PRCE WYDZIŁU NWIGCYJNEGO nr 22 KDEMII MORSKIEJ W GDYNI 2008 KRZYSZTOF STWICKI kademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji MODELOWNIE MNEWRU OSTTNIEJ CHWILI W SYTUCJI KOLIZYJNEJ N MORZU W artykule przedstawiono autorską koncepcję systemu manewru ostatniej chwili w sytuacji kolizyjnej na morzu. Opracowanie dostarcza raczej więcej pytań niż odpowiedzi. Rozważania oparto na przepisach prawidła 17. Międzynarodowych Przepisów Prawa Drogi (MPDM) oraz na rozumieniu znaczenia manewru ostatniej chwili. WPROWDZENIE Prawo drogi na morzu lub inaczej pierwszeństwo drogi statków na morzu reguluje Konwencja w sprawie międzynarodowych przepisów o zapobieganiu zderzeniom na morzu, 1972 wraz z Załącznikiem, bardzo często nazywana w skrócie Konwencją Colregs 1972. Skrót pochodzi od angielskich słów collision regulations, natomiast drugi człon nazwy oznacza rok ustanowienia niniejszej Konwencji. Przepisy szczegółowe określające zachowanie się statków, ich wyposażenie, nadawane sygnały dźwiękowe i świetlne, noszone światła i znaki dzienne zostały uporządkowane w tzw. prawidła (rules). Z punktu widzenia postawionego tematu, najistotniejsze będą prawidła wymijania, czyli grupa prawideł wyznaczająca prawa i obowiązki statków będących na kursach kolizyjnych. 1. PIERWSZEŃSTWO DROGI WEDŁUG KONWENCJI COLREG 1972 Według obowiązujących przepisów Konwencji Colreg, pierwszeństwo drogi przysługuje: każdemu statkowi wyprzedzanemu, statkowi o gorszej zdolności manewrowej w stosunku do statku o określonym stopniu ograniczenia tej zdolności, 80
statkowi o napędzie mechanicznym, któremu przecina kurs z lewej burty inny statek o napędzie mechanicznym, statkowi żaglowemu mającemu wiatr z prawej burty w stosunku do innego statku żaglowego mającego wiatr z lewej burty. 2. OOWIĄZEK ZCHOWNI KURSU I SZYKOŚCI I ETP SPOTKNI Każdy statek mający pierwszeństwo drogi, a będący na kursie kolizyjnym z drugim statkiem, ma obowiązek w tzw. I etapie spotkania zachowania kursu i prędkości (rys. 1). statek mający pierwszeństwo drogi: obowiązek utrzymania kursu i prędkości statek mający obowiązek ustąpić z drogi Rys. 1. Etap I spotkania obowiązek zachowania kursu i prędkości Z punktu widzenia nawigatora na statku (rys. 1) najistotniejszą kwestią na tym etapie spotkania jest odpowiedź na pytanie: jak długo ma on obowiązek utrzymywać kurs i prędkość? Należy pamiętać, że statki i coraz bardziej zbliżają się do siebie, a sytuacja kolizyjna staje się coraz bardziej realna. 3. PRWO DZIŁNI II ETP SPOTKNI Statek mający pierwszeństwo drogi może naruszyć obowiązek utrzymania kursu i prędkości w celu uniknięcia zderzenia lecz dopiero wtedy, gdy stanie się dla niego oczywiste, że statek zobowiązany do ustąpienia z drogi nie zamierza dopełnić swojego obowiązku. Rozpoczyna się wówczas 81
tzw. II etap spotkania (rys. 2). Przez zwrot stanie się dla niego oczywiste należy rozumieć fakt braku jakiejkolwiek reakcji ze strony statku zobowiązanego do ustąpienia z drogi na sygnały dźwiękowe i świetlne nadawane przez statek z pierwszeństwem drogi, mające niejako przypominać o istniejącym obowiązku. Etap ten cechuje zdolność do podjęcia skutecznego działania przez statek mający pierwszeństwo drogi, polegając jedynie na własnym manewrze, a kończy się z chwilą ustania takiej możliwości. Przez działanie skuteczne należy rozumieć działanie zgodne z przepisami oraz zapewniające rozejście się statków w minimalnej założonej odległości. Oficer nawigator na tym etapie spotkania nie ma jednak pełnej swobody wyboru manewru (rys. 2). a dozwolona zmiana kursu: przejście przed dziobem dozwolona zmiana kursu:cyrkulacja niedozwolony kierunek zmiany kursu niedozwolony kierunek zmiany kursu a Rys. 2. Etap II spotkania prawo do działania W takiej sytuacji działaniem dozwolonym na statku jest zwrot w prawo oraz przejście drugiemu statkowi przed dziobem lub wykonanie cyrkulacji, jak również zatrzymanie statku pracą maszyn wstecz i przepuszczenie statku przed dziobem. Zwrotu w lewo należy unikać, gdyż najbardziej prawdopodobnym manewrem statku będzie zwrot w prawo. Należy jeszcze raz podkreślić, że na tym etapie statek, czyli statek mający pierwszeństwo drogi, musi polegać jedynie na własnym manewrze (nie może liczyć na współdziałanie ze strony statku ), dlatego niezwykle ważna staje się znajomość minimalnej odległości a pomiędzy statkami, kiedy podanie komendy na ster gwarantuje jeszcze rozejście się statków. Dalsze zbliżenie pomiędzy statkami jest równoznaczne z końcem etapu prawa do działania i końcem możliwości uniknięcia zderzenia własnym manewrem zgodnym z prawidłami wymijania. Problemem, który należy podjąć na tym 82
etapie spotkania statków jest wyznaczenie odległości a, choć nie należy jej utożsamiać z odległością podjęcia manewru ostatniej chwili. 4. OOWIĄZEK DZIŁNI III ETP SPOTKNI Jeżeli z pewnych przyczyn, które nie są tematem niniejszych rozważań, statek mający pierwszeństwo drogi nie skorzysta z prawa do podjęcia działania na poziomie II etapu spotkania (co traktowane jest przez orzecznictwo morskie jako poważny błąd), musi liczyć się z koniecznością podjęcia tzw. manewru ostatniej chwili. Innymi słowy, prawidła wymijania nakładają na statek mający pierwszeństwo drogi obowiązek podjęcia jakiegokolwiek działania w sytuacji, gdy dwa statki są już tak blisko siebie, że przez wyłączne działanie statku zobowiązanego do ustąpienia z drogi nie da się uniknąć zderzenia (rys. 3). Z jednej strony to bardzo dobrze, że statek mający pierwszeństwo drogi może i musi podjąć absolutnie dowolne działanie mogące w jego ocenie najlepiej przyczynić się do uniknięcia zderzenia, ale pytanie zasadnicze, które zadaje sobie nawigator na statku jest takie: na jakiej podstawie mogę stwierdzić, czy nadszedł już czas lub inaczej, skąd mam wiedzieć, że statki zbliżyły się do siebie na taką odległość, że wyłącznym działaniem statku ustępującego z drogi nie można już uniknąć zderzenia? zwrot w lewo zwrot w prawo dozwolony jest każdy manewr, który najlepiej przyczyni się do uniknięcia zderzenia: manewr ostatniej chwili cyrkulacja w lewo cyrkulacja w prawo Rys. 3. Obowiązek działania III etap spotkania statków i Oficer nawigator na statku mającym pierwszeństwo drogi zna dokładnie zdolności manewrowe tylko i wyłącznie swojego statku. Odległość między statkami i w chwili podjęcia manewru ostatniej chwili jest jedynie odległością szacunkową, intuicyjną (oficer może wyciągać wnioski jedynie na 83
podstawie sylwetki statku, a w nocy tylko na podstawie dwóch, trzech świateł nawigacyjnych), ponieważ nieznane są charakterystyki manewrowe statku, czyli statku mającego ustąpić z drogi. Należy dodać, że tak rozumiany manewr ostatniej chwili wcale nie musi doprowadzić do rozejścia się statków, a jedynie może przyczynić się do uniknięcia zderzenia. Nie można tutaj mówić o skoordynowanym działaniu dwóch statków, gdyż każdy ma już pełną swobodę zmiany kursu; odległości między statkami stają się coraz mniejsze i nie ma już czasu na uzgadnianie manewru. 5. JK ROZUMIEĆ POJĘCIE MNEWRU OSTTNIEJ CHWILI W literaturze przedmiotu trudno doszukać się jednoznacznej definicji manewru ostatniej chwili [1 6]. Z jednej strony manewr ten rozumiany jest jako manewr podjęty przez statek mający pierwszeństwo drogi w celu uniknięcia zderzenia, ale musi on nastąpić jeszcze na poziomie drugiego etapu spotkania. Elementy, które mogłyby wyznaczyć moment zakończenia drugiego etapu spotkania (rys. 4), to zadana odległość między statkami d kr (odległość krytyczna) lub też czas pozostający do zderzenia t kr (czas krytyczny), w którym oficer musiałby podać komendę na ster w celu uniknięcia zderzenia. Rozejście się statków następuje w założonej odległości, uznanej za minimalną, akceptowalną z punktu widzenia bezpieczeństwa statku, oznaczonej symbolem d min. d min d kr Rys. 4. Koniec drugiego etapu spotkania statek mający pierwszeństwo drogi wykonuje cyrkulację 84
Innym akceptowalnym i niejednokrotnie koniecznym rozwiązaniem takiej sytuacji jest przejście statku mającego pierwszeństwo drogi przed dziobem statku ustępującego z drogi w razie braku jakiejkolwiek reakcji z jego strony. Dzieje się tak zazwyczaj na małych kątach kursowych, gdy nie ma już możliwości wykonania pełnej cyrkulacji w taki sposób, aby tor ruchu statku mającego pierwszeństwo drogi znalazł się po prawej burcie statku mającego obowiązek ustąpienia z drogi (rys. 5). d min d kr Rys. 5. Koniec drugiego etapu spotkania statek mający pierwszeństwo drogi przechodzi przed dziobem statku mającego obowiązek ustąpienia z drogi Z drugiej strony manewr ostatniej chwili utożsamiany jest z manewrem wykonanym nie tylko przez statek mający pierwszeństwo drogi, ale przez oba statki: zarówno przez statek mający pierwszeństwo drogi, jak i przez statek ustępujący z drogi. Towarzyszą mu pewne założenia: w spotkaniu biorą udział tylko dwa statki, obydwa są w drodze i widzą się wzrokowo, istnieje ryzyko zderzenia, a ponadto rozpatrujemy sytuację na poziomie trzeciego etapu spotkania. To z kolei wiąże się z pełną swobodą co do kierunku zmiany kursu przez obydwa statki oraz z faktem, że manewr tylko jednego statku może się okazać niewystarczający do uniknięcia zderzenia. Tym razem poszukiwaną odległością jest najmniejsza odległość pomiędzy statkami d MOC, w której podjęcie manewru przez dwa statki spowoduje ich rozejście się na pewnej założonej odległości d min (rys. 6 i 7). Dwa rozwiązania podane na rysunkach 6 i 7 nie wyczerpują oczywiście zbioru możliwych rozwiązań. Jak zostało wcześniej powiedziane, dopuszczalne 85
jest tutaj każde rozwiązanie, które najlepiej przyczyni się do uniknięcia zderzenia. d min d min d MOC d MOC Rys. 6. Wariant I dwa statki wykonują cyrkulację w lewo Rys. 7. Wariant II dwa statki wykonują cyrkulację w przeciwne strony 6. ZSTOSOWNIE SYSTEMU UTOMTYCZNEJ IDENTYFIKCJI STTKU Od lipca 2002 roku postępuje proces wyposażania statków w urządzenia IS (utomatic Identification System), których zadaniem jest automatyczne przesyłanie informacji w relacji statek-statek oraz statek-brzeg-statek. Ogólne wymagania stawiane systemowi IS przez Międzynarodową Organizację Morską są następujące: automatyczna i ciągła praca, wymiana informacji pomiędzy statkami znajdującymi się w zasięgu statkowych radiostacji VHF, zwiększająca możliwość rozpoznania sytuacji, wymiana informacji pomiędzy statkiem i stacją brzegową (włączając wersję dalekiego zasięgu) dla potrzeb VTS oraz do przesyłania raportów o statku, jego ładunku i pasażerach, automatyczne wysyłanie raportów w rejonach objętych obowiązkowym i zalecanym systemem zgłoszeniowym, 86
wymiana informacji dotyczących bezpieczeństwa żeglugi w relacji statek- -statek oraz statek-brzeg-statek, automatyczne przesyłanie na statek lokalnych ostrzeżeń nawigacyjnych (nadawanych obecnie na fonii w paśmie UKF). W 2008 roku upływa termin wyposażenia wszystkich statków w wyżej wymieniony system. System IS wraz z systemami współpracującymi, a więc z systemem GNSS (Global Navigation Satellite System), którym najczęściej jest system GPS oraz systemem ECDIS (Electronic Chart Display and Information System), mógłby stanowić rdzeń sytemu podejmującego decyzje antykolizyjne, tym samym sterującego ruchem statku w małych odległościach wzajemnych, czyli realizującego manewr ostatniej chwili (rys. 8). System manewru ostatniej chwili IS GNSS ECDIS Rys. 8. Schemat blokowy systemu manewru ostatniej chwili wraz z podsystemami IS, ECDIS oraz GNSS Do niedawna nawigator kierujący ruchem statku miał do dyspozycji tylko podstawowe informacje o napotkanych statkach: ich kurs, prędkość, odległości największego zbliżenia oraz czas jego osiągnięcia. Obarczone one były typowymi dla radaru i radarowych automatycznych pomocy nakresowych RP niedoskonałościami, takimi jak wpływem warunków hydrologiczno- -meteorologicznych na możliwości wykrywcze, opóźnieniem czasowym prezentowanej informacji o wektorze ruchu obiektów wykrytych przez radar, niską dokładnością wskazań radarowych automatycznych pomocy nakresowych (błąd mógł sięgać kilkuset metrów). Należy również podkreślić całkowity brak informacji o właściwościach dynamicznych śledzonych obiektów. Wykorzystanie systemu IS całkowicie zmieniło istniejącą sytuację zapewniając wymianę kilku rodzajów danych. Wśród nich należy wymienić: dane statyczne, dane dynamiczne, dane o podróży. 87
Dane statyczne, czyli wprowadzane do pamięci podczas instalacji urządzenia i uaktualniane tylko w momencie zmian głównych parametrów statku przez osoby autoryzowane, tj. producenta. Zaliczamy do nich: numer MMSI, nazwę i sygnał wywoławczy statku, numer IMO, długość i szerokość statku, typ statku, umieszczenie anteny statkowego systemu określania pozycji (np. GPS), podłączonego do IS, w stosunku do kadłuba (w przypadku promów pływających wahadłowo, antena musi być umieszczona w geometrycznym środku statku), wysokość statku (licząc od stępki). Dane dynamiczne są informacjami pochodzącymi z zewnętrznych urządzeń statkowych połączonych z IS. Należą do nich: pozycja jednostki wraz z informacją o jej dokładności ze statkowego systemu określania pozycji, czas określenia pozycji z tego samego odbiornika (UTC czas uniwersalny skoordynowany), KD d (kurs nad dnem) i V d (prędkość nad dnem) liczone przez odbiornik GNSS, kurs statku ze statkowego kompasu (np. żyrokompasu lub kompasu magnetycznego), status nawigacyjny wprowadzany ręcznie przez oficera wachtowego; mogą się tu znaleźć m.in.: statek w drodze, statek nieodpowiadający za swoje ruchy, statek o ograniczonych zdolnościach manewrowych, statek na kotwicy i inne, zgodne z postanowieniami międzynarodowych przepisów o zapobieganiu zderzeniom na morzu, prędkość kątowa statku podczas zwrotu. Dane o podróży są wprowadzane ręcznie i uaktualniane podczas podróży morskiej. Są to: zanurzenie wpisywane na początku podróży (maksymalne zanurzenie), rodzaj niebezpiecznego ładunku na statku informacja ma potwierdzać, czy statek przewozi niebezpieczne ładunki, port docelowy lub pozycja docelowa uaktualniane podczas podróży (udostępniane zgodnie z wolą kapitana lub na żądanie odpowiednich władz), plan podróży udostępniany tylko zgodnie z wolą kapitana lub na żądanie odpowiednich władz (jeżeli plan podróży znajduje się w pamięci odbiornika GNSS, to niektóre urządzenia IS mogą wysłać go automatycznie), 88
liczba osób na statku udostępniana tylko zgodnie z wolą kapitana lub na żądanie odpowiednich władz. Dzięki systemowi IS oficer nawigator posiada daleko większy zasób wiedzy o spotkanym statku niż dotychczas, co z kolei może mieć wpływ na podejmowane decyzje. 7. ZŁOŻENI DL SYSTEMU MNEWRU OSTTNIEJ CHWILI Podczas poszukiwania manewru ostatniej chwili należy pamiętać, że: w każdej rozpatrywanej sytuacji biorą udział dwa obiekty pływające (reguły wymijania zawarte w międzynarodowej Konwencji Colregs dotyczą tylko dwóch statków), każdy z obiektów jest w drodze, co oznacza że nie stoją na kotwicy, mieliźnie i nie są połączone w żaden sposób z lądem, każdy z obiektów porusza się po wodzie (prędkości większe od jednej mili morskiej na godzinę), spotkanie jest przypadkowe, czyli celem żadnego z obiektów nie jest zderzenie z drugim statkiem, obiekty są wzajemnie widoczne, co oznacza że oficerowie w trakcie spotkania mieli możliwość obserwacji wzrokowej drugiego statku. 8. PROPONOWN METOD ROZWIĄZNI PROLEMU Zakłada się, że w systemie manewru ostatniej chwili dostępne są charakterystyki dynamik statków w postaci trajektorii ruchu statków przy zmianach kursu o pewien kąt (zbiór kątów nie obejmuje wszystkich możliwości i jest ograniczony do kątów odległych od siebie o pewien krok). Trajektorie są również dyskretyzowane z pewnym krokiem. Rozwiązanie problemu ma charakter kilkuetapowy. W pierwszym etapie, na podstawie dostępnych stabelaryzowanych charakterystyk, podsystem będzie odbudowywał pełne trajektorie ruchu przy użyciu metod interpolacyjnych. (1) (1) (2) (2) W następnym kroku skonstruowana zostanie funkcja celu f ( t, m, t, m ) oceniająca sytuację, w której statek własny podejmuje manewr m (1) na sekund przed potencjalną kolizją, a statek drugi manewr m (2) (1) na t sekund r przed kolizją. Funkcja celu powinna przyjmować tym mniejszą wartość, im korzystniejszy będzie dany układ manewrów, tzn: r r t (1) r 89
(1) (1) czasy reakcji t oraz t powinny być do siebie zbliżone lub równe sobie, r r manewry mają zostać podjęte możliwie jak najpóźniej, odległość największego zbliżenia statków podczas całego spotkania, z góry zadana przez operatora, powinna być równa wartości d min, Ostatnim krokiem jest znalezienie minimum funkcji f. Z uwagi na trudności w wyznaczeniu gradientu funkcji f, można zastosować 4-wymiarową metodę simpleksową. W tym przypadku metoda ta na początku tworzy simpleks 4-wymiarowy (dla 2 wymiarów jest to trójkąt, natomiast dla 3 czworościan). W następnych iteracjach dokonuje się przekształceń simpleksu zgodnie z algorytmem do chwili, gdy odległość pomiędzy jego wierzchołkami będzie mniejsza od założonej dokładności obliczeń. Przyjmuje się wówczas, że minimum realizuje ten wierzchołek simpleksu, dla którego funkcja celu przyjmuje najmniejszą wartość. 9. PODSUMOWNIE System manewru ostatniej chwili nie mógłby w pełni funkcjonować na podstawie aktualnego formatu danych przesyłanych przez urządzenia IS, gdyż brakuje w nim danych informujących o właściwościach manewrowych drugiego statku. Dopiero znajomość tych parametrów spowodowałaby, że system taki znalazłby zastosowanie w praktyce. Dzięki znajomości parametrów manewrowych obydwu statków, możliwe stałoby się precyzyjne określenie początku III etapu spotkania i dałoby podstawy do określenia minimalnej odległości pomiędzy statkami, przy której są one w stanie uniknąć zderzenia. Należy przy tym założyć, że działanie podejmują dwa statki i jest ono skoordynowane, co byłoby dodatkowym zadaniem systemu manewru ostatniej chwili. Ponieważ człowiek ponosi pełną odpowiedzialność za podejmowane decyzje i niechętnie dzieli się swoimi kompetencjami z jakimkolwiek systemem antykolizyjnym, dlatego po prostu nie ma do takiego systemu zaufania. Intencją niniejszego artykułu jest zaproponowanie rozwiązania w którym człowiek sprawuje pełną kontrolę nad statkiem, czyli ma swobodę podejmowania decyzji, ale do pewnego nieprzekraczalnego momentu. Nawigator wie, że taki moment istnieje, choć absolutnie nie jest w stanie go określić. System zrobi to za niego i przejmie sterowanie statkiem tylko wtedy, gdy człowiek nie jest w stanie podjąć decyzji w odpowiednim czasie, wykona bezpieczny manewr i odda sterowanie ponownie w ręce nawigatora. 90
LITERTUR 1. Cahill R.., Collisions and their causes, The Nautical Institute, London 2002. 2. Cockcroft. N., Lameijer J. N. F., guide to the Collision voidance Rules, utterworth-heinemann, 2004. 3. Gorazdowski S., Międzynarodowe prawo drogi morskiej, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1965. 4. Górski S., The last minute maneuver, European Journal of Navigation, ugust 2004. 5. Rymarz W., Pierwszeństwo drogi na morzu, Technika i Gospodarka Morska, 7/80. 6. Rymarz W., Międzynarodowe Prawo Drogi Morskiej w zarysie, Trademar, Gdynia 2004. 7. Stawicki K., Stosowanie prawidła 17 Konwencji Colreg 1972 w praktyce, XI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Inżynieria Ruchu Morskiego, Szczecin 2005. 8. Stawicki K., Manewr ostatniej chwili w sytuacji kolizyjnej na morzu, XV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna NavSup, kademia Marynarki Wojennej w Gdyni, Gdynia 2006. 9. Weintrit., Stawicki K., Proper action checklists to avoid alarm situation in ECDIS, XI Międzynarodowa Konferencja Naukowa TransComp-2007, Zakopane 2007. 10. Weintrit., Stawicki K., Proper action checklists in alarm situation in ECDIS, XI Międzynarodowa Konferencja Naukowa TransComp-2007, Zakopane 2007. MODELLING OF LST MINUTE MNOEUVRE IN COLLISION SITUTION T SE (Summary) In the paper uthor presents concept of last minute manoeuvre system in collision situation at sea. Paper is putting some question marks rather then giving the answers. uthor focused on rule 17 coming from International regulations for preventing collisions at sea (Colregs) as well on understanding of meaning last minute manoeuvre. It seems there are still some problems to be discovered in near future. 91