Моделі та методи аналізу і синтезу системи навігації та управління рухом суден на основі апріорних оцінок технічної ефективності

Abstract

Данік О.В. Моделі та методи аналізу і синтезу системи навігації та управління рухом суден на основі апріорних оцінок технічної ефективності. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальність 05.22.20 «Експлуатація та ремонт засобів транспорту». – Державний університет інфраструктури та технологій. – Державний університет інфраструктури та технологій, Київ, 2018. Для України, з її значною територією, сучасна і передова транспортна інфраструктура є фундаментом для реалізації стратегічних завдань країни. Тільки завдяки розвиненому транспортному комплексу можливий поступальний економічний ріст більшості найважливіших сфер діяльності держави і перехід економіки до соціального шляху розвитку. Судноплавство є однією з найважливіших складових транспортного комплексу України. Україна активно діє у всіх міжнародних суспільно-економічних процесах, а це вимагає від транспорту, як інфраструктурної галузі, швидкого розвитку та вдосконалення. Метою цього державного завдання є сприяння економічному та соціальному розвитку країни та її участі в міжнародної інтеграції. За прогнозами експертів через 2 – 3 роки обсяг перевезення вантажів збільшиться порівняно з останніми роками до 40 %, переробка вантажів у державних морських торговельних портах – до 45 %, обсяг пасажирських перевезень – до 30 %. Варте підкреслити те, що перехід на інвестиційно-інноваційний етап розвитку економіки вимагає розвитку транспорту на якісно новій основі. Проте, технічний стан суден являється незадовільним. Аналіз статистичних даних дозволяє зробити висновок про те, що на безпеку судноплавства найчастіше впливають: зношеність суден, суднового, портового та іншого обладнання; неукомплектованість водних судноплавних шляхів навігаційними знаками, порушення правил зберігання і транспортування небезпечних речовин; відхилення від проектної документації при виробництві й експлуатації обладнання, технічних засобів; застарілість гідротехнічних споруд; неякісне виконання регламентних та ремонтних робіт; перевищення норм перевезення пасажирів і вантажів; неукомплектованість суден рятувальними засобами; порушення правил техніки безпеки і охорони праці; здійснення правопорушень і злочинів, що роблять замах на безпеку у сфері водного транспорту; послаблення контролю за безпекою судноплавства і у сфері експлуатації суден, у зв’язку з переходом останніх в приватну власність та ін. Тому необхідно проводити заходи, що спрямовані на покращення показників безпеки. Особо варто підкреслити питання стосовно такої важливої складової будь-якого судна, як системи навігації та управління рухом. Дослідження, які виконані в дисертації стосовно шляхів розвитку систем навігації та управління рухом суден показують, що найбільш перспективним напрямом удосконалення даних систем є їх комплексування, інтеграція та створення на основі такого об’єднання «інтегральних мостікових систем управління судном». Аналіз наукових та інженерних підходів розробки та впровадження інтегрованих мостікових систем управління дозволів виявити рід системних недоліків та зауважень. Тому актуальним є наукове завдання удосконалення існуючих та розробки нових моделей та методів аналізу і синтезу системи навігації та управління рухом суден на основі апріорних оцінок технічної ефективності комплектуючих підсистем, вирішенню цього завдання і присвячена дисертаційна робота. Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що: вперше розроблено модель визначення ефективності виконання завдання навігації та управління рухом судном безаварійних подій, яка відрізняється від подібних моделей представленням ефективності як функції показників ефективності комплектуючих підсистем. Застосування моделі дозволяє вирішити завдання аналізу та синтезу структури системи навігації та управління рухом судном в сучасних умовах; удосконалено модель ефективності навігаційного комплексу та системи управління рухом судном безаварійних подій, яка відрізняєтсья від існуючих урахуванням апріорних техніко-експлуатаційних характеристик комплектуючих підсистем. Застосування моделі дозволяє вирішити завдання формування алгоритму аналізу системи навігації та управління рухом судном в штатних та нештатних умовах експлуатації; удосконалено метод структурного синтезу системи навігації та управління рухом судном безаварійних подій, який на відміну від існуючих застосовує інтелектуалізований підхід визначення поступки між ефективністю та вартістю з використанням параметричних моделей нечітких експертних висновків на основі нейронних мереж. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що: реалізація отриманих в роботі результатів дозволяє проводити аналіз різних варіантів систем навігації та управління рухом, що дозволяє провести порівняльний аналіз та визначити за критерієм ефективність-вартість найкращий варіант системи. Разом з тим, запропонований науково-методичний апарат може використовуватись в якості теоретичної бази для проведення синтезу системи навігації та управління рухом річкових та морських суден; застосування запропонованих моделей і методів дозволяє при вирішенні завдань синтезу структури системи навігації та управління рухом судном зменшити вартість до 15 % у порівнянні з варіантами, що мають однакові показники ефективності, а також підвищити ймовірність виконання безаварійного судноводіння на 10-12 % при умові постійного значення вартості варіанту системи; результати дисертаційних досліджень реалізовані у ТОВ «Червона рута» (акт від 24.11.2016 р. №36/16); у навчальному процесі ДП «Український науково-дослідний навчальний центр» під час створення курсу лекцій, а також при підготуванні кандидатів в аудитори з сертифікації продукції машинобудування (акт від 19.06.2017 р. №13/а), а також в навчальному процесі Державного університету інфраструктури та технологій (акт від 08.11.2017 р. №19/128) під час створення курсу лекцій з дисциплін «Технічні засоби судноводіння», а також при підготовці аспірантів. Також результати дисертаційних досліджень впроваджені у науководослідної роботі: «Розробка комплексного показника якості пасажирських круїзних суден змішаного плавання в системі безпересадкових круїзних перевезень між портами Дніпра, Чорного моря та Дунаю» (номер держреєстрації 0116U03946), яка виконувалася у Київській державній академії водного транспорту, у якої автор приймав участь як виконавець. Перспективними шляхами подальших досліджень у зазначеному напрямку може бути широке коло питань щодо перспективної системи навігації та управління рухом судна. Отримані методи дозволяють розглянути можливість використання даних підходів у інших системах транспортних засобів, а також значно підвищити ефективність процесу навігації та безаварійного управління рухом судна за рахунок модернізації. Для досягнення поставленої в роботі мети використано методи дослідження на основі системного підходу з застосуванням математичних моделей і методів універсальної алгебри, дискретної математики, теорії ймовірностей, теорії оптимального управління, теорії прийняття рішень. Для виявлення наукового завдання використано системний аналіз. Методика проведення експерименту та перевірки достовірності розроблених наукових положень реалізована на основі методів математичної статистики. Danik O.V. Models and methods of analysis and synthesis of navigation systems and vessel traffic control based on a priori estimates of technical efficiency. - Qualifying scientific work on the rights of manuscripts. Dissertation for obtaining a scientific degree of the candidate of technical sciences in specialty 05.22.20 "Operation and repair of means of transport". - State University of Infrastructure and Technology. - State University of Infrastructure and Technology, Kyiv, 2018. For Ukraine, with its considerable territory, modern and advanced transport infrastructure is the basis for realization of the strategic tasks of the country. Only thanks to the developed transport complex possible progressive economic growth of most important areas of state activity and the transition of the economy to the social development path. Shipping is one of the most important components of the transport complex of Ukraine. Ukraine is active in all international socioeconomic processes, which requires transport, infrastructure, rapid development and improvement. The purpose of this state task is to promote the country's economic and social development and its participation in international integration. According to experts' forecasts, in 2 - 3 years the volume of cargo transportation will increase by 40% compared to the last years, up to 45% in the state sea trade ports, and up to 30% in passenger traffic. It is worth emphasizing that the transition to the investment and innovation stage of the development of the economy requires the development of transport on a qualitatively new basis. However, the technical condition of the ships is unsatisfactory. The analysis of statistical data allows us to conclude that the safety of navigation is most often affected by: wear of ships, ship, port and other equipment; incompleteness of waterways with navigational signs, violation of the rules of storage and transportation of dangerous substances; deviation from the design documentation for the production and operation of equipment, technical means; obsolete hydraulic structures; poorly performing scheduled and repair work; exceeding the norms of passenger and cargo transportation; incompleteness of ships by means of rescue; violation of the rules of safety and occupational safety; committing offenses and offenses that commit an attempt on security in the field of water transport; the relaxation of the control of navigation safety and the exploitation of ships, in connection with the transfer of the latter into private property, etc. Therefore, it is necessary to take measures aimed at improving security indicators. Particularly worth emphasizing is the issue of such an important component of any vessel, such as navigation and traffic control systems. The studies carried out in the dissertation on the ways of development of navigation systems and vessel traffic control show that the most promising direction of improvement of these systems is their integration, integration and creation on the basis of such an association of "integral bridge systems of ship management". Analysis of scientific and engineering approaches for the development and implementation of integrated bridge management permitting systems to identify the nature of system failures and observations. Therefore, the scientific task of improving existing and developing new models and methods for analyzing and synthesizing navigation systems and controlling the movement of vessels based on a priori estimates of the technical efficiency of component subsystems, solving this problem and devoted to the dissertation work is relevant. Scientific novelty of the obtained results is that: For the first time, a model was developed for determining the effectiveness of the task of navigating and controlling the motion of a casualty vessel, which differs from similar models by representing efficiency as a function of performance indicators of component subsystems. Application of the model allows to solve the problem of analysis and synthesis of the structure of the navigation system and control of the movement of the vessel in modern conditions; the model of the efficiency of the navigational complex and the traffic control system of the accident-prevention events improved, which differs from the existing ones taking into account the a priori technical and operational characteristics of the components of the subsystems. Application of the model allows to solve the problem of forming the algorithm of the analysis of the navigation system and control of the movement of the vessel in regular and unusual operating conditions; the method of structural synthesis of the system of navigation and control of the motion of the ship of emergency events is improved, which, unlike the existing ones, uses an intellectualized approach for determining the concession between efficiency and cost using parametric models of fuzzy expert conclusions based on neural networks. The practical value of the results obtained is that: the realization of the results obtained in the work allows to analyze the various variants of navigation systems and traffic control, which allows to conduct a comparative analysis and determine the best-version system according to the efficiency-cost criterion. However, the proposed scientific-methodical apparatus can be used as a theoretical basis for the synthesis of the navigation system and control of the movement of river and sea vessels; the application of the proposed models and methods allows, in solving the tasks of synthesizing the structure of the navigation system and controlling the movement of the vessel, to reduce the cost to 15% compared to the variants having the same performance indicators, as well as increase the probability of a nonemergency navigation by 10-12%, provided the constant value of value system option; the results of the dissertation researches are realized at LLC "Chervona ruta" (act dated November 24, 2016 # 36/16); in the educational process of the State Enterprise "Ukrainian Research and Training Center" during the course of lectures, as well as in the preparation of candidates for auditors for certification of machine building products (Act of 19.06.2017 № 13 / a), as well as in the educational process of the State University of Infrastructure and technologies (act dated November 8, 2017, No. 19/128) during the course of lectures on disciplines "Technical means of navigation", as well as in the preparation of postgraduate students. Also, the results of the dissertation research are implemented in the research work: "Development of a complex indicator of the quality of passenger cruise ships of mixed voyage in the system of non-moving cruise ship traffic between the ports of the Dnieper, the Black Sea and the Danube" (state registration number 0116U03946), which was carried out at the Kiev State Academy of Water Transport, in which the author participated as an executor. Promising ways of further research in this direction may be a wide range of issues related to the perspective navigation system and vessel traffic control. The obtained methods allow us to consider the possibility of using these approaches in other vehicle systems, as well as significantly improve the efficiency of the navigation process and unprotected navigation control through modernization. In order to achieve the purpose set in the work, methods of research on the basis of the system approach using mathematical models and methods of universal algebra, discrete mathematics, probability theory, theory of optimal control, theory of decision making are used. Systemic analysis is used to identify a scientific problem. The method of conducting an experiment and verifying the authenticity of the developed scientific positions is realized on the basis of mathematical statistics methods.