Лазерные створы для безопасности судоходства на сложных участках водных путей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Александрова, Наталья Владимировна

• Александрова, Наталья Владимировна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Александрова, Наталья Владимировна

Введение.

1. Вопросы повышения безопасности судоходства в стеснённых условиях плавания.

1.1. Анализ примеров аврийных ситуаций на водном транспорте.

1.2. Сравнительный анализ лазерных и традиционных створов.

1.3. Современное состояние и уровень развития лазерных створов.

2. Вопросы расчёта и проектирования лазерного створа типа "Анемон" второго поколения.

2.1. Основные требования к лазерным створам.

2.2. Схемы построения и состав визуального и инструментального лазерного створа.

2.3. Исследование возможности применения твердотельных и полупроводниковых лазеров для целей навигации.

2.4. Выбор элементной базы.

2.5. Расчёт основных параметров и характеристик лазерного створа.

3. Разработка и исследование образцов лазерного створа типа "Анемон" второго поколения.

3.1. Разработка макета визуального лазерного створа.

3.2. Разработка макета инструментального лазерного створа.

3.3. Испытания макетов лазерного створа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерные створы для безопасности судоходства на сложных участках водных путей»

Актуальность темы.

Водный транспорт является одним из важнейших элементов Единой транспортной системы России. Повышение эффективности и безопасности эксплуатации водных путей - первостепенная государственная задача. Особенно в сегодняшних условиях, когда становится возможной организация международных транспортных коридоров через территорию РФ и её территориальные воды.

В связи с этим появляется острая необходимость оборудования опасных участков судоходства, где требуется высокая точность и надёжность проводки судов, современными устройствами навигации.

Существующие традиционные навигационные средства не всегда удовлетворяют предъявленным требованиям в стеснённых условиях плавания. Использование лазеров для целей навигации позволяет успешно осуществлять проводку судов в данных условиях. Такие особенности лазерного излучения, как: резкое отличие лазерного огня от других; высокая направленность луча; сохранение контраста между яркостью прямого излучения и фоном рассеянного излучения на больших расстояниях, - обусловливают перспективность создания лазерных навигационных средств.

Следует отметить потенциально опасные ситуации, где применение лазерных навигационных систем особенно эффективно: проводка судов по каналам, по узким фарватерам, под мостами, при подходах к портам, в том числе при пониженной прозрачности атмосферы, наличии фона береговых огней, застроенности береговой зоны. Особенно необходимо оснащение таким навигационным оборудованием ответственных участков и портов ч вдоль Северного морского пути в связи с интенсификацией судоходства по арктическим морям в условиях полярной ночи и возможной эксплуатацией этого пути (как альтернативного имеющемуся) для транспортировки грузов из Азии и Америки в Европу.

Важно отметить, что лазерные системы могут обеспечить не только визуальное восприятие судоводителем навигационных огней, но и полуавтоматическое (инструментальное), или даже автоматическое управление судном (сигналы регистрирует фотоприёмное устройство и выдаёт информацию о положении судна или передаёт их на авторулевой). При этом возможно использование инфракрасного, невидимого глазом, излучения. В настоящее время среди лазерных навигационных систем более всего могут найти применение лазерные створы (ЛС), предназначенные для указания направления и границ судового хода.

Разработки в данной области ведутся в мире, начиная с 60-х годов. Однако, как показал анализ имеющихся патентных и других печатных материалов, разработанные системы обладают рядом достаточно существенных недостатков, что препятствует их применению в реальных условиях судоходства. Это в первую очередь использование только сетевого электропитания. А также: сложность технических решений, невысокая стабильность характеристик, высокое энергопотребление, значительные габариты и др.

Начиная с 1981 года, в МГАВТ ведутся исследования и разработки по созданию лазерных створов на основе двух маяков, синхронно сканирующих навстречу друг другу. В результате работ был создан первый в стране опытный промышленный образец лазерного створа "Анемон".

Однако в условиях постоянного совершенствования элементной базы (появление новых современных типов лазеров, других комплектующих и т.д.) и возрастающих требований к характеристикам навигационных приборов, "Анемон" нуждался в коренной модернизации. Требовалось разработать на его базе принципиально иной прибор с оптимальными характеристиками, способный работать в режиме автономного питания.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование путей создания и разработка визуальных и инструментальных лазерных створов (второе поколение ЛС типа "Анемон"), способных работать в автономном режиме, для обеспечения точности и надёжности проводки судов на сложных участках водных путей.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

- проанализировать современное состояние и уровень развития лазерных створов;

- провести расчётный сравнительный анализ лазерных и традиционных створов по основным характеристикам;

- исследовать возможности использования твердотельных и полупроводниковых лазеров для целей навигации;

- проанализировать и выбрать оптимальные схемы и элементную базу ЛС, рассчитать основные параметры и характеристики ЛС;

- исследовать и определить режимы работы блоков ЛС;

- разработать макеты визуального и инструментального лазерных створов;

- экспериментально исследовать макеты визуального и инструментального лазерных створов;

- оценить перспективы применения ЛС.

Методы исследования.

В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические методы базировались на основе квантовой теории излучения, теории рассеяния света, статистической физики. Экспериментальные методы основывались на обработке данных, полученных в ходе лабораторных и натурных испытаний.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций, изложенных в диссертации, обеспечены комплексным характером работы (аналитические, теоретические и экспериментальные исследования), а также сопоставлением и подтверждением теоретических расчётов и результатов, полученных в ходе экспериментов.

Научная новизна работы.

1. Исследована возможность использования твердотельных и полупроводниковых лазеров для целей навигации.

2. Теоретически обоснован выбор оптимальных основных схем и элементов лазерных створов.

3. Разработаны макеты визуального и инструментального лазерных створов с автономным питанием.

4. Экспериментально исследованы основные характеристики лазерных створов с автономным питанием.

На защиту выносятся:

• Результаты сравнительного анализа лазерных и традиционных створов.

ЛС.

• Результаты выбора оптимальных схем и элементов ЛС с автономным питанием.

• Результаты разработки макетов Л С с автономным питанием.

• Результаты экспериментального исследования основных характеристик ЛС с автономным питанием.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны ЛС новой конструкции с использованием современной элементной базы с автономным питанием, обеспечивающие повышение безопасности проводки судов;

- оценены перспективы применения ЛС.

Диссертация выполнялась в соответствии с планами основных научных работ МГАВТ, являлась составной частью НИОКР, включённой в президентскую федеральную целевую программу "Внутренние водные пути России". Её результаты вошли в два отчёта по научно-исследовательским темам, в которых автор являлся соисполнителем.

Разработанные варианты схем ЛС могут быть использованы для создания серийных навигационных систем, как для водного, так и для других видов транспорта.

Созданный по результатам работы экспериментальный образец визуального ЛС получил положительную оценку судоводителей и специалистов. Он рекомендован для дальнейших испытаний с целью последующего оснащения сложных участков водных путей.

Результаты работы могут использоваться Службой речного флота, Государственными бассейновыми управлениями водных путей и судоходства, морскими службами для повышения эффективности и безопасности судоходства.

Апробация работы.

Основные результаты докладывались на международном симпозиуме "Транстек-96" (С.-Петербург, 1996г.), на ежегодных научно-технических конференциях МГАВТ (1995-1999г.г.). Образец лазерного створа был представлен на международной выставке "Промтранс-2000" (Москва, 2000г.), на которой почётным дипломом была отмечена экспозиция МГАВТ.

Материалы диссертации используются в курсах "Общей физики", "Концепции современного естествознания" в МГАВТ, на кафедре "Судовождения и судоходных сооружений".

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в пяти печатных работах.

Структура и содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников, приложения.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Александрова, Наталья Владимировна

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Савельев В.Г., Александрова Н.В., Громов Ю.Н., Шибаев В.В. Лазерные створы с автономным питанием для безопасной навигации на водном транспорте. - В кн.: Транстек-96. Тезисы докладов международного симпозиума, С-Петербург, 1996, с. 51.

Saveliev V.G., Alexandrova N.V., Gromov Y.N., Shibaev V.V. Laser-based alignment (laser transit) - the version with battery sypply. -В кн.: Транстек-96. Тезисы докладов международного симпозиума, С-Петербург, 1996, с. 51.

2. Савельев В.Г., Громов Ю.Н., Шибаев В.В., Александрова Н.В. Исследование и расчёт визуальных лазерных средств управления транспортными объектами. - Заключительный отчёт/МГАВТ. №ГР 01.97.0004877. М., 1997, с. 8-22, 38-43.

3. Савельев В.Г., Громов Ю.Н., Шибаев В.В., Александрова Н.В. Исследование и разработка прецизионного оптического измерителя угловых координат движущихся объектов. -Заключительный отчёт/МГАВТ. № ГР 01.97.0004876. М., 1997, с. 919, 39-45, 53-55.

4. Александрова Н.В. Перспективы эксплуатации лазерных створов на сложных участках судового хода. - Тезисы докладов XIX научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГАВТ. М., 1997, с. 16-17.

5. Савельев В.Г., Громов Ю.Н., Александрова Н.В., Шибаев В.В. Перспективы разработок лазерных инструментальных систем для управления транспортными объектами. - В кн.: Повышение эффективности судопропуска, работы судовых технических и радиолокационных систем и безопасности плавания. Сб. научн. трудов МГАВТ. М., 1999, с. 263-267. ш.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы можно сделать следующие основные выводы.

1. В результате расчётного сравнительного анализа лазерных и традиционных створов по основным характеристикам сделан вывод, что по дальности действия, точности проводки, энергопотреблению лазерные створы превосходят традиционные.

2. На основе проведённого всестороннего анализа современного состояния и уровня развития ЛС и определённых основных требований к ним выбраны принцип построения, оптимальные основные схемы и элементная база. Наиболее перспективным является ЛС на основе двух лазерных маяков, синхронно сканирующих навстречу друг другу.

3. Выбрана схема построения ИЛС с одноканальным ФПУ. Сигналы различаются частотами модуляции. Такая система обладает высокой помехозащищённостью.

4. Исследована возможность использования твердотельных и полупроводниковых лазеров для целей навигации. Определена минимальная частота следования импульсов для лазеров, работающих в импульсном режиме.

5. Проведены расчёты основных параметров и характеристик ЛС: угла и времени горизонтального сканирования, расстояния между маяками, дистанции минимального удаления судна от створа, угла вертикального сканирования (при различной высоте рубок судов), чувствительности ФПУ, дальности действия, допустимого бокового уклонения судна от оси створа.

6. Предложен двухцветный вариант ЛС на основе твердотельных и полупроводниковых лазеров с зелёным и красным ш. цветом излучения. Выбраны наиболее подходящие для целей работы лазеры с учётом обеспечения максимальной дальности действия при безопасности для судоводителей и минимальном энергопотреблении. На их основе разработаны макеты ЛС.

7. Проведены лабораторные и натурные испытания. Полученные результаты измерений основных характеристик совпадают с расчётными значениями. Точность, надёжность, заметность, простота в использовании ЛС подтверждены командой испытательского судна и другими специалистами.

8. Исследованы возможности применения ЛС. Рассмотрены возможности построения системы, обеспечивающей движение по криволинейной траектории. Определены ситуации, когда использование ЛС особенно целесообразно: при проводке судов по узким фарватерам, при наличии фона береговых огней, при застроенности береговой зоны и т.д.

9. В результате рассмотрения вопросов безопасности эксплуатации сделан вывод, что ЛС "Анемон-2" соответствует нормативам по ПДУ облучения лазерным излучением и безопасен при работе.

10. Проанализированы экономические аспекты эксплуатации ЛС. Суммарная стоимость строительных конструкций и оборудования ЛС ниже, чем традиционных створов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Александрова, Наталья Владимировна, 2000 год

1. Третьяк А.Г., Козырь Л.А. Практика управления морским судном. М.: Транспорт, 1988. - 112с.

2. Зуев В.Е., Пересыпкин В.И., Фадеев В.Я., Калошин Г.А., Константинов P.C. Лазерные устройства для обеспечения судовождения. Новосибирск: Наука, 1985. - 125 с.

3. Потапов C.B., Анисин П.А. Судоходная обстановка ВВП. -С-П.: Судостроение, 1994. 67с.

4. Отчётные материалы Государственной речной судоходной инспекции РФ. М., 1995. - 105 с.

5. Удачин B.C., Шереметьев Ю.Н. Навигационные знаки и огни, судовая сигнализация: справочное пособие. М.: 1988. - 255 с.

6. ГОСТ 26600-85 Знаки и огни навигационные внутренних водных путей.

7. Инструкция по навигационному оборудованию (ИНО-89). -Л.: ГУНиО, 1990.

8. Фольб Р.Л. Основы визуальной проблесковой сигнализации. М.: Машиностроение, 1964. - 100 с.

9. Шмерлинг И.Е., Белова Л.Т., Орлович К.С., Флегонтов Б.К. Навигационное оборудование внутренних водных путей. М.: Транспорт, 1984. - 247 с.

10. Мешков В.В. Основы светотехники. М.: Энергия, 1979.368 с.

11. Забелина И.А. Расчёт видимости звёзд и далёких огней. -Л.: Машиностроение, 1978. 183 с.

12. Луизов A.B., Травникова Н.П. Пороговый блеск в зависимости от яркости фона. ОМП, №12, 1975. - с.3-5.1.

13. Томсон B.B. Навигационное створное оборудование. -М.: Транспорт, 1985.

14. Луизов A.B. Цвет и свет. М.: Энергоатомиздат, 1989.256с.

15. Англомация-2: информационный отчёт. М.: МГАВТ,1993.

16. Луизов A.B. Глаз и свет. М.: Энергоатомиздат, 1983.144с.

17. Иидзима Ю. Лазер и его применение в навигации,- "Нихон кокай гаккай", №32, 1965. с. 1-6. (Перевод 63733/7 М., 1968.)

18. Афанасьев В.М., Исаев A.A., Симонова Г.А., Степанов В.А. Опорные системы для морского флота. М.: ЦНИИ "Электроника", 1980. - 21с.

19. Laser Lighthaus. Elektrotech. 1969, v. 84, №1, p.45.

20. Пат. 1346852 (Австралия), F 21Q.

21. Ермолаев Г., Мурзин Л. "Лазерные створы", Морской флот, 1971,№2, с 24.

22. Лазерный маяк в действии, Морской флот, 1972, №11, с62.

23. Ахмадулин Ф.А., Калошин Г.А., Фадеев В.Я. Устройство для световой сигнализации при ориентировании движущихся объектов. A.c. 714928 (СССР), 1978.

24. Желудков В.М., Преснов В.А., Фадеев В.Я. Световой маяк. A.c. 760593 (СССР), 1978.

25. Бережной И.А. Лазерная система посадки самолётов "Глиссада". "Квантовая электроника", т.5, №6, 1978. - с.1399-1400.

26. Чуба А. "Глиссада" ведёт судно. Советский Союз, №10, 1979, с. 18.

27. Савельев В.Г., Цупин А.А. Лазерные навигационные средства. М.: ЦБНТИ Минречфлота, 1981. - 26 с.

28. Зуев В.Е., Фадеев В.Я. "Лазерные навигационные устройства", М. Радио и связь, 1987, 160 с.

29. Laser Elektronics Pty. Ltd. Аэронавигационный маяк. Пат. 2141472 (Франция), МКИ F 21 Q 3/00.

30. Токахаси Кодзи, Ито Сёдзи Метод позицирования судов. -Пат. 50-10158 (Япония), МКИ G 01 S 9/66/.

31. Зуев В.Е., Фадеев В.Я., Ошлаков В.Г. Способ определения местоположения судна. А.с. 683364 (СССР), 1978.

32. Dutch considering lasers for guiding vessels into busy port of Rotterdam. Laser Fokus, v. 7, №10,1971. - p.32.

33. Lasers get survey applications from Decea. Elektronics Weekly, №602,1972. - p.32.

34. Laser Focus Buyers Guide, 1979. p.l 18.

35. Иванищев В.И. "Лазерные приборы для навигационного оборудования морских каналов", Морской флот, №10, 1977. - с.30.

36. Gasper N. Y. Laser Navigatioanl. Пат. 3370269 (США).

37. Стафеев A.M., Койчев Ц.К., Селезнёв B.C. Лазерное створное устройство для проводки движущихся объектов. А.с. 1117943 (СССР), 1982.

38. Способ определения координат объекта с помощью излучения. Пат. 1605181 (Франция), МКИ G 01 S .

39. Cornillaut J. Способ и система для проводки. Пат. 2050948 (Франция), МКИ G 01 S 1/00.

40. Rutkowski S., Skiba С. Система навигационного ограждения прямолинейного подходного пути в порт. Пат. 107366 (Польша), МКИ В 63 В 49/00.

41. Койчев Ц.К. Повышение навигационной обеспеченности порта Варна с помощью лазерных навигационных систем. Дисс. к.т.н. - Одесса: ОВИМУ, 1982.

42. Бережной С.Е. Лазерные навигационные системы для проводки судов по каналам и фарватерам. Дисс. к.т.н. - Одесса: ОВИМУ, 1990.-210с.

43. Navigation system. Пат. 3784968 (США).

44. Ахмадулин Ф.А., Дахновский Р.Г., Калошин Г.А., Фадеев В.Я. Способ ориентирования движущихся объектов. A.c. 726797 (СССР), 1978.

45. Device tracks moving objects. "Offshore", 44 №4, 1984.

46. LED light for navigation lanterns. "Dock end Harbour Auth."? 67 №788, 1987.

47. Данилов А.П., Громов Ю.Н., Евтеев А.П., Рожанец A.B., Савельев В.Г. Оптическая система проводки судов. A.c. 1.420.816. (СССР), 1987.

48. Цупин A.A. Лазерные навигационные системы для водного транспорта. Дисс. к.т.н. - М.: МФТИ, 1985. - 220с.

49. Woelky О. Anordnung zur optischen Leitsrahllenkung von Schiffen. Пат. 1.274.358 (ФРГ).

50. Navigational beacon / IBM Corp. Пат. 1.179.824 (Великобритания).

51. Vanchy J.-M., Voiront G. Dispositif a faiscean laser pour la localisation en divection d'un mobile. Пат. 2.258.635 (Франция).

52. Method of determining of the floating construction position / Hitachi densen K.K. Пат. 52-37.788 (Япония).

53. Черешанский В.А., Калошин Г.А., Фадеев В.Я. и др. Устройство для определения положения самолёта при посадке. А.с. 849900 (СССР), 1979 год.

54. РаИгепШок 8. Система для определения места судов на внутренних водных путях. Пат. 3305119 (ФРГ), МКИ О 01 Б 5/00.

55. Комацу К. Устройство для определения текущего положения судна. Пат. 58-23903 (Япония), МКИ 0 01 8 5/16.

56. Исследование возможности эксплуатации на водных путях лазерных створов. Отчёт о НИР, шифр темы ХШ/ф-367, №ГР 01.84.0045678, М.: МИИВТ, 1984.

57. Разработка лазерных створов для водных путей. Отчёт об ОКР, шифр темы УШ-2.5/ф-428, №ГР 01.85.0051498, М.: МИИВТ, 1988.

58. Создание инструментальных навигационных систем на основе лазерного створа. Итоговый отчёт, шифр темы ХШ/Ф-402, №ГР 01.85.00514999, М.: МИИВТ, 1986.

59. Громов Ю.Н., Савельев В.Г., Шмерлинг И.Е., Цупин А.А. Эксплуатационные испытания лазерного створа в навигацию 1983 года. В кн. Повышение надёжности и эффективности технических средств речного транспорта, М.: ЦБНТИ Минречфлота, 1985.

60. Громов Ю.Н., Савельев В.Г., Цупин А.А., Лазерный створный маяк с фотоэлектрическим приёмом излучения. В кн. Повышение эффективности и надёжности технических средств речного транспорта. Сб. научн. трудов МИИВТа. М., 1985. - с. 118124.

61. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров №2392. М.: Минздрав, 1982. - 23с.ш.

62. Ивандиков Я.М. Оптические приборы наведения и ориентации космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. -208с.

63. Климкоь Ю.М. Основы расчёта оптико-электронных приборов с лазерами. М.: Советское радио, 1978. - 81с.

64. Справочник по лазерам / Под ред. Прохорова A.M. в 2-х томах, т.1. М.: Советское радио, 1978. - 504с.

65. Звелто О. Физика лазеров. М.: Мир, 1979. - 373с.

66. Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы. М.: Советское радио, 1968. - 472с.

67. Богданкевич О.В., Дарзнек С.А., Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры. М.: Наука, 1976. - 416с.

68. Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. М.: Советское радио, 1977. - 336с.

69. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. - 296 с.

70. Росс М. Лазерные приёмники,- М.: Мир, 1969. 520с.

71. Люиселл У. Излучение и шумы в квантовой электронике. -М.: Наука, 1972.-400с.

72. Применения лазеров / Под ред. Тычинского В.П. М.: Мир, 1974.-445с.

73. Цупин A.A., Шерстнёв A.B. Расчёт лазерной навигационной системы для движения судов по криволинейным фарватерам. М.: МИИВТ, 1987.

74. ГОСТ 12.1.040-83 ССБТ. Лазерная безопасность. Общие положения.

75. ГОСТ 12.1.031-81 ССБТ. Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения.т