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.
  

Расположение радарных станций. В соответствие с предпосылками проекта речная система VTMS состоит из двух центров:

• 
  Речного центра VTMS, расположенного в Щецине на острове Зеленом;
  
• 
  Речного подцентра VTMS, расположенного около Цедыни при входе в Канал Одра-Хавеля.
  

Согласно территориальному делению центрам будут передаваться данные в виде докладов и рапортов. Данные о текущей ситуации на реке должны быть принимаемыми в форме донесений от плавающих одиночных объектов, находящихся в данный момент на акватории. Однако основные информации, представляющие движение судов, передаваться с радарных станций, размещенных вдоль течения Одры.

Предлагается установка 6 радарных станций в следующих местах:

Радар А – Речной Центр VTMS на острове Зеленом (км 34 Западной Одры),

Радар В – Прокоп Ключ – Устово (км 730,5 реки Регалицы),

Радар С – окрестности устья Холодного Канала при Электростанции Нижняя Одра КМ 713,2 Восточной Одры),

Радар D – место развилки Одры на Восточную и Западную Одру (км 704, 5 Одры),

Радар Е – башня между местностями Крайник Дольны и Огница (км 694,0 Одры),

Радар F – Подцентр речного VTMS около Цедыни при входе в канал Одра – Хавеля (км 667,0 Одра).

Дальность действия радаров будет покрываться частично с радиусом действия соседних радаров, что допускает бесперебойный и непрерывный процесс отслеживания вдоль всего участка реки. Следует подчеркнуть, что радарные станции должны быть размещены так, чтобы они обеспечивали:

• 
  возможность определения места судов с большой точностью, особенно в трудных для навигации местах;
  
• 
  достижение максимальных дальностей слежения, не превышающей заложенных точностей.
  

Используемые на радарных станциях радары должны обеспечивать:

• 
  точное определение мест одиночных объектов, участвующих в движении, путем обеспечения разрешения по расстоянию в пределах 5-10 м, и азимутального разрешения в пределах 0^о15;
  
• 
  обнаружение неограниченного количества реальных объектов, таких как суда, баржи, стационарные и плавающие знаки навигационного ограждения.
  

следующая страница>