Математическое и программное обеспечение системы управления потоками судов на судоходных каналах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Мартынова, Ольга Владимировна

• Мартынова, Ольга Владимировна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мартынова, Ольга Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СУДОВ И СОСТАВОВ МЕЖДУ СОБОЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО СУДОХОДНОМУ КАНАЛУ.

1.1. Основные определения.

1.2. Технические средства управления судном.

1.3. Основные параметры криволинейного движения судна.

1.4. Характеристика сил, действующих на движущееся судно.

1.5. Уравнения движения судна.

1.6. Гидродинамические силы, действующие на судно при встречах и обгонах.

1.7. Влияние мелководья на характеристики взаимодействия двух судов при отсутствии свободных границ в жидкости.

1.8. Взаимодействие двух судов при расхождении в каналах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и программное обеспечение системы управления потоками судов на судоходных каналах»

Транспорт оказывает большое влияние на развитие отдельных отраслей хозяйства, на количество и качество выпускаемой продукции, на эффективность проводимых социально-экономических мероприятий.

Особое место в транспортном комплексе Росси принадлежит речному транспорту, выполняющему на многих направлениях перевозки грузов со значительно меньшими расходами, чем на железнодорожном и автомобильном транспорте. Речной транспорт в отличие от железнодорожного располагает большими резервами пропускной способности. На Волге пропускная способность составляет 80-100 млн.т. в год, что намного выше любой технически оснащенной железнодорожной магистрали. Первоначальные единовременные затраты на организацию судоходства по естественным магистральным водным путям с пропускной способностью 80-100 млн.т. грузов в год во много раз меньше, чем на сооружение железной дороги широкой колеи (с учетом подвижного состава) и в 2-3 раза меньше, чем на строительство автомобильной дороги с твердым покрытием. Следует отметить, что строительство каналов и гидротехнических сооружений со шлюзами требует больших капитальных вложений. Однако такие сооружения, как правило, наряду с улучшением судоходных условий решают и другие народнохозяйственные проблемы в области энергетики, водоснабжения, ирригации, экологической охраны окружающей среды.

В отдельных регионах России речной транспорт играет доминирующую роль. Так, например, в Якутии, Астраханской области и Удмуртии речные перевозки составляют более 35 процентов, а в Томской области - 80 процентов. Речной транспорт остается важнейшей отраслью для предприятий сырьевого комплекса и базовых отраслей переработки.

Использование в больших масштабах природных ресурсов Западной Сибири требует промышленного освоения труднодоступных территорий, проведения геологоразведочных изысканий. Недостаточное, а иногда и полное отсутствие сухопутных сообщений предъявляет повышенное требование к широкому использованию малых рек для завоза грузов в глубинные районы.

Роль речного транспорта в общей транспортной системе России во многом будет определяться степенью его конкурентоспособности, связанной со стоимостными уровнями перевозок, внедрением и развитием новых норм коммерческого обслуживания клиентуры. В этой связи одной из основных задач на ближайшую перспективу будет являться внедрение полного транспортного сервиса, подготовка условий для освоения и развития логистических схем перевозок на устойчивых грузопотоках. Сохранится приоритетная роль речного транспорта в завозе грузов для жизнеобеспечения районов Сибири и Крайнего Севера.

Дальнейшее совершенствование организации транспортного процесса должно базироваться на внедрении автоматизированных систем управления (АСУ), с охватом всех основных объектов речного транспорта, которые должны быть связаны с АСУ смежных видов транспорта и других отраслей народного хозяйства, пользующихся услугами речников. Целью разработки информационно-справочной системы управления перевозочным процессом по судоходному каналу является автоматизация основных функций оперативной обработки информации для обеспечения всех уровней управления перевозками оперативной информацией в необходимом объеме. Ядром АСУ является единая информационная база, в которой содержится нормативно-справочная, оперативная информация, на основе которой рассчитываются вторичные показатели.

Эффективность работы водного транспорта в первую очередь зависит от работы судов транспортных единиц. Эффективность транспортных судов определяется безопасностью движения, точностью выполнения расписания, количеством израсходованного топлива, затратами труда на управление судном. Работа каждого теплохода на оптимальных значениях эксплуатационных характеристик зависит не только от степени автоматизации судовой силовой установки и рулевого комплекса, от профессионализма экипажа, но и от внешних условий: метеорологической обстановки, характеристик фарватера, плотности движения.

С ростом численности флота и открытием границ для зарубежных судов увеличивается плотность движения на внутренних водных путях. В этой обстановке вопросы оптимального использования судовых комплексов связаны с организацией движения, с решением задач расхождения на узких и извилистых фарватерах, с осуществлением управления при проходе гидротехнических сооружений. Перечисленные задачи не могут решаться только собственными системами управления. Необходимо использовать несобственные системы управления, например, береговые радиолокационные станции для проводки судов по узким фарватерам, то есть системы, которые управляют сразу некоторой группой объектов. Управляющая часть таких систем является общей для данной совокупности объектов.

Применение несобственных систем, используемых непосредственно на объекте, решает следующие задачи: управление режимами движения на трассах малой протяженности при прохождении гидротехнических сооружений; управление расхождением и обгоном судов на узких и извилистых фарватерах; управление режимами движения на трассах большой протяженности (более 10 км), с целью точного выполнения расписания и получении экономии топлива.

Создание и дальнейшее эксплуатация подобных систем управления требует проведения исследования, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. В частности, изучение интенсивности движения потоков судов на судоходных каналах. При нынешней интенсивности движения от 5- до 15 судов на километр, прохождение Волго-Донского канала большой проблемы для судов не представляет. Но при экономическом росте в стране интенсивность может возрасти в два и более раз, что может вызвать колебательные явления в транспортном потоке, образование пробок при прохождении шлюзованных участков пути. Все эти ситуации можно предсказать заранее на основе методов групповой динамики с использованием имитационного моделирования.

Процесс перевозки грузов и пассажиров сам по себе является лишь конечным этапом взаимодействия большого числа экономических и технологических процессов, направленных на обеспечение народного хозяйства транспортными услугами на водном транспорте. Качество этих услуг, в конечном счете, зависит от качества всех взаимодействующих процессов. Каждому из процессов может быть поставлена в соответствие своя система для реализации. Характерной особенностью функционирования транспортных систем является циклический характер их работы с существенным преобладанием случайных параметров систем. Поэтому при моделировании транспортных систем их часто можно представить в виде системы массового обслуживания. В данной работе модель строится на базе однофазной одноканальной системы массового обслуживания с ожиданием без приоритета. Аналитическое моделирование такой системы на базе теории Марковских процессов требует принятия жестких ограничений для получения результатов. Эти ограничения часто не могут быть приняты без искажения существа работы транспортной системы. Для некоторых систем соответствующие им модели вообще не имеют разработанного математического аппарата для их математического моделирования.

Управление любой сложной системой весьма затруднительно без обратной связи, которая заключается в отслеживании и анализе данных, отражающих состояние этой системы и ситуацию вокруг нее. Постоянная доступность актуальной информации дает возможность оценить текущее положение дел, а обзор изменения конкретных характеристик во времени 7 позволяет обнаружить тенденции развития системы и сделать выводы о том, что ожидает ее в будущем. Обладая всей полнотой сведений о состоянии системы и ее элементов в статике и динамике, можно принимать обоснованные решения по управлению транспортным потоком. Поэтому вопросы автоматизации управления транспортным процессом являются актуальными.

Основной целью диссертации является разработка инструментальных средств информационных систем контроля, предназначенных для автоматизации процессов управления нестационарными потоками судов на шлюзованных каналах.

Для решения данной цели потребовалось решение следующих задач:

• выполнить анализ основных параметров взаимодействия судов при движении по каналу;

• разработать программы управления судами различных размеров при проходе шлюзованных участков канала;

• исследовать параметры транспортного потока, как для групповых моделей движения, так и для отдельных транспортных единиц;

• создать имитационную модель движения судов на шлюзованных участках пути для поиска эффективной концепции управления движением и возможностью предсказания поведения и характеристик управляемого движения;

• предложить структуру и программное обеспечение для информационной системы управления движением судов по шлюзованному участку канала.

Методы исследования. При решении данных задач использовались методы математического моделирования, основанные на теории массового обслуживания, теории вероятностей и случайных процессов, теория автоматического и автоматизированного управления, теория следования за лидером, методики имитационного моделирования.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

• предложены характеристики явлений и параметров движения судов при встречах и обгонах на судоходных каналах, позволяющие обоснованно находить безопасное расстояние между объектами, исключать возможность возникновения волновых явлений и тем самым обеспечить движение без заторов;

• математические модели групповой динамики потока судов, дающие возможность учитывать взаимовлияние движущихся объектов и параметры встречного движения;

• имитационная модель процесса шлюзования, учитывающая встречное движение судов и соответственно параметры очередей на нижнем и верхнем бьефах;

• алгоритмы для автоматизации управления динамикой потоков судов на шлюзованных участках пути, разработанные на основании статистических методов и имитационного моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается аргументированной постановкой задач, конкретным обоснованием и анализом моделей, наглядностью интерпретаций формальных построений, а также результатами имитационных экспериментов, использующих программный продукт формализованного описания исследуемых процессов.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Явления и их параметры, которыми определяется движение судов при встречах и обгонах в каналах.

2. Комплекс математических моделей, учитывающий размеры судна и шлюза, гидравлические явления при проходе судов по шлюзованным участкам канала.

3. Математические модели групповой динамики потоков судов, позволяющие исследовать колебательные явления и причины остановки движения.

4. Основы получения информации о параметрах движения судов, оценки и тесты характеристик движения, которые позволяют эффективно решать задачи управления.

5. Методики разработки имитационной модели процесса шлюзования, позволяющие исследовать тенденцию изменения длинны очереди, времени ожидания судном шлюзования в зависимости от среднего времени прихода судов к бьефам.

6. Структура и программное обеспечение автоматизированной системы управления потоками судов на судоходных каналах с учетом встречного движения.

Практическая значимость работы заключается в использовании разработанных моделях, методиках, программных решений и алгоритмах, для создания автоматизированных систем управления движением потоками судов по судоходным каналам и в частности на Волго-Донском водном пути.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на одной международной научной конференции по наукоемким технологиям (г.Москва), всероссийской конференции (г.Санкт-Петербург), но отраслевых семинарах в СПГУВК, на секции по наукоемким технологиям Дома ученых им.М.Горького (г.Санкт-Петербург).

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 7 статьях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав основного теста, заключения, приложения и списка использованной литературы, работа содержит 180 страниц печатного текста,рисунков.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Мартынова, Ольга Владимировна

5.8. Основные выводы по главе.

1. Создан комплекс математических моделей для проведения имитационного моделирования.

2. Исследованы характеристики потоков судов при шлюзовании с учетом встречного движения.

3. Созданная имитационная модель позволяет проанализировать тенденцию изменения длины очереди, времени ожидания судном шлюзования от среднего времени прихода судов к бьефам. При времени моделирования 62 дня, с высоким коэффициентом использования шлюза -0,819, при среднем времени прихода судов к бьефам шлюза 1 час, получили среднее время ожидания судов пррхождения шлюза 2,8 часа. Если коэффициент использования шлюза не принимать во внимание, то при среднем времени прихода судов 1,5 часа, суда буду находиться в очереди два раза меньше.

Заключение

В общей системе народного хозяйства общая роль принадлежит транспорту, который завершает процесс производства, доставляя продукцию потребителю. От эффективности транспортного процесса зависит развитие производства. Под эффективностью понимается работа транспортных узлов, наличие систем управления движением, оснащение трасс техническими средствами навигации, работа транспортных объектов.

С ростом численности транспортных объектов увеличивается плотность движения на трассах. Поэтому для оптимального использования транспорта необходимо организовать безопасное движение, обеспечить точность выполнения расписания, осуществить управление при проходе гидротехнических сооружений. Создание математического и алгоритмического обеспечения для решения этих задач на основе современных математических методов является актуальной задачей.

В ходе решения поставленных задач получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Были получены аналитические выражения для поперечных сил и моментов взаимодействия при встречном и обгонном движении двух судов с различными геометрическими характеристиками на глубокой и мелкой воде. Проанализированы важные гидродинамические характеристики поперечные силы и моменты, которые определяют влияние корпуса одного судна на другое.

По параметрам математической модели выделены безопасные режимы движения судов при встречах и обгонах, одни из них представлены ниже. Гидродинамические усилия от взаимодействия судов резко увеличиваются с ростом скорости, поэтому встречные расхождения и обгоны должны выполняться на умеренных скоростях. Одной из важнейших характеристик является расстояние между бортами расходящихся судов h0. При встречном расхождении в штилевую погоду h0 > 35,, а при обгоне h0 > 65,, 5, - ширина меньшего судна. Наиболее интенсивно гидродинамическое взаимодействие судов проявляется на мелководье, когда отношение Н/Тср < 3.

2. Для исследования управлений предельными режимами при входе судна в шлюз разработан комплекс математических моделей, учитывающих геометрические размеры шлюза и судна, гидравлические явления происходящие при данном процессе, на основе активного эксперимента доказана адекватность полученных моделей, которая составила 2-5 %.

3. Выполнен анализ транспортного потока на базе математических моделей, как групповой динамики движения, так и отдельных транспортных единиц. По параметрам этих моделей определены зависимости между скоростью, плотностью и интенсивностью движения. Исследовано колебательное движение в транспортном потоке.

4. Создана система обработки данных о судах, которая позволит планировать передвижения судов на подходах, в шлюзах и канале. Система управления при регистрации судна сообщает рекомендованную скорость, чтобы приближения судов не вызвало их скопление у ворот шлюзов.

5. Предложен необходимый комплекс мероприятий по защите информации в компьютерных системах. Представлено большое разнообразие средств защиты информации и средств анализа защищенности компьютерных сетей.

6. Разработан инструментарий для создания имитационной модели, который дает возможность проводить эксперименты на компьютере без дорогостоящего экспериментирования на реальных объектах.

7. Имитационная модель процесса шлюзования, которая разработана и описана в данной работе, учитывает встречное движение и позволяет проанализировать тенденцию изменения длины очереди, времени ожидания судном шлюзования от среднего времени прихода судов к бьефам.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мартынова, Ольга Владимировна, 2004 год

1. Михайлов А. В. Судоходные шлюзы. М., "Транспорт", 1966. 527 с.

2. Михайлов А. В. , Левачёв С. Н. Водные пути и порты. М., "Высшая школа", 1982. 223 с.

3. Бутов А. С., Кока Н. Г. Имитационное моделирование работы флота на ЭВМ. М., "Транспорт", 1987. 112 с.

4. Ступин О. К. Системы массового обслуживания. С-Пб.,СПГУВК, 1993.120 с.

5. Бутов А. С. Моделирование работы транспортного флота. Л., ЛИВТ, 1975. 44 с.

6. Полянский В. М. Имитационное моделирование транспортных систем. С-Пб., СПГУВК, 1998. 163 с.

7. Атлас Б. А., Бутов А. С., Волков Н. И., Голоскоков П. Г., Ступин О. К. Экономическая кибернетика на водном транспорте. М., "Транспорт", 1978.

8. Федеральный закон от 4 июля 1996 г. N 85-ФЗ "Об участии в международном информационном обмене"

9. Федеральный закон от 20 февраля 1995 г. N 24-ФЗ "Об информации, информатизации и защите информации"

10. Атанс М., Фалб П. Оптимальное управление. М.: Машиностроение, 1968.-765 с.

11. Атлас единой глубоководной системы Европейской части РСФСР. Том 8, Волго-Донской водный путь, от Волгограда до Азовского моря. Минречфлот РСФСР. Управление Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина. ДСП. 1978.

12. Басин А. М. Ходкость и управляемость корабля. М.: Транспорт, 1967. -255 с.

13. Басин А. М., Анфимов В. Н. Гидродинамика судна. М.: Транспорт,1961.-654 с.

14. Ваганов Г. И. О соотношении габаритов судового хода и толкаемых составов. М.: Речной транспорт, 1962. - 22 с.

15. Габасов Р. Ф., Кириллова Ф. М. Оптимизация линейных систем. -Минск: изд-во БГУ имени В. И. Ленина, 1973. 245 с.

16. Гофман А. Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плавания. Д.: Судостроение, 1971. - 255 с.

17. Д. Дрю. Теория транспортных потоков и управление ими. М.: Транспорт, 1972. - 424 с.

18. Земляновский Д. К. Теоретические основы безопасности плавания судов. М.: Транспорт, 1973. - 223 с.

19. Иносэ X., Хамара Т. Управление дорожным движением. М.: Транспорт, 1983. - 248 с.

20. Козлов И. Т. Пропускная способность транспортных систем. М.: Транспорт, 1986. - 240 с.

21. Красовский Н. Н. Теория управления движением. М.: Наука, 1968.476 с.

22. Кулибанов Ю. М. Исследование и построение математической модели системы автоматического управления курсовыми углами речного судна при возмущенном движении // 25 научно-техническая конференция ЛИВТ: Сб. докл.-Д., 1971.-с. 256-265.

23. Кулибанов Ю. М. Судно как объект многосвязного регулирования при оптимальном управлении главными двигателями // Тр. ин-та: Экономика и организация перевозок / ЛИВТ. 1966. часть I. - с. 78 - 88.

24. Маршрутное описание Водных путей Донского Бассейна. Минречфлот РСФСР. Управление Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина. ДСП. 1975.

25. Маслов Ю. В. Управление дизельной энергетической установкой и179рулевым устройством при расхождении судов. «Прикладная математика в инженерных расчетах на транспорте». Сборник научных трудов. СПб., 2001 г., с. 19-25.

26. Михайлов А. В. Внутренние водные пути. М.: Стройиздат, 1973.328 с.

27. Морозов В. П., Дымарский Я. С. Элементы теории управления ГАП. -JL: Машиностроение, 1984. 333 с.

28. Небеснов В. И. Оптимальные режимы работы судовых комплексов. -М.: Транспорт, 1974. 200 с.

29. Ольшамовский С. Б., Земляновский Д. К., Щепетов И. А. Организация безопасности плавания судов. -М.: Транспорт, 1972. -215 с.

30. Павленко В. Г. Элементы теории судовождения на внутренних водных путях. Часть 1, 2. М.: Транспорт, 1962. - 300 с.

31. Петров Ю. П. Оптимальное управление движением транспортных средств. JL: Энергия, 1969. - 96 с.

32. Рыжов Jl. М. Управляемость толкаемых составов. М.: Транспорт, 1969.-128 с.

33. Рыжов JI. М., Соларев Н. Ф. Маневренность речных судов. М.: Транспорт, 1967. - 144 с.

34. Соларев Н. Ф., Сорокин Н. А. Инерционные характеристики и безопасность расхождения судов и составов. М.: Транспорт, 1972. - 136 с.

35. Тарасов М. А., Ляхов К. С. Организация движения флота. М.: Транспорт, 1985. - 288 с.

36. Шанчуров П. Н., Соларев Н. Ф., Щепетов И. А. Управление судами и составами. -М.: Транспорт, 1971. 352 с.

37. Юфа A. JI. Автоматизация процессов управления маневрирующими надводными объектами. JL: Судостроение, 1987. - 288 с.

38. Альянах И. Н. Имитационное моделирование вычислительных систем - Л, ЛИМТУ, 1983.

39. Артынов А. П., Скалецкий В. В. Автоматизация процессов планирования и управления транспортными системами - М, Наука, 1981

40. Бабурин В. А., Бабурин Н. В., Енгалычевская Г. Е. Алгоритм идентификации судовых потоков в задаче текущего управления флотом -СПб, СПГУВК, 1996.

41. Бабурин Н. В. Информационная система для автоматизированной системы управления работой флота - СПБ, СПГУВК, 2000.

42. Бурков В. А., Ириков В. А. Модели и методы управления организацион-ными системами - М, Наука, 1994

43. Данциг Дж. Линейное программирование, его применение и обобщение-М, Прогресс, 1966.

44. Домарев В. В. Защита информации и безопасность компьютерных систем - Диа-Софт, 1999.

45. Комягин В. Б., Коцюбинский А. О. Excel 7 в примерах: практическое пособие - М, Нолидж, 1996.

46. Системы управления базами данных и знаний Справ, изд. - Наумов А. Н., Вендров А. М., Иванов В. К. и др. под ред. Наумова А. Н. - М, Финансы и статистика, 1991

47. Теория прогнозирования и принятия решений Под. ред. Саркисяна С. А. - М, Высшая школа, 1977.

48. Мартынова О.В. Исследование процессов шлюзования, расчет пропускной способности шлюза./ Методы прикладной математики в транспортных системах: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2000. с. 201-203.

49. Мартынова О.В. Информационная система для оператора шлюза./ Методы прикладной математики в транспортных системах: Сборник научных трудов. Выпуск 7. СПб.: СПГУВК, 2002. с.207-210.

50. Мартынова О.В. Моделирование движения судов по шлюзованным участкам водного пути. / Методы прикладной математики в транспортных системах: Сборник научных трудов. Выпуск 7. СПб.: СПГУВК, 2002. с.210-212.

51. Мартынова О.В. Методы определения сил и моментов, действующих на суда при расхождениях и обгонах./ Автоматизированные системы управления на транспорте: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2003. с. 185-188.

52. Мартынова О.В. Зависимость между скоростью, плотностью и интенсивностью в судовом потоке./ Автоматизированные системы управления на транспорте: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2003. с. 188-190.

53. Мартынова О.В. Влияние условий плавания на характеристики взаимодействия судов./ Автоматизированные системы управления на транспорте: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2003. с. 190-194.

54. Мартынова О.В. Разработка информационной системы управления движением судов Волго-Донского канала./ Информационное и математическое обеспечение автоматизированных систем управления: Сборник научных трудов. СПб.: СПГУВК, 2004. с. 142-147.