ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Kształt i rozmiary stref bezpieczeństwa statku. Shape and Dimension of Ship s Safety Zones

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA E X P L O - S H I P Janusz Uriasz Kształt i rozmiary stref bezpieczeństwa statku Słowa kluczowe: bezpieczeństwo nawigacji, strefa bezpieczeństwa statku, domena statku, pas ruchu, strefa zabroniona Bezpieczne prowadzenie statku wymaga ciągłej identyfikacji i oceny sytuacji nawigacyjnej Ocena bezpieczeństwa statku własnego sprowadzana jest często do ustalenia i obserwacji stref wokół statku Pojawienie się obiektów obcych w tych strefach powoduje powstanie zagrożenia bezpieczeństwa nawigacji i wymaga jego oszacowania oraz podjęcia odpowiednich przeciwdziałań Innym podejściem jest sytuacja, w której zachowanie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa nawigacji wymaga nawigowanie w ramach ustalonej strefy (np strefa rozgraniczenia ruchu) W artykule przedstawiono różne rodzaje stref bezpieczeństwa statku oraz ich przeznaczenie Shape and Dimension of Ship s Safety Zones Key words: safety of navigation, ship s safety zone, ship domain, traffic lane, forbidden zone Ship s safety requires continuous identification and assessment of the navigational situation The assessment of own ship s safety is often reduced to watching the established zones around the ship The safety level is decreased when another object disturbs the established zones, which requires evaluating the risk and making adequate countermeasures The situation when we have to maintain an adequate level of safety leads to another approach, ie it requires navigating the ship within an established zone (traffic separation scheme) In the paper different kinds of ship s zones and their purpose are presented 343

2 Janusz Uriasz Wstęp Zadaniem nawigacji morskiej jest bezpieczne prowadzenie statku Zadanie to wymaga ciągłej identyfikacji i oceny sytuacji nawigacyjnej Ocena dokonywana jest na podstawie zdefiniowanych kryteriów Kryteria te warunkują przynależność danej sytuacji nawigacyjnej do wzorca sytuacji bezpiecznej lub niebezpiecznej Często miarą bezpieczeństwa nawigacyjnego jest odległość statku do niebezpieczeństwa nawigacyjnego Tym niebezpieczeństwem może być inny statek lub przeszkoda nawigacyjna (mielizna, wrak, przęsła mostu itd) Odległości minimalne (dopuszczalne) dla wszystkich kątów kursowych statku określą strefę bezpieczeństwa wokół niego, którą nawigator będzie chciał utrzymywać wolną od innych obiektów Podobną strefę można utworzyć wokół dowolnego obiektu (uznanego za niebezpieczny dla żeglugi) Nawigator będzie starał się nie dopuścić do wejścia statku własnego w taką strefę Ostatecznie definiowane są strefy bezpiecznej nawigacji Utrzymanie manewrującego statku w obrębie takiej strefy zapewni bezpieczną bezawaryjną nawigację W artykule przedstawiono przykłady i funkcje stref bezpieczeństwa statku 1 Domena statku Domena statku jest pewnym obszarem wokół statku, który nawigator chce utrzymać wolnym od innych obiektów (rys 1) Jej kształt i wielkość uzależnione są od wielu czynników Biorąc pod uwagę aspekt antykolizyjny i przepisy MPDM rozpatrujemy domenę dwuwymiarową Najczęściej wykorzystywanym w praktyce nawigacyjnej kształtem domeny jest koło Dotyczy to zwłaszcza systemów antykolizyjnych (ARPA), gdzie jej promień równy jest CPA o środku utożsamianym z pozycją statku Innymi kształtami występującymi mogą być prostokąt, elipsa, wielokąt i inne figury płaskie Domenę mogą stanowić również części tych figur, ustalane przez nawigatora najczęściej w zakresie kątów kursowych, gdzie występuje duża dynamika zmian sytuacji nawigacyjnej Wynika to z faktu występowania dużych wartości prędkości względnych między statkiem a innymi obiektami Tworzone są wówczas tzw strefy ochronne (ang guard zones) Ich przeznaczeniem jest wczesne wykrywanie potencjalnych sytuacji kolizyjnych Kolejnym przykładem domeny jest domena niemożności decyzyjnej operatora (rys 2) Domena zorientowana jest zgodnie z kierunkiem ruchu statku i określa pewien obszar, w którym może znajdować się statek spowodowany brakiem rzeczywistej informacji o jego wektorze prędkości Domena jest wycinkiem koła o promieniu a i szerokości wyznaczonej przez cięciwę b Natomiast długość promienia domeny uzależniona jest głównie od prędkości statku, podczas gdy jej szerokość od charakterystyki manewrowej 344

3 Kształt i rozmiary stref bezpieczeństwa statku 315 [Nm] 0 3,0 2,5 2,0 45 średnia Max 1,5 1,0 Min 0, , Rys 1 Domeny statku ustalone na podstawie przeprowadzonych badań ankietowych Fig 1 Ship s domains determined by navigators in the questionnaire research Rys 2 Przykładowe domeny niemożności dla statków płynących z prędkością V1 i V2 [6] Fig 2 Examples of inability domains for ships proceeding at speeds V1 and V2 [6] Dotychczas wykorzystanie takiej domeny mogło stwarzać pewne utrudnienia ze względu na brak bieżącej informacji o cechach manewrowych nowo wykrytych obiektów Stąd brak możliwości w ustaleniu jej rozmiarów Aktualnie informacje takie mogą być przekazywane przez system AIS i podawane bezpośrednio do systemów nawigacyjnych Domena może mieć swą granicę ostrą, tzn jednostopniową, gdzie jej przekroczenie spowoduje zmianę stanu sytuacji nawigacyjnej z bezpiecznej na niebezpieczną Domena może mieć granice wielostopniowe, których wielkość i kształt uzależnione są od przyjętego poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego Domenę tą, do której budowy wykorzystuje się prawa logiki rozmytej nazywamy rozmytą domeną statku (rys 3) 345

4 Janusz Uriasz Rys 3 Domena rozmyta statku dla różnych wartości poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego Fig 3 Ship s fuzzy domain for different levels of navigational safety 2 Pas ruchu Nawigacja szczególnie na akwenie ograniczonym obarczona jest ryzykiem Wynika to z ograniczeń przestrzeni nawigacyjnej zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej (bliskość brzegów, dna, przęseł mostów itd), natężenia ruchu statków, zjawisk pływowych i hydrodynamicznych Ruch jednostki na akwenie ograniczonym można rozpatrywać jako ruch na wydzielonym pasie wpisanym w niego Każdy akwen ograniczony można podzielić na pasy, podobnie jak każdą krzywą można aproksymować odcinkami W praktyce nawigacyjnej tworzone są pasy w formie torów wodnych odpowiednio oznakowanych, w obrębie których nawigator jest zobligowany nawigować (rys 4) Zapewnia on w ten sposób odpowiedni poziom bezpieczeństwa nawigacyjnego Istnieje kilka metod wyznaczania torów wodnych np metody symulacyjne IRM [2] Dodatkowo na tym polu coraz częściej zastosowanie znajdują metody sztucznej inteligencji Umożliwiają one pozyskać wiedzę ekspercką i na jej podstawie ustalić kształt i rozmiar pasa ruchu Celem sprawdzenia możliwości wykorzystania narzędzi SI do budowy pasów ruchu przeprowadzono eksperyment badawczy Dotyczył on możliwości utworzenia pasa ruchu dla manewru wyprzedzania statku 346

5 Kształt i rozmiary stref bezpieczeństwa statku Rys 4 Przykład pasa ruchu masowca 250 m, T = 10,5 m wyznaczonego metodami IRM [3] Fig 4 Example of a ship s swept path, a bulk carrier 250m long, draft 105 m, determined by IRM methods [3] 21 Pas ruchu statku dla manewru wyprzedzania na torze wodnym W przypadku manewru wyprzedzania na akwenie ograniczonym pas ruchu rozumiemy jako szerokość nawigacyjną kanału ograniczoną brzegiem oraz burtą statku wyprzedzanego (rys 5) Jak w obrębie takiego pasa ruchu nawigować, aby przeprowadzenie manewru było bezpieczne? Celem odpowiedzi na to pytanie zwrócono się do ekspertów kapitanów Ich wiedza została wykorzystana do ustalenia pasów ruchu dla różnych poziomów bezpieczeństwa nawigacyjnego (0 bardzo bezpieczny; 1 bardzo niebezpieczny) Przeprowadzono eksperyment badawczy, w którym symulowano manewr wyprzedzania statków Zastosowano następujące modele akwenu i statku: prostoliniowy odcinek toru wodnego o szerokości 200 m w lustrze wody; dwa identyczne modele masowca (długość 95,5 m; szerokość 18,2 m) W czasie symulacji manewrów wyprzedzania rejestrowane były następujące parametry: y odległość statku od osi symetrii pasa ruchu; KDd odchylenie kursu statku od kursu zadanego (wyznaczonego przez oś symetrii toru wodnego); 347

6 Janusz Uriasz prędkość obrotowa statku; d min minimalna odległość między statkami, należy ją rozumieć jako odległość między najbliższymi punktami statków; KK kąt kursowy (kąt zawarty między osią symetrii toru wodnego a prostą łączącą najbliższe punkty obydwu statków) Rys 5 Zobrazowanie manewru wyprzedzania statku na torze wodnym Fig 5 Overtaking maneuver on a fairway Eksperci biorący udział w eksperymencie na bieżąco dokonywali oceny bezpieczeństwa aktualnej sytuacji nawigacyjnej Zarejestrowane w trakcie symulacji dane (parametry i oceny) wykorzystano do budowy i uczenia sztucznej sieci neuronowej o logice rozmytej (rys 6) x1 I1 w 1 x2 x3 x4 x5 f1/f f2 VV 243 w 243 f1 f(x) Warstwa 1 Warstwa 2 Warstwa 3 Rys 6 Struktura sieci neuronowej o logice rozmytej dla 5 danych wejściowych i 243 reguł wnioskowania Fig 6 Neural network with fuzzy logic for 5 input data and 243 inference rules 348

7 Kształt i rozmiary stref bezpieczeństwa statku Uzyskane odpowiedzi sieci przedstawiono na wykresie (rys 7) i obrazują one ocenę sytuacji nawigacyjnej manewru wyprzedzania W analizowanej sytuacji statek wyprzedzający porusza się kursem równoległym do osi symetrii toru wodnego, nie wykonuje zwrotu Statek wyprzedzany znajduje się na kącie kursowym 45 Ocena bezpieczeństwa nawigacyjnego wyznacza pas, w którym możliwy jest manewr wyprzedzania dla odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego Statek wyprzedzający w celu bezpiecznej realizacji manewru wyprzedzania musi utrzymać swoją trajektorię ruchu w obrębie odpowiedniego pasa ruchu Opierając się na sieci neuronowej o logice rozmytej, możliwe jest wykorzystanie wiedzy eksperckiej w celu ustalenia kształtu i rozmiarów pasów ruchu dla manewru wyprzedzania Rys 7 Pasy ruchu manewru dla manewru wyprzedzania na akwenie ograniczonym o różnych poziomach bezpieczeństwa nawigacyjnego Fig 7 Swept paths for overtaking maneuver in a restricted area with different levels of navigational safety 349

8 Janusz Uriasz 3 Strefa zabroniona Na akwenach trudnych nawigacyjnie, jakimi są tory wodne, nie można przyjmować, że nawigujący statek jest punktem materialnym W tej sytuacji ważne są także jego parametry geometryczne oraz położenie względem niebezpieczeństw nawigacyjnych Tym niebezpieczeństwem często jest inny statek spotykany na torze W praktyce nawigacyjnej nawigator często rozważa decyzję o możliwości wykonania np manewru wyprzedzania innego statku Podstawowym pytaniem, na które musi znaleźć odpowiedź jest: czy wielkość jednostek i dostępna szerokość nawigacyjna akwenu umożliwia bezpieczną realizację manewru? Jaką zachować minimalną odległość między statkami w czasie wykonywania manewru i jak ją oszacować? Odległość ta wyznaczy strefę zabronioną dla manewru wyprzedzania (rys 8) L długość statku B szerokość statku d odległość między statkami Rys 8 Zobrazowanie stref zabronionych manewru wyprzedzania na torze wodnym Fig 8 Zones of forbidden overtaking in a fairway Celem znalezienia odpowiedzi na powyższe pytania posłużono się aparatem aproksymacyjnym sztuczną siecią neuronową o logice rozmytej Przeprowadzono badania ankietowe wśród nawigatorów Nawigatorzy ustalali stopień bezpieczeństwa nawigacyjnego prezentowanych sytuacji nawigacyjnych w przyjętej skali ocen (0 bardzo bezpiecznie; 4 bardzo niebezpiecznie) Część zgromadzonych danych przedstawiono w tabeli 1 350

9 Kształt i rozmiary stref bezpieczeństwa statku Zestawienie ocen średnich dla poszczególnych sytuacji nawigacyjnych The average assessments of navigational situations Tabela 1 Sytuacja Parametry statku wyprzedzającego Odległość między statkami Ocena średnia L [m] B [m] d [m] ,5 5 4, ,5 10 3, ,5 20 2, ,5 30 2, ,5 40 1, ,2 5 4, ,2 10 3, ,2 20 3, ,2 30 2, ,2 40 1, ,9 5 4, ,9 10 4, ,9 20 3, ,9 30 3, ,9 40 2, ,6 5 4, ,6 10 4, ,6 20 4, ,6 30 3, ,6 40 2, ,3 5 4, ,3 10 4, ,3 20 4, ,3 30 3, ,3 40 2,8 Dane (oceny sytuacji, odległości poprzeczne między statkami, długości i szerokości statków) wykorzystano do budowy i przeprowadzenia procesu uczenia sztucznej sieci neuronowej o logice rozmytej Przykład uzyskanych wyników przedstawiono na rysunku 9 351

10 Janusz Uriasz Rys 9 Ocena manewru wyprzedzania na torze wodnym statku o długości 60 m i szerokości 8,5 m przez statki o różnej długości i szerokości przy stałej szerokości strefy zabronionej równej 50 m Fig 9 Assessment of the overtaking manoeuvre in a fairway of a ship 60 m in length and 85 m beam by ships with different lengths and beams, with a constant 50 m width of the forbidden zone Wykres przedstawia ocenę sytuacji nawigacyjnej manewru wyprzedzania dla statków o różnej wielkości i przy stałej strefie zabronionej między nimi wynoszącej 50 metrów Ocena umożliwia określić maksymalne parametry statków mogących wykonać manewr wyprzedzania dla danej strefy zabronionej Pozwala także ustalić minimalną szerokość strefy zabronionej między statkami dla bezpiecznej realizacji manewrów wyprzedzania Zakończenie Przedstawione w artykule strefy bezpieczeństwa statku pozwalają dokonać oceny sytuacji nawigacyjnej Strefy mogą przyjmować formy figur geometrycznych i być utożsamiane z pozycją statku lub wręcz statkiem Takie domeny przemieszczają się w przestrzeni nawigacyjnej wraz ze statkiem Ich zakłócenie spowoduje wzrost niebezpieczeństwa nawigacyjnego Strefy bezpieczeństwa mogą być tworzone wokół niebezpieczeństw nawigacyjnych wtenczas nawigator musi manewrować statkiem z dala od nich Wejście statku w taką strefę (obcą) spowoduje wzrost niebezpieczeństwa nawigacyjnego Ostatecznie strefy bezpieczeństwa statku mogą przyjmować formę pasów pewnej szerokości przestrzeni nawigacyjnej akwenów Zapewnienie bezpieczeństwa nawigacyjnego będzie wymagać od nawigatora manewrowania wewnątrz pasa ruchu, lub też takiego manewrowania, aby nie przekroczyć/wejść w ustaloną szerokość nawi- 352

11 Kształt i rozmiary stref bezpieczeństwa statku gacyjną strefy zabronionej oddzielającej statek własny od niebezpieczeństwa nawigacyjnego W każdym przypadku przy ustalaniu wielkości i kształtów stref bezpieczeństwa możliwe jest zastosowanie praw logiki rozmytej Na ich podstawie można ustalić strefy odpowiadające różnym poziomom bezpieczeństwa nawigacyjnego W takiej sytuacji nawigator/dyspozytor/operator będzie dysponował dodatkowo informacją o aktualnym poziomie bezpieczeństwa nawigacyjnego i tendencji jego zmiany Zastosowanie stref bezpieczeństwa statku w systemach nawigacji zintegrowanej lub w urządzeniach i ośrodkach kontroli ruchu niewątpliwie podniesie poziom bezpieczeństwa żeglugi Do ich budowy można wykorzystać obserwacje własne (radar, ARPA, VDR), informacje zewnętrzne (AIS, LRIT, VTS) a także z baz danych systemów nawigacyjno-hydrograficznych (ECDIS, HO-ECDB) Literatura 1 Banachowicz A, Uriasz J, Assessment of accuracy spatial coordinates of ship s position on fairway, International symposium Modern technologies, education and professional practice in the globalizing world, International Association of Geodesy (IAG), 6 7 November 2003, Sofia 2 Gucma S, Metody wyznaczania i kształtowania dróg wodnych, Studia nr 15, Wyd WSM, Szczecin Pietrzykowski Z, Uriasz J, Methods and criteria of navigational situation assessment in an open sea area, 5th International EuroConference on Computer Aplications and Information Technology in the Maritime Industries, Compit 05, Hamburg 5 Pietrzykowski Z, Uriasz J, The ships domain in a deep-sea area, 3rd International conference on Computer and IT applications in the maritime industry, Compit 04, Siguenza Śniegocki H, Badanie wektora ruchu statku na torze podejściowym VTS, Gdańsk, rozprawa doktorska, Gdynia 2002 Recenzent prof dr kptżw Daniel Duda Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r 353

12 Janusz Uriasz Adres Autora dr inż Janusz Uriasz Akademia Morska w Szczecnie Instytut Nawigacji Morskiej Zakład Łączności i Cybernetyki Morskiej lubat@amszczecinpl 354