mm 4 Container Kw = 000°; Vw = 23,8 w Ko = 031,5°; Vo = 14,5 w NR = 000°; D = 7,0 Mm Początkowa pozycja obiektu uzależniona była od rodzaju spotkania (statki na kursach przeciwnych lub na kursach przecinających się) oraz wykorzystywa-nego modelu statku (masowiec lub kontenerowiec). Manewr planowany był zawsze w momencie, gdy echo znalazło się w odległości 5 Mm od statku wła-snego i z założenia polegał na zmianie kursu w prawo.
3. Zestawienie i analiza uzyskanych wyników
W trakcie przeprowadzonych prób dla każdego wariantu scenariusza okre-ślone zostały wartości planowanego manewru zapobiegawczego dla dwóch za-łożonych odległości mijania oraz faktycznie uzyskane wartości CPA. Ich po-równanie pozwoliło na weryfikację dokładności planowania opisanych wcze-śniej wariantów funkcji manewru próbnego, a mianowicie:
– statycznej formy planowania bez opóźnienia czasowego (FAR 2805, Atlas 9800, Rascar Sperry) – SFP(0);
– statycznej formy planowania z możliwością wprowadzenia opóźnienia czasowego manewru (FAR 2805, Atlas 9800) – SFP(2);
– dynamicznej formy planowania manewru (DB7) – DFP; – obszary zagrożenia kolizyjnego (Rascar Sperry) – PAD.
Tabela 4 Rezultaty planowania i wykonania manewru zapobiegawczego dla CPAlimit = 1 Mm
Results of anticollision manoeuvre planning and execution for CPAlimit = 1 NM Zaplanowany manewr zapobiegawczy
SFP(0) SFP(2) DFP PAD
Scenariusz 1 024 030 025 031
Scenariusz 2 020 026 024 025
Scenariusz 3 024 028 023 028
Scenariusz 4 017 021 015 021
Uzyskana wartość CPA
SFP(0) SFP(2) DFP PAD Scenariusz 1 0,90 1,00 0,90 1,10 Scenariusz 2 0,90 1,05 1,10 1,10 Scenariusz 3 0,95 1,10 0,90 1,10 Scenariusz 4 1,00 1,20 0,85 1,20 Tabela 5 Rezultaty planowania i wykonania manewru zapobiegawczego dla CPAlimit = 2 Mm
Results of anticollision manoeuvre planning and execution for CPAlimit = 2 NM Zaplanowany manewr zapobiegawczy
SFP(0) SFP(2) DFP PAD
Scenariusz 1 048 063 055 058
Scenariusz 2 038 050 041 046
Scenariusz 3 049 056 054 044
Scenariusz 4 035 043 036 035
Uzyskana wartość CPA
SFP(0) SFP(2) DFP PAD
Scenariusz 1 1,65 1,85 1,80 1,90 Scenariusz 2 1,75 2,15 1,85 2,10 Scenariusz 3 1,85 2,05 2,05 1,70 Scenariusz 4 1,90 2,20 1,95 1,90
Analizując uzyskane wyniki symulacji należy stwierdzić, że dla planowane-go CPAlimit = 1 Mm, założona odległość minięcia się obiektów została osiągnięta
jedynie w 2 przypadkach, a mianowicie dla:
statycznej metody planowania manewru zapobiegawczego z
opóźnie-niem czasowym równym 2 minutom,
wykorzystania obszarów zagrożenia kolizyjnego.
Dwa pozostałe warianty planowania manewru zapobiegawczego pozwalały na wypracowanie manewrów, zapewniających minięcie się w odległości od 1,5 do 0,5 kabla mniejszej niż planowana.
W przypadku planowania akcji zapobiegawczej dla CPAlimit = 2 Mm
po-nownie najlepsze rezultaty uzyskano dla statycznej metody planowania akcji zapobiegawczej z wprowadzonym opóźnieniem czasowym równym 2 minutom. Pozostałe warianty w większości przypadków powodowały zaplanowanie zbyt małych manewrów, niezapewniających uzyskania w efekcie ich wykonania za-kładanej, minimalnej odległości minięcia się ze śledzonym obiektem.
Zakończenie
Przeprowadzony w symulatorze radarowym eksperyment miał za zadanie weryfikację dokładności prognozy manewru zapobiegawczego, uzyskanej w trakcie wykorzystania funkcji TRIAL. Na dokładność takiej prognozy wpływ ma wiele czynników. Można tu zaliczyć przede wszystkim: dokładność wyli-czonych danych obiektów, dokładność informacji o ruchu statku własnego, jak i sam sposób realizacji funkcji w danym typie urządzenia.
Analizując dopuszczalne warianty funkcji TRIAL spotykane w różnych ty-pach urządzeń ARPA i ich możliwości, może się wydawać, iż najpewniejszą prognozę powinna zapewnić dynamiczna forma prezentacji manewru próbnego. W tym przypadku nawigator powinien zadbać jedynie o prawidłowe ustawienie wartości parametrów turn rate i speed rate.
Przeprowadzony eksperyment nie potwierdził takiego intuicyjnego podej-ścia. Okazało się, że mimo dokładnego określenia średniej wartości parametru turn rate (dla wykorzystywanych w próbach matematycznych modeli statków), wypracowane manewry zmiany kursu były zbyt małe i nie zapewniły w efekcie wykonania manewru osiągnięcia zakładanej najmniejszej odległości minięcia. Wprowadzenie czasu opóźnienia wykonania manewru w statycznej formie pla-nowania pozwoliło uzyskać lepsze rezultaty (należy jednak pamiętać, że wpro-wadzone opóźnienie czasowe należy w tym przypadku traktować jako czas na wykonanie planowanego manewru, a nie moment jego rozpoczęcia).
Pod względem dokładności planowania przy mniejszych zakładanych odle-głościach minięcia na uwagę zasługuje wykorzystanie funkcji PAD. Jednak planowanie większych zwrotów (przy CPAlimit = 2 Mm), gdy występuje większa
redukcja prędkości statku własnego (nieuwzględniana podczas planowania) pogarsza dokładność planowania, nie zapewniając uzyskania planowanego CPA. Weryfikacja dokładności planowania akcji zapobiegawczej i upowszech-nienie tej wiedzy wśród użytkowników urządzeń antykolizyjnych jest bardzo istotna z punktu widzenia bezpieczeństwa żeglugi. We wszystkich dokumentach szkoleń dotyczących wykorzystania urządzeń ARPA można znaleźć uwagę o tym, że szczególny nacisk powinien zostać położony na przekazanie informacji o ograniczeniach tych urządzeń oraz problemie związanym ze zbyt dużym zau-faniem do wskazań ARPA. W tym kontekście istotne jest zwrócenie uwagi nie tylko na dokładność danych o śledzonych obiektach prezentowanych w meldun-kach radarowych, ale także na dokładność funkcji manewru próbnego, ponieważ jej niewłaściwe wykorzystanie i zbytnie zaufanie do wypracowanych z jej po-mocą manewrów zapobiegawczych może doprowadzić do powstania sytuacji kolizyjnych. W kontekście przeprowadzonych badań należy stwierdzić, iż wyko-rzystując funkcję manewru próbnego powinno się zawsze planować manewr nieco bardziej wydatny niż minimalny uzyskiwany z funkcji TRIAL, zwłaszcza podczas pracy na urządzeniu, którego dokładność i pewność wskazań nie została zweryfikowana w praktyce.
Literatura
1. Bole A.G., Dineley W.O., Radar and ARPA Manual, Butterworth Heine-man, Oxford 1999.
2. Juszkiewicz W., ARPA radar z automatycznym śledzeniem echa, WSM, Szczecin 1995.
3. Juszkiewicz W., Dokładność planowania i wykonania akcji zapobiegawczej z wykorzystaniem funkcji manewru próbnego, I Konferencja Naukowo-Techniczna (Bezpieczeństwo żeglugi), WSM, Szczecin 2002.
4. Norcontrol Simulation NMS-90, Instructor’s Reference Manual. 5. Rezolucja IMO A.823 (19) wraz z załącznikami.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.
Recenzent
dr hab. inż. kpt.ż.w. Adam Weintrit, prof. AM w Gdyni
Adres Autora
dr inż. Wiesław Juszkiewicz
Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin, e-mail: wjusz@am.szczecin.pl
