ВЕСТНИК ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМ. АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

Выполнен анализ конструктивных и гидростатических характеристик контейнеровозов в контексте их изменения на продольном волнении. Отмечается, что конструктивные и гидростатические характеристики контейнеровозов имеют свою специфику, обусловленную, в частности, экономической оптимизацией перевозки контейнеров, и оказывают непосредственное влияние на поведение судна на волнении. Отмечается, что эти особенности должны учитываться судоводителями при расчетах и контроле остойчивости в процессе выполнения рейса. Подчеркивается, что гидростатические характеристики судна на волнении постоянно изменяются, а их учет представляет собой сложную задачу. Решения этой задачи, пригодного для практического применения, в настоящее время нет. Прохождение волны вдоль корпуса судна предполагает, что различные его части в разное время будут иметь разную осадку. Исходя из этого в настоящей работе исследуется изменение и зависимость характеристик судна для разных осадок. В качестве важнейших параметров рассмотрена площадь ватерлинии и коэффициенты ее полноты. Для их расчета на волнении предложена методика, которая заключается в разбиении ватерлинии на секции и определении площади каждой из них с учетом ее коэффициента полноты, зависящего от осадки. Расчеты, выполненные с использованием характеристик действующих контейнеровозов разного тоннажа, показали зависимости и соотношения между такими конструктивными и гидростатическими характеристиками контейнеровозов, как обводы корпуса, соотношения линейных характеристик, осадка, коэффициент общей полноты и коэффициент полноты площади ватерлинии. Отмечается, что дальнейшие исследования на основе полученных в настоящей работе результатов, могут могут служить основой разработки методики учета параметров контейнеровоза на волнении, пригодной для применения судоводителями на практике, что, безусловно, будет способствовать повышению безопасности эксплуатации судов-контейнеровозов.

Темой работы является качественное исследование навигационных изоповерхностей с целью установления практичности полиномиальной аппроксимация для класса дифференцируемых функций с минимизированной «гладкостью». При решении задач восстановления скалярного поля навигационных параметров представляется, безусловно, важным формирование изначального правильного суждения об изогеометрической близости приближаемой и приближающих функций при условии предоставления конкретных сведений о дифференциальных свойствах синтезируемой навигационной изоповерхности. Предполагается, что структура графической модели объекта исследования и характеристики теории приближения функций должны быть согласованы между собой при формировании единого информационного подхода. В качестве конкретного показательного примера выполнено исследование дифференциальных свойств формализованного представления астронавигационной изоповерхности с геометрической интерпретацией в виде компьютерных скриншотов как результат работы составленного программного модуля. Выдвигается предположение о реалистичной возможности выбора оптимальной аппроксимативной навигационной функции на основе визуализации «гладкости» навигационной функции любой размерности в соответствии с гипотезой Шёнберга о взаимосвязи минимума кривизны с максимумом плавности алгебраической линии. Определен поиск решения неформализуемой в строгом математическом соответствии задачи графической трансформации точек разрыва абстрактной изолинии как частного случая навигационной изоповерхности. Предлагается использование разработанной методики в качестве эффективной проверки достоверности больших геопространственных данных. Акцентируется перспективная важность надлежащей математической обработки морских пространственных данных географических информационных систем в качестве приоритета предоставления потребителям обоснованной информации для практических целей. Актуальность необходимости проведения качественного исследования навигационных изоповерхностей с целью их последующей успешной аппроксимации с единых позиций теории сплайн-функций согласуется с прогнозированием появления сложных гипотетических изолиний, которые в перспективе предполагается изучать в процессе эволюции технических средств судовождения.

В обзорной статье рассмотрены требования к основным системам функционирования буксира-автомата, предназначенного для выполнения операций сопровождения, швартовки и отшвартовки судов в портовых водах. Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения безопасности и эффективности портовых операций за счет внедрения автономных технологий. Представлены архитектурно-конструктивные особенности буксира-автомата, обеспечивающие высокую маневренность и эксплуатационную надежность. Особое внимание уделено ключевым функциональным системам: автоматической навигационной системе и системе ситуационной осведомленности. Предложены математические модели и алгоритмы для анализа навигационной обстановки, корректировки маршрута, обеспечения безопасного расхождения с другими судами, а также методы интеграции данных, полученные из различных источников информации (системы высокоточной навигации, АИС, РЛС, лаг) с использованием фильтра Калмана. Также описаны требования к пропульсивной системе с азимутальными движителями, системе энергообеспечения с резервированием, системе жесткой сцепки, включая магнитные устройств, а также системе аварийной буксировки. Результаты исследования направлены на создание безопасного, надежного и высокоавтоматизированного буксира-автомата, способного эффективно взаимодействовать с окружающей средой и выполнять сложные маневры в стесненных условиях.

В работе продолжены поисковые изыскания в части совершенствования методов использования изолиний основных навигационных параметров традиционных для практического судовождения в условиях плавания вблизи берегов. Ранее предложенная идея комбинаций изолиний для одной пары навигационных ориентиров по измеренным пеленгам и дистанциям получила развитие на основе анализа нескольких пар ориентиров. В качестве базового варианта рассматривается сопровождение четырех ориентиров. В предположении общего случая наличия случайных и систематических погрешностей в измерениях вначале компенсируются возможные систематические погрешности переходом к разностным изолиниям, которые затем представляются в общем виде и производится их редуцирование. Далее для совместного решения избыточных уравнений линий положения методом наименьших квадратов они приводятся к нормальному виду, т. е. используются единые размерности.

Точность получаемых обсервованных координат для сравнения различных вариантов решения оценивается радиальной погрешностью. Показано, что в разностных линиях положения систематическая погрешность компенсируется, но редуцирование позволяет компенсировать их остаточное влияние, вызванное вычислениями. Важнейшие положения проведенного исследования визуализированы, а приводимые выражения доведены до формы практического применения в программном обеспечении современных систем навигации. Компьютерное моделирование показало, что радиальная погрешность координат обсервованного местоположения судна по 26 редуцированным линиям положения комбинаций пеленгов и дистанций четырех ориентиров практически в два раза меньше регламентированной для ГНСС. Формализация предлагаемых методов в современных навигационных комплексах и системах управления автономными судами позволит судоводителю решать задачи обработки навигационной информации в прибрежных районах плавания на качественно новом уровне.

Рассмотрено конфигурирование сплайн-траектории с интеграцией критерия гладкости в оптимизацию пути при следовании морского подвижного объекта в заданном направлении с учетом ограничительных навигационных препятствий. Плавность траектории исследована в качестве использования возможности уклонения от запретного района плавания за счет организации вариативной гибкости сплайновой конструкции в качестве реализации возможности быстрой динамической перепланировки в случае недоступности изначально выбранного пути. Аргументировано понимание интеллектуального планирования пути как эффективной маршрутизации при стратегическом соблюдении условия максимально быстрого достижения цели кратчайшего перемещения в конфликтной навигационной среде. Обоснован феномен кубической В-сплайновой аппроксимации как рациональное средство синтезирования линии пути, поскольку планируемая траектория может быть сгенерирована сегментированным образом для разных вариаций кривизны алгебраической кривой на основе сбалансированного сочетания изогеометрических ограничений при оптимальной расстановке узлов. Изменчивое генерирование сплайновой формы выполнено путем координирования сеточных точек с финитными функциями при интерактивной реализации эффекта сглаживания. Сделан вывод о том, что эвристическое варьирование параметров сглаживания позволяет получать В-сплайны различной геометрической эволюции с возможностью трансформации многозвенной структуры линии движения судна без необходимости формирования принципиально нового маршрута. Ввиду кусочной архитектуры сплайна выдвинута гипотеза устойчивости сплайновых конструкций, когда локальные нарушения математической композиции критически не отражаются на общей задаче моделирования траекторной конфигурации. Отмечается целесообразность применения вариативного моделирования маневренной траектории в режиме реального времени для планирования пути за счет оперативного изгибания кубических В-сплайнов во избежание любых столкновений. В качестве демонстрации практической применимости построения оптимальной конфигурации сплайн-траектории спроектированы в виде последовательных компьютерных скриншотов два различных варианта сплайнового маршрута в режиме реального времени. Актуализирован вопрос обеспечения автоматизированного формирования маршрута с синхронным представлением геометрического компьютерного сопровождения безопасной линии пути вахтенному помощнику, стимулирующему возможность интеллектуальной помощи штурману в использовании стратегии мгновенного принятия согласованного решения по управлению судном за счет обеспечения ситуационной осведомленности. Разработанный алгоритм апробирован в качестве гармонизированной поддержки судоводительскому составу при организации эффективной маршрутизации. Предложено гипотетическое использование сплайнового подхода для расчета траектории морского автономного надводного судна с целью практического формирования концепции безэкипажного судоходства.

В статье выполнен обзор различных алгоритмов по оптимизации маршрутов морских автономных надводных судов. Отмечается, что актуальным и действенным методом оптимизации маршрутов является внедрение алгоритмов и программной базы по предотвращению столкновения, основанных на теории графов. Основными способами являются алгоритм Дейкстры, А*, искусственные потенциальные поля, метод «динамического окна», метод скоростного препятствия. Также отдельно рассматривается предотвращение столкновения с использованием радара морского автономного навигационного судна, геометрических факторов судов, генетического алгоритма, обучения нейронной сети. При этом большинство алгоритмов рассматривается только как теоретическое решение поставленных задач. Вместе с тем в некоторых работах описаны результаты, полученные при проведении экспериментальных натурных испытаний, а именно: нейронные сети, использующие глубокое обучение, марковский процесс принятия решений, Q-обучение; созданная с нуля система автономного предотвращения столкновения с использованием концепции поиска заменяемого пространства действий; эвристический поиск оптимального маршрута судна по Северному морскому пути с использованием алгоритма А2015. Общий анализ исследований показал, что многие авторы значительно продвинулись в своих исследованиях - в них видна положительная динамика исследования, однако необходимо совершенствовать существующие алгоритмы для решения поставленных задач, поскольку в одних работах не рассматривается расхождение с несколькими судами, в других не используется маневр, связанный с изменением скорости, в отдельных работах существует сложность настройки параметров для эффективной работы алгоритма. Не в полной мере разработан также критерий оптимальности при совместном маневрировании, учитывающий не только обеспечение минимального значения кратчайшей дистанции до судна в системе, но и другие факторы, такие как распределение обязанностей по выполнению маневров судов.

В данной статье проанализирована эффективность использования нейронной сети для определения маневров расхождения двух судов. Дано краткое описание алгоритма и скрипта MATLAB, позволяющего находить изменения курсов для предотвращения столкновений пар судов. Описывается процесс создания обучающей выборки с помощью ранее разработанного скрипта, включающий предварительную обработку данных для устранения нереалистичных сценариев сближения пар судов, а также ситуаций, в которых отсутствует опасность столкновения. Обучение нейронных сетей выполнялось с помощью алгоритмов оптимизации Левенберга - Марквардта и Adam. В ходе исследования было обучено одиннадцать нейронных сетей с различными параметрами, из которых выбрана сеть, позволяющая прогнозировать изменения курсов для расхождения на безопасной дистанции для пар судов с точностью 94,8 % (точность прогнозов нейронной сети в данном исследовании определена как количество пар изначально опасно сближающихся судов, дистанция кратчайшего сближения которых после обработки нейронной сетью находилась в пределах 0,8-1,2 мили, поделенной на общее количество пар судов). В исследовании выполнено сравнение времени, затраченного на вычисление маневров расхождения с использованием алгоритма и нейронной сети. Исследование показало, что при увеличении количества опасно сближающихся судов до четырех и выше нейронная сеть затрачивает на прогнозирование маневра расхождения в пять раз меньше времени, чем алгоритм. С увеличением числа опасно сближающихся судов разрыв во времени обработки данных между нейронной сетью и алгоритмом увеличивается, что подтверждает целесообразность применения нейронных сетей в обработке больших массивов данных с парами опасно сближающихся судов. В дальнейших исследованиях планируется создать алгоритм для решения задачи безопасного расхождения группы судов, осуществляемого на основе попарного анализа опасности столкновений.

Исследован метод получения координат обсервованного места судна по избыточным измерениям одного из основных навигационных параметров - дистанции, традиционно используемого в практике судовождения в условиях прибрежного плавания. Новая особенность решения уравнений изолиний - изостадий по измеренным дистанциям до соответствующих пар ориентиров - сводится к решению уравнений прямых, получаемых по точкам пересечения соответствующих пар изолиний. Эти линии аналогичны линиям положения, построенным по хордам. В отличие от классического обобщенного метода касательных линий положения, предлагаемые линии - хорды непосредственно сходятся в точке обсервованного места судна, получаемой по изолиниям. Предлагаемый метод позволяет исключить методическую погрешность от замены изолиний касательными линиями положения и необходимость дополнительных итераций. В качестве математического аппарата применяются классические методы навигации: теория изолиний, обобщенный метод линий положения, метод наименьших квадратов. Приведены решения исходных избыточных уравнений линий положения по хордам методом наименьших квадратов при гипотезе действия случайных погрешностей измерений и редуцированных вариантов уравнений линий положения - хорд для компенсации систематических погрешностей с оценкой точности обсервованного места судна радиальной погрешностью. Предложены выражения для оценки систематических погрешностей в измерениях в целях их дальнейшей компенсации. Основные положения исследования подкреплены инфографикой. Приведенные выражения доведены до уровня непосредственного практического применения в целях разработки программного обеспечения систем навигации. Формализация предлагаемых методов в автоматических навигационных комплексах или системах управления автономными судами позволит судоводителю на борту судна и управляющему им дистанционно решать задачи обработки соответствующей навигационной информации пар ориентиров в прибрежных и стесненных районах плавания на качественно новом уровне.

Аргументировано предложение в пользу наземной радионавигационной системы e-Loran в качестве альтернативы глобальным навигационным спутниковым системам. Мотивация поиска дублирующего варианта вызвана необходимостью обеспечения надежности позиционирования как предмета противодействия спуфинговым и джамминговым рискам при реализации концепции кибернетической осведомленности на водном транспорте.

Гипотетически рассмотрена возможность использования e-Loran на трассе Северного морского пути в качестве резервной навигационной системы.

Проанализирован опыт эксплуатации пилотных проектов усовершенствованного Loran в вопросе прогнозируемого потенциала точности позиционирования.

Исследован оптимальный способ компенсации системной погрешности геолокации на основе использования дополнительных вторичных факторов. C учетом принципа функционала d-Loran, основанного на сравнении измеренных значений задержки прохождения радиосигнала с опубликованными аналогами для передачи уточнений морским потребителям, определена необходимость применения целостности как критерия доверительной оценки надежности обработки навигационной информации.

Выполнен критический анализ результативности попыток применения метода линейной интерполяции для вычисления промежуточных репрезентативных значений задержки прохождения радиосигнала с целью имитационного моделирования карты дополнительных вторичных факторов.

Выдвинута гипотеза перспективности синтеза изоповерхности поправок на основе В-сплайновой аппроксимации. Реализован повтор на корректном алгоритмическом уровне южнокорейского эксперимента синтезирования карты дополнительных вторичных факторов с измеренными показателями хронометражной задержки распространения радиосигнала в наносекундах от передающей станции Пхохан.

С целью демонстрации практической реализуемости сплайнового алгоритма выполнена компьютерная визуализация картографического фрагмента дополнительных вторичных факторов залива Йонгиль.

Выдвинуто предположение о целесообразности трехмерного представления дополнительного вторичного фактора для ситуационного восприятия вахтенным помощником навигации с коррекцией по карте как процесса в альтернативном позиционировании с целью повышения надежности контроля местоположения за счет визуального оценивания правильности использования поправок дифференциального варианта е-Loran.

Отмечается перспектива применения разработанного пакета прикладных паскаль-программ с реализациями на мониторах дисплейного типа в качестве интеллектуальной поддержки принятия решений судоводителем при апостериорной оценке точности обсервации за счет наглядности визуального представления поля поправок.

Предложен метод определения места судна по глубинам на основе нейронной сети, которая принимает на вход последовательность глубин, измеренных при помощи эхолота, а прогнозирует широту и долготу судна на момент измерения последней глубины. Нейронная сеть имеет архитектуру сети прямого распространения с несколькими скрытыми слоями и полными связями, удовлетворяющую условиям универсальной аппроксимации в соответствии с теоремой Стоуна - Вейерштрасса. Для обучения используется алгоритм Adamax при условии контроля наибольшего значения модуля невязки на каждой итерации. Моделирование выполнялось с использованием языка программирования Python и библиотеки Tensorflow. Модельная поверхность рельефа дна была представлена в виде многочлена второго порядка. Образцы получены на основе виртуальных измерений глубин в узлах координатной сетки с пространственным разрешением не хуже, чем один кабельтов. После сбора образцов выполнялось обучение нейронной сети, в ходе которого не использовалась контрольная выборка. В обучении участвовало несколько нейронных сетей, отличающихся количеством скрытых слоев, а также количеством нейронов в них. После обучения было проведено тестирование, которое предполагало движение судна вдоль меридианов, в точности не совпадающих с используемыми для формирования обучающей выборки. При этом наряду с вариантом средних по долготе меридианов рассмотрен вариант выбора меридианов с использованием датчика случайных чисел равномерного распределения. В результате тестирования все рассмотренные сети показали примерно одинаковую приемлемую навигационную точность, близкую к точности, полученной на обучающей выборке.

Темой исследования является проблема прокладки безопасного маршрута судна с учетом гидрометеорологической обстановки в районе его следования. Решение задачи предлагается с использованием теории графов. Кратчайшим маршрутом при океанском переходе является дуга большого круга, вокруг которой строится граф.

Узлы графа отстоят друг от друга на расстоянии 12-часового перехода судна. Для узлов графа определяется текущая и прогностическая гидрометеорологическая информация о ветре, волнении и поверхностном течении. Для решения этой задачи предлагается использовать модифицированный алгоритм A* (A-Star).

В качестве эвристической функции используется не расстояние, а кратчайшее время прохождения маршрута с учетом потерь или приращения скорости из-за влияния гидрометеорологических факторов на каждом отрезке пути между соседними вершинами графа. Предлагаемый алгоритм обладает высокой скоростью нахождения оптимального пути. Проведено компьютерное моделирование, иллюстрирующее результат работы предлагаемого модифицированного алгоритма.

Полученные результаты показывают возможность значительной экономии времени при плавании по оптимальному маршруту по сравнению с плаванием по дуге большого круга. Предложенный метод может быть использован для создания систем автоматизированной прокладки оптимальных маршрутов с учетом меняющихся условий окружающей среды.

Предлагается воспринимать линейный сплайн как математический критерий линии положения. Линейная сплайн-аппроксимация при этом рассматривается в двойственном варианте: сплайн ассоциируется с аналогом линии положения и одновременно с многозвенником восстановленной навигационной изолинии. Сплайн-градиент интерпретируется как усовершенствованное понимание классического вектора градиента, имеющего отличие в построении по нормали к сплайновому фрагменту, аппроксимирующему изолинию в окрестности счислимой точки.

При таком подходе обеспечивается реалистичность многофакторности вероятных направлений максимальных увеличений навигационной функции за счет оперирования комплексом сплайн-градиентов, что объективно отображает ситуацию предельной точности обсервации как вероятнейшей точки пересечения сплайновых линий положения.

Отмечается, что понятие сплайн-градиента признано основополагающим предикатом, определяющим потенциал движения судна при изолинейном плавании с учетом меняющейся геометрической характеристики поля навигационных параметров. Конкретизирована оценка точности навигационных измерений за счет вариативного конфигурирования архитектуры комплекса градиентов.

Представляется целесообразным предположение о гипотетической возможности независимого контроля изолинейного перемещения судна при наличии на борту специальной аппаратуры, способной постоянно определять значения параметров навигационной изолинии с синхронной фиксацией веера градиентов, так как внутренняя геометрия траектории судна полностью характеризуется навигационными параметрами в общепринятом в навигации смысле.

Указывается, что альтернативным преимуществом удержания судна на маршруте изолинейного плавания является техническая возможность ориентирования на управляющий сигнал от измерений значений комплекса градиентов без использования дополнительной информации.

Применение веера градиентов в практическом аспекте создает прецедент организации параметрической системы, в которой текущий истинный курс и координаты изолинейно движущегося судна являются функциями градиентометрических измерений.

Допускается теоретическая возможность практического применения теории сплайн-функций к приближению новейших изолиний, внедрение которых в навигацию будущего связано с инновациями технических средств судовождения.

Прогнозируется, что предлагаемый подход может быть использован как математическое обеспечение автоматизированной системы судовождения с искусственным интеллектом в рамках концепции безэкипажного судоходства.