Використання надлишкового керування для оптимізації керуючого моменту

The object of research is the process of automatic control of the redundant structure of the vessel's executive devices for extreme rotation in the yaw channel. Traditionally, redundant structures have been used to improve the reliability of automated control systems and the maneuverability of vessels. At the same time, control redundancy can also be used to optimize control processes, thereby reducing fuel consumption, increasing control forces and moments, and reducing the time required to perform operations. This allows gaining advantages in movement over vessels not equipped with optimization modules. The paper considers the optimal management of the redundant structure of an offshore vessel, which ensures the rotational movement of the vessel around the center of rotation with the maximum angular velocity. As well as simultaneous maintenance of a given position or movement in the longitudinal and lateral channel, taking into account control restrictions. This problem is reduced to a nonlinear optimization problem with nonlinear and linear control constraints. The method, algorithmic and software of the module of extreme rotation of the vessel with a redundant structure of executive devices have been developed. The workability and efficiency of the developed method, algorithmic and software are verified by mathematical modeling in the closed circuit «Control Object – Control System». The results of the conducted experiment showed that the use of optimal control allows, in comparison with traditional methods of splitting controls, to increase the control moment and angular speed of rotation by 1.5–2 times. The obtained opportunities are explained by the use of a mathematical model of the redundant control structure and the optimization procedure for calculating optimal controls in the on-board computer of the automated system. The developed method can be used on vessels, provided it is integrated into the existing automated system of the on-board computer with an open architecture, to increase the capabilities of automatic traffic control.Об’єктом дослідження є процеси автоматичного керування надлишковою структурою виконавчих пристроїв судна для здійснення екстремального обертання у каналі рискання. Традиційно, надлишкові структури використовуються для підвищення надійності автоматизованих систем керування та маневрових можливостей суден. Разом з тим, надлишковість керування можна використовувати ще й для оптимізації процесів керування, зменшення, за рахунок цього, витрат палива, збільшення керуючих сил та моментів, зменшення часу на виконання операцій. Це дозволяє отримати переваги у русі над суднами, не оснащеними оптимізаційними модулями. У роботі розглянуті оптимальні керування надлишковою структурою офшорного судна, що забезпечують обертальний рух судна навколо центру обертання з максимальною кутовою швидкістю. А також одночасне підтримання заданого положення або руху у поздовжньому та боковому каналі, із врахуванням обмежень на керування. Дана задача зводиться до задачі нелінійної оптимізації з нелінійними та лінійними обмеженнями на керування. Розроблено метод, алгоритмічне та програмне забезпечення модуля екстремального обертання судна з надлишковою структурою виконавчих пристроїв. Працездатність та ефективність розробленого методу, алгоритмічного та програмного забезпечення перевірені математичним моделюванням у замкнутому контурі «Об’єкт керування – Система керування». Результати проведеного експерименту показали, що використання оптимального керування дозволяє, у порівнянні із традиційними методами розщеплення керувань, збільшити керуючий момент та кутову швидкість обертання у 1,5–2 рази. Отримані можливості пояснюються використанням математичної моделі надлишкової структури керування та оптимізаційної процедури обчислення оптимальних керувань у бортовому обчислювачі автоматизованої системи. Розроблений метод може використовуватися на суднах, за умови інтегрування в існуючу автоматизовану систему бортового обчислювача з відкритою архітектурою, для нарощування можливостей автоматичного керування рухом

Automatic Vessel Steering in a Storm

The issues of automatic vessel control in a storm are considered in the paper. Vessel control in a storm is the most difficult stage in the vessel’s wiring, as it requires quick decisions to be made in difficult conditions. Practical experience shows that the deterioration of the working conditions of the crew is usually associated with an increase in the number of control errors, which is completely unacceptable in stormy conditions. To assess the safe speed and course in a storm, Yu. V. Remez has proposed a universal storm diagram, which allows identifying unfavourable combinations of vessel speed and course angles of the waves – the resonant zones, and avoid them. The universal Remez diagram provides for graphical calculations, which, in combination with the visual determination of the wave parameters, gives a very low accuracy. The article examines the possibility of automatic control of a vessel in a storm by automatic measurement of motion parameters and wave parameters, automatic calculation in the onboard controller of the vessel optimal safe speed and course during a storm, automatic maintenance of the optimal safe speed and course of the vessel. The automatic control significantly increases the accuracy of calculations, excludes the human factor, reduces the depletion of the crew, and increases the reliability of the vessel control in a storm. The efficiency and effectiveness of the method, algorithmic and software were tested on Imitation Modelling Stand in a closed loop with mathematical vessel models of the navigation simulator Navi Trainer 5000

Розробка підходу в управлінні безпекою керування рухом судна шляхом ідентифікації станів навігатора

The object of this study is the processes of automated management of maritime safety by analyzing the manifestations of the human factor of sea navigators. The task solved is justified by the need for formal and logical analysis and intelligent identification of mental motivational states (MMS) of marine navigators whose actions can cause dangerous situations during the control of the ship’s movement. High accident rates due to the fault of the navigators, in the absence of automated means of monitoring their condition, cause a contradiction between the existing means of safety control in controlling the movement of the vessel and the modern requirements of navigation, which needs to be resolved. A safety management approach was devised that takes into account the specificity of navigational tasks and the p-adic classification of dangerous MMS for navigators. This has made it possible to create three security modes that are activated depending on the detected state of the navigator’s MMS. Features of the results are the combination of analysis by means of p-adic systems and intelligent methods of data processing. As a result, sufficient identification accuracy was obtained for more than 75 % of MMS through neural network training. Experimental data collected during the navigation watch, as well as on the Navi Trainer 5000 navigation simulator (Wärtsilä Corporation, Finland), became the basis for simulation by means of neural networks. In turn, the training of neural networks made it possible to obtain sufficient identification accuracy by performing up to 3000 iterations. Overall, the learning rate of the neural network was 0.98, which indicates a high level of identification. From a practical point of view, the results could be used for the automated management of shipping safety, as well as for evaluating the level of adaptation of the navigator to dynamically changing conditions. The proposed approach provides opportunities for the application of modern intelligent technologies in the field of maritime transport safety, namely artificial neural network tools that determine notification modes or activation of automatic ship traffic control modules. The specified contradiction requires the design of specialized systems for automated safety management of ship traffic control based on the identified states of navigatorsОб’єктом дослідження є процеси автоматизованого управління безпекою мореплавства шляхом аналізу проявів людського фактору морських навігаторів. Проблема, що вирішувалася у даному дослідженні, обґрунтовується необхідністю формально-логічного аналізу та інтелектуальної ідентифікації ментальних мотиваційних станів (ММС) морських навігаторів, дії яких можуть спричинити небезпечні ситуації під час керування рухом судна. Високі показники аварійності з вини навігаторів, в умовах відсутності автоматизованих засобів спостереження за їх станом, викликають протиріччя між існуючими засобами контролю безпеки при керуванні рухом судна та сучасними вимогами судноводіння, що потребує вирішення. Було розроблено підхід управління безпекою керування рухом судна що враховує специфіку навігаційних завдань та p-адичну класифікацію небезпечних ММС навігаторів. Це дозволило створити три режими безпеки, які активуються залежно від виявленого стану ММС навігатора. Особливостями отриманих результатів є поєднання аналізу засобами p-адичних систем та інтелектуальних методів обробки даних. В результаті, було отримано достатню точність ідентифікації для понад 75 % ММС через тренування нейронних мереж. Експериментальні дані, зібрані в ході несення навігаційної вахти, а також на симуляторах Navi Trainer 5000 navigation simulator (Wärtsilä Corporation, Фінляндія), стали основою для моделювання засобами нейронних мереж. У свою чергу, тренування нейронних мереж дозволило отримати достатню точність ідентифікації здійснивши до 3000 ітерацій. Загалом, показник рівня навчання нейронної мережі склав 0,98, що свідчить про високий рівень ідентифікації. З практичної точки зору, отримані результати можуть бути використані для автоматизованого управління безпекою судноплавства, а також для оцінки рівня адаптації навігатора до динамічно змінюваних умов. Запропонований підхід надає можливості у застосуванні сучасних інтелектуальних технологій у сфері безпеки морського транспорту, а саме засобів штучних нейронних мереж що визначають режими сповіщень або активацію автоматичних модулів керування рухом судна. Означене протиріччя вимагає розробки спеціалізованих систем автоматизованого управління безпекою керування рухом судна на основі ідентифікованих станів навігаторі