ISSN 1733-8670 ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA EXPLO-SHIP 2006 Krzysztof Dziedzicki, Roman Śmierzchalski, Andrzej Łebkowski Symulator ruchu statku morskiego Słowa kluczowe: symulacja, modelowanie matematyczne, nawigacja Prawidłowe przygotowanie załogi statku do pracy na morzu można osiągnąć dzięki praktykom morskim lub szkoleniom na symulatorach. W artykule prezentowany jest symulator nawigacyjny statku poruszającego się w środowisku morskim. Symulator pozwala na realizację różnych scenariuszy szkoleniowych i śledzenie przebiegu szkolenia w czasie rzeczywistym. Prezentowany symulator umożliwia również realizację szeregu celów w zakresie badania działania układów sterowania automatycznego statkiem, systemów unikania kolizji, sterowania po trajektorii itd. Moving Ship Simulator in the Sea Environment Key words: simulation, mathematical modelling, navigation Correct preparation of the crew for work can be obtained via long-lasting apprenticeship at sea, or training at simulators. The simulator of the moving ship in the marine environment is presented. It has an ability to realize different training scenarios and the follow-up action of training in real-time. The simulator makes it possible to test the ship steering systems, to verify the collision avoiding systems, the testing of the autopilot etc. 59
Krzysztof Dziedzicki, Roman Śmierzchalski, Andrzej Łebkowski Wprowadzenie Przyjęte standardy w zakresie wymagań szkolenia załóg i sposobu certyfikacji stopni morskich (Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers Convention (STCW 95)), opracowane przez Międzynarodową Organizację Morską (International Maritime Organization (IMO)), pozwalają na włączanie symulatorów systemów morskich do procesu edukacji i treningu marynarzy różnych specjalności, pracujących na różnych stanowiskach na statkach. Zgodnie z rozporządzeniem ministra infrastruktury z dnia 21 czerwca 2005 r. w sprawie uznawania, potwierdzania uznania oraz nadzorowania wyższych szkół morskich i ośrodków szkoleniowych (Dz. U. z dnia 8 lipca 2005 r.), symulatory wykorzystywane podczas szkolenia, oceny lub egzaminowania powinny spełniać wymagania określone w Prawidle I/12 konwencji STCW oraz A-I/12 i B-I/12 Kodeksu STCW. Rekomendowane jest realizowanie zadań na podzielonych tematycznie symulatorach (np. symulator sterowania i kontroli silnika głównego, symulator nawigacyjny). Takie podejście z podziałem na typy i klasy symulatorów może zapewnić, zgodnie z wymaganiami dotyczącymi poszczególnych stanowisk pracy, pełny zakres szkolenia. Formalna klasyfikacja symulatorów, a także dokładne oszacowanie kompetencji na poszczególnych stanowiskach nie pozwala na ominięcie funkcji instruktora, który indywidualnie ustala zakres realizowanych zadań. Uwzględniając powyższe i wychodząc naprzeciw wymaganiom konwencji STCW 95 w zakresie szkolenia marynarzy pływających na statkach handlowych, podjęto próbę zrealizowania w Katedrze Automatyki Okrętowej Akademii Morskiej w Gdyni symulatora ruchu statku w morskim środowisku nawigacyjnym. System ten umożliwia realizację wielu celów: w zakresie szkolenia nawigatorów: badanie funkcji rzeczywistych układów okrętowych związanych z nawigacją, prowadzenie nawigacji w różnych warunkach pogodowych i przy różnej widoczności, wyznaczanie parametrów bezpieczeństwa dla napotkanych statków oraz wyznaczanie i wykonanie manewru antykolizyjnego w razie wystąpienia takiej konieczności; w zakresie badań układów sterowania statkiem: analiza algorytmów i układów automatycznego prowadzenia nawigacji. 60
Symulator ruchu statku morskiego 1. Struktura i budowa symulatora statku Strukturę symulatora przedstawiono na rysunku 1. Przyjęta struktura obejmuje bazę sytuacji nawigacyjnych, model statku własnego, model ruchu obiektów, model zakłóceń, autopilota, interfejs oraz moduł wizualizacji. Dynamika statku własnego opisana jest przez zbiór równań różniczkowych. Dokładniejszy opis przyjętego modelu statku umieszczono w punkcie 2. Dla pozostałych obiektów pływających występujących w symulatorze modelowana jest kinematyka ich ruchu. Symulator zawiera mapę akwenu, obejmującą stałe ograniczenia nawigacyjne takie jak: lądy, płycizny boje itp. Otoczenie statku obrazowane jest w technice 3D. Wygląd obiektów statycznych w symulatorze przedstawiono na rysunku 2a. Dodatkowo poruszający się statek może napotkać góry lodowe, sztormy oraz inne statki. Symulator zawiera 20 sylwetek jednostek pływających ważnych z punktu widzenia przepisów drogi morskiej. Są wśród nich tankowce, chemikaliowce, kontenerowce, trałowce, holowniki itd. Przykładowe sylwetki statków przedstawiono na rysunku 2b. Informacje o wszystkich obiektach występujących w modelowanym środowisku morskim przechowywane są w bazie danych sytuacji nawigacyjnej. Interfejs Środowisko morskie Generator lądów Baza sylwetek obiektów Baza sytuacji nawigacyjnej Model ruchu obiektów Autopilot Moduł całkowania równań różniczkowych Model zakłóceń Generator pseudolosowy Model statku Wizualizacja OpenGL Rys. 1. Struktura symulatora Fig. 1. Simulator structure Symulator pozwala na wczytanie wcześniej przygotowanych scenariuszy. Scenariusze można tworzyć wykorzystując oddzielny program. Tworząc scenariusz dla każdego statku występującego w symulacji, można zadać trasę przejścia oraz prędkości na poszczególnych jej odcinkach. Odpowiednio przygotowane scenariusze pozwalają na zapoznanie się lub sprawdzenie znajomości prawideł regulujących ruch morski. 61
Krzysztof Dziedzicki, Roman Śmierzchalski, Andrzej Łebkowski a) b) Rys. 2. Obiekty występujące w symulatorze: a) elementy statyczne b) sylwetki statków Fig. 2. Different types of objects in a simulator: a) static objects b) ship shapes Symulator umożliwia zmianę zakresu widoczności. Możliwe jest wprowadzenie mgły oraz prowadzenie nawigacji w warunkach nocnych. Aktualny stopień skali Beauforta znajduje odbicie w zakresie widoczności oraz wysokości i długości fali. Sposób prezentacji parametrów opisujących zachowanie się statku w symulatorze odpowiada układowi wskaźników występujących na rzeczywistych jednostkach pływających. Wygląd okna nawigacyjnego zawierającego panel kontrolny przedstawiono na rysunku 3a. Możliwy jest odczyt położenia statku we współrzędnych geograficznych, jego kurs, prędkość liniową oraz kątową. Panel po prawej stronie prezentuje dane opisujące bieżący odcinek trajektorii statku. Istnieje możliwość przyspieszenia czasu symulacji. W każdym momencie można wprowadzić nową trajektorię zadaną dla statku własnego. Symulator wyposażony jest w autopilota, który w razie potrzeby może sterować po zadanej trajektorii. Dokładny opis działania autopilota został przedstawiony w pracy [4]. Panel po lewej stronie prezentuje dodatkowe parametry, opisujące bieżące warunki nawigacji takie jak: stopień w skali Beauforta, prędkość i kierunek wiatru oraz prędkość i kierunek prądów morskich. Interfejs symulatora pozwala zmieniać nastawy prędkości obrotowej silnika, kąt łopat nastawnej śruby napędowej, wychylenie steru oraz nastawy dwóch sterów strumieniowych dziobowego i rufowego. 62
Symulator ruchu statku morskiego a) b) Rys. 3. Okna symulatora: a) nawigacyjne, b) radarowe Fig. 3. Different simulator views: a) navigation window, b) radar window Symulator modeluje pracę radaru, układu ARPA oraz systemu AIS. Wygląd okna radarowego prezentowany jest na rysunku 3b. Zakres widoczności w oknie radaru można zmieniać od 0,25 do 96 mil morskich. Możliwe jest zobrazowanie w trybie course up lub north up. Wektory ruchu innych jednostek mogą być prezentowane w konwencji true oraz relative. Zadana trasa dla statku własnego widoczna jest w oknie radarowym jako linia z numerami w kolejnych punktach 63
Krzysztof Dziedzicki, Roman Śmierzchalski, Andrzej Łebkowski zwrotów. W panelu po prawej stronie można obserwować parametry ruchu innych jednostek pływających, informujące o zagrożeniu kolizyjnym takich jak CPA, TCPA itd. Możliwa jest zmiana ich nastaw. Zmienia się tym samym próg wystąpienia alarmu kolizyjnego, zgłaszanego przez podsystem ARPA. Panel, przedstawiony na rysunku 4, prezentuje dane z systemu AIS opisujące zaznaczony obiekt. Użytkownik symulatora ma do dyspozycji dwie linie namiaru elektronicznego (ang. electronic bearing line). Pozwala to na określenie namiaru na napotkane obiekty. Zgodnie z wymaganiami przepisów drogi morskiej statki powinny sygnalizować swoją pozycję oraz aktualny status odpowiednio rozmieszczonymi światłami nawigacyjnymi, ewentualnie sekwencją świateł. Na rysunku 4 przedstawiono płynący masowiec w warunkach ograniczonej widoczności. Rys. 4. Symulacja płynącego masowca w warunkach ograniczonej widoczności Fig. 4. Simulation of the sailing ship in the low visibility situation Przebieg całej symulacji może zostać zapisany. Archiwizowane są zarówno parametry modelu matematycznego statku, jak i położenia prędkości i kursy obiektów ruchomych występujących w symulatorze. 2. Model matematyczny statku Najważniejszym elementem symulatora jest model statku, który powinien odwzorowywać zachowanie prawdziwej jednostki pływającej. Tworzony symulator statku opiera się na modelu matematycznym statku typu drobnicowiec ro-ro o symbolu stoczniowym B-481. Schemat ogólny modelu przedstawiono na rysunku 5. 64
Symulator ruchu statku morskiego V wsr γ w γ f V P γ P Zakłócenia addytywne (wiatr, fala, prąd morski) ψ u v H S z X S X Z Y Z N Z n S z Napęd główny Y S N S u δ z T Ster płetwowy X R Y R N R Dynamika statku u v r β V P γ P Kinematyka statku x s y s ψ r v u H TD z H TR z Poprzeczne stery strumieniowe X SS Y SS N SS u v r h Rys. 5. Struktura modelu matematycznego statku B-481, gdzie: H z S zadany skok śruby nastawnej napędu głównego, n z S zadana prędkość obrotowa śruby głównej, T siła naporu śruby napędu głównego, δ z zadany kąt wychylenia steru płetwowego, H z TD zadany skok śruby dziobowego steru strumieniowego, H z TR zadany skok śruby rufowego steru strumieniowego, V wsr, γ w średnia prędkość i kierunek wiatru rzeczywistego, γ f kierunek działania fali morskiej, V p, γ p prędkość i kierunek prądu morskiego, h głębokość akwenu pływania, u prędkość wzdłużna, v prędkość poprzeczna, r prędkość kątowa statku, β kąt dryfu, x s, y s współrzędne położenia,ψ kurs statku, X, Y, N siły i momenty działające na kadłub statku, [7] Fig. 5. Structure of the mathematical model of the own ship: H z S assumed pitch of the main propulsion adjustable blade propeller, n z S assumed rotations of the main propulsion propeller, T thrust of the main propulsion propeller, δ z assumed deflection of the blade rudder, H z TD assumed propeller pitch of the bow thruster, H z TR assumed propeller pitch of the stern thruster, V wsr, γ w average speed and direction of the real wind, γ f direction of sea waves, V p, γ p speed and direction of sea current, h depth of the sailing area, u ship s longitudinal speed, v ship s transverse speed, r ship s rate of turn, β drift angle, x s, y s position coordinates,ψ ship s course, X, Y, N forces and moments acting on ship s hull, [7] Model obejmuje dynamikę kadłuba, napędu głównego składającego się z pojedynczej śruby nastawnej, steru płetwowego oraz dwóch poprzecznych sterów strumieniowych: dziobowego i rufowego. Zamodelowano również wpływ zakłóceń hydrometeorologicznych (wiatr, fala, prąd morski), jak i zmiany dynamiki powodowane przez efekt płytkowodzia. Model ten umożliwia analizowanie zachowania się statku dla dwóch stanów załadowania: zabalastowanego i przy 100% załadowaniu. 65
Krzysztof Dziedzicki, Roman Śmierzchalski, Andrzej Łebkowski Zależności kinematyczne pozwalające na wyznaczenie pozycji statku opisane są wzorami: x& = V cos( ψ β ) + s V p s V p cosγ y& = V sin( ψ β ) + sin γ (1) ψ& = r gdzie: V wypadkowa prędkość statku, ψ kurs statku, β kąt dryfu statku, r prędkość kątowa statku. Dynamikę układu napędowego opisuje równanie: S z ( ns ns ) TSG gdzie: T SG stała czasowa, n z S zadana prędkość obrotowa śruby. p p n & = / ; n S 1 (2) Równania opisujące ruch wzdłużny, poprzeczny oraz kątowy płynącego statku przyjmują postać: ( 11 1+ k ) u& = X tot ( 1+ k 22 ) v& = (3) ( 66 1+ k ) r& = gdzie: u prędkość wzdłużna, v prędkość poprzeczna, r prędkość kątowa statku, k 11, k 22, k 66 współczynniki masy wody towarzyszącej uwzględniające efekt płytkowodzia, X tot, Y tot, N tot całkowite siły i moment działające na kadłub statku odpowiednio w osiach X, Y oraz Z. Y tot N tot Siły i moment działające na kadłub są wyznaczane z zależności: X tot = X k + X S + X R + X SS + X Z Y tot = Y k + Y S + Y R + Y SS + Y Z (4) N tot = N k + N S + N R + N SS + N Z 66
Symulator ruchu statku morskiego gdzie: X k, Y k, N k siły i moment hydrodynamiczne powodowane przez kadłub statku, X S, Y S, N S siły i moment pochodzące od napędu, X R, Y R, N R siły i moment pochodzące od steru płetwowego, X SS, Y SS, N SS siły i moment pochodzące od sterów strumieniowych, X Z, Y Z, N Z siły i moment pochodzące od zakłóceń. Na model zakłóceń zewnętrznych składają się siły i momenty pochodzące od wiatru, fali i prądu morskiego. Szczegółowy opis modelu statku podano w pracy [2]. Do rozwiązania modelu matematycznego statku B-481 wykorzystywana jest metoda oparta na algorytmie Runge-Kutty prezentowana w pracy [3]. 3. Badania symulacyjne Przedstawiony symulator został wykorzystany do testowania algorytmów i systemów sterujących statkiem, opracowanych w Katedrze Automatyki Okrętowej Akademii Morskiej w Gdyni. Przygotowano również szereg scenariuszy szkoleniowych dla nawigatorów. 3.1. Badania symulacyjne autopilota statku Prezentowany symulator wykorzystano do testowania regulatora kursu. Testowany regulator nadzorował realizację zadanej trasy przejścia dla statku własnego. Zapis jednej z przeprowadzonych symulacji podano na rysunku 6. Linią przerywaną zaznaczono zadaną trasę przejścia. Linią ciągłą zaznaczono trajektorię, po której poruszał się statek własny w czasie symulacji. x 10 4 5.5 5 wspolrzedna Y [m] 4.5 4 3.5 3 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 wspolrzedna X [m] x 10 4 67
Krzysztof Dziedzicki, Roman Śmierzchalski, Andrzej Łebkowski Rys. 6. Przebieg symulacji podczas weryfikacji działania regulatora trajektorii Fig. 6. Simulation results during autopilot tests Na rysunku 7 przedstawiono odchylenie pomiędzy zadaną trasą przejścia dla statku własnego a trajektorią zrealizowaną w czasie symulacji. odchylenie [m] 140 120 100 80 60 40 20 0-20 t [ s] Rys. 7. Odchylenie pomiędzy zadaną trasą przejścia a trajektorią zrealizowaną Fig. 7. Difference between a pre-set trajectory and the realized ship trajectory Na rysunku 8 podano parametry ruchu statku własnego oraz działające na niego zakłócenia hydrometeorologiczne podczas sterowania po zadanej trasie przejścia. kurs st. [st.] 300 200 100 0 wych. ster. [st.] 40 20 0-20 -40 pred. st. [w] pr.obr. sil. [obr/min] 10 8 6 140 120 100 80 60 kier. wiatru [st.] pred. wiatru [w] 300 200 100 0 8 6 4 2 0 kier. pr.m. [st.] 300 200 100 0 pred. pr.m. [w] 0.6 0.4 0.2 0 czas [s] 68
Symulator ruchu statku morskiego Rys. 8. Parametry ruchu statku własnego oraz zakłócenia hydrometeorologiczne podczas sterowania po zadanej trasie przejścia Fig. 8. The own ship parameters and disturbances during the realisation of the pre-set ship trajectory 3.2. Szkolenie nawigacyjne Okno radarowe przykładowego scenariusza zrealizowanego w symulatorze przedstawiono na rysunku 9. Statek własny napotyka dwa statki obce (nr 1, nr 2). Statek własny musi przepłynąć przez cieśninę pomiędzy wyspami. Obszary mielizn zostały oznaczone bojami. Rys. 9. Okno radarowe symulatora szkoleniowego Fig. 9. Radar window of training scenario W trakcie symulacji system ARPA wykrył przekroczenie nastaw parametrów bezpieczeństwa przez statek nr 2. Zgodnie z prawidłami drogi morskiej statek znajdujący się po prawej stronie ma pierwszeństwo. Należało więc podjąć decyzję o wykonaniu odpowiedniego manewru, pozwalającą na uniknięcie kolizji. Przebieg symulacji wraz z wartościami sterowania i zakłóceń jest archiwizowany. Zapis symulacji przedstawia rysunek 10. Wykonany manewr pozwolił na uniknięcie zagrożenia kolizyjnego. W trakcie symulacji zrealizowano zadaną trasą, omijając jednocześnie płycizny. 69
Krzysztof Dziedzicki, Roman Śmierzchalski, Andrzej Łebkowski Rys. 10. Zapis przebiegu symulacji Fig. 10. The recorded data from the simulation W trakcie symulacji możliwe było zapoznanie się ze specyfiką prowadzenia dużych jednostek pływających, która wymaga wykonywania manewrów z odpowiednim wyprzedzeniem ze względu na dużą bezwładność. Należało wykonać manewr antykolizyjny zgodny z prawidłami drogi morskiej. Możliwa była obserwacja świateł nawigacyjnych napotkanych jednostek. Podsumowanie Symulator realizuje najważniejsze funkcje nawigacyjne, jakie można spotkać na rzeczywistym statku. Zastosowany model matematyczny statku odwzorowuje dynamikę rzeczywistej jednostki pływającej. Dzięki temu prezentowany symulator może znaleźć zastosowanie jako narzędzie przygotowujące studentów i oficerów do zadań związanych z prowadzeniem statku. Odpowiednio przygotowane scenariusze pozwalają na zapoznanie się w praktyce z prawidłami drogi morskiej. Dostęp do danych radarowych i informacji opisujących ruch napotkanych jednostek pozwala na doskonalenie umiejętności związanych z zagadnieniami unikania kolizji. Zastosowania dydaktyczne nie wykluczają innego wykorzystania symulatora. Za jego pomocą zweryfikowano w warunkach zbliżonych do rzeczywistych działania algorytmu regulatora trajektorii. Symulator został również wykorzystany do testowania systemu sterowania statkiem w sytuacji kolizyjnej [5, 6, 7]. Wyniki badań przedstawiono w pracy [8]. Wymienione cechy połączone ze stosunkowo niewielkimi wymaganiami sprzętowymi (komputer klasy PC), czynią z prezentowanego symulatora dobre narzędzie, które może znaleźć zastosowanie do celów naukowych, jak i dydaktycznych. W dalszej perspektywie symulator zostanie wzbogacony o 70
Symulator ruchu statku morskiego możliwość interakcji między jednostkami sterowanymi przez użytkowników. Możliwe będzie również wprowadzenie awarii steru bądź napędu statku. Literatura 1. Soares C.G., Teixeira A.P., Risk assessment in maritime transportation, Reliability, Engineering and System Safety 74 (2001) pp. 299-309. 2. Galbas J., Synteza układu sterowania precyzyjnego statkiem za pomocą sterów strumieniowych, Rozprawa doktorska, Gdańsk 1988. 3. Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery, Numerical Recipes in C The Art of Scientific Computing, Cambridge University Press 2002. 4. Tobiasz M., Łebkowski A., Tomera M., Dziedzicki K., Śmierzchalski R., Course and speed controller for ships steering in collision situation, 11 th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, MMAR Międzyzdroje 2005. 5. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Evolutionary-fuzzy hybrid system of steering the moveable object in dynamic environment. MCMCWC, IFAC Girona Spain, 17-19.09.2003. 6. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Dziedzicki K., Tobiasz M., Tomera M., Collision avoidance at sea by hybrid pfss system, 11 th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, MMAR Międzyzdroje 2005. 7. Łebkowski A., Śmierzchalski R., Hybrid System of Safe Ship Steering in a Collision Situation at Sea, KAEiOG, Łagów 2003. 8. Łebkowski A., Dziedzicki K., Tobiasz M., Śmierzchalski R., Tomera M., A marine environment simulator for testing ship control systems in dangerous situations, ACSIM, Ełk 01, 03.07.2005. 9. Branstad Per, Use of Marine Simulators according to the STCW revision, Neues in der Shiffsbetriebstechnic, Gluckburg 30 May 97, 1-13. 10. Kluj S., The model of engine room simulator, 11 th Ship Control Systems Symposium, Vol. 2, Southampton, UK, 567-576 May 97, 1-13. 11. Help is at hand for training and safety, MER, May 99, no 51. Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. Recenzent prof. dr hab. inż. Bernard Wiśniewski Adresy Autorów 71
Krzysztof Dziedzicki, Roman Śmierzchalski, Andrzej Łebkowski mgr inż. Krzysztof Dziedzicki, dr hab. inż. Roman Śmierzchalski, mgr inż. Andrzej Łebkowski Akademia Morska w Gdyni Katedra Automatyki Okrętowej ul. Morska 83, 81-225 Gdynia drow@atol.am.gdynia.pl 72