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 судовожденияв 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 иразработка 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 нетметоды, 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 створачто: приводило к некомфортному ощущению для глаз судоводителя. Второй проблемой было сильное повышения чувствительности створа на близких расстояниях от огней, что приводило к сильной напряженностисудоводителей 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.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Проанализированы" методы" расчета и проектирования! современных створов, выявлены недостатки в расчетах характеристик излучающих модулейЛОМ 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 расчетапараметровЛСМ, 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 приближениик. ним судна: получены коэффициенты уменьшенияшощности при сканировании для более комфортных условий и повышения безопасности работы глаз судоводителяполучено 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 № 2 354 580 «Способ формирования зон ориентирования с помощью ЛСМ».

Заключение

.