Automatic planning of the ship's route in the risk field using gradient procedures and a given collision risk

Abstract

Одним із пунктів основного документу, що визначає національну транспортну стратегію України як морської держави, на період до 2030 року, схваленого розпорядженням Кабінету Міністрів України від 30 травня 2018 р. № 430-р, є впровадження інтелектуальних транспортних систем та систем керування рухом на наземному та водному транспорті [1]. Головною метою статті є аналіз та розробка методів щодо підвищення безпеки судноплавства, забезпечення економічних показників морського транспорту шляхом використання автоматизованих систем підготовки судна до рейсу з автоматичними модулями планування маршруту судна, керування рухом судна при русі по маршруту з використанням градієнтних процедур, що дозволяло б оптимізувати спільну задачу прокладання маршруту, підвищило ефективність автоматизованих систем та суттєво зменшило вплив людського чиннику на процеси керування. На підставі аналізу міжнародних видань, щодо аналізу аварійності на морському транспорті, зазначено, що людський чинник є визначальною перешкодою для забезпечення безпеки судноводіння і оптимізації процесів керування рухом суден. У підсумку, запропоновано використання автоматизованих систем управління, які базуються на використанні сучасних алгоритмів оптимального планування та виконання операцій, для підвищення безпеки судноводіння, покращення економічних показників виконання рейсового завдання та зменшення впливу людського чиннику. У роботі розглядаються питання автоматичної прокладки маршруту руху судна у полі ризиків. Наведено алгоритм автоматичної прокладки маршруту руху судна та дано опис основних функціональних блоків. Показано, що використання поля ризиків дозволяє підтримувати зручні екранні форми для візуалізації поля операцій маневрування при русі по маршруту. Розглянуті питання використання градієнтних методів у задачі прокладки маршруту руху судна. Зазначено, що: гладкість полів ризиків дозволяє використовувати прості градієнтні процедури для вирішення оптимізаційних задач. Приведені умови використання градієнтних процедур у задачах прокладки маршруту і виконанні маневру розходження при русі судна по маршруту із морськими об'єктами та перешкодами. Розроблено метод планування маршруту руху судна, який полягає у побудові у бортовому обчислювачі поля ризиків із використанням градієнтних процедур та заданого ризику зіткнення, на відміну від існуючих забезпечує автоматичне планування маршруту та оперативне відображення даних, що дозволяє автоматизувати рутині операції та скоротити час прокладання маршруту руху судна, скоротити дистанцію руху судна по маршруту та зменшити витрати палива. Проведено математичне моделювання процесів прокладки маршруту руху судна із використанням розроблених процедур та градієнтних методів. One of the points of the main document defining the national transport strategy of Ukraine as a maritime state for the period until 2030, approved by the order of the Cabinet of Ministers of Ukraine dated May 30, 2018 No. 430-r, is the implementation of intelligent transport systems and traffic control systems on land and water transport [1].The main goal of the article is the analysis and development of methods for improving shipping safety, ensuring the economic indicators of maritime transport through the use of automated systems for preparing a ship for a voyage with automatic modules for planning the ship’s route, controlling the movement of the ship while navigate along the route using gradient procedures, which would allow optimizing the joint task of routing, increased the efficiency of automated systems and significantly reduced the influence of the human factor on control processes. Based on the analysis of international publications, regarding the analysis of marine transport accidents, it is stated that the human factor is a determining obstacle for ensuring the safety of navigation and optimizing the processes of managing the movement of ships. In conclusion, the use of automated control systems based on the use of modern algorithms for optimal planning and execution of operations is proposed to increase the safety of navigation, improve the economic performance of voyage tasks and reduce the influence of the human factor. The work deals with the issue of automatic routing of the ship's route in the field of risks. The algorithm of automatic routing of the ship's route is given and a description of the main functional blocks is given. It is shown that the use of the field of risks allows maintaining convenient screen forms for visualization of the field of maneuvering operations when moving along the route. The issue of the use of gradient methods in the task of laying the ship's route is considered. It is noted that: the smoothness of risk fields allows the use of simple gradient procedures for solving optimization problems. The conditions for using gradient procedures in the tasks of laying a route and performing a divergence maneuver when a ship is moving along a route with sea objects and obstacles are given. A method of planning the route of the ship’s movement has been developed, which consists in constructing a risk field in the on-board computer using gradient procedures and a given risk of collision, unlike the existing ones, it provides automatic route planning and prompt display of data, which allows you to automate routine operations and reduce the time of laying the route of the ship’s movement, to reduce the distance of the ship along the route and reduce fuel consumption. Mathematical modeling of the processes of laying the ship's route was carried out using the developed procedures and gradient methods.