Okre lanie bezpiecznego akwenu manewrowego statku przy zastosowaniu bada rzeczywistych weryfikacja metod symulacyjnych oraz analitycznych

Transkrypt

1 AKADEMIA MORSKA w SZCZECINIE Wydzia Nawigacyjny mgr in. Jakub Montewka Okrelanie bezpiecznego akwenu manewrowego statku przy zastosowaniu bada rzeczywistych weryfikacja metod symulacyjnych oraz analitycznych ROZPRAWA DOKTORSKA Promotor: prof. dr hab. in. kpt.. w. Stanisaw Gucma Szczecin 2008

2 Mojej onie Annie

3 SPIS TRECI WSTP... 1 ROZDZIA 1 PROBLEMATYKA BADA DOTYCZCA WYMIAROWANIA AKWENU MANEROWEGO STATKU AKWEN MANEWROWY STATKU STAN WIEDZY PROBLEMY BADAWCZE I STAWIANE HIPOTEZY CEL PRACY NAUKOWE METODY BADAWCZE STOSOWANE W PRACY... 9 ROZDZIA 2 METODY WYZNACZANIA BEZPIECZNEGO AKWENU MANEWROWEGO STATKU OPARTE O BADANIA RZECZYWISTE METODA STATYCZNA Wykonywanie pomiaru Wyznaczanie bezpiecznego akwenu manewrowego Wyznaczanie poenia umownej wodnicy statku na akwenie Wyznaczanie bezpiecznego akwenu manewrowego statku METODA DYNAMICZNA Wykonywanie pomiarów Wyznaczanie szerokoci bezpiecznego akwenu manewrowego Synchronizacja pomiarów w czasie Estymacja dyskretnych danych pomiarowych funkcjami wielomianowymi Wyznaczanie bezpiecznego akwenu manewrowego statku KONFIGURACJA SPRZTOWA Charakterystyka zestawu pomiarowego Rejestracja danych ANALIZA NIEPEWNOCI METODY Dokadno pomiaru Czynniki decydujce o zasigu maksymalnym dalmierza laserowego Czynniki decydujce o dokadnoci pomiaru Niepewno wyniku pomiaru Niepewno standardowa ukadu pomiarowego Niepewno standardowa pomiaru wspórzdnociowego Niepewno zwizana z estymacj dyskretnych pomiarów rzeczywistych funkcjami wielomianowymi Niepewno cakowita metody MODEL MATEMATYCZNY BDU METODY Zaenia konstrukcji modelu Specyfikacja modelu Estymacja parametrów modelu Weryfikacja modelu Weryfikacja merytoryczna Weryfikacja statystyczna Podsumowanie podrozdziau

4 ROZDZIA 3 WYZNACZANIE BEZPIECZNEGO AKWENU MANEWROWEGO STATKU OPRACOWANYMI METODAMI STATYCZN I DYNAMICZN ODCINEK PROSTOLINOWY RÓDLDOWEGO TORU WODNEGO, OGRANICZONY OBUSTRONNIE BUDOWLAMI HYDROTECHNICZNYMI (FILARAMI MOSTU) Warunki bada Wyniki bada POGBIONY TOR WODNY (WEJCIE DO PORTU) Warunki bada Metoda badawcza Wyniki bada ROZDZIA 4 WERYFIKACJA DOSTPNYCH METOD WYMIAROWANIA DRÓG WODNYCH OPRACOWANYMI METODAMI STATYCZN I DYNAMICZN STATYSTYCZNE PORÓWNANIE WYNIKÓW ANALIZOWANYCH METOD WERYFIKACJA METODY SYMULACYJNEJ ródldowy tor wodny, odcinek prostoliniowy ograniczony obustronnie budowlami hydrotechnicznymi Pogbiony tor wodny, wejcie do portu Podsumowanie podrozdziau WERYFIKACJA METOD ANALITYCZNYCH I ANALITYCZNO EMPIRYCZNYCH ródldowy tor wodny, odcinek prostoliniowy ograniczony obustronnie budowlami hydrotechnicznymi Pogbiony tor wodny, wejcie do portu odcinek prostoliniowy Pogbiony tor wodny, wejcie do portu zakole Podsumowanie podrozdziau WNIOSKI WYKAZ LITERATURY WYKAZ RYSUNKÓW WYKAZ TABEL ZACZNIK ZACZNIK

5 ZESTAWIENIE WANIEJSZYCH OZNACZE I SKRÓTÓW Oznaczenia: AA ' odleg pomidzy punktem charakterystycznym na burcie obserwowanej a odpowiednikiem na burcie przeciwnej; a b x wspórzdna x punktu charakterystycznego; y wspórzdna y punktu charakterystycznego; y estymator wspórzdnej y punktu charakterystycznego; y zmierzona wspórzdna y punktu charakterystycznego; x estymator wspórzdnej x punktu charakterystycznego; x zmierzona wspórzdna x punktu charakterystycznego; x D; y D wspórzdne opisujce poenie dziobowego punktu charakterystycznego, na burcie bliszej; x D'; yd' wspórzdne opisujce poenie dziobowego punktu charakterystycznego, na burcie dalszej; x R; y R wspórzdne opisujce poenie rufowego punktu charakterystycznego, na burcie bliszej; x ; wspórzdne opisujce poenie rufowego punktu charakterystycznego, na R' R' burcie dalszej; 2 s estymator wariancji bdu redniej; A 2 s wariancja populacji, z której pobierane s czstkowe wyniki pomiaru; x wartorednia wyniku serii pomiaru; xˆ kolejne wartoci wyników pomiaru; i y L wektor opisujcy redni z pomiaru dla lewej strony toru wodnego; y P wektor opisujcy redni z pomiaru dla prawej strony toru wodnego; y wektor opisujcy redni warto poprawn dla lewej strony toru wodnego; T L y wektor opisujcy redni warto poprawn dla prawej strony toru T P wodnego; d redni metody dla lewej strony toru wodnego; ml d redni metody dla prawej storny toru wodnego; mp ˆ ( i ) warto bdu przewidywana na podstawie funkcji regresji; ˆ ( i ) rednia warto bdu obserwowanego; d wzgldny metody; w szeroko drogi wodnej wyznaczona przy zastosowaniu rozpatrywanej M metody analitycznej lub symulacyjnej; w szeroko drogi wodnej wyznaczona przy zastosowaniu metody R rzeczywistej; poziom istotnoci - prawdopodobiestwo popenienia bdu pierwszego rodzaju (weryfikacja hipotez); (x,y,t) rezerwa wody pod stpka w pozycji (x,y) w chwili t; (1-) wspóczynnik ufnoci - prawdopodobiestwo z jakim szacowany parametr pokryty jest przedziaem ufnoci (estymacja przedziaowa);

6 Zestawienie waniejszych skrótów i oznacze DF ugo odcinka: stanowisko pomiarowe wewntrzna kraw podpory mostu; a,b wspóczynniki funkcji regresji; B szeroko konstrukcyjna statku [m]; b1 z pozycja pierwszego punktu charakterystycznego, w chwili z; b2 z+t pozycja drugiego punktu charakterystycznego, w chwili z+t, opónienie w stosunku do pierwszego punktu charakterystycznego wynika z naprzemiennego wykonywania pomiaru; b i wielko parametru regresji; B M szerokoeglowna pomidzy podporami mostu, odczytana z mapy zasadniczej; d wspóczynnik równy drodze, jak przechodzi statek bez znaczcej zmiany parametrów ruchu, przyjmowany w przedziale 2-5 [m]; D szeroko dostpnego akwenu eglugowego; D(t) dostpny akwen eglugowy w chwili t; D(y) funkcja gstoci prawdopodobiestwa zmiennej losowej D odleg kaduba na lewo od osi toru wodnego; d 1 odleg do burty statku, zarejestrowana w pierwszym pomiarze w metodzie statycznej; d Aj dodatkowe poprawki szerokoci toru Metoda Kanadyjska; D d zmierzona odleg na linii stanowisko pomiarowe blisza burta statku; d Di szeroko projektowa toru wodnego Metoda Kanadyjska; d i dodatkowe poprawki szerokoci toru Metoda PIANC; d ijk szeroko bezpiecznego akwenu manewrowego obliczonego na poziomie ufnoci (1-); d ijk (1-) bezpieczny akwen manewrowy obliczony na poziomie ufnoci (1-), dla i- tego typu statku, j-tego typu wykonywanego manewru, k-tego wariantu warunków nawigacyjnych; d L1, d P1 skrajna odleg kaduba statku na lewo/prawo od przyjtej osi toru wodnego w i-tym przejedzie, obliczona za pomoc metody dynamicznej; d m podstawowa szeroko manewrowa Metoda PIANC; d max najwiksza zarejestrowana odleg kaduba statku, wewntrz wstawki cylindrycznej, od stanowiska pomiarowego; d min najmniejsza zarejestrowana odleg kaduba statku, wewntrz wstawki cylindrycznej, od stanowiska pomiarowego; dn(0,95) skadowa nawigacyjna szerokoci pasa ruchu na poziomie ufnoci 0,95 [m]; dr rezerwa szerokoci pasa ruchu [m]; d rc rezerwowa szeroko toru po stronie lewej; d rz rezerwowa szeroko toru po stronie prawej; d xm odleg n-tego punktu umownej wodnicy kaduba od rodka cikoci statku, na osi x; d ym odleg n-tego punktu umownej wodnicy kaduba od rodka cikoci statku, na osi y; e reszty skadniki losowe; f czstotliwo rejestracji pozycji statku [Hz]; F statystyka testu o rozkadzie F; h(x,y,t) boko akwenu w pozycji (x,y) chwili t ; H 0 hipoteza zerowa; H 1 hipoteza alternatywna; J(f) kryterium dopasowania funkcji do danych eksperymentalnych;

7 Zestawienie waniejszych skrótów i oznacze k ilo zarejestrowanych pomiarów w trakcie pojedynczego przejazdu statku; KR kurs rzeczywisty jednostki; L warto obserwowana; L macierze wartoci obserwowanych, dla lewej i prawej strony toru wodnego; m d redni obserwacji; M1 wektor zawierajcy zarejestrowane pozycje pierwszego punktu charakterystycznego kaduba statku, w ukadzie biegunowym; M2 wektor zawierajcy zarejestrowane pozycje drugiego punktu charakterystycznego kaduba statku, w ukadzie biegunowym; m L, L rednia i odchylenie standardowe maksymalnych odlegci lewych skrajnych punktów kaduba statku od rodka toru wodnego; m P, P rednia i odchylenie standardowe maksymalnych odlegci prawych skrajnych punktów kaduba statku od rodka toru wodnego; m x, m y d redni pomiaru wspórzdnej x oraz y; n liczebno próby; p krytyczny poziom istotnoci; S odleg kaduba statku od wewntrznej krawdzi bliszej podpory mostu; S odleg kaduba statku od wewntrznej krawdzi dalszej (lewej) podpory mostu; S bi wielkoredniego bdu szacunkowego parametru b i ; T(x,y,t) zanurzenie statku na pozycji (x,y) w chwili t; U niepewno rozszerzona pomiaru; u(y) niepewno standardowa estymaty y wielkoci wyjciowej; v prdko statku [m/s]; v x, v y d pozorny pomiaru wspórzdnej x oraz y; W test Shapiro-Wilka; X warto prawdziwa; X macierze wartoci prawdziwych, dla lewej i prawej strony toru wodnego; X A wspórzdna X punktu charakterystycznego na burcie obserwowanej; X A wspórzdna X punktu charakterystycznego na burcie przeciwnej; x b zmienna niezalena kt kursowy; x d zmienna niezalena odleg od stanowiska pomiarowego; y wynik pomiaru; Y A wspórzdna Y punktu charakterystycznego na burcie obserwowanej; Y A wspórzdna Y punktu charakterystycznego na burcie przeciwnej; y L wektor opisujcy wynik pomiaru dla lewej strony toru wodnego; y P wektor opisujcy wynik pomiaru dla prawej strony toru wodnego; y T warto poprawna; y TL wektor opisujcy wartoci poprawne, dla lewej strony toru wodnego; y TP wektor opisujcy wartoci poprawne, dla prawej strony toru wodnego; t wzgldem którego ustawiona bya linia celownicza dalmierza w metodzie statycznej; j parametry modelu (wspóczynniki regresji) opisujce wpyw j-tej zmiennej; (i) warto bdu obserwowana; L d metody dla lewej strony toru wodnego; m cakowity bd metody; ml d metody dynamicznej dla lewej strony toru wodnego; mp d metody dynamicznej dla prawej strony toru wodnego; P d metody dla prawej strony toru wodnego; W poszerzenie pasa ruchu wynikajce z kta dryfu;

8 Zestawienie waniejszych skrótów i oznacze Skróty: CSK DWT x niepewno wyznaczenia wspórzdnej x; x niepewno cakowita metody wyznaczenia wspórzdnej x; X zmienna losowa opisujca niepewno wyznaczenia wspórzdnej x o X : x... ; postaci: 1 x n Xe zmienna losowa opisujca niepewno estymacji wspórzdnej x o postaci Xc: x C... x Cn ; 1 y niepewno wyznaczenia wspórzdnej y; y niepewno cakowita metody wyznaczenia wspórzdnej y; Y zmienna losowa opisujca niepewno wyznaczenia wspórzdnej y o Y : y... ; postaci 1 y n Ye zmienna losowa opisujca niepewno estymacji wspórzdnej y o postaci Yc : y C... y Cn ; 1 skadnik losowy; macierz wartoci bdu metody dynamicznej; wartorednia analizowanej zmiennej losowej; wariancja skadnika losowego GPS NMEA PIANC RS 232 Cakowita suma kwadratów Deadweight Nonoadunkowa statku Global Positiong System Globalny System Pozycjonowania National Marine Electronics Association Standard dla pocze morskich urzdze elektronicznych Permanent International Association of Navigation Congress Midzynarodowy Kongres Nawigacyjny Recommended Standard Standardowy protokó transmisji danych RTK GPS Real Time Kinematic GPS System rónicowy czasu rzeczywistego GPS USACE United States Army Corps of Engineers Korpus Inynieryjny Armii Stanów Zjednoczonych Ameryki Pólnocnej UTM Universal Transverse Mercator Poprzeczne odwzorowanie Merkatora WGS 84 World Geodetic System 1984 Ukad odniesienia WSK Wyjaniona suma kwadratów, opisuje zmienno wyjanion przez model.

9 WSTP Okrelanie poziomu bezpieczestwa nawigacji na drogach wodnych wymaga przyjcia szeregu wskaników liczbowych jako kryteriów oceny [Gucma S., 2001]. Obecnie w Polsce brak jest szczegóowych uregulowa prawnych dotyczcych okrelania poziomu bezpieczestwa nawigacji statków manewrujcych na akwenach ograniczonych. W praktyce niektóre z elementów oceny bezpieczestwa nawigacji na drogach wodnych mog by okrelone w oparciu o tzw. analiz nawigacyjn, która wedug Rozporzdzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 1 czerwca 1998 roku [Dz.U., 1998] definiowana jest jako szczegóowa analiza zagadnie manewrowania statkiem podczas jego podchodzenia i dobijania, a take odchodzenia od budowli morskiej oraz wejcia i wyjcia z basenu portowego i z portu. Rozporzdzenie nie precyzuje jakimi metodami powinna by wykonana taka analiza, oraz jakich kryteriów naley u do oceny bezpieczestwa nawigacji. Jedynie w przypadku projektowania przystani dla promów i statków typu Ro-Ro, w sposób szczegóowy okrelane s informacje jakie powinna zawiera analiza. S to: prdkoci strumieni zarubowych przy dnie, rozmieszczenie urzdze odbojowych, energia kinetyczna dobijajcych promów oraz wytyczne dla kapitanów. Cz z tych informacji jest czsto przyjmowana jako kryteria oceny bezpieczestwa. Natomiast B. Mazurkiewicz [1993] zaleca wykonanie analizy nawigacyjnej w oparciu o metod symulacyjn podczas projektowania terminali paliwowych dla zbiornikowców. Obecnie na wiecie, do oceny bezpieczestwa obiektów i systemów inynierskich, stosowane s metody polegajce na szacowaniu ryzyka [McBride et al., 1998; Savenije Ph.A.C., 1998; Wolfe-Barry J., 1998; czka W., 2001; Gucma S., 2001; Gucma L., 2005; Quy et al., 2005]. Du zalet tych metod jest ujednolicenie norm oceny bezpieczestwa. Podstaw ich jest ryzyko akceptowalne (dopuszczalne), które nie moe by przekroczone w danym systemie. Do najczciej stosowanych kryteriów oceny bezpieczestwa nawigacji na drogach wodnych naley kryterium bezpiecznego akwenu manewrowego, lub w wszym pojciu, bezpiecznej szerokoci toru wodnego. Szeroko ta moe by obliczona za pomoc jednej z trzech metod: analitycznej; symulacyjnej; na podstawie bada rzeczywistych. Metody analityczne wykorzystywane s najczciej w przypadkach, gdy wzgldy ekonomiczne wykluczaj uycie metod symulacyjnych. Metody te s mao dokadne i maj powane ograniczenia, co do ich stosowalnoci [Iribarren I., 1999; Gucma S., 2001; Montewka J., Gucma L., 2002b]. Metody w wikszoci wykorzystuj modele empiryczne, tworzone w oparciu o syntez wyników bada rzeczywistych i wiedzy praktycznej. S metodami przyblionymi, których zalet jest prostota oblicze, natomiast wad zrónicowana dokadno oraz dyskretyzacja wyników. Metody symulacyjne s metodami bardziej kosztownymi ni metody analityczne i empiryczne, jednoczenie s od nich dokadniejsze oraz s uniwersalne. Polegaj one na budowie modelu symulacyjnego konkretnego statku, akwenu i warunków hydrometeorologicznych oraz zaprojektowaniu i wykonaniu eksperymentu symulacyjnego, 1

10 Wstp polegajcego na przeprowadzeniu odpowiedniej liczby prób symulacyjnych. W oparciu o wyniki bada symulacyjnych, wykorzystujc aparat statystyki matematycznej, okrelany jest poziom bezpieczestwa manewrowania statku na badanym akwenie. Metody rzeczywiste mona podzieli na czynne oraz bierne. Pierwsze z nich dotycz z reguy okrelenia charakterystyk manewrowych statków i peni rol pomocnicz przy budowie modeli ruchu statków. Druga grupa dotyczy badania istniejcych systemów inynierii ruchu morskiego. Celem ich jest okrelenie poziomu bezpieczestwa i weryfikacja metod symulacyjnych lub analitycznych oraz pozyskanie danych do modeli empirycznych [Gucma S., 1990; Piszczek W., 1990]. Cech podstawow bada rzeczywistych jest pomiar parametrów obiektu o zmiennej dynamice ruchu. Warunki jakie system pomiarowy stosowany do okrelenia poenia statku na akwenie powinien spenia okreli Gucma L. [2005]: d pozycji na poziomie 0,95 od 1% do 3% cakowitej dugoci statku; minimalna lub zerowa ingerencja w proces eksploatacji statku; dua mobilno; niezaleno od warunków zewntrznych; krótki czas montau ukadu pomiarowego; czstotliwo rejestracji pozycji zalena od prdkoci statku, okrelana na podstawie zalenoci: v (1. 1) f d gdzie: v prdko statku [m/s]; d wspóczynnik równy drodze, jak przechodzi statek bez znaczcej zmiany parametrów ruchu, przyjmowany w przedziale 2-5 [m]. Metody rzeczywiste, z uwagi na wysokie koszty przeprowadzenia eksperymentu, nie s rozpowszechnione na szerok skal. W pracy zaproponowano autonomiczne, dokadne oraz niskonakadowe metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku na akwenie ograniczonym, oparte na eksperymencie rzeczywistym biernym. Metody wykorzystuj nowoczesne techniki pomiarowe, pozwalajce na jednoczesne wyznaczenie kta poziomego (namiaru) za pomoc urzdze elektronicznych (enkoder) oraz odlegci przy pomocy urzdze optoelektronicznych (dalmierz laserowy). Pomiar wykonywany jest z ldu, przygotowanie stanowiska do pracy trwa kilka minut, z uwagi na bezstykow technik pomiarow brak jest ingerencji w obserwowany obiekt, natomiast bd wyznaczenia pozycji mieci si w przyjtych powyej granicach [Montewka J., 2007 b]. Zaprezentowane w pracy urzdzenia oraz stosowane techniki pomiarowe znajduj zastosowanie w wielu dziedzinach [Makynen A., 2000; Kilpela A., 2004]. Najczciej stosowane s w: robotyce [Borenstein et al., 1996; Paul A., 2005]; geodezji ldowej [Osada E., 2002; Przewocki S., 2002]; pomiarach hydrograficznych [Waterhouse L., 2004]; nawigacji ldowej [Typiak A., 2005; Ozguner et al., 2007]; 2

11 Wstp nawigacji morskiej [Zigic B., Suomela J., 2000; Brown et al., 2004; Jimenez et al., 2004; rolnictwie [Sogaard H., 1999; Barawid et al., 2007]. Zastosowanie prezentowanych technik oraz urzdze pomiarowych do potrzeb inynierii ruchu morskiego wydaje si autorskim podejciem do problemu okrelania poziomu bezpieczestwa wykonania manewru na akwenie ograniczonym. Praca skada si z czterech rozdziaów, wstpu oraz wniosków. W rozdziale 1 przedstawiono analiz dostpnej literatury wiatowej dotyczcej wymiarowania akwenu manewrowego statku. Okrelono i scharakteryzowano cele pracy, problemy badawcze oraz hipotez. Przedstawiono równie naukowe metody bada, jakimi posono si w pracy. W rozdziale 2 przedstawiono budow metod wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku w oparciu o badania rzeczywiste wraz ze szczegóow analiz bdu metod. Przedstawiono take stosowny model niepewnoci metod. W rozdziale 3 przedstawiono wyniki uzyskane za pomoc metod rzeczywistych. Wyznaczono szerokoci bezpiecznych akwenów manewrowych dla dwóch typów statków oraz trzech typów dróg wodnych. W rozdziale 4 zawarto analiz porównawcz wyników uzyskanych za pomoc metod rzeczywistych oraz metody symulacyjnej i metod analitycznych wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku. W rozdziale przedstawiono wyniki weryfikacji hipotez o normalnoci rozkadów badanych zmiennych losowych oraz wyniki weryfikacji hipotez o wystpowaniu rónic miedzy analizowanymi zmiennymi losowymi. We wnioskach streszczono gówne zagadnienia pracy, podano zakres stosowalnoci opracowanych metod oraz przeprowadzono dyskusj wyników. W zacznikach przedstawiono szczegóowe wyniki przeprowadzonych bada. Wyniki zostay uone w kolejnoci odpowiadajcej etapom prowadzonych bada oraz analiz. W tabelach, wykresach i rysunkach bcych wynikami opracowa wasnych zrezygnowano z podawania róda danych. Pragn z podzikowania promotorowi niniejszej rozprawy, Panu Profesorowi Stanisawowi Gucmie za okazan pomoc i wiele yczliwoci, który zawsze s dobr rad. Dzikuj take Panu Profesorowi Lucjanowi Gucmie za cenne wskazówki udzielane w trakcie realizacji podjtego tematu. Wyraam równie swoj wdziczno moim Koleankom i Kolegom z zespou Inynierii Ruchu Morskiego za pomoc w przeprowadzeniu bada. Szczególne podzikowania skadam Rodzicom, bez których wsparcia praca ta nigdy by nie powstaa. 3

12 Wstp 4

13 ROZDZIA 1 PROBLEMATYKA BADA DOTYCZCA WYMIAROWANIA AKWENU MANEROWEGO STATKU 1.1 AKWEN MANEWROWY STATKU STAN WIEDZY Pocztki okrelania wskaników bezpieczestwa na akwenach ograniczonych datuje si na przeom lat szedziesitych i siedemdziesitych ubiegego wieku. Pierwszymi orodkami zajmujcymi si t tematyk byy uniwersytety w Japonii oraz w Wielkiej Brytanii. Prowadzone tam badania skutkoway wyonieniem si nowej dziedziny naukowej Inynierii Ruchu Morskiego (z ang.: Marine Traffic Engineering) [Toyota S., Furii Y., 1971]. Pierwsze, ugookresowe badania rzeczywiste dotyczce natenia ruchu oraz trajektorii pojedynczych statków prowadzi Yamaguchi A. na przeomie lat 1963/1964, których wyniki przedstawi w pracach [Yamaguchi et al., 1963, 1965 (b)]. Badania prowadzone 24 godziny na dob, przez 365 dni w roku, polegay na ciej obserwacji radarowej ruchu statków w cieninie Akashi, oaz zapisie obrazu na tawiatoczu. W kolejnych latach rozszerzono obserwacje take na inne akweny ograniczone Japonii. Równie Yamaguchi jako pierwszy prowadzi badania ekspertowe dotyczce okrelenia bezpiecznych wymiarów torów wodnych, w oparciu o opinie kapitanów oraz pilotów morskich [Yamaguchi et al., 1965 (a)]. Prace autorów japoskich skutkoway opracowaniem analitycznej metody, zawierajcej pewne wskaniki empiryczne, wyznaczania szerokoci akwenu manewrowego statku, na torach wodnych jedno- oraz dwukierunkowych. Akwen manewrowy wyznaczony za pomoc tej metody skada si z dwóch lub trzech skadowych: manewrowej, rezerwowej oraz pasa rozgraniczajcego [Iijima Y., Honda K., 1979]. Rozwój elektronicznych technik obliczeniowych w latach osiemdziesitych umoliwi wykorzystanie symulatorów manewrowych ruchu statku do oceny bezpieczestwa nawigacji statku na torze wodnym. Zastosowanie techniki symulacji do wyznaczenia obszaru dla bezpiecznego przejcia statku torem wodnym zaprezentowa C. Lincoln na konferencji w 1981 roku [Lincoln C., 1981]. W owym czasie najbardziej zaawansowany technologicznie symulator by wasnoci Akademii Morskiej w King Point w Stanach Zjednoczonych. Przedstawiona przez Lincolna metoda wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego oparta bya na rejestracji pozycji rodka cikoci statku oraz pozycji skrajnych punktów kaduba statku w kolejnych przejciach statku torem wodnym. Nastpnie na podstawie serii przejazdów obliczano statystyki dotyczce rozkadu poenia rejestrowanych punktów statku wzgldem osi toru wodnego. Do opisu zmiennych losowych przyjto zaenie o normalnoci rozkadu zmiennych, jednak nie posiadano wystarczajcej liczebnoci danych aby zaenie to zweryfikowa. W Polsce zastosowanie metod symulacji komputerowej do okrelenia parametrów akwenu manewrowego zapocztkowano w Wyszej Szkole Morskiej w Szczecinie w latach osiemdziesitych ubiegego stulecia. Pierwsze prace dotyczyy modernizacji portu w Policach oraz przebudowy falochronu wejciowego do portu w Koobrzegu [Gucma S., 1990]. 5

14 1. Problematyka bada dotyczca wymiarowania akwenu manewrowego statku Obecnie istnieje szereg opracowa powiconych okrelaniu kryteriów bezpieczestwa na akwenach ograniczonych oraz wymiarowaniu dróg wodnych. Wczeniejsze z nich powstaway w oparciu o dobr praktyk morsk [DTp, 1982], jednak aktualnie obowizujce opracowania oprócz dobrej praktyki morskiej bior pod uwag czynniki wpywajce na wielko akwenu manewrowego oraz wyniki bada symulacyjnych [PIANC, 1997; CCG, 1999; USACE, 2006]. Rozmiary poziome bezpiecznego akwenu manewrowego mona wyznaczy za pomoc szeregu istniejcych metod. Metody te mona podzieli na cztery grupy: 1. metody analityczne [Iijima Y., Honda K., 1979; USACE, 1980; Wszelaczyski W., 1990; Gucma S., 2001]; 2. metody analityczno-empiryczne [PIANC, 1997; CCG, 1999; Gucma S., 2001; USACE, 2006]; 3. metody symulacyjne [Lincoln C., 1981; Webster W., 1992; Roselli et al., 1998; Savenije A.C., 1998; Sand et al., 1998; Iribarren I., 1999; Gucma L., 2000; Gucma S., 2001; Zalewski P., 2001; Gray et al., 2002]; 4. metody rzeczywiste [Webb D., Wooley R., 1998; Gucma L., 2003; Briggs et al., 2003; Zalewski P., 2006; Montewka J., Zalewski P., 2007]. Obecnie na wiecie, do oceny bezpieczestwa obiektów i systemów inynierskich, stosowane s metody polegajce na szacowaniu ryzyka. Du zalet tych metod jest ujednolicenie norm oceny bezpieczestwa. Podstaw ich jest ryzyko akceptowalne, które nie moe by przekroczone w danym systemie [Molak V., 1997]. Równie wymiarowanie akwenu manewrowego wykonywane jest coraz powszechniej w oparciu o analiz ryzyka [McBride et al., 1998; Savenije Ph.A.C.,1998; Wolfe-Barry J., 1998; czka W., 2001; Gucma S., 2001; Quy et al., 2005]. Badania nad systemem miar bezpieczestwa manewrowania statków na akwenach ograniczonych doprowadziy do identyfikacji szeregu kryteriów oceny bezpieczestwa manewrowania. Jako jedno z kryteriów mona wymieni kryterium bezpiecznych wymiarów manewrowych akwenu, umoliwiajce ustalenie minimalnych parametrów akwenu. Jest ono cile zwizane z okreleniem moliwoci wykonania konkretnego manewru przez dany typ statku na zadanym akwenie w danych warunkach hydrometeorologicznych. Parametrem nawigacyjnym decydujcym o bezpieczestwie wykonania okrelonego manewru jest wielko bezpiecznego akwenu manewrowego. Statek moe bezpiecznie manewrowa jedynie na akwenie speniajcym warunek wymaganej gbokoci [Wszelaczyski W., 1990; PIANC, 1997; Gucma S., 2001; Galor W., 2002; USACE, 2006]: h( x, y, t) T ( x, y, t) ( x, y, t) (1. 2) gdzie: h(x,y,t) - gboko akwenu w pozycji (x,y) chwili t ; T(x,y,t) - zanurzenie statku na pozycji (x,y) w chwili t; (x,y,t) - rezerwa wody pod stpka w pozycji (x,y) w chwili t. Akwen na którym speniona jest powysza zaleno nazywany jest dostpnym akwenem eglugowym. Statek, w trakcie wykonywania okrelonego manewru na dostpnym akwenie eglugowym, zajmuje okrelony obszar wyznaczony przez kolejne poenia wodnicy. Obszar ten nazywany jest pasem ruchu statku. Parametry tego obszaru maj charakter losowy 6

15 1. Problematyka bada dotyczca wymiarowania akwenu manewrowego statku i zale od wielu czynników. Wykonanie serii manewrów o istotnej statystycznie liczebnoci n, dla danego typu statku, w danych warunkach nawigacyjnych na danym akwenie, generuje obszar zbudowany z n pojedynczych pasów ruchu. Obszar ten obliczony na okrelonym poziomie ufnoci nazywa si bezpiecznym akwenem manewrowym. Poziom ufnoci przyjmowany jest a priori lub ustalany na podstawie analizy ryzyka nawigacyjnego, bcego kombinacj prawdopodobiestwa wystpienia awarii, skutków tej awarii oraz intensywnoci ruchu statków na danym akwenie. Bezpieczny akwen manewrowy oraz dostpny akwen eglugowy przedstawiono na rysunku 1.1. Bezpieczny akwen manewrowy przedstawiono w postaci zbioru d. Zbiór ten odnosi si do okrelonego typu statku wykonujcego okrelony manewr w okrelonych warunkach nawigacyjnych. Statek, dla którego okrelono zbiór d, zdefiniowano jako zbiór T, zawierajcy wszystkie wartoci zanurze statku, dla danych pozycji (x, y) opisujcych poenie wodnicy statku w chwili t. Natomiast zbiór D jest zbiorem gbokoci speniajcych warunek przedstawiony w zalenoci (1.2). H<T+ Rys.1. 1 Dostpny akwen eglugowy D(t) a bezpieczny akwen manewrowy (d ijk ). Podstawowy warunek bezpieczestwa nawigacji mona wyrazi zapisem [Gucma S., 2001]: d ijk 1 D(t) (1. 3) h(x,y,t) T(x,y,t) (x,y,t) p(x,y) D(t) gdzie: d ijk (1-) - bezpieczny akwen manewrowy obliczony na poziomie ufnoci (1-), dla i-tego typu statku, j-tego typu wykonywanego manewru, k-tego wariantu warunków nawigacyjnych; D(t) - dostpny akwen eglugowy w chwili t. Zbiory punktów D(t) oraz d ijk (1-) mona utosami z obszarami opisywanymi przez parametry liniowe, gdzie podstawowym parametrem liniowym akwenu jest jego szeroko. Zmieniajc zapis, warunek bezpiecznego wykonania manewru mona przedstawi nastpujco: D 1 (1. 4) gdzie: d ijk D - szeroko dostpnego akwenu eglugowego; d ijk (1-) - szeroko bezpiecznego akwenu manewrowego obliczonego na poziomie ufnoci (1-). 7

16 1. Problematyka bada dotyczca wymiarowania akwenu manewrowego statku 1.2 PROBLEMY BADAWCZE I STAWIANE HIPOTEZY Problem badawczy realizowany podczas prowadzonych bada okrelono w formie trzech pyta: 1. Jaka jest dokadno wyznaczenia bezpiecznych akwenów manewrowych statku przy yciu stosowanych obecnie metod analitycznych oraz symulacyjnych? 2. Z jak dokadnoci mona okreli bezpieczny akwen manewrowy statku sposobami optoelektronicznymi, na podstawie bada rzeczywistych biernych? 3. W jakim zakresie opracowane metody, oparte na eksperymencie rzeczywistym biernym, mog by zastosowane do wymiarowania akwenów manewrowych oraz weryfikacji metod symulacyjnych i analitycznych? Przyjto nastpujce hipotezy bce przedmiotem bada rozprawy: 1. Stosujc optoelektroniczn technik pomiaru odlegci i elektroniczn technik pomiaru kta mona okreli szeroko pasa ruchu statku z zaon dokadnoci, oraz wyznaczy bezpieczny akwen manewrowy statku. 2. Moliwa jest weryfikacja metod symulacyjnych oraz analitycznych przy pomocy opracowanych metod opartych na badaniach rzeczywistych biernych. 1.3 CEL PRACY 8 Przed niniejsz rozpraw postawiono nastpujce cele: 1. Jako cele gówne: a. okrelenie parametrów bezpiecznych akwenów manewrowych statku opracowanymi metodami, opartymi na badaniach rzeczywistych biernych, dla wybranych jednostek, akwenów oraz warunków hydrometeorologicznych; b. weryfikacja metod symulacyjnych i analitycznych wyznaczania bezpiecznych akwenów manewrowych statku za pomoc opracowanych metod. 2. Jako cele czstkowe: a. opracowanie techniki wykonywania pomiarów poprzez zbudowanie optymalnego zestawu pomiarowego: i. ukad pomiarowy skadajcy si z pojedynczego dalmierza, ii. ukad pomiarowy skadajcy si z pojedynczego dalmierza z doczonym enkoderem; b. budowa metody statycznej wyznaczania akwenu manewrowego statku w oparciu o badania rzeczywiste; c. budowa metody dynamicznej wyznaczania akwenu manewrowego statku w oparciu o badania rzeczywiste; d. budowa modelu bdu metody dynamicznej na podstawie danych pochodzcych z pomiarów przy zastosowaniu techniki GPS RTK; e. okrelenie wskaników oraz kryteriów porównawczych dla metod symulacyjnych oraz analitycznych; f. weryfikacja metod symulacyjnych oraz analitycznych opracowanymi metodami rzeczywistymi.

17 1. Problematyka bada dotyczca wymiarowania akwenu manewrowego statku W nastpstwie postawionych celów: 1. zaprojektowano eksperyment obejmujcy róne typy dróg oraz róne typy statków; 2. opracowano metody rzeczywiste, wykorzystujce bezstykowy pomiar odlegci oraz elektroniczny pomiar kta poziomego, pozwalajce na wyznaczenie wymiaru poziomego obszaru jaki zajmuje statek w trakcie ruchu po akwenie ograniczonym; 3. zbudowano model bdu metody dynamicznej; 4. wyznaczono parametry bezpiecznych akwenów manewrowych dla dwóch typów statków i trzech typów drogi wodnej, korzystajc z wczeniejszych prac [Guziewicz J., czka W., 1997; Gucma L., 1999; Zalewski P., 2001]; 5. okrelono typ rozkadów jakim podlegaj zmienne losowe odlegci skrajnych punktów statku od przyjtej osi odniesienia, wyznaczone za pomoc opracowanych metod; 6. porównano estymowane parametry populacji prób otrzymanych w wyniku bada rzeczywistych z próbami uzyskanymi z metody symulacyjnej; 7. porównano wymiary akwenów manewrowych wyznaczonych za pomoc metody rzeczywistej z wymiarami wyznaczonymi za pomoc metod analitycznych oraz analityczno empirycznych. 1.4 NAUKOWE METODY BADAWCZE STOSOWANE W PRACY Problem badawczy rozprawy doktorskiej dotyczy budowy metod wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku, w oparciu o badania rzeczywiste, oraz weryfikacji istniejcej metody symulacyjnej oraz metod analitycznych i analitycznoempirycznych wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku. Kompleksowa analiza postawionego problemu, wymaga zastosowania nastpujcych metod badawczych i technik pomiarowych: Techniki pomiarowe: pomiar odlegci i kta w trybie statycznym i dynamicznym do celów rozmieszczonych na znanych i staych pozycjach, dla wyznaczenia niepewnoci pomiaru; pomiar odlegci i kta charakterystycznych elementów konstrukcyjnych statku od stanowiska pomiarowego, w trakcie realizacji eksperymentu; pomiar wspórzdnych charakterystycznych elementów konstrukcji statku technik GPS RTK; rejestracja wyników bada. Metody analityczne i statystyczne: geometrii analitycznej dla transformacji wyników pomiarów do wybranych ukadów odniesienia; geometrii analitycznej dla okrelenia ksztatu i poenia umownej wodnicy statku na akwenie; 9

18 1. Problematyka bada dotyczca wymiarowania akwenu manewrowego statku analityczne dla wyznaczenia szerokoci pasa ruchu statku w pojedynczym przejedzie; analityczno statystyczne dla okrelenia modelu bdu metody dynamicznej; analizy statystycznej dla wyznaczenia wymiarów bezpiecznych akwenów manewrowych analizowanych jednostek; analizy statystycznej do weryfikacji zgodnoci wymiarowania akwenów metodami rzeczywistymi i metod symulacyjn, w szczególnoci: testy parametryczne równoci redniej i wariancji, testy normalnoci rozkadów zmiennych losowych, nieparametryczne testy zgodnoci dwóch rozkadów empirycznych, analiz wariancji i jej nieparametryczne odpowiedniki. Metody symulacyjne: symulacja komputerowa w oparciu o hydrodynamiczny model ruchu statku. W metodzie symulacyjnej zastosowano model nieautonomiczny (interakcyjny) ruchu statku pracujcy w czasie rzeczywistym. Model oparto na zasadzie dialogu operator komputer, gdzie operatorem jest nawigator o okrelonych kwalifikacjiach zawodowych (pilot morski). Do budowy modelu wykorzystano charakterystyki manewrowe statków pozyskane w wyniku badaniach rzeczywistych czynnych. 10

19 ROZDZIA 2 METODY WYZNACZANIA BEZPIECZNEGO AKWENU MANEWROWEGO STATKU OPARTE O BADANIA RZECZYWISTE Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku wykorzystuj badania prowadzone w warunkach rzeczywistych. Zastosowane w metodach techniki pomiarowe: optoelektroniczna pomiaru odlegci oraz elektroniczna pomiaru kta poziomego, pozwalaj na precyzyjne wyznaczenie pozycji wybranego obiektu, lub punktu na powierzchni danego obiektu. Przyjte techniki pomiarowe oraz algorytmy obliczeniowe zapewniaj du autonomiczno zastosowanym metodom, ograniczajc do minimum ingerencj w obserwowany proces. W zalenoci od przyjtego trybu wykonywania pomiaru oraz zastosowanej konfiguracji sprztowej moliwa jest budowa modeli matematycznych pozwalajcych na wyznaczenie bezpiecznego akwenu manewrowego statku oraz okrelenie poziomu bezpieczestwa wykonania danego manewru na akwenie ograniczonym [Montewka J., Przywarty M., 2005a; Montewka J., 2005a, 2007b]. Zaprezentowane w pracy metody stanowi nowe podejcie do oceny bezpieczestwa manewrowania jednostek na akwenach ograniczonych. Poniej opisano dwie metody rzeczywiste wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statków na akwenach ograniczonych (metod statycz i dynamiczn), przedstawiono czynniki wpywajce na dokadno pomiaru oraz dokonano analizy bdu prezentowanych metod. 2.1 METODA STATYCZNA Metoda statyczna wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku w oparciu o badania rzeczywiste umoliwia wyznaczenie bezpiecznego akwenu manewrowego statków na prostoliniowym odcinku drogi wodnej o dugoci zblionej do dugoci jednostki [Montewka J., 2005b]. W metodzie tej zestaw pomiarowy zbudowany jest z pojedynczego dalmierza laserowego podczonego do rejestratora danych. Dalmierz wykonuje pomiary odlegci na jednym, ustalonym uprzednio, kierunku Wykonywanie pomiaru Wyznaczanie bezpiecznego akwenu manewrowego statku polega na okreleniu szerokoci pasa ruchu statku dla serii manewrów o ustalonej wczeniej liczebnoci, dla przyjtego poziomu ufnoci. Szeroko pasa ruchu statku dla pojedynczego manewru wyznaczana jest za pomoc dalmierza laserowego, wykonujcego pomiary w trybie statycznym. Urzdzenie pomiarowe umiejscowione jest na nabrzeu, na wczeniej wybranej i okrelonej pozycji. Umoliwia to wykonanie serii pomiarów odlegci do burty przepywajcego statku podczas jego przejcia w badanym punkcie toru wodnego. Mierzone w ten sposób odlegci odnosz si do pewnego, bardzo wskiego odcinka toru wodnego, jednak stosujc odpowiedni aparat matematyczny mona z pewnym przyblieniem okreli wikszy obszar, porównywalny z ugoci statku, w jakim statek si porusza. Ze wzgldu na zastosowanie tylko jednego dalmierza, wiarygodne wyniki mona uzyska dla odcinka prostoliniowego toru wodnego. 11

20 2. Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku oparte o badania rzeczywiste Metod zastosowano do okrelenia parametrów bezpiecznego akwenu manewrowego dla statków wykonujcych manewr przejcia prostoliniowym odcinkiem ródldowego toru wodnego przebiegajcego pomidzy filarami mostu [Montewka J., Gucma L., 2003a, 2003b]. Szeroko pasa ruchu statku w tym przypadku, mona zdefiniowa jako obszar znajdujcy si pomidzy punktem kaduba najbliszym dalmierzowi a jego lustrzanym odbiciem wzgldem osi symetrii badanej jednostki. Naley take uwzgldni nierównoleg poenia statku wzgldem prostopadej do osi dalmierza, spowodowanej ktem dryfu lub wykonywanym manewrem. W niektórych przypadkach okrelenie pasa ruchu przy uyciu tylko jednego dalmierza jest utrudnione, dlatego naley mie na uwadze ograniczenia tej metody oraz przypadki, w których wskazania b mao wiarygodne. Naley rozróni trzy najczstsze przypadki zachowania jednostki, zaobserwowane w trakcie przeprowadzania bada [Montewka J., Gucma L., 2003b]: statek porusza si równolegle do osi toru wodnego (Rys.2. 1); statek porusza si z ktem dryfu pod ktem do osi toru wodnego (Rys.2. 2); statek w trakcie ruchu po torze wykonuje manewr (Rys.2.3). Statek porusza si równolegle do osi toru W tym przypadku okrelenie szerokoci pasa ruchu statku polega na okreleniu skrajnych (najbliszych oraz najdalszych pozycji wzgldem stanowiska pomiarowego) odczytów z kadej serii pomiarowej. Mierzony parametr d, czyli odleg burty statku w czci cylindrycznej kaduba, od stanowiska pomiarowego jest staa (d 1 =d 2 =d 3 ), a szeroko pasa ruchu statku jest zbliona do szerokoci statku. Aby okreli szeroko pasa ruchu statku (W) w pojedynczym przejedzie, naley obliczy odleg pomidzy skrajnymi punktami po obu burtach. Rys.2. 1 Szeroko pasa ruchu statku (W) dla statku poruszajcego si wzd toru wodnego, równolegle do osi toru. Statek porusza si z ktem dryfu (kierunek poruszania si jest zgodny z osi toru, lecz burty statku nie s ustawione do niej równolegle) W przypadku gdy na statek oddziauj warunki zewntrzne, w postaci prdu b wiatru, statek aby utrzyma kierunek ruchu (KDd) odchyla si od osi toru, kompensujc w ten sposób dziaanie czynników zewntrznych [Nowicki A., 1999]. Na skutek takiego dziaania nawigatora powstaje kt dryfu ( ), który powoduje wzrost szerokoci pasa ruchu statku (W), który dla pojedynczego przejazdu wyznaczano w oparciu o równanie: W d min d (2. 1) max gdzie: W - poszerzenie pasa ruchu wynikajce z kta dryfu; 12

21 2. Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku oparte o badania rzeczywiste d min - najmniejsza zarejestrowana odleg kaduba statku, wewntrz wstawki cylindrycznej, od stanowiska pomiarowego; d max - najwiksza zarejestrowana odleg kaduba statku, wewntrz wstawki cylindrycznej, od stanowiska pomiarowego. Szeroko pasa ruchu statku (W) mona zdefiniowa jako obszar znajdujcy si pomidzy punktem kaduba najbliszym dalmierzowi a jego lustrzanym odbiciem wzgldem osi symetrii badanej jednostki, z uwzgldnieniem poszerzenia pasa ruchu (Rys.2. 2). Rys.2. 2 Szeroko pasa ruchu statku (W) dla statku poruszajcego si z ktem dryfu wzd toru wodnego (nierównolegle w stosunku do osi toru). Statek w trakcie ruchu po torze wykonuje manewr Okrelenie szerokoci pasa ruchu jednostki za pomoc jednego dalmierza w tym przypadku jest niedokadne. Nieustalone parametry ruchu statku powoduj, i metoda dla tego przypadku nie moe mie zastosowania. Moliwe jest uzyskanie dokadniejszych wskaza stosujc ukad dwóch dalmierzy lub dalmierza i urzdzenia do pomiaru kta poziomego. Rys.2. 3 Szeroko pasa ruchu statku (W) dla statku manewrujcego w momencie wykonywania pomiaru Wyznaczanie bezpiecznego akwenu manewrowego Procedur postpowania w celu wyznaczenia bezpiecznego akwenu manewrowego za pomoc metody statycznej podzielono na dwa etapy [Montewka J., 2005b]: wyznaczenie poenia umownej wodnicy statku na akwenie; wyznaczenie statystyk opisujcych rozkad odlegci skrajnych punktów kaduba statku od osi toru wodnego. 13

22 2. Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku oparte o badania rzeczywiste Wyznaczanie poenia umownej wodnicy statku na akwenie Umown wodnic statku naley rozumie jako paszczyzn opisan przez lini przecicia powierzchni kaduba statku paszczyzn powierzchni wody, przy maksymalnym zanurzeniu statku, przy braku przechyu i przegbienia. W algorytmie obliczeniowym metody statycznej umown wodnic statku rzeczywistego opisano poprzez dyskretyzacj linii ciej na zaon ilo najbardziej znaczcych punktów. Poziom dyskretyzacji wodnicy umownej statku zaley przede wszystkim od [Zalewski P., 2001; Zalewski P., Tomczak A., 2005]: wielkoci statku; prdkoci statku; poziomego uksztatowania drogi wodnej (tor prostoliniowy, zakole). Mniejsza ilo punktów znaczcych moe by stosowana w przypadku jednostek mniejszych oraz wolniej poruszajcych si a take w przypadku prostoliniowych odcinków drogi wodnej. Liczb punktów znaczcych wyznaczono eksperymentalnie, po wykonaniu zaonej iloci pomiarów, na podstawie zalenoci: i n k m i (2. 2) 1 2 n gdzie: m liczba punktów znaczcych; k ilo zarejestrowanych pomiarów w trakcie pojedynczego przejazdu statku; n liczba przejazdów. Przyjty ukad odniesienia, wzgldem którego wyznaczono wodnic zwizano ze statkowym ukadem odniesienia, którego pocztek pokrywa si z geometrycznym rodkiem wodnicy (Rys.2.4). 25,0 dy 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0-25,0-20,0-15,0-10,0-5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0-5,0 dx -10,0-15,0-20,0-25,0 Rys.2. 4 Graficzny podzia umownej wodnicy statku na zaon ilo punktów znaczcych. Umown wodnic statku opisan w lokalnym ukadzie wspórzdnych zwizanym ze geometrycznym rodkiem wodnicy, mona przedstawi w postaci macierzy S. Posta ogóln macierzy przedstawia równanie (2.3), natomiast posta szczegóow zamieszczono w zaczniku (Tabela Z. 1) : dx1 dy1 (2. 3) dx 2 dy2 S.. dx n dy n 14

23 2. Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku oparte o badania rzeczywiste gdzie: dx n dy n n - odleg n-tego punktu umownej wodnicy kaduba od rodka cikoci statku, na osi x; - odleg n-tego punktu umownej wodnicy kaduba od rodka cikoci statku, na osi y; - ilo punktów znaczcych. Odpowiednio dobrany poziom dyskretyzacji umownej wodnicy statku umoliwia optymalne dopasowanie krzywej uzyskanej w trakcie wykonywania pomiaru (Rys.2.5) do krzywej wzorcowej (Rys.2.4). Krzywa uzyskana w trakcie pomiarów zbudowana jest z zarejestrowanych odlegci kaduba statku od stanowiska pomiarowego (D d ) w trakcie pojedynczego przejcia przez tor wodny. W celu uatwienia oblicze uzyskan krzyw przedstawiono w postaci macierzy (2.4). Natomiast krzywa wzorcowa jest to linia okrelona zalenoci (2.2). Opisuje ona umown wodnic statku, wyznaczana jest przez m/2 punktów znaczcych [Montewka J., 2005b]:. m/s Adler Steamer Odleg [m] 53,00 52,50 52,00 51,50 51,00 50,50 50,00 49,50 49, Numer pomiaru Rys.2. 5 Krzywa uzyskana w trakcie pomiaru - zarejestrowane odlegci D d, pojedynczy przejazd statku m/s Adler Steamer. d1 1 (2. 4) d 2 2 D.. d k k gdzie: d 1 - odleg do burty statku, zarejestrowana w pierwszym pomiarze; kt wzgldem którego ustawiona bya linia celownicza dalmierza; k ilo pomiarów w trakcie pojedynczego przejcia statku. Poenie umownej wodnicy statku na akwenie, dla pojedynczego przejcia statku torem wodnym, wyznaczono w oparciu o algorytm, którego struktur przedstawiono na rysunku 2.7. W procedurze wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego za pomoc opisywanej metody stosowano dwa ukady odniesienia: ukad zwizanym ze statkiem, oznaczony jako x S, y S,; ukad zwizanym z akwenem, oznaczony jako x, y. Zalenoci pomidzy ukadami oraz zasad wyznaczania pozycji punktów umownej wodnicy statku na akwenie przedstawiono na rysunku

24 2. Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku oparte o badania rzeczywiste Rys.2. 6 Zasada wyznaczania poenia umownej wodnicy statku na akwenie (w ukadzie x,y). Rys.2.7 Algorytm wyznaczania poenia umownej wodnicy statku zastosowany w metodzie statycznej, dla pojedynczego przejcia statku torem wodnym. 16

25 2. Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku oparte o badania rzeczywiste Szeroko bezpiecznego akwenu manewrowego w metodzie statycznej wyznaczono na podstawie nastpujcego algorytmu: 1. Wykonanie serii pomiarów odlegci na linii stanowisko pomiarowe - burta przepywajcego statku (D d ). 2. Wyznaczenie odlegci kaduba statku od wewntrznej krawdzi bliszej podpory mostu, wedug zalenoci: S D DF [m] (2. 5) gdzie: S d odleg kaduba statku od wewntrznej krawdzi bliszej podpory mostu; D d zmierzona odleg na linii stanowisko pomiarowe blisza burta statku; DF dugo odcinka: stanowisko pomiarowe wewntrzna kraw prawej podpory mostu, odczytana z mapy zasadniczej. 3. Wyznaczenie odlegci kaduba statku wewntrznej krawdzi dalszej podpory mostu, wedug zalenoci: S' BM ( S B W ) [m] (2. 6) gdzie: S odleg kaduba statku od wewntrznej krawdzi dalszej podpory mostu; S odleg kaduba statku od wewntrznej krawdzi bliszej podpory mostu; B M szerokoeglowna pomidzy podporami mostu, odczytana z mapy zasadniczej; B szeroko analizowanego statku; W poszerzenie pasa ruchu, wynikajce z wystpujcego kta dryfu. 4. Wyznaczenie odlegci kaduba statku na prawo od osi toru wodnego, wedug zalenoci: D 0, 5 B M S [m] (2. 7) gdzie: D odleg kaduba na prawo od osi toru wodnego; S odleg kaduba statku od wewntrznej krawdzi bliszej (prawej) podpory mostu; B M szerokoeglowna pomidzy podporami mostu, odczytana z mapy zasadniczej. 5. Wyznaczenie odlegci kaduba statku na lewo od osi toru wodnego, wedug zalenoci: D' 0,5B M S' [m] (2. 8) gdzie: D odleg kaduba na lewo od osi toru wodnego; S odleg kaduba statku od wewntrznej krawdzi dalszej (lewej) podpory mostu; B M szerokoeglowna pomidzy podporami mostu, odczytana z mapy zasadniczej. 17

26 2. Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku oparte o badania rzeczywiste 6. Wyznaczenie statystyki, dla zaonych funkcji gstoci: gdzie: D(y) D (y) D 2 ( y m ) L L ( ) y L D' ( y) P e 2 1 e 2 ( y 2 2 m P ) 2 P funkcja gstoci prawdopodobiestwa analizowanej zmiennej losowej dla lewej strony toru wodnego; funkcja gstoci prawdopodobiestwa analizowanej zmiennej losowej dla prawej strony toru wodnego; (2. 9) (2. 10) m L, L rednia i odchylenie standardowe maksymalnych odlegci lewych skrajnych punktów kaduba statku od rodka toru wodnego; m P, P rednia i odchylenie standardowe maksymalnych odlegci prawych skrajnych punktów kaduba statku od rodka toru wodnego. 7. Analiza statystyczna par zmiennych losowych D, D oraz S, S umoliwiajca wyznaczenie: o szerokoci akwenu manewrowego na zadanym poziomie ufnoci, na podstawie rozkadu par zmiennych losowych D, D ; o prawdopodobiestwa awarii statku, na podstawie znajomoci rozkadu par zmiennych losowych S, S. Zasada wykonywania pomiarów oraz zastosowane symbole i oznaczenia przedstawiono na rysunku 2.8. Rys.2. 8 Szkic analizowanej drogi wodnej wraz z umiejscowieniem stanowiska pomiarowego. Przestawiony algorytm obliczeniowy umoliwia okrelenie wskaników bezpieczestwa nawigacji jakimi s szeroko bezpiecznego akwenu manewrowego statku oraz prawdopodobiestwo kolizji statku z filarem mostu. Wskaniki te wyznaczono dla wskiego sektora toru wodnego o dugoci zblionej do dugoci analizowanego statku [Montewka J., Gucma L., 2003a, 2003b]. Aby zwikszy zakres metody naley przedstawiony algorytm uzupeni o modu estymacji poenia umownej wodnicy statku. Uzupeniony algorytm pozwoli rozszerzy zakres metody na akwen o dugoci odpowiadajcej podwójnej dugoci analizowanego statku [Montewka J., 2005b]. 18

27 2. Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku oparte o badania rzeczywiste Wyznaczanie bezpiecznego akwenu manewrowego statku Zasad wyznaczania szerokoci bezpiecznego akwenu manewrowego, opartej na analizie statystycznej serii pojedynczych przejazdów, przedstawiono na rysunku 2.9 [Gucma S., Jagniszczak I., 1997; Gucma S., 2001]. Rys.2. 9 Zasada konstrukcji bezpiecznego akwenu manewrowego statku na podstawie serii przejazdów Szeroko bezpiecznego akwenu manewrowego statku wyznaczono w oparciu o zmodyfikowan metod pasów równolegych, której oryginaln wersj przedstawi W. czka [2001]. W zmodyfikowanej metodzie pasów równolegych, bezpieczny akwen manewrowy statku wyznaczany jest w oparciu o nastpujcy algorytm [czka W., 2001; Gucma S., 2001]: podzia akwenu na równolege pasy (sekcje) o szerokoci x (Rys.2.10); wyznaczenie wspórzdnych skrajnych punktów umownej wodnicy statku w prostoktnym ukadzie wspórzdnych, na podstawie danych o kursie statku, ksztacie i wspórzdnych rodka geometrycznego umownej wodnicy; obliczenie odlegci d i skrajnych punktów umownej wodnicy statku od osi odniesienia (i liczba skrajnych punktów statku opisujcych umown wodnic); utworzenie tablic szczegóowych D [k,n,d] i D [k,n,d ], w których zawarte s maksymalne odlegci skrajnych punktów statku na lewo (D ) i na prawo (D) od osi odniesienia w n-tej sekcji akwenu i dla k-tego przejazdu symulacyjnego, co umoliwia wyznaczenie pasa ruchu statku w pojedynczym przejedzie; wyznaczenie w poszczególnych sekcjach wspórzdnych punktów obszaru manewrowego na zaonym poziomie ufnoci na podstawie tablic D [k,n,d] i D [k,n,d ] oraz odpowiedniego statystycznego modelu rozkadu odlegci D i D. 19

28 2. Metody wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku oparte o badania rzeczywiste Rys Podzia akwenu na sekcje w metodzie pasów równolegych. 2.2 METODA DYNAMICZNA Metoda dynamiczna wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku w oparciu o badania rzeczywiste umoliwia okrelenie wskaników poziomu bezpieczestwa manewrowania statków morskich na akwenie ograniczonym, np.: na zakolu toru wodnego w rejonie gówek wejciowych do portu itp [Montewka J., 2004b; Montewka J., Gucma L., 2005; Montewka J., Przywarty M., 2005b; Montewka J., Zalewski P., 2006a, 2007a]. W metodzie tej pomiary wykonywane s w trybie dynamicznym, na zasadzie ledzenia charakterystycznego punktu na powierzchni poruszajcego si statku. Ukad pomiarowy skada si z dalmierza laserowego z przyczonym urzdzeniem elektronicznym do pomiaru ta poziomego oraz z rejestratora danych Wykonywanie pomiarów Wyznaczenie szerokoci pasa ruchu statku za pomoc metody dynamicznej polega na naprzemiennie realizowanym pomiarze odlegci oraz namiaru do dwóch charakterystycznych punktów kaduba statku przy zastosowaniu jednego dalmierza laserowego z przyczonym urzdzeniem do pomiaru kta poziomego. Przyrzdem do elektronicznego pomiaru kta poziomego jest enkoder pozwalajcy na wyznaczenie któw wzgldnych. Po kalibracji enkodera w stosunku do linii poudnika rzeczywistego, moliwe jest wyznaczenie namiaru rzeczywistego na obserwowany obiekt. Wykonywane pomiary realizowano na zasadzie ledzenia obiektu, stanowisko pomiarowe ustawiono na nabrzeu w ustalonej wczeniej pozycji. Obszar objty obserwacj charakteryzuje si znacznie wikszym pokryciem ni w przypadku metody statycznej. Maksymalny zasig uwarunkowany jest zasigiem pracy dalmierza. Jako punkty charakterystyczne naley zdefiniowa te punkty kaduba statku, które znajduj si w jego najszerszym miejscu. Najszerszym elementem konstrukcyjnym kaduba jest zazwyczaj wstawka cylindryczna, dlatego jeden z punktów powinien by umiejscowiony w czci dziobowej wstawki, natomiast drugi punkt w rejonie ródokrcia lub w czci rufowej wstawki. Zasada wykonywania pomiaru w metodzie dynamicznej oraz rozmieszczenie punktów charakterystycznych przedstawiono na rysunku Cyframi oznaczono okresy czasu, w których dokonywano kolejnych pomiarów, naprzemiennie do punktów w czci dziobowej oraz na ródokrciu. 20