Tytuł artykułu - Scientific Journals of the Maritime University of

ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA
E X P L O-S H I P 2 0 0 6
Wiesław Juszkiewicz
Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego
w urządzeniach ARPA
Słowa kluczowe: śledzenie, ARPA, bezpieczeństwo żeglugi
Podstawowym zadaniem stawianym przed urządzeniami umożliwiającymi automatyczne śledzenie obiektów jest zapewnienie obserwatorowi możliwości właściwej oceny
sytuacji panującej wokół statku własnego, włączając w to możliwość zaplanowania skutecznego i bezpiecznego manewru zapobiegawczego. W artykule przedstawiono wyniki
eksperymentu przeprowadzonego w symulatorze nawigacyjno-radarowym, którego celem była weryfikacja dokładności planowania akcji zapobiegawczej z użyciem funkcji
TRIAL.
The Verification of Anti-collision Trial Manoeuvre Accuracy
in ARPA Systems
Key words: tracking, ARPA, safety of navigation
The main goal of tracking systems is providing the observer with a proper safety
assessment, including a possibility of proper and effective trial manoeuvre planning.
For the trial manoeuvre accuracy examination, some typical scenarios were simulated in
a radar simulator. The research results of trial function accuracy are presented in the
article.
113
Wiesław Juszkiewicz
Wstęp
We wszystkich dokumentach precyzujących zasady prowadzenia kursów
obsługi urządzeń ARPA szczególną uwagę zwraca się na konieczność prezentacji błędów i ograniczeń urządzeń oraz niebezpieczeństwa wynikającego ze zbytniego zaufania do wskazań ARPA. Istotnie w trakcie prowadzenia kursów daje
się zauważyć zbyt duży poziom zaufania, jakim nawigatorzy darzą uzyskiwane
z ARPA dane o śledzonych obiektach. Oficerowie w praktyce często zapominają
o ograniczeniach urządzeń ARPA lub wręcz ich nie znają. Fakt ten skutkuje
podejmowaniem decyzji bardziej ryzykownych, powodujących zmniejszenie
wartości bezpiecznej odległości mijania się ze śledzonymi obiektami. W tym
kontekście również istotne znaczenie ma, z punktu widzenia bezpieczeństwa
podejmowanych przez nawigatorów decyzji, znajomość dostępnych rozwiązań
oraz powiązanych z nimi ograniczeń funkcji TRIAL.
Funkcja manewru próbnego (TRIAL) jest jedną z podstawowych funkcji
wymaganych w urządzeniach z automatycznym śledzeniem ech (ARPA). Zgodnie z Rezolucją IMO A.823(19) powinna ona zapewnić możliwość symulacji
wpływu manewru statku własnego na ruch wszystkich śledzonych obiektów bez
przerywania procesu ich śledzenia i wyświetlania aktualnych danych. Symulacja
ta może być przeprowadzona z uwzględnieniem lub bez uwzględnienia czasu
opóźnienia rozpoczęcia manewru (manewr natychmiastowy) oraz parametrów
manewrowych statku własnego (statyczna lub dynamiczna forma prezentacji
skutków planowanego manewru) [5].
Ponieważ wymagania dotyczące funkcji manewru próbnego, zawarte
we wspomnianej rezolucji, mają dosyć ogólny charakter, w praktyce spotyka się
wiele wariantów jej realizacji [1, 2]. Z punktu widzenia nawigatora wykorzystującego urządzenia ARPA istotna jest znajomość podstawowych ograniczeń
wspomnianej funkcji oraz precyzji, z jaką możliwe jest zaplanowanie
a następnie wykonanie akcji zapobiegawczej. Jedynie pełna wiedza na ten temat
pozwala zaplanować efektywny i zarazem bezpieczny manewr antykolizyjny.
W związku z tym podjęto próbę oceny dokładności planowania takiej akcji
z użyciem funkcji manewru próbnego, a polegającej na porównaniu planowanej
i uzyskanej w rzeczywistości najmniejszej odległości minięcia się statków.
Przeprowadzone symulacje w symulatorze nawigacyjno-radarowym polegały na
rozwiązywaniu sytuacji kolizyjnych poprzez dokładne wykonanie manewrów
zapobiegawczych, wypracowanych wcześniej z użyciem funkcji TRIAL.
W trakcie eksperymentu wykorzystane zostały urządzenia antykolizyjne różnych
producentów (Norcontrol, Furuno, Atlas, Sperry), charakteryzujące się różnym
sposobem realizacji funkcji manewru próbnego i formą prezentacji informacji
o skuteczności wybranego manewru.
114
Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA
Na podstawie uzyskanych wyników dokonano weryfikacji dokładności
i skuteczności funkcji manewru próbnego zastosowanej w wybranych urządzeniach ARPA.
1. Sposoby realizacji funkcji manewru próbnego
Jak już wspomniano, wymagania dotyczące funkcji manewru próbnego mają ogólny charakter i w związku z tym w praktyce spotyka się wiele jej wariantów. Praktycznie każdy z producentów stosuje nieco inne rozwiązanie. Z punktu
widzenia dokładności planowania manewru zapobiegawczego na pierwszy plan
wysuwają się różnice wynikające z uwzględnienia (lub nie) zdolności manewrowych statku własnego. W związku z tym urządzenia ARPA można podzielić
na te, w których funkcja manewru próbnego realizowana jest w sposób dynamiczny (dynamic trial presentation) lub statyczny (static trial presentation) [1,
2]. Dodatkowo można wyróżnić urządzenia umożliwiające wprowadzenie opóźnienia czasowego rozpoczęcia planowanego manewru (delay time) lub zaplanowanie jedynie manewru natychmiastowego. Należy jednak zauważyć, iż wspomniane opóźnienie czasowe inaczej powinno być traktowane w przypadku dynamicznej, a inaczej w przypadku statycznej formy prezentacji skutków planowanego manewru zapobiegawczego.
1.1. Statyczna forma prezentacji funkcji manewru próbnego
Statyczna forma prezentacji manewru próbnego może być porównana do
planowania manewru zapobiegawczego na nakresie radarowym (oczywiście,
symulacja prowadzona jest jednocześnie dla wszystkich śledzonych obiektów).
Ponieważ nie są uwzględnione parametry manewrowe statku własnego, planowany manewr nie jest w praktyce możliwy do wykonania. Z tego powodu przy
planowaniu akcji bez opóźnienia czasowego manewr powinien zostać zaplanowany z pewnym zapasem i ze świadomością tego, że w efekcie po wykonaniu
manewru, uzyskana najmniejsza odległość minięcia (CPA – Closest Point of
Approach) będzie nieco mniejsza od wcześniej zaplanowanej. Precyzja planowania zależy zatem zarówno od doświadczenia nawigatora, jak i znajomości
parametrów manewrowych własnej jednostki. W zależności od wydatności planowanego manewru wspomniany zapas planowanego CPA powinien być mniejszy lub większy.
Te opóźnienia czasowego rozpoczęcia manewru (delay time) pozwala
w sposób pośredni uwzględnić czas, w jakim możliwy jest do wykonania planowany manewr. W tym przypadku nawigator także powinien znać charakterystyki manewrowe statku własnego i odpowiednio wcześnie rozpocząć wykonywanie manewru zapobiegawczego, tak aby zakończyć go w przybliżeniu w mo115
Wiesław Juszkiewicz
mencie, na który zaplanowano manewr. W związku z tym opóźnienie czasowe
w przypadku statycznej formy prezentacji nie może być postrzegane jako czas
pozostający do rozpoczęcia manewru, ale faktycznie jako czas konieczny na
jego wykonanie. Najczęściej po wprowadzeniu opóźnienia czasowego w tej
formie prezentacji manewru próbnego, nie jest ono odliczane do zera, ale
utrzymuje stałą wartość w trakcie planowania manewru (np. Atlas 9800, Furuno
2805). Powoduje to stałe przesuwanie wektorów śledzonych obiektów przed ich
echami, w odległości równej drodze, jaką pokonają one w czasie wprowadzonego opóźnienia wykonania manewru. Powoduje to stałą zmianę sytuacji
i konieczność ciągłej korekty planowanego manewru.
1.2. Dynamiczna forma prezentacji funkcji manewru próbnego
W porównaniu ze statyczną formą prezentacji informacji, dynamiczna odmiana tej funkcji powinna w sposób bardziej rzeczywisty odzwierciedlać planowany manewr. Dzieje się tak dzięki wprowadzeniu (co prawda w bardzo
uproszczonej formie) parametrów manewrowych statku własnego. W praktyce
najczęściej stosowanymi parametrami są:
 prędkość kątowa zwrotu (turn rate) – wykorzystywana przy planowaniu
manewru zmiany kursu i wyrażona w [°/min],
 szybkość zmiany prędkości statku własnego (speed rate) – wykorzystywana podczas planowania zmiany prędkości statku i wyrażona w [w/min].
Mogą one być dostępne dla operatora w trakcie normalnej eksploatacji,
umożliwiając mu dostosowanie szybkości wykonania planowanego manewru do
aktualnej sytuacji, w jakiej znajduje się statek własny (urządzenia firmy Norcontrol). Nieco mniej funkcjonalnym jest rozwiązanie pozwalające na zmianę
wartości ww. parametrów jedynie przy wyłączonym urządzeniu, np. przez ustawienie odpowiedniej kombinacji mikroprzełączników. Rozwiązanie takie stosuje firma Kelvin Hughes.
1.3. Obszary zagrożenia kolizyjnego – PAD
Obszary zagrożenia kolizyjnego PAD (Predicted Area of Danger) są alternatywnym do wektorów sposobem prezentacji sytuacji kolizyjnej, dostępnej
w urządzeniu ARPA firmy Sperry. Ich wielkość zależy m.in. od wartości limitu
CPA wprowadzonego przez operatora. Pozwalają one w łatwy sposób zaplanować akcję zapobiegawczą, polegającą na zmianie kursu. Wielkość planowanego
manewru można określić namierzając się na kraniec prezentowanych na ekranie
obszarów PAD. Podjęty manewr powinien zapewnić wyprowadzenie kreski
kursowej poza obszar PAD. Będzie to oznaczać uzyskanie wymaganej bezpiecznej odległości minięcia się ze śledzonym obiektem.
116
Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA
2. Scenariusze sytuacji kolizyjnych
Badania przeprowadzone zostały w symulatorze radarowo-nawigacyjnym
NMS-90 firmy Norcontrol. Wykorzystano dwa modele statków: masowca
i kontenerowca, co pozwoliło na zróżnicowanie prędkości wykonywania manewru.
W trakcie eksperymentu symulowane były sytuacje kolizyjne (CPA = 0),
w których zadaniem operatora było zaplanowanie manewru zapobiegawczego,
polegającego na zmianie kursu i zapewniającego minięcie się statków
w określonej bezpiecznej odległości (1 lub 2 Mm), a następnie jego dokładna
realizacja.
2.1. Charakterystyka wykorzystanych modeli statków
W trakcie symulacji wykorzystano matematyczne modele dwóch statków,
których podstawowe dane przedstawia tabela 1.
Tabela 1
Dane modeli statków [3]
Ship models data
Model statku
Masowiec
(BULKCARIER)
Kontenerowiec
(CONTAINER)
Długość
[m]
Szerokość
[m]
Zanurzenie
[m]
DWT
[T]
Obroty
(CN)
[obr./min]
Prędkość
(CN)
[w]
174,0
31,1
12,0
54600
124
14,5
194,5
30,5
11,2
37636
87
23,8
W celu umożliwienia precyzyjnego ustalenia prędkości kątowej manewrów
zmiany kursu, przy dynamicznej formie manewru próbnego, dokonano pomiarów prędkości kątowej zwrotu w trakcie wykonywania manewrów zmiany kursu
w zakresie 010°  090°, a następnie wyliczono wartość średnią prędkości kątowej uzyskiwanej w trakcie poszczególnych manewrów. Zmiany wartości prędkości kątowej zwrotu zostały przedstawione na rysunkach 1 i 2. Następnie określono wartość średniej prędkości kątowej dla wszystkich manewrów zmiany
kursu, która została wykorzystana w trakcie dynamicznego planowania akcji
zapobiegawczej i wynosi odpowiednio:
– dla masowca
– dla kontenerowca
20,4°/min;
31,8°/min.
117
Wiesław Juszkiewicz
Model statku: Bulkcarrier
BULKC
w art. średnia
w art. maksymalna
Szybkość
kątowa zwrotu
zwrotu
Prędkość kątowa
[stopnie/min]
50,0
45,0
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
średnia w artość dla w szystkich
m anew rów : 20,4 st/m in
10,0
5,0
0,0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Wielkość zmiany kursu [stopnie]
Rys. 1. Prędkość kątowa zwrotu modelu masowca
Fig. 1. Rate of turn value for a Bulkcarrier model
Model statku: Container
CONTAINER
w art. średnia
w art. maksymalna
Prędkość kątowa
kątowa zwrotu
zwrotu
Szybkość
[stopnie/min]
50,0
45,0
40,0
35,0
30,0
średnia w artość dla w szystkich
m anew rów : 31,8 st/m in
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Wielkość zmiany kursu [stopnie]
Rys. 2. Prędkość kątowa zwrotu modelu kontenerowca
Fig. 2. Rate of turn rate value for Container model
Biorąc pod uwagę statyczną formę realizacji funkcji manewru próbnego
z możliwością wprowadzenia opóźnienia wykonania manewru (delay time),
zarejestrowano również czasy trwania manewrów zmiany kursu (tab. 2).
Analizując zawarte w niej wyniki można stwierdzić, iż dla modelu masowca wprowadzenie 2-minutowego czasu opóźnienia właściwe jest dla manewrów
zmiany kursu do 40°, natomiast dla zwrotów w zakresie 40° do 70° konieczne
jest już wprowadzenie 3-minutowego opóźnienia. W przypadku modelu kontenerowca dla zwrotów do 70° wystarcza wprowadzenie opóźnienia czasowego
równego 2 minutom.
118
Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA
Tabela 2
Czas wykonania manewru zmiany kursu
Time of ship course alteration
Model statku
Wielkość zmiany kursu
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
Bulkcarrier
1m24s
1m38s
1m52s
2m07s
2m22s
2m35s
2m55s
3m10s
3m27s
Container
0m44s
0m57s
1m07s
1m20s
1m33s
1m45s
2m01s
2m15s
2m29s
2.2. Scenariusze testowe
W celu określenia błędu prognozy manewru zapobiegawczego (uzyskanej
z wykorzystaniem funkcji TRIAL) przeprowadzono symulacje, polegające na
dokładnym wykonaniu wcześniej wypracowanego manewru. Punktem wyjścia
był jeden z przedstawionych w tabeli 3 scenariuszy początkowych.
Tabela 3
Dane początkowe symulowanych scenariuszy testowych
Initial scenarios data
Scenariusz
Model statku
Dane statku własnego
1
Bulkcarrier
Kw = 000°; Vw = 14,5 w
2
Container
Kw = 000°; Vw = 23,8 w
3
Bulkcarrier
Kw = 000°; Vw = 14,5 w
4
Container
Kw = 000°; Vw = 23,8 w
Dane obiektu
Ko = 180°; Vo = 14,5 w
NR = 000°; D = 7,0 Mm
Ko = 180°; Vo = 14,5 w
NR = 000°; D = 8,45 Mm
Ko = 270°; Vo=14,5 w
NR = 045°; D = 6,5 Mm
Ko = 031,5°; Vo = 14,5 w
NR = 000°; D = 7,0 Mm
Początkowa pozycja obiektu uzależniona była od rodzaju spotkania (statki
na kursach przeciwnych lub na kursach przecinających się) oraz wykorzystywanego modelu statku (masowiec lub kontenerowiec). Manewr planowany był
zawsze w momencie, gdy echo znalazło się w odległości 5 Mm od statku własnego i z założenia polegał na zmianie kursu w prawo.
3. Zestawienie i analiza uzyskanych wyników
W trakcie przeprowadzonych prób dla każdego wariantu scenariusza określone zostały wartości planowanego manewru zapobiegawczego dla dwóch założonych odległości mijania oraz faktycznie uzyskane wartości CPA. Ich porównanie pozwoliło na weryfikację dokładności planowania opisanych wcześniej wariantów funkcji manewru próbnego, a mianowicie:
119
Wiesław Juszkiewicz
– statycznej formy planowania bez opóźnienia czasowego (FAR 2805,
Atlas 9800, Rascar Sperry) – SFP(0);
– statycznej formy planowania z możliwością wprowadzenia opóźnienia
czasowego manewru (FAR 2805, Atlas 9800) – SFP(2);
– dynamicznej formy planowania manewru (DB7) – DFP;
– obszary zagrożenia kolizyjnego (Rascar Sperry) – PAD.
Tabela 4
Rezultaty planowania i wykonania manewru zapobiegawczego dla CPAlimit = 1 Mm
Results of anticollision manoeuvre planning and execution for CPAlimit = 1 NM
Zaplanowany manewr zapobiegawczy
SFP(0)
SFP(2)
DFP
PAD
Scenariusz 1
024
030
025
031
Scenariusz 2
020
026
024
025
Scenariusz 3
024
028
023
028
Scenariusz 4
017
021
015
021
Uzyskana wartość CPA
SFP(0)
SFP(2)
DFP
PAD
Scenariusz 1
0,90
1,00
0,90
1,10
Scenariusz 2
0,90
1,05
1,10
1,10
Scenariusz 3
0,95
1,10
0,90
1,10
Scenariusz 4
1,00
1,20
0,85
1,20
Tabela 5
Rezultaty planowania i wykonania manewru zapobiegawczego dla CPAlimit = 2 Mm
Results of anticollision manoeuvre planning and execution for CPA limit = 2 NM
Zaplanowany manewr zapobiegawczy
SFP(0)
SFP(2)
DFP
PAD
Scenariusz 1
048
063
055
058
Scenariusz 2
038
050
041
046
Scenariusz 3
049
056
054
044
Scenariusz 4
035
043
036
035
Uzyskana wartość CPA
120
SFP(0)
SFP(2)
DFP
PAD
Scenariusz 1
1,65
1,85
1,80
1,90
Scenariusz 2
1,75
2,15
1,85
2,10
Scenariusz 3
1,85
2,05
2,05
1,70
Scenariusz 4
1,90
2,20
1,95
1,90
Weryfikacja dokładności planowania manewru próbnego w urządzeniach ARPA
Analizując uzyskane wyniki symulacji należy stwierdzić, że dla planowanego CPAlimit = 1 Mm, założona odległość minięcia się obiektów została osiągnięta
jedynie w 2 przypadkach, a mianowicie dla:
 statycznej metody planowania manewru zapobiegawczego z opóźnieniem czasowym równym 2 minutom,
 wykorzystania obszarów zagrożenia kolizyjnego.
Dwa pozostałe warianty planowania manewru zapobiegawczego pozwalały
na wypracowanie manewrów, zapewniających minięcie się w odległości od 1,5
do 0,5 kabla mniejszej niż planowana.
W przypadku planowania akcji zapobiegawczej dla CPAlimit = 2 Mm ponownie najlepsze rezultaty uzyskano dla statycznej metody planowania akcji
zapobiegawczej z wprowadzonym opóźnieniem czasowym równym 2 minutom.
Pozostałe warianty w większości przypadków powodowały zaplanowanie zbyt
małych manewrów, niezapewniających uzyskania w efekcie ich wykonania zakładanej, minimalnej odległości minięcia się ze śledzonym obiektem.
Zakończenie
Przeprowadzony w symulatorze radarowym eksperyment miał za zadanie
weryfikację dokładności prognozy manewru zapobiegawczego, uzyskanej
w trakcie wykorzystania funkcji TRIAL. Na dokładność takiej prognozy wpływ
ma wiele czynników. Można tu zaliczyć przede wszystkim: dokładność wyliczonych danych obiektów, dokładność informacji o ruchu statku własnego, jak
i sam sposób realizacji funkcji w danym typie urządzenia.
Analizując dopuszczalne warianty funkcji TRIAL spotykane w różnych typach urządzeń ARPA i ich możliwości, może się wydawać, iż najpewniejszą
prognozę powinna zapewnić dynamiczna forma prezentacji manewru próbnego.
W tym przypadku nawigator powinien zadbać jedynie o prawidłowe ustawienie
wartości parametrów turn rate i speed rate.
Przeprowadzony eksperyment nie potwierdził takiego intuicyjnego podejścia. Okazało się, że mimo dokładnego określenia średniej wartości parametru
turn rate (dla wykorzystywanych w próbach matematycznych modeli statków),
wypracowane manewry zmiany kursu były zbyt małe i nie zapewniły w efekcie
wykonania manewru osiągnięcia zakładanej najmniejszej odległości minięcia.
Wprowadzenie czasu opóźnienia wykonania manewru w statycznej formie planowania pozwoliło uzyskać lepsze rezultaty (należy jednak pamiętać, że wprowadzone opóźnienie czasowe należy w tym przypadku traktować jako czas na
wykonanie planowanego manewru, a nie moment jego rozpoczęcia).
Pod względem dokładności planowania przy mniejszych zakładanych odległościach minięcia na uwagę zasługuje wykorzystanie funkcji PAD. Jednak
planowanie większych zwrotów (przy CPAlimit = 2 Mm), gdy występuje większa
121
Wiesław Juszkiewicz
redukcja prędkości statku własnego (nieuwzględniana podczas planowania)
pogarsza dokładność planowania, nie zapewniając uzyskania planowanego CPA.
Weryfikacja dokładności planowania akcji zapobiegawczej i upowszechnienie tej wiedzy wśród użytkowników urządzeń antykolizyjnych jest bardzo
istotna z punktu widzenia bezpieczeństwa żeglugi. We wszystkich dokumentach
szkoleń dotyczących wykorzystania urządzeń ARPA można znaleźć uwagę o
tym, że szczególny nacisk powinien zostać położony na przekazanie informacji
o ograniczeniach tych urządzeń oraz problemie związanym ze zbyt dużym zaufaniem do wskazań ARPA. W tym kontekście istotne jest zwrócenie uwagi nie
tylko na dokładność danych o śledzonych obiektach prezentowanych w meldunkach radarowych, ale także na dokładność funkcji manewru próbnego, ponieważ
jej niewłaściwe wykorzystanie i zbytnie zaufanie do wypracowanych z jej pomocą manewrów zapobiegawczych może doprowadzić do powstania sytuacji
kolizyjnych. W kontekście przeprowadzonych badań należy stwierdzić, iż wykorzystując funkcję manewru próbnego powinno się zawsze planować manewr
nieco bardziej wydatny niż minimalny uzyskiwany z funkcji TRIAL, zwłaszcza
podczas pracy na urządzeniu, którego dokładność i pewność wskazań nie została
zweryfikowana w praktyce.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
Bole A.G., Dineley W.O., Radar and ARPA Manual, Butterworth Heineman, Oxford 1999.
Juszkiewicz W., ARPA radar z automatycznym śledzeniem echa, WSM,
Szczecin 1995.
Juszkiewicz W., Dokładność planowania i wykonania akcji zapobiegawczej
z wykorzystaniem funkcji manewru próbnego, I Konferencja NaukowoTechniczna (Bezpieczeństwo żeglugi), WSM, Szczecin 2002.
Norcontrol Simulation NMS-90, Instructor’s Reference Manual.
Rezolucja IMO A.823 (19) wraz z załącznikami.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.
Recenzent
dr hab. inż. kpt.ż.w. Adam Weintrit, prof. AM w Gdyni
Adres Autora
dr inż. Wiesław Juszkiewicz
Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego
Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin, e-mail: [email protected]
122