ZESZYTY NAUKOWE NR 6(78) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 6(78) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE I N Ż Y N I E R I A R U C H U M O R S K I E G O Andrzej Łebkowski, Roman Śmierzchalski, Marcin Tobiasz, Krzysztof Dziedzicki, Mirosław Tomera Hybrydowy system sterowania statkiem na morzu Słowa kluczowe: unikanie kolizji, system wspomagania decyzji. W pracy opisano symulator umożliwiający badanie działania systemu sterowania automatycznego ruchem statku w sytuacji zagrożenia kolizją i występowania złych warunków hydrometeorologicznych. Zadaniem prezentowanego systemu jest wspomaganie decyzji nawigatora, a w przyszłości zastąpienie pracy nawigatora. Omówiono sposób wyznaczania bezpiecznej trasy przejścia statku, a także sterowania po tej trasie. The Hybrid System of Ship Control at Sea Keywords: avoiding collisions at sea, decision support system. The article presents a simulator for testing the operation of automatic systems controlling ship's movement in situations where a collision is a real threat, particularly in poor hydro-meteorological conditions. The goal of the presented system is to support the navigator in decision making, with possible full replacement of his work in the future. Discussed is a method of determining a safe trajectory for the ship, and controlling its movement along this trajectory.

2 A. Łebkowski, R. Śmierzchalski, M. Tobiasz, K. Dziedzicki, M. Tomera Wstęp Transport morski jest ważnym elementem systemu gospodarczego świata. Statek jako środek transportu morskiego ma za zadanie przetransportowanie określonego towaru drogą morską z portu wyjścia do portu docelowego (rys. 1). DŁUGOŚĆ TRASY 1200 Nm PORT DOCELOWY Trasa przejścia Sytuacja kolizyjna PORT WYJŚCIA ZAKRES 8 Nm Rys. 1. Planowanie trasy przejścia statku Drogę morską statku określa się za pomocą trasy przejścia statku. Trasa wyznaczana jest przez nawigatora, poprzez kolejne punkty zwrotu. Przykładowo przejście statku z portu w Gdyni do basenu Morza Śródziemnego może zawierać od 40 do 60 punktów zwrotu (ang. waipoint). Przy projektowaniu trasy przejścia uwzględnia się ograniczenia nawigacyjne takie jak np.: lądy, płytkowodzia, kanały itp. Sterowanie statkiem po określonej trasie przejścia realizowane jest poprzez zmiany kursu, co pozwala na prowadzenie statku po zadanej trasie, aż do osiągnięcia portu docelowego. Dodatkowo uwzględniając prognozy pogodowe, można dokonać korekty trasy. W czasie realizacji trasy może wystąpić sytuacja zagrożenia kolizyjnego. Uwzględniając zagrożenie kolizyjne, należy wykonać manewr antykolizyjny mający na celu bezpieczne mijanie się statków. Zgodnie z zaleceniami IMO (International Maritime Organization) każdy statek floty handlowej powinien dysponować środkami technicznymi, umożliwiającymi sterowanie po zadanej trasie przejścia. Do środków tych zaliczamy: autopilota, systemy radarowe, systemy łączności jak również system AIS (Automatic Identification System). System AIS umożliwia automatyczną wymianę informacji z innymi jednostkami pływającymi i stacjami brzegowymi, dotyczącą oznaczenia, położenia, kursu, prędkości, itd. W celu wyznaczenia optymalnej i bezpiecznej trasy przejścia statku własnego i sterowania po tej trasie, opracowany został system PFSS (Path Finder and Ship Steering). System ten łączy pracę dwóch technik komputerowych, al- 252

3 \ Hybrydowy system sterowania statkiem na morzu gorytmów ewolucyjnych do wyznaczania optymalnej i bezpiecznej trasy przejścia statku własnego oraz sterowania rozmytego do kierowania statkiem po zadanej trasie przejścia. Z tego względu system nazywany będzie hybrydowym systemem sterowania statkiem własnym. Dodatkową i istotną cechą systemu PFSS jest możliwość bezpiecznego oraz automatycznego sterowania statkiem własnym w sytuacjach kolizyjnych. System PFSS może być wykorzystywany jako system wspomagania decyzji nawigatora, co może przyczynić się w znacznym stopniu do odciążenia jego pracy, obejmującej prowadzenie obliczeń związanych z wyznaczeniem trasy przejścia statku, jak również z utrzymywaniem statku na tej trasie. Proponowane rozwiązanie powinno przyczynić się w znaczącym stopniu do zmniejszenia liczby wypadków, do jakich dochodzi w żegludze morskiej, podwyższyć poziom bezpieczeństwa na morzach a także ograniczyć koszty eksploatacyjne statku. 1. Opis środowiska nawigacyjnego Statek poruszając się w środowisku morskim spotyka różnego rodzaju ograniczenia nawigacyjne, które mogą mieć charakter statyczny lub dynamiczny. Do ograniczeń o charakterze statycznym można zaliczyć: linie brzegowe lądów, mielizny, obszary ograniczone uwarunkowaniami prawnymi (tory wodne, obszary rozdziału ruchu itp.), boje wodne, sieci rybackie oraz inne. W systemie PFSS przyjmujemy, że statyczne ograniczenia nawigacyjne aproksymowane są wielokątami w sposób podobny, w jaki tworzy się elektroniczne mapy wektorowe. Do ograniczeń nawigacyjnych o charakterze dynamicznym należą spotkane inne statki i poruszające się obiekty (góry lodowe). Ograniczenia te modelowane są za pomocą ruchomych wielokątów o kształcie sześciokąta (dla poruszających się spotkanych obiektów) i ośmiokąta (dla zagrożeń wynikających z warunków hydrometeorologicznych). Przedstawiony obszar wokół spotkanych obiektów ruchomych [6] nazywany jest domeną (rys. 2). LEWA BURTA PRAWA BURTA Rys. 2. Kształt przyjętej domeny dla statku będącego w ruchu Rozmiar domeny zależny jest od sytuacji nawigacyjnej, a także parametrów ruchu oraz położenia spotkanych obiektów i statku własnego. Położenie, prędkość i namiar spotkanych obiektów określane jest przez urządzenie ARPA (Automatic Radar Plotting Aids). Jako warunki początkowe, przy określaniu trasy 253

4 A. Łebkowski, R. Śmierzchalski, M. Tobiasz, K. Dziedzicki, M. Tomera przejścia dla statku własnego, przyjmuje się aktualne położenie statku własnego i parametry ruchu obiektów obcych w danej chwili określonych przez urządzenie ARPA. Wyznaczona trasa przejścia statku własnego opisana jest za pomocą linii łamanej, składającej się z odcinków łączących punkt wyjściowy z zadanym punktem docelowym. Część spotkanych obiektów stanowi zagrożenie kolizyjne dla ruchu statku własnego. W zadaniu unikania kolizji założono, że niebezpiecznym obiektem obcym jest obiekt, który wszedł w obszar naszej obserwacji i przecina nasz kurs w niebezpiecznej odległości. Warunek przekroczenia niebezpiecznej odległości określa operator i zależy ona od warunków pogodowych, rejonu żeglugi, a także typu własnego statku. 2. System sterowania statkiem System PFSS realizuje dwie podstawowe funkcje: optymalizuje trasę przejścia statku i zapewnia bezpieczne pokonanie akwenu po wyznaczonej trasie. Wyznaczając trasę przejścia składającą się z kolejnych punktów zwrotu statku, należy uwzględnić kryteria ekonomiczne ważne z punktu widzenia kosztów eksploatacji. Kryterium ekonomiczne uwzględnia: długość trasy, czas potrzebny na jej pokonanie, zmiany prędkości statku na poszczególnych etapach trasy oraz ilość wykonywanych manewrów. Podczas nawigacji po wyznaczonej trasie przejścia, w wypadku wystąpienia zagrożenia kolizyjnego, może wystąpić konieczność skorygowania wcześniej ustalonej trasy. Przyjętą strukturę sterowania statkiem własnym w sytuacji kolizyjnej pokazano na rys. 3. Sposób wykorzystania algorytmu ewolucyjnego do wyznaczania optymalnej trasy przejścia statku własnego przedstawiono w pracach [1, 3, 7]. Realizację zadanej trasy zapewnia regulator trajektorii opisany w pracach [2, 3]. Sterowanie statkiem własnym na morzu realizowane jest przez system PFSS na trzech poziomach. Na pierwszym poziomie sterowania, na podstawie znanych parametrów położenia portu wyjścia i portu docelowego z uwzględnieniem ograniczeń nawigacyjnych, stosując algorytm ewolucyjny określa się globalną trasę przejścia statku. Zadanie to realizowane jest przez podsystem GR (Global Route) systemu PFSS. Drugi poziom struktury systemu PFSS obejmuje sterowanie statku po zadanej trasie przez regulator trajektorii TC (Trajectory Controller). Trzeci poziom sterowania statkiem własnym jest aktywowany w momencie pojawienia się zagrożenia kolizyjnego. W celu zapewnienia bezpiecznego mijania się statków, na tym poziomie sterowania, koryguje się wcześniej określoną na pierwszym poziomie trasę przejścia. Realizowane jest to poprzez procedurę optymalizacji lokalnej trasy statku własnego z wykorzystaniem podsystemu LR (Local Route) systemu PFSS. 254

5 Hybrydowy system sterowania statkiem na morzu Wsp. W Punktu punktu Docelowego docelowgo stacja METEO Echo-s sonda Mapa Elektroniczna elektroniczna RADAR AIS LOG GPS Baza danych informacji nawigacyjnych P F S S Określenie globalnej trasy przejścia (GR) POZIOM I ARPA CZY KOLIZJA? NIE TAK Korekcja globalnej trasy przejścia.- Określenie lokalnej trasy przejścia (LR) POZIOM III Sterowanie po wyznaczonej trasie przejścia (TC) POZIOM II Regulator prędkości Maszyna Sterowa sterowa SILNIK GŁÓWNY Rys. 3. Struktura sterowania statkiem własnym w sytuacji kolizyjnej z zastosowaniem systemu PFSS 2.1. Podsystem planowania globalnej trasy przejścia statku własnego Podsystem GR systemu PFSS ma za zadanie wyznaczanie trasy przejścia dla statku własnego z uwzględnieniem informacji o zarysie lądów oraz prognoz meteorologicznych. Wyznaczanie trasy przejścia następuje na podstawie wyspecjalizowanego algorytmu ewolucyjnego, przedstawionego w pracy [4]. Mechanizm generowania początkowej populacji osobników algorytmu tras przejścia opiera się na losowej generacji pewnej ilości punktów zwrotu (genów), które tworzą daną trasę (osobnika populacji) pomiędzy punktem początkowym a końcowym. Punkty zwrotu generowane są na płaszczyźnie stanowiącej odwzorowanie rzeczywistego rejonu żeglugi statku własnego. Każda z tras przejścia oceniana jest za pomocą wartości funkcji przystosowania do danego środowiska nawigacyjnego. Naruszenie któregokolwiek z ograniczeń statycznych lub dynamicznych przez trasę przejścia, powoduje odpowiednie zmniejszenie wartości funkcji przystosowania do środowiska nawigacyjnego. Populacja osobników tras przejścia poddawana jest modyfikacjom za pomocą specjalizowanych operatorów genetycznych. Do operatorów tych zaliczamy: krzyżowanie, mutacje, usuwanie genu, dodawanie genu, wygładzanie [6]. W wyniku prowadzenia operacji genetycznych określana jest trasa przejścia posiadająca najwyższą wartość funkcji przystosowania do określonego środowiska. Najlepsza trasa przejścia (najlepszy osobnik), uzyskana w rozwiązaniu końcowym, nazywana jest globalną trasą przejścia statku własnego. 255

6 A. Łebkowski, R. Śmierzchalski, M. Tobiasz, K. Dziedzicki, M. Tomera 2.2. Regulator trajektorii Na podstawie wyznaczonej globalnej trasy przejścia przez podsystem GR oraz uwzględniając dynamikę statku własnego i aktualnie występujące zakłócenia pogodowe działające na kadłub statku, takie jak wiatr, prąd morski, falowanie, wyznacza się sterowanie dla trajektorii rzeczywistej statku własnego. Proces ten jest nadzorowany przez drugi poziom sterowania systemu PFSS. Sterowanie po wyznaczonej globalnej trasie przejścia dokonywane jest z zastosowaniem rozmytego regulatora trajektorii. Do sterowania po wyznaczonej trasie przejścia wykorzystano idee statku wirtualnego, poruszającego się po wyznaczonej trasie przez podsystem GR. Zasadę pracy regulatora trajektorii oparto na procesie minimalizacji uchybu poprzecznego E Y oraz wzdłużnego E X odchylenia położenia statku od zadanej trasy przejścia, z zachowaniem ustalonego czasu osiągnięcia kolejnego punktu zwrotu (rys. 4). Regulator trajektorii z wirtualnym statkiem jako obiektem odniesienia umożliwia sterowanie statkiem własnym po odcinkach pomiędzy kolejnymi punktami zwrotu P Zi (x i, y i, t i). W otoczeniu punktów zwrotu statek wirtualny, za którym podąża statek własny, porusza się po wyznaczonych odcinkach okręgów. Promienie okręgów dobierane są przez odrębne procedury regulatora trajektorii z uwzględnieniem właściwości manewrowych statku własnego. Opracowany regulator trajektorii zbudowany jest z dwóch rozłącznych regulatorów rozmytych typu Mamdamiego, regulatora kursu i regulatora prędkości [5]. Podczas pracy regulatorów w czasie rzeczywistym kontrolowane i korygowane jest odchylenie od wyznaczonego kursu oraz prędkość przemieszczania statku własnego po zadanej globalnej trasie przejścia statku własnego. Bazy wiedzy wymienionych regulatorów rozmytych kursu i prędkości, opierają się na wiedzy eksperta. y statek wirtualny P x, y, t Zi i i i E X R E Y statek własny x Rys. 4. Zasada działania regulatora trajektorii z wirtualnym statkiem jako obiektem odniesienia, gdzie: PZi (xi, yi, ti) i-ty punkt zwrotu 256

7 Hybrydowy system sterowania statkiem na morzu 2.3. Podsystem planowania lokalnej trasy przejścia statku własnego LR Trzeci poziom sterowania statkiem własnym aktywowany jest w przypadku zagrożenia kolizyjnego sygnalizowanego przez urządzenie ARPA. Poziom ten nazwano podsystemem LR (Local Route) systemu PFSS. Na podstawie informacji z systemu radarowego, ARPA określa parametry ruchu innych obiektów znajdujących się w otoczeniu statku własnego. Informacje te są dodatkowo porównywane z danymi otrzymywanymi drogą radiową z systemu AIS. Przez otoczenie statku własnego przyjmuje się obszar wokół statku będący w zasięgu obserwacji systemu radarowego. W praktyce zasięg obserwacji tego obszaru podyktowany jest możliwościami technicznymi radarów i może sięgać do 120 mil morskich. W sytuacji, gdy dojdzie do naruszenia ustalonego przez nawigatora obszaru bezpiecznego wokół statku własnego przez inny statek lub przecięcia trajektorii statku własnego z trajektorią obiektu ruchomego, urządzenie ARPA wygeneruje alarm. Alarm generowany jest również w przypadku, gdy naruszony zostanie obszar bezpieczny zdefiniowany dla lądów i mielizn. Pojawienie się alarmu jest sygnałem o zaistnieniu sytuacji nawigacyjnej zagrażającej kolizją. Wraz z wygenerowaniem alarmu przez ARPA inicjowana jest procedura algorytmu ewolucyjnego, który dokonuje korekty wyznaczonej na poziomie pierwszym globalnej trasy przejścia statku własnego. Algorytm ewolucyjny koryguje położenie istniejących lub wprowadza nowe punkty zwrotu. Modyfikacja globalnej trasy przejścia statku własnego dokonywana jest na odcinkach pomiędzy aktualnym położeniem statku wirtualnego, w którym zasygnalizowany został alarm przez urządzenie ARPA, a punktem przecięcia zadanej trasy przejścia z przyjętym horyzontem obserwacji przez nawigatora. Powstała w ten sposób skorygowana trasa przejścia nazywana jest lokalną trasą przejścia statku własnego, która zawiera sekwencję odcinków o ustalonym kursie oraz prędkości. 3. Symulator środowiska nawigacyjnego Opracowany symulator środowiska morskiego pozwala na modelowanie różnorodnych sytuacji nawigacyjnych. Modelowane w symulatorze obiekty dynamiczne to poruszające się jednostki pływające, obszary złych warunków pogodowych a także cyklony. Cyklony opisane są jako obszary o zadanym promieniu poruszające się z zadaną prędkością w określonym kierunku. Przyjęto, że w centrum cyklonu panują najgorsze warunki pogodowe, poprawiające się stopniowo w miarę oddalania od centrum. Trajektorie spotkanych jednostek (innych statków) składają się z sekwencji odcinków o ustalonym kursie oraz prędkości i nie podlegają żadnym modyfikacjom. Własności dynamiczne spotkanych jednostek nie są określone ani modelowane, uwzględniono ich kinematykę. Model zakłóceń hydrometeorologicznych obejmuje siły pochodzące od prądów morskich i wiatrów. Dane dotyczące warunków atmosferycznych generowane są w symulatorze i uwzględniane podczas rozwiązywania równań mode- 257

8 A. Łebkowski, R. Śmierzchalski, M. Tobiasz, K. Dziedzicki, M. Tomera lu matematycznego statku. Wartości poszczególnych parametrów tworzone są w sposób losowy z zachowaniem płynności zmian. Zamodelowano również inne statyczne elementy środowiska morskiego w postaci boi nawigacyjnych, latarni morskich i sieci rybackich. Symulator uwzględnia zjawisko płytkowodzia, modelowane za pomocą wielokątów, dla których przypisana jest określona głębokość. W założeniach projektu przyjęto, że symulator będzie pozwalał na przemieszczanie się obiektów w środowisku morskim, którego integralną częścią jest linia brzegowa ograniczająca obszar ruchu statków. Ukształtowanie lądu generowane jest losowo z zachowaniem zadanego obrysu linii brzegowej. Parametry ruchu obiektów dynamicznych i położenie obiektów statycznych oraz zarysy lądów i obszarów płytkowodzia inicjalizowane są jednorazowo podczas uruchomienia programu. W celu sprawnego edytowania i tworzenia różnego typu sytuacji nawigacyjnych opracowany został program SEE, którego ekran z przykładową sytuacją nawigacyjną pokazano na rys. 5. Rys. 5. Widok okna programu SEE modelującego sytuacje nawigacyjne Podczas pracy programu następuje cykliczna wymiana informacji pomiędzy modelem matematycznym statku a środowiskiem graficznym. Zmiany położenia, kursu i prędkości statku znajdują odbicie w wyświetlanej grafice. Operator symulatora ma możliwość kontroli nad statkiem poprzez zmianę jego parametrów odpowiadających za ruch w modelowanym środowisku. Istnieje również możliwość obserwacji otoczenia statku. Widok okna nawigacyjnego symulatora przedstawiono na rys. 6. Do celów modelowania sytuacji nawigacyjnych zaimplementowano dwadzieścia trójwymiarowych sylwetek różnego typu statków (tankowce, masowce, 258

9 Hybrydowy system sterowania statkiem na morzu promy pasażerskie, żaglowce, jachty) istotnych z punktu widzenia przepisów MPDM. Użytkownik symulatora może obserwować zmiany sytuacji pogodowej oraz stanu morza prezentowanych w technice 3D. Długość i wysokość fal zmienia się według skali Pedersena, natomiast bieżące warunki atmosferyczne określane są w skali Beauforta, dla której opracowano zakres widoczności. Rys. 6. Widok zamodelowanej sytuacji nawigacyjnej z okna nawigacyjnego symulatora PFSS Elementy statyczne tworzące sytuację nawigacyjną modelowane w symulatorze przedstawiono na rys. 7. Podczas obserwacji sytuacji nawigacyjnej na ekranie radarowym (rys. 8), operator ma możliwość podglądu parametrów opisujących własny statek, jak również parametry spotkanych obiektów. W łatwy sposób może zmieniać parametry, których przekroczenie przez ograniczenia nawigacyjne o charakterze statycznym lub dynamicznym, będzie sygnalizowane przez system ARPA. W przypadku inicjacji alarmu kolizyjnego przez urządzenie ARPA, w trybie pracy automatycznej systemu, aktywowany jest trzeci poziom sterowania systemu PFSS. Zadziałanie podsystemu LR sygnalizowane jest dla operatora podświetleniem okienka z napisem PFSS_LR WORKING w oknie nawigacyjnym. Rezultaty działania podsystemu LR możemy zaobserwować po zmianie kształtu linii przedstawiającej zadaną trasę przejścia statku (rys. 8). 259

10 A. Łebkowski, R. Śmierzchalski, M. Tobiasz, K. Dziedzicki, M. Tomera Rys. 7. Elementy statyczne środowiska symulatora Podsumowanie Rys. 8. Wyznaczenie manewru antykolizyjnego przez podsystem LR Opisany hybrydowy system PFSS bezpiecznego sterowania statkiem na morzu, wykorzystujący do wyznaczenia optymalnej trasy przejścia statku własnego techniki komputerowe: algorytmy ewolucyjne i sterowanie rozmyte, sta- 260

11 Hybrydowy system sterowania statkiem na morzu nowi nowe podejście do problemu unikania kolizji na morzu w środowisku z ograniczeniami nawigacyjnymi o charakterze statycznym i dynamicznym. W opracowanym symulatorze modelowane są podstawowe dynamiczne parametry środowiska morskiego. Uwzględniono zjawiska związane ze złą widocznością, efekt płytkowodzia oraz inne obiekty nawigacyjne o charakterze statycznym (lądy, tory wodne, boje nawigacyjne, obszary ograniczonego ruchu, łowiska, latarnie morskie) a także dynamicznym (inne poruszające się jednostki pływające, góry lodowe oraz obszary niekorzystnych warunków pogodowych). Wykorzystany model matematyczny statku odwzorowuje własności dynamiczne jednostki pływającej typu B-481. Przedstawiony symulator pozwala na modelowanie różnych sytuacji nawigacyjnych, umożliwiając tym samym weryfikację ilościową proponowanego systemu sterowania statkiem. Przedstawiony symulator wraz z systemem PFSS może stanowić kompleksowe narzędzie do nauki nawigacji morskiej, a sam system PFSS może być wykorzystany jako system wspomagania decyzji przez nawigatora na morzu. Praca finansowana przez Komitet Badań Naukowych w ramach grantu 3-T11A Literatura 1. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Evolutionary fuzzy hybrid system of steering the moveable object in dynamic environment. IFAC MCMC, Girona Łebkowski A., Śmierzchalski R., Hybrid System of Safe Ship Steering in a Collision Situation at Sea. KAEiOG, Łagów Łebkowski A., Śmierzchalski R., System of safe ship steering in a collision situation at sea. IEEE MMAR, Międzyzdroje Łebkowski A., Śmierzchalski R., Tomera M., Modelowanie domen oraz obszarów pogodowych w procesie wyznaczania trasy przejścia statku. XV KKA, Warszawa Morawski L., Tomera M., Using the back propagation method to tuning parameters of ship course fuzzy controller. V KAEiOG, Jastrzębia Góra Śmierzchalski R., Michalewicz Z., Modelling of a Ship Trajectory in Collision Situations at Sea by Evolutionary Algorithm. Journal of IEEE Transaction on Evolutionary Computation 2000 No. 3, vol. 4, pp Recenzenci dr hab. inż. Tadeusz Szelangiewicz, prof. PS prof. dr hab. inż. kpt. ż.w. Stanisław Gucma 261

12 A. Łebkowski, R. Śmierzchalski, M. Tobiasz, K. Dziedzicki, M. Tomera Adres Autorów mgr inż. Andrzej Łebkowski dr hab. inż. Roman Śmierzchalski, prof. AM w Gdyni mgr inż. Marcin Tobiasz mgr inż. Krzysztof Dziedzicki dr inż. Mirosław Tomera Akademia Morska w Gdyni Katedra Automatyki Okrętowej ul. Morska Gdynia 262