PRACE WYZIAŁU NAWIGACYJNEGO nr 19 AKAEMII MORSKIEJ W GYNI 2006 MAREK KOSTĘPSKI Akademia Morska w Gdyni Katedra Eksloatacji Statku GRZEGORZ RUTKOWSKI Akademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji OMENA STATKU OBCEGO W oracowaniu zarezentowano sosób tworzenia domeny statku obcego na odstawie danych z AIS w systemie ECIS lub alternatywnie ENC. W artykule zaroonowano wzbogacenie akietu rzesyłanych danych w statkowych urządzeniach AIS o informacje, które ozwalałyby na tworzenie domen statków obcych w czasie rzeczywistym odczas odróży morskiej. 1. POSTAWOWE INFORMACJE O AIS Uniwersalny statkowy system automatycznej identyfikacji AIS (Universal Shiborne Automatic Identification System) to system, którego głównym celem jest automatyczna identyfikacja stacji nadawczych (statków) działających w relacji statek statek oraz statek brzeg statek (rys. 1). Statkowe systemy AIS umożliwiają onadto wizualizację w systemie ECIS nastęujących informacji [5]: o wykrytych jednostkach ływających (dane identyfikacyjne statku, informacje dotyczące trasy rzeływu, stonia urzywilejowania wynikającego z ostanowień międzynarodowych rzeisów o zaobieganiu zderzeniom na morzu MPM, liczby osób oraz rzewożonych ładunkach niebeziecznych na statku, a także dane dotyczące aktualnej ozycji geograficznej oraz wektora ruchu statku); o bezieczeństwie żeglugi w akwenie, n. lokalne ostrzeżenia nawigacyjne, informacje dotyczące orawności racy oznakowania nawigacyjnego, służby VTS oraz aktualnie mierzonych wartości ryzyka zderzenia. Urządzenia AIS instaluje się: na statkach, na brzegu, jako tzw. urządzenia bazowe i rzekaźnikowe (base and reeater stations), w centrum służby kontroli ruchu statków VTS (Vessel Traffic Service), 60
w jednostkach lotniczych SAR (Search and Rescue), na oznakowaniu nawigacyjnym. Rys. 1. Prezentacja rocesu rozowszechniania informacji za omocą technologii AIS [1] Można wyróżnić dwa tyy statkowych AIS [2]: klasy A rzeznaczony dla statków morskich, na których urządzenie to jest wymagane zgodnie z ostanowieniami Prawidła 19.2.4.1-3 Wymagania dotyczące osiadania rzez statki systemów nawigacyjnych oraz wyosażenia. Wyosażenie statkowe i systemy nawigacyjne (Carriage requirements for shiborne navigational systems and equiment) rozdziału V Międzynarodowej Konwencji o Bezieczeństwie Życia na Morzu SOLAS z 1974 roku znowelizowanej w 2005 roku; klasy B rzeznaczony dla jednostek, na których urządzenie to nie musi być instalowane zgodnie z wymaganiami Konwencji SOLAS (statków o ojemności brutto mniejszej niż 300 odbywających odróże międzynarodowe, statków o ojemności brutto mniejszej niż 500 nieodbywających odróży międzynarodowych oraz na jednostkach rybackich i rekreacyjno-sortowych). ane wysyłane rzez urządzenie AIS tyu A [1] Urządzenie AIS tyu A zgodnie z normami międzynarodowymi rzesyła nastęujące informacje [7]: ANE STATYCZNE: dane identyfikacyjne (numer MMSI, numer IMO, nazwa, sygnał wywoławczy), wymiary statku (długość, szerokość), ozycja anteny statkowego odbiornika radionawigacyjnego odłączonego do AIS w stosunku do środka symetrii statku (imensions A, B, C, ) (rys. 2), ty statku (określony kodem dwucyfrowym), wysokość statku określona jako ionowa odległość od stęki do tou masztu. ane statyczne są wrowadzane rzy instalacji urządzenia i uaktualniane rzy zmianie nazwy i sygnału wywoławczego statku, jego rzebudów owodujących zmianę wymiarów odstawowych lub rzeznaczenia oraz 61
w wyadku zmiany odbiornika radionawigacyjnego odłączonego do AIS miejsca instalacji jego anteny. Są one chronione rzed nieautoryzowanym dostęem. Informacja o wysokości statku jest rzesyłana na żądanie kaitana lub kometentnych władz. Informacja o danych statycznych statku jest rozowszechniana co 6 minut lub na wezwanie odowiednich organów władz; Rys. 2. Pozycja anteny statkowego odbiornika radionawigacyjnego odłączonego do AIS [oracowanie własne] ANE YNAMICZNE: ozycja geograficzna otrzymana ze statkowego odbiornika radionawigacyjnego odłączonego do AIS wraz ze wskazaniem klasy dokładności (dokładność owyżej lub oniżej 10 metrów); czas uniwersalny (UTC) z odbiornika GNSS stanowiącego składową AIS; obliczone rzez statkowy odbiornik radionawigacyjny odłączony do AIS, aktualne wartości kąta drogi nad dnem COG (course over ground) i rędkości nad dnem SOG (seed over ground); kurs z żyrokomasu lub komasu magnetycznego (heading); status nawigacyjny statku wrowadzony ręcznie rzez obsługę, zgodnie z ostanowieniami międzynarodowych rzeisów o zaobieganiu zderzeniom na morzu; rędkość kątowa zwrotu ROT (rate of turn). Odowiedzialny członek załogi owinien wrowadzić i srawdzić aktualny status nawigacyjny i uewnić się, że ozycja geograficzna jest odawana w układzie odniesienia WGS-84. Pozostałe dane są ozyskiwane automatycznie. Informacja o danych dynamicznych statku jest rozowszechniana co 2 sekundy do 3 minut, w zależności od aktualnej rędkości statku i zmian kursu; ANE OTYCZĄCE PORÓŻY: aktualna wartość zanurzenia maksymalnego statku; informacje o rzewożonych ładunkach niebeziecznych, szkodliwych lub zanieczyszczających środowisko (hazardous cargo); ort rzeznaczenia i rzewidywany czas rzybycia statku (ETA); liczba osób na statku wraz z załogą. Informacje dotyczące odróży są wrowadzane ręcznie rzez odowiedzialnego członka załogi i są uaktualniane odczas odróży w razie zmian. ane te są rozowszechniane co 6 minut i na żądanie organów władz; 62
INFORMACJE TYPU SMS: krótka, zawierająca do 126 znaków, informacja dotycząca bezieczeństwa (ważne ostrzeżenia nawigacyjne i hydrometeorologiczne), rzesyłana do określonego statku, gruy statków lub do wszystkich jednostek w danym akwenie. Informacja ta jest wysyłana o wrowadzeniu i na żądanie organów władz. W dalszej części artykułu zastanowimy się, czy informacje rzesyłane rzez statkowe urządzenia AIS okażą się wystarczające do określenia domen statków obcych, oszacowania stref beziecznych oraz ryzyka nawigacyjnego w akwenie. 2. MOELOWANIE TRÓJWYMIAROWEJ OMENY STATKU Pojęciem domena statku [3] nazywa się ewien obszar (domena dwuwymiarowa) lub ewną część rzestrzeni (domena trójwymiarowa) wokół rozatrywanego rzedmiotu lub obiektu (rys. 3), która w sosób obrazowy ozwoli ocenić bezieczeństwo nawigacyjne statku oraz umożliwi określenie jego ryzyka nawigacyjnego. Oznacza to, że ojawienie się dowolnej rzeszkody nawigacyjnej (intruza) wewnątrz domeny statku (obszaru jego wyłączności ), gwałtownie zwiększy ryzyko rowadzenia nawigacji (sterowania ruchem statku) i może w efekcie rowadzić do nieuchronnej kolizji. A zatem tak długo można będzie uznać statek za bezieczny, jak długo ozostanie on jedynym obiektem ruchomym lub stałym w obrębie tej rzestrzeni. a) b) Z Z W Y W X Y S X G S G Rys. 3. Przykładowy zarys rzestrzennego modelu domeny statku z wyszczególnieniem jej głębokości G, wysokości W, szerokości S i długości [3]; a) uroszczony model domeny, b) model domeny złożony Sośród wielu metod modelowania domen statków [4] w niniejszym artykule oddano analizie jedynie metodę uroszczoną modelowania domeny oisaną w racy doktorskiej jednego z autorów [3]. Przykładowy zarys rzestrzennego modelu domeny statku z wyszczególnieniem jej głębokości G, wysokości W, szerokości S i długości został zilustrowany na rysunku 4. 63
Rys. 4. Zarys rzestrzennego modelu domeny statku z wyszczególnieniem jej głębokości G, wysokości W, szerokości S i długości [3] Metodę uroszczoną, olegającą na wyznaczeniu głębokości G, wysokości W, długości i szerokości S oisują wzory [3]: 2 1 BT 3 2,08 G = n Tmax + 0,66 m h f + k CB vd (1) 30 bh BT W = H C + ( n 2) Tmax + t + 0, 66 m h f + dz 2 1 BT 3 2,08 + k CB v 30 d (2) bh BT = ( L + L) + 30,8666t v cos ( Kd KR) + R [ s PC + 30,8666t v cos ( K KR) ] max r d + r (3) m r = ( L L + L) + 30,8666 t v cos( Kd KR) (4) R r d S Bc = + B + 30,8666 trvd sin( Kd KR) + 2 [ s PB + 30,8666 t v sin( K KR) ] + r (5) s s max m 64
S l Bc = + B + 30,8666 trvd sin( Kd KR) + 2 [ s PU + 30,8666 t v sin( K KR) ] + r (6) s s max m gdzie: G W S S dz r l głębokość domeny liczona od linii zanurzenia statku w dół [m], wysokość domeny liczona od linii zanurzenia statku w górę [m], długość domeny liczona od środka układu wsółrzędnych (ozycji anteny radarowej) do jej granicy w kierunku rzed dziobem [m], długość domeny liczona od środka układu wsółrzędnych do jej granicy w kierunku za rufę [m], szerokość domeny statku liczona od wzdłużnej osi symetrii w kierunku na lewą burtę [m], szerokość domeny statku liczona od wzdłużnej osi symetrii w kierunku na rawą burtę statku [m]. 3. KONCEPCJA TWORZENIA OMENY STATKU OBCEGO PRZY WYKORZYSTANIU TECHNOLOGII AIS I WIZUALIZACJI W SYSTEMIE ECIS Autorzy zaroonowali dwa algorytmy wykorzystania informacji z urządzenia AIS do modelowania domeny statku i alarmowania, gdy wystęuje ryzyko zderzenia. Pierwszy algorytm, rzedstawiony na rysunku 5, ukazuje sytuację, w której za ośrednictwem urządzenia AIS rozowszechniane są informacje niezbędne do utworzenia obrazu domen wszystkich obiektów w obliżu i ich wizualizacji w systemie ECIS lub alternatywnie w systemie ENC. ane AIS wzbogacone między innymi o informacje wyszczególnione we wnioskach niniejszego artykułu są rzekazywane do komutera obsługującego ECIS. Po obróbce cyfrowej i modelowaniu zobrazowana sytuacja nawigacyjna jest rzedstawiona na ekranie monitora. Panel kontrolny sygnalizuje moment zagrożenia nawigacyjnego własnego statku, który za omocą ECIS [6] i sygnalizacji dźwiękowo-wizualnej alarmuje oficera nawigatora, a w ostaci krótkiej wiadomości SMS automatycznie zostaje wysyłany orzez AIS do jednostki, której domena została naruszona. Najważniejszą zaletą tego sosobu kształtowania domeny jest to, że nie wymaga on dużych zmian w systemie AIS, a wymaga jedynie wzbogacenia o dodatkowe arametry informacji AIS oraz integracji urządzeń AIS z ECIS za omocą odowiedniego orogramowania. Parametry, o których mowa, to te niezbędne do stworzenia domen statków obcych i rzedstawienia ich na ekranie monitora. Wadą tej koncecji jest jednak to, że może zdarzyć się sytuacja, w której na dwóch statkach owstaną dwie różne domeny tego samego obiektu, co jest 65
sowodowane różnicą orogramowania, zaokrągleń, czy nawet sosobem liczenia domeny. Statek AIS ty A Statek AIS ty B Stacja bazowa (lądowa) AIS Centrum VTS AIS ty A ane AIS AIS antena ane z sensorów własnego statku GPS, GYRO it. odatkowe dane z sensorów statkowych ECIS (ENC) Transonder AIS ECIS (ENC) Software Modelowanie i wizualizacja omeny wszystkich statków WYSŁANIE AIS SMS ecyzja ALARM Analiza ryzyka nawigacyjnego Panel (jednostka) kontrolny 66 Rys. 5. Schemat wykorzystania sygnałów z AIS do tworzenia domeny statku. omena tworzona rzez statkowy system informatyczny oarty na ECIS [oracowanie własne] rugi algorytm (zilustrowany na rysunku 6) rzedstawia sytuację, w której za omocą systemu AIS wysyłane są arametry domen statku własnego. Odbiornik AIS odbiera arametry domen wszystkich obiektów w obliżu. Nastęnie dane te są rzekazywane do jednostki centralnej (komutera) systemu ECIS. Wszystkie obiekty umiejscowione na maie elektronicznej systemu ECIS rzedstawione zostają na ekranie monitora. Podobnie jak w ierwszym algorytmie, anel kontrolny sygnalizuje moment zagrożenia nawigacyjnego własnego statku, który za omocą ECIS i sygnalizacji dźwiękowo-wizualnej alarmuje oficera nawigatora, a w ostaci krótkiej wiadomości SMS automatycznie zostaje wysyłany orzez AIS do jednostki, której domena została naruszona. Jest to sytuacja nazwana rzez autorów real-time dynamic domains, onieważ arametry domen statków są rozowszechniane w czasie rzeczywistym. Zaletą tego sosobu jest ewność, że na każdym statku zobrazowana zostanie dokładnie taka sama domena statku niezależnie od sosobu liczenia, rogramu modelującego. Autorzy artykułu bardziej skłaniają się w tym kierunku, gdyż wymaga on jedynie rzesłania rzez system AIS tylko dodatkowych 6 arametrów: G głębokości domeny statku [m],
W dz r S l S wysokości domeny statku [m], długości domeny statku rzed dziobem [m], długości domeny statku za rufą [m], szerokości domeny statku o lewej burcie [m], szerokości domeny statku o rawej burcie [m]. Jest to roozycja jeszcze dalej idąca, autorzy roonują rzesyłanie rzez AIS wartości (arametrów) domeny bezieczeństwa statku własnego jako informacji dodatkowej w systemie AIS (real-time AIS dynamic domains). Statek AIS ty A Statek AIS ty B Centrum VTS AIS ty A AIS antena Modelowanie i wizualizacja Rys. 6. Schemat wykorzystania AIS wysyłającego arametry domeny statku własnego (real-time AIS dynamic domains) [oracowanie własne] 4. WNIOSKI W artykule zarezentowano koncecję tworzenia domeny statku obcego za omocą technologii AIS i systemu ECIS oraz wykorzystania jej do analizy ryzyka nawigacyjnego. Rozszerzenie informacji AIS o 6 nowych arametrów * ozwoli na orawienie bezieczeństwa i zmniejszenie ryzyka zderzenia. System ECIS zaewnia już tworzenie domen wokół statków czy obiektów Guard Rings, Guard Vectors, system alarmuje również o sytuacjach * Parametry domeny statku własnego. Patrz informacja na temat real-time AIS dynamic domains. 67
niebeziecznych za omocą wskaźników CPA, TCPA. Jednak autorzy zauważyli, że arametry te są niewystarczające, często niedające dostatecznej informacji do odjęcia rawidłowej decyzji. Wielokrotnie w wąskich rzejściach czy odejściach do ortów zdarzają się sytuacje niebezieczne czy nawet kolizyjne nie tylko z jednym statkiem, ale z kilkoma, a nawet kilkunastoma jednocześnie. Właśnie między innymi dla takich sytuacji autorzy zaroonowali tę koncecję, z myślą orawy bezieczeństwa nawigacyjnego jednostek. LITERATURA 1. Kostęski M., The imlementation of AIS technology for the exchange of information at sea, 5th International Conference TST 2005, Gliwice 2005. 2. Międzynarodowa konwencja o bezieczeństwie życia na morzu, 1974 SOLAS, tekst ujednolicony 2002, Polski Rejestr Statków, Gdańsk 2002, znowelizowana 2005. 3. Rutkowski G., Modelowanie domeny statku w rocesie manewrowania w ograniczonych akwenach, rozrawa doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2000. 4. Rutkowski G., Modelowanie głębokości i wysokości domeny statku rzez określenie elementów składowych ionowej rezerwy nawigacyjnej statku, materiały z III Symozjum Nawigacyjnego w WSM w Gdyni, Gdynia 1999. 5. Wawruch R., Uniwersalny statkowy system automatycznej identyfikacji (AIS), Fundacja Rozwoju Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia 2002. 6. Weintrit A., ziula P., Morgaś W., Obsługa i wykorzystanie systemu ECIS. Przewodnik do ćwiczeń na symulatorze, Akademia Morska, Gdynia 2004. 7. Załącznik nr 3 do Rezolucji IMO MSC.74 (69) Recommendation on Performance Standards for Universal Shiborne Automatic Identification Systems (AIS) IMO, Londyn 1998. TARGET SHIP S OMAIN (Summary) In this aer authors resent roject of new method of modelling target shi s domain on system ECIS/ENC by means of the AIS technology. In this aer authors also describe a new roject of data base and data rocessing in AIS system used for rearing the model of target shi s domain in real time during sea assage. 68