AKADEMIA MARYNARKI WOJENNEJ im. Bohaterów Westerplatte

AKADEMIA MARYNARKI WOJENNEJ im. Bohaterów Westerplatte kpt. ż. w. mgr inż. Henryk Śniegocki BADANIE WEKTORA RUCHU STATKU NA TORZE PODEJŚCIOWYM VTS GDAŃSK ROZPRAWA DOKTORSKA PROMOTOR: kmdr prof. dr hab. inż. Andrzej Felski GDYNIA 2002

Spis treści Spis tabel... 3 Spis rysunków... 4 Spis skrótów... 4 Wstęp... 8 1 1. Systemy kontroli i nadzoru ruchu statków... 14 1.1. Historia powstawania systemów... 14 1.2. Akty prawne regulujące prace systemów kontroli i nadzoru ruchu statków... 16 1.3. Zadania systemów VTS... 18 1.4. Charakterystyczne przykłady kolizji w systemach VTS... 18 1.5. Możliwości pozyskiwania przez operatora VTS informacji o wektorze ruchu statku... 22 1.5.1. Informacja uzyskiwana przez radiotelefon UKF... 22 1.5.2. Informacja uzyskiwana przez operatora VTS z konsoli urządzeń systemu... 23 1.5.3. Informacja uzyskiwana z systemu kamer telewizyjnych... 24 1.5.4. Informacja uzyskiwana z obserwacji wzrokowej... 24 1.6. Elementy niezbędne dla planowania trasy ruchu statku w systemie nadzoru i kontroli ruchu statków... 24 1.6.1. Odległość decyzyjna operatora... 25 1.6.2. Warunki hydrometeorologiczne... 25 1.6.3. Parametry statku... 25 1.6.4. Realizacja kontroli i nadzoru ruchu statków... 26 1.7. Wymagane dokładności dla systemu VTS, zawarte w Przewodniku dla Systemów VTS... 26 1.8. Odwzorowanie współrzędnych obiektu śledzonego w systemie VTS. 27 2. Pomiary dokładności wyznaczania wektora ruchu... 31 2.1. Eksperyment badawczy... 32 2.2. Charakterystyka VTS Gdańsk... 36 2.3. Konfiguracja aparatury badawczej zainstalowanej na statkach... 40

2 2.4. Wyposażenie techniczne i konfiguracja systemu VTS Gdańsk... 44 2.5. Warunki meteorologiczne podczas eksperymentu badawczego... 47 3. Badanie wektora ruchu statku... 48 3.1. Uwagi ogólne... 48 3.2. Badanie wektora ruchu dla statku Tukana... 52 3.2.1. Pełna duża cyrkulacja w dużej odległości od stacji radarowej Okres I... 52 3.2.2. Pełna cyrkulacja w małej odległości od Portu Północnego Okres II... 52 3.2.3. Zmienne kursy i stały kurs przy małej prędkości Okres III... 56 3.2.4. Utrzymywanie stałego kursu przy stałej i zmiennej prędkości Okres IV... 58 3.2.5. Manewry kursem przy pełnej prędkości Okres V... 58 3.3. Badanie wektora ruchu dla statku Horyzont II... 62 3.3.1. Badanie wektora ruchu statku dla przejścia prostoliniowego Okres I... 62 3.3.2. Badanie wektora ruchu statku na torze podejściowym do Portu Północnego, podczas wykonywania manewru zig-zag Okres II... 65 3.3.3. Badanie wektora ruchu statku podczas wykonywania manewru prędkością i kursem na prawą burtę Okres II... 70 3.3.4. Badanie wektora ruchu statku na cyrkulacji Okres III... 75 3.3.5. Badanie wektora ruchu statku przy kolejnych zmianach kursu o 45 przy stałej nastawie prędkości Okres IV... 78 3.3.6. Badanie wektora ruchu statku przy wykonywaniu serii zwrotów na prawą burtę przy prędkości wolno naprzód Okres V... 81 3.4. Analiza statystyczna danych... 85 4. Domena niemożności decyzyjnej operatora VTS (DNDO)... 91 Wnioski końcowe:... 99 Literatura... 103 Załącznik... 108

3 Spis tabel Tabela 2. 1. Parametry badanych jednostek.... 40 Tabela 3. 1. Badanie statku Tukana... 49 Tabela 3. 2. Badanie statku Horyzont II... 49 Tabela 3. 3. Model zależności KDd VTS od pozostałych pomierzonych wielkości... 90 Tabela 4. 1. Przykłady DNDO statku... 93

4 Spis rysunków Rysunek 1.1. 1. Obszar działania systemów VTS Gdańsk i VTS Gdynia... 16 Rysunek 1.4. 1. Przebieg kolizji statku żaglowego Pogoria z m/v S. Popławski. Zielone kropki symbolizują wektory ruchu określone przez system VTS, czerwonym kolorem oznaczono rzeczywiste wektory ruchu obu statków.... 20 Rysunek 2.1. 1. Graficzna metoda wyznaczania błędu pomiaru kursu za pomocą dwóch odbiorników systemu GPS... 33 Rysunek 2.2. 1. Obszar działania VTS Gdańsk... 39 Rysunek 2.3. 1. Odbiorniki badawcze zainstalowane na statku Horyzont II. 42 Rysunek 2.3. 2. Antena odbiornika systemu RTK i stanowisko badawczo pomiarowe w kabinie nawigacyjnej m/v HORYZONT II... 43 Rysunek 2.3. 3. Dane rejestrowane z urządzeń zainstalowanych na statku m/s Horyzont II... 44 Rysunek 2.4. 1. Konfiguracja urządzeń zainstalowanych w VTS Gdańsk... 46 Rysunek 3.1. 1. Trasa przejścia statku m/v Horyzont II... 50 Rysunek 3.1. 2. Trasa przejścia statku m/v Zodiak... 50 Rysunek 3.1. 3. Trasa przejścia statku m/v Tukana... 51 Rysunek 3.1. 4. Trasa przejścia statku m/v Tukana... 51 Rysunek 3.2. 1. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu I... 54 Rysunek 3.2. 2. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu II... 55 Rysunek 3.2. 3. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu III... 57 Rysunek 3.2. 4. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu IV... 59 Rysunek 3.2. 5. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu V... 61 Rysunek 3.3. 1. Porównanie badanych wektorów ruchu statku na kursie prostoliniowym przy stałej prędkości... 63 Rysunek 3.3. 2. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego na kursie prostoliniowym przy stałej prędkości... 64 Rysunek 3.3. 3. Porównanie badanych wektorów ruchu statku podczas manewru zig-zag... 68 Rysunek 3.3. 4. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego podczas manewru zig-zag... 69 Rysunek 3.3. 5. Porównanie badanych wektorów ruchu statku przy zwrocie o 80 w prawo przy redukcji prędkości... 73

Rysunek 3.3. 6. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego przy zwrocie o 80 w prawo przy redukcji prędkości... 74 Rysunek 3.3. 7. Porównanie badanych wektorów ruchu statku na cyrkulacji. 76 Rysunek 3.3. 8. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego na cyrkulacji... 77 Rysunek 3.3. 9. Porównanie badanych wektorów ruchu statku na zwrocie o 45 przy stałej prędkości... 79 Rysunek 3.3. 10. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego na zwrocie o 45 przy stałej prędkości... 80 Rysunek 3.3. 11. Porównanie badanych wektorów ruchu statku przy serii zwrotów na prawą burtę i prędkości WN... 83 Rysunek 3.3. 12. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego przy serii zwrotów na prawą burtę i prędkości WN... 84 Rysunek 4. 1. Domena niemożności decyzyjnej operatora... 92 Rysunek 4. 2. Przykładowe domeny dla statków płynących z prędkością V 1 i V 2... 95 Rysunek 4. 3. Domeny 2 statków na torze podejściowym do Portu Północnego płynących z prędkością 6 węzłów... 97 Rysunek 4. 4. Domeny 2 statków na torze podejściowym do Portu Północnego, z których jeden płynie z prędkością 6 węzłów, a statek wykonujący manewr z prędkością 3 węzłów... 98 5

Spis skrótów AIS System Automatycznej Identyfikacji Statków (Automatic Identification System) CN Cała Naprzód D odległość, domena DNDD Domena Niemożność Decyzji Operatora Di długość kwantu F dystrybuanta GPS Global Positioning System Nawigacyjny System Satelitarny IALA International Assotiation of Lighthouse Authorities IMO International Maritime Organisation Międzynarodowa Organizacja Morska KDd Kurs drogi nad dnem KDd GPS Kurs drogi nad dnem wyznaczony za pomocą GPS KDd VTS Kurs drogi nad dnem wyznaczony przez VTS KR Kurs rzeczywisty Kurs GPS kurs statku wyznaczony przez dwa odbiorniki GPS L długość linii bazy LAT - Latitude szerokość geograficzna LON- Longitude długość geograficzna M. błąd pozycji odbiornika GPS MHz megahertz Mm mila morska MSC Maritime Safety Committee Komitet Bezpieczeństwa Morskiego NR namiar radarowy P prawdopodobieństwo R estymator współczynnika korelacji ROT Rate Of Turn szybkość zmiany kursu na minutę sqrt pierwiastek st/min (stopnie/min) stopnie na minutę, szybkość zmiany kursu na minutę t 1 czas wykrycia manewru statku przez system VTS t 2 czas reakcji operatora UKF radiotelefon pracujący na częstotliwości UKF WN wolno naprzód V prędkość VTS Vessel Traffic Services VTMIS Vessel Traffic Management and Information Services V i błąd lokalizacji modemu V GPS prędkość wyznaczona przez odbiornik GPS 6

7 V VTS prędkość wyznaczona przez system VTS węzły/min węzły na minutę, przyśpieszenie X zmienna losowa Y zmienna losowa kwant położenia kątowego O błąd orientacji S błąd synchronizacji d błąd pomiaru odległości α błąd pomiaru kąta Δ błąd odległości ΔKR MAX maksymalny błąd pomiaru kursu ΔNR błąd namiaru ΔP błąd pozycji Δt czas opóźnienia ΔV różnica powiększonych szerokości Δ różnica długości geograficznych długość geograficzna

8 Wstęp Wzrost liczby statków zawijających do portów, zwiększenie ilości przewożonych ładunków niebezpiecznych wymagały zabezpieczenia ruchu statków, szczególnie na podejściach do portów i na akwenach o dużym natężeniu ruchu. Pierwsze systemy kontroli ruchu miały na celu wyłącznie regulację ruchu statków, okazało się jednak, że na obszarach ich działania następował również wzrost bezpieczeństwa. Zaczęto więc zakładać systemy nadzoru i kontroli ruchu statków o szerszym zakresie działań. Współczesną rolę powyższych systemów określa Rezolucja A.857(20) Międzynarodowej Organizacji Morskiej, zatytułowana Guidelines for Vessel Traffic Services... 22. Rezolucja ta definiuje system kontroli i nadzoru ruchu statków (w tej rozprawie określany VTS po angielsku Vessel Traffic Service) jako służbę ustanowioną przez kompetentną władzę w celu zwiększenia bezpieczeństwa i efektywności ruchu statków, oraz w celu skuteczniejszej ochrony środowiska naturalnego. Służba ta musi mieć możliwość ingerencji w ruch statków, aby móc rozwiązywać lub zapobiegać niejasnej albo niebezpiecznej sytuacji na obszarze działania systemu. Wynika to z głównych zadań, jakie stoją przed nawigacyjnymi systemami bezpieczeństwa [31]. Nowoczesne systemy VTS, chociaż coraz sprawniejsze, nie do końca są skuteczne; znane są przypadki kolizji statków w obszarach ich działania. Podczas badań dokładności pracy systemu VTS Gdańsk, w których Autor brał udział w roku 1998, stwierdzono, że wskazania systemu obarczone są błędami. W prezentacji danych o ruchu statków na konsoli operatorskiej występują znaczne opóźnienia, co może powodować niemożliwość skutecznej reakcji operatora. Także nieprawidłowa kalibracja radarów może być przyczyną dużej niedokładności wskazań pozycji 49. Powyższe fakty stały się bodźcem do prowadzenia dalszych badań systemu.

9 Głównym celem niniejszej rozprawy jest zbadanie dokładności określenia kursu i prędkości statku przez system VTS oraz możliwości predykcji tych wielkości, dla uzyskania wiarygodnej informacji o wektorze ruchu statku przemieszczającego się w obszarze działania VTS. Informacja o wektorze ruchu statku jest niezbędna dla realizowania podstawowych funkcji systemu VTS, takich jak: planowanie bezpiecznego przejścia statku przez obszar systemu, rozwiązywanie sytuacji zagrażających bezpieczeństwu ruchu statków, udzielanie asysty nawigacyjnej. Proces decyzyjny w systemie VTS wymaga ciągłej znajomości i kontroli współrzędnych pozycji statku i parametrów jego ruchu 5. Równie ważna jest ocena dokładności wymienionych elementów. Posiadanie dokładnej wiedzy o wektorze ruchu statku jest szczególnie ważne, jeżeli statek płynie torem wodnym, którego szerokość ogranicza możliwości jego manewru, lub gdy znajduje się on w niewielkiej odległości od przeszkody nawigacyjnej albo od innego statku. Dostępna literatura na temat systemów kontroli i nadzoru ruchu statków omawia głównie ich tworzenie, organizację i funkcjonowanie, wskazując, że w sposób znaczny wpływają one na poprawę bezpieczeństwa żeglugi. Brak jest publikacji na temat dokładności urządzeń VTS. Ostatnio pojawiły się prace omawiające dokładność wskazań pozycji statku, prezentowanych na konsoli operatora VTS, mało jest jednak dostępnych danych o dokładności wskazań i możliwości interpretacji informacji o kursie i prędkości statku [19,49]. Wypadki statków, które miały miejsce w obszarach działania VTS są przykładem na to, że dokładności urządzeń VTS są w pewnych sytuacjach

10 za małe, aby operator posiadł wiedzę o zaistnieniu sytuacji kolizyjnej i mógł podjąć skuteczną interwencję. Analizując pracę dotychczasowych systemów VTS, można sformułować następujące wnioski: operator systemu otrzymuje na konsoli operatorskiej informacje o wektorze ruchu statku z nieznaną mu dokładnością i z opóźnieniem, na świecie instaluje się wiele systemów VTS, jednakże dostarczana do nich dokumentacja nie zawiera informacji o dokładności prezentowanych danych, sposobu ich pozyskiwania i przetwarzania; dokumentacja ta mówi, jakie dane są dostępne, nie ma natomiast wskazówek co do poziomu ich wiarygodności i aktualności, dla procesu decyzyjnego rozwiązywania sytuacji kolizyjnej najistotniejszym czynnikiem jest czas uzyskania przez operatora informacji z określonym poziomem wiarygodności. Podsumowując powyższe można sformułować następujące pytania: jaka jest dokładność informacji dostępnej dla operatora VTS o wektorze ruchu statku poruszającego się stałym kursem i ze stałą prędkością, jaki jest wpływ kierunku padania promieniowania radarowego na kadłub statku na dokładność wskazań parametrów ruchu statku na konsoli VTS, jaki jest wpływ manewrów wykonywanych przez statek na opóźnienie jego wykrycia przez system VTS, jaka jest dokładność informacji uzyskiwanej przez operatora VTS o wektorze ruchu statku manewrującego, Wymienione wyżej pytania wynikające z doświadczeń eksploatacyjnych takich systemów usprawiedliwiają sformułowanie następującej hipotezy roboczej: Informacje o wektorze ruchu statku, pozyskiwane z konsoli operatora,

11 nie zapewniają oczekiwanego poziomu bezpieczeństwa podczas kontroli i nadzoru ruchu statku w systemie VTS. Dla udowodnienia powyższej hipotezy wyodrębniono do zbadania w niniejszej rozprawie następujące zagadnienia: dokładność informacji o kursie i prędkości statku, docierającej do operatora systemu nadzoru i kontroli statków oraz jej analiza; jak wpływa dynamika manewrów statku na dokładność wektora określanego przez VTS; możliwości określania spodziewanej dynamiki manewrów obiektów śledzonych przez VTS; jakie opóźnienia występują w prezentacji zmiany parametrów wektora ruchu statku w systemie VTS; jakie czynniki mają pierwszorzędny wpływ na dokładność wskazań wektora ruchu na konsoli operatora VTS; czy na podstawie danych o wektorze ruchu statku, dostarczanych przez system, operator VTS może zareagować odpowiednio wcześnie, aby uniknąć niebezpieczeństwa. Realizacja postawionych zagadnień wymagała badań; zastosowano metodę eksperymentu i badań statystycznych. Eksperyment badawczy polegał na porównaniu informacji o kursie i prędkości wskazywanych przez urządzenia VTS z informacjami wzorcowymi uzyskanymi z aparatury badawczej zainstalowanej na statkach. W efekcie stwierdzono, że systemy VTS nie zapewniają szybkiego przekazywania informacji, a zatem nie zapewniają w pełni bezpieczeństwa żeglugi, co doprowadzało lub może doprowadzić do wypadku. Koszty badań dokładności wskazań systemu VTS są wysokie, gdyż poza specjalistyczną aparaturą, wymagają zaangażowania statków o różnej

12 wielkości i znacznego zespołu ludzi. Przykładem może być to, że w czasie badań, podczas jednego z przejść m/v "Horyzont II" torem podejściowym do Portu Północnego, operator VTS nie zauważył, że system przejął do śledzenia pławę, obok której statek przepływał, co zniweczyło kilkugodzinne badania i pracę wielu osób. Dodatkowym utrudnieniem było to, iż Autor nie dysponował żadnymi funduszami na ich realizację, więc mógł je przeprowadzać tylko przy okazji innych przedsięwzięć. Układ przedstawionej pracy jest następujący. W pierwszym rozdziale omówiono historię powstawania systemów kontroli i nadzoru ruchu statków na świecie i w Polsce, zwracając uwagę na przykłady kolizji na obszarze działania systemów VTS oraz hipotetyczne przyczyny braku ingerencji operatorów dla zapobieżenia zderzeniom. Następnie podano międzynarodowe podstawy prawne zakładania systemów VTS. W dalszej części rozdziału omówiono możliwości pozyskania przez operatora VTS informacji o wektorze ruchu statku oraz elementy, jakie są mu niezbędne dla planowania trasy przejścia statku przez obszar systemu. Rozdział drugi przedstawia charakterystykę systemu VTS Gdańsk, zastosowaną metodę badawczą z opisem stanowisk badawczych na statkach oraz w systemie VTS Gdańsk. W rozdziale trzecim omówiono wyniki badań. Porównano dokładności wskazań kursu i prędkości badanych statków przy wykonywaniu różnych manewrów kursem i prędkością. Przeanalizowano opóźnienia i wiarygodność prezentowanych danych. Przeprowadzono badania statystyczne uzyskanego materiału badawczego. W efekcie referowanych badań zaproponowano zastosowanie pewnego obszaru wokół dziobowej części statku, który jest funkcją jego własności dynamicznych oraz możliwości systemu VTS. Na użytek niniejszej pracy nazwano go domeną niemożności decyzyjnej operatora odkładając na później poszukanie zgrabniejszego terminu.

13 Pracę kończą wnioski, w których zestawiono najistotniejsze rezultaty badań oraz wyniki przemyśleń dotyczących dokładności określenia wektora ruchu statku w obszarze funkcjonowania systemów VTS i ewentualnych działań mających prowadzić do poprawy sytuacji. Przeprowadzenie badań będących podstawą niniejszej pracy nie było wykonalne bez pomocy wielu życzliwych osób. Prowadząc eksperyment badawczy korzystałem z pomocy pracowników Inspektoratu Ruchu Morskiego Urzędu Morskiego w Gdyni i operatorów VTS Gdańsk. Szczególnie serdecznie chciałbym podziękować kapitanom statków "Horyzont II", "Zodiak" i "Tukana" oraz kolegom z Katedry Nawigacji Technicznej Akademii Morskiej w Gdyni za bezpośrednią pomoc w badaniach; dr. hab. Michałowi Holecowi za sympatyczną dyskusję nad zagadnieniem badawczym, a dr. Leszkowi Smolarkowi za konsultację analizy statystycznej. Gorąco dziękuję memu promotorowi Panu prof. dr. hab. inż. Andrzejowi Felskiemu za pomoc w sprecyzowaniu tematu badań i życzliwą opiekę naukową.

14 1. Systemy kontroli i nadzoru ruchu statków 1.1. Historia powstawania systemów Powstawanie pierwszych systemów kontroli i nadzoru ruchu statków, we współczesnym rozumieniu, związane było z instalowaniem radarów na lądzie. Pierwsze radary brzegowe zaczęto instalować pod koniec lat 40. Ich zadaniem było umożliwianie pilotom, podczas warunków ograniczonej widzialności, odnajdywanie oczekujących na redzie statków. W roku 1948 radary otrzymują porty Douglas, na wyspie Isle of Man i Liverpool. W latach pięćdziesiątych wiele radarów brzegowych zainstalowano w głównych portach północno-zachodniej Europy, w Kanadzie i w Stanach Zjednoczonych Ameryki. W 1951 roku w porcie Long Beach w USA utworzono centrum kontroli ruchu statków. Centrum to miało radar oraz brzegową stację UKF, co pozwalało na komunikowanie się służby dyżurnej ze statkami nawigującymi na obszarze obserwowanym przez radar [24]. Administracje morskie państw stwierdziły, że budowa systemów radarów brzegowych w rejonach podejściowych do portów i na akwenach o dużym natężeniu ruchu mogą znacznie przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa żeglugi oraz poprawy ochrony środowiska morskiego. Zapewnienie lepszej ochrony środowiska stało się szczególnie ważne po serii katastrof zbiornikowców ( Amoco Cadiz, Torrey Canyon, Metula ). Od lat siedemdziesiątych liczba zakładanych systemów VTS na całym świecie wzrastała bardzo szybko. Opracowanie i wprowadzenie nowych technologii w produkcji radarowych urządzeń śledzących

15 i antykolizyjnych, udoskonalenie środków radiowej łączności głosowej i transmisji danych, wprowadzenie komunikacji satelitarnej, rozwój sprzętu i oprogramowania komputerowego oraz szereg innych osiągnięć technicznych, pozwoliło na stopniowe poszerzanie możliwości operacyjnych i zakresu realizacji zadań przez systemy VTS. W Polsce pierwsze radary portowe pracowały już w latach sześćdziesiątych. Pierwszy nowoczesny system VTS uruchomiono w Gdańsku w 1994 roku. Pracował on w oparciu o sprzęt niemieckiej firmy Atlas Electronic (omówiony w dalszej części pracy), następnie w 1995 roku w Gdyni zainstalowano system pracujący w oparciu o radar firmy Tokimec umieszczony na wieży Kapitanatu Portu oraz oprogramowanie VOC 5000 norweskiej firmy Kongsberg Norcontrol. Oba systemy, VTS Gdańsk i VTS Gdynia, powołane zostały do działania 09.01.1997 roku Zarządzeniem Porządkowym nr 1 dyrektora Urzędu Morskiego w Gdyni 52. Obszar ich działania przedstawiono na rysunku 1.1.1.

16 Rysunek 1.1. 1. Obszar działania systemów VTS Gdańsk i VTS Gdynia W 1999 roku na Zatoce Pomorskiej i torze wodnym Szczecin Świnoujście uruchomiono nowoczesny system kontroli i nadzoru ruchu statków wykonany przez firmę Atlas Electronic [19,28]. Obecnie na Zatoce Gdańskiej Urząd Morski buduje nowoczesny system nadzoru i kontroli ruchu statków. W pierwszym etapie ma on pracować w oparciu o 4 radary zainstalowane w Gdyni, Gdańsku, Górkach Zachodnich i w Helu, 2 radionamierniki UHF (w Helu i Krynicy Morskiej), system łączności radiotelefonicznej i światłowodowej transmisji danych [8]. Ostatnimi czasy obserwuje się kilka tendencji w rozwoju VTS. Jedną z nich jest poszerzanie wachlarza zadań systemów nadzoru ruchu o funkcje organizacyjne w ramach takich rozwiązań, jak VTMIS (Vessel Traffic Management and Information System) 28. Zauważalne jest też dążenie do coraz większej integracji w skali regionalnej i międzynarodowej, połączonej z szeroką wymianą informacji pomiędzy różnymi systemami VTS, zapewniającymi bezpieczeństwo ruchu statków 44. Dla rejonu Morza Bałtyckiego powstał projekt włączenia istniejących na tym obszarze systemów VTS do systemu wczesnego ostrzegania (Early Warning System for Baltic Sea) 2,46]. 1.2. Akty prawne regulujące prace systemów kontroli i nadzoru ruchu statków Pierwszym międzynarodowym aktem prawnym, który miał zastosowanie przy tworzeniu systemów, była Rezolucja A.158 Komitetu Bezpieczeństwa Morskiego (MSC Maritime Safety Committee) z roku 1968, która zalecała, aby rządy państw tworzyły służby poradnictwa w portach i na podejściu

17 do nich, jeżeli występuje tam duży ruch statków, trudne warunki nawigacyjne, czy przeprowadza się operacje z ładunkami niebezpiecznymi 28. Obecnie zasady tworzenia i działania systemów VTS zostały zawarte w Rezolucji IMO A.857(20) [22], która weszła w życie 27 listopada 1997 roku, zatytułowanej "Guidelines for Vessel Traffic Services, including Guidelines on Recruitment, Qualificationand Training of VTS Operators". Rezolucja stanowi, że należy stosować ją łącznie z IALA VTS Manual (przewodnik dla systemów VTS), wydanym przez IALA w roku 1998 i z Rezolucją Maritime Safety Committee 43 (64) "Guidelines and Criteria for Ship Reporting Systems" [22,26]. W roku 1997 Komitet Bezpieczeństwa IMO (IMO Safety Committee) wprowadził do rozdziału V Konwencji SOLAS nowe przepisy odnośnie tworzenia systemów nadzoru i kontroli ruchu statków oraz stosowania odpowiednich przepisów Międzynarodowej Organizacji Morskiej 33. Aby usprawnić współpracę pomiędzy operatorami systemów i statkami Komitet Bezpieczeństwa Nawigacji IMO ( MSC Maritime Safety Committee) zatwierdził Poradnik VTS ( World VTS Guide), który zaleca kapitanom statków korzystanie z przewodników podczas żeglugi w rejonach działania VTS 51. Kapitanowie statków mają do dyspozycji informacje o działających systemach VTS, zawarte w Spisie Sygnałów Radiowych, tom VI [39].

18 1.3. Zadania systemów VTS Zalecenia dla systemów VTS zawarte w Rezolucji IMO A.857(20) z 1997 roku precyzuje, jakie cele powinny realizować systemy VTS [37]. Wskazuje się tam, aby systemy prowadziły następujące służby: informacyjną, która powinna polegać na nadawaniu o stałych porach lub na życzenie statku, informacji niezbędnych dla statków znajdujących się na obszarze systemu, takich jak: raporty o warunkach na torze, o pogodzie, pozycjach statków lub o niebezpieczeństwach, asysty nawigacyjnej, która przeważnie świadczona jest na życzenie statku lub wówczas, gdy operator systemu uzna to za konieczne, kontroli ruchu, polegającej na ingerencji w ruch statków, niemniej operator wydający zalecenia co do zmiany parametrów ruchu statku powinien pamiętać, że ostateczna odpowiedzialność za bezpieczeństwo nawigacji ciąży na kapitanie statku, nadzoru ruchu statków, realizowanej poprzez tworzenie centrów VTS działających w sektorach, których powinno być możliwie najmniej i powinny one być zlokalizowane na obszarach trudnych nawigacyjnie. 1.4. Charakterystyczne przykłady kolizji w systemach VTS Zadaniem operatora systemu jest stała kontrola bezpiecznego przechodzenia statku przez podległy mu obszar, a na żądanie statku podanie wiarygodnych danych o pozycji statku, czy o parametrach jego ruchu lub udzielenie asysty nawigacyjnej w innym zakresie. Niemniej znanych jest

19 wiele przykładów kolizji statków w obszarach działania systemów kontroli i nadzoru ruchu statków. W 1981 roku polski jacht Pogoria płynąc z Morza Północnego do Hamburga, zderzył się z innym polskim statkiem Generał Stanisław Popławski [34]. Obydwa statki przemieszczały się w obszarze działania VTS, były śledzone przez brzegowe stacje radarowe. Jeszcze 8 minut przed kolizją (ok. godz.00 07) operator stacji Neuwerk II informował pilota na m/v Stanisław Popławski o idących kontrkursem dwóch echach, nie mając do ich ruchu zastrzeżeń. Z pierwszym echem Popławski minął się bezpiecznie. Drugim było echo s/y Pogoria. O godzinie 00 13 obydwa statki znajdowały się ok. 1700 m od siebie, a już 2,5 minuty później zderzyły się ze sobą. W czasie, gdy echo Pogorii znajdowało się na kącie kursowym 15 20 lewej burty statku m/v Popławski operator VTS poinformował pilota na statku Stanisław Popławski, że statek idzie na niego. Pomimo tego, że operator VTS na swoim wskaźniku zauważył wcześniej, niż oficerowie Popławskiego kolizyjny manewr Pogorii, to i tak ostrzeżenie to przyszło za późno. Statki zbliżały się do siebie kontrkursami z prędkością względną 22 węzłów. W momencie otrzymania ostrzeżenia od operatora, kapitan Popławskiego na ekranie swojego radaru zauważył, że echo statku przeciwnego skręciło gwałtownie w lewo i zbliża się do środka ekranu. W tym momencie odległość do echa wynosiła w przybliżeniu 1 kabel. Jeżeli założymy, że system VTS zaprezentował wykonanie manewru przez Pogorię z co najmniej jednominutową zwłoką, to możemy ustalić, że w momencie rozpoczęcia manewru przez Pogorię oba statki znajdowały się od siebie w odległości 5 kabli.

20 Rysunek 1.4. 1. Przebieg kolizji statku żaglowego Pogoria z m/v S. Popławski.

21 Zielone kropki symbolizują wektory ruchu określone przez system VTS, czerwonym kolorem oznaczono rzeczywiste wektory ruchu obu statków. Gdyby informacja o kolizyjnym kursie "Pogorii" została przekazana przez operatora na m/v Popławski o 30 sekund wcześniej, to łatwo sprawdzić, że odległość między nimi w tym momencie wynosiłaby 3 kable, co dałoby kapitanowi Popławskiego możliwość wykonania skutecznego manewru antykolizyjnego i być może również nawiązania łączności z Pogorią w celu ostrzeżenia, że płynie kursem kolizyjnym. Na rysunku 1.4.1. przedstawiono przebieg kolizji pomiędzy statkiem żaglowym Pogoria i m/v Stanisław Popławski, wektor zielony przedstawia kąt drogi nad dnem, obserwowany przez operatora VTS na konsoli systemu, kolorem czerwonym oznaczono wartości rzeczywiste wektorów ruchu obu statków. Innym przykładem kolizji z udziałem polskiego statku na obszarze działania VTS jest zderzenie się m/v Władysław Jagiełło z panamskim samochodowcem m/v Aya na rzece Skaldzie, na podejściu do Antwerpii [35]. 30 października 1993 roku Jagiełło płynął w dół Skaldy, przy słabej widoczności i wietrze NNW 2 B. Do zderzenia doszło na środku rzeki. Polski statek doznał uszkodzenia dziobowej części kadłuba, a statek panamski przebicia kadłuba, po czym zatonął. Przed kolizją m/v Władysław Jagiełło zaczął wykonywać cyrkulację w prawo, m/v Aya, który do tego czasu (przez ostatnie 1,5 minuty) szedł kursem około 160 stopni, zmienił kurs w lewo i po niecałych 20 s doszedł do kursu 151 stopni, wtedy ponownie zmienił kurs w prawo. Tak więc przed wypadkiem, przez około 0,5 minuty obydwa statki skręcały w prawo. Zderzyły się lewymi burtami pod kątem 35 stopni. W przypadku obu kolizji ingerencja operatora VTS przyszła za późno ( Pogoria ) lub w ogóle jej nie było ( Jagiełło ). Analizując przedstawione kolizje należy zadać sobie pytanie, dlaczego takiej ingerencji nie było?

22 Odpowiedzią mogą być następujące wnioski: 1. Oba wypadki miały miejsce w sytuacji, gdy statki przed zderzeniem znajdowały się od siebie w niewielkiej odległości i płynęły nie zmieniając kursów, a manewry wykonały w ostatniej chwili przed kolizją. 2. Prezentacja parametrów ruchu statków na monitorze obserwatora była opóźniona w czasie. 3. Opóźnienie to spowodowało, że informację o wypadku statków znajdujących się w bardzo niewielkiej odległości od siebie i manewrujących bezpośrednio przed kolizją, operator uzyskał już po fakcie. 4. Na torach podejściowych do portu, na których statki nawigowały, minęły się one nie według planu, i za blisko siebie, dlatego przy istniejącym opóźnieniu prezentacji danych na konsoli systemu operator nie miał możliwości interwencji w przypadku powstania nagłej sytuacji kolizyjnej. Analiza tych wypadków stanowi dodatkowe potwierdzenie słuszności sformułowanej hipotezy roboczej. 1.5. Możliwości pozyskiwania przez operatora VTS informacji o wektorze ruchu statku 1.5.1. Informacja uzyskiwana przez radiotelefon UKF Operator VTS otrzymuje przez radiotelefon UKF, od kapitana statku, meldunek o wejściu w obszar systemu. Elementami meldunku są między innymi dane o pozycji, kursie i prędkości statku. Meldunek jest zazwyczaj składany, gdy statek zachowuje stałe parametry ruchu. Pozwala to operatorowi na porównanie wskazań prezentowanych przez system, ze wskazaniami urządzeń statkowych (żyrokompas, log). Należy jednak

23 pamiętać, że porównania tego nie można odnieść do sytuacji, gdy statek manewruje. Radiotelefon pozwala także operatorowi zweryfikować swoje informacje o statku w punktach meldunkowych lub po wykonanych przez statek manewrach. 1.5.2. Informacja uzyskiwana przez operatora VTS z konsoli urządzeń systemu Na konsoli operator ma możliwość śledzenia ech statków i ich ruchu na podstawie obrazu radarowego, system prezentuje też między innymi następujące dane, dotyczące wybranego echa: namiar, odległość, kąt drogi nad dnem, prędkość względem dna, pozycja (nie dotyczy wszystkich typów urządzeń), symulowane drogi statków dla założonych zmian ich kursów (nie dotyczy wszystkich urządzeń). Informacje o pozycji statku i parametrach jego ruchu obliczane są przez system na podstawie danych otrzymywanych z radaru, a następnie prezentowane na wskaźniku. Na ich podstawie operator obserwuje ruch statku i ma możliwość podejmowania odpowiednich decyzji, zapewniających regulację ruchu statków i ich bezpieczną żeglugę. Jeżeli system wyposażony jest w radionamierniki, to operator ma możliwość namierzania statków, z których prowadzona jest rozmowa za pośrednictwem radiotelefonu UKF.

24 1.5.3. Informacja uzyskiwana z systemu kamer telewizyjnych Część systemów VTS wykorzystuje również zdalnie sterowane kamery telewizji przemysłowej, łącznie z kamerami termowizyjnymi. Są one dodatkowym źródłem informacji o ruchu jednostek na obserwowanym obszarze, nie dają jednak precyzyjnych parametrów ruchu statku, lecz tylko przybliżone dane o kierunku przemieszczania się statku lub statków, co pozwala jedynie na ocenę wzajemnego położenia obserwowanych jednostek. 1.5.4. Informacja uzyskiwana z obserwacji wzrokowej Centra VTS najczęściej zlokalizowane są w budynkach usytuowanych nad brzegami akwenów podlegających systemom. Jeżeli centrum umieszczone jest na pewnej wysokości, to operator ma możliwość prowadzenia także obserwacji wzrokowej, przynajmniej części podległego obszaru. Obserwacja wzrokowa może być jedynie elementem wspomagającym i nie daje precyzyjnych informacji, lecz w pewnych sytuacjach operator może uzyskać z niej informację wcześniej, niż z konsoli operatorskiej. 1.6. Elementy niezbędne dla planowania trasy ruchu statku w systemie nadzoru i kontroli ruchu statków Do planowania strategicznego i taktycznego w zakresie kontroli ruchu statków konieczna jest znajomość wielu elementów, takich jak: bezpieczna odległość do mielizny, bezpieczna domena statku, bezpieczne odległości

25 między statkami, standardy separacyjne, odległość decyzyjna. [27] Operator VTS, dla efektywnej realizacji kontroli i nadzoru ruchu statków na podległym sobie obszarze musi, poza wiadomościami zawartymi w zdefiniowanych powyżej pojęciach, wypracować lub pozyskać informacje o dodatkowych czynnikach, na przykład o odległości reakcji operatora, o warunkach hydrometeorologicznych i o parametrach statków. 1.6.1. Odległość decyzyjna operatora Jest to odległość decyzyjna statku powiększona o margines oczekiwania operatora na zgodny z planem manewr statku. Odległość decyzyjna operatora wypracowana jest więc na podstawie wiedzy o odległości decyzyjnej statku. Obie odległości decyzyjne powinny mieć dodatkowo pewien margines bezpieczeństwa. 1.6.2. Warunki hydrometeorologiczne Należy tu wymienić prędkość i kierunek wiatru, prędkość i kierunek prądu, stan morza, poziom wody, widzialność i inne zjawiska atmosferyczne. 1.6.3. Parametry statku Operator VTS musi znać długość, szerokość, zanurzenie statku, jego kurs i prędkość oraz właściwości manewrowe. Są to dane, które operator pozyskuje od kapitana statku najpóźniej w momencie odbierania meldunku wstępnego i które pozwalają mu ustalić przybliżoną bezpieczną domenę statku, odległość decyzyjną statku, odległość decyzyjną operatora, bezpieczną odległość od przeszkody nawigacyjnej i minimalną dopuszczalną odległość od innych statków.

26 1.6.4. Realizacja kontroli i nadzoru ruchu statków Kontrola ruchu statków odbywa się poprzez: prowadzenie obserwacji wzrokowej obszaru VTS, prowadzenie obserwacji ekranu w przypadku zastosowania kamer TV, prowadzenie nasłuchu radiotelefonicznego w paśmie UKF na częstotliwościach roboczych systemu i częstotliwości bezpieczeństwa, obserwację konsoli operatorskiej i śledzenie prezentowanych informacji, obserwację i rejestrację warunków hydrometeorologicznych, analizę pozyskanych informacji i wypracowanie decyzji. Nadzór ruchu statków realizowany jest poprzez: przyjmowanie meldunków od statków, wydawanie zgody na wejście w obszar systemu, ustalanie ze statkiem planu przejścia przez obszar systemu, śledzenie parametrów ruchu statków, wskazywanie pozycji kotwiczenia, wstrzymywanie lub wznawianie ruchu na danym akwenie, ingerowanie w ruch statków na podstawie informacji uzyskanych z kontroli ich tras. 1.7. Wymagane dokładności dla systemu VTS, zawarte w Przewodniku dla Systemów VTS IALA w swoim przewodniku dla systemów VTS (IALA Vessel Traffic Manual) określa swoje wymogi dokładności dla radarów [26]. Zawarto tu wymagania dla określenia:

27 Precyzji pomiaru odległości i namiaru (range and bearing resolution). Dla określenia wartości pomiaru zaleca się wykonanie badania na statkach manewrujących na obszarze działania VTS; statki mogą zostać zastąpione reflektorami radarowymi, których skuteczna powierzchnia odbicia byłaby porównywalna z rozmiarami statków przewidzianych do badania. Rozróżnialności odległościowej i dokładności pomiaru odległości. Radar powinien być w stanie wykryć dwa statki mające kadłuby stalowe o długości 20 m, będące w odległości 6 Mm od radaru, odległość między statkami powinna wynosić 30 m, pomiary powinny być wykonane w tym samym namiarze, przy padającym deszczu o natężeniu 25 mm/h. Dokładność pomiaru odległości na zakresie 6 Mm powinna wynosić ± 30 m. Rozróżnialności kątowej i dokładności określenia namiaru. Radar powinien być w stanie rozróżnić w padającym deszczu o natężeniu do 25 mm/h dwa statki o kadłubach stalowych o długości 20 m, będących w odległości 6 Mm od radaru, odległość pomiędzy badanymi statkami powinna wynosić 75 m; jeżeli natężenie opadu wynosiłoby 80 mm/h, to radar powinien wykryć badane statki przy odległości pomiędzy nimi, wynoszącej 185 m. Dokładność określenia namiaru powinna wynosić 0,6 dla radaru typu X (9300-9500 MHz). Prędkości i kursu statku. Odnośnie dokładności tych parametrów zaleca się, aby były one prezentowane w granicach dokładności wskazań danych sensorów. 1.8. Odwzorowanie współrzędnych obiektu śledzonego w systemie VTS Radar, którego sygnał umożliwia śledzenie obiektów w systemie kontroli ruchu statków, dokonuje pomiaru odległości i kierunku, czyli określa

28 położenie obiektu we współrzędnych biegunowych (D, NR). Następnie współrzędne te są przeliczane na współrzędne prostokątne (x, y), w których jest prezentowana informacja na wskaźniku operatora, a wreszcie mogą być prezentowane współrzędne geograficzne obiektu (LAT, LON). W jaki sposób dokonać tych transformacji, by one same nie powodowały pogorszenia danych wejściowych? W badanym systemie obiekty śledzone są oddalone od radaru nie więcej niż 20 Mm. Próbkowanie położenia kątowego dokonywane jest co ok. 0,1 0, co przy tej odległości oznacza ok. 75 m. Pomiar odległości próbkowany jest z częstotliwością zegara, rzędu 10 MHz, co pozwala na pomiar z dokładnością ok. 15 m, teoretyczna dokładność może wynosić 10 % czasu trwania impulsu sondującego (czas narastania impulsu prostokątnego) i wynosi około 1 metra. Dla map w skali 1:50 000 i większych stosuje się odwzorowanie Gaussa Krűgera, którego zniekształcenia nie przekraczają kilkudziesięciu centymetrów [41]. Dlatego do obliczeń współrzędnych prostokątnych echa problemy odwzorowań można pominąć. Wówczas współrzędne echa obiektu można obliczyć: LAT 0 = LAT R + DcosNR (1.1) LON 0 = LON R + DsinNR (1.2) gdzie: LAT 0, LON 0 szerokość i długość geograficzna obiektu LAT R, LON R szerokość i długość geograficzna radaru D odległość (przeliczona na minuty) NR namiar radarowy Dokładność określania odległości i namiaru echa zależy od częstotliwości próbkowania tych parametrów. Zegar do pomiaru odległości wysyła impulsy

29 zwykle z częstotliwością odpowiadającą odległości 7,5 m, 15 m lub 30 m. Położenie kątowe anteny jest próbkowane z częstotliwością 4096 impulsów na obrót, czyli co ok. 0,1 0. Dokładność pomiaru odległości można określić jako sumę błędów [41]: synchronizacji impulsów, układu pomiarowego i obróbki sygnału, na który głównie ma wpływ błąd lokalizacji anteny. Błąd układu pomiarowego zależy od stabilności generatora i powinien być mniejszy od długości kwantu, a błąd synchronizacji powinien być mniejszy od połowy długości kwantu, błąd układu pomiarowego wynosi kwant. Można więc zapisać, że błąd określania odległości do impulsu punktowego wynosi: d 2 2 2.25d i Vl (1.3) gdzie: d i długość kwantu V l błąd lokalizacji modemu Błąd określania namiaru modemu zależy od dokładności kwantowania położenia anteny, błędu orientacji anteny (określenia kierunku zerowego) i dokładności układu pomiarowego. Można go określić z następującej zależności: NR 2 2 2 2 0 s (1.4) gdzie: kwant położenia kołowego (2 /4096) 0 błąd orientacji [ ] s błąd synchronizaji [ ] Błąd ten w odległości D od radaru wynosi kątów można zapisać jako łukowej. NR 2Dcos 2 metrów, co dla małych D NR, wyrażając błąd pomiaru kąta w mierze

30 Błąd pozycji obiektu punktowego wynosi: P D 2 d 2 NR (1.5) Błąd wyznaczenia wektora ruchu będzie pochodną błędu pozycji w czasie. Błędy określania współrzędnych obiektu za pomocą radaru można obliczyć z poniższych zależności (błąd lokalizacji anteny modemu można pominąć ze względu na wysoką dokładność jej wyznaczenia lub jest to stały błąd występujący we wszystkich pomiarach). 2 2 2 2 2 LAT d cos NR D NR sin NR (1.6) 2 2 2 2 2 LON d sin NR D NR cos NR (1.7) gdzie: d średniokwadratowy błąd pomiaru odległości NR średniokwadratowy błąd określania namiaru Wyznaczenie wektora ruchu jednostki śledzonej przez system VTS (jej prędkości i kursu nad dnem) odbywa się przez wyliczenie zmiany pozycji w czasie. Kurs (i prędkość) jest średnią zmianą dyskretnych pomiarów pozycji, dokonywanych z częstotliwością obrotów anteny radaru. Równocześnie wymaga się większej liczby obserwacji, aby było możliwe wyliczenie średnich parametrów ruchu i odległości najmniejszego zbliżenia. Według przedstawionych powyżej wzorów policzono błędy pomiaru radarem brzegowym na obszarze prowadzonych badań. Dokładność pomiaru odległości w badanym obszarze jest lepsza niż 50 m, a pomiaru kątów rośnie wraz z odległością od anteny do około 50 m w odległości 5 Mm. Średni błąd wyznaczenia pozycji statku w obszarze eksperymentu wynosił kilkadziesiąt metrów. Dla statków dużych w pewnych ustawieniach jednostki do anteny radarowej, ze względu na wpływ

31 czynników zakłócających (np. migotanie echa), chwilowo błąd wyznaczenia położenia jednostki może być znacznie większy, osiąga nawet do 300 m [19]. 2. Pomiary dokładności wyznaczania wektora ruchu

32 2.1. Eksperyment badawczy Dla pozyskania informacji o dokładności danych o wektorze ruchu statku, prezentowanych na konsoli operatora VTS Gdańsk, przeprowadzono eksperyment badawczy. Polegał on na rejestracji danych o kursie i prędkości statku płynącego w obszarze działania systemu z przejściem części toru podejściowego do Portu Północnego, pozyskiwanych ze śledzenia przez system VTS Gdańsk i rejestracji tych samych danych na statku. Badania przeprowadzono wykorzystując przejście w badanym obszarze trzech statków: Tukana, Zodiak i Horyzont II. Wektor wzorcowy dla statków "Zodiak" i "Horyzont II" wyznaczono na podstawie danych rejestrowanych na badanej jednostce przez dwa odbiorniki nawigacyjnego systemu satelitarnego DGPS i do tego wzorca odniesiono dane o wektorze ruchu statku otrzymane z systemu kontroli ruchu. Dane te zostały sprowadzone do tych samych momentów czasowych i za pomocą metod statystycznych porównane. Na Horyzoncie II, dodatkowo, porównano z wektorem wzorcowym dane uzyskane z żyrokompasu i logu. Na jednostce "Tukana", ze względu na jej niewielkie wymiary, rejestracji dokonano tylko jednym odbiornikiem satelitarnym i wektorem wzorcowym jest tu kurs i prędkość nad dnem obliczone przez ten odbiornik. Ponieważ wyniki badań wykonane na Zodiaku wykazują wysoką korelację z wynikami uzyskanymi na Horyzoncie II, dlatego w dalszej części rozprawy ograniczono się do przedstawienia analizy wyników z Horyzontu II, jako reprezentatywnych także dla pomiarów na m/s Zodiak. Wyniki badań przeprowadzonych na Tukanie, są reprezentatywne dla małych jednostek.

33 Dla określenia dokładności wartości wzorcowego kursu, obliczonego z chwilowych pozycji zarejestrowanych przez odbiorniki satelitarne, przeprowadzono serię badań statycznych, gdy "Horyzont II" znajdował się przy nabrzeżu w porcie w Gdyni. Pomiar miał miejsce 7 listopada 2001 roku w godzinach 1002-1125 UTC, podczas postoju statku Horyzont II przy Nabrzeżu Pomorskim w Gdyni. Celem jego było wyznaczenie dokładności, z jaką można pomierzyć wartość kursu rzeczywistego za pomocą dwóch odbiorników systemu GPS, rozmieszczonych na statku w odległości 45 m od siebie i równolegle do płaszczyzny symetrii statku. W czasie trwania pomiaru żyrokompas wskazywał kurs 098.4º. M 1 M 2 Δ KR MAX M 3 Δ KR MAX L-M 3 L L+M 3 Rysunek 2.1. 1. Graficzna metoda wyznaczania błędu pomiaru kursu za pomocą dwóch odbiorników systemu GPS [16,17,18] Oznaczenia na rysunku przedstawiają: M 1,2 średniokwadratowy błąd dokładności pozycji z odbiorników systemu DGPS i RTK M 3 sumaryczny błąd dokładności pozycji L długość linii bazy

34 Δ KR MAX maksymalny błąd pomiaru kursu gdzie: M 2 2 3 M1 M 2 sin KR M L 3 Z obliczeń statystycznych wynika, że z prawdopodobieństwem P = 63 % [48] błąd M 1 =1,648 m (DGPS), M 2 =0,013 m (RTK), M 3 =1,648 m, co oznacza, iż przy zastosowaniu długości linii bazy L=45m błąd pomiaru kąta wynosi ΔKR MAX = 2,098º. Dokonano także obliczeń metodą powiększonej szerokości: Δλ=60(λ RTK -λ DGPS ) V DGPS =7915.70447 log 10 [ tan(45º+φ DGPS /2)]-23.0103 sinφ DGPS -0.0513 sinφ DGPS V RTK =7915.70447 log 10 [ tan(45º+φ RTK /2)]-23.0103 sinφ RTK -0.0513 sinφ RTK ΔV= V RTK -V DGPS KR= arctg(δλ/ ΔV) gdzie: Δλ różnica długości geograficznej λ RTK długość geograficzna anteny odbiornika systemu RTK λ DGPS długość geograficzna anteny odbiornika systemu DGPS V DGPS powiększona szerokość anteny odbiornika systemu DGPS V RTK powiększona szerokość anteny odbiornika systemu RTK ΔV różnica powiększonych szerokości KR kurs rzeczywisty w wyniku czego otrzymano serię KR. Z obliczeń statystycznych tej serii wynika, że błąd tak pomierzonego KR możemy ocenić na 1,09. Pomiar dynamiczny polegał na rejestrowaniu pozycji geograficznych

35 anten systemu GPS rozmieszczonych na dziobie i rufie statku podczas jego ruchu oraz równoczesnej rejestracji parametrów ruchu przez radar VTS. Współrzędne geograficzne anten posłużyły jako parametry wejściowe do obliczeń kursu i prędkości metodą powiększonej szerokości. W tym przypadku ocena dokładności pomiarów staje się bardziej skomplikowana, gdyż brak jest bezpośredniego punktu odniesienia. Jako wskaźnik jakości informacji uzyskanych drogą pomiarów posłużyły wartości błędów wyznaczania pozycji z pomiaru statycznego. Zakładając, że z P=95% maksymalne odchylenie odległości obliczonej pomiędzy antenami od linii bazy wyniesie 2M 3. Sprawdzono wartości i częstości występowania tych odchyłek dla wyników badań na statku m/v Horyzont II. Po odrzuceniu pomiarów, dla których odchyłka przekroczyła wartość 10 % długości linii bazy (4,5m) otrzymano: 13 123 pomiarów istotnych, 12 654 pomiarów, dla których wartość odchylenia odległości obliczonej od długości linii bazy nie przekroczyła 3,29 m. Dało to w rezultacie z P=96,4% dokładność kierunku lepszą niż 4,2. Przyjmowana dokładność wskazań żyrokompasu Standard 20 Plus, według producenta i literatury dla obszaru badań i uzyskiwanych prędkości wynosi, ± 0,4 stopnia [16]. Trasę przejścia podzielono na odcinki, na których utrzymywano stały kurs i prędkość, manewrowano kursem przy stałej prędkości, zmieniano prędkość przy stałym kursie i wykonano cyrkulację. Podczas eksperymentu statek manewrował, przy różnych ustawieniach, w stosunku do anteny radaru brzegowego. Celem wyznaczenia korelacji pomiędzy kształtem echa jednostki a punktem przyłożenia jego wektora na ekranie konsoli operatora rejestrowano ruch jednostki poruszającej się wzdłuż osi promieniowania anteny radaru i prostopadle do niej.

36 2.2. Charakterystyka VTS Gdańsk Jak już wspomniano na wstępie, VTS Gdańsk jest jednym z dwóch systemów nadzoru i kontroli ruchu statków na Zatoce Gdańskiej. Zatoka Gdańska jest akwenem południowego Bałtyku, pomiędzy przylądkami Rozewie a Taran ma kształt łuku. W południowo-zachodniej części, oddzielona Półwyspem Helskim, jest Zatoka Pucka, w części wschodniej Mierzeja Wiślana oddziela Zalew Wiślany. Linia brzegowa jest mało urozmaicona. W przeważającej części brzegi są płaskie, ale występują również wysokie brzegi klifowe. Głębokości są zmienne i zmniejszają się równomiernie ku brzegom, dlatego statki, szczególnie o dużym zanurzeniu, w obrębie Zatoki Gdańskiej powinny poruszać się po wyznaczonych torach. Akwen ten charakteryzuje się dużą zmiennością stanów pogodowych. Ciśnienie atmosferyczne wykazuje dużą zmienność, zarówno dobową, jak i miesięczną. Siła i kierunek wiejących wiatrów zależy od cyrkulacji atmosferycznej oraz w pewnym stopniu od ukształtowania linii brzegowej. Dominują wiatry z kierunków: południowych, południowo-zachodnich i zachodnich. Najgroźniejsze dla żeglugi na Zatoce Gdańskiej są wiatry sztormowe z kierunków północnych i północno-wschodnich. Średnie prędkości wiatru osiągają największe wartości w okresie jesienno-zimowym a najmniejsze latem. Sztormy najczęściej występują od października do marca. Dni z mgłą (widzialność 0,5-2 Mm) najczęściej występują w okresie od października do kwietnia, a najrzadziej od lipca do września. Mgły częściej występują w zachodniej części Zatoki. Zmiany stanów wód w Zatoce Gdańskiej spowodowane są zmianami rozkładów ciśnienia nad Europą Środkową i Północną oraz silnymi lub długotrwałymi wiatrami ze stałych kierunków.

37 Wysokie stany wody są zwykle wynikiem gwałtownych i długotrwałych wiatrów z kierunków wschodnich i północno-wschodnich i są krótkotrwałe (odnotowano podwyższone stany wody powyżej 0,5 m przez 47 godzin, a powyżej 0,8 m 24 godziny) [32]. Niskie stany wody są długotrwałe, poziom wody poniżej 0,5 m trwał najdłużej 385 godzin. Skrajne stany wody najczęściej występują w okresie jesienno-zimowym. Prądy na Zatoce Gdańskiej mają niewielkie wartości, ich kierunek i prędkość zależą od kierunku i siły wiatru. Przy bezwietrznej pogodzie, wzdłuż brzegów, występuje słaby prąd północno-zachodni. Zlodzenie wód Zatoki Gdańskiej zależy od surowości zimy i z różnym nasileniem występuje w poszczególnych latach. W niektórych latach zlodzenie nie występowało (np. 2000/2001) w innych (np. 1946/1947) silne zlodzenie zatoki spowodowało wielodniowe zawieszenie żeglugi. Na obszarze Zatoki Gdańskiej występują dwa systemy rozgraniczenia ruchu, jeden prowadzący od pławy świetlnej Hel do portów Gdynia i Nowy Port, a drugi od pławy świetlnej "ZN" do Portu Północnego. Do portów położonych na obszarze działania VTS Gdańsk zawijają statki przewożące ładunki niebezpieczne, takie jak produkty ropopochodne i gazy skroplone, a więc ładunki groźne dla naturalnego środowiska. Statki z ładunkami niebezpiecznymi zobowiązane są do wpływania na Zatokę Gdańską systemem rozgraniczenia ruchu, poczynając od pławy ZN. Natężenie ruchu jednostek do portów położonych na Zatoce Gdańskiej nie jest duże, przykładowo w roku 1997 do Portu Północnego zawinęło 260 statków, a do Nowego Portu 2 120. Funkcje systemu zostały zdefiniowane w Zarządzeniu Repline Hel, a w Zarządzeniu nr 1 zmodyfikowane i ograniczone do nadzoru ruchu statków [52]. Do Portu Północnego mogą zawijać statki o maksymalnej długości 300 metrów i zanurzeniu do 15 metrów. Dla statków o takich wymiarach tor

38 podejściowy o szerokości 250 metrów wymaga sprawnego prowadzenia statku i współdziałania ze operatorami VTS [32]. Z powyższych względów, znajomość czasu opóźnienia wyznaczenia wektora ruchu statku śledzonego przez system oraz dokładności jego wskazań ma duże znaczenie.

Rysunek 2.2. 1. Obszar działania VTS Gdańsk 39

40 2.3. Konfiguracja aparatury badawczej zainstalowanej na statkach Jak już wspomniano wcześniej, do badań wektora ruchu statku w obszarze VTS wykorzystano trzy statki: jednostkę Urzędu Morskiego w Gdyni Tukana, statek szkolno-badawczy Akademii Morskiej w Gdyni m/v Horyzont II i okręt hydrograficzny Urzędu Morskiego w Gdyni m/v Zodiak. Parametry wykorzystanych jednostek przedstawiono w tabeli 2.1. Tabela 2. 1. Parametry badanych jednostek nazwa statku długość m szerokość m wysokość m prędkość w Tukana 17,6 5,7 7 10 Horyzont II 56,34 11,36 21,75 12 Zodiak 61,3 10,8 18,0 12 Na jednostkach zainstalowano stanowiska badawcze składające się na Tukanie z jednego odbiornika satelitarnego DGPS, na m/v Zodiak z dwóch odbiorników satelitarnych DGPS, natomiast na m/v Horyzont II z dwóch odbiorników satelitarnych, na dziobie typu RTK, na rufie DGPS [12]. Rysunek 2.3.1. przedstawia konfigurację stanowiska badawczego na m/s Horyzont II. Fotografia 2.3.2a. przedstawia zainstalowaną na dziobie statku antenę satelitarnego odbiornika RTK. Fotografia 2.3.2b. prezentuje stanowisko badawcze zainstalowane w kabinie nawigacyjnej statku "Horyzont II". Na Horyzoncie II i na Zodiaku rejestrowano w tym samym czasie dwie pozycje satelitarne, jedną na dziobie, drugą na rufie, dla tych samych momentów czasu. Z pozycji otrzymanych z odbiorników satelitarnych DGPS

41 obliczano chwilowe wartości kursu i prędkości. Pomiarów dokonywano co 1 sekundę. Na m/v Horyzont II, dodatkowo, rejestrowano wskazania kursu statku za pomocą żyrokompasu standard 20 plus firmy Anschutz, i prędkości z logu statkowego SAL R1.

42 MORSKA STACJA REFERENCYJNA DGPS ROZEWIE SATELINE 3 Asd RX TOPCON LEGACY-E TRANSMISJA POP. DGPS DANE RTK GPS UKF DWUCZĘSTOTLIWOŚCIOWA STACJA BAZOWA SYSTEMU RTK GPS, ZLOKALIZOWANA W GDYNI (BUDYNEK WYDZ. NAW. WSM W GDYNI. LEICA MX 5IR ODBIÓR POPRAWEK DGPS ZE STACJI ROZEWIE LEICA MX 9212 JEDNOCZĘSTO- TLIWOŚCIOWY ODB. DGPS PC COMP SATELINE 3 Asd RX MODEM ODB. RADIOLINII UKF TOPCON LEGACY-E DWUCZĘSTO- TLIWOŚCIOWY RUCHOMY ODB. SYST. RTK GPS Rysunek 2.3. 1. Odbiorniki badawcze zainstalowane na statku Horyzont II

43 Rysunek 2.3.2. przedstawia konfigurację aparatury badawczej zainstalowanej na m/v Horyzont II. Rysunek 2.3.2a. Rysunek 2.3.2b. Rysunek 2.3. 2. Antena odbiornika systemu RTK i stanowisko badawczo pomiarowe w kabinie nawigacyjnej m/v HORYZONT II

44 Parametry rejestrowane na statku "Horyzont II" przedstawiono na rysunku 2.3.3. POZYCJA GEOGRAFICZNA Z ODBIORNIKA DZIOBOWEGO (GGA) $GPGGA,070045,5431.4567,01834.56 $GPGGA,070045,5431.4567,01834.56 $GPGGA,070045,5431.4567,01834.56 $GPGGA,070045,5431.4567,01834.56 $GPGGA,070045,5431.4567,01834.56 $GPGGA,070045,5431.4567,01834.56 $GPGGA,070045,5431.4567,01834.56 POZYCJA GEOGRAFICZNA Z ODBIORNIKA RUFOWEGO (GGA) PRĘDKOŚĆ V(t) ŻYROKOMPAS KŻ(t) Rysunek 2.3. 3. Dane rejestrowane z urządzeń zainstalowanych na statku m/s Horyzont II 2.4. Wyposażenie techniczne i konfiguracja systemu VTS Gdańsk [8] Podstawowymi urządzeniami pozyskiwania informacji przez system są dwa radary. Jeden, pasma X, zainstalowany na wieży Portu Północnego, drugi, pasma S, zainstalowany na Latarni Morskiej Hel. Do transmisji sygnałów sterujących i obrazu radarowego z Helu służy radiolinia mikrofalowa. Na konsoli operatorskiej może być prezentowany obraz tylko jednego radaru, dlatego urządzenie helskie jest rzadko używane. Na Latarni Morskiej Hel zainstalowano radionamiernik UKF, jego zadaniem jest identyfikacja echa radarowego obiektu, z którym operator prowadzi łączność radiotelefoniczną.

45 Zainstalowany na wieży Portu Północnego radar pasma X produkcji ATLAS ELECTRONICS, typ 8630X VTC składa się z następujących elementów: wskaźnik monochromatyczny typ AZ 3029, blok nadawczo-odbiorczy Pi = 25 kw, typ PMNG 3011, antena 21 stopowa (0,4 0 ), układ przełączający, stabilizator napięcia SD 2000 L2. Drugi radar systemu zainstalowany na latarni Hel, pasma S, także produkcji AE zbudowany jest z poniższych podzespołów: blok nadawczo-odbiorczy Pi 25 kw, typ HZ PMNG 3012 antena 14 stopowa, stabilizator napięcia SD 2000 L2, układ zdalnego sterowania. Dodatkowo w skład systemu wchodzą: Radiolinia - Mini Link MK 10, producent ERICSSON f n = 10.5 GHz. Baza danych o statkach DMS. Radionamiernik UKF ARKUS M, producent PLATH z układem zdalnej kontroli radionamiernika FBG 386. System Telewizji Przemysłowej CCD 1/2, ESM 175, CRT 3960. Radiotelefony UKF typ RT 2048. Urządzenie meteorologiczne OBSERNET. Podczas badań pomiarów dokonywano radarem systemu VTS Gdańsk zainstalowanym na wieży Portu Północnego. Dla ustalenia dokładności pozycji instalacji anteny radarowej przeprowadzono serię pomiarów odbiornikiem satelitarnym RTK. Pozycja uzyskana z pomiarów różniła się w tysięcznej części stopnia w długości i szerokości geograficznej od oficjalnej

46 pozycji anteny uzyskanej z Urzędu Morskiego w Gdyni. Na rysunku 2.4.1 przedstawiono konfigurację urządzeń wchodzących w skład systemu VTS Gdańsk. Rysunek 2.4. 1. Konfiguracja urządzeń zainstalowanych w VTS Gdańsk

47 2.5. Warunki meteorologiczne podczas eksperymentu badawczego Eksperymenty przeprowadzono przy wysokości fal nie przekraczających 1,5 m, wietrze S SE 3 4 m/s, przy umiarkowanej widzialności; temperatura powietrza wynosiła 14 C. W trakcie badań występowały zamglenia, zachmurzenie było duże, bez opadów. Wobec niewielkiego falowania nie występowały zakłócenia sygnału echa statku. Uzyskano również większą dokładność utrzymywania zadanego kursu i prędkości jednostek.

48 3. Badanie wektora ruchu statku 3.1. Uwagi ogólne Jak już wspomniano w poprzednim rozdziale, dla zbadania wektora ruchu statku na podejściu i na torze VTS Gdańsk przeprowadzono kilka przejść statkami Tukana, Zodiak i Horyzont II przez opisany obszar. Przeprowadzono szereg serii pomiarów. Stwierdzono, że wyniki badania Horyzont II są reprezentatywne dla Zodiaka, a istotne różnice występują pomiędzy uzyskanymi wynikami dla Tukany i dla Zodiaka oraz dla Horyzontu II. Dlatego też w niniejszej rozprawie zaprezentowano wyniki badań dla Tukany i dla Horyzontu II. Podczas jednego z przejść Horyzonta II na torze prowadzącym do Portu Północnego stwierdzono, że w czasie, gdy statek przepływał blisko pławy, system śledzący do tego momentu statek, przeszedł na śledzenie pławy. Nie zauważył tego faktu operator VTS i dalsze przejście statku nie było rejestrowane przez system. Rejestracja wyników zarówno na statkach jak i w VTS odbywała się w czasie GMT. Trasy przejść statków Tukana i Horyzont II podzielono na okresy, które charakteryzują się wykorzystywaniem przez nie określonych manewrów. Okresy przejść odpowiednio dla statków Tukana i Horyzont II przedstawiają tabela 3.1. i tabela 3.2.

49 Tabela 3. 1. Badanie statku Tukana okres opis czas próby I Pełna duża cyrkulacja w dużej odległości od stacji radarowej 0744 0820 II Pełna cyrkulacja w małej odległości od Portu Północnego 0831 0848 III Zmienne kursy i stały kurs przy małej prędkości 0907 1011 IV Utrzymywanie stałego kursu przy stałej i zmiennej prędkości 1449 1513 V Manewry kursem przy pełnej prędkości 1520 1530 Tabela 3. 2. Badanie statku Horyzont II okres opis czas próby I Kurs stały 0630 0700 II Zig-zag, zmiany kursu w prawo przy stop SG 0720 0800 III Gubienie echa, cyrkulacja 0850 0900 IV Wolna cyrkulacja (zmiana kursu o 45 ) 0815 0820 V Zwroty na prawą burtę przy prędkości wolno naprzód 0945 1000 Trasy przejść statków przedstawiają odpowiednio rysunki 3.1.1., 3.1.2., 3.1.3. i 3.1.4.

50 Rysunek 3.1. 1. Trasa przejścia statku m/v Horyzont II Rysunek 3.1. 2. Trasa przejścia statku m/v Zodiak

51 Rysunek 3.1. 3. Trasa przejścia statku m/v Tukana Rysunek 3.1. 4. Trasa przejścia statku m/v Tukana

52 3.2. Badanie wektora ruchu dla statku Tukana 3.2.1. Pełna duża cyrkulacja w dużej odległości od stacji radarowej Okres I "Tukana" jest jednostką małą, o dużej dynamice wykonywania manewrów, co było przyczyną kilkukrotnego jej gubienia podczas śledzenia w trakcie eksperymentu. Na rysunku 3.2.1. przedstawiono pierwszy etap eksperymentu, w czasie którego jednostka poruszała się stałym kursem, a następnie wykonała cyrkulację o dużej średnicy. Dla stałego kursu system VTS wyliczał parametry ruchu jednostki z niewielkimi odchyłkami. Podczas wykonywania cyrkulacji o dużej średnicy, system prezentował dane o wektorze ruchu statku z 30 60-sekundowym opóźnieniem w stosunku do GPS, a różnice pomiędzy kursami oscylowały około 15, dochodząc maksymalnie do 20. Różnice w prezentowanej prędkości dochodziły do 3 węzłów. 3.2.2. Pełna cyrkulacja w małej odległości od Portu Północnego Okres II W drugim okresie badań jednostka wykonała cyrkulację o mniejszej średnicy niż w okresie I, manewrowała w małej odległości (1 Mm) od radaru. Po zakończeniu cyrkulacji system "zgubił" echo ze śledzenia. Wykonana cyrkulacja miała kształt elipsy i została wykonana poprzez mniejsze wychylenie steru w pierwszej fazie, następnie wykonano większą zmianę KDd, następnie znowu zmiana KDd była mniejsza. Rysunek 3.2.2. przedstawia wektory ruchu jednostki obliczone przez system VTS i przez GPS statkowy.

53 Na rysunku 3.2.2. górny diagram przedstawia różnice pomiędzy kątem drogi nad dnem uzyskanym z GPS a kątem drogi nad dnem obliczonym przez VTS. Różnica ta waha się od 10 przy małej dynamice zwrotu do 65 przy szybkiej zmianie kursu. Różnica wskazań prędkości wahała się w granicach od 2 do 5 węzłów i prezentuje je diagram dolny na rysunku 3.2.2. Opóźnienie wykrycia manewru rosło wraz ze wzrostem dynamiki manewru i maksymalnie dochodziło do 90 sekund.

węzły stopnie 54 20 15 Różnice KDd VTS w zględem KDd GPS - ETAP I 10 5 0-5 -10-15 -20 5 4 3 Różnice V VTS w zględemv GPS - ETAP I 2 1 0-1 -2-3 -4-5 07:40:00 07:45:00 07:50:00 07:55:00 08:00:00 08:05:00 08:10:00 08:15:00 08:20:00 czas Rysunek 3.2. 1. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu I

węzły stopnie 55 60 50 Różnice KDd VTS względem KDd GPS - ETAP II 40 30 20 10 0 10 5 0-5 -10 Różnice V VTS w zględemv GPS - ETAP II -15 08:30:00 08:35:00 08:40:00 08:45:00 08:50:00 czas Rysunek 3.2. 2. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu II

56 3.2.3. Zmienne kursy i stały kurs przy małej prędkości Okres III W czasie trzeciego okresu badań jednostka płynęła najpierw stałym kursem i prędkością, a następnie manewrowała. Dynamika manewrów zarówno kursem jak i prędkością była różna. Opóźnienia w prezentacji wektora przez VTS zależnie od dynamiki manewru wynosiły od 30 sekund do kilku minut i przy większych oraz częstszych zwrotach system nie nadążył nawet z prawidłową prezentacją tendencji zwrotu jednostki i często "gubił" echo. Rysunek 3.2.3. prezentuje porównanie wektorów ruchu jednostki uzyskanych z systemu VTS i z GPS w trzecim okresie badań. Na rysunku 3.2.3. górny diagram przedstawia różnice pomiędzy kątem drogi nad dnem obliczonym przez system VTS i GPS statkowy. Maksymalne różnice wskazań dochodziły do 80. Dolny diagram przedstawia różnice wskazań prędkości, które oscylowały w granicach kilku węzłów, a maksymalne różnice dochodziły do 10 węzłów. Etap trzeci badań wskazuje, że w czasie wykonywania przez statek manewrów o dużej dynamice, wektor jego ruchu prezentowany przez urządzenia systemu VTS jest niewiarygodny.

węzły stopnie 57 100 80 Różnice KDd VTS w zględem KDd GPS - ETAP III 60 40 20 0-20 -40-60 -80-100 15 Różnice V VTS w zględemv GPS - ETAP III 10 5 0-5 -10 09:05:00 09:10:00 09:15:00 09:20:00 09:25:00 09:30:00 09:35:00 09:40:00 09:45:00 09:50:00 09:55:00 10:00:00 10:05:00 10:10:00 10:15:00 czas Rysunek 3.2. 3. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu III

58 3.2.4. Utrzymywanie stałego kursu przy stałej i zmiennej prędkości Okres IV W czwartym etapie badań statek, płynąc najpierw prostoliniowo, rozpoczął wykonywanie cyrkulacji przez prawą burtę. W pierwszej fazie po wyłożeniu steru, kiedy statek zmienił KDd o około 90, system zgubił śledzenie na jeden lub dwa przedziały czasowe obserwacji. Wykonując cyrkulację statek zmniejszył prędkość. System VTS wskazywał z opóźnieniem zmiany KDd i zmniejszenie prędkości, niemniej zachował ciągłość śledzenia. Na rysunku 3.2.4. przedstawiono wektory ruchu statku pozyskane z VTS i GPS w czwartym okresie eksperymentu. Rysunek 3.2.4. przedstawia różnice pomiędzy KDd obliczonym z VTS i otrzymanym z GPS. Na diagramie górnym przedstawiona jest amplituda odchyleń KDd prezentowanej przez VTS od KDd uzyskanej z GPS. Różnice oscylują wokół 10, w skrajnych przypadkach dochodzą do 30. 3.2.5. Manewry kursem przy pełnej prędkości Okres V Okres piąty badań jednostki "Tukana" obejmował manewry kursem i prędkością. Ze względu na dużą dynamikę manewrów jednostki dane rejestrowane przez system VTS, jak również przez odbiornik GPS, były obarczone stosunkowo dużymi błędami. W pierwszej części etapu piątego statek płynął bardzo wolno i wykonał bardzo małą zmianę kursu. Obie rejestracje wykazują tu dużą zbieżność pomiarów. Następnie jednostka przyśpieszała i wykonała cyrkulację. W takich przypadkach wskazania KDd różnią się nawet o kilkadziesiąt stopni. W początkowej fazie manewru wskazania kursu VTS

węzły stopnie 59 40 30 Różnice KDd VTS w zględem KDd GPS - ETAP IV 20 10 0-10 -20-30 -40 2 Różnice V VTS w zględemv GPS - ETAP IV 1 0-1 -2 14:50:00 14:55:00 15:00:00 15:05:00 15:10:00 15:15:00 czas Rysunek 3.2. 4. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu IV

60 wyprzedzają GPS, co spowodowane jest opóźnieniem w wyliczaniu kursu przez system satelitarny. Rysunek 3.2.5. przedstawia porównanie wektorów ruchu statku rejestrowanych przez GPS i VTS. Diagramy na rysunku 3.2.5. przedstawiają różnice kursów i prędkości pomiędzy pomiarami z GPS i rejestracją VTS.

węzły stopnie 61 20 10 Różnice KDd VTS względem KDd GPS - ETAP V 0-10 -20-30 -40-50 -60 3 2 Różnice V VTS w zględemv GPS - ETAP V 1 0-1 -2-3 15:20:00 15:25:00 15:30:00 czas Rysunek 3.2. 5. Porównanie wektorów ruchu statku oraz kursu i prędkości mierzonych przez GPS i VTS dla okresu V

62 3.3. Badanie wektora ruchu dla statku Horyzont II 3.3.1. Badanie wektora ruchu statku dla przejścia prostoliniowego Okres I Na rysunku 3.3.1 przedstawiono porównanie wektorów ruchu statku obliczonych z systemów satelitarnych (wektor wzorcowy), żyrokompasu i logu oraz z VTS, dla prostoliniowego toru przejścia statku. W badanym przedziale statek płynął kursem 120, z prędkością 11 węzłów i był ustawiony prawą burtą w stosunku do anteny radarowej systemu VTS Gdańsk. Wektor ruchu statku, obliczony przez system VTS, dla całego badanego odcinka układa się w linię prostą. Wektor ten jest uśredniany i obliczany dla przedziału czasowego 23-25 sekund, dlatego też nie prezentuje bardzo małych, krótkotrwałych, zmian kursu. Największe odchylenie występuje dla wektora wzorcowego, obliczonego z systemów satelitarnych; jest to wektor chwilowy, policzony dla przedziałów 1-sekundowych, prezentowany zaś jest dla momentu, dla którego policzony jest przez system VTS wektor uśredniony. Układ do obliczania wektora ruchu statku z dwóch pozycji satelitarnych i prędkości nad dnem podawanej przez te systemy, jest układem bardzo "czułym" i wykazał nawet najmniejsze chwilowe odchylenie od kursu. Na pewnych odcinkach prezentowanego przedziału widać także nieznaczne odchylenia wektora uzyskanego z żyrokompasu i z logu. Widoczny na rysunku 3.3.1 wektor ruchu statku, oznaczony kolorem czerwonym, wyraźnie oscyluje wokół prostoliniowego wektora ruchu uzyskanego z VTS.

63 Rysunek 3.3.2 przedstawia na dwóch diagramach różnice odchylenia kursu i prędkości pomiędzy danymi wzorcowymi a uzyskanymi z rejestracji systemu i danych statkowych dla stałych parametrów ruchu prostoliniowego.

Rysunek 3.3. 1. Porównanie badanych wektorów ruchu statku na kursie prostoliniowym przy stałej prędkości 63

węzły stopnie 64 3 2 Różnice między rejestrowanymi kursami względem KR z odbiorników różnicowych 1 0-1 -2-3 1 Kurs z żyrokompasu Kurs z VTS Różnice między rejestrowanymi prędkościami względem V z odbiornika różnicowego 0.5 0-0.5 Prędkość z logu Prędkość z VTS -1 6:30:00 6:35:00 6:40:00 czas 6:45:00 6:50:00 6:55:00 7:00:00 Rysunek 3.3. 2. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego na kursie prostoliniowym przy stałej prędkości

65 Rejestrowane przez VTS odchylenia kursu statku wynosiły maksymalnie dwa i pół stopnia, a rejestrowane przez żyrokompas nie przekraczały dwóch stopni. Momenty i tendencja zmian kursu podczas "myszkowania" na kursie prostoliniowym były takie same. Porównanie rejestrowanych prędkości wykazało, że odchylenia wskazań rejestrowanych przez VTS prędkości, względem prędkości wzorcowej, uzyskanej z DGPS, są około dwukrotnie większe niż z logu i maksymalnie dochodzą do 0,5 węzła. Momenty i tendencje odchyleń prędkości od układu wzorcowego, zarówno w VTS jak i dla logu, są takie same. 3.3.2. Badanie wektora ruchu statku na torze podejściowym do Portu Północnego, podczas wykonywania manewru zig-zag Okres II Tor podejściowy do Portu Północnego ma szerokość 250 metrów. Jest on przystosowany dla dużych statków ( o długości do 300 m i zanurzeniu 15 m), które zawijają do terminalu naftowego. Dla takich statków stanowi stosunkowo wąski odcinek, na którym należy utrzymać statek dokładnie na kursie. Ta część eksperymentu miała odpowiedzieć na pytanie, czy operator VTS może wspomagać statek, który ma kłopoty z utrzymaniem kursu lub prędkości na torze wodnym, oraz czy w sytuacji wykonania przez statek, na torze zmiany kursu czy prędkości, mogących spowodować kolizję, operator może odpowiednio wcześnie zareagować, aby jej zapobiec. W tym celu wykonano "zig-zag". Statek zmieniał kurs z lewej burty na prawą, a droga przez niego przebyta przypomina sinusoidę. Wskazania żyroskopowego kursu statku są opóźnione w stosunku do wzorca uzyskanego z urządzeń satelitarnych o około 30 sekund, ale amplitudy różnic są niewielkie i nie przekraczają 1 stopnia. Wskazania kursu z VTS są opóźnione w stosunku do

66 wskazań wzorca i wykazują różnice 20 40 do wskazań wzorca rysunek 3.3.3. Amplituda zmian kursów wskazywanych przez VTS jest kilkakrotnie większa od amplitudy zmian wskazań żyrokompasu porównanych ze wzorcem (rysunek 3.3.4). Tendencja zmian kursu także jest zafałszowana, statek w rzeczywistości płynie w przeciwnym kierunku toru niż wskazuje to system VTS. Uniemożliwia to operatorowi właściwą interpretację zachowania się statku na torze w trudnych warunkach hydrometeorologicznych, kiedy ma on trudności z utrzymaniem się na torze. Wynika to z opóźnień obliczeń prowadzonych przez system, który prezentuje uśrednione parametry ruchu jednostki. Opóźnienia wykrycia niewielkich zmian kursu przekraczają jedną minutę. Statek podczas próby utrzymuje stałą prędkość, jednak przy zmianie kursu rosną opory jego ruchu i prędkość maleje, a następnie wzrasta. Przy małych prędkościach wykrycie ich zmian przez system wzrasta tak, że praktycznie wskazania logu i wzorca są takie same. Amplituda zmian prędkości wskazana przez system VTS względem wzorca jest nieco większa. Po ustaleniu prędkości system VTS wskazuje tendencję przeciwną do tej, która była przed ustaleniem, wskazuje to na przesterowanie systemu. Pojedyncza zmiana wektora ruchu statku na konsoli operatora VTS nie oznacza jeszcze tendencji ruchu statku, dopiero przy kolejnych wskazaniach operator może ustalić, że statek jest nieprawidłowo ustawiony i że porusza się w niewłaściwym kierunku, a w konsekwencji może wyjść poza tor i wejść na mieliznę. Tak więc pomoc VTS w kierunkowym prowadzeniu statku na ograniczonym torze jest znikoma i ogranicza się tylko do wiarygodnych wskazań prędkości statku, szczególnie kiedy płynie on z prędkością kilku węzłów. Dokładność wskazań kursu statku wzrasta przy mniejszej prędkości statku. Nasuwa się wniosek, że

67 informacje o dokładności śledzenia wektora ruchu statku i opóźnieniu jego wykrycia przez system

Rysunek 3.3. 3. Porównanie badanych wektorów ruchu statku podczas manewru zig-zag 68

węzły stopnie 69 80 60 Różnice między rejestrowanymi kursami wzgledem KR z odbiorników różnicowych 40 20 0-20 -40-60 3 2 Kurs z żyrokompasu Kurs z VTS Różnice między rejestrowanymi prędkościami wzgledem V z odbiorników różnicowych 1 0-1 -2-3 Prędkość z logu Prędkość z VTS 7:20:00 7:25:00 7:30:00 7:35:00 7:40:00 7:45:00 7:50:00 czas Rysunek 3.3. 4. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego podczas manewru zig-zag

70 VTS powinny służyć do obliczenia dopuszczalnej prędkości statku indywidualnie dla każdego toru podejściowego. 3.3.3. Badanie wektora ruchu statku podczas wykonywania manewru prędkością i kursem na prawą burtę Okres II Rysunek 3.3.5 przedstawia analizę wektorów podczas zwrotu statku w prawo, o około 80 stopni, po zakończeniu manewru zig-zag i jednocześnie, w trakcie wykonywania manewru zwrotu, zatrzymaniu silnika. W końcowej fazie wykonywania manewru zig-zag statek ustawiony był dziobem w kierunku anteny radarowej, wykonując manewr w prawo, ustawiał się do niej lewą burtą. Możemy zaobserwować tu, że wskazania kursu prezentowane przez VTS są różne od wzorca o kilkadziesiąt stopni i przez dziewięć minut, w czasie gdy statek zwalnia po zatrzymaniu silnika, są stałe i nie wykazują tendencji dochodzenia do wskazań wzorcowych, a nawet przed zatrzymaniem statku błąd wskazań VTS się powiększa. W momencie rozpędzania statku wskazania kursu w VTS zmieniają się gwałtownie o prawie 180 i dalej są różne o kilkadziesiąt stopni od wskazań rzeczywistych. Wskazania żyrokompasu, zgodnie z oczekiwaniem są nieznacznie opóźnione, niemniej nadążają za wskazaniami wzorcowymi. Rysunek 3.3.6 przedstawia, na dwóch diagramach, różnice pomiędzy wartościami KDd i V rejestrowanymi przez system VTS i sensory statkowe, a aparaturą wzorcową. Jak widać na górnym diagramie różnice wskazań kursu obliczonego w VTS i rzeczywistym, już podczas zwalniania, wynoszą ponad 80 stopni i praktycznie przez cały czas system VTS nie wykrył zmiany kursu. Momentem szczególnie krytycznym jest zatrzymanie statku, kiedy

71 to wskazania kursu w VTS zmieniają się gwałtownie o prawie 140, na przeciwną burtę, i dalej o ponad 60 odbiegają od kursu rzeczywistego. W następnych trzech minutach kurs wskazywany w systemie VTS, najpierw zbliża się do wzorcowego, by następnie o godz. 0759 przejść na lewą burtę i różnić się o 40 od niego. Wskazania żyrokompasu są bardziej stabilne i oscylują w pobliżu wskazań wzorca, jedynie w momencie zatrzymania statku, w czasie dwóch minut (pomiędzy 0754 a 0756), następuje zachwianie wskazań dochodzące do 20. Na diagramie dolnym, przedstawiającym różnice między prędkościami rejestrowanymi przez VTS i log statkowy a prędkościami uzyskanymi z odbiornika różnicowego, podczas manewru zatrzymania, możemy zauważyć, że różnice wskazań pomiędzy wzorcem a systemem VTS dochodzą maksymalnie do 12 węzłów. Przez trzy minuty (godz. 0752 0755) system opóźnia się ze wskazaniami, największa wartość opóźnienia ma miejsce o godz. 0754 i wynosi 12 węzłów. W dalszej części, kiedy statek nabiera prędkości, system VTS wskazuje większe prędkości od układu wzorcowego. Różnica wskazań w tym przedziale utrzymuje się przez trzy minuty i wynosi maksymalnie osiem węzłów. Wskazania logu względem wzorca różnią się, w badanym przedziale, o około 2 węzłów. W momencie zatrzymania są sobie równe, natomiast w czasie nabierania prędkości przez statek, log przez około jednej minuty wskazuje prędkość większą o 4 węzły niż wzorzec. Różnice pomiędzy wskazaniami logu i układu wzorcowego mogą wynikać stąd, że log liczy i wskazuje prędkość po wodzie, a wzorzec nad dnem. Podczas całego manewru kursem w prawo, z jednoczesnym manewrem prędkością, wskazania systemu VTS znacznie odbiegają od rzeczywistych manewrów statku i nie dają jakiejkolwiek możliwości interpretacji dla uzyskania informacji o aktualnym kursie i prędkości statku.

72 Przy wykonywaniu przez statek tylko manewru kursem, system VTS wykrywa tendencje zmiany kursu statku z opóźnieniem, zależnym od dynamiki zwrotu. Przy wykonywaniu manewru kursem i dodatkowo manewru prędkością (zwalnianie z CN do STOP) system od momentu rozpoczęcia zwrotu, aż do momentu zatrzymania statku (kilkanaście minut) nie wykrywa zmiany kursu i wskazuje nadal stary kurs, różny o około 60 80 stopni od kursu rzeczywistego. Wydaje się prawdopodobne, że algorytm obliczeń stosowany w urządzeniu Atlas Electronic nie przewiduje możliwości zmiany równoczesnej dwóch parametrów. Potwierdzają to również badania ARPA AK 8600 [6,40].

Rysunek 3.3. 5. Porównanie badanych wektorów ruchu statku przy zwrocie o 80 w prawo przy redukcji prędkości 73

węzły stopnie 74 100 80 60 40 Różnice między rejestrowanymi kursami względem KR z odbiorników różnicowych 20 0-20 -40 Kurs z żyrokompasu Kurs z VTS -60 15 10 5 Różnice między rejestrowanymi prędkościami względem V z odbiornika różnicowego 0-5 -10 Prędkość z logu Prędkość z VTS -15 7:50:00 7:51:00 7:52:00 7:53:00 7:54:00 czas 7:55:00 7:56:00 7:57:00 7:58:00 7:59:00 8:00:00 Rysunek 3.3. 6. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego przy zwrocie o 80 w prawo przy redukcji prędkości

75 3.3.4. Badanie wektora ruchu statku na cyrkulacji Okres III W tej fazie badania statek, płynąc kursem 270 rozpoczął wykonywanie cyrkulacji przez prawą burtę. System VTS, w trakcie wykonywania cyrkulacji, obliczył parametry ruchu statku dla trzech 23 25-sekundowych przedziałów czasowych, następnie dla kolejnego przedziału takiego obliczenia już nie dokonał. Po tym fakcie, jeszcze dla dwóch kolejnych przedziałów wektor ruchu statku został policzony. Dalej system zgubił statek i dalsze śledzenie nastąpiło już gdy statek wyszedł z cyrkulacji i został ponownie wprowadzony do akwizycji przez operatora systemu. Od momentu rozpoczęcia manewru cyrkulacji do czasu zgubienia echa przez system VTS badany statek znalazł się prawie na kontrkursie. Trwało to około 2 minut, w tym czasie system VTS nie wykrył wykonywanego manewru, co więcej, ostatnie obliczenie parametrów ruchu statku wykazuje tendencję zmiany kursu w lewo (cyrkulacja wykonywana przez prawą burtę). Wykonując manewr cyrkulacji, na skutek zwiększonego oporu wody statek wytracił prędkość urządzenia systemu VTS tego nie wykryły. Rysunek 3.3.7 przedstawia porównanie wektora ruchu statku obliczonego przez VTS z wektorem uzyskanym z układu wzorcowego oraz z wektorem z sensorów statkowych. Na rysunku 3.3.8. diagramy przedstawiają różnice pomiędzy mierzonymi parametrami ruchu i układem wzorcowym. Diagramy nie prezentują jednak faktycznych różnic ze względu na zbyt małą ilość danych pomiarowych spowodowanych zgubieniem śledzenia.

Rysunek 3.3. 7. Porównanie badanych wektorów ruchu statku na cyrkulacji 76

węzły stopnie 77 80 70 60 Różnice między rejestrowanymi kursami wzgledem KR z odbiorników różnicowych 50 40 30 20 Kurs z żyrokompasu Kurs z VTS 10 0-10 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 Różnice między rejestrowanymi prędkościami wzgledem V z odbiorników różnicowych Prędkość z logu Prędkość z VTS 8:50:00 8:55:00 9:00:00 czas Rysunek 3.3. 8. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego na cyrkulacji

78 3.3.5. Badanie wektora ruchu statku przy kolejnych zmianach kursu o 45 przy stałej nastawie prędkości Okres IV Na rysunku 3.3.9. przedstawiono drogę przebytą przez statek i wektory jego ruchu zarejestrowane przez układ wzorcowy, system VTS i urządzenia statkowe. Według układu odniesienia statek wykonał zwrot w ciągu 30 sekund. System VTS zaprezentował początek zmiany kursu z około 30-sekundową zwłoką, a na nowym kursie ustalił się z opóźnieniem dochodzącym do jednej minuty. Na rysunku 3.3.10. przedstawiono funkcje czasowe zmian kursu i prędkości rejestrowane przez system VTS i czujniki statkowe względem układu odniesienia. W stanach ustalonych wektory porównywane z układu wzorcowego i z systemu VTS prezentowane są z dokładnością do 2, co pozwala na zaplanowanie bezpiecznego przejścia statku. Podczas manewru zmiany kursu o 45 system VTS wykazuje różnice w stosunku do wzorca, przy czym różnice wskazań kursu przekraczają 6 stopni i są największe bezpośrednio po zakończeniu manewru. Zmiany prędkości, wskazywane względem układu wzorcowego przez system VTS, są niewiele większe niż odchyłki wskazań logu, jednak podobnie jak podczas innych wykonywanych manewrów, mają tendencję do wskazywania przyśpieszenia statku po zakończonym manewrze. Można to próbować wytłumaczyć tym, że w urządzeniu AK 8630 do algorytmu obliczeń przyjęto model o zbyt dużej dynamice.

Rysunek 3.3. 9. Porównanie badanych wektorów ruchu statku na zwrocie o 45 przy stałej prędkości 79

węzły stopnie 80 40 35 Różnice między rejestrowanymi kursami względem KR z odbiorników różnicowych 30 25 20 15 Kurs z żyrokompasu Kurs z VTS 10 5 0-5 -10 1 Różnice między rejestrowanymi prędkościami względem V z odbiornika różnicowego 0 Prędkość z logu Prędkość z VTS -1 8:15:00 8:16:00 8:17:00 czas 8:18:00 8:19:00 8:20:00 Rysunek 3.3. 10. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego na zwrocie o 45 przy stałej prędkości

81 3.3.6. Badanie wektora ruchu statku przy wykonywaniu serii zwrotów na prawą burtę przy prędkości wolno naprzód Okres V Podczas badania statek, płynąc najpierw kursem 090 wykonał zwrot w prawo na kurs 135, przy prędkości cała naprzód. System VTS wykrył manewr z opóźnieniem o około 75 sekund. Nowy kurs wskazany został przez system po około 125 sekundach od momentu rozpoczęcia wykonywania manewru przez statek. Na nowym kursie statek zwolnił do wolno naprzód (około 6 węzłów). Przy zmniejszonej prędkości statek wykonał kolejną zmianę kursu na 180. System wykrył manewr po ok. 75 sekundach, lecz w momencie wykrycia manewru system wskazywał już prawie poprawnie nowy kurs. Żyrokompas wskazywał manewr na bieżąco, jedynie nową wartość kursu wskazywał z opóźnieniem. W dalszej części eksperymentu statek zwiększał prędkość do całej naprzód i podczas tego manewru wykonał zmianę kursu w prawo na 315. System wykrył manewr po około 75 sekundach, a nowy kurs został pokazany przez system po około 155 sekundach. Żyrokompas wskazywał zmiany kursu na bieżąco aczkolwiek wskazania kursu odbiegały nieznacznie od wzorcowych. Rysunek 3.3.11. przedstawia porównanie wektorów ruchu statku zarejestrowanych przez system VTS, układ wzorcowy i sensory statkowe dla opisanego wyżej eksperymentu. Diagramy na rysunku 3.3.12. przedstawiają różnice pomiędzy kursami i prędkością statku biorącego udział w badaniach, zarejestrowanymi przez układ wzorcowy i wskaźniki statkowe a zarejestrowanymi przez urządzenia systemu VTS. Na diagramie wskazującym różnice między kursami rejestrowanymi na statku i przez VTS zauważyć można, że maksymalna różnica wskazań kursu przez VTS względem kursu wzorcowego wynosiła 46 stopni dla zmiany kursu z 090

82 na 180 stopni, i 57 przy zmianie kursu ze 180 na 315. Wskazania prędkości w VTS są opóźnione o prawie 3 węzły względem prędkości z odbiornika satelitarnego, w momencie zwalniania z całej naprzód do wolno naprzód. Prędkość z logu jest także opóźniona względem wzorca, lecz tylko o około 2 węzłów. Zarówno dla VTS jak i dla logu opóźnienie we wskazaniach prędkości trwało tylko kilkadziesiąt sekund.

Rysunek 3.3. 11. Porównanie badanych wektorów ruchu statku przy serii zwrotów na prawą burtę i prędkości WN 83

węzły stopnie 84 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10 3 2 Różnice między rejestrowanymi kursami względem KR z odbiorników różnicowych Różnice między rejestrowanymi prędkościami względem V z odbiornika różnicowego Kurs z żyrokompasu Kurs z VTS 1 0-1 -2 Prędkość z logu Prędkość z VTS -3 9:45:00 9:47:00 9:49:00 9:51:00 czas 9:53:00 9:55:00 9:57:00 9:59:00 Rysunek 3.3. 12. Diagramy przedstawiające różnice mierzonych parametrów ruchu względem układu wzorcowego przy serii zwrotów na prawą burtę i prędkości WN

85 3.4. Analiza statystyczna danych Celem analizy jest zbadanie zgodności pomiaru kursu statku podanego przez VTS i kursu statku obliczonego na podstawie wskazań aparatury (GPS) zamontowanej na statku. W trakcie badań dokonano pomiarów dla różnych typów jednostek (kwestia wielkości statku). W pierwszym etapie przeprowadzono analizę zgodności obu prób (pomiary z VTS i pomiary z GPS). Do analizy wykorzystano test Kołmogorowa Smirnowa [3]. W teście Kołmogorowa Smirnowa badamy zgodność rozkładów dwu cech, aby sprawdzić, czy mają one taki sam rozkład. Istotą zależności stochastycznej nie jest jednoznaczność przypisania elementów zbioru X elementom zbioru Y, lecz jednoznaczność przypisania rozkładu prawdopodobieństwa zmiennej losowej Y do wartości x przybranej przez zmianę losową X. Mówimy na przykład, że zmienna losowa Y jest zależna stochastycznie od zmiennej losowej X, jeśli dystrybuanta F zmiennej losowej Y przy warunku X = x jest nie tylko funkcją wartości y zmiennej losowej Y, lecz i wartości x. Funkcja regresji przyporządkowuje średnie wartości zmiennej zależnej konkretnym wartościom zmiennej niezależnej. Najczęściej spotyka się liniowe funkcje regresji, ale dane mogą czasem wymagać dopasowania funkcji nieliniowej.

86 Model liniowy W przypadku liniowym prosta regresji ma postać Y = b + ax, (3.1) gdzie parametry a i b szacuje się metodą najmniejszych kwadratów [18] a n i 1 (x i x)(yi y), n 2 (x x) i 1 i b y - ax. (3.2) Model regresji wielokrotnej liniowej Model teoretyczny Oznaczamy przez X n na (k+1) wymiarową macierz obserwacji dokonanych w n elementowej próbie dla k+1 zmiennych niezależnych: x11 x12... x1k x1,k 1 x 21 x 22... x 2k x 2,k 1 X................ (3.3) x n 1,1 x n 1,2... x n 1,k x n 1,k 1 x n,1 x n,2... x n,k x n,k 1 Przez Y oznaczmy n wymiarowy wektor kolumnowy obserwacji dokonanych w n elementowej próbie dla zmiennej zależnej: y1 y 2... y n y n 1 Y. (3.4) Przez oznaczmy k+1 wymiarowy wektor kolumnowy parametrów zwanych

87 współczynnikami regresji wielorakiej: β1 β 2... β k β k 1 β. (3.5) Przez oznaczono n wymiarowy wektor kolumnowy losowy, którego składowymi są składniki losowe zwane też zakłóceniami losowymi: ε1 ε 2... ε n ε n 1 ε. (3.6) Model dany jest równaniem macierzowym Y=X +. (3.7) Nieobciążonym estymatorem wektora współczynników regresji jest wektor b, uzyskany z próby według wzoru b = (X T X) -1 X T Y. (3.8) Estymatorem współczynnika korelacji R jest statystyka R dana wzorem R 1 T Y Y T Y Y b 1 n T T X y T 1 Y 2. (3.9) W trakcie próby statki wykonywały manewry, ponadto parokrotnie zaistniała sytuacja, w której urządzenia VTS gubiły statek, dlatego w analizie wstępnej trasę każdego statku podzielono na fragmenty, z których każdy rozpatrzono niezależnie. Następnie przeprowadzono analizę łączną. Celem analizy było stwierdzenie, czy istnieją statystycznie istotne związki pomiędzy poszczególnymi parametrami ruchu statku pomierzonymi przez VTS

88 i GPS, oraz znalezienie ewentualnych zależności funkcyjnych. Najlepsze modele w każdym z przypadków zamieszczono w tabelach. W analizie wykorzystano metody regresji liniowej oraz regresji wielowymiarowej. Najważniejsze parametry statystyczne, charakteryzujące badane zależności podano w tabelach. Analizę przeprowadzono oddzielnie dla statku Tukana i Horyzont II dla ich okresów pomiarowych przedstawionych w tabelach 3.1 i 3.2. Charakterystyka poszczególnych okresów pomiarowych z analizą statystyczną danych dla statków Tukana i Horyzont II przedstawione zostały w załączniku 1. Komentarz do analizy statystycznej dla statku "Tukana" Analiza statystyczna dla przejścia statku "Tukana" wykazała, że istnieje statystycznie istotny związek pomiędzy wartościami KDd zarejestrowanymi na statku i KDd z VTS. Charakter tego związku zależy od manewrów wykonywanych przez jednostkę; manewrowanie statkiem, a zwłaszcza większa dynamika jego manewrów mają wpływ na pogorszenie zgodności obu badanych parametrów. Nie można zbudować prostego modelu zależności KDd z VTS i KDd rejestrowanego na statku przez GPS o wystarczającym poziomie zgodności. należy rozpatrywać modele wielowymiarowe, uwzględniające zmienne opisujące manewry jednostki i ich dynamikę (szybkość zmiany kursu na minutę i przyśpieszenie statku). Stwierdzono także istnienie statystycznie istotnego związku pomiędzy wartościami prędkości rejestrowanymi z GPS na statku i uzyskanymi z VTS, jednak na mniejszym poziomie istotności niż w przypadku kursu. Analiza wykazała, że w przypadku wykonywania manewrów, brak

89 jakiejkolwiek statystycznie istotnej zgodności pomiędzy szybkością zmiany kursu w ciągu minuty zarejestrowana z GPS a uzyskaną z VTS. Podobnie nie ma takiej zgodności pomiędzy GPS i VTS dla przyspieszenia statku. Komentarz do analizy statystycznej dla statku "Horyzont II" Przeprowadzona analiza statystyczna wykazała, że istnieje statystycznie istotny związek pomiędzy wartościami kursu uzyskanego z układu wzorcowego na statku i KDd z VTS (wskazuje na to wartość statystyki P poniżej 0,001). Bardzo silna zgodność dla tych wartości wystąpiła w okresie I, dla przejścia prostoliniowego (wskazuje na to wartość R 2 >90%). W większości przypadków zależność pomiędzy kursem z GPS i KDd z VTS miała charakter liniowy. Na odcinkach, gdy statek wykonywał manewry nie można znaleźć modelu o zgodności większej niż 60 %; wartość współczynnika korelacji R wskazuje, że w tych przypadkach należy tworzyć modele wielowymiarowe zawierające zmienne opisujące dynamikę manewru. Po utracie kontaktu wznowienie śledzenia przez VTS jest w przypadku pierwszych danych, obarczone dużym błędem (okres III). Rozpatrując prędkość jednostki wartość statystyki P wskazuje, że dla okresów stałego kursu (okres I i okres V) istnieje silny związek pomiędzy wartościami prędkości z GPS i prędkości z VTS (R 2 >80% i jest wynikiem zależności prędkości z VTS = a V GPS b ). Stwierdzono brak jakiejkolwiek zgodności pomiędzy zmianą kursu w ciągu minuty i przyśpieszeniami statku zarejestrowanymi z GPS i z VTS. Tabela 3.3. przedstawia model zależności KDd rejestrowanych przez VTS od pozostałych mierzonych wielkości.

90 Modele regresyjne Horyzont II Tabela 3. 3. Model zależności KDd VTS od pozostałych pomierzonych wielkości opis model R- kwadrat % błąd standardowy współczynnik korelacji dla wszystkich KDd VTS = 24,9623 + 0,857638 K gyro 71,7543 52,6033 0,847079 danych 7:50 do 7:59 KDd VTS = -549,237 + 2,66225 K gyro 30,1975 70,1141 0,549522 6:33 do 7:24 KDd VTS = 189,799-0,606085 K gyro 10,6311 1,52133-0,326054 dla 8:05-8:52 KDd VTS = 62,1315 + 0,562234 K gyro 32,8259 79,6477 0,572939 dla wszystkich danych KDd VTS = 63,4584 + 0,706408 kurs GPS 52,4358 68,2618 0,724126 7:50 do 7:59 KDd VTS = -585,692 + 2,73246 kurs GPS 24,1561 73,0853 0,491489 6:33 do 7:24 KDd VTS = 92,194 + 0,216685 kurs GPS 19,419 1,44459 0,44067 8:05 do 8:52 KDd VTS = 104,932 + 0,359557 kurs GPS 12,4025 90,9533 0,352172 dla wszystkich danych KDd VTS = 69,3242 + 0,689296 kurs GPS 49,891 70,064 0,706336 7:50 do 7:59 KDd VTS = -661,193 + 3,01518 kurs GPS 37,7259 66,2253 0,614214 6:33 do 7:24 KDd VTS = 165,82-0,401144 kurs GPS 21,9737 1,42151-0,468761 8:05 do 8:52 KDd VTS = 97,7823 + 0,427298 kurs GPS 16,0538 89,0375 0,400672 dla wszystkich danych KDd VTS = -0,0646914 st/min GPS + 0,727413 kurs GPS + 5,90061 V GPS 91,473 67,8031 91,4375 7:50 do 7:59 KDd VTS = 8,96514 V GPS + 0,635071 kurs GPS + 2,46363 st/min GPS 6:33 do 7:24 KDd VTS = 1,0238 kurs GPS - 0,260793 st/min GPS - 0,314378 V GPS 8:05 do 8:52 KDd VTS = 0,544106 kurs GPS - 0,150638 st/min GPS + 6,94244 V GPS 94,2607 66,4962 93,5432 99,9651 2,2324 99,9644 77,5199 89,4665 77,129

91 4. Domena niemożności decyzyjnej operatora VTS (DNDO) Przeprowadzone badania wykazały, że operator systemu VTS otrzymuje opóźnioną informację o wektorze ruchu statku. Opóźnienie to uzależnione jest od możliwości technicznych sprzętu, od oprogramowania systemu, od prędkości statku i od dynamiki ewentualnego manewru. Powyższe czynniki sprawiają, że wokół dziobowej części statku istnieje obszar (domena), w którym operator nie otrzymuje rzeczywistej informacji o wektorze ruchu statku. Domena ta jest obszarem, w którym operator nie może podjąć decyzji co do ewentualnego manewru antykolizyjnego, gdyż nie zna rzeczywistych parametrów ruchu statku. Proponuje się nazwać ją domeną niemożności decyzyjnej operatora (braku decyzji). Oznaczono ją jako D i jest ona funkcją: D = F(KDd,V, t,rot, przyśpieszenie) gdzie: KDd kąt drogi nad dnem V prędkość statku t = t 1 +t 2 czas opóźnienia t 1 czas wykrycia manewru przez system t 2 czas reakcji operatora ROT Rate of Turn (zmiana kursu w czasie minuty) W trakcie badań stwierdzono, że w prezentacji danych z VTS operatorowi, występuje opóźnienie od 1 do nawet 8 minut. Jest to szczególnie istotne w przypadku słabej widoczności. Dlatego potrzebna jest analiza ruchu statku w czasie takiego opóźnienia i możliwość zaistnienia w tym czasie sytuacji kolizyjnej nie wykrytej przez operatora. Domena niemożności decyzyjnej operatora (DNDO) jest obszarem pokrywającym potencjalne pozycje statku, jakie może on zajmować po

92 upływie czasu Δt. Domenę niemożności decyzyjnej operatora można opisać sektorem (wycinkiem koła) o cięciwie b i promieniu a. Rysunek 4.1 przedstawia obszar domeny statku płynącego z prędkością V 1 i kursem KDd, którego możliwa zmiana kursu w jednostce czasu przyjmuje jakąś wartość X /min. Rysunek 4. 1. Domena niemożności decyzyjnej operatora Jak wykazały przeprowadzone badania: - cięciwa b [Mm] zależy od prędkości statku V st, oraz ROT (charakterystyki manewrowej), - promień a [Mm] zależy od prędkości statku V st [węzły], opóźnienia Δt [sekundy], a także od zmian prędkości statku ΔV st [węzły/sek]. Zależności te opisane są równaniami: b a ROT sin a 2 2 Vst t Vst t 7200 3600 2 (4.1) (4.2)

93 Przykłady parametrów DNDO statku dla kilku wybranych jednostek przedstawione są w tablicy Tabela 4. 1. Przykłady DNDO statku V st [w] ROT [ ] a [m] b [m] 5 30 150 75 40 95 50 115 10 30 300 150 40 190 50 230 20 30 600 300 40 390 50 460 Promień a pozwala określić możliwość zaistnienia sytuacji kolizyjnej typu najechania na przeszkodę ( aspekt- odległość statku od przeszkody) Rys. 4.1. Cięciwa b pozwala określić możliwość zaistnienia sytuacji kolizyjnej w przypadku: - zmiany kursu przez statek i najechania na przeszkodę, - kolizji dwóch statków idących kursami równoległymi i zmiany kursu przez co najmniej jeden z nich Rys.4.3. Wystąpienie sytuacji kolizyjnej nie wykrytej przez operatora, może zaistnieć w przypadku, gdy: 1) przeszkoda, znajdująca się na kursie, znajdzie się w DNDO statku, 2) DNDO dla dwóch statków będą miały niepustą część wspólną. W przypadku 2 prawdopodobieństwo zaistnienia kolizji jest wprost proporcjonalne do pola części wspólnej obu domen.

94 Pole DNDO statku dane jest wzorem: S Korzystając ze wzorów (4.1) i (4.2) mamy a 2 b 2arcsin 2a. (4.3) o 360 S V st 2 t 2 V st t 2 ROT 180 o. (4.4) Rozmiary domeny należy powiększyć o czas reakcji operatora potrzebnej do podjęcia decyzji i przekazania jej na statek. Rysunek 4.2 b. przedstawia domenę niemożności decyzyjnej operatora dla statku płynącego z prędkością 2V 1. W tabeli 4.1 podano przykładowe parametry domeny obliczone dla statku poruszającego się z prędkością V równą 5,10 lub 20 węzłów, który może wykonać zwrot z prędkością kątową 30,40 lub 50 /min. Istnienie przedstawionej powyżej domeny wymaga przeprowadzenia, w instalowanych VTS, badań nad opóźnieniami prezentacji przez system informacji o wektorze ruchu statku. Wiedza ta jest niezbędna dla planowania torów podejściowych do portów. Szerokości portów powinny być tak zaprojektowane, aby statki płynące w przeciwnych kierunkach minęły się w odległości większej niż boczne wymiary ich domen (b 2 na rysunku 4.2b.). Dla operatorów VTS znajomość wymiaru domeny potrzebna jest do planowania bezpiecznego przejścia statku. Jeżeli tor podejściowy jest zbyt wąski, aby uniknąć sytuacji, w której domeny statków mogą się spotkać, to miejsce spotkania należy planować na odcinkach prostoliniowych, zalecając statkom trzymanie się tak blisko, jak to jest możliwe, zewnętrznej części toru i redukcję prędkości (redukcja prędkości zmniejszy wymiary domeny).

95 Rysunek 4. 2. Przykładowe domeny dla statków płynących z prędkością V 1 i V 2 Ponieważ najbardziej niebezpiecznymi odcinkami toru są łuki to należy tak budować podejścia, aby szerokość toru na łuku była jak największa. Szkolenie operatorów VTS, organizowane w oparciu o zalecenia zawarte w IALA Recomendation on Standards for Training and Certification of VTS Personnel (V - 103 May 1998) 33, przewiduje ćwiczenia w rozwiązywaniu sytuacji niebezpiecznych. Uwzględnienie podczas ćwiczeń informacji o istnieniu wyżej wspomnianej domeny pozwoli operatorowi lepiej interpretować informacje o wektorze ruchu statku i efektywniej oraz bezpieczniej zaplanować przejście statku przez obszar działania systemu.