Обеспечение безопасного и эффективного плавания на волнении – одна из важных задач экипажа судна. Несмотря на повышение эксплуатационных требований, улучшение гидрометеорологического обеспечения, рост размеров судов, увеличение их энерговооруженности, совершенствование навигационного оборудования, ежегодно сотни морских судов терпят аварии из-за штормов. Многие из них по выходу в рейс были в хорошем мореходном состоянии и удовлетворяли расчетным критериям безопасности по остойчивости и прочности. Анализ свидетельствует, что к числу основных причин аварий относятся неправильные решения судоводителей при управлении судами в сложной гидрометеорологической обстановке и неполное знание ими мореходных качеств судна. Однако следует также признать, что в основе неудовлетворительности принимаемых судоводителем решений нередко лежит и трудность получения достаточно точной и полной информации о состоянии внешней среды и судна, отсутствие времени на проведение расчетов и подготовку обоснованных решений.
Достаточно полный для принятия обоснованных решений контроль мореходности судна в процессе рейса включает такие операции:
– измерение параметров, характеризующих состояние судна и внешней среды;
– расчет параметров мореходности по данным о ветре и волнении;
– оценку мореходности;
– вычисление элементов волнения по данным качки;
– определение областей допустимых режимов движения;
– нахождение оптимального режима движения;
– расчет требуемого балластного состояния судна;
– прогноз мореходности судна на ожидаемые условия плавания и ряд других.
Традиционный контроль мореходности судна обычно основывается на проводимых самим судоводителем наблюдениях внешних условий и поведения судна, анализе данных факсимильных карт погоды, использовании существующих рекомендаций, упрощенных расчетов и штормовых диаграмм. Высота волн и их длина при традиционной оценке мореходности находится глазомерно путем сравнения с размерами корпуса при прохождении волн вдоль борта. Направление волнения устанавливается с помощью пеленгатора. При нахождении среднего кажущегося периода волн используется пеленгатор и секундомер. Погрешности таких измерений достаточно велики. Средняя квадратичная погрешность высот волн составляет ±25%, направления их бега – ±(23÷30)°, периода – ±1 с. Среднюю (расчетную) длину волны получают также с помощью диаграммы Ю.В.Ремеза по измеренным значениям среднего кажущегося периода и курсового угла волн. Иногда длина волн измеряется по их эхо-сигналам на экране РЛС при работе на малой шкале дальности. Фиксируя время прохождения гребней волн через одну и ту же точку экрана РЛС, оператор может измерить и кажущийся период волн. Однако в практике судовождения такие радиолокационные определения элементов волнения широкого распространения не получили.
Из параметров, характеризующих реакцию судна на волнение, при традиционной оценке измеряется амплитуда углов бортовой качки и ее период. Однако показания применяемых для измерения углов качки маятниковых кренометров могут значительно отличаться от действительных углов крена. Период качки измеряется оператором с помощью секундомера.
Для расчета показателей мореходности судна по данным о волнении и для прогноза поведения судна на оставшуюся часть пути традиционно используются специальные диаграммы, факсимильные карты погоды и упрощенные расчетные зависимости. Получение необходимой информации с помощью этих средств требует определенного времени и отвлечения судоводителя от наблюдения за окружающей обстановкой.
Чаще всего в традиционной методике с целью обеспечения безопасности определяются только резонансные зоны, находясь в которых необходимо изменить режим плавания из-за неблагоприятной качки. Следует учитывать, что резонансная зона – не всегда эффективная оценка неблагоприятных условий для судна. Интенсивность резонансных явлений зависит от силы волнения, размеров и формы корпуса судна, а также от его демпфирующих свойств. При умеренном волнении в резонансной зоне энергии волн может оказаться недостаточно, чтобы значения показателей мореходности вышли за операционные границы. Суда со скуловыми килями, обладающие большими демпфирующими свойствами, кренятся меньше и испытывают меньшие нагрузки при резонансе бортовой качки. Поэтому в действительности опасные области значений курса и скорости судна в условиях волнения могут быть как уже, так и шире резонансных зон. Численная оценка многих определяющих мореходность параметров здесь не проводится, что не позволяет выбирать оптимальный режим плавания в условиях ветра и волнения. В традиционной оценке мореходности велика роль субъективного фактора, здесь немаловажны собственные ощущения и опыт капитана. Капитан, не используя приборов, судит о плавности качки, о чрезмерности ускорений корпуса и ударов волн, об опасности возникающих в корпусе напряжений и т.д.
Анализируя традиционную методику контроля мореходности, можно отметить следующие ее недостатки:
– необходимость затрат времени судоводителя на измерения и расчеты;
– большие интервалы времени между наблюдениями, невозможность измерений параметров волнения в ночных условиях;
– оценка неполного вектора мореходности;
– большие погрешности измерений, расчетов, субъективных оценок;
– значительная роль субъективного фактора как источника возможных ошибок, невозможность на основе опыта идентифицировать ряд неблагоприятных для судна ситуаций и получать количественные оценки;
– необходимость формирования решений на основе недостаточно полной и точной информации. Отмеченные недостатки традиционной методики составляют одну из причин неэффективности принимаемых решений по управлению судном в штормовых условиях.
Автоматизированный контроль мореходности судна в процессе рейса основывается на использовании компьютера, измерителей параметров движения и напряжений элементов корпуса, программ для мониторинга, прогноза мореходности судна, и выполнения других операций. В настоящее время сложились все условия для реализации такого контроля на судах. Созданы устройства для измерения параметров волнения, движения корпуса на качке, напряжений элементов корпуса и т.д. Разработаны электронные системы для контроля мореходности. Они обеспечивают непрерывный анализ мореходности судна в рейсе. Параметры волнения в этих системах рассчитываются с помощью компьютера по данным о качке или извлекаются из информации РЛС. Для измерения параметров качки применяются инерциальные датчики линейных и угловых перемещений, а также специальная спутниковая аппаратура. К инерциальным устройствам относятся гироскопические датчики вращений и акселерометры, измеряющие линейные ускорения. Имеются и комбинации этих датчиков, так называемые инерциальные измерительные модули (IMU – Inertial Motion Units), измеряющие параметры движения объектов во всех шести степенях свободы. Примером IMU является выпускаемый для морских судов норвежской компанией SEATEX датчик MRU.
Специальное бортовое оборудование спутниковых систем способно определять параметры всех видов качки. Обычно в нем применяются четыре или три антенны, расстояние между которыми 1÷З метра. Нередко в бортовых системах контроля мореходности это спутниковое оборудование комбинируется с IMU. Результаты измерений двух датчиков объединяются с помощью фильтра Калмана. Такие комбинированные датчики в настоящее время представлены на рынке морских приборов. Примером является система SeaPath фирмы SEATEX. Дополнительно при оценке параметров мореходности в комбинированных датчиках используется и вычисление параметров качки по данным о волнении.
Серийно выпускаются и приборы для измерения напряжений элементов корпуса – тензометры (электрорезисторные и волоконно-оптические). Они позволяют измерять напряжения в основных связях корпуса, вызванные статическими и динамическими нагрузками, в том числе и действием морских волн. При компьютерном контроле мореходности судна используется также информация датчиков упора, момента, частоты вращения гребного винта и данные других приборов, отражающие те или иные стороны поведения судна в условиях волнения.
Главная идея компьютерного контроля мореходности судна состоит в мониторинге характеризующих ее параметров, в сравнении их значений с допустимыми границами, в предупреждении штурманского состава, когда текущие значения параметров мореходности приближаются к операционным ограничениям или превышают их. Дополнительно система может вырабатывать рекомендации, как изменить курс и/или скорость, чтобы избежать опасных ситуаций. Бортовые компьютеры позволили применять для оценки и прогноза мореходности наиболее точные методы расчета реакции судна на ветроволновые воздействия. Из-за громоздкости, необходимости многочисленных вычислений и большого времени на получение результатов при ручном счете, в прошлом на судах эти методы были неприемлемы и использовались только на берегу при проектировании и постройке судов. Теперь, благодаря компьютерам, они позволяют на судне достаточно точно прогнозировать его поведение в штормовой обстановке, как вследствие своей адекватности рассматриваемому процессу, так и за счет учета результатов, полученных при испытаниях моделей этого судна в процессе проектирования.
Необходимо также отметить новые возможности оперирования с гидрометеорологической информацией. В настоящее время она от служб погоды может поступать непосредственно на компьютер и использоваться при расчетах мореходности.
Применение устройств, измеряющих достаточное число характеризующих мореходность параметров, мониторинг их значений, автоматизация расчетов и выработка рекомендаций, автоматические предупреждения и сигнализация о возникающих проблемах, позволяют представить судоводителю полную и точную информацию о мореходном состоянии судна, оставить больше времени на принятие решений, повысить надежность и безопасность плавания.
Необходимо также отметить, что мониторинг параметров мореходности позволяет улучшить работу бортовых систем и механизмов. Так, например, данные о параметрах качки могут использоваться для улучшения настройки адаптивного авторулевого. Точная информация о скорости судна от GPS, сведения о текущем расходе топлива, об упоре и моменте гребного винта, данные о параметрах качки дают возможность автоматически подстраивать движительную установку на оптимальный режим работы при изменении курса в условиях волнения, при выходе на мелководье и при других обстоятельствах. Примером может служить система управления главным двигателем ESP 2000 (Electronic Speed Pilot) фирмы Stellar Marine, обеспечивающая существенную экономию топлива.
Направления автоматизации. Процесс контроля мореходности начал автоматизироваться на судах с конца 1970-х годов. Работы, проведенные в этой области, условно можно отнести к одному из трех направлений:
– автоматизация расчетов;
– автоматизация измерений;
– автоматизация измерений и расчетов.
Первое направление связано с применением компьютеров и эффективных методов расчета параметров мореходности по данным о волнении, которые измеряются традиционными визуальными способами. Соединений компьютера с датчиками информации и другими устройствами здесь не предусмотрено. Оно характерно для начального этапа развития компьютерных средств контроля мореходности. Используемые в этих системах методы расчета показателей мореходности основываются на математических моделях поведения судна в штормовых условиях. Они позволяют оценивать безопасность судна и предсказывать эффект от изменения курса и скорости в текущей обстановке, прогнозировать мореходность в ожидаемых погодных условиях в будущем. Система также способна выбрать и рекомендовать судоводителю наилучший по определенному критерию режим плавания в заданных ветроволновых условиях. Главное преимущество первого направления – возможность предсказания критических ситуаций. Его недостатками являются: большие погрешности и неполнота данных о волнении, получаемых традиционным путем, которые отражаются на точности текущих оценок мореходности; необходимость затрат времени на измерение параметров волнения и на ввод данных в компьютер, на систематическое повторение этих наблюдений для выявления изменений внешних условий с целью своевременного их учета.
Второе направление предполагает использование специальных датчиков, измеряющих в реальном времени параметры реакции судна на волнение; компьютера, осуществляющего мониторинг измеряемых параметров, сравнение их значений с допустимыми границами, вырабатывающего предупреждения о приближении контролируемых параметров к этим границам и сигналы тревог об их превышении. Получаемые с помощью измерений значения параметров мореходности в общем случае имеют лучшую точность, чем вычисленные по данным о волнении. Чтобы получить оптимальное соотношение стоимость-эффективность основанной на таком подходе системы, виды, количество и места установки датчиков выбираются применительно к конкретному судну с учетом его особенностей.
Примерами оборудования, относящегося к характеризуемому направлению, являются Системы мониторинга напряжений корпуса, Системы мониторинга параметров движения судна при качке. Работа этих средств является автоматической. О возникающих неблагоприятных ситуациях система сама оповещает судоводителя. Она запоминает измерительные данные и результаты анализа, может передавать информацию в регистратор данных рейса («черный ящик») и другим устройствам и системам. Путем подсчета осуществления тех или иных событий за определенное время (превышения заданного уровня накренения, напряжений в тех или иных элементах корпуса и т.д.) система может сигнализировать об опасности нежелательных последствий. Высокие уровни амплитуд при оценке таких «выбросов» обычно не используют, так как в этом случае они случаются редко, и для получения надежных оценок требуется больше времени, чем при меньших уровнях. К недостаткам систем второго направления относится малое использование расчетных методов для целей прогнозирования поведение судна в ожидаемых ветроволновых условиях и отсутствие выработки рекомендаций по обеспечению безопасного плавания.
Третье направление объединяет положительные стороны двух первых подходов. Оно свободно от их основных недостатков и имеет дополнительные преимущества. Среди них следует назвать возможность уточнения по измерительной информации математических моделей, используемых для прогнозирования реакции судна на волнение, а также параметров самого волнения. Такие системы наиболее полно отвечают целям обеспечения мореходной безопасности судна, так как способны идентифицировать текущую ситуацию; моделировать другие ситуации, которые возникнут при изменении курса и/или скорости, балластного состояния, погодных условий; вырабатывать рекомендации по оптимальным режимам движения.
