Интенсификация промышленной добычи углеродосодержащего сырья в прибрежных зонах морских государств за прошедшие несколько десятилетий привела к существенному истощению ресурсов и снижению объема этой добычи. Поддержание на необходимом уровне, и дальнейшее наращивание добычи углеводородов связано с разведкойи освоением перспективных шельфовых районов Северного Ледовитого океана. При^ освоении? месторождений на^ шельфе Северного Ледовитого океана приоритетнымиявляются суда и платформы, осуществляющие удержание (позицию) без применения якорей, оснащенные системами динамического позиционирования (СДП) и удерживающими суда и платформыв заданной точке* при помощи подруливающих устройств [45 ]. Концепция, развития Арктического региона иосвоения континентального шельфа России позволяет вовлечь в хозяйственный оборот углеводородные ресурсы и подготовить геологическое обеспечение заявки^оссии-на юридическое закрепление внешней границыконтинентальногошельфа в Северном Ледовитом и Тихом океанах [5]. Концепция согласуется с положениями Программы социально-экономического развития Российской Федерации на среднесрочную перспективу, а также развитием Северного морского пути в соответствии с «Морской доктриной Российской Федерации на период до 2020 г.» .
Основная часть российского шельфа находится в труднодоступных пределах северной частиморского района А4 — районах жесткими, быстроменяющимися гидрометеорологическими и геофизическими условиями. Поэтому разведка новых месторождений углеводородових добыча и транспортировка, будут постоянно сопряжены с необходимостью! решения" целого ряда проблем, обусловленных именно спецификой данного региона: Обеспечение, безопасности морских объектов и операций, а также экономической эффективности добычи и транспортировки углеводородного сырья и других морских операций необходимо решать в нескольких направлениях. Одним из них является научное исследование по совершенствованию старых и разработки новых технологий эффективного и безопасного позиционирования морских платформ, буровых и специализированных судов, оснащенных системами динамического по-зиционированияшри реализации сложных морских проектов, таких как Шток-мановское, Приразломное, проекта в Охотском море. Изменчивость гидрометеорологических и геофизических условий может привести к значительному искажению информационного ресурса на входе СДП и, как следствие — к выработке неверных, ложных управлений. Так доминирующую роль в процессе управления^ судном с помощью СДП играет навигационная информация, — получаемая от американской спутниковой навигационной-системы (СНС) «NAVS-TAR-GPS», и отечественная. ГЛОНАСС (точность определения в северных широтах у которой выше чем у GPS) т. е. фактически на буровых судах’используется1 навигационная: информация, поступающая от дифференциального варианта GPS-FJIOHACC 112], [13], [14]. Система GPS-ГЛОНАСС в дифференциальном режиме может применяться? для вывода. буровых судов в заданную точку, позиционирования судна в этой точкеи стыковки, скважин с высокой точностью. Однако' в отдельные периоды, отмечалось, снижение точности навигационнойинформациипоступающей от СНС и, как следствие: — уменьшение точности управления буровым судном при его позиционировании. Возможным результатом ложных управлений при позиционировании-: может быть выход объекта управленияв частности бурового судназа установленные пределы, т. е. за круг безопасности, а это, в свою очередь, может привести к срыву производственного процесса или экологической катастрофе. В процессе обработки входящей информациии выработки, управлений крайне важную, если не решающую, роль играет человек — оператор СДП [37]. В современных морских организационно-технических структурах, — к которым можно* отнести буровое судно приего позиционировании, человек-оператор являетсяне только самым ненадежным звеном, но и самым непредсказуемым звеном. Каково будет поведение оператора СДП в опасной или даже в обычной производственной ситуации зависит. от множества психофизических факторов, таких, например, как установочные, мотивационные, личностные факторы. Действительно психика человека — это не только наиболее совершенный и тонкий, но и наиболее ранимый аппарат приспособления человека к реалиям окружающей среды. Анализ деятельности существующих служб динамического позиционирования на судах и платформах показывает, что снижение аварийности при маневрировании связано, в первую очередь, с учетом «человеческого фактора». На аварийность позиционирующего судна оказывают влияние организационно-технические компоненты системы управления, состоянием безопасной эксплуатации (СУБ) и адекватный информационный ресурс, который направляется на минимизацию рисков при маневрировании. Этот «человеческий фактор» является существенным при подтверждении актуальности исследования, выполненного в данной диссертационной работе. Эффективное информационно-навигационное обеспечение — один из важнейших способов повышениябезопасности позиционирования судов. Поэтому при обеспечении безопасного позиционирования судна возникает необходимость в разработке мероприятий, минимизирующих последствия4 неверно’принятого’оператором СДП решения на общее состояние безопасной эксплуатации судна [2], [44]. Требование по разработке таких минимизирующих мероприятий отражается в резолюции А.850 (20) Международной морской организации (ИМО). В этой резолюции, подчеркивается, что адекватность действий судового" экипажа в тех или иных нестандартных или чрезвычайных ситуациях должны исключать ошибки одного человека, влияющие на безопасную эксплуатацию судна. Поэтому разработку технологий эффективного позиционирования буровых и специализированных судов, оснащенных системами динамического позиционирования и осваивающих северные запасы углеводородного сырья с учетом информационных отказов и особенностей деятельности оператора СДП, можно отнести к разряду актуальных задач.
В настоящей работе исследуются особенности позиционированиясудна в условиях естественных, а также непреднамеренно создаваемых искажений входных для СДП сигналов. Приводятся практические примеры таких искажений и их влияние на управление. Получен вероятностный показатель работоспособности позиционирующего судна и показатель однородности процесса отклонения судна от точки: позиционирования. Показатель однородности позволяет оценить степень безопасности маневрирования и выделить риски, при которых возможны нештатные ситуации. Кроме того, предложенные показатели могут быть положены в основу разработки мероприятий по минимизации числа опасных маневров позиционирующего судна.
Актуальность темы
Концепция развития Арктического региона и освоения континентального шельфа России предусматривает подготовку геологического обеспечения заявки России на юридическое закрепление внешней, границы ¡-континентального шельфа в Северном Ледовитом и Тихом океанах, а также, вовлечение в хозяйственный оборот углеводородных ресурсов, обнаруженных в=границах континентального шельфа. При освоении месторождений на шельфе Северного Ледовитого океана приоритетными: являются суда, осуществляющие позиционирование' без применения якорей, оснащенные системами, динамического позиционирования, удерживающими суда в данной точке: при помощи подруливающих устройств. Таким судам предстоит работать в специфических условиях арктического района. С однош стороны, суда должны отвечать достаточно жестким требованиям, предъявляемым^ к их мореходным качествам, а с другой — решать задачи освоения месторождений с применением, новь1х технологий эффективногодабезопасного позиционирования.
Анализ деятельности существующих служб динамическогопозиционирования- (СДГТ) на судах показывает, что снижение аварийности" при маневрировании (позиционировании) связано, в первую очередь, с учетом «человеческого фактора» — На аварийность позиционирующего судна оказывают влияние организационно-технические компоненты системы управления-: состоянием? безопасной эксплуатации (СУБ) и адекватный информационный ресурс, который направляется на минимизацию рисков прш маневрировании. Поэтому при обеспечении безопасности позиционирования судна появляется необходимость в разработке мероприятийкоторые должны минимизировать последствия неверно принятых решений оператором СДП на общее состояние безопасности судна^ Требование по разработке таких мероприятий закреплено в резолюции А.850 (20) Международной морской организации (ИМО).
Таким образом, разработку технологий эффективного позиционирования буровых и специализированных судов, оснащенных системами динамического позиционирования и осваивающих северные запасы углеводородного сырья, с учетом возможных информационных отказов и особенностей деятельности оператора СДП следует относить к разряду достаточно актуальных задач.
Целью исследования является разработка элементов технологий безопасного позиционирования судна в заданной точке, которая в рамках организационно-технической структуры СДП обеспечивает эффективность управления маневрированием судна при наличии отказов информационных средств и ошибок «человеческого элемента» .
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные задачи:
1. Выбрать организационно-техническую структуру СДП, составить модель процесса безопасного позиционирования специализированного судна относительно заданной точки и разработать показатель однородности (эргодичности) этого процесса;
2. Разработать техническое средство, позволяющее повысить надежность и дальность приема дифференциальных поправок к местоположению позиционирующего судна, к спутниковой навигационной аппаратуре (СНА) и оценить его практическую реализуемость на основе вычислительного эксперимента;
3. Выполнить анализ структуры судовой службы динамического позиционирования и выделить основные функциональные обязанности оператора СДП при удержании судна в заданной точке, как при автоматическом варианте управления, так и при ручном варианте управления;
4. Решить задачу распределения функций между оператором СДП и программным продуктом СДП, а также разработать методику оценки информационной напряженности оператора в интерфейсе «Человек — СДП» ;
5. Составить модель прогнозирования величины информационной напряженности оператора в интерфейсе «Человек — СДП» с учетом смысла и ценности поступающей к нему информации о внешних воздействиях на судно;
6. Исследовать деятельность оператора СДП как звена управления и разработать модель идентификации и оценки опасности при многошаговых наблюдениях за процессом позиционирования судна и сформулировать основные принципы подготовки операторов при эксплуатации этой системы.
Объектом исследования является СДП, обеспечивающая безопасное маневрирование в заданной точке при выполнении этой системой технологий контроля и управления состоянием безопасности позиционирования судна при наличии отказов информационных средств и ошибок «человеческого элемента» .
Предметом исследования является процесс безопасного позиционирования судна, основанный на принципах достоверности приема навигационной информации, минимизации информационной избыточности и распределении функций между оператором и программным обеспечениемСДП с учетом возможных информационных сбоев и ошибок в действиях «человеческого элемента» .
Теоретической базой исследования являются теоретико-информационный и системный^ подходы к обеспечению безопасности позиционирования судна при ведении разведочных буровых работ на шельфе Северного Ледовитого океана.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Составлена модель безопасного позиционирования судна в заданной точке, включающая показатели пространственной и, временной оценки надеж* ности такого позиционирования;
2. Предложена полезная модель антенны к приемнику дифференциальных поправок, входящему в состав СНА и повышающая надежность приема навига- * ционных данных;
3. Составлена модель интерфейса «Система отображения информации — Оператор» и показаны ограничения, которые необходимо учитывать вахтенному оператору СДП при автоматическом позиционировании судна;
4. Составлена модель надежности управляющей цепи «ОператорОрганы управления СДП» при ручном позиционировании с учетом полной и неполной информированности вахтенного оператора;
5. Предложены механизм управления судном в аварийных ситуациях и элементы системы подготовки и переподготовки вахтенных операторов СДП, отвечающие национальным и международным требованиям. а.
Теоретическая значимость заключается в разработке математического описания интерфейсов в СДП с учетом возможных информационных сбоев и ошибок оператора при управлении состоянием безопасного позиционирования.
Практическая значимость работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций позволят снизить уровень аварийности на специализированных судах при ведении буровых работ замечет уменьшения информационной загруженности оператора СДП и появления у него дополнительного времени резервированиям.
Личное участие автора состоит в получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах. Даны конкретные рекомендации, повышающие эффективность безопасной эксплуатации! специализированных судов при проведении разведочного бурения.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием системного подхода, структурного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, теории информации, теории вероятности и статистики, а также подтверждается вычислительным экспериментом^.
Внедрение работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций использованы в практической деятельности службы безопасности мореплавания ОАО АМНГР, обладающей специализированными буровыми судами с СДП.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на международных научнотехнических конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ (г. Мурманск 2007;2010 гг.) и КПИФСБ (г. Калининград 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах из перечня ВАК, патент на полезную модель, депонированная рукопись и 4 статьи в материалах международных научно-технических конференций.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
— параметр, отражающий безопасное позиционирование специализированного судна и выделяющий нештатные ситуации, связанные с техническими отказами и программными сбоями;
— модель прогнозирования информационной напряженности оператора в интерфейсе «Челоьек — СДП» при контроле и ручном управлении положением судна;
— идентификация опасных ситуаций и оценка степени этих опасностей при многошаговых наблюдениях за процессом позиционирования судном;
— методические принципы подготовки и переподготовки операторов СДП при эксплуатации специализированных судов.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 126 страницах, состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. В приложении приведены данные вычислительного эксперимента и акт внедрения, который подтверждает использование данного исследования в производственном процессе.
Выводы к третьей главе.
1. Поведение вахтенного оператора СДП в рамках составленной модели производственной деятельности и при условиях полной или неполной информированности относительно состояния связи «Оператор — ОУ СДП» позволяет гарантировать ему максимальный результат при контроле и управлением состоянием безопасности позиционирующего судна.
2. Поведение вахтенного оператора СДП даже при неполной информированности относительно состояния взаимосвязи «Оператор — СОИ СДП» позволяет ему поддерживать состояние безопасной эксплуатации специализированного судна с гарантией выполнения критериев безопасности позиционировании как в пространстве так и во времени.
3. При позиционировании процессы наблюдения следует относить к классу многошаговых с потерями, которые в первую очередь зависят от условий последовательного (усеченного) обнаружения-оценивания опасных сообщений, поступающих к вахтенному оператору СДП из мультимедийного пространства СОИ СДП.
4. Для практической реализации предложенной методики идентификации-оценивания опасностей при позиционировании судна с помощью многошагового процесса наблюдений за мультимедийным пространством СОИ СДП необходимо от неизвестных параметров модели перейти к их оценкам, получаемым по принципу максимального правдоподобия.
5. Высокая стоимость оборудования, высокая степень риска загрязнения окружающей среды требуют специальной подготовки оператора СДП на специализированном тренажере, который позволяет формировать и отработать навыки управления судами с системой ДП в реальных условиях, максимально приближенных к действительности для различных типов судов и районов.
6. Основными принципами, которые должны быть положены в основу • подготовки операторов СДП, следует считать непрерывность, модульность этапов подготовки и дисциплин, адаптивность системы подготовки к уровням и особенностям усвоения материала обучающихся при обязательной связи теории с практикой и непрерывности контроля знаний.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Принятая к исследованию математическая структура СДП и введенная индикаторная функция позволяют классифицировать состояния процесса позиционирования судна в заданной точке, выделяя те состояния, которые способны привести к аварийным ситуациям, исключающим безопасное выполнение буровых работ.
2. Введенные показатели степени неоднородности процесса позиционирования и показатель работоспособности эргатической системы «Человек система СДП» способны с вероятностной точки зрения оценивать появление нестандартных смещений судна от заданной точки, которые могут быть основой для появления технических и организационных рисков.
3. Запатентованная диссертантом трехплечная вибраторно-кольцевая антенна круговой поляризации для приемника, входящего в состав СНА, позволяет повысить надежности и достоверность приема: форматов дифференциальных поправок к текущим координатам судна.
4. Для разработки1 элементов технологий безопасного позиционирования судна в принятой структуре СДП необходимо привлекать описание деятельности «человеческого элемента» в интерфейсе «СОИ СДП — Оператор» и описание деятельности, по управлению состоянием безопасного позиционирования в интерфейсе «Оператор — ОУ СДП» .
5. Для оценки информационной загрузки оператора СДП при управлении им состоянием позиционирующего суднапо максимальному количеству информации в интерфейсе «СОИ СДП — Оператор» достаточно принять, что различимые состояния позиционирующего судна статистически независимы и равновероятны.
6. При позиционировании процессы наблюдения следует относить к классу многошаговых с потерями, которые в первую очередь зависят от условий последовательного (усеченного) обнаружения-оценивания опасных сообщений, поступающих к вахтенному оператору СДП из мультимедийного пространства СОИ СДП.
7. Высокая стоимость оборудования, высокая степень риска загрязнения окружающей среды требуют специальной подготовки оператора СДП на специализированном тренажере, который позволяет формировать и отрабатывать навыки управления судами с системой ДП в реальных условиях, максимально приближенных к действительности для различных типов судов и районов.
8. Основными принципами, которые должны быть положены в основу подготовки операторов СДП, следует считать непрерывность, модульность этапов подготовки и дисциплин, адаптивность системы подготовки к уровням и особенностям усвоения материала, обучающихся при обязательной связи теории с практикой и непрерывности контроля знаний.
