RU2459742C1

RU2459742C1 - Method of forecasting mooring object motion

Info

Publication number: RU2459742C1
Application number: RU2011108200/11A
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Юдин (RU); Юрий Иванович Юдин; Виталий Витальевич Иванов (RU); Виталий Витальевич Иванов; Николай Анатольевич Глущенко (RU); Николай Анатольевич Глущенко
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-08-27

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to water transport and may be used for safe mooring. Proposed method consists in measuring mooring object linear longitudinal, linear transverse and angular acceleration in real time be means of accelerometers. Measured data are transmitted to mooring ship. Mooring object accelerations and its mathematical model are used to identify, at mooring ship, current parameters of mooring object mathematical model. Then, measurements and model parameter identification are repeated.

EFFECT: higher accuracy and safety in mooring.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к водному транспорту и может быть использовано для безопасной швартовки швартующегося судна к объекту швартовки, а также для слежения и контроля за движением плавучих объектов и их идентификации в районе плавания.The invention relates to water transport and can be used for safe mooring of a mooring vessel to the mooring object, as well as for tracking and monitoring the movement of floating objects and their identification in the navigation area.

Одним их важнейших условий безопасного выполнения швартовных операций к объекту швартовки, находящемуся в постоянном движении (плавучее гидротехническое сооружение, судно, стоящее на якоре, дрейфующее судно и т.п.), является наличие у швартующегося судна возможности непрерывно прогнозировать характер движения объекта швартовки вне зависимости от погодных условий и времени суток в районе выполнения швартовной операции [10], [11], [12]. При этом необходимо учитывать факторы, влияющие на особенности движения объекта швартовки. К указанным факторам, прежде всего, следует отнести: текущие гидро- и аэродинамические характеристики объекта швартовки, ветер, волнение, течение и др.One of the most important conditions for safely performing mooring operations to a mooring facility in constant motion (a floating hydraulic structure, an anchored vessel, a drifting vessel, etc.) is the possibility for a mooring vessel to continuously predict the nature of the mooring facility’s movement, regardless from weather conditions and time of day in the area of the mooring operation [10], [11], [12]. In this case, it is necessary to take into account factors affecting the features of the movement of the mooring object. These factors, first of all, include: current hydro- and aerodynamic characteristics of the mooring object, wind, waves, current, etc.

Для выполнения указанного выше условия безопасного осуществления швартовной операции швартующегося судна к объекту швартовки, находящемуся в постоянном движении, швартующемуся судну необходимо иметь базовую математическую модель объекта швартовки и в непрерывном режиме получать информацию об измеренных на объекте швартовки текущих значениях динамических параметров, отражающих характер его движения.To fulfill the above conditions for the safe implementation of the mooring operation of the mooring vessel to the mooring facility, which is in constant motion, the mooring vessel must have a basic mathematical model of the mooring facility and continuously receive information about the current values of dynamic parameters measured at the mooring facility that reflect the nature of its movement.

При этом за базовую математическую модель объекта швартовки принимают математическую модель, описывающую динамические свойства объекта швартовки без учета текущих значений параметров, характеризующих его посадку в воде, а также параметров, характеризующих состояние внешней среды в районе выполнения швартовной операции. Получение базовой математической модели, практически, любого плавучего объекта не является сложной технической и математической задачей [2], [3], [9], более того, в качестве базовой модели неизученного объекта швартовки может быть использована математическая модель аналогичного изученного объекта швартовки.At the same time, the mathematical model describing the dynamic properties of the mooring object without taking into account the current values of the parameters characterizing its landing in water, as well as parameters characterizing the state of the environment in the area of the mooring operation, is taken as the basic mathematical model of the mooring object. Obtaining a basic mathematical model of practically any floating object is not a difficult technical and mathematical task [2], [3], [9]; moreover, a mathematical model of a similar studied mooring object can be used as a basic model of an unexplored mooring object.

Динамическими параметрами, отражающими характер движения объекта швартовки, являются его линейное продольное

и линейное поперечное

ускорения, а также угловое ε_k ускорение. Текущие значения динамических параметров, отражающих характер движения объекта швартовки, могут быть измерены с использованием одного (универсального) акселерометра, одновременно измеряющего все указанные ускорения или нескольких акселерометров, каждый из которых измеряет только одно ускорение.The dynamic parameters reflecting the nature of the movement of the mooring object are its linear longitudinal

and linear transverse

acceleration, as well as angular ε _k acceleration. The current values of dynamic parameters reflecting the nature of the mooring object's movement can be measured using one (universal) accelerometer that simultaneously measures all the indicated accelerations or several accelerometers, each of which measures only one acceleration.

Наличие на швартующемся судне базовой математической модели объекта швартовки и его текущих значений линейных и углового ускорений позволяет непрерывно идентифицировать математическую модель объекта швартовки и прогнозировать характер его движения в данных условиях выполнения швартовной операции.The presence of a basic mathematical model of the mooring object on the mooring vessel and its current values of linear and angular accelerations allows us to continuously identify the mathematical model of the mooring object and to predict the nature of its movement under the given conditions of the mooring operation.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении точности и безопасности выполнения швартовной операции к плавучему объекту, находящемуся в движении.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to increase the accuracy and safety of performing a mooring operation to a floating object in motion.

Технический результат достигается за счет того, что швартующееся судно использует идентифицированную математическую модель плавучего объекта швартовки для прогнозирования характера его движения на расстоянии.The technical result is achieved due to the fact that the mooring vessel uses the identified mathematical model of a floating mooring object to predict the nature of its movement at a distance.

Сущность способа заключается в следующем.The essence of the method is as follows.

При выполнении швартующимся судном швартовной операции к борту плавучего подвижного объекта (объект швартовки, например, гидротехническое сооружение, дрейфующее судно, судно, стоящее на якоре, и др.), используют базовую математическую модель объекта швартовки для компьютерного моделирования при прогнозировании его движения в ходе швартовной операции. Эта модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, общий вид которых в соответствии с данными, представленными в работах [1], [2], [3], [8], [9], следующий:When a mooring vessel performs a mooring operation on board a floating moving object (mooring object, for example, a hydraulic structure, a drifting vessel, an anchored vessel, etc.), a basic mathematical model of the mooring object is used for computer simulation when predicting its movement during the mooring operations. This model is a system of differential equations, the general form of which, in accordance with the data presented in [1], [2], [3], [8], [9], is as follows:

где υ_х, υ_y - проекции вектора линейной скорости в центре тяжести (ЦТ) объекта швартовки на продольную 0Х и поперечную 0Y оси, соответственно (см. Фиг.1);where υ _x , υ _y are the projections of the linear velocity vector in the center of gravity (CT) of the mooring object on the longitudinal 0X and transverse 0Y axis, respectively (see Figure 1);

ω - угловая скорость объекта швартовки;ω is the angular velocity of the mooring object;

C₁, С₂, С₃, С_m - параметры математической модели [1], [2], [3], [8], [9].C ₁ , C ₂ , C ₃ , C _m are the parameters of the mathematical model [1], [2], [3], [8], [9].

В процессе движения объекта швартовки с помощью акселерометров в реальном масштабе времени измеряют линейные продольное

, поперечное

и угловое ε_k ускорения объекта швартовки N раз за цикл обработки продолжительностью Т и шагом Δt, так чтоIn the process of moving the mooring object using accelerometers in real time, linear longitudinal

transverse

and the angular ε _k acceleration of the mooring facility N times per processing cycle of duration T and step Δt, so that

Измеренные на объекте швартовки значения ускорений с использованием компьютерной системы Wi-Fi [4], [6], [7] передают на швартующееся судно.The acceleration values measured at the mooring facility using the Wi-Fi computer system [4], [6], [7] are transmitted to the mooring vessel.

По измеренным значениям ускорений находят соответствующие значения линейных и угловой скоростей:The measured values of the accelerations find the corresponding values of linear and angular velocities:

Рассчитывают невязки Δ_k, т.е. разности между левой и правой частями дифференциальных уравнений движения судна (1) в момент k-го измерения:The residuals Δ _{k are} calculated, i.e. the difference between the left and right sides of the differential equations of motion of the vessel (1) at the time of the k-th measurement:

Как следует из уравнений (1), (4), количество идентифицируемых параметров равно m.As follows from equations (1), (4), the number of identifiable parameters is m.

Для определения значений параметров математической модели объекта швартовки С₁, С₂, С₃, С_m строится взвешенная сумма квадратов невязок:To determine the values of the parameters of the mathematical model of the mooring object С ₁ , С ₂ , С ₃ , С _{m, a} weighted sum of squared residuals is constructed:

здесь ρ - вес уравнения в системе (1) (0≤ρ≤1,0), ρ устанавливается по приоритету оператором в соответствии со степенью важности уравнения при прогнозировании движения объекта швартовки. В случае равнозначности уравнений в системе (1) ρ₁, ρ₂, ρ₃можно принимать равными 1,0.here ρ is the weight of the equation in system (1) (0≤ρ≤1,0), ρ is set by priority by the operator in accordance with the degree of importance of the equation when predicting the movement of the mooring object. In the case of equivalence of equations in system (1), ρ ₁ , ρ ₂ , ρ ₃ can be taken equal to 1.0.

Сумму квадратов невязок минимизируют. Для этого сумму дифференцируют по идентифицируемым параметрам C_q (q=1, …, m) и частные производные приравнивают к нулю, тем самым образуется система нормальных уравнений, состоящая из m уравнений по количеству идентифицируемых параметров:The sum of squared residuals is minimized. To do this, the sum is differentiated by identifiable parameters C _q (q = 1, ..., m) and the partial derivatives are equated to zero, thereby forming a system of normal equations consisting of m equations by the number of identifiable parameters:

Систему уравнений (6) решают методом последовательных приближений или Зейделя [5], если она линейная. Результатом решения системы уравнений (6) будут текущие значения параметров математической модели объекта швартовки (1), т.е. идентифицированные параметры.The system of equations (6) is solved by the method of successive approximations or Seidel [5] if it is linear. The result of solving the system of equations (6) will be the current values of the parameters of the mathematical model of the mooring object (1), i.e. identified parameters.

Далее цикл измерений и идентификацию параметров базовой математической модели объекта швартовки повторяют, что обеспечивает их постоянное обновление. Постоянно обновляющиеся параметры математической модели объекта швартовки делают математическую модель адекватной текущим условиям выполнения швартовной операции, что позволяет использовать идентифицированную математическую модель объекта швартовки для прогнозирования его движения в процессе выполнения швартовной операции швартующимся судном.Next, the measurement cycle and identification of the parameters of the basic mathematical model of the mooring object is repeated, which ensures their constant update. Constantly updated parameters of the mathematical model of the mooring object make the mathematical model adequate to the current conditions for performing the mooring operation, which allows the use of the identified mathematical model of the mooring object to predict its movement in the process of performing the mooring operation by the mooring vessel.

ЛитератураLiterature

1. Басин A.M. Ходкость и управляемость судов / A.M. Басин. - М.: Транспорт, 1967. - 255 с.1. Bassin A.M. Ship speed and controllability / A.M. Basin. - M.: Transport, 1967. - 255 p.

2. Васильев А.В. Управляемость судов: учеб. пособие / А.В.Васильев. - Л.: Судостроение, 1989. - 328 с.2. Vasiliev A.V. Manageability of ships: textbook. allowance / A.V. Vasiliev. - L .: Shipbuilding, 1989 .-- 328 p.

3. Гофман А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна: справочник / А.Д. Гофман. - Л.: Судостроение, 1988. - 360 с.3. Hoffman A.D. Propulsion and steering complex and maneuvering of the vessel: reference book / A.D. Hoffman. - L .: Shipbuilding, 1988 .-- 360 p.

4. Григорьев В.А. Сети и системы радиодоступа / В.А. Григорьев, О.И. Лагуненко, Ю.А. Распаев. - М.: Эко-Тренз, 2005. - 384 с.4. Grigoriev V.A. Networks and radio access systems / V.A. Grigoriev, O.I. Lagunenko, Yu.A. Raspayev. - M .: Eco-Trenz, 2005 .-- 384 p.

5. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука. 1974. 831 с.5. Korn G., Korn T. Handbook of mathematics (for scientists and engineers). M .: Science. 1974. 831 p.

6. Олифер В.Г. Компьютерные сети, принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - Спб.: Питер, 2006. - 958 с.6. Olifer V.G. Computer networks, principles, technologies, protocols: Textbook for universities. 3rd ed. / V.G. Olifer, N.A. Olifer. - St. Petersburg: Peter, 2006 .-- 958 p.

7. Педжман Л. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11.: Пер. с англ. / Л.Педжман. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. - 304 с.7. Pagman L. Fundamentals of the construction of wireless local area networks standard 802.11 .: Per. from English / L. Pagman. - M.: Williams Publishing House, 2004. - 304 p.

8. Соболев Г.В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения / Г.В. Соболев. - Л.: Судостроение, 1976. - 478 с.8. Sobolev G.V. Controllability of the ship and automation of navigation / G.V. Sobolev. - L .: Shipbuilding, 1976 .-- 478 p.

9. Справочник по теории корабля. В 3 т. Т.3: Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания / под ред. Я.И. Войткунского. - Л.: Судостроение, 1985. - 544 с.9. Handbook of ship theory. In 3 vol. T.3: Controllability of displacement vessels. Hydrodynamics of ships with dynamic principles of maintenance / ed. ME AND. Voitkunsky. - L .: Shipbuilding, 1985 .-- 544 p.

10. Тихомиров В.П. Управление маневрами корабля / В.П. Тихомиров. - М.: Воениздат, 1963. - 339 с.10. Tikhomirov V.P. Maneuvering the ship / V.P. Tikhomirov. - M .: Military Publishing House, 1963 .-- 339 p.

11. Цурбан А.И. Швартовные операции морских судов / А.И. Цурбан, A.M. Оганов. - М.: Транспорт, 1987. - 176 с.11. Tsurban A.I. Mooring operations of sea vessels / A.I. Durban, A.M. Oganov. - M.: Transport, 1987 .-- 176 p.

12. Юдин Ю.И. Совершенствование управления судном при выполнении швартовых операций на ходу в открытом море: автореф. дис.…канд. техн. наук / Ю.И.Юдин; Мурман. высш. инж. мор. уч-ще. - Мурманск, 1987. - 24 с.12. Yudin Yu.I. Improving the management of the vessel when performing mooring operations on the move on the high seas: abstract. dis ... cand. tech. Sciences / Yu.I. Yudin; Murman. higher Ing. pestilence. student - Murmansk, 1987 .-- 24 p.

Claims

1. Способ прогнозирования движения объекта швартовки, заключающийся в том, что на объекте швартовки с помощью акселерометров в реальном масштабе времени измеряют его линейное продольное, линейное поперечное и угловое ускорения, затем эти данные передают на швартующееся судно, используя значения ускорений объекта швартовки и его базовую математическую модель, на швартующемся судне идентифицируют текущие значения параметров математической модели объекта швартовки, далее цикл измерений и идентификацию параметров базовой математической модели объекта швартовки повторяют.1. A method for predicting the movement of a mooring object, namely, that a linear longitudinal, linear transverse and angular acceleration is measured in real time on the mooring object using accelerometers, then these data are transmitted to the mooring vessel using the values of the mooring object’s accelerations and its basic mathematical model, on the mooring vessel, the current values of the parameters of the mathematical model of the mooring object are identified, then the measurement cycle and the identification of the basic mathematical parameters mooring object model is repeated.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что передачу измеренных на объекте швартовки значений ускорений осуществляют с использованием компьютерной системы Wi-Fi. 2. The method according to claim 1, characterized in that the transmission of the acceleration values measured at the mooring facility is carried out using a Wi-Fi computer system.