Rys historyczny - Inżynieria Ruchu Morskiego

Rys historyczny - Inżynieria Ruchu Morskiego

Rys historyczny
Elektroniczne pomiary odległości i kątów, stosowane początkowo w radiolokacji i
radionawigacji znalazły zastosowanie w takich dziedzinach jak: geodezja i kartografia,
budownictwo lądowe i wodne, komunikacja, górnictwo astronautyka i wiele innych.
Ponieważ zakres i dokładność pomiaru odległości i kątów zależą od aktualnych potrzeb
występujących w danej dziedzinie, stąd produkowane urządzenia charakteryzują się znaczną
różnorodnością i specyfiką.
Pomiary odległości i kątów opierają się na właściwości prostoliniowego
rozchodzenia się fal elektromagnetycznych ze stałą prędkością. W warunkach ziemskich i
przy obecnym stanie techniki postulat ten najlepiej spełniają fale optyczne oraz mikrofale, z
których wywodzą się nazwy urządzeń pomiarowych – dalmierzy. Dalmierze eleektrooptyczne
obejmują swym zakresem fale o długościach 0,35 - 1,1 µm, a więc widmo widzialne i
podczerwień.
W zależności od rodzaju źródeł fal optycznych w grupie dalmierzy
elektrooptycznych można wyróżnić dalmierze laserowe oraz dalmierze optoelektroniczne z
półprzewodnikowymi źródłami fali nośnej.
Zalążkiem dalmierzy bezzwierciadlanych były używane podczas drugiej wojny
światowej, a nawet wcześniej, urządzenia zwane radarami. Radary, czyli nic innego jak
instrumenty wysyłające impulsy, które po czasie powrotu określają drogę, jaką przebyły
pomiędzy urządzeniem a obiektem, od którego się odbiły. Problemem stało się jedynie
podniesienie dokładności, a starano się to zrobić w szerokim zakresie dziedziny np. poprzez
doskonalenie zegara, doskonalenie pojedynczych impulsów aż do ich ciągu, rozwój
detektorów i inne.
Jednym z pierwszych znanych dalmierzy był TERRAMETR, który pojawił się pod
koniec lat sześćdziesiątych i którego największą zaletą był pomiar w trzech długościach fali
(tzw. trój laserowy), co eliminowało wpływ wilgotności, ciśnienia i temperatury z
ostatecznych rezultatów pomiaru. W wyniku tego, instrument ten osiągał dokładności rzędu
0,2 mm/10 km przy pomiarze długości kilkunastokilometrowych. Był on urządzeniem
drogim, wielkim i produkowanym w pojedynczych egzemplarzach tylko na zamówienie.
W roku 1974 wojsko amerykańskie zostało wyposażone w lornetki, które wraz z
wielokilogramowym wyposażeniem noszonym w plecaku dawały możliwość pomiaru
odległości do obiektu znajdującego się nawet do 4 kilometrów od obserwatora z dokładnością
parometrową.
Kolejną taką zabawką był produkt firmy LEICA tzw. VECTOR, dający możliwość
pomiaru odcinków dwukilometrowych wraz z przewyższeniem i kierunkiem (posiadał
wmontowany pochyłomierz (inklinometr) i kompas). Jednak jego wadą, a może zaletą przy
wykorzystaniu wojskowym, był bardzo mocny laser, który mógł zaszkodzić osobom
znajdującym się na celowej.
Jednym z lepszych instrumentów był dalmierz z widzialnym fazowym laserem
helowo-neonowym AGA 710, wyprodukowany na przełomie lat 1975/76. Aczkolwiek
mierzył on odległości stumetrowe, jednakże osiągał dokładność rzędu 5 mm, a jego gabaryty
czyniły z niego bardzo poręczne urządzenie wykorzystywane w geodezji.
Podsumowując, problemem w rozwoju dalmierzy bezzwierciadlnych nie jest bariera
sprzętowa, czy też rozwoju techniki, lecz ograniczenia prawne wynikające z lęku naszej
cywilizacji przed laserami. W sierpniu 2000 roku w Stanach Zjednoczonych podwyższono
dopuszczalną granicę z 1 do 5 miliwatów, natomiast w Unii Europejskiej wprowadzono nowe
przepisy dnia 30 stycznia 2001 roku, co otworzyło drogę rozpowszechnieniu dokładniejszych
instrumentów bezdotykowych.
Zastosowania cywilne laserów min. w hydrografii oraz w systemach nawigacyjnych
otwierają nowe możliwości pozycjonowania i prowadzenia statku (systemy DP), wpływają
również na podniesienia poziomu bezpieczeństwa manewrów cumowania (Laser Mooring
System, Laser Docking System).
Osiągnięcia w dziedzinie laserów wciąż dają ogromne możliwości rozwoju nowych
metod pomiaru.
Zastosowanie bezpryzmatowych dalmierzy laserowych w Inżynierii Ruchu
Morskiego
Problematyka badawcza podejmowana przez Inżynierię Ruchu Morskiego dotyczy
przede wszystkim bezpieczeństwa manewrowania statków na akwenie ograniczonym.
Badania nad systemem miar bezpieczeństwa manewrowania statków na akwenach
ograniczonych doprowadziły do identyfikacji szeregu kryteriów oceny bezpieczeństwa
manewrowania.
Jednym z kryteriów oceny, jest kryterium bezpiecznych wymiarów manewrowych
akwenu, umożliwiające ustalenie minimalnych parametrów akwenu. Kryterium to ściśle jest
związane z określeniem możliwości wykonania konkretnego manewru przez dany typ statku
na zadanym akwenie.
W Instytucie IRM opracowano autonomiczne, niskonakładowe metody rzeczywiste
wyznaczania bezpiecznego akwenu manewrowego statku na akwenie ograniczonym.
Metody opierają się na wykorzystaniu nowoczesnych technik geodezyjnych
jednoczesnego pomiaru kąta oraz odległości przy pomocy urządzeń optoelektronicznych
(dalmierze laserowe) oraz elektronicznych (enkodery, kompasy elektroniczne). Stosowane
urządzenia oraz techniki pomiarowe znane są w geodezji lądowej oraz pomiarach
hydrograficznych, jednak zastosowanie ich do potrzeb inżynierii ruchu morskiego jest
autorskim podejściem do problemu.
Metody charakteryzują się wysoką dokładnością pomiaru (odległość 7 cm, kąt 0,1°),
autonomicznością, prostotą obsługi oraz niezawodnością. Pomiar wykonywany jest z lądu,
przygotowanie stanowiska do pracy trwa kilka minut a zakłócenia zewnętrzne nie wpływają
na jakość pomiaru.
Metody mogą posłużyć jako narzędzie w badaniach prowadzonych w Instytucie
Inżynierii Ruchu Morskiego, polegających na udoskonaleniu metod symulacyjnych ruchu
statków na akwenie ograniczonym. Mogą mieć także zastosowanie do weryfikacji badań
symulacyjnych z rzeczywistością, dla określonych typów akwenów i wykonywanych tam
manewrów, gdy zastosowanie innych technik (bazujących na systemach satelitarnych) ze
względu na ukształtowanie akwenu (osłonięte kanały, fiordy) lub występującą infrastrukturę
(mosty, gęsta zabudowa miejska lub portowa) może być niemożliwe bądź uzyskane wyniki
mogą być obarczone dużymi błędami.
Przeprowadzone badania eksperymentalne w Instytucie IRM
1. Określenie prawdopodobieństwa awarii statku podczas przejścia pod mostem za
pomocą dalmierza laserowego.
W pracy przedstawiono metodę określania bezpieczeństwa przejścia statku
pomiędzy filarami mostu oraz wyniki przeprowadzonego eksperymentu
polegającego na pomiarach położenia poruszających się pod mostem statków.
Analizując uzyskane wyniki można wyciągnąć następujące wnioski:
• przedstawiona metoda z wykorzystaniem jednego dalmierza laserowego może
mieć zastosowanie do badania bezpieczeństwa przejścia statku pomiędzy
filarami mostu;
•
w przypadku, gdy statek wykonuje manewr podczas przejścia w badanym
miejscu należy stosować inne metody, np. układ 2 dalmierzy;
•
prawdopodobieństwo awarii nawigacyjnej statku przy przejściu statków typu
„Adler” w rejonie mostu Długiego w Szczecinie jest małe i wynosi około
2*10-9, a lewy filar mostu jest bardziej narażony na uderzenie niż prawy;
2. Porównanie bezpieczeństwa przejścia dwóch typów statków żeglugi śródlądowej
pod Mostem Długim w Szczecinie.
Analizując uzyskane w pracy wyniki można wyciągnąć następujące wnioski:
• przedstawiona metoda z wykorzystaniem jednego dalmierza laserowego może
mieć zastosowanie do badania bezpieczeństwa przejścia statków pomiędzy
filarami mostu;
• prawdopodobieństwo kolizji statku typu „Adler” z filarem mostu podczas
przejścia w rejonie mostu Długiego w Szczecinie jest małe i wynosi około
2*10-9, a lewy filar mostu jest bardziej narażony na uderzenie niż prawy;
• prawdopodobieństwo kolizji statku m/s „Joanna” z filarem mostu podczas
przejścia w rejonie mostu Długiego w Szczecinie jest mniejsze niż w
przypadku poprzedniej grupy statków i wynosi około 1,66*10-11;
• bardziej narażony na kolizję jest lewy filar mostu;
• bardzo małe wartości prawdopodobieństw świadczą o dużym bezpieczeństwie
Mostu Długiego w aspekcie uderzenia przez badane jednostki pasażerskie
żeglugi śródlądowej.
3. Wyznaczenie bezpiecznego akwenu manewrowego dla promów morskich w
rejonie wejścia w główki portu w Świnoujściu.
4. Wyznaczenie bezpiecznego akwenu manewrowego dla statków maksymalnych
mogących wejść do portu w Świnoujściu – (eksperyment w trakcie).
Baza sprzętowa
W tabeli 1 zestawiono parametry techniczne stosowanego w badaniach dalmierza laserowego
LaserAce300 firmy MDL.
Tabela 1
Parametry techniczne urządzenia pomiarowego LaserAce 300
Typ lasera
Typ pomiaru
Długość fali
Zasięg
Dokładność
Czas wypracowania pomiaru
GaAs Laser Diode
Pomiar czasu przejścia sygnału
905 nm
300m (5km z reflektorem)
±10cm (średnio)
0.3s
Instytut IRM dysponuje szeroką bazą sprzętową w zakresie pomiarów geodezyjnych.
Posiadane instrumenty precyzyjnego pomiaru odległości oraz kąta zestawiono w tabeli 2.
Tabela 2
Baza sprzętowa IIRM
Sprzęt
Dalmierze laserowe
Firma
MDL LaserAce 300
Leica Disto Classic
Ilość
2
2
Tachimetr
Leica
1
Kompasy elektroniczne
MDL
2
Encoder
MDL
1
Rys. 1 Dalmierz MDL LaserAce 300 z dołączonym encoderem.
Rys.2 Dalmierz „LaserAce 300” z dołączonym kompasem elektronicznym
Rys. 3 Widok dalmierza „LaserAce 300” – dokładność pomiaru 10 cm
Rys.4 Dalmierz Leica Disto – dokładność pomiaru 5mm
Rys.5 Tachimetr laserowy Leica