Transmisja danych nawigacyjnych w układzie komputerowego wspomagania decyzji manewrowej nawigatora w sytuacji kolizyjnej

Transkrypt

1 Józef LISOWSKI Agnieszka PACHCIAREK Akademia Morska w Gdyni jlis@am.gdynia.pl Transmisja danych nawigacyjnych w układzie komputerowego wspomagania decyzji manewrowej nawigatora w sytuacji kolizyjnej Streszczenie W artykule zaprezentowano realizację na statku badawczo-szkoleniowym m/s HORYZONT II układu komputerowego wspomagania nawigatora przy podejmowaniu decyzji w sytuacjach mijania się z większą ilością spotkanych obiektów. Przedstawiono transmisję szeregową danych nawigacyjnych z systemu radarowego ARPA do układu wyznaczania bezpiecznej trajektorii własnego statku. Aplikację zarządzającą zarówno transmisją danych, jak i wyznaczaniem bezpiecznego sterowania, zrealizowano w oprogramowaniu Matlab. Słowa kluczowe: systemy radarowe, bezpieczna nawigacja, sterowanie statkiem, gry dynamiczne, metody optymalizacji, sztuczna inteligencja, symulacja komputerowa. Rozwój technologii umożliwia budowę coraz szybszych statków o coraz większym stopniu zautomatyzowania. Efektem tego jest rozwój transportu morskiego, a więc powiększanie się floty światowej. Zwiększony ruch morski wymusza z kolei zaostrzenie wymagań dotyczących bezpieczeństwa żeglugi. Aby zapewnić jak najwyższy stopień bezpieczeństwa żeglugi, Międzynarodowa Organizacja Morska IMO (International Maritime Organization) wprowadziła wymóg instalowania urządzenia do automatycznego prowadzenia nakresów radarowych ARPA (Automatic Radar Plotting Aid). Głównym zadaniem systemu antykolizyjnego ARPA jest wspomaganie decyzji manewrowej nawigatora, szczególnie w sytuacjach zagęszczonego ruchu statków na wodach ograniczonych. System umożliwia automatyczne inicjowanie śledzenia wykrytych ech oraz dalsze ich śledzenie. Generuje także alarmy w sytuacjach niebezpiecznych. Komputer wchodzący w skład systemu ARPA oblicza czas do punktu największego zbliżenia TCPA (Time to Closest Point of Approach) oraz odległość największego zbliżenia dla każdego ze śledzonych obiektów DCPA (Distance of Closest Point of Approach), a następnie porównuje otrzymane wartości z nastawionymi wartościami granicznymi odległości i czasu zbliżenia. Jeśli otrzymane wartości przekraczają nastawione wartości graniczne, zostaje wówczas aktywowany alarm DANGEROUS TARGET. Możliwe jest również przeprowadzenie przy użyciu systemu ARPA symulacji manewru TRIAL MANOEUVRE. Proces ten polega na sprawdzeniu w przyspieszonej skali czasu skutków planowanego manewru antykolizyjnego. Zatem system ARPA stanowi źródło pomocy w pracy nawigatora i dzięki temu podnosi stopień bezpieczeństwa żeglugi. Jednak istnieje konieczność uzupełniania systemu w odpowiednie metody wspomagania decyzji manewrowej nawigatora w złożonej sytuacji nawigacyjnej i w krótkim czasie, eliminujące subiektywność człowieka i uwzględniające nieokreśloność sytuacji oraz własności rozgrywające procesu sterowania [1,4,5].

2 SYSTEM ARPA JAKO ŹRÓDŁO INFORMACJI DO OBLICZEŃ ANTYKOLIZYJNYCH Zadaniem układu wspomagania decyzji nawigatora jest przedstawienie propozycji manewru, wyznaczonej w wyniku przeprowadzonych obliczeń antykolizyjnych. Obliczenia te realizowane są poprzez określony algorytm wyznaczania bezpiecznej trajektorii statku, na podstawie danych wejściowych, opisujących aktualną sytuację nawigacyjną. Parametrami potrzebnymi do wykonania tych obliczeń są parametry statku własnego, takie jak kurs rzeczywisty statku oraz prędkość rzeczywista statku, a także dane dotyczące spotkanych obiektów, takie jak odległość j-tego obiektu od statku własnego, kurs j-tego obiektu, namiar na j-ty obiekt oraz prędkość rzeczywista j-tego obiektu. Informacje te mogą być pobierane z systemu ARPA połączonego z radarem (rys. 1). ANTENA LOG ŻYROKOMPAS RADAR BLOK NADAWCZO-ODBIORCZY RADARU ARPA EKSTRAKTOR WSKAŹNIK WSKAŹNIK SYSTEM KOMPUTEROWY PULPIT OPERATORSKI BLOK ZASILANIA Rys. 1. Schemat blokowy systemu ARPA połączonego z radarem Pobieranie danych nawigacyjnych realizowane jest przy wykorzystaniu asynchronicznej transmisji szeregowej, zgodnie ze standardem IEC Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (International Electrotechnical Commission), występującym w ścisłej zbieżności ze standardem NMEA Standard ten określa sposób komunikacji oraz format danych, jaki powinien być stosowany przy komunikacji pomiędzy morskim urządzeniem elektronicznym, takim jak na przykład radar, echosonda, anemometr, żyrokompas, autopilot a urządzeniem zewnętrznym [3,12]. UKŁAD KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA DECYZJI MANEWROWEJ NAWIGATORA W SYTUACJI KOLIZYJNEJ Działanie układu polega na wyznaczaniu, na podstawie danych określających aktualną sytuację nawigacyjną, bezpiecznej trajektorii statku własnego. Wynik obliczeń antykolizyjnych otrzymywany w efekcie działania układu ma służyć jako pomoc w podejmowaniu decyzji przez nawigatora. Nawigator może sprawdzić, czy manewr, który planuje wykonać, jest zbliżony do manewru proponowanego przez

3 zastosowany w układzie algorytm wyznaczania bezpiecznej trajektorii statku i na tej podstawie upewnić się, czy decyzja, jaką chce podjąć, jest prawidłowa [5,8]. Zatem układ ten ma służyć zapewnieniu jeszcze większego bezpieczeństwa żeglugi, a więc przede wszystkim bezpieczeństwa ludzi, a w drugiej kolejności towaru oraz samego statku (rys. 2). System radarowy z ARPA Zintegrowana aplikacja zarządzająca komunikacją oraz wyznaczaniem bezpiecznej trajektorii statku WYNIK IEC 61162(NMEA) RAOSD, RATTM Rys. 2. Schemat układu komputerowego wspomagania nawigatora Idea działania układu polega na pobieraniu z systemu ARPA danych potrzebnych do obliczeń antykolizyjnych, następnie wprowadzanie tych danych do programu realizującego wybrany algorytm sterowania i w efekcie końcowym wyświetlanie wyników obliczeń w postaci zobrazowania wyznaczonej bezpiecznej trajektorii statku własnego wraz z wartością odchylenia od zadanego kursu [12] (rys. 3). Rys. 3. Schemat standardowych interfejsów systemu radarowego firmy Raytheon Anschutz Dane z ARPA są pobierane w formacie NMEA 0183 (IEC ). Do przesyłania tych danych stosowana jest transmisja szeregowa asynchroniczna według standardu RS 232 [2]. Prędkość transmisji wynosi 4800 bodów. Występuje osiem bitów danych oraz jeden bit stopu. Brak jest bitu parzystości. Przed rozpoczęciem komunikacji

4 należy, za pomocą aplikacji obsługującej transmisję, określić powyższe parametry, aby proces przesyłania danych przebiegał prawidłowo. Standard NMEA 0183 (IEC ), oprócz parametrów transmisji, określa także format ramki danych. Definiuje także zestaw możliwych do rejestrowania z różnych urządzeń zdań. Dane potrzebne do obliczeń antykolizyjnych, wykonywanych w zaprojektowanym układzie wspomagania decyzji nawigatora, występują w postaci zdań opisanych znacznikami OSD Own Ship Data (dane statku własnego) oraz TTM Tracked Target Message (informacja o śledzonym obiekcie). Przed tymi znacznikami w zdaniu występuje jeszcze identyfikator urządzenia, z którego dane są wysyłane [9,10,11]. W zaprojektowanym układzie dane są pobierane z systemu radarowego z ARPA, dlatego opisane są symbolem RA, co oznacza radar (rys. 4 i 5). $RAOSD,38.6,A,38.6,W,9.70,W,0.0,0.00,N*5F Jednostki prędkości: N=węzły Dryf statku (prędkość) Kierunek rzeczywisty dryfu statku, stopnie Odniesienie prędkości, względem wody Prędkość statku Odniesienie kursu, względem wody Kurs rzeczywisty statku, stopnie Stan kierunku statku, A=dane ważne Kierunek rzeczywisty statku, stopnie Identyfikator urządzenia, RA=radar Rys. 4. Format ramki danych z przykładowymi parametrami własnego statku $RATTM,07,6.14,298.0,T,12.4,115.15,T,3.97,20.84,N,,T,,,M*27 Typ akwizycji: ręczna Prędkość obiektu Namiar na obiekt Odległość obiektu od statku własnego Numer obiektu od 00 do 99 T = tracking = śledzenie N = knots = węzły TCPA, [min] CPA Kurs obiektu, stopnie Rys. 5. Format ramki danych zawierającej przykładowe informacje o śledzonym obiekcie W skład zaprojektowanego układu oprócz systemu radarowego z ARPA wchodzi komputer zewnętrzny ze specjalistycznym oprogramowaniem zarządzającym komunikacją oraz realizującym obliczenia antykolizyjne. Zintegrowana aplikacja

5 obsługująca komunikację oraz realizująca wyznaczanie bezpiecznej trajektorii statku własnego została utworzona w środowisku Matlab. APLIKACJA ZARZĄDZAJĄCA TRANSMISJĄ DANYCH NAWIGACYJNYCH I OBLICZENIEM BEZPIECZNEJ TRAJEKTORII Aplikacja zarządzająca komunikacją została zintegrowana z programem realizującym algorytm wyznaczania bezpiecznej trajektorii statku w taki sposób, że proces wyznaczania propozycji manewru antykolizyjnego na podstawie danych z systemu ARPA przebiega automatycznie. Użytkownik nie musi ręcznie wprowadzać zarejestrowanych danych do zrealizowanego w Matlabie programu wykonującego obliczenia antykolizyjne, odbywa się to automatycznie, co powoduje, że układ staje się użyteczny do zastosowania jako pomoc w podejmowaniu decyzji nawigatora. Do zarządzania komunikacją pomiędzy systemem ARPA a komputerem zewnętrznym przy pomocy pakietu Matlab, potrzebna jest biblioteka Instrument Control Toolbox. Biblioteka ta dostarcza graficzny interfejs użytkownika graphical user interface TMTool (Test and Measurement Tool), który ułatwia konfigurowanie portu komunikacyjnego oraz obsługę transmisji. Aby uruchomić aplikację należy ustawić w Matlabie odpowiedni katalog, w którym znajduje się odpowiedni program wyznaczania bezpiecznej trajektorii statku, a następnie w oknie poleceń wpisać na przykład grapoz. Analogicznie, aby uruchomić aplikację z zastosowaniem algorytmu gry macierzowej, należy wpisać gramac, a w celu rozpoczęcia działania programu wykorzystującego do wyznaczania bezpiecznej trajektorii statku algorytm programowania dynamicznego, trzeba użyć polecenia progdyn [6,7] (rys. 6).

6 Rys. 6. Schemat algorytmu obsługującego komunikację oraz pobieranie danych potrzebnych do obliczeń antykolizyjnych Pierwszym etapem działania aplikacji jest wprowadzanie parametrów symulacji, takich jak czas manewru, czas wyprzedzenia, odległość bezpieczna oraz odchylenie, przy jakim ma nastąpić zmniejszenie prędkości, oraz procent, o jaki prędkość ma zostać zmniejszona. Parametry te mogą zostać wprowadzone ręcznie lub mogą być ustawione ich wartości domyślne. Wartości domyślne tych parametrów ustawione w programie wynoszą czas manewru 3 minuty, czas wyprzedzenia 3 minuty, odległość bezpieczna 1 mila morska, odchylenie od zadanego kursu, przy jakim ma zostać zmniejszona prędkość 361 stopni, oraz wartość procentowa, o jaką prędkość ma zostać zmniejszona 30% (rys. 7).

7 Rys. 7. Okno wprowadzania parametrów symulacji w programie realizującym algorytm gry pozycyjnej W kolejnym kroku realizowana jest komunikacja z urządzeniem ARPA oraz pobieranie informacji potrzebnych do wykonania obliczeń antykolizyjnych. Przed przystąpieniem do transmisji sygnału określany jest identyfikator portu komunikacyjnego, który będzie używany. Następnie ustawiana jest wartość prędkości transmisji wynosząca 4800 bodów. Potem następuje otwarcie portu do transmisji i rozpoczyna się pobieranie odpowiednich, zdefiniowanych przy pomocy znaczników OSD oraz TTM ramek danych. Pobrane ramki są analizowane w celu wyodrębnienia z nich potrzebnych do obliczeń antykolizyjnych parametrów i zapisania tych wybranych parametrów w odpowiednim formacie. Gdy transmisja wszystkich potrzebnych danych zostanie zakończona, następuje zamknięcie portu komunikacyjnego oraz automatyczne przejście do programu realizującego obliczenia antykolizyjne. Ostatnim etapem działania aplikacji jest prezentowanie wyników obliczeń. Możemy wówczas zakończyć działanie aplikacji lub powtórzyć cały proces (rys. 8).

8 Rys. 8. Okno zobrazowania wyników obliczeń antykolizyjnych w programie realizującym algorytm gry pozycyjnej W rozszerzonej wersji przedstawiony układ komputerowego wspomagania decyzji manewrowej nawigatora w sytuacji kolizyjnej mógłby wyświetlać otrzymany wynik obliczeń w postaci wyznaczonej trajektorii na wskaźniku radarowym systemu antykolizyjnego ARPA lub na wskaźniku mapy elektronicznej ECDIS (Electronic Chart Display and Information System) wraz z proponowaną wartością zmiany kursu i prędkości własnego statku. Dalszym etapem rozwoju projektu mogłoby być dążenie do jeszcze większej automatyzacji procesu nawigacji, poprzez wysyłanie na podstawie otrzymanego wyniku obliczeń, po uprzednim zatwierdzeniu tej decyzji przez nawigatora, odpowiedniej komendy na ster. Takie działanie układu jest już o krok od realizacji całkowitego zautomatyzowania nawigacji. Przy założeniu całkowitej niezawodności prawidłowego działania układu oraz współpracy z układem służącym do kierowania statkiem po zadanej trasie możliwe byłoby przepłynięcie statku z punktu A do punktu B bez udziału nawigatora, gdyż system nawigacyjny posiadałby zdolność automatycznego rozwiązywania sytuacji kolizyjnych i bezpiecznego mijania spotkanych obiektów. LITERATURA [1] Bole A., Dineley B., Wall A.: Radar and ARPA manual, Elsevier, Amsterdam- Tokyo, [2] Daniluk A.: RS 232C - praktyczne programowanie. Od Pascala i C++ do Delphi i Buildera, Wydawnictwo Helion, [3] Documents for Operators and Engineers: Operating Instructions RADARPILOT 1100, Service Manual IEC-Interface, SAM Electronics, [4] Lisowski J.: Komputerowe wspomaganie nawigatora z wykorzystaniem informacji z systemu ARPA, Przegląd Telekomunikacyjny, nr 12, 2007, s [5] Lisowski J.: Computer support of navigator manoeuvring decision in congested waters, Polish Journal of Environmental Studies, Vol. 17, No. 5A, 2008.

9 [6] Lisowski J.: Game and optimal safe ship control, Chapter in monograph Recent Advances in Control and Automation, Exit, Warszawa, 2008, p [7] Lisowski J.: Sensitivity of safe game ship control, 16 th IEEE Mediterranean Conference on Control and Automation, Corsica, 2008, p [8] Pachciarek A.: Projekt układu wspomagania decyzji nawigatora z zastosowaniem algorytmów wyznaczania bezpiecznej trajektorii statku, Praca magisterska, Akademia Morska w Gdyni, [9] PN-EN : Urządzenia i systemy nawigacji i radiokomunikacji morskiej Interfejsy cyfrowe Część 1: Jeden mówiący i wielu słuchających. [10] PN-EN : Urządzenia i systemy nawigacji i radiokomunikacji morskiej Interfejsy cyfrowe Część 1: Jeden mówiący i wielu słuchających, transmisja szybka. [11] [12] The navigational data transmission in computer manoeuvring decision support of navigator in ship s collision situation Summary In the paper is presented the application on board research-training ship m/s HORYZONT II of computer navigator decision in collision situations of the passage with the greater quantity of met objects. The serial transmission of navigational data from radar ARPA system to the determining safe trajectory of own ship is introduced. The application the managing both with the data transmission, how and with calculating of the safe steering is realized in the Matlab software. Key words: radar systems, safe navigation, ship control, dynamic games, optimisation methods, computational intelligence, computer simulation.