STRUKTURA MODELU MATEMATYCZNEGO SYMULATORA NAWIGACYJNO MANEWROWEGO

Transkrypt

1 Krzysztof Czaplewski 1, Piotr Zwolan 2 STRUKTURA MODELU MATEMATYCZNEGO SYMULATORA NAWIGACYJNO MANEWROWEGO Wstęp Współczesne oprogramowanie symulacyjne w oparciu, o które działają symulatory nawigacyjno manewrowe bazuje na zaawansowanym modelu matematycznym opisującym szereg zjawisk fizycznych zachodzących podczas procesu żeglugi. Ciągły i dynamiczny rozwój technologiczny transportu morskiego oraz zwiększające się moce obliczeniowe nowoczesnych systemów komputerowych powodują poszerzenie możliwości funkcjonalnych symulatorów morskich. Najnowocześniejsze programy symulacyjne oferują możliwość manewrowania jednostką pływającą z uwzględnieniem wpływu różnorodnych warunków hydrometeorologicznych oraz dowolnego ich kreowania w czasie rzeczywistym. Modele symulacyjne jednostek pływających uwzględniają zarówno wpływ środowiska na ich zachowanie jak i interakcję pomiędzy innymi jednostkami oraz budowlami hydrotechnicznymi i dnem. Nowoczesne symulatory poprzez swoje rozbudowane możliwości są częstym narzędziem badawczym wykorzystywanym w projektach z dziedziny infrastruktury i bezpieczeństwa nawigacji. Jednak symulatory nawigacyjno manewrowe to nie tylko urządzenie symulacyjne, ale również szereg dodatkowych komponentów. Przykładem może być moduł służący do tworzenie i edycji modeli symulacyjnych jednostek pływających. Umiejętność edycji i tworzenia wirtualnych modeli pływających zwiększa możliwość wykorzystania symulatora w procesie badawczym. W artykule przedstawiono ogólną strukturę modelu matematycznego symulatora Navi Trainer Professional 5000 stworzonego przez firmę Transas Marine oraz charakterystykę aplikacji do tworzenia i edycji modeli symulacyjnych jednostek pływających. Symulator znajduje się na wyposażeniu Instytutu Nawigacji i Hydrografii Morskiej Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni. Laboratorium bazujące na tym oprogramo- waniu powstało 2001 roku i zostało zmodernizowane w 2014 roku. Struktura modelu matematycznego symulatora. Dokonując analizy modelu matematycznego opisującego pracę symulatora można podzielić go na dwa zasadnicze elementy. Pierwszym z nich jest model hydro meteorologiczny wraz z ukształtowaniem terenu, natomiast drugim jest model jednostki pływającej. Opisując model ruchu wirtualnej jednostki pływającą w środowisku symulatora należy go rozumieć jako kontrolowany system. Poniżej przedstawiono podział struktury modelu wraz z rozkładem sił działających na jednostkę. Rys. 1. Siły związane z modelem hydrometeorologicznym. 1 dr hab. inż. Krzysztof Czaplewski, prof. AMG, Akademia Morska w Gdyni 2 mgr inż. Piotr Zwolan, Akademia Marynarki Wojennej Logistyka 6/

2 Rys. 2. Struktura modelu statku. Z analizy powyższych grafik widać, że aby opisać model ruchu jednostki w danym momencie należy określić wpływ sił działających na kadłub jednostki. Obejmują one zarówno elementy zawiązane z systemem sterowania jednostką pływającą jak np.: wychylenie płetwy sterowej, nastawy telegrafu maszynowego jak i wpływ środowiska zewnętrznego na zachowanie się jednostki [1]. Ruch statków może być opisany z uwzględnieniem lub bez uwzględnienia sił zewnętrznych. Siły zewnętrzne wynikają z wpływu: wiatru, prądu, fal, geometrii kanału (wpływ głębokości wody, ukształtowanie dna, nachylenie i kształt ścian kanału, itp.), obecności innych obiektów (ruchomych lub nieruchomych). Opis ruchu statku na spokojnej i głębokiej wodzie jest podstawą opracowania jego modelu matematycznego. Strukturę sił działających na statek pokazano na poniższym rysunku. Rys. 3. Struktura sił działających na kadłub jednostki. Siły bezwładności, hydrodynamiczna i siła hydrostatyczna to siły określające ruchu statku na spokojnej i głębokiej wodzie. Stąd siły te nazywane są jako "podstawowe". Siły zewnętrzne są traktowane, jako dodatkowe wartości sił i momentów. Są one podzielone na dwie grupy: siły aerodynamiczne spowodowane wpływem wiatru oraz hydrodynamiczne powstające pod wpływem działania prądu i fal morskich oraz powstające w wyniku interakcji z innymi obiektami, wpływem ścian i dna kanału, itd. siły mechaniczne powstające w wyniku z kolizji z dnem, nabrzeżem, innymi statkami oraz pracą urządzeń kotwicznych itp. Rys. 4. Siły działające na kadłub. Źródło: Tekst opracowanie referatu należy własne napisać w edytorze MS Model matematyczny opisujący ruchu statku w 6 stopniach swobody oparty jest na skomplikowanych nieliniowych równaniach różniczkowych. Rozwiązanie tych równań prowadzi do określenia parametrów ruchu jednostki, czyli określenia współrzędnych środka ciężkości statku (Xg, Yg, Zg) oraz kątów nachylenia (przechyły na lewą i prawą burtę θ, przegłębienie na dziobie i rufie ψ oraz kąt ustawienia dziobu względem północy ϕ). W modelu matematycznym stosowane są dwa układy współrzędnych. Pierwszy to układ stały względem środka ziemi. Drugi natomiast odnosi się do środka ciężkości poruszającego się statku [2]. X0 Y0 Z0 Układ współrzędnych ze stałym środkiem O0 przypisanym do środka ziemi: X0 oś skierowana w kierunku północnym i leżąca w płaszczyźnie równoległej do powierzchni wody, Y0 oś skierowana ku wschodowi i leżąca w płaszczyźnie równoległej do powierzchni wody, Z0 oś skierowana w dół pod kątem prostym do powierzchni wody. X Y Z Układ współrzędnych ze środkiem O przypisanym do środka ciężkości statku (CG): 522 Logistyka 6/2014

3 X oś skierowana od rufy do dziobu i leżąca wzdłuż płaszczyzny bocznej oraz równoległa do wodnicy statku (oś wzdłużna), Y oś skierowana na prawą burtę i prostopadła do płaszczyzny bocznej oraz równoległa do wodnicy statku (oś poprzeczna), Z oś skierowana od góry do dołu i skierowana prostopadle do przekroju wodnicy statku (oś normalna). X1 Y1 Z1 Układ współrzędnych lokalnych ze środkiem w punkcie O przypisanym do środka ciężkości statku (CG) i uzyskany z różnicy położenia statku względem środka ziemi: X1 oś skierowana w kierunku północnym i leżąca w płaszczyźnie równoległej do powierzchni wody, Y1 oś skierowana na wschód i leżąca w płaszczyźnie równoległej do powierzchni wody, Z1 oś skierowana w dół pod kątem prostym do powierzchni wody. Rys. 5. Układ współrzędnych w rzucie poziomym. Źródło: Transas Marine, Ship motion model description, March 2011 Rys. 6. Układ współrzędnych w rzucie izometrycznym. Źródło: Transas Marine, Ship motion model description, March 2011 Tworzenia modeli matematycznych jednostek pływających. Użytkownik oprogramowania symulacyjnego nie ma wpływu na model środowiska morskiego zaimplementowany do środowiska symulatora. Jednak elementem edytowalnym jest model jednostki pływającej. Tworzenie od podstaw modeli symulacyjnych statków to bardzo złożony i czasochłonny proces. Wymaga on posiadania dużej wiedzy z zakresu konstrukcji oraz zachowań jednostek pływających. Jednak sama umiejętność tworzenia modeli to tylko jeden z elementów. Aby stworzyć możliwie jak najbardziej wiarygodny w swoim zachowaniu statek należ posiadać wiele parametrów aerodynamicznych i hydrodynamicznych projektowanej jednostki. Dane te uzyskuje się podczas badań na basenach doświadczalnych lub badań w warunkach rzeczywistych. Aplikacja Virtual Shipyard wchodząca w skład oprogramowania symulatora umożliwia zarówno tworzenie jak i edycję modeli symulacyjnych znajdujących się w bazie danych symulatora [3]. Zwłaszcza funkcja edycji jest bardzo przydatna dla użytkowników. Modyfikacja statków może się odbywać poprzez zmianę wartości określonych parametrów i dostosowanie jego zachowań do potrzeb użytkownika. Jednak aby dokonać tej czynności niezbędna jest wiedza z zakresu struktury modelu matematycznego i znaczenia poszczególnych współczynników mających wpływ na zachowanie się jednostki. Możliwość edycji określonych parametrów zwiększa zakres wykorzystania symulatora w procesie badawczym. Proces generowania wirtualnego modelu statku można podzielić na pięć głównych etapów: Tworzenie wizualizacji jednostki Do stworzenia trójwymiarowego modelu jednostki pływającej niezbędne jest wykorzystanie zewnętrzne oprogramowania graficznego. Programem tym jest AutoCad lub 3D Studio. Jest on traktowany jako nakładka głównej aplikacji i umożliwia przesyłanie gotowego projektu przypisując go do tworzonego modelu statku. Proces ten poza efektem wizualnym nie ma wpływu na model matematyczny jednostki, a jedynie na efekt wizualny. Poniżej zaprezentowano trójwymiarowy model kontenerowca w oprogramowaniu edycyjnym oraz po implementacji do symulatora. Logistyka 6/

4 Logistyka - nauka Rys. 7. Wizualizacja 3D tworzonego statku. Podstawowe wyposażenie modelu. Po zaimportowaniu wizualizacji modelu następuje proces wyposażania modelu. Ten etap również nie ma wpływu na model ruchu jednostki, a jedynie na elementy związane z wyposażeniem wymaganym przez konwencję SOLAS oraz niezbędną konfiguracje świateł i znaków dziennych dedykowanych dla określonego typu statku. Istnieje również przypisanie punktów cumowniczych oraz kotwicznych. Rys. 9. Tworzenie modelu ruchu statku. Przeprowadzenie prób manewrowych. Po zakończeniu procesu tworzenia modelu jednostki istnieje możliwość wykorzystania zakładki służącej do wykonania prób manewrowych. Użytkownik ma możliwość zasymulowania dowolnej sytuacji nawigacyjnej. Istnieje możliwość wygenerowania określonych warunków hydrometeorologicznych służących do oceny zachowania się stworzonego modelu przed procesem jego implementacji do środowiska symulatora. Z przeprowadzonych prób można wygenerować raport w celu weryfikacji poprawności wprowadzonych zmian. Rys. 8. Wyposażenie statku. Tworzenie modelu ruchu jednostki. Jest to najbardziej skomplikowany etap w procesie tworzenia modelu symulacyjnego jednostki pływającej. Może się on odbywać poprzez tworzenie nowego lub zmianę określonych parametrów w istniejącym modelu. Bazą do edycji modeli mogą być wyniki badań rzeczywistych przeprowadzanych w zróżnicowanych warunkach pogodowych. Aplikacja w zależności od wersji i daty powstania modeli może różnić się konstrukcją jednak pomimo tego możemy wyróżnić tu 11 głównych bloków funkcyjnych: Główne parametry konstrukcyjne jednostki Kadłub Silniki Konfiguracja telegrafu maszynowego Śruby Urządzenia sterowe Stery strumieniowe Windy kotwiczne Autopilot parametry hydrodynamiczne parametry aerodynamiczne Poniżej zaprezentowano okno dialogowe aplikacji 524 Logistyka 6/2014 Rys. 10. Próby manewrowe. Wygenerowanie dokumentacji manewrowej. Końcowym etapem tworzenia wirtualne modelu jednostki pływającej jest wygenerowanie dokumentacji manewrowej. Jest ona zgodna wymogami międzynarodowej konwencji morskiej (Res. A.601) i posiada wszystkie wymagane informacje manewrowe [4]. Może ona być pod postacią: Karty pilota Afiszu na mostek Całościowej dokumentacji manewrowej statku. Dokumenty te mogą przyjąć postać standardowego pliku txt. lub pdf. Wnioski Współczesne symulatory umożliwiają wykreowanie niemal każdej sytuacji nawigacyjnej poprzez

5 zaawansowane modele matematyczne opisujące ruch statku w określonych warunkach. Dodatkowe komponenty odpowiedzialne za edycję modeli symulacyjnych jednostek pływających dają możliwość korekty istniejących w bazie danych statków bądź tworzenie nowych. Tak szerokie możliwości wykorzystania oprogramowania symulacyjnego powodują, że jest to doskonałe narzędzie przeznaczone nie tylko do nauki i szkolenia lecz również jako narzędzie badawcze. Możliwość rejestracji wszystkich parametrów manewrowych jednostki oraz sił na nią działających sprawia, że można dokonywać szczegółowych analiz zachowania się jednostek pływających w funkcji zmiennych warunków hydro-meteorologicznych. 2. Transas Marine, Navi-Trainer Pro 5000 Ship Mathematical Model, Sankt Petersburg, Transas Marine, Model Wizard, Sankt Petersburg, IMO Resolution A.601(15), 1987 Streszczenie Oprogramowanie w oparciu, o które działają symulatory nawigacyjno manewrowe bazuje na zaawansowanym modelu matematycznym. Umożliwia on symulację wpływu wielu sił odziaływujących na kadłub jednostki. Są one związane zarówno z środowiskiem morskim, infrastrukturą portową, jak i odziaływaniem innych obiektów pływających. Efektem działania tych sił jest ruch jednostki w 6 stopniach swobody. W artykule zaprezentowano strukturę modelu matematycznego oprogramowania symulacyjnego oraz możliwości operatorów w zakresie jego edycji. Jest ono podstawą działania symulatora będącego się na wyposażeniu Instytutu Nawigacji i Hydrografii Morskiej w Akademii Marynarki Wojennej. Abstract Modern navigational and maneuvering simulators based on advanced mathematical model. It allows the simulation of multiple forces acting on the ship s hull. They are associated with both the marine environment, port infrastructure, and impacts with other floating objects. The effect of these forces is the vessel motion six degrees of freedom. The paper presents the mathematical model structure of the simulation software and the ability of operators to edit it. This software is the basis of action simulator being equipped Institute of Navigation and Hydrography Polish Naval Academy. Literatura 1. Transas Marine, Navi-Trainer Pro 5000 Ship Motion Model, Sankt Petersburg, Logistyka 6/