Mathematical Support of the Vessel Information and Risk Control Systems

Abstract

The article discusses the issues of mathematical support of the Information and Risk Control System for the offshore vessel operating in high risk areas near oil or gas platforms, other large moving objects. Vessels operating in high-risk areas are equipped with dynamic positioning systems and excessive control, which allows to increase the reliability, maneuverability and quality of control. Minimally excessive control structure with two stern Azimuth Control Devices (ACD) is considered. This structure is the last “frontier” to provide three-dimensional vessel control, therefore it is interesting in practical use. The control surfaces for this structure were built, their extreme values and level lines were analyzed. To dispensation redundancy, three control splitting algorithms were considered, analytical expressions for control splitting were obtained. There was carried out a comparative analysis of the considered splitting algorithms between themselves and the prototype according to the minimum Risk- criterion. A comparative analysis showed that the splitting algorithm used in the prototype are special cases of the considered algorithms for dispensation redundancy. There were found controls that provide a “clean” rotation of the vessel without lateral force, which are not present in prototype. There were built control algorithms that provide complex vessel movements according to the minimum Risk- criterion in automatic mode. Operability and efficiency of the algorithmic and software of the vessel control system operating in high risk areas, verified by mathematical modeling at imitation modeling stand. У статті розглянуті питання автоматичного керування рухом морського судна з мінімально-надлишковою компланарною структурою двох кормових азимутальних колонок (АК), що працює з об’єктами підвищеної небезпеки (поблизу нафтових або газових платформ та ін.). Об'єктом дослідження є процеси автоматичного керування рухом морського судна з мінімально-надлишковою компланарною структурою двох кормових АК з використанням критерію мінімального ризику. Предметом дослідження є метод і алгоритми системи автоматичного керування рухом морського судна з мінімально-надлишковою компланарною структурою двох кормових АК з використанням критерію мінімального ризику. Мета. Метою дослідження є мінімізація ризику при маневруванні судном з мінімально-надлишковою компланарною структурою двох кормових АК біля об’єктів підвищеної небезпеки. Метод. Дана мета досягається за рахунок постійного, з тактом роботи бортового контролера, автоматичного вимірювання параметрів відхилення судна відносно об’єкту підвищеної небезпеки, автоматичного формування необхідних сил і моменту для компенсації виміряних відхилень, автоматичного формування управляючих параметрів на АК (сили упора гвинта і кута повороту АК) для кожної із трьох схем розщеплення, оцінки енергозатрат по компенсації виміряних відхилень для розглянутих схем розщеплення, вибору оптимальної схеми розщеплення по критерію мінімальних енергозатрат, реалізації управляючих параметрів АК. Результати. Розроблено метод і алгоритми системи автоматичного керування рухом морського судна з мінімально-надлишковою компланарною структурою двох кормових АК з використанням критерію мінімального ризику. Працездатність та ефективність розробленого методу і алгоритмів перевірені математичним моделюванням на стенді імітаційного моделювання у замкнутій схемі із математичними моделями тренажеру Navi Trainer 5000. Висновки. Результати математичного моделювання підтверджують працездатність та ефективність запропонованого методу і алгоритмів та дозволяють рекомендувати їх для практичного застосування при розробці математичного забезпечення суднових інформаційних систем керування ризиками. оцінки го виконавчого пристрою азипода на кожен виконавчий пристрійрозщеплення отриманих значень сил і моментів значеньсигналів керування на мінімально-надлишкову іншо руху суднавикористання надлишкової структури у бортовому контролері системи керування математичної моделі вимірювача і спостерігаю чого пристрою, побудованого на її основі, оцінки корисної складової і систематичної похибки вимірювання, що залежить від параметрів руху об'єкта керування, використання для керування тільки корисної складової без систематичної помилки вимірювання. Судна, що експлуатуються у зонах підвищеного ризику, оснащені динамічними системами позиціонування та надлишковим керуванням, що дозволяє підвищити надійність, маневреність та якість керування. Розглянута мінімально-надлишкова структура виконавчих пристроїв з двома кормовими азиподами. Така структура є останньою “межею”, яка ще забезпечує тривимірне керування судном, тому вона цікава для дослідження. Побудовані поверхні сумарних сил і моментів, що створюються даною структурою, проаналізовані їх екстремальні значення та лінії рівня. Для розподілу сумарних сил і моментів по виконавчим пристроям мінімально-надлишкової структури розглянуто три алгоритми розщеплення. Для кожного із алгоритмів розщеплення отримано аналітичні вирази, що дозволяють визначити управляючі параметри кожного азипода. Проведено порівняльний аналіз розглянутих алгоритмів розщеплення між собою та знайденим прототипом по критерію мінімального енергоспоживання. Порівняльний аналіз показав, що алгоритми розщеплення, використані у прототипі, є окремими випадками розглянутих алгоритмів розщеплення. Знайдені параметри керування, які забезпечують «чисте» обертання судна без бокового зміщення, яких немає прототипі. Побудовані алгоритми керування, що забезпечують складні рухи судна у відповідності до критерію мінімального ризику в автоматичному режимі. Працездатність та ефективність алгоритмічного та програмного забезпечення системи керування судном, що працює в умовах підвищеного ризику, перевірена математичним моделюванням на стенді імітаційного моделювання.