UCHACZ Waldemar 1 Rozmieszczenie stacji radarowych w systemie VTS WSTĘP Podstawowym celem tworzenia systemu ruchu statków VTS (Vessel Traffic Service System Kontroli Ruchu Statków) do obsługi i zarządzania ruchem, jest usprawnienie ruchu oraz poprawa bezpieczeństwa żeglugi przybrzeżnej i śródlądowej. Dotyczy to w szczególności bezpieczeństwa żeglugi na obszarach ograniczonych, w tym w szczególności wód wewnątrzportowych i podejściowych do portów. Dzięki rozwiązaniom stosowanym w systemach VTS, oprócz poprawy bezpieczeństwa i wzrostu intensywności ruchu statków, uzyskano istotne korzyści finansowe z szybszej obsługi statków przez port. Administracje lokalne odpowiedzialne za ochronę środowiska morskiego i przyległych obszarów przybrzeżnych, biorą szczególnie pod uwagę stosowanie takich systemów, ponieważ znaczny wzrost wielkości statków i gęstości ruchu, powoduje wzrost zagrożenia dla środowiska ze względu na różne rodzaje wypadków morskich. Rezolucja IMO A.857 [2] przedstawia cele stosowania systemów VTS w następujący sposób : "Zarządzanie ruchem statków VTS ma na celu poprawę efektywności żeglugi, poprawę bezpieczeństwa życia na morzu i ochrony środowiska morskiego na obszarach przybrzeżnych i przyległych oraz zabezpieczenie instalacji offshore od niekorzystnych skutków ruchu statków. VTS spełniając określone zadania postawione przez lokalną administrację morską, wymaga przygotowania odpowiedniego personelu, zapewnienie właściwego wyposażenia technicznego i opracowania skutecznych procedur dla obsługi. Na standardowy system VTS składa się sieć urządzeń, które mogą obejmować: radary i radary ARPA - będące głównym źródłem informacji o pozycji i ruchu statków w obszarze objętym monitoringiem, kamery CCTV - wykorzystywane do kontroli ruchu statków w obszarach, które nie pozwalają na przeprowadzenie właściwej kontroli radarowej i identyfikacji statków wodnych, konsole zobrazowania obrazu radarowego - stosowane w połączeniu z mapami elektronicznymi. 1. SYSTEM KONTROLI RUCHU STATKÓW Tworzenia systemów kontroli ruchu statków na obszarach ograniczonych, takich jak akweny portowe, nie jest proste do realizacji. Każdy port ma swój własny układ przestrzenny i specyfikę, stąd wprowadzenie nowego systemu VTS wymaga stosowania innych technologii. Prowadzi to do rozważenia wielu opcji i wymaga przeprowadzenia wielu obliczeń analitycznych, badań modelowych i symulacyjnych. Podstawowym źródłem informacji w systemie VTS o sytuacji na torach wodnych i na terenach portowych są stacje radarowe. Zasadniczym warunkiem w systemie monitoringu radarowego VTS jest wykrycie obiektu za pomocą radaru, a następnie identyfikacja echa na tle obiektów stałych oraz innych jednostek fizycznych i zakłóceń. Radary stosowane w systemach VTS muszą spełniać pewne międzynarodowe normy i posiadać pewne wspólne cechy: wykrywanie obiektów określonej wielkości, wykrywanie obiektów w monitorowanym obszarze przez VTS, wykrywanie i śledzenie obiektów w trudnych warunkach hydrometeorologicznych, zapewnienie odpowiedniej dokładności pomiaru parametrów ruchu statków, 1 Akademia Morska w Szczecinie; ul. Wały Chrobrego 1; 70-500 Szczecin. Tel. +48 91 48-09-391, Fax. +48 91 48-09-466, E-mail: w.uchacz@am.szczecin.pl. 6493
rozróżnianie obiektów pływających od obiektów stałych (statków kotwiczących, radiolatarni, itp.). Śledzenie radarowe jest głównym źródłem informacji o statkach w systemach VTS. Optymalna lokalizacja brzegowych stacji radarowych na terenach podejściowych i portowych związana jest z wieloma problemami [3]. Każdy z budynków na terenie portu może być źródłem powstawania przysłonięć i martwych sektorów, które będą utrudniać obserwacje. Ogólnie można powiedzieć, że obiekt, który powodujący powstawanie martwego sektora to taki, którego pozycja znajduje się na kierunku między anteną radaru i obiektem, który powinien być śledzony. Taki obiekt charakteryzują trzy podstawowe cechy: położenie obiektu, wymiary obiektu, konstrukcja obiektu. Biorąc pod uwagę położenie obiektu, należy określić, czy leży on na kierunku impulsów radarowych wysyłanych z anteny do żądanego obiektu. Obszar portu obejmuje tory wodne, kanały i baseny portowe, w pobliżu których znajdują się budynki, magazyny, sprzęt przeładunkowy, i in. Są one umieszczone w różnych miejscach w odniesieniu do położenia anteny. Jeśli którykolwiek z tych obiektów znajduje się między anteną a obiektem śledzonym, zwiększa to prawdopodobieństwo, że będzie to przeszkodą w śledzeniu obiektów. Wymiary tego obiektu decydują o wielkości cienia i sektora martwego. Jeżeli wysokość przeszkody jest wyższa niż wysokość statku, to obiekt znajduje się w strefie cienia i obiekt może być niewykryty. Ważnym elementem jest konstrukcja przeszkody. W przypadku konstrukcji ażurowej, należy się spodziewać, że obiekt będzie wykryty. Jednakże, jeśli obiekt ten jest wykonany z litego materiału, odbijającego mikrofale, spowoduje to przysłonięcie prze obiekty portowe. Tab.1. Wybrane parametry systemów VTS w zależności od typu systemu Parametry Podstawowy Standard Rozszerzony Predykcja czasu i położenia X CPA X X X TCPA X X X Śledzenie statków kotwiczących X Wektor statku X X X Kurs, prędkość i identyfikacja statku X X X Sygnalizacja kolizji X X X Źródło: [1] Projektując system VTS pod kątem pokrycia akwenu obserwacją radarową, należy uwzględnić następujące czynniki: 1. Tor wodny a. odcinek prostoliniowy i. długość, ii. szerokość, iii. linia brzegowa. b. zakole i. szerokość, ii. promień krzywizny, iii. kąt zakola. c. obiekty stałe na torze (znaki nawigacyjne) d. przeszkody na torze i. most, ii. obiekty przysłaniające sygnał radarowy: budowle, drzewa, linia brzegowa. 6494
2. Warunki atmosferyczne a. Opady atmosferyczne, b. Fale morskie (odbicia od fal). 3. Typ systemu a. Podstawowy (tylko śledzenie, z sektorami bez pokrycia), b. Standardowy (jeden radar, pełne pokrycie), c. Zaawansowany (wiele radarów). Projektując system radarowy na użytek VTS, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: a. Antena i. Długość, ii. Wysokość zamontowania. b. Nadajnik i. Moc nadajnika, ii. Pasmo częstotliwości, iii. System przesyłania sygnału do centrum, iv. Zasianie anteny i nadajnika. c. Konsola (oprogramowanie zobrazowania syntetycznego) d. Koszt e. Niezawodność f. Serwis g. Gwarancja Jako przykład złożoności problemu rozmieszczenia stacji radarowych w systemie VTS ze względu na zróżnicowanie terenu, przedstawiono obszar toru wodnego Świnoujście - Szczecin łączącego Morze Bałtyckie (poprzez Zatokę Pomorską) z portami Szczecin, Świnoujście, Police. Nadzór i koordynację ruchu sprawują Kapitanaty Portu w Świnoujściu i Szczecinie. Na rys. 1 i 2 przedstawiono mapki akwenu z podziałem zakresu odpowiedzialności terytorialnej między kapitanatami. 6495
Rys. 1. Obszar nadzoru ruchu statków Kapitanatu Portu Świnoujście Źródło: www.ums.gov.pl Rys. 2. Obszar nadzoru ruchu statków Kapitanatu Portu Szczecin Źródło: www.ums.gov.pl 2. MATEMATYCZNY MODEL OPTYMALIZACJI Badania operacyjne dostarczają skutecznych narzędzi do modelowania i rozwiązywania problemów optymalizacyjnych, m.in. tzw. problemów porycia [4, 5]. Przedstawiony poniżej model matematyczny, pozwala na optymalne rozmieszczenie stacji radarowych, po przyjęciu następujących założeń upraszczających: tor wodny na którym rozmieszczane są stacje obejmuje odcinek zasięg radaru obejmuje obszar z w osi x, tj. dla radaru umieszczonego w punkcie toru, obszar pokrycia wynosi obszar pokrycia w osi y nie stanowi ograniczenia względem szerokości toru, obszary pokrycia toru przez dwa dowolne radary na torze są rozłączne (nie pokrywają się). Sytuację na torze w przypadku rozmieszczenia dwóch radarów na torze przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Pokrycie toru przez sygnał radarów umieszczonych w punktach x i oraz x j Należy znaleźć położenie radarów maksymalizujących pokrycie toru obrazem radarowym. Przyjęto oznaczenia: 6496
z zasięg radaru w osi x ( na lewo i prawo względem punktu posadowienia radaru) początkowy punkt toru, końcowy punkt toru, km toru, na którym zlokalizowano stacje odpowiednio i tą i j tą, n liczba radarów dostępna do rozmieszczenia na torze, Ze względu na rozmieszczenie stacji na torze na odcinku, można zapisać: Ze względu na to, że i ta stacja radarowa może ale nie musi zostać rozmieszczona na torze, wprowadzono zmienne binarne (1) (2) Ograniczenie na rozmieszczenie stacji radarowych na torze można wobec tego zapisać: ) (3) dla każdego, M dostatecznie duża liczba, która czyni nierówności (3) i (4) trywialnymi w przypadku gdy. Z uwagi na koszty rozmieszczenia stacji radarowych w uproszczeniu przyjęto, że obszary pokrycia tory przez sygnał radarowy nie pokrywają się. Ograniczenia gwarantujące niepokrywanie się obszarów pokrycia radarowego toru są następujące: (4) dla każdego. (5) Ograniczenia te można zapisać jako parę ograniczeń alternatywnych: lub (7) (6) Aby wykluczyć wystąpienie dychotomii w modelu, wprowadzono dodatkowe zmienne binarne. Można wobec tego zapisać: (8) (9) (10) 6497
Nierówność (10) gwarantuje, że co najwyżej jedną z nierówności (8), (9) będzie trywialna. Ponieważ nierówności (8), (9), (10) zapisuje się tylko dla stacji rozmieszczonych na torze, tj. dla których i, więc nierówność (10) można zapisać: Kompletny model będzie więc wyglądał następująco: (11) dla każdego, ) (12) (13) (14) (15) (16) dla każdego. Jako funkcję celu przyjęto kryterium takiego rozmieszczenia stacji radarowych, aby pokrycie toru było maksymalne. Z uwagi na ograniczenia wykluczające pokrycie tego samego odcinka toru przez różne stacje, kryterium optymalizacji można osiągnąć maksymalizując liczbę stacji radarowych: Powyższy problem można również zapisać jako model programowania matematycznego liniowego mieszanego, w klasie szeroko rozumianych model pokrycia. Przedstawiony poniżej model pozwala dowolnie uwzględniać różnice obszarów pokrycia przez poszczególne radary (z i ), jak i koszty ponoszone na instalację stacji radarowej (c i ). Przyjmując: z i zasięg radaru i tego w osi x, c i koszt instalacji radaru i tego, początkowy punkt toru, końcowy punkt toru, n liczba radarów dostępna do rozmieszczenia na torze, (17) model można zapisać następująco: (18) przy ograniczeniach: (19) a i - binarne W tabelach 2a, 2b, 3a, 3b zestawiono wyniki uzyskane z modelu dla wybranych wariantów parametrów Parametry radarów w tabelach 2a i 2b mają te same wartości 6498
analogicznie tabele 3a i 3b. Obliczone wartości parametru a i wskazują, że radar został rozmieszczony na torze (a i =1), bądź nie (a i =0). Tab.2a. Rozmieszczenie radarów w zależności od zasięgu z i i kosztu c i Tab.2b. Rozmieszczenie radarów w zależności od zasięgu z i i kosztu c i z i c i a i x1 15 1,5 1 x2 15 1,5 1 x3 20 2,0 0 x4 20 2,0 0 x5 25 2,5 0 x6 25 2,5 1 x7 35 3,5 0 x8 35 3,5 0 x8 40 4,0 0 x10 45 4,5 1 z i c i a i x1 15 1,0 0 x2 15 1,0 0 x3 20 1,5 1 x4 20 2,0 0 x5 25 2,0 0 x6 25 2,0 0 x7 35 2,5 1 x8 35 3,0 0 x8 40 4,0 0 x10 45 3,0 1 Tab.3a. Rozmieszczenie radarów w zależności od zasięgu z i i kosztu c i Tab.3b. Rozmieszczenie radarów w zależności od zasięgu z i i kosztu c i z i c i a i x1 10 1,0 0 x2 10 1,0 0 x3 15 1,5 1 x4 15 1,5 1 x5 25 2,5 0 x6 30 3,0 1 x7 35 3,5 0 x8 35 3,5 0 x8 40 4,0 1 x10 40 4,5 0 z i c i a i x1 10 0,5 1 x2 10 1,0 0 x3 15 1,5 0 x4 15 2,0 0 x5 25 2,0 1 x6 30 3,0 1 x7 35 3,0 1 x8 35 3,5 0 x8 40 4,0 0 x10 40 4,5 0 PODSUMOWANIE Projektując rozstawienie stacji radarowych na torze wodnych na użytek systemu kierowania ruchem statków, należy uwzględnić wiele czynników. W artykule przedstawiono dwa modele matematyczne optymalnego rozmieszczenia stacji. Oba modele, należące do klasy zagadnień programowania matematycznego liniowego mieszanego, wymagały pewnych założeń upraszczających. Jednym z nich było przyjęcie założenia o nienakładaniu się obszarów pokrycia radarowego. Na obszarach szczególnie niebezpiecznych, takie uproszczenie może być zbyt ograniczające. W dalszych pracach podjęta zostanie próba uogólnienie problemu, zwłaszcza, że z uwagi na mały realny wymiar problemu, nie powinno być problemów z uzyskiwaniem rozwiązań. 6499
Streszczenie Systemy kierowania ruchem statków (VTS) sprawują nadzór oraz kierują ruchem statków na akwenach portowych i wodach podejściowych do portów. Radarowe stacje brzegowe są podstawnymi elementami tego system, zapewniając detekcję i śledzenie obiektów. Z uwagi na zwartą zabudowę obiektów portowych, rozmieszczenie stacji radarowych podlega ograniczeniom. W artykule dokonano analizy czynników mających wpływ na rozmieszczenie stacji radarowych w systemie VTS. Przedstawiono modele matematyczne pozwalające na optymalne rozmieszczenie stacji radarowych na torze. Modele należą do klasy zagadnień programowania matematycznego liniowego mieszanego (PCLM). Radar stations location in vessel traffic system Abstract A vessel traffic system (VTS) is a marine traffic monitoring and controlling system of the movement of vessels on the port water areas. Coastal radar stations are the basic elements of these system to detection and tracking the vessels. However, in the ports of the dense structure and the relatively small size of water areas elements, the use of radar observation causes limitations to achieved of these aims. The paper presents an analysis of the problems connected with radar traffic control on the port water areas. Mathematical models allow for optimal placement of radar stations are presented. Models belong to the class of linear mixed mathematical programming problems (PCLM). BIBLIOGRAFIA 1. IALA: Vessel Traffic Services Manual. Edition 4, Saint Germain en Laye, France 2008. 2. Guidelines for VTS, IMO Resolution A.857.(20), London, 1997. 3. Neumann T.: Metoda wyznaczania lokalizacji brzegowych stacji obserwacyjnych zapewniająca pokrycie monitorowanego obszaru. Rozprawa doktorska. Wydział Transportu i Elektrotechniki. Uniwersytet Technologiczo-Humanistyczny, Radom 2013 4. Uchacz W., Metody modelowania i optymalizacji w symulacji i sterowaniu wybranych systemów transportu wodnego, Seria Studia nr 46, Szczecin 2006, Wydawnictwo AM w Szczecinie. 5. Uchacz W., Optimizations Models in a Vessel Traffic Management Systems, Archive of Transport, Polish Academy of Sciences, Warszawa 2003. 6500