Технология построения информационного и математического обеспечения систем автоматизированного управления движением судов на внутренних водных путях

Вид материала

Автореферат

Содержание доктор технических наук, профессор Денисов Анатолий Алексеевич Общая характеристика работы Целью диссертационной работы Методы исследования Научная новизна. Основные новые научные результаты, полученные в работе и выносимые на защиту Практическая ценность Апробация работы. Структура и объем работы. Содержание работы Расположение радарных станций А – Речной Центр VTMS на острове Зеленом (км 34 Западной Одры), Радар В Е – башня между местностями Крайник Дольны и Огница (км 694,0 Одры), Радар F Размещение телевизионных камер. Подсистема связи и информационный сервис. Во второй главе Таблица 1. Основные параметры БС и СТ АИС Таблица 2. Численные значения коэффициента δ Третья глава диссертации В четвертой главе ... Полное содержание

Подобный материал:

• Математическое и информационное обеспечение мониторинга и управления движением судов, 217.22kb.
• Общая характеристика Актуальность темы исследования, 183.53kb.
• Методы построения радионавигационных полей для информационного обеспечения автоматизированных, 575.96kb.
• Типовая программа обучения судоводителей судов, поднадзорных государственной инспекции, 520.4kb.
• Санкт – Петербург, 721.71kb.
• Правила радиосвязи на внутренних водных путях российской федерации введены в действие, 652.54kb.
• Федерации решение, 81.23kb.
• Задачи и структура информационного обеспечения управления Унифицированные системы документации, 10.89kb.
• Рабочая программа итоговой государственной аттестации выпускников для специальности, 240.91kb.
• Правила радиосвязи на внутренних водных путях Российской Федерации. Департамент речного, 227.59kb.

На правах рукописи


Трояновский Яцек


ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ


Специальность:

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Санкт-Петербург

2009 г.

Работа выполнена в Северо-Западном государственном заочном техническом университете (Санкт-Петербург).


Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Арефьев Игорь Борисович


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Денисов Анатолий Алексеевич

доктор технических наук, профессор Сахаров Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор Семёнова Елена Георгиевна


Ведущая организация:

ОАО «Научно-производственная фирма Меридиан» (С-Петербург)


Защита состоится «22» октября 2009г. в 14 часов в ауд. 235 на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу:

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5 / 7.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета


Автореферат разослан «.......»...............................2009 г.


Учёный секретарь

диссертационного совета Д 223.009.03

кандидат технических наук,

доцент Барщевский Е.Г.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы исследования. Вступление Польши в Европейский Союз представляет вызов для нашего внутреннего водного транспорта. С запада к Одре подходят два канала, а именно:

1. Канал Одра-Хавеля, являющийся сообщением Щецин - Берлин,

2. Канал Одра-Шпрее, соединяющий Силезию с Берлином.

Каналы соединяют Одру с системой внутренних водных путей Франции, Люксембурга, Бельгии, Голландии и Германии на западе и Швейцарии и Чехии на юге. С севера Одра соединяется с Балтийским морем.

В восточном направлении Одра через Варту и Быдгощский канал сообщается с системой водных путей бассейна Вислы. Через Вислу и Буг польская сеть водных путей сообщается с водными путями России, Украины и Белоруссии. В северном направлении через Вислинский Залив есть сообщение с портом Калининград и с водными путями Литвы и Белоруссии.

Польша имеет сеть водных путей как в направлении север-юг, так и восток-запад. В связи с вышеуказанным мы должны включиться в европейскую систему внутренних водных путей как транзитная страна.

Улучшение условий судоходства в нижнем течении Одры, особенно на участке Канал Хавеля – Портовый Комплекс Щецин Свиноустье создаст шанс роста перевозок в международном сообщении таких массовых грузов, как: каменный уголь, дробленые материалы, цемент и удобрения, и прежде всего сверхгабаритных грузов и контейнерных перевозок.

Соединение портового комплекса Щецин-Свиноустье с системой внутренних водных путей Западной Европы, а особенно сообщение с Берлином, позволит увеличить количество грузов, перевозимых морским путем и по внутренним водным путям.

Модернизация нижнего отрезка Одры приведет к:

- созданию международных взаимных уступок по пользованию водными путями,

- улучшению параметров водного пути, чтобы они соответствовали международным требованиям,

- улучшению навигационных условий,

- улучшению транспортных функций путем удлинения водных путей, используемых как для перевозок внутри страны, так и в международных перевозках, улучшению функционирования верфей и речных портов.

Конечно, решение указанных задач возможно лишь на пути использования современных и перспективных решений в классах таких структур, как "Речные информационные службы" (РИС) и "Системы управления движением судов" (СУДС) или "Автоматизированные системы управления движением судов" (ACУДС) на ВВП. Согласно установившейся в последние годы терминологии указанные системы могут рассматриваться либо как варианты реализации, в целом, или подсистемы, в частности, класса "Корпоративных речных информационных систем" (КРИС).

В связи с изложенным ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической проблемы по повышению эффективности управления судоходством на внутренних водных путях (ВВП) Польши на основе создания единого методологического подхода по разработке информационного и математического обеспечения систем автоматизированного управления судов в районе Нижней Одры.

Для достижения сформулированной цели в работе поставлены, обоснованы и решены следующие задачи:

1.Выполнен анализ современных системных основ создания и информационного обеспечения в корпоративных речных информационных системах, реализуемых на базе речных информационных служб, призванных обеспечить эффективное управление судоходством на внутренних водных путях Польши. При этом учтен существующий отечественный и мировой, преимущественно Европейский, опыт создания СУДС и АСУДС на внутренних водных путях при логико-информационном синтезе Западно-Поморской региональной системы вообще, и ее важнейшей составляющей – системы в районе Нижней Одры, в частности.

2.Разработана концепция построения АСУ ДС в районе водных путей и судоходства Нижней Одры как организационном, так и технологическом аспектах.

3.Предложены структурные решения, математическое и алгоритмическое обеспечение, а также методики решения многопараметрических стохастических задач, оптимизирующих структуру важнейшей подсистемы мониторинга и управления – автоматизированной идентификационной системы. Найдены аналитические решения для определения оптимального радиуса действия береговой базовой станции АИС с учетом влияния на судовые транспортеры помех в информационных каналах, взаимного перемещения судов относительно базовых станций и заграждающего рельефа.

4.Сформулированы концептуальные основы моделирования и построения наблюдателей для информационного обеспечения судовых систем управления режимами движения судов на внутренних водных путях, в том числе оценки параметров моделей судовых динамических систем, построения статического фильтра Калмана и модели оценивания динамического подвижного объекта в турбулентной среде, основ синтеза наблюдателей для информационного обеспечения судовых систем управления и их оптимизации.

5.Разработан комплекс решений по математическому сопровождению программно – целевого управления река – море политранспортным узлом. На основании системного подхода к анализу процесса функционирования политранспортного узла доказана необходимость использования таких математических моделей как статической модели с накопителем без внутренней структуры, модели с накопителем по приоритетам вывоза груза, модели с накопителем ограниченной мощности. Методом главных компонент и кластерным анализом корректно решена задача идентификации река – море порта по объему и номенклатуре обрабатываемых грузов.

6.Предложены решения по информационно-статистическим методам анализа информационных потоков в политранспортном узле и по алгоритмам управления такими потоками в автоматизированной системе управления река – море политранспортного узла.

Методы исследования. Общетеоретический базой проводимого исследования служат методы системного инженерно – кибернетического анализа, теория функционального анализа, кластерного анализа, линейных и нелинейных дифференциальных уравнений, теории случайных процессов и статистических решений, теории массового обслуживания, методы моделирования на ЭВМ.

Научная новизна. В результате проведенных исследований осуществлено теоретическое, экспериментальное и модельно – предсказательное обоснование и решение ключевых задач проблемы по повышению безопасности и эффективности управления судоходством на внутренних водных путях Польши на основе создания автоматизированных систем управления движением судов речной информационной службы района Нижней Одры, включая река-море политранспортный узел порта Щецин.

Основные новые научные результаты, полученные в работе и выносимые на защиту:

1. Методология построения высокоэффективной Западно-Поморской региональной информационной системы, вообще, и ее важнейшей составляющей – речной информационной системы в районе Нижней Одры, в частности на основе современного системного подхода к структурной, информационной, алгоритмической и объектно-ориентированной реализации и новых информационных технологий для создания и исследования сложных организационно-технических комплексов и систем в данной предметной области.
   
2. Методика синтеза логико-информационной модели и структуры автоматизированной системы управления движением судов в районе внутренних водных путей и судоходства Нижней Одры.
   
3. Методика синтеза структуры важнейшей системы мониторинга и управления АСУДС – автоматизированной идентификационной системы района Нижней Одры, топология которой учитывает вероятностные модели информационного канала, процесса перемещения судового транспондера относительно базовой береговой станции и заграждающего рельефа в УКВ диапазоне радиоволн.
   
4. Комплекс решений по моделированию и построению наблюдателей для информационного обеспечения судовых систем управления режимами движения судов на ВВП.
   
5. Комплекс решений по математическому сопровождению программно- целевого управления река-море политранспортным узлом, базирующихся на статических моделях с накопителем без внутренней структуры, с накопителем по приоритетам вывоза груза и с накопителем ограниченной мощности.
   
6. Методика и алгоритмы статического анализа информационных потоков в политранспортном река-море узле и алгоритмы управления такими потоками в АСУ ТУ.
   

Практическая ценность работы заключается в том, что созданы методология и инструментарий для разработки и внедрения на ВВП Польши высокоэффективной автоматизированной системы управления движением судов в районе Нижней Одры, соединяющей ВВП Германии (Одра-Хавель) до река-море политранспортного узла Щецин.

Предлагаемый в работе комплекс моделей, алгоритмов, программ и рекомендаций позволяет сформулировать решения по топологической структуре высоко эффективной современной системы мониторинга и управления в структуре АСУ ДС – автоматизированной идентификационной системы, по выбору эффективного режима движения судов на ВВП и по эффективному использованию в транспортном процессе возможностей река – море политранспортного узла Щецин.

Результаты работы нашли внедрение в Региональном управлении водного хозяйства (г.Щецин), Объединении «Transbode», в учебном процессе СЗТУ, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на Российских и Международных конференциях и семинарах, на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и заседаниях кафедр Государственной Морской академии Польши (г.Щецин), Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций, Северо-Западного государственного заочного технического университета в 2000 ÷ 2006 гг.

Публикации. Содержание и основные результаты диссертации изложены в четырёх монографиях, 8 работах в рекомендованных ВАК РФ изданиях, 19 научно-технических статьях, отчётах по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы составляет 281 страницу, в том числе 34 рисунка, 17 таблиц и списка использованных источников (литературы) из 117 наименований.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


В первой главе выполнен анализ современных основ создания информационного обеспечения в корпоративных речных информационных системах, реализуемых на базе Речных информационных служб, призванных обеспечить управление судоходством на ВВП Польши.

Выполнен анализ существующего отечественного и мирового, преимущественно, Европейского опыта создания систем управления движением судов на внутренних водных путях. Отмечены особенности при возможном построении Западно-Поморской региональной системы, вообще, и ее составляющей – системы в районе Нижней Одры, в частности.

В результате исследования деятельности РИС определено, что основным инструментом, обеспечивающим ее функционирование, является автоматизированная система управления движением судов (АСУ ДС), которая имеет в своем составе необходимый набор информационных и технических служб, каждая из которых решает свою специальную задачу по обеспечению судоходства на ВВП. Структура АСУ ДС представлена на рис.1.

Концепция развития телекоммуникационной инфраструктуры и создание на ее основе современной АСУДС имеет целью:

- повышение безопасности судоходства и, как следствие, снижение рисков страховых компаний и страховых платежей судовладельцев, что позволит вернуть инвестиции в создание связной инфраструктуры;

- развитие береговых систем связи, обеспечивающих как адекватность реакции служб спасения на аварийные ситуации во всем бассейне Нижней Одры, так и реализующие потребность административных органов, населения и бизнес-структур в современных телекоммуникационных услугах.

При рассмотрении структуры АСУДС следует учесть то обстоятельство, что район устья Одры в течении последующих более десяти лет имеет большие шансы развития перевозки товаров внутренним водным транспортом. В связи с вышеуказанным следует внедрить современную систему не только контроля и управления движением судов РИС (система VTMIS), но также создать базу данных, обуславливающих развитие судоходной логистики транспорта.

В рамках создаваемой системы целесообразно использовать существующую VTMS Щецин-Свиноустье, в особенности ее базу данных и технические решения.

Как отмечено выше, основной задачей системы АСУДС(VTS) является улучшение безопасности судоходства, равномерности движения одиночных объектов и охрана внешней среды на исследуемой акватории. Условием реализации основных задач, задаваемых системе, является:
- введение соответствующего количества соединенных между собой прибрежных станций;

- обеспечение систем связи в сообщениях станции – баржи и баржи в радиусе действия системы.

Эксплуатируемые в настоящее время плавающие объекты внутреннего водного транспорта имеют на своих бортах только радар и радиотелефон УКВ. Отсутствуют также навигационные карты на внутренние воды.

В ближайшие годы арматоры введут современные транспортные одиночные объекты, а администрация должна ввести системы управления и регулирования движением судов АСУДС(VTMS).

В связи с вышеуказанным следует оснастить суда электронными навигационными картами ECDIS, приемниками системы DGPS и транспордерами AIS. Это позволит актуализировать данные о движении почти в реальном времени, а также передавать данные другим судам и системам VTS.

Развитие судоходства на Одре связывается также с развитием соответствующей базы данных, созданной как центр логистики. Основная база данных должна содержать информацию на тему:





- польских и европейских портов;

- грузов;

- судов;

- предвидимых и текущих судоходных обусловленностей.

База данных предоставит также возможность взаимодействия операторов речной системы VTMS с внешними пользователями:

- управлением Внутреннего Судоходства в Щецине;

- окружной Дирекцией Водного Хозяйства,

- пограничной охраной,

- таможней,

- службами охраны внешней среды,

- арматорами и владельцами судов,

- агентствами, обслуживающими суда,

- гидрометеорологическими службами.

Проектируемая речная система VTMS должна войти в состав более широкой Западно-Поморской Региональной Системы, созданной на базе:

-VTMS Щецин-Свиноустье;

-VTMS Речная Щецин-Канал Одра-Хавеля,

-VTMS Речная-Канал Одра-Хавеля.

Объединение систем море-река такого рода вызовет создание быстрого и четкого транспортного коридора, позволяющего обеспечить сообщение:

-балтийских стран,

-польских и немецких регионов бассейна Одры,

-западно-европейских стран, объединенных системой рек и каналов с Одрой.

В рамках Региональной Системы следует создать центр в Щецине, оснащенный соответствующей базой данных, позволяющей обеспечить организацию системы надзора и управления движением судов и барж на участке Поморский Залив – Свиноустье – Щецин – Берлин и создание банка данных, относящихся к складированию грузов в морских и речных портах.

Одновременно в базу данных должна передаваться информация, относящаяся к месту стоянки судов и барж, ожидающих найма. Таким образом, информация, связанная с управлением движением одиночных объектов, одновременно использовать бы для организации водного транспорта на большой территории западной и центральной Европы.

Таким образом, концепция построения АСУДС(VTMS) в заданном регионе Нижней Одры должна учитывать:

1. Проектные решения и технические средства, отвечающие всей специфике судоходства региона, с оборудованием АСУДС речного района Щецина, в составе которого целесообразно предусмотреть Речной Региональной спасательно-координационный центр, а также оборудованием вторичной АСУДС в начале рассматриваемого района (на 667,0 км реки Одры при входе в канал Одра-Хавеля);
   
2. Необходимость внедрения современной эффективной системы мониторинга и управления на основе Автоматизированных идентификационных подсистем в составе каждой АСУДС, c оборудованием соответствующих речных базовых станций и судовых транспондеров;
   
3. Вся рассматриваемая акватория должна быть перекрыта УКВ-радиосвязью. При этом должно быть предусмотрено создание трех радиосетей:
   

1 – радиосеть: канал бедствия, срочности и безопасности;

2 – радиосеть: каналы диспетчерских служб (как правило, в симплексном режиме);

3 – радиосеть: каналы радиопроводной технологической и коммерческой радиосвязи (дуплексные).

4. На наиболее сложных для судоходства участках, где необходимо диспетчерское регулирование движения флота, целесообразно использовать радиолокационные методы контроля акватории;
   
5. Для автоматизации процесса передачи навигационной информации следует организовать передающую станцию системы “Навтекс”.
   

В главе 1 структура АСУДС рассмотрена применительно к району Нижней Одры как в организационном, так и в технологическом аспектах.

На рис.1 приведена структура СУДС с организационной точки зрения. Рассматриваемая СУДС района Нижней Одры входит в состав Речных информационных служб Поморской Региональной системы. Основными взаимодействующими структурами являются речные районы судоходства “Одра-Хавель” и “Щецин”, с включением в составе последнего главной диспетчерской службы района Нижняя Одра и Речного Регионального спасательно-координационного центра (РРСКЦ “Щецин”).

Основными подчиненными структурами СУДС являются:

- Зона управления судоходством на речной акватории Щецина;

- Зона управления судоходством на реке Одра;

- Зона управления судоходством на входе в канал Одра-Хавель.

На рис.2 приведена структура СУДС с технологической точки зрения. СУДС в целом следует рассматривать как одну из речных информационных служб, входящих в комплекс таких служб Поморской Региональной системы.

Основными технологическими подсистемами СУДС являются:

• подсистема коммуникаций;
  
• база данных СУДС;
  
• подсистема наблюдения и контроля (видео- и радиолокационного);
  
• подсистема УКВ-радиосвязи;
  
• подсистема АИС;
  
• Речной Региональный спасательно-координационный центр;
  
• береговая передающая станция НАВТЕКС;
  

Особое место среди этих технологических подсистем занимают подсистема коммуникаций и политранспортные узлы.

Подсистема коммуникаций является основной и связующим звеном для остальных подсистем. Назначение подсистемы состоит в организации





пучка стандартных каналов связи, используемых для обмена информацией всех видов между остальными подсистемами. Циркуляция потоков информации в ней для обсуждаемой системы представлена на рис.3.

Как видно из рис.3 Речной и Морской центры “Щецин” входят в состав так называемого политранспортного узла Щецин. Исследование сущности информационного и алгоритмического обеспечения подобных узлов составляет предмет рассмотрения глав 4, 5.

Проанализированы здесь важнейшие структурные особенности подсистемы наблюдения и контроля.

В рамках подсистемы наблюдения было предложено проведение постоянного мониторинга всей акватории. Наблюдения должны были включать территорию, охваченную надзором путем применения радарных станций, камер промышленного телевидения, а также средств радиосвязи.

В системах мониторинга используется также информация из разных источников, позволяющих определить предвидение движения судов, навигационных опасностей, состояния знаков навигационного ограждения, а также других, которые могут быть интересными для пользователей системы. Мониторинг движения судов предоставляет также проверку того, соблюдает ли суда правила безопасности и соблюдают ли они соответствующие предписания и правила.

Подсистема является основным источником информации о навигационной обстановке в зоне действия СУДС и должна выполнять следующие функции:

• измерять координаты наблюдаемых радиолокационных целей (РЛЦ);
  
• автоматически вырабатывать параметры положения и движения автосопровождаемых РЛЦ;
  
• отображать радиолокационную картину и вырабатываемые параметры на экранах видеомониторов в различных режимах;
  
• иметь специальные автоматические режимы контроля навигационной обстановки (автозахват РЛЦ на автосопровождение, сигнализация о возникающих опасных ситуациях и т.п.);
  
• осуществлять совместную обработку (комплексирование) информации, получаемой от нескольких береговых РЛС и АИС;
  
• записывать и хранить радиолокационную информацию (цифрованные радиолокационные сигналы и данные) совместно с аудио информацией в привязке к реальному времени;
  
• предоставлять радиолокационную картину (цифрованные радиолокационные сигналы) и вырабатываемые данные дополнительным внутренним и внешним потребителям;
  
• вырабатывать предупредительные сигналы о нештатных ситуациях и повреждениях в системе.