Методика расчета габаритов каналов, фарватеров и зон маневрирования методом компьютерного моделирования движения судов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Козлов, Сергей Григорьевич

• Козлов, Сергей Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Козлов, Сергей Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СУДОХОДНЫХ ПУТЕЙ И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФАРВАТЕРОВ; КАНАЛОВ И МАНЕВРОВЫХ ЗОН.

1.1 Современное состояние судоходных путей.

1.2 Анализ применения методик определения габаритов фарватеров, каналов и маневровых зон.

1.3 Особенности специализированных математических моделей движения судов, предназначенных для определения оптимальных параметров водных путей.

1.4 Основные направления совершенствования • методик проектирования фарватеров, каналов и зон маневрирования на основе математического моделирования движения судов.

2 СТРУКТУРА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ СУДОВ И ПОДГОТОВКА БАЗ ДАННЫХ ДЛЯ ЕЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ.

2.1 Алгоритм базовой математической модели управляемого движения, судов в условиях ограниченного фарватера.

2.2 Оценка адекватности математических моделей управляемого движения судов.

2.3 Методика подготовки баз данных по конфигурации, глубинам и скоростям течения для функционирования модели движения судов.

2.4 Базы данных для функционирования гидродинамических моделей управляемого движения судна.

2.5 Особенности электронных карт фарватеров, каналов и маневровых зон

3 ОБОБЩЕННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СУДНА И ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В КАНАЛАХ И В УЗКОСТЯХ ПРИ ПЛАВАНИИ СУДОВ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОХОДНЫХ ПУТЕЙ.

3.1 Основы алгоритма решения дифференциальных уравнений в расчетах встречного потока и изменения уровня воды в каналах и шлюзах при прохождении судов.78

3.2 Определение безопасного запаса глубины под днищем при движении судов

3.3 Методика расчета оптимальных габаритов прямолинейных участков каналов и фарватеров.

3.4 Математическое моделирование прохождения судов по криволинейнеым участкам и оценка минимального радиуса закругления!

4 ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ЧАСТНЫХ СЛУЧАЕВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ГАБАРИТОВ СУДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ЗОН МАНЕВРИРОВАНИЯ.

4.1 Обоснование методики моделирования движения судов при прохождении каналов судопропускных сооружений защитных дамб.

4.2 Определения оптимальных размеров маневровых зон на основе математического моделирования.

4.3 Методика учета предельных навигационных ограничений при проектировании каналов, фарватеров и маневровых зон.

4.4 Перспективные направления совершенствования математических моделей и методов их применения при проектировании судоходных путей

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика расчета габаритов каналов, фарватеров и зон маневрирования методом компьютерного моделирования движения судов»

Актуальность темы обусловлена тем, что в настоящее время; с ростом тоннажа обрабатываемых судов и увеличением общего грузооборота портов, особую роль приобретают вопросы повышения безопасности мореплавания, снижения навигационной аварийности и предотвращения экологических катастроф на акваториях портов и подходах к ним. В то же время существующие методики и методы определения габаритов каналов и зон маневрирования серьезно устарели и не отвечают качественному изменению флота и технических средств обеспечениясудоходства.

Благодаря модернизации действующих терминалов и вводу в эксплуатацию новых перегрузочных мощностей, грузооборот морских портов России на конец 2005 года перешагнул рубеж 400 млн. тонн, а в текущем 2010 году превысит отметку в 500 млн. тонн. Объем перевалки грузов за период 2003 - 2009 г.г. приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Объем перевалки грузов через морские порты России.

Годы 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Грузооборот, млн. т 286,8 358,9 400 421 451 454,6 498,4

В связи с кризисными явлениями в мировой экономике темпы прироста объемов перевалки грузов в 2007 - 2008 г.г. несколько сократились, уменьшилось количество судозаходов, прирост грузооборота* происходит за счет возрастания грузоподъемности судов, обрабатываемых портами России. В связи с этим назрела серьезная необходимость в* ревизии и модернизации существующих подходов и акваторий портов. Анализ проектов, выполняемых отечественными институтами за последнее время, подтверждает актуальность проблем, связанных с дноуглублением каналов и акваторий морских портов на всех бассейнах.

Следует отметить, что габариты существующих каналов, в большинстве случаев, не отвечают требованиям РД 31.31.47-88 «Нормы проектирования морских каналов» и РД 31.3.01.01-93 «Руководство по технологическому проектированию морских портов», в то же время во многих каналах, не соответствующих своими габаритами требованиям действующих норм, обеспечиваются условия безопасности судоходства. Это свидетельствует о завышенных требованиях действующих нормативных документов.

Цель исследования заключается в разработке методики определения оптимальных габаритов каналов и маневровых зон методом компьютерного моделирования движения судов, т.е. в обеспечении низкой стоимости их строительства и эксплуатации при сохранении достаточного уровня безопасности судоходства.

В связи с этим научной задачей, решаемой диссертационной работой, является разработка требований к программным комплексам моделирования движения судов и методик расчета основных параметров каналов, фарватеров и зон маневрирования морских портов методами компьютерного моделирования.

Методы исследования. При решении поставленных, научных задач использованы положения теории корабля (для анализа динамики и кинематики судна), математического и физического моделирования, анализ данных компьютерного моделирования движения судов и натурных испытаний.

Научная новизна работы заключается в разработке методов компьютерного моделирования движения судов для непосредственного решения задачи по определению» оптимальных габаритов каналов и зон маневрирования. Впервые разработан пакет требований и методик для решения задач по проектированию акваторий портов и подходов к ним, расчету буксирного обеспечения швартовых операций и определения ограничений по условиям судоходства.

Практическая ценность работы заключается в:

- обосновании и разработке методик определения оптимальных габаритов при проектирования новых, реконструкции и безопасной эксплуатации действующих каналов, фарватеров, судопропускных сооружений и зон маневрирования;

- принятии обоснованных проектных решений на основе моделирования движения судов и, как результат, значительном сокращении объемов дноуглубительных работ при сохранении достаточного уровня безопасности судоходства;

- в возможности расчета пропускной способности портов и каналов и определения условий (скорости ветра, течения, волнения и т.д.), ограничивающих судоходство.

Обоснованность и достоверность полученных результатов достигнута путем применения апробированного математического аппарата и сравнения полученных результатов компьютерного моделирования с натурными испытаниями и результатами, полученными другими исследователями. Основные теоретические положения подтверждены расчетами; на. программном комплексе моделирования движения судов ММБШГ с использованием; математических моделей« судов, разработанных проф. райковым В.И.

Реализация результатов исследования. Основные результаты, исследования реализованы в разработанных в 2008 г. по заказу ФГУП «Росморпорт» «Рекомендациях по проектированию и эксплуатации каналов, фарватеров и зон маневрирования» [1, 2, 3] и опубликованы в научных статьях [4, 5, 6. 7, 8].

Методики^ разработанные в настоящей работе, неоднократно использовались при выполнении ПИР институтом морского транспорта ОАО «Союзморниипроект» и в трудах Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций.

Апробация работы. Использованная, методология моделирования движения судов в условиях ограниченного фарватера с учетом ветра, течения и гидродинамического контакта с другими объектами неоднократно применялась при проектировании, для установления навигационных ограничений, при разработке Правил плавания и разборе аварий. В качестве примеров можно привести следующие работы:

- Математическое моделирование челночного курсирования нефтеналивных танкеров между портом Кавказ и танкером-накопителем, расположенным на рейде в районе Таманского-полуострова [9] .

- Определение методом компьютерного моделирования навигационных ограничений и оптимальных размеров операционных акваторий, и маневрового рейда; в порту Кавказ с использованием программного комплекса маневрирования и швартовки судов ММ81М [9].

- Создание временных Правил плавания через судопропускные сооружения С-1 и С-2 защитной дамбы С-Петербурга [10. 11].

- Составление заключения по аварии т/х «Каунас» на р. Нева в соответствии с Распоряжением Министра транспорта'С.Франка № СФ-49-р от 29.08.2002 [12].

- Определение габаритов, глубин и радиусов поворотов речной и морской частей модернизируемого Волго-Каспийского канала [13,14].

- Оценка безопасности плавания судов и составов по наиболее сложным участкам рек Дон и Нева на основе компьютерного моделирования с использованием программного комплекса ММБГМ [15, 16].

- Исследование условий безопасного плавания судов на участке Приемный буй - ПРР «Экономия» в порту Архангельск [17].

- Проектирование подходного канала к балкерному терминалу порта Посьет [18].

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять научных работ, из них 3 в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 197 машинописных страницы, включая 99 рисунков, 17 таблиц, список источников из 78 наименований и одного приложения на 2-х листах.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Козлов, Сергей Григорьевич

Основные результаты исследования реализованы: в научных журналах «Наука и техника транспорта» №2 2007 г. стр. 92-95 и №2 2008 г. стр.53-56, «Морской флот» №2 2008 г., стр.35-37, «Объединенный научный журнал» №21 (181) октябрь 2006 г. стр. 77-83 и №22 (182) октябрь 2006 г. стр. 66-72.

Полученные результаты были использованы при разработке в 2008 году по заданию ФГУП «Росморпорт» документа «Рекомендации по проектированию подходных каналов, фарватеров и зон маневрирования», руководителем разработки которого был автор настоящей работы.

В данном документе впервые обобщены и применены методики компьютерного моделирования движения, судов, численного определения, параметров маневренности, учтены современные требования к вопросам определения габаритов каналов и зон маневрирования с точки зрения обеспечения безопасности судоходства и другие вопросы, обеспечивающие проектирование и безопасную эксплуатацию указанных сооружений.

В таблице 4.1 приведены данные отношения фактической и расчетных ширин каналов к ширине расчетного судна для 16 каналов портов РФ.

Расчетные ширины каналов определены с помощью различных методик: по действующим РД и разработанным на основе предлагаемых в данной работе методик Рекомендациям по проектированию и эксплуатации каналов, фарватеров и зон маневрирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В. процессе выполнения работы были* получены, следующие результаты:

- Выполнен анализ состояния каналов, фарватеров и зон маневрирования, существующих методик определения- габаритов данных сооружений и применения математических моделей движения судов для проектирования-каналов, фарватеров и маневровых зон.

- Разработаны требования к объему учитываемых факторов при математическом моделировании движения судов для оценки оптимальных и безопасных габаритов ограниченного фарватера.

- Предложены требования для оценки адекватности и сертификации гидродинамических баз данных по судам и математическим моделям движения судов, используемым при проектировании каналов, фарватеров и зон маневрирования.

- Приведено обоснование требований к электронным картам модели района плавания.

- Разработана методика расчета безопасного запаса воды под днищем судна и глубины каналов, фарватеров и зон маневрирования.

- Разработана методика применения математических моделей движения судов для, определения оптимальной ширины, каналов и фарватеров на прямолинейных участках» при одно- и двухстороннем движении.

- Разработана методика расчета минимальных радиусов закругления криволинейных участков каналов на* основе моделирования; движения судов.!

- Приведено обоснование методики моделирования движения судов в судопропускных сооружениях.

- Разработана методика определения оптимальных размеров; маневровых зон.

- Разработана* методика учета предельных навигационных ограничений при проектировании каналов, фарватеров и зон маневрирования.

- Приведено обоснование применения траекторных автоматов для объективной оценки габаритов каналов и зон маневрирования, что позволило использовать полученные в результате исследования результаты для конкретных целей определения габаритов каналов, фарватеров и зон маневрирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Козлов, Сергей Григорьевич, 2010 год

1. Козлов, С.Г. Определение ширины входа в порт, угла поворота и оптимальных габаритов внутреннего рейда методом математического моделирования/ С. Г. Козлов/Юбъединенный научный журнал. ISSN 17293707 2006. №21 (181). - С. 77-83.

2. Козлов, С. Г. Определение габаритов канала методом математического моделирования на примере танкера проекта 19612 иусловий. Волго-каспийского канала. /С.Г.Козл ов//Объединенный научный журнал. ISSN 1729-3707 2006 №22 (182) - С. 66-72.

3. Козлов, С.Г. Разработка проектов на строительство, реконструкцию и ремонтное дноуглубление подходных каналов и* акваторий портов/С.Г. Козлов// Наука, и техника транспорта инд. 69960 -2007 №2. С. 92-95.

4. Козлов, С.Г. Эксплуатация каналов, фарватеров и зон маневрирования: новые решения /С.Г. Козлов//Морской флот инд.70550 -2008-№2-С. 35-37.

5. Козлов С. Г. Разработка комплексных математических моделей движения судов./С.Г. Козлов//Наука и техника транспорта инд. 69960 -2008-№2-С. 53-56.

6. Зайков, В.И. Исследования по повышению безопасности при движении судов под невскими мостами. / Зайков, В.И. Труды Санкт-Петербургского конгресса "Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке" СПб., 2007. - С.183 - 190.

7. Строительство подходного канала-к балкерному терминалу порта Посьет. Определение габаритов канала и акватории' порта методом компьютерного моделирования движения судов: рук. Слатин К.В.; исп. Козлов С.Г. и др.. М., 2009. - 101 с. - Инв. № 447

8. Нормы проектирования морских каналов РД 31.31.47-88: утв. Инструктивным письмом Минморфлота СССР № 114 от 14.07.1988: ввод в действие с 01.10.1988. ВО Мортехинформреклама - М., 1988. - 51 с

9. Нормы проектирования морских портов РД 31.3.05-98: утв. Минтранс. 1997: ввод в действие 06-01-1997 М. ВО Мортехинформреклама, 1998 - 161 с.

10. Руководство по проектированию морских портов» РД 31.3.01-0193: утв. департаментом морского транспорта Минтранса РФ 1993:. ввод в действие 01-01-1994: Союзмориипроект, 1993 М. ВО Мортехинформреклама 1998 - 277 с.

11. Руководство по проектированию речных портов: утв. Министром речного флота РСФСР 19.11.1982: Гипроречтранс, 1882 М Транспорт, 1985-142 с.

12. Approach Channels. A Guide for Design. Final Report of the Joint PIANC-IAPH/ Working Group П-30 in cooperation with IMPA and IALA. PIANC General Secretariat. //Brussels, 1995.

13. Сотников И.И. Математические модели, вычислительные схемы анализа« и компьютерное моделирование движения судов. / Сотников И.И.// Мурманск 2007.

14. Юдин, Ю.И. Маневренные характеристики судна как функции параметров его математической модели./ Юдин, Ю.И. Поздняков С.И.// Вестник МГТУ Труды Мурманского гос. техн. ун-та т.9, №2 - Мурманск, 2006. - С.234-240.

15. Zaikov V.I.: "Mathematical Model for Ship Controlled Motion in Maneuvering under the Conditions of Shallows, //Winds and Flows", SMSSH'84 Varna, 1984.

16. Лукомский, Ю.А. Навигация и управление движением судов/ Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А.// Элмор, СПб., 2002 -360с.

17. Сухомел, Г.И. Исследование движения судов по ограниченным фарватерам/ Сухомел Г.И. и др.// А.Н. УССР Киев, 1956. - С.163.

18. Басин, А.М. Гидродинамика судов на мелководье./ Басин А.М. и др. //Судостроение Л., 1976 - 319 с.

19. Полунин, А.М. Определение безопасных режимов движения речных судов по мелководью и обоснование норм запасов воды под днищем./ Полунин, А.М.// Зап.Сиб.Изд. Новосибирск, 1965. - С. 43.

20. Сухомел, Г.И. О сопротивлении движению судов по каналам./ Сухомел Г.И.//Речной транспорт № 1-2 -М, 1944. С. 15-18.

21. Технические условия* по проектированию морских каналов: ВСН 24-71: утв. М-вом морского флота: ввод в действие 1971 -Союзморниипроект М:, 1971 —29 с.

22. Гулиев Ю.О. Определение безопасных глубин на мелководье и в каналах. / Гулиев Ю.О. //Труды проектно-констр. НИИ морского транспорта № 30-М., 1971 С. 136-140.

23. Оптимальные габариты морских фарватеров, подходных каналов и- водных путей для прохода крупнотоннажных судов: Международная комиссия по приему крупнотоннажных судов (ICORELS) 1980г. СПб. -ГУНиО МО 1981 — 34 с. ,

24. Millard A. A Comparison of Theoretical and Empirical Prediction of Squat in Shallow Water/. Int. Shipbuild. Progr., 39, No 417,1992, pp. 69-78.

25. Рекомендации по безопасному плаванию расчетных судов на подходах и акватории причала бункеровочной базы ЗАО «Московская производственная база»: отчет о НИР Книга 10 (5-1212/34-2004)/ ЦНИИМФ; рук. Васильев В .Я. СПб., 2004 60 с. - Инв. № 8048.

26. Декларация о намерениях. Моделирование баржи объемом 2000 м3 с помощью буксира при входе в Новороссийскую гавань на базе компьютерной программы SHIPMAN: отчет о ПИР Chevron/4epHoe море. Каспийский Трубопроводный Консорциум-Р Новороссийск, 1999 - 25 с.

27. Правила классификации и постройки морских судов: РМРС, ISBN 978-5-89331-098-6 -. СПб. 2003. 480 с.

28. Гофман А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна: справочник. / Гофман А.Д.// Судостроение JI.,1988. - 360 с.

29. Абатуров, С.Б. Опыт оценки вероятностных характеристик заливаемости судов при мореходных модельных испытаниях на нерегулярном волнении/ Абатуров С.Б., Платонов ВТ.//. Сб. тр. /НТО им. акад. А.Н.Крылова. - Судостроение, Л., 1985, вып. 418. - С. 12 - 16.

30. Давидан, И.Н. Ветровое волнение как вероятностный, гидродинамический процесс./ Давидан Й.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В .А.// Гидрометеоиздат. Л., 1978. С. 18-34.

31. Раев В.А. Регулирование волновых колебаний» в судоходных, каналах/ Раев В.А.// Труды ЛИИВТа, вып. 78 СПб., 1964 - с. 19-34.

32. Костюков A.A. Потенциал скоростей и волновое сопротивление судов при конечной глубине воды./ Костюков А.А.// Изд. АН СССР №9 -М., 1956г. с. 50-68.

33. Лукас, А.Х. Входы в судоходный порт, исследуемые на гидравлических моделях/ Лукас А.Х. и др перевод №1066. // ВНИИГ, Ленинград, 1976 54с.

34. Preissmann A. Propagations des intumescences dans les canaux et rivieres // First Congress of the French Association for Computation. Grenoble, September, 1961.

35. Проблемы Панамского канала и проекты строительства новой межокеанской магистрали. Золотов Ю.А. Латинкая Америка. Проблемы и тенденции развития транспорта:, отчет НИР/АН СССР ин-т Латинской Америки М., 1991 - С. 172-179.

36. Павленко В.Г. Прямой метод расчета встречного потока и понижения уровня при движении судна в канале./ Павленко В.Г. и др// Труды НИИВТа, 1974 г., вып. 103 Mi, 1974. - с. 21-35.

37. Войткунский Я.И. Сопротивление воды движению судов./ Войткунский Я.И. //. ЛКИ- Ленинград, 1964 С. 136-243.

38. Костюков; А. А. Сопротивление воды движению1 судов Текст. учебник / Костюков, А. А.// Судостроение Л.:1966 - 448 с.

39. Воробьев Ю.Л. О движении судна на значительном мелководье/ Воробьев» Ю.Л., Веселовский Р.К. Сборник научных трудов» ОИМФ.//Рекламинформбюро ММФ вып. 4 9 -М.,1975 - С. 16.

40. Мирошниченко В.Г. Эксплуатация морских каналов/ Мирошниченко В.Г.// Транспорт М., 1982 - 136 с.

41. Павленко В.Г. Методика определения допустимого режима движения судов на реках и каналах. / Павленко В.Г.// А.Н. УССР Киев, 1959 - С. 28.

42. Павленко В.Г. Элементы теории судовождения на внутренних водных путях./ Павленко В.Г.// Транспорт М., 1964 - с. 119.

43. Полунин А.М. К расчету безопасной скорости движения судов на мелководье/ Полунин A.M.// Речной транспорт, 1963г. №6 М., 1963 - С. 39-41.

44. Черный И.М. К расчету критической скорости на мелководье/ Черный И.М., Янковский Л.И.//. Сб. Гидротехн. ст-во и гидротехника -Наукова думка Киев, 1964 С. 93-94.

45. Фомкинский Л.И. К вопросу о выборе допустимой скорости грузовых судов на предельном мелководье./ Фомкинский Л.И., Фомин В.Г. Труды ЦНШЭВТа-М., 1972 С. 125-136.

46. Васильев А.В. Управляемость судов: учеб. пособие. / Васильев, A3.// Судостроение Л.,1989 - 328 с.

47. Зернов Д.А. Определение основных габаритов поперечного сечения судоходных^ каналов. / Зернов Д.А.// Речной транспорт №1 М:, 1970. - С. 36-37.

48. Драчёв В. Н: Статистический« анализ результатов^ моделирования движения судна на циркуляции./ Драчёв В. Н., Лентарёв А. А. //Вестник МГУ, сер. Судовождение Вып. 23/2008;г. - М., 2008 - С: 58-65;

49. Резолюция ИМО А.527(14) от 20 ноября 1985 г. с изменениями Резолюцией ИМО А.827(19) от 23 ноября 1995 г. Общие положения об установлении путей движения судов. № 9036./ изд. ГУНиО МО СПб. 1995 -16 с:

50. Инструкция по навигационному оборудованию (ИНО-2000): Адм. № 9106/ГУНиО МО СПб., 2001 -450 с.

51. Резолюция ИМО А.529(13) от 17 ноября 1983 г. Стандарты точности судовождения./ изд. ГУНиО МО- СПб., 1985.

52. Резолюция ИМО А.815(19) по Всемирной Радионавигационной Системе (ВРНС) 1995 г./ изд. ГУНиО МО СПб., 1995.

53. Руководство МАМС по навигационному оборудованию (NAVGUIDE). Издание 3-е, 1998 г. /изд: ГУНиО МО-СПб., 1998.

54. Зимарев Е.В. Принципиальные требования при проектировании рейдов, подходных каналов и аванпортов комплексных гидроузлов/ Зимарев Е.В. Труды координационного совещания по гидротехн. Вып. ХХШ// Энергия Ленинград, 1965. - С. 230-240.

55. Угинчус A.A. Каналы и сооружения на них. / Угинчус A.A.// Госстройиздат М:, 1953 - 165 с.

56. Шаповалов П.Б. Морские каналы и навигационная обстановка морских путей. Учебное пособие. / Шаповалов ШБ. // Морской транспорт -М;, 1960-205 с.

57. Божич, П:К. Морские каналы и их обстановка: Учебное пособие./ Божич П.К.// Морской транспорт М, 1948 - 242 с.