ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA EXPLO-SHIP 2006 Wiesław Juszkiewicz Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA Słowa kluczowe: śledzenie, ARPA, bezpieczeństwo żeglugi Podstawowym zadaniem stawianym przed urządzeniami umożliwiającymi automatyczne śledzenie obiektów jest zapewnienie obserwatorowi możliwości właściwej oceny sytuacji panującej wokół statku własnego, włączając w to możliwość zaplanowania skutecznego i bezpiecznego manewru zapobiegawczego. W artykule przedstawiono wyniki eksperymentu przeprowadzonego w symulatorze nawigacyjnoradarowym, którego celem była weryfikacja dokładności planowania akcji zapobiegawczej z użyciem funkcji TRIAL. The Verification of Anti-collision Trial Manoeuvre Accuracy in ARPA Systems Key words: tracking, ARPA, safety of navigation The main goal of tracking systems is providing the observer with a proper safety assessment, including a possibility of proper and effective trial manoeuvre planning. For the trial manoeuvre accuracy examination, some typical scenarios were simulated in a radar simulator. The research results of trial function accuracy are presented in the article. 113

2 Wiesław Juszkiewicz Wstęp We wszystkich dokumentach precyzujących zasady prowadzenia kursów obsługi urządzeń ARPA szczególną uwagę zwraca się na konieczność prezentacji błędów i ograniczeń urządzeń oraz niebezpieczeństwa wynikającego ze zbytniego zaufania do wskazań ARPA. Istotnie w trakcie prowadzenia kursów daje się zauważyć zbyt duży poziom zaufania, jakim nawigatorzy darzą uzyskiwane z ARPA dane o śledzonych obiektach. Oficerowie w praktyce często zapominają o ograniczeniach urządzeń ARPA lub wręcz ich nie znają. Fakt ten skutkuje podejmowaniem decyzji bardziej ryzykownych, powodujących zmniejszenie wartości bezpiecznej odległości mijania się ze śledzonymi obiektami. W tym kontekście również istotne znaczenie ma, z punktu widzenia bezpieczeństwa podejmowanych przez nawigatorów decyzji, znajomość dostępnych rozwiązań oraz powiązanych z nimi ograniczeń funkcji TRIAL. Funkcja manewru próbnego (TRIAL) jest jedną z podstawowych funkcji wymaganych w urządzeniach z automatycznym śledzeniem ech (ARPA). Zgodnie z Rezolucją IMO A.823(19) powinna ona zapewnić możliwość symulacji wpływu manewru statku własnego na ruch wszystkich śledzonych obiektów bez przerywania procesu ich śledzenia i wyświetlania aktualnych danych. Symulacja ta może być przeprowadzona z uwzględnieniem lub bez uwzględnienia czasu opóźnienia rozpoczęcia manewru (manewr natychmiastowy) oraz parametrów manewrowych statku własnego (statyczna lub dynamiczna forma prezentacji skutków planowanego manewru) [5]. Ponieważ wymagania dotyczące funkcji manewru próbnego, zawarte we wspomnianej rezolucji, mają dosyć ogólny charakter, w praktyce spotyka się wiele wariantów jej realizacji [1, 2]. Z punktu widzenia nawigatora wykorzystującego urządzenia ARPA istotna jest znajomość podstawowych ograniczeń wspomnianej funkcji oraz precyzji, z jaką możliwe jest zaplanowanie a następnie wykonanie akcji zapobiegawczej. Jedynie pełna wiedza na ten temat pozwala zaplanować efektywny i zarazem bezpieczny manewr antykolizyjny. W związku z tym podjęto próbę oceny dokładności planowania takiej akcji z użyciem funkcji manewru próbnego, a polegającej na porównaniu planowanej i uzyskanej w rzeczywistości najmniejszej odległości minięcia się statków. Przeprowadzone symulacje w symulatorze nawigacyjno-radarowym polegały na rozwiązywaniu sytuacji kolizyjnych poprzez dokładne wykonanie manewrów zapobiegawczych, wypracowanych wcześniej z użyciem funkcji TRIAL. W trakcie eksperymentu wykorzystane zostały urządzenia antykolizyjne różnych producentów (Norcontrol, Furuno, Atlas, Sperry), charakteryzujące się różnym sposobem realizacji funkcji manewru próbnego i formą prezentacji informacji o skuteczności wybranego manewru. 114

3 Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA Na podstawie uzyskanych wyników dokonano weryfikacji dokładności i skuteczności funkcji manewru próbnego zastosowanej w wybranych urządzeniach ARPA. 1. Sposoby realizacji funkcji manewru próbnego Jak już wspomniano, wymagania dotyczące funkcji manewru próbnego mają ogólny charakter i w związku z tym w praktyce spotyka się wiele jej wariantów. Praktycznie każdy z producentów stosuje nieco inne rozwiązanie. Z punktu widzenia dokładności planowania manewru zapobiegawczego na pierwszy plan wysuwają się różnice wynikające z uwzględnienia (lub nie) zdolności manewrowych statku własnego. W związku z tym urządzenia ARPA można podzielić na te, w których funkcja manewru próbnego realizowana jest w sposób dynamiczny (dynamic trial presentation) lub statyczny (static trial presentation) [1, 2]. Dodatkowo można wyróżnić urządzenia umożliwiające wprowadzenie opóźnienia czasowego rozpoczęcia planowanego manewru (delay time) lub zaplanowanie jedynie manewru natychmiastowego. Należy jednak zauważyć, iż wspomniane opóźnienie czasowe inaczej powinno być traktowane w przypadku dynamicznej, a inaczej w przypadku statycznej formy prezentacji skutków planowanego manewru zapobiegawczego Statyczna forma prezentacji funkcji manewru próbnego Statyczna forma prezentacji manewru próbnego może być porównana do planowania manewru zapobiegawczego na nakresie radarowym (oczywiście, symulacja prowadzona jest jednocześnie dla wszystkich śledzonych obiektów). Ponieważ nie są uwzględnione parametry manewrowe statku własnego, planowany manewr nie jest w praktyce możliwy do wykonania. Z tego powodu przy planowaniu akcji bez opóźnienia czasowego manewr powinien zostać zaplanowany z pewnym zapasem i ze świadomością tego, że w efekcie po wykonaniu manewru, uzyskana najmniejsza odległość minięcia (CPA Closest Point of Approach) będzie nieco mniejsza od wcześniej zaplanowanej. Precyzja planowania zależy zatem zarówno od doświadczenia nawigatora, jak i znajomości parametrów manewrowych własnej jednostki. W zależności od wydatności planowanego manewru wspomniany zapas planowanego CPA powinien być mniejszy lub większy. Te opóźnienia czasowego rozpoczęcia manewru (delay time) pozwala w sposób pośredni uwzględnić czas, w jakim możliwy jest do wykonania planowany manewr. W tym przypadku nawigator także powinien znać charakterystyki manewrowe statku własnego i odpowiednio wcześnie rozpocząć wykonywanie manewru zapobiegawczego, tak aby zakończyć go w przybliżeniu w momencie, na który zaplanowano manewr. W związku z tym opóźnienie 115

4 Wiesław Juszkiewicz czasowe w przypadku statycznej formy prezentacji nie może być postrzegane jako czas pozostający do rozpoczęcia manewru, ale faktycznie jako czas konieczny na jego wykonanie. Najczęściej po wprowadzeniu opóźnienia czasowego w tej formie prezentacji manewru próbnego, nie jest ono odliczane do zera, ale utrzymuje stałą wartość w trakcie planowania manewru (np. Atlas 9800, Furuno 2805). Powoduje to stałe przesuwanie wektorów śledzonych obiektów przed ich echami, w odległości równej drodze, jaką pokonają one w czasie wprowadzonego opóźnienia wykonania manewru. Powoduje to stałą zmianę sytuacji i konieczność ciągłej korekty planowanego manewru Dynamiczna forma prezentacji funkcji manewru próbnego W porównaniu ze statyczną formą prezentacji informacji, dynamiczna odmiana tej funkcji powinna w sposób bardziej rzeczywisty odzwierciedlać planowany manewr. Dzieje się tak dzięki wprowadzeniu (co prawda w bardzo uproszczonej formie) parametrów manewrowych statku własnego. W praktyce najczęściej stosowanymi parametrami są: prędkość kątowa zwrotu (turn rate) wykorzystywana przy planowaniu manewru zmiany kursu i wyrażona w [ /min], szybkość zmiany prędkości statku własnego (speed rate) wykorzystywana podczas planowania zmiany prędkości statku i wyrażona w [w/min]. Mogą one być dostępne dla operatora w trakcie normalnej eksploatacji, umożliwiając mu dostosowanie szybkości wykonania planowanego manewru do aktualnej sytuacji, w jakiej znajduje się statek własny (urządzenia firmy Norcontrol). Nieco mniej funkcjonalnym jest rozwiązanie pozwalające na zmianę wartości ww. parametrów jedynie przy wyłączonym urządzeniu, np. przez ustawienie odpowiedniej kombinacji mikroprzełączników. Rozwiązanie takie stosuje firma Kelvin Hughes Obszary zagrożenia kolizyjnego PAD Obszary zagrożenia kolizyjnego PAD (Predicted Area of Danger) są alternatywnym do wektorów sposobem prezentacji sytuacji kolizyjnej, dostępnej w urządzeniu ARPA firmy Sperry. Ich wielkość zależy m.in. od wartości limitu CPA wprowadzonego przez operatora. Pozwalają one w łatwy sposób zaplanować akcję zapobiegawczą, polegającą na zmianie kursu. Wielkość planowanego manewru można określić namierzając się na kraniec prezentowanych na ekranie obszarów PAD. Podjęty manewr powinien zapewnić wyprowadzenie kreski kursowej poza obszar PAD. Będzie to oznaczać uzyskanie wymaganej bezpiecznej odległości minięcia się ze śledzonym obiektem. 116

5 Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA 2. Scenariusze sytuacji kolizyjnych Badania przeprowadzone zostały w symulatorze radarowo-nawigacyjnym NMS-90 firmy Norcontrol. Wykorzystano dwa modele statków: masowca i kontenerowca, co pozwoliło na zróżnicowanie prędkości wykonywania manewru. W trakcie eksperymentu symulowane były sytuacje kolizyjne (CPA = 0), w których zadaniem operatora było zaplanowanie manewru zapobiegawczego, polegającego na zmianie kursu i zapewniającego minięcie się statków w określonej bezpiecznej odległości (1 lub 2 Mm), a następnie jego dokładna realizacja Charakterystyka wykorzystanych modeli statków W trakcie symulacji wykorzystano matematyczne modele dwóch statków, których podstawowe dane przedstawia tabela 1. Dane modeli statków [3] Ship models data Tabela 1 Model statku Masowiec (BULKCARIER) Kontenerowiec (CONTAINER) Długość [m] Szerokość [m] Zanurzenie [m] DWT [T] Obroty (CN) [obr./min] Prędkość (CN) [w] 174,0 31,1 12, ,5 194,5 30,5 11, ,8 W celu umożliwienia precyzyjnego ustalenia prędkości kątowej manewrów zmiany kursu, przy dynamicznej formie manewru próbnego, dokonano pomiarów prędkości kątowej zwrotu w trakcie wykonywania manewrów zmiany kursu w zakresie , a następnie wyliczono wartość średnią prędkości kątowej uzyskiwanej w trakcie poszczególnych manewrów. Zmiany wartości prędkości kątowej zwrotu zostały przedstawione na rysunkach 1 i 2. Następnie określono wartość średniej prędkości kątowej dla wszystkich manewrów zmiany kursu, która została wykorzystana w trakcie dynamicznego planowania akcji zapobiegawczej i wynosi odpowiednio: dla masowca 20,4 /min; dla kontenerowca 31,8 /min. 117

6 Wiesław Juszkiewicz Szybkość Prędkość kątowa zwrotu [ stopnie/min ] 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Model statku: Bulkcarrier BULKC w art. średnia wart. maksymalna średnia wartość dla wszystkich manewrów: 20,4 st/min Wielkość zmiany kursu [stopnie] Rys. 1. Prędkość kątowa zwrotu modelu masowca Fig. 1. Rate of turn value for a Bulkcarrier model Szybkość Prędkość kątowa zwrotu [stopnie/min] 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Model statku: Container CONTAINER w art. średnia w art. maksymalna średnia wartość dla wszystkich manewrów: 31,8 st/min Wielkość zmiany kursu [stopnie] Rys. 2. Prędkość kątowa zwrotu modelu kontenerowca Fig. 2. Rate of turn rate value for Container model Biorąc pod uwagę statyczną formę realizacji funkcji manewru próbnego z możliwością wprowadzenia opóźnienia wykonania manewru (delay time), zarejestrowano również czasy trwania manewrów zmiany kursu (tab. 2). Analizując zawarte w niej wyniki można stwierdzić, iż dla modelu masowca wprowadzenie 2-minutowego czasu opóźnienia właściwe jest dla manewrów zmiany kursu do 40, natomiast dla zwrotów w zakresie 40 do 70 konieczne jest już wprowadzenie 3-minutowego opóźnienia. W przypadku modelu kontenerowca dla zwrotów do 70 wystarcza wprowadzenie opóźnienia czasowego równego 2 minutom. 118

7 Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA Tabela 2 Model statku Czas wykonania manewru zmiany kursu Time of ship course alteration Wielkość zmiany kursu Bulkcarrier 1 m 24 s 1 m 38 s 1 m 52 s 2 m 07 s 2 m 22 s 2 m 35 s 2 m 55 s 3 m 10 s 3 m 27 s Container 0 m 44 s 0 m 57 s 1 m 07 s 1 m 20 s 1 m 33 s 1 m 45 s 2 m 01 s 2 m 15 s 2 m 29 s 2.2. Scenariusze testowe W celu określenia błędu prognozy manewru zapobiegawczego (uzyskanej z wykorzystaniem funkcji TRIAL) przeprowadzono symulacje, polegające na dokładnym wykonaniu wcześniej wypracowanego manewru. Punktem wyjścia był jeden z przedstawionych w tabeli 3 scenariuszy początkowych. Dane początkowe symulowanych scenariuszy testowych Initial scenarios data Scenariusz Model statku Dane statku własnego Dane obiektu 1 Bulkcarrier K w = 000 ; V w = 14,5 w 2 Container K w = 000 ; V w = 23,8 w 3 Bulkcarrier K w = 000 ; V w = 14,5 w 4 Container K w = 000 ; V w = 23,8 w Tabela 3 K o = 180 ; V o = 14,5 w NR = 000 ; D = 7,0 Mm K o = 180 ; V o = 14,5 w NR = 000 ; D = 8,45 Mm K o = 270 ; V o =14,5 w NR = 045 ; D = 6,5 Mm K o = 031,5 ; V o = 14,5 w NR = 000 ; D = 7,0 Mm Początkowa pozycja obiektu uzależniona była od rodzaju spotkania (statki na kursach przeciwnych lub na kursach przecinających się) oraz wykorzystywanego modelu statku (masowiec lub kontenerowiec). Manewr planowany był zawsze w momencie, gdy echo znalazło się w odległości 5 Mm od statku własnego i z założenia polegał na zmianie kursu w prawo. 3. Zestawienie i analiza uzyskanych wyników W trakcie przeprowadzonych prób dla każdego wariantu scenariusza określone zostały wartości planowanego manewru zapobiegawczego dla dwóch założonych odległości mijania oraz faktycznie uzyskane wartości CPA. Ich porównanie pozwoliło na weryfikację dokładności planowania opisanych wcześniej wariantów funkcji manewru próbnego, a mianowicie: 119

8 Wiesław Juszkiewicz statycznej formy planowania bez opóźnienia czasowego (FAR 2805, Atlas 9800, Rascar Sperry) SFP(0); statycznej formy planowania z możliwością wprowadzenia opóźnienia czasowego manewru (FAR 2805, Atlas 9800) SFP(2); dynamicznej formy planowania manewru (DB7) DFP; obszary zagrożenia kolizyjnego (Rascar Sperry) PAD. Rezultaty planowania i wykonania manewru zapobiegawczego dla CPA limit = 1 Mm Results of anticollision manoeuvre planning and execution for CPA limit = 1 NM Zaplanowany manewr zapobiegawczy SFP(0) SFP(2) DFP PAD Scenariusz Scenariusz Scenariusz Scenariusz Uzyskana wartość CPA SFP(0) SFP(2) DFP PAD Scenariusz 1 0,90 1,00 0,90 1,10 Scenariusz 2 0,90 1,05 1,10 1,10 Scenariusz 3 0,95 1,10 0,90 1,10 Scenariusz 4 1,00 1,20 0,85 1,20 Tabela 4 Rezultaty planowania i wykonania manewru zapobiegawczego dla CPA limit = 2 Mm Results of anticollision manoeuvre planning and execution for CPA limit = 2 NM Zaplanowany manewr zapobiegawczy SFP(0) SFP(2) DFP PAD Scenariusz Scenariusz Scenariusz Scenariusz Uzyskana wartość CPA SFP(0) SFP(2) DFP PAD Scenariusz 1 1,65 1,85 1,80 1,90 Scenariusz 2 1,75 2,15 1,85 2,10 Scenariusz 3 1,85 2,05 2,05 1,70 Scenariusz 4 1,90 2,20 1,95 1,90 Tabela 5 120

9 Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA Analizując uzyskane wyniki symulacji należy stwierdzić, że dla planowanego CPA limit = 1 Mm, założona odległość minięcia się obiektów została osiągnięta jedynie w 2 przypadkach, a mianowicie dla: statycznej metody planowania manewru zapobiegawczego z opóźnieniem czasowym równym 2 minutom, wykorzystania obszarów zagrożenia kolizyjnego. Dwa pozostałe warianty planowania manewru zapobiegawczego pozwalały na wypracowanie manewrów, zapewniających minięcie się w odległości od 1,5 do 0,5 kabla mniejszej niż planowana. W przypadku planowania akcji zapobiegawczej dla CPA limit = 2 Mm ponownie najlepsze rezultaty uzyskano dla statycznej metody planowania akcji zapobiegawczej z wprowadzonym opóźnieniem czasowym równym 2 minutom. Pozostałe warianty w większości przypadków powodowały zaplanowanie zbyt małych manewrów, niezapewniających uzyskania w efekcie ich wykonania zakładanej, minimalnej odległości minięcia się ze śledzonym obiektem. Zakończenie Przeprowadzony w symulatorze radarowym eksperyment miał za zadanie weryfikację dokładności prognozy manewru zapobiegawczego, uzyskanej w trakcie wykorzystania funkcji TRIAL. Na dokładność takiej prognozy wpływ ma wiele czynników. Można tu zaliczyć przede wszystkim: dokładność wyliczonych danych obiektów, dokładność informacji o ruchu statku własnego, jak i sam sposób realizacji funkcji w danym typie urządzenia. Analizując dopuszczalne warianty funkcji TRIAL spotykane w różnych typach urządzeń ARPA i ich możliwości, może się wydawać, iż najpewniejszą prognozę powinna zapewnić dynamiczna forma prezentacji manewru próbnego. W tym przypadku nawigator powinien zadbać jedynie o prawidłowe ustawienie wartości parametrów turn rate i speed rate. Przeprowadzony eksperyment nie potwierdził takiego intuicyjnego podejścia. Okazało się, że mimo dokładnego określenia średniej wartości parametru turn rate (dla wykorzystywanych w próbach matematycznych modeli statków), wypracowane manewry zmiany kursu były zbyt małe i nie zapewniły w efekcie wykonania manewru osiągnięcia zakładanej najmniejszej odległości minięcia. Wprowadzenie czasu opóźnienia wykonania manewru w statycznej formie planowania pozwoliło uzyskać lepsze rezultaty (należy jednak pamiętać, że wprowadzone opóźnienie czasowe należy w tym przypadku traktować jako czas na wykonanie planowanego manewru, a nie moment jego rozpoczęcia). Pod względem dokładności planowania przy mniejszych zakładanych odległościach minięcia na uwagę zasługuje wykorzystanie funkcji PAD. Jednak planowanie większych zwrotów (przy CPA limit = 2 Mm), gdy występuje większa 121

10 Wiesław Juszkiewicz redukcja prędkości statku własnego (nieuwzględniana podczas planowania) pogarsza dokładność planowania, nie zapewniając uzyskania planowanego CPA. Weryfikacja dokładności planowania akcji zapobiegawczej i upowszechnienie tej wiedzy wśród użytkowników urządzeń antykolizyjnych jest bardzo istotna z punktu widzenia bezpieczeństwa żeglugi. We wszystkich dokumentach szkoleń dotyczących wykorzystania urządzeń ARPA można znaleźć uwagę o tym, że szczególny nacisk powinien zostać położony na przekazanie informacji o ograniczeniach tych urządzeń oraz problemie związanym ze zbyt dużym zaufaniem do wskazań ARPA. W tym kontekście istotne jest zwrócenie uwagi nie tylko na dokładność danych o śledzonych obiektach prezentowanych w meldunkach radarowych, ale także na dokładność funkcji manewru próbnego, ponieważ jej niewłaściwe wykorzystanie i zbytnie zaufanie do wypracowanych z jej pomocą manewrów zapobiegawczych może doprowadzić do powstania sytuacji kolizyjnych. W kontekście przeprowadzonych badań należy stwierdzić, iż wykorzystując funkcję manewru próbnego powinno się zawsze planować manewr nieco bardziej wydatny niż minimalny uzyskiwany z funkcji TRIAL, zwłaszcza podczas pracy na urządzeniu, którego dokładność i pewność wskazań nie została zweryfikowana w praktyce. Literatura 1. Bole A.G., Dineley W.O., Radar and ARPA Manual, Butterworth Heineman, Oxford Juszkiewicz W., ARPA radar z automatycznym śledzeniem echa, WSM, Szczecin Juszkiewicz W., Dokładność planowania i wykonania akcji zapobiegawczej z wykorzystaniem funkcji manewru próbnego, I Konferencja Naukowo- Techniczna (Bezpieczeństwo żeglugi), WSM, Szczecin Norcontrol Simulation NMS-90, Instructor s Reference Manual. 5. Rezolucja IMO A.823 (19) wraz z załącznikami. Recenzent dr hab. inż. kpt.ż.w. Adam Weintrit, prof. AM w Gdyni Adres Autora Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. dr inż. Wiesław Juszkiewicz Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego 122

11 Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA Wały Chrobrego 1-2, Szczecin, wjusz@am.szczecin.pl 123