Чистяков Глеб Борисович. Математическое и алгоритмическое
advertisement
На правах рукописи Чистяков Глеб Борисович МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫСОКОТОЧНОЙ ПОСТАНОВКИ СРЕДСТВ НАВИГАЦИОННОГО ОГРАЖДЕНИЯ НА ВНУТРЕННИХ ВОДНЫХ ПУТЯХ Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2010 Работа выполнена в Санкт–Петербургском государственном университете водных коммуникаций Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Нырков Анатолий Павлович Официальные оппоненты: доктор технических наук, Вишневский Юрий Георгиевич кандидат технических наук Караваев Василий Игоревич Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет Защита диссертации состоится «25» июня 2010 года в 1200 в ауд. 235 на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 в Санкт–Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт– Петербург, ул. Двинская, д. 5/7. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций. Автореферат разослан «24» мая 2010 года. Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.009.03 кандидат технических наук, доцент Барщевский Е.Г. ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследований. Одной из важнейших проблем современного речного флота является обеспечение безопасности судоходства при плавании по внутренним водным путям Российской Федерации. Необходимость постоянного повышения уровня безопасности и эффективности использования внутренних водных путей РФ требует постоянного развития и внедрения современных технических средств и систем, на всех этапах данного производственного процесса, начиная от тех, кто занимается обслуживанием внутренних водных путей до систем отраслевого мониторинга. Для решения указанных задач на ВВП РФ успешно внедряются «Автоматизированные системы управления движением судов (АСУДС)», имеющие в своем составе различные современные информационные системы телекоммуникаций и мониторинга: системы УКВ-радиосвязи, транкинговой и сотовой радиосвязи, системы видеонаблюдения и радиолокационного контроля, информационно-диспетчерские службы, в ряде случаев речные региональные спасательно-координационные центры и др. При этом вся структура речной АСУДС, как правило, погружена в радионавигационное поле ГЛОНАСС/GPS и его подсистемы высокочастотных дифференциальных радионавигационных поправок ДГЛОНАСС/DGPS. В последние годы также получила значительное развитие «Автоматизированная идентификационная система (АИС)», ставшая уже неотъемлемой частью речных АСУДС. Внедрение технологии АИС является важным шагом в развитии внутренних водных путей, ее можно поставить в один ряд с появлением на морском и речном флоте радиолокационных станций или спутниковой навигации. На большинстве современных судов необходимым требованием безопасности является наличие электронных картографических навигационных информационных систем, которые представляют собой дополнительное навигационное средство к традиционным бумажным картам, чрезвычайно эффективны, удобны и оказывают значительную помощь капитану судна, особенно в неблагоприятных погодных условиях. В то же время внедрение всех вышеуказанных систем накладывает повышенную ответственность на тех, кто занимается обслуживанием внутренних водных путей, требует использования современных систем на всех этапах производства работ и, несомненно, в первую очередь, для одной из ключевых составляющих обеспечения высокого уровня безопасности высокоточной постановки средств навигационного ограждения (СНО). Лишь при таких условиях появляется возможность создать надежную высокоточную информационную поддержку судоводителю речного судна, повысить качество предоставляемой навигационной информации, поднять безопасность судовождения в условиях внутренних водных путей на качественно новый уровень. В будущем это позволит начать использование 1 инструментальных методов проводки и реализовать переход к автоматическому управлению движением судна по заданной траектории практически на всём протяжении ВВП, что, в свою очередь расширяет возможности судоводителя для наблюдения за окружающей обстановкой и позволит качественно повысить безопасность на ВВП. Цель работы и задачи исследования. В связи с вышеизложенным целью настоящей диссертационной работы является обеспечение необходимой точности постановки средств навигационного ограждения в соответствии с использованием спутниковых навигационных систем и электронных навигационных карт на внутренних водных путях РФ. Объектом исследования данной работы является процесс постановки средств навигационного ограждения и анализ факторов, влияющих на точность осуществления указанного процесса. Предметом исследования являются модели, методы и способы оценки уровня точности постановки навигационных знаков. Для выполнения этой цели потребовалось решение следующих основных задач: 1. Анализ отечественных и зарубежных методик постановки средств навигационного ограждения. 2. Создание классификации факторов, влияющих на точность постановки средств навигационного ограждения. 3. Разработка математической модели факторов, оказывающих существенное влияние на процесс постановки навигационных знаков. 4. Создание алгоритмического и программного обеспечения для автоматизированного управления процессом высокоточного позиционирования СНО. Методологической основой исследования являются принципы системного анализа и управления технологическими процессами, теория вероятности и математической статистики, теория имитационного моделирования транспортных процессов, теория спутниковой навигации, методы создания электронных навигационных карт. Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Основными научными положениями диссертации являются: оценка существующего мирового и отечественного опыта по расстановке средств навигационного ограждения и применения для этих целей современных высокоточных спутниковых навигационных систем, их дифференциальных дополнений, а также современных компонент АСУДС, включая систему АИС и электронные картографические навигационные информационные системы; модели, методики и алгоритмы решения стохастических задач отклонения координат постановки СНО от их истинных значений; 2 алгоритмы оценки точности постановки плавучих навигационных знаков с учетом всего спектра факторов, влияющих на данный технологический процесс; алгоритмы автоматизированного управления процессом постановки плавучих навигационных знаков на ВВП РФ, основанные на оценке максимумов погрешностей местоопределения; создание специального программного обеспечения для высокоточной постановки средств навигационного ограждения. Практическая значимость исследований. Сформулированные выводы и рекомендации могут быть использованы при реализации федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)» в части, касающейся внутреннего водного транспорта. Реализация и внедрение результатов. Программно-аппаратные средства автоматизированного управления процессом высокоточной постановки средств навигационного ограждения внедрены в федеральном государственном учреждении «Волго-Балтийское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства» и в федеральном государственном учреждении «Азово-Донское ГБУВПиС», алгоритмы использованы ООО «Абрис» при создании программного обеспечения «Путевой мастер», программное обеспечение «Путевой мастер» используется для проведения лабораторных работ в СПГУВК. Публикации работы. Основные результаты работы опубликованы в восьми научных изданиях, в том числе в одном, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ. Апробация работы осуществлена на: научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК (СПб, 2006); XI Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика» (СПб, СПОИСУ, 2008); седьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб, 2009); международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (СПб, СПГУВК, 2009); конференции молодых ученых в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики (СПб, 2009). Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав текста, заключения, списка опубликованных источников, 3 содержащего 119 отечественных и зарубежных работ, трех приложений. Основное содержание работы изложено на 164 страницах, включая 25 рисунков и графиков, 5 таблиц. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассматриваются структура и современное состояние информационных технологий систем ГЛОНАСС/GPS в АСУДС на внутренних водных путях, их дифференциальные дополнения, суммируется и анализируется отечественный и зарубежный опыт постановки средств навигационного ограждения. На данный момент времени в мире существуют две глобальные навигационные спутниковые системы – отечественная ГЛОНАСС и американская GPS. В стадии разработки находится европейская система Галилео. ГЛОНАСС и GPS являются системами двойного назначения, в каждой из них предусмотрены как закрытые военные сигналы с высокой точностью, так и общедоступные сигналы для гражданских потребителей. Они позволяют осуществлять определение координат практически в любой точке земной поверхности с точностью до нескольких метров. К настоящему моменту в мире наибольшее распространение получила американская система GPS. Российская Федерация проводит государственную политику внедрения ГНСС ГЛОНАСС в целях национальной информационной и технологической безопасности. Для решения специфических навигационных задач, связанных с необходимостью высокоточного местоопределения, применяются различные типы дифференциальных (корректирующих) подсистем. При осуществлении производственной деятельности на внутренних водных путях РФ применение дифференциальных дополнений глобальных навигационных спутниковых систем является необходимым условием обеспечения безопасности судоходства. Рассмотрены основные применяемые на настоящий момент виды дифференциальных подсистем: широкозональные дифференциальные подсистемы; региональные дифференциальные подсистемы; локальные дифференциальные подсистемы. Основой метода навигации с дифференциальными дополнениями является относительное постоянство большей части погрешностей СРНС во времени и пространстве, влияющих на точность определения координат. Использование дифференциального режима предполагает существование по крайней мере двух приемоиндикаторов, один из них используется потребителем, второй расположен на контрольно-корректирующей станции. Указанные системы применяются, в первую очередь, для целей судовождения. Многие суда оснащены передовыми навигационными системами, 4 в тоже время оборудование и методы работы, применяемые для обслуживания внутренних водных путей, например, расстановки СНО, отстают в своем технологическом развитии. Суда бригад, обслуживающих навигационное ограждение, не оборудованы необходимой аппаратурой. Не отработана схема работы с применением современных спутниковых навигационных систем, нет инструкции по координированной расстановке средств навигационного ограждения. На внутренних водных путях отсутствует выстроенная вертикаль передачи навигационной информации от производителей работ до потребителей. В настоящее время, благодаря наличию высокоточных навигационных систем и дифференциального поля на ВВП РФ, появилась возможность преодолеть вышеуказанные недостатки - автоматизировать работу бригад, обслуживающих навигационное оборудование, вывести их работу на современный технологический уровень. Во второй главе произведен подробный анализ основных компонентов автоматизированной системы управления процессом высокоточной постановки средств навигационного ограждения, математическое моделирование и анализ факторов, влияющих на точность установки навигационных знаков. В настоящее время на внутренних водных путях (ВВП) происходит интенсивное внедрение новых средств связи и информационных технологий, что способствует повышению эффективности перевозок и безопасности судоходства на ВВП. Одной из наиболее перспективных и конструктивных систем в настоящее время являются организационно-технические образования, получившие название «Речные информационные службы» (РИС). Под РИС понимаются гармонизированные инфокоммуникационные службы, содействующие управлению перевозками грузов и регулированию движением судов в сфере судоходства по внутренним водным путям, с перспективной возможностью взаимодействия с другими видами транспорта. Одним из важнейших условий успешного создания и функционирования РИС является наличие на ВВП действующих автоматизированных идентификационных систем. Суда, оборудованные аппаратурой АИС, регулярно передают в диапазоне ОВЧ (УКВ) стандартные сообщения, содержащие информацию о судне, его координатах, курсе, векторе скорости, опасном грузе на борту, пункте назначения, времени прибытия. Одновременно каждое судно принимает аналогичную информацию от других судов, находящихся в радиусе действия, ограниченном распространением радиоволн. В прибрежных районах информация, передаваемая судами, также поступает в распоряжение береговых служб. С 1 июля 2002 года автоматизированная идентификационная система (АИС) является обязательным оборудованием на большинстве типов судов. Регламентация оборудования в этой области осуществляется конвенцией 5 СОЛАС. Для эффективного использования АИС особое значение имеет отображение динамической информации. Одним из доступных средств может быть электронная картографическая система. При этом вся информация, получаемая по каналам АИС «накладывается» на электронную навигационную карту и может совмещаться с радиолокационными данными. На современных судах информация АИС совместно с информацией от судовой РЛС/САРП может отображаться на дисплеях интегрированных навигационных систем (INS) или интегрированных систем мостика (IBS). Подробно рассмотрены технологии создания, редактирования и поддержания на уровне современности электронных навигационных карт на примере ведущего подразделения в этой сфере деятельности на внутренних водных путях – картографической службы ГБУ «Волго-Балт». Но полномасштабному использованию ЭНК, как основного навигационного средства, должно предшествовать внедрение современных технологий на всех уровнях, начиная с обслуживающих ВВП путевых бригад. Являясь высокоточным продуктом, они требуют повышения точности на всех этапах производства работ в ГБУ, начиная с расстановки навигационных знаков на водных путях. Установка знаков навигационного ограждения с помощью электронной навигационной карты является передовым методом. До начала его использования плавучие знаки устанавливались с помощью визуальноинструментального метода, зачастую с использованием каких-либо береговых ориентиров или даже «по памяти». Наметился разрыв в технологиях, когда на внутренних водных путях для целей судовождения внедряются современные навигационные, электронные картографические системы, строится сеть базовых станций АИС и в то же время плавучее навигационное ограждение, которое обеспечивает непрерывность предоставления судоводителю основной информации об участке пути, по которому следует судно, устанавливается «по старинке» вручную, без применения достаточно точных инструментальных средств. А непрерывность предоставления судоводителю качественной, понятной информации является залогом успешной доставки груза и пассажиров в кратчайший срок и с наименьшими затратами. Но даже расстановка СНО с помощью электронной навигационной карты не может быть абсолютно точной, на точность установки влияют следующие факторы (погрешности): 1) ошибка определения координат с помощью спутниковых навигационных систем и их дифференциальных дополнений; 2) ошибка визуального отображения электронной картографической системы; 3) ошибка, вносимая перемещением судна; 4) «человеческий» фактор (решение о нахождении в указанной точке и спуске якорного устройства навигационного знака с кран-балки в 6 указанном месте принимается мастером пути). Ввиду особых условий внутренних водных путей, для осуществления судоходства и производства работ на них использование дифференциальных поправок необходимо. Погрешности, возникающие при их приеме, являются одними из основных составляющих «технического» плана (не учитывающих человеческий фактор), влияющих на точность установки знаков навигационного ограждения. Рассмотрены варианты передачи дифференциальных поправок как с использованием сети базовых контрольно-корректирующих станций, так и по каналам АИС. Навигационную задачу нахождения вектора координат потребителя rНАП решают путем измерения псевдодальностей минимум для 4 навигационных спутников i 1,4 . Указанные вычисления производятся на основе эфемеридной информации (данных о координатах НС (вектор RНСi ), передаваемой в навигационном сообщении. Геометрическая схема представлена на (Рис. 1). Рис. 1. Геометрическая схема Измеренная в навигационной аппаратуре пользователя в момент времени t псевдодальность до i -го навигационного спутника может быть представлена в следующем виде: Di (t ) di (t ) di (t ) gi (t ) ( N i (t ) P(t ))c d i (t ), (1) где gi (t ) x (t ) x(t ) i 2 yi (t ) y(t ) zi (t ) z (t ) 2 1 2 2 (2) Погрешность определения i -й псевдодальности d i , при использовании дифференциального режима, может быть представлена в следующем виде: di d эфем dион dшп dшККС где d эфем – эфемеридные ошибки; 7 (3) d ион – ионосферные ошибки. d шп – шумовые погрешности приемоиндикатора пользователя; d шККС – шумовые погрешности приемоиндикатора ККС. Для условий, что эти погрешности случайны и взаимно независимы, для i -й последовательности дисперсия примет вид: 2 2 2 2 i2 эфем ион шп шККС (4) Имеет место практически линейная зависимость среднеквадратического сферического отклонения погрешности местоопределения как функции расстояния L и возраста t дифференциальной поправки, которая может быть представлена в виде: (t , L) 0 at bL (5) Среднее квадратическое отклонение аппроксимации ошибок для псевдодальностей с использованием (5) характеризуется: АПП t L T Lc 0 1 e . (6) Когда значения ион , шп , шККС настолько малы, что их можно не учитывать, основное влияние на точность определения координат в дифференциальном режиме оказывают некомпенсированные ионосферные ошибки. При этом удвоенная среднеквадратическая радиальная ошибка местоопределения объекта, находящегося в движении, с помощью системы ГЛОНАСС с вероятностью 0,95 должна составлять: 2 2 2 2 1t 2 2 ГЛОНАСС (t ) 0 , 2 где 0 =0,4 м, 1 =0,00014 (м/с)/с. (7) Для GPS верно следующее соотношение: 2 2 1t 2 at 2 2 GPS (t ) 0 . 2 2 (8) Учитывая вышеуказанное можно установить, что на точность определения координат и времени в спутниковых навигационных системах с дифференциальными дополнениями влияют: 1) расстояние между контрольно-корректирующей станцией и приемником; 2) точность навигационной аппаратуры (ККС и приемника); 3) частота обновления поправок; 4) геометрические факторы K GP , K GT . 8 В настоящее время навигационная аппаратура достаточно совершенна и значительные погрешности воздействуют на сигнал при его передаче по каналу связи. Основные законы распределения вероятностей ошибок, возникающих при передаче дифференциальных поправок от базовой станции до потребителя, следующие: 1) нормальный; 2) равномерный; 3) показательный; 4) Максвелла; 5) Рэлея. Рассмотренные модели учитывают влияние основных групп факторов, обладающих вероятностной природой, на верность передачи сообщений дифференциальных поправок. На выбор одного из них сильно влияет географическое положение. В момент времени, когда судно бригады, обслуживающей навигационное оборудование, приближается к точке установки навигационного знака, никакие дополнительные погрешности не оказывают влияния на точность вычисления координат и программное обеспечение проводит расчет местоположения, делая поправку в соответствии с законом распределения, присущим данному географическому району. Местоположение судна отображается на электронной навигационной карте (ЭНК). При проведении работ по постановке плавучего навигационного ограждения, для выхода в нужную точку, капитан путейского судна ориентируется по изображению на ЭНК. Большую составляющую погрешности расстановки СНО вносит так называемый «человеческий фактор». На основе опытных данных можно утверждать, что ошибки, обусловленные данным фактором, распределяются согласно нормальному закону распределения. Третья глава посвящена стохастическим моделям отклонения от истинных координат. На точность постановки плавучих навигационных знаков на внутренних водных путях РФ влияет множество различных факторов. В процессе постановки для определения координат вычисляют среднее значение из нескольких полученных от навигационного приемника. Для того чтобы гарантировать с заданной вероятностью не превышение определенных предельных значений точности постановки необходимо установить распределение максимумов погрешностей. Зная, как ведет себя максимум погрешности, можно снизить количество необходимых измерений, а также повысить точность постановки. n M n max 1 , 2 ,..., n Пусть независимых и одинаково распределенных случайных величин. Из классической теории экстремальных значений известно, что если для некоторых последовательностей 9 нормализующих констант an 0,bn случайная величина an M n bn имеет невырожденную предельную функцию распределения G x , то эта функция имеет с точностью до преобразований сдвига и масштаба одну из трех единственно возможных форм. Если P an M n bn x G x , то e , x Тип I: G( x) e x 0,x 0 Тип II: G ( x ) x s ,äëÿ í åêî òî ðî ãî s 0, x 0 e x s ,äëÿ í åêî òî ðî ãî s 0, x 0, Тип III: G ( x ) e 1,x 0. (9) (10) (11) Функции распределения и плотности максимумов I типа приведены на (Рис. 2), II типа на (Рис. 3), III типа на (Рис. 4). Рис. 2. Функции распределения и плотности максимумов I типа Для применяемых законов распределения в работе определены нормирующие коэффициенты ( an , bn ) и один из трех типов распределений экстремальных значений. Нормальное распределение an 2ln n 1 2, bn 2ln n 1 2 1 1 2ln n 2 ln ln n ln 4 , тип I. 2 Показательное распределение an 1,bn ln n , тип I. 10 Рис. 3. Функции распределения и плотности максимумов II типа Рис. 4. Функции распределения и плотности максимумов III типа Равномерное распределение an n,bn 1, тип III. Распределение Рэлея an 2ln n ,bn 2ln n , тип I. При постановке плавучего навигационного знака требуется попасть в зону, ограниченную диаметром, заданным для конкретного участка водного пути. Для того, чтобы характеризовать попадание в зону, вводится понятие максимума отклонения (максимума погрешности) и предельного отклонения. Для обеспечения требуемых условий безопасности судоходства необходимо, чтобы максимум отклонения установки плавучего навигационного знака относительно 11 заданных координат с вероятностью 0,95 не превышало определенное для данного участка водного пути предельное отклонение. Преобразуя линейную форму an M n bn x получаем: Mn x bn M max , an (12) где n - количество измерений, производимых навигационным приемником; M n - максимум погрешности; M max - предельное отклонение установки навигационного знака, заданное для каждого типа водного пути. Зависимость превышения M max от числа измерений представлено для I типа (Рис. 5), для III типа (Рис. 6). Рис. 5. Для превышений I типа Рис. 6. Для превышений III типа Из них видно, что для погрешностей, максимумы которых тяготеют к 12 распределению I типа, требуется большее число измерений Основной составляющей, влияющей на определение координат, является погрешность приема дифференциальных поправок, но одновременно с этим, на точность постановки навигационных знаков оказывают влияние и другие факторы, рассмотренные в Главе 2 настоящей работы. Основные из них следующие: 1) Отображение положения судна на ЭНК; 2) Перемещение судна; 3) «Человеческий фактор». Указанные погрешности независимы между собой и подчиняются нормальному закону распределения. В момент времени, когда судно подходит к предполагаемой точке постановки навигационного знака, программное обеспечение обрабатывает большой массив координат, вычисляя затем среднее значение. При большом количестве измерений средняя величина погрешности отклонения подчиняется центральной предельной теореме Леви и имеет асимптотически нормированное нормальное распределение. Рассчитан наименьший объем выборки значений координат, необходимый для получения корректного среднего значения на основе нормального закона распределения: z2 2 n . d2 (13) Среднее число выходов за фиксированный уровень максимумом погрешности предельного уровня) составляет: M N u 1 2 1 u 2 2 2 1 e 2 . (превышений (14) Графики среднего числа превышений уровня для различных значений дисперсии 2 приведены на (Рис. 7) и (Рис. 8). Интенсивность появления указанных превышений (за период времени T ): 1 u 2 1 2 2 2 2 0 u m . e 0 13 1 (15) Рис. 7. Среднее число превышения уровня U при значении дисперсии 0,25 Рис. 8. Среднее число превышения уровня U при значении дисперсии 0,5 В четвертой главе на основе решения стохастических задач отклонения координат постановки СНО от их истинных значений и определения максимумов погрешностей постановки плавучих навигационных знаков с учетом всего спектра факторов, влияющих на данный технологический процесс приведены разработанные алгоритмы автоматизированного управления процессом высокоточной постановки СНО, образцы программно-аппаратных средств, использующих указанные алгоритмы. До появления ГНСС расстановка плавучих знаков, в основном, 14 производилась по береговым отметкам или засечкам, инструментальные измерения с использованием геодезических приборов применялись лишь изредка, в первую очередь, для установки или перемещения береговых объектов, в частности, створных знаков, не снимаемых на зимний период и требующих повышенного внимания. Указанная схема расстановки порождала как достаточно большую погрешность в расположении плавучих СНО, так и затруднение в оперативном изменении их местоположения и доведении этих сведений до картографической службы с целью выпуска корректуры к бумажным картам и внесения оперативных изменений в базу данных ЭНК. Данные недостатки затрудняли развитие электронной картографии на ВВП, тормозя ее широкое внедрение. Для перехода на новый уровень производства работ в ГБУ «Волго-Балт», начиная с навигации 2008 года, была утверждена схема расстановки СНО на основании карты с географической сеткой. К ней прилагалась ведомость с географическими координатами знаков плавучего навигационного ограждения. Следующим шагом, стало принятие решения об оснащении путейских бригад, занимающихся обслуживанием водных путей, специальным оборудованием. На все путейские суда был установлен навигационный комплекс, состоящий из компьютера с программным обеспечением «Путевой мастер» (Рис. 9) и ГЛОНАСС/GPS-приемника с функцией приема дифференциальных поправок. Аппаратная часть реализуется в виде ноутбука или системного блока, разработанного специально для применения на транспорте. В ПО «Путевой мастер» реализован предложенный алгоритм (Рис. 10). На основе опыта работы с навигационным комплексом, предназначенным для точного позиционирования плавучих навигационных знаков, ГБУ «ВолгоБалт» были разработаны требования к судовым обстановочным комплексам, как дальнейшему развитию средств автоматизации управления постановкой СНО. Основой рабочей области программы является электронная навигационная карта того участка пути, на котором в данный момент выполняет работу путейская бригада. Местоположение судна отображается схематичным значком (размеры задаются пользователем в зависимости от габаритов реального судна) со стрелкой, обозначающей курс судна. Данные для своего местоопределения программа получает от спутникового навигационного приемника по протоколу NMEA. В режиме навигации программа автоматически перемещает электронную карту одновременно с перемещением судна, позволяя его отметке всегда находиться в центре экрана, для удобства восприятия информации. Масштаб изображения задается пользователем. Во время работы программа автоматически определяет свое местоположение и, по заложенному алгоритму, выбирает закон распределения погрешностей передачи дифференциальных поправок, характерный для данного участка водного пути. 15 Рис. 9. ПО "Путевой Мастер" Рис. 10. Алгоритм автоматизированного управления постановкой СНО 16 Для выполнения операций в программе предусмотрен планшет, который является как бы «верхним слоем» над электронной картой. Основными операциями, необходимыми пользователю, являются добавление нового объекта с заданными координатами, снятие координат вновь установленных или уже существующих объектов, запись трека судна. Например, при необходимости выставления нового плавучего знака (или переноса уже существующего на новое место) с помощью плана промера определяется требуемое место установки. Вычисляются координаты, и по ним на планшете в необходимой точке устанавливается отметка буя. Далее при работе на судне путейская бригада может в программе проложить себе курс к данной отметке и ориентироваться уже по электронной карте на экране. Основные результаты работы Настоящая диссертационная работа посвящена важному аспекту актуальной научной задачи по повышению безопасности судоходства на внутренних водных путях - разработке и внедрению автоматизированного управления процессом высокоточной постановки средств навигационного ограждения с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS, их дифференциальных дополнений, а также электронных навигационных карт. В работе получены следующие новые научные результаты: 1. Выполнена оценка существующего мирового и отечественного опыта по расстановке средств навигационного ограждения и применения для этих целей современных высокоточных спутниковых навигационных систем, их дифференциальных дополнений, а также современных компонент АСУДС, включая систему АИС и электронные картографические навигационные информационные системы. Исследовано состояние и степень использования современных информационных и навигационных систем на всех этапах осуществления производственной деятельности на внутренних водных путях – от задач судовождения до производства путевых работ, выявлены недостаточный технический уровень производителей работ, отсутствие четкой структуры передачи путевой навигационной информации. 2. Проведена разработка моделей и синтез алгоритмов решения стохастических задач отклонения координат постановки средств навигационного ограждения от их истинных значений. Впервые создана классификация факторов, оказывающих влияние на точность постановки плавучих навигационных знаков на внутренних водных путях Российской Федерации. Исследования проведены как с учетом имеющейся цепи контрольнокорректирующих станций передачи дифференциальных поправок, так и с учетом перспективной технологии их передачи по каналам АИС. Установлено, что для применения рассмотренного в работе метода постановки средств навигационного ограждения с использованием электронных навигационных 17 карт, чрезвычайно важна точность изготовления последних. 3. Разработаны математические модели факторов, оказывающих существенное влияние на процесс постановки плавучих навигационных знаков. На основе указанных моделей созданы алгоритмы оценки точности постановки. Выявлено, что «человеческий фактор» играет важную роль в технологическом процессе постановки СНО, поэтому важна автоматизация данного процесса. 4. Разработаны алгоритмы автоматизированного управления процессом высокоточной постановки плавучих навигационных знаков на ВВП РФ, основанные на оценке максимумов погрешностей местоопределения. Определены среднее число превышений максимумами погрешностей значения предельного уровня, интенсивность таких превышений (за определенный период времени), получено значение наименьшего необходимого объема выборки значений координат, что позволило уменьшить общее количество координат, обрабатываемых системой, сократить время работы бригады, затрачиваемое на постановку навигационного знака, а, следовательно, уменьшить расход топлива путейского судна. 5. На основе результатов исследования, полученных в настоящей работе, разработано специальное программное обеспечение «Путевой мастер» для высокоточной постановки средств навигационного ограждения на ВВП РФ, успешно внедренное в ГБУ «Волго-Балт», проведена автоматизация работы бригад, обслуживающих навигационное ограждение. Разработана внутренняя инструкция по высокоточной автоматизированной расстановке средств навигационного ограждения на водных путях ГБУ «Волго-Балт», выстроена вертикаль передачи навигационной информации, с применением вышеуказанного ПО. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Нырков А.П., Чистяков Г.Б. Программно-аппаратные средства дифференциальных навигационных систем для расстановки знаков навигационного ограждения в ГБУ «Волго-Балт». Морская радиоэлектроника. Научно-технический журнал. 2(28) июнь 2009. с. 34-36. (Издание, предусмотренное «Перечнем изданий ВАК»). 2. Нырков А.П., Чистяков Г.Б. Современные информационные технологии в обеспечении безопасности судоходства. T.2: Сб. тр. Седьмой международной научно–практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб.: Изд–во Политехн. ун–та., 2009 - с. 198 – 202. 3. Чистяков Г.Б. Использование дифференциальных навигационных систем в ГБУ «Волго-Балт». Сборник конференции молодых ученых. Выпуск 6. Информационные технологии. СПбГУ ИТМО, 2009 - с. 353 – 356. 4. Нырков А.П., Чистяков Г.Б. Навигационные системы ДГЛОНАСС/DGPS в 18 5. 6. 7. 8. обеспечении безопасности судоходства. Материалы международной научнопрактической конференции , посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 1-2 октября 2009 года. – СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009 – с. 89-92. Нырков А.П., Чистяков Г.Б. Защита электронных навигационных карт. Материалы конференции «ХI Санкт–Петербургская международная конференция «Региональная информатика – 2008» (РИ–2008). - СПб.: СПОИСУ. с. 191–192. Чистяков Г.Б. Редактирование электронных навигационных карт. Труды научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК 1-7 июня 2006 г. Том I. Водные пути, гидротехнические сооружения, портовая техника, электромеханика, судостроение и судоремонт. // - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2006 – с. 144 – 148. Нырков А.П., Чистяков Г.Б. Защита от копирования CD–дисков с электронными навигационными картами. Труды науч.–техн. конф. мол. науч. сотр. СПГУВК. // - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2006 - с. 112 – 115. Чистяков Г.Б. О проблемах информационной безопасности каналов связи на ВВП РФ. Материалы международной научно-практической конференции , посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 1-2 октября 2009 года. – СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009 – с. 135-137. Подписано к печати 21.05.10 Сдано в производство 21.05.10 Усл.-печ. 1 Формат 60х84 1/16 Уч.-изд.л.1 Тираж 70 экз. Заказ № ИИЦ СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, д.2 19