Методы оптимизации параметров функционирования систем лазерных створных маяков для обеспечения безопасности судовождения в стесненных условиях плавания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Миронов, Алексей Юрьевич

• Миронов, Алексей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Миронов, Алексей Юрьевич

Введение.

1. Глава 1. Анализ состояния проблемы лазерной навигации и постановка задач исследования.

1.1. Рассмотрение видов СНО.

1.2. Анализ характеристик различных навигационных систем.

1.3. Анализ опыта эксплуатации систем JICM "Анемон".

1.4. Анализ методов расчета навигационных створов.

1.5. Постановка задач исследования.

1.6. Выводы и результаты по первой главе.

2. Глава 2. Проведение исследований по поставленным задачам и разработка методики расчетов Л СМ.

2.1. Разработка методов расчетов параметров ЛСМ.

2.2. Исследование и определение параметров точности установки н ориентирования.

2.3. Разработка методики расчета на основе разработанных методов расчета параметров ЛСМ и мер по учету влиянию внешних условий.

2.4. Оценка влияния параметров створа на его эксплуатационные характеристики.

2.5. Разработка и исследование методов повышения эксплуатационных характеристик ЛСМ.

2.6. Аналнз возможных компоновок створа ЛСМ.

2.7. Выводы и результаты по второй главе.

3. Глава 3. Рекомендации по построению системы ЛСМ применительно к региону (акватории) порта Туапсе.

3.1. Современное состояние разработок систем типа "Анемон".

3.2. Расчет параметров ЛСМ для Порта Туапсе.

3.3. Техническая реализация системы Анемон 3.

3.4. Оплавывание перспективного варианта ЛСМ.

3.5. Оценка эффективности разработанных научных результатов.

3.6. Выводы и результаты по третьей главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы оптимизации параметров функционирования систем лазерных створных маяков для обеспечения безопасности судовождения в стесненных условиях плавания»

При современном развитии водного транспорта и водных путей большое внимание уделяется безопасности. Безопасность судна, гидротехнических сооружений, безопасность людей включает в себя целый комплекс мер и методов для их обеспечения. Основными угрозами для безопасности являются аварийные ситуации. Одной из причин аварийных ситуаций является неправильная или неточная навигационная информация. На флоте по данным мировой статистики 2/3 всех аварийных случаев составляют навигационные аварии. [1] (Из них 85% происходит на удалении от берега около 5 миль, в том числе 30% на акватории портов. Аналогичная ситуация характерна и для других видов транспорта: взлёт и посадка вертолётов и самолётов, особенно с вертикальным взлётом, стыковка космических аппаратов, парковка автотранспорта (в частности, крупногабаритного).

Надежное навигационное обеспечение судов имеет большое значение для безопасности их плавания, эффективной эксплуатации и предотвращения экологических бедствий. Особую значимость вопросы надежного, высокоточного контроля за положением судна приобретают при плавании в прибрежной зоне, на подходных путях, в узкостях, каналах и на акваториях портов, где последствия аварии судна в большой степени связаны с риском загрязнения окружающей среды, порчи гидротехнических сооружений, человеческими жертвами. Для удовлетворения современных требований к навигационному обеспечению судоходства внедряются качественно новые средства судовождения, (лазерные, спутниковые и др. навигационные системы).

Несмотря на существование современных электронных средств навигации: спутниковой ориентации, электронных карт и других, продолжают использоваться стандартные средства навигации: обстановочное оборудование (буи, створы и т. д.), в особо опасных условиях судовождения -в узкостях и т. п., где требуются оперативные действия судоводителя в ручном режиме такие средства позволяют ориентироваться, в реальном масштабе пространства-времени. Требования к наличию визуальных средств навигационной обстановки (СНО) является обязательным на внутренних водных путях (ВВП). Использование сочетаний различных систем навигации позволяет повысить точность навигационных данных и повысить безопасность судовождения. Аналогом может служить необходимость ручного управления самолетом по аэродромным огням при заходе на посадку на завершающем, самом ответственном участке глиссады.

Применение лазеров для создания навигационных систем началось в 1965 году в виде лазерных маяков и продолжается до сегодняшних дней [2]. С появлением новых типов лазеров, новых оригинальных идей использования, усовершенствования микроэлектронной аппаратуры для лазерной техники открываются все новые и новые области применения в построении навигационных систем. Определенные позиции лазерная техника заняла в зрительных навигационных системах, где используются свойства лазера как когерентного источника видимого излучения, так как существующие стандартные визуальные средства, обладая рядом достоинств (простота использования, отсутствие необходимости оборудовать суда дополнительной техникой, надёжность) имеют и существенные недостатки. Основные из них: невысокая точность, заметное ухудшение видимости при понижении прозрачности атмосферы и при наличии фона посторонних береговых огнен.

В МГАВТ с 80-х годов под руководством д.т.н., проф. Савельева В.Г. ведутся работы по разработке методов и систем повышения безопасности судоходства, в частности, визуальной навигационной системы, представляющей собой лазерный створный маяк (ЛСМ) названный "Анемон" для водного транспорта. К началу 90-х годов первое поколение ЛСМ системы на газовых лазерах прошло государственные испытания, система была рекомендована на снабжение флота и внедрена в производство, но вследствие экономических преобразований развитие этой системы и использование как стандартного навигационного средства задержалось. К 2000 году в МГАВТ была предложена и совместно с НИШ ill Роскосмоса разработана система второго поколения на полупроводниковых лазерах, которая прошла испытания и была установлена на опытную эксплуатацию на Волго —" Балтийском водном пути. Итоги этой многолетней эксплуатации показали достоинства этой системы, и было принято решение о расширении её использования применительно к морским портам. При изучении запросов потенциальных пользователей ЛСМ стало очевидно, что параметры ранее разработанных вариантов систем не в полной мере отвечают требованиям потенциальных потребителей в части обеспечения требуемой дальности ориентирования, требуемой точности ориентирования, покрытия излучением всей зоны ориентирования. Для обеспечения этих требований была необходима оптимизация параметров и- разработка методики адаптации функционирования системы под конкретные заданные условия и возникла проблемная ситуация, связанная с неразработанностью вопроса проектирования и создания визуальных навигационных систем на основе лазеров. Таким образом, выявлено основное общее противоречие между потребностями в необходимости иметь визуальные средства навигации для повышения безопасности при подходах к портам и на ВВП на основе лазеров и отсутствием научно-методических методов расчета, основанных на реальных технических требованиях к таким системам, и отсутствием соответствующих методов оптимизации функционирования систем JICM.

При анализе материалов и результатов по разработке уже созданных решений систем ЛСМ («Анемон-1» и «Анемон-2») было сделано два вывода: целостной и отвечающей реальным требованиям методики расчета параметров системы JICM нет; методы, используемые при расчете и проектировании систем ЛСМ, не привязывали параметры системы к условиям в месте установки, таким как характеристики опор, влияние внешних условий и др. Анализ опыта эксплуатации и отзывов судоводителей показал, что имеется две основных проблемы. Первой было слишком сильное повышение яркости вспышек при приближении к огням створа; что: приводило к некомфортному ощущению для глаз судоводителя. Второй проблемой было сильное повышения чувствительности створа на близких расстояниях от огней, что приводило к сильной напряженности; судоводителей при ориентировании по створу.

В рамках выявленного основного общего противоречия выявлены три следующих частных противоречия между необходимостью иметь:

1) научно обоснованные методы: для определения-всех необходимых параметров нав11гационнь1х систем на основе лазеров и наличием лишь части необходимых методов;

2) полную, целостную п отвечающую реальным требованиям методику расчета параметров навигационных систем на основе лазеров позволяющую: обеспечить выполнение требований потребителей и фактическим отсутствием такой методики;

3) безопасные и комфортные условия наблюдения огней и ориентации по визуальным навигационным системам на основе лазеров и отсутствием методов повышения безопасности и комфортности наблюдения огней визуальных навигационных систем на основе лазеров.

В связи с этим весьма актуальной и, важной научно-практической задачей является повышение безопасности судовождения за счет использования новых, более точных навигационных систем на основе сканирующих лазеров ЛСМ, оптимизированных и адаптированных, к конкретным условиям морских портов и внутренних водных путей (ВВП);

Выявленные основное и частные противоречия показали основные направления исследований системы ЛСМ и определили цель работы.

Цель работы — разработка методов расчета параметров и повышения эксплуатационных характеристик лазерных створных маяков, обеспечивающих их оптимальное функционирование в условиях морских портов и на внутренних водных путях.

Дополнительные направления исследований опирались на запросы потенциальных потребителей о возможных вариантах установки створа и возможностях ЛСМ по обеспечению точности ориентирования.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Миронов, Алексей Юрьевич

Основные результаты диссертационной работы:

1. Проанализированы» методы» расчета и проектирования! современных створов, выявлены недостатки в расчетах характеристик излучающих модулей; ЛОМ предыдущих поколений, выработаны требования. кметодамрасчетаЛСМ;

2. Рассмотрены варианты диагонального и вертикального расположения огней. Проведен натурный эксперимент по проверке возможности вертикального расположения огней;

3. Проведен анализ влияния внешних условий на точность ЛСМ и определены меры по учету влияния атмосферы на прохождения излучения и смещения положения излучателей от деформаций опор;

4. Разработаны методы расчета; параметров; ЛСМ, которые объединены в,, методику. расчета системы» ЛСМ, позволяющую рассчитать характеристики системы ЛСМ для со ответстш ¿я требуемым параметрам; : ;

5. Обоснованы методы обеспечения постоянного бокового уклонения п компенсации повышения яркости огней створа при приближении; к. ним судна: получены коэффициенты уменьшенияшощности при сканировании для более комфортных условий и повышения безопасности работы глаз судоводителя; получено уравнение для расчета базы, обеспечивающей одинаковую точность ориентирования на протяжении всей зоны ориентирования. Разработанный способ постоянного бокового уклонения позволяет использовать практически любой размер базы;

6. Проведена оценка взаимного влияния характеристик системы?

ЛСМ;

7. Разработан метод выбора оптимальных параметров расположения огней определяющий варианты размещения, огней лазерных створных маяков в зависимости от особенностей фарватера и береговых условий;

8. Предложенная методика апробирована при разработке ЛСМ «Анемон 3» для порта Туапсе. Проведена опытная и натурная проверка

134 результатов, показавшая соответствие теоретических расчетов полученным экспериментальным данным.

9. По результатам исследования получен патент №2354580 «Способ формирования зон ориентирования с помощью ЛСМ»

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Миронов, Алексей Юрьевич, 2011 год

1. Третьяк А.Г., Козырь JI.A. "Практика управления морским судном", М. Транспорт, 1988, 112с.

2. Савельев В.Г. "Применение лазеров для речной навигации", Минречфлот МИИВТ, Москва 1982 г.

3. Савельев В.Г., Цупин А.А. "Лазерные навигационные средства", М. ЦБНТИ Минречфлота, 1981, 26 с.

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

5. Пат. Австралии №1346852, кл. 99.6 (F21q, заявл. 26.02.71).

6. Зуев В.Е., Пересыпкин В.И., Фадеев В.Я., Калошин Г.А., Константинов Р.С. "Лазерные устройства для обеспечения судовождения", Новосибирск "Наука", 1985.

7. Пат. США №3784968 "Navigation system".

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

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

10. Laser Focus Buyers Guide, 1979, p.118.

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

12. Лазерный маяк в действии, Морской флот, 1972, №11, с 62.

13. Зуев В.Е., Фадеев В.Я. Лазерные навигационные устройства. М.: Радио и Связь, 1987 г.

14. Иваншцев В.И. "Лазерные приборы для навигационного оборудования морских каналов", Морской флот, 1977, №10, с 30.

15. Чуба А. "Глиссада" ведёт судно, Советский Союз, 1979, №10, с18.

16. Олихов И.М. ИПЛЭН. Новое поколение приборов квантовой электроники. Электроника: НТБ, 1998, №3-4.

17. И. Олихов, Л. Косовский. Мобильная лазерная трехцветная навигационная система. Надежность в экстремальных ситуациях, 1999 №3.

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

19. Пат. 3.370.269 (США). Laser Navigatioanl / N.Y. Gasper.

20. И.Рок Введение в зрительное восприятие -М.: Педагогика, 1980г

21. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров, М. Минздрав, 1982.

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

23. Исследование и расчёт визуальных лазерных средств управления транспортными объектами, Отчёт о НИР, №ГР 01.97.0004877, М. МГАВТ, 1997.

24. Разработка лазерного створа, изготовление образца и проведение испытаний (2 этап), Отчёт о НИР, №ГР 01.2001.02821, М. МГАВТ, 2000.

25. Савельев В.Г., Александрова Н.В., Громов Ю.Н., Колычев А.М., Шибаев В.В. Результаты испытаний лазерного створа «Анемон» в навигацию 2000 г. и перспективы.

26. Шмерлинг И.Е. "Навигационное оборудование внутренних водных путей" Москва "Транспорт" 1988г.

27. A.c. 760593 (СССР). Световой маяк./ Желудков В.М., Преснов В. А., Фадеев В .Я. и др.

28. Савельев В.Г., Колычем A.M., Повадин А.П. «Способ проводки речных и морских судов по заданной траэктории» Патент № 2302357 по заявке № 2005119519с приоритетом 24 июня 2005г.

29. C.B. Кравков Глаз и его работа. М.Л.: Издательство академии наук СССР. 1950.

30. Слюсарев Г.Г Геометрическая оптика. —М.Л.: Издательство академии наук СССР. 1946

31. Hecht S., and Mintz E.U. J Gen Physiol 1939 r.

32. B.T. Прокопенко, В.А. Трофимов, Л.П. Шарок. Учебное пособие. Психология зрительного восприятия С.Пб.: Гос. унивеситет ОТМО. 2006г.

33. Материалы сайта http://www.design-studio.com.ua/ugol-zrenija/

34. Зуев В.Е., Фадеев В .Я. Лазерные навигационные устройства. М.: Радио и Связь, 1987 г.

35. Методика определения дальности видимости сигнальных огней лазерных систем навигации (ЛСН) МГАВТ Москва 1993 г.

36. В.А. Гаврилов Видимость в атмосфере. — Л.: Гидрометеорологическое издательство. 1966 г.

37. Г.В. Розенберг, Г.И. Горчаков, Ю.С. Георгиевский. Ю.С.Любовцева Оптические параметры атмосферного аэразоля // Физика атмосферы и проблемы климата. М.Ж Наука, 1980 г.

38. Пхалагов Ю.А. Сопоставление эмпирических моделей атмосферной дымки и их применимости для расчета ослабления оптической радиации // Распространение оптических волн в неоднородных средах. -Томск: ТГУ 1983.

39. Ю.Г. Басов "Светосигнальные устройства" Москва "Транспорт"1993г.

40. Г.В. Розенберг, Г.И. Горчаков, Ю.С. Георгиевский. Ю.С.Любовцева Оптические параметры атмосферного аэразоля // Физика атмосферы и проблемы климата. М.Ж Наука, 1980 г.

41. Пхалагов Ю.А. Сопоставление эмпирических моделей атмосферной дымки и их применимости для расчета ослабления оптической радиации // Распространение оптических волн в неоднородных средах. — Томск: ТГУ 1983.

42. Зуев В.Е. Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов через атмосферу (в условиях помех)

43. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь, 1983 г.49. «Рекомендации Международной ассоциации маячных служб» (МАМС)

44. Луизов A.B. Глаз п свет. Л — Энергоатомиздат, 1983 г.

45. Луизов A.B. Цвет и свет. -Л.: Энергоатомиздат: 1983 г.

46. Луизов A.B. Инерция зрения. -М.: Оборонгиз, 1961.

47. Травникова Н.П. Визуальное обнаружение протяженных объектов. ОПМ: 1977,№3

48. Лупзов A.B., Травникова Н.П. Пороговый блеск в зависимости от яркости фона. ОПМ: 1975, №12

49. Мешков B.B. Основы светотехники. M.-JL: ГЭИ, 1961 г.

50. Гершун А.А Избранные труды по фотометрии и светотехнике. М.: Физматтиз, 1958г

51. Сешшов ГН. Родионов JI.B., Ширшов Л.Г. Расчет и эксплуатация светотехнических импульсных установок и источников питания. М.: Энергоатомиздат 1989г.

52. Сешшов Г.Н. Светотехнические импульсные установки. М • Энергия, 1979 г.

53. Куштин И.Ф. Рефракция световых лучей в атмосфере — М.: Наука 1971г.

54. Ф.Н. Красовский, В.В. Данилов, Руководство по высшей геодезии. : ГУГСК НКВД СССР 1938г.

55. A.A. Визгин, В.Н. Ганыпин и др., Инженерная геодезия. М: Высшая школа 1985 г.

56. Зуев В.Е Распространение и инфракрасных волн в атмосфере. — М.: Сов. Радио 1980 г.

57. A.C. Гуревич, А.И Кон, Миронов В.Л Лазерное излучение в турбулентной атмосфере и др. -М.: Наука, 1971 г.

58. И. Кондаков. Психологический словарь, 2000 г.

59. A.C. Гуревич, А.И Кон, Миронов В.Л Лазерное излучение в турбулентной атмосфере и др. -М.- Наука, 1971 г.

60. Калистратова М.А. Покасов В.В. Дефокусировка и фокусировка смещения сфокусированного лазерного пучка в атмосфере. Изв. ВУЗов СССР, Радиотехника, 1971 г.

61. Съедин В.Я. Хмельцов С.С. Расширение фокусированных световых пучков в турбулентной атмосфере — Изв. ВУЗов СССР, Физика, 1972 г. №3

62. Миронов В.Л Распространение лазерного переноса в турбулентной атмосфере. — Новосибирск: Наука 1981 г.

63. Борисов Б.Д., Сазанович В И, Хмельевцов С.С. Исследование флуктуаций углов прихода лазерного излучения в приземленном слое атмосферы.//Изв вузов СССР сер. физика, 1969г., №1.

64. Савельев В.Г., Колычев А.М., Повадин А.П., Миронов А.Ю. «Способ формирования зон ориентирования с помощью JICM» Патент №2354580 по заявке № 2008100256 с приоритетом 15 января 2008 г.

65. Физическая энциклопедия. Гл. ред. Прохоров А.М. — М.: научное издательство «Большая Российская энциклопедия» 1998 г.

66. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. -М.: Физико-математическая литература

67. Международный светотехнический словарь — 3-е издание М Русский язык 1979г.

68. Биденко С.И. Автоматизация оценки навигационно-гидрографической обстановки на фарватерах // "Записки по гидрографии", 1997, 248.

69. Биденко С.И. Состояние и перспективы совершенствования инфраструктуры координатно-временного обеспечения в РФ // "Навигация и гидрография", 2003, 17.

70. Биденко С.И. Принципы построения системы освещения радионавигационной обстановки // "Записки по гидрографии", 2004, 251.

71. Биденко С.И. Основные направления развития системы координатно-временного обеспечения РФ // "Записки по гидрографии", 2005, 252.

72. Биденко С.И. Решение задач судовождения в системе "Автоматизированный мостик" // "Морская радиоэлектроника", 2008, 2.