ZESZYTY NAUKOWE NR x(xx) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Metody wymiarowania obszaru manewrowego statku oparte na badaniach rzeczywistych

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NUKOWE NR () KDEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNRODOW KONFERENCJ NUKOWO-TECHNICZN E X P L O - S H I P Paweł Zalewsk, Jakub Montewka Metody wymarowana obszaru manewrowego statku oparte na badanach rzeczywstych Słowa kluczowe: bezpeczny obszar manewrowy, pomary laserowe, GNSS RTK, nŝynera ruchu morskego. W artykule przedstawono dwe metody, opracowane w Instytuce IRM, oparte na badanach rzeczywstych, umoŝlwające wyznaczene akwenu manewrowego statku na akwene ogranczonym. Methods of shp s path wdth determnaton, based on real eperments Keywords: safety maneuverng area, method of determnaton the waterways parameters, laser rangefnder measurement, GNSS RTK, marne traffc engneerng. rtcle presents two methods, of determnng safety waterways parameters on confned waters, based on real eperments. The methods have been establshed at the Insttute of Marne Traffc Engneerng. 1

2 Paweł Zalewsk, Jakub Montewka Wstęp W artykule przedstawono metody, wykorzystywane w badanach prowadzonych w Instytuce InŜyner Ruchu Morskego, mające na celu wyznaczene parametrów bezpecznego akwenu manewrowego statku oraz ocenę bezpeczeństwa nawgacj na akwene ogranczonym. Metody oparto na badanach rzeczywstych, bernych. 1. Ops metod Metoda I wykorzystuje technkę laserowego pomaru odległośc oraz jednoczesnego pomaru kąta pozomego do obserwowanego obektu. Pomar polega na naprzemennym wyznaczanu odległośc oraz namaru do charakterystycznych punktów na burce statku. Pomary wykonywano w zadanym przedzale czasowym, ogranczonym przepustowoścą portów komputera sterującego pracą dalmerza. Na rys. 1 przedstawono zasadę wykonywana pomaru w metodze I. Cyfram oznaczono chwle czasu, w których dokonywano kolejnych naprzemennych pomarów. Rys.1. Zasada wykonywana naprzemennego pomaru w Metodze I Fg.1 The prncple of alternate measurement appled In Method I Układ pomarowy składa sę z pojedynczego dalmerza laserowego z dołączonym enkodrem oraz komputera, który steruje pracą urządzeń. Wykonywane pomary oparte są na zasadze śledzena obektu, maksymalny zasęg uwarunkowany jest zasęgem pracy dalmerza. Na rys. przedstawono stanowsko pomarowe.

3 Metody wymarowana obszaru manewrowego statku oparte na badanach rzeczywstych Rys.. Stanowsko pomarowe Metoda I. Fg. The research staton Parametry technczne przyrządu pomarowego przedstawono w tabel 1. Tab 1. Parametry technczne urządzena pomarowego Laserce 300 Tab.1. Techncal data of measurement devce- Laserce 300 Typ lasera Gas Laser Dode Typ pomaru Pomar czasu przejśca sygnału Długość fal 905 nm Zasęg 300m (5km z reflektorem) Dokładność ±10cm (średno) Czas wypracowana pomaru 0.3s Metoda II polega na wyznaczenu szerokośc pasa ruchu statku, na podstawe synchronczne zarejestrowanych pozycj dwóch charakterystycznych punktów kadłuba statku, z wykorzystanem sateltarnych technk pozycjonowana. Pozycjonowane realzowane było przy pomocy zestawu RTK GPS Trmble 5700, którego ops technczny przedstawono w tabel. Tab. Parametry technczne zestawu pomarowego RTK GPS Trmble 5700 Tab.. Techncal data of measurement set - RTK GPS Trmble 5700 Technka pomaru RTK OTF Lczba śledzonych sateltów 1 OdśweŜane pozycj 10 Hz Częstotlwośc robocze L1/L Dokładność ±3 cm Dwe anteny odbornków DGNSS RTK umeszczono na pokładze pelengowym promu m/f Jan Śnadeck, symetryczne względem os głównej statku, aby przysłonęca spowodowane elementam konstrukcyjnym statku były mnmalne. Tak układ umoŝlwał precyzyjne wyznaczene pozycj oraz kursu rzeczywstego statku. Na rys.3 przedstawono rozmeszczene anten RTK na pokładze promu. 3

4 Paweł Zalewsk, Jakub Montewka 4 Rys.3 Rozmeszczene anten RTK na pokładze pelengowym [Zalewsk, Tomczak; 005]. Fg.3. ntennas for RTK recevers mounted on the shp s top deck.. lgorytmy oblczana skrajnych punktów obwedn kadłuba statku W celu przeprowadzena eksperymentu numerycznego w rozsądne krótkm czase, a jednocześne z załoŝoną wartoścą błędu transformacj, przyjęto następujące algorytmy oblczenowe. lgorytm zamplementowany w metodze I, realzuje następujące procedury [Gucma, Montewka; 005]: synchronzacja pomarów punktów charakterystycznych na dzobe oraz śródokręcu dla jednostk czasu t, w oparcu o przyjęty model matematyczny, wyznaczene połoŝena punktu charakterystycznego na rufe statku w czase t, wyznaczene połoŝena punktów charakterystycznych na dzobe oraz rufe na burce przecwnej, dopasowane funkcj cągłej do dyskretnych danych pomarowych, aproksymacja trajektor kreślonych przez cztery punkty charakterystyczne za pomocą funkcj wyŝszego stopna, wyznaczene błędów wynkających z zastosowanej metody pomaru oraz przyjętego modelu aproksymacj. W wynku dopasowana welomanów teoretycznych do dyskretnych pomarów rzeczywstych, pojedynczy przejazd statku opsany został czterema równanam. Dwe pary równań opsują trajektore dwóch par punktów charakterystycznych, częśc dzobowej oraz częśc rufowej wstawk cylndrycznej, po obydwu burtach statku. Burta blŝsza: yd + ad + bd + c = 0 (1) y + a + b + c = 0 R R R Burta dalsza: yd ' + ad' + bd' + c = 0 ()

5 Metody wymarowana obszaru manewrowego statku oparte na badanach rzeczywstych yr ' + ar' + br' + c = 0 gdze: D; y D - współrzędne opsujące połoŝene dzobowego punktu charakterystycznego, na burce blŝszej; D'; yd' - współrzędne opsujące połoŝene dzobowego punktu charakterystycznego, na burce dalszej; R; y R - współrzędne opsujące połoŝene rufowego punktu charakterystycznego, na burce blŝszej; R'; yr' - współrzędne opsujące połoŝene rufowego punktu charakterystycznego, na burce dalszej. Szerokość pasa ruchu statku w metodze II wyznaczano na podstawe przyjętej procedury postępowana [Zalewsk P., Tomczak., 005]: dyskretyzacja wodncy statku, wyznaczając współrzędne najbardzej znaczących skrajnych punktów obwedn kadłuba statku oraz pozycj anteny, będącej pozycją odnesena P (,y ) w układze prostokątnym OXY współrzędnych - rys. 4. Y[m] P 9 0 P 8 P P 1 0 P 1 1 P 1 P 1 3 P 1 4 P 15 P 7 P 6 P 5 P 4 Rys. 4. Wzorcowa obwedna statku punkt odnesena P - pozycja anteny GNSS. Fg. 4. model shp s hull outlne and reference pont P poston of GNSS antenna transformacja z wzorcowego układu współrzędnych do statkowego układu współrzędnych o początku w punkce odnesena P (rys. 5, zal. 3). P 3 P P=P 1 16 X[m] - headng as Y[m] P 9 0 P 8 P P 1 0 P 1 1 P 1 P 1 3 P 1 4 P 1 5 P 7 P 6 P 5 P 4 P 3 P P=P 1 16 X[m] - headng as Rys. 5. Transformacja wodncy do statkowego układu współrzędnych. Fg.5 The shp s hull outlne transformaton nto shp s coordnate system. 5

6 P P m Paweł Zalewsk, Jakub Montewka (, y ) P ( 0,0) (, y ) P (, y ) = m m m, y = y m : y ; m, 1.. n [m] (3) transformacja opsujących wodncę punktów do lokalnego układu współrzędnych np. UTM WGS-84. Odległośc kerunk charakteryzujące wektory pomędzy punktem odnesena P (0,0) a punktam skrajnym wyznacza sę z zal. 4: d + y dla < 0 [m] = d + y dla 0 [m] = y α = arctan dla y < 0 [m] y α = arctan dla y 0 [m] wyznaczene współrzędne punktów wodnc dla kolejno zarejestrowanych punktów odnesena w lokalnym układze współrzędnych P r ( r, y r ) oraz kursów ψ r, na podstawe zal. 5: y r r = + d sn r = y + d cos r ( ψ r + α ) ( ψ + α ) 3. lgorytm wyznaczena szerokośc bezpecznego akwenu manewrowego statku Zastosowany w metodach algorytm oparty jest na modelu probablstycznym wyznaczana szerokośc bezpecznego akwenu manewrowego statku. Zmenną losową jest maksymalna odległość kadłuba statku w prawo lewo od os toru wodnego rys.6. W oparcu o wynk wcześnejszych badań, stwerdzono Ŝ zmenną losową moŝna opsać przy wykorzystanu rozkładu normalnego X: N(m, σ), którego parametram są: średna (m) odchylene standardowe (σ). Szerokość pasa ruchu jednostk w - tym sektorze drog wodnej, dla określonej ser manewrów rzeczywstych moŝna określć według zaleŝnośc [Gucma, 004]: d = ( + c σ ) + ( + c σ ) (6) l l p p gdze: d - szerokość pasa ruchu w -tym sektorze,, l p - średna arytmetyczna z maksymalnych odległośc punktu kadłuba statku na lewo lub prawo od -tego punktu os toru wodnego, r (4) (5) 6

7 Metody wymarowana obszaru manewrowego statku oparte na badanach rzeczywstych σ, σ - odchylena standardowe ser prób z maksymalnych odległośc l p w lewo lub prawo od -tego punktu os toru wodnego, c - współczynnk zaleŝny od przyjętego pozomu ufnośc (dla pozomu ufnośc 0,95, c=1,96). Na rys.6 przedstawono zasadę wyznaczana rozkładów analzowanych zmennych losowych. Przedstawono takŝe sposób określana prawdopodobeństwa wystąpena awar nawgacyjnej, spowodowanej wyjścem poza bezpeczną grancę toru wodnego. Rys.6 Rozkład skrajnych odległośc statku od os toru oraz prawdopodobeństwo kolzj. Fg.6 Dstrbutons of shp s mamum dstances from the centre of the waterway and probablty of groundng calculatons. 4. Szacowane prawdopodobeństwa wystąpena kolzj statku z budowlą hydrotechnczną Estymowane parametry rozkładu normalnego, mogą być następne uŝyte do wyznaczena prawdopodobeństwa awar nawgacyjnej P a (kolzja statku z falochronem). Prawdopodobeństwo zastnena takego zdarzena wylczane jest na podstawe następującej zaleŝnośc: gdze: P a (d)=p(x d ma ) (7) d ma - odległość falochronu od środka toru wodnego, 7

8 Paweł Zalewsk, Jakub Montewka X - zmenna losowa o rozkładze normalnym, X: N(m,σ,) opsująca odległośc skrajnych punktów kadłuba statku od środka toru wodnego, n - lczebność próby w ser. Prawdopodobeństwo awar wyznaczono oddzelne dla kaŝdego sektora, tworząc tym samym wektor o rzędze równym lczbe sektorów: gdze: P ap =[P ap1, P ap, P ap3,, P apn ] (8) P ap - prawdopodobeństwo awar nawgacyjnej w -tym sektorze prawej strony toru wodnego (strony od strony falochronu), n - lość sektorów na torze. 5. Wynk Na rys.7 przedstawono bezpeczne akweny manewrowe dla promu m/f Jan Śnadeck, oblczone przy zastosowanu metody I. Wynk uzykane przy zastosowanu metody II przedstawono na rys.8. Rys.7 kwen manewrowy, na pozome stotnośc 95% - metoda I. Fg.7 The safety maneuverng area, at the 95% confdence level method I. Wnosk Rys.8 kwen manewrowy, na pozome stotnośc 95% - metoda II. Fg.8 The safety maneuverng area, at the 95% confdence level- method II 8

9 Metody wymarowana obszaru manewrowego statku oparte na badanach rzeczywstych W artykule przedstawono dwe metody wyznaczana bezpecznego akwenu manewrowego, oparte na eksperymence rzeczywstym. Metody charakteryzują sę duŝą dokładnoścą oraz zgodnoścą z rzeczywstoścą. Ze względu na berny charakter eksperymentu, przedstawone metody ne mogą meć zastosowana do modernzacj, czy planowana nestnejących dróg wodnych. Metody mogą meć zastosowane do weryfkacj stnejących metod symulacyjnych oraz analtycznych wyznaczana bezpecznego akwenu manewrowego statku. Lteratura 1. Gucma L., Montewka J., Landborne measurements for navgaton safety assessment, European Journal of Navgaton, Vol 3, Number 4, GITC, November 005. Str Gucma S., Nawgacja plotaŝowa, Gdańsk Zalewsk P., Tomczak., Evaluaton of navgaton safety crtera n Swnoujsce harbour by means of GNSS technology. The European Navgaton Congress GNSS 004 Proc. Rotterdam, Zalewsk P., Tomczak., Method of probablstc evaluaton of shp s contour nclusve area for Plot Navgaton System, nd Seas and Ocean Congress, M Szczecn, 005. Str Recenzent prof. dr hab. nŝ. dr nŝ. Paweł Zalewsk, mgr nŝ. Jakub Montewka kadema Morska w Szczecne Instytut InŜyner Ruchu Morskego ul. Wały Chrobrego Szczecn Wpłynęło do redakcj w lutym 006 r. 9