Статия с фигури

Евгени Миланов, Атанас Ковачев, Стефан БорисовВладимир Михайлов, Георги Атанасов, Вяра Велинова КОНЦЕПЦИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ НА МАНЕВРЕН СИМУЛАТОРЗА РЕЧНО И КРАЙБРЕЖНО КОРАБОПЛАВАНЕ

ВЪВЕДЕНИЕ

Развитието на ефективен, безопасен и екологичен транспорт по вътрешните водни пътища на Европа влиза в приоритетите на ЕС и се дефинира като тенденция за значително изменение в съотношението на сухопътни превози към тези по воден път в полза на последните. В близко бъдеще във връзка с това и главно с предвижданото развитие на пристанищната инфрастrуктура в Долния Дунав и нарастване дяла на интермодалния транспорт се очаква интензификация на трафика по този воден път. Изследването на маневрените качества на плавателните съдове във виртуалната среда на симулатор позволява вземането на оптимални проектантски решения и осигурява подготовката на екипажа за безопасно и икономично корабоводене. Дори ако не се прогнозира интензивно развитие на речния транспорт, то и при сегашното състояние на превозите и корабния парк по р. Дунав отсъствието на специализиран и ориентиран към обучение на екипажа за корабоводене в речни условия маневрен симулатор се чувства осезателно. При разработването на подобни системи, освен познанията в областта на информационните технологии са необходими знания практически във всички направления на корабната хидродинамика, а именно: съпротивление и пропулсивни качества, маневреност и мореходност, кавитация на силно натоварени корабни движители, динамика на корабните пропулсивни системи и пр. По тази причина от изключително значение е факта че подобен маневрен симулатор се реализира в специализирания в тази област Център по хидро- и аеродинамика(ЦХА), Варна към ИМСТ „А.Балевски”-БАН, който разполага с опит и експериментална база за генериране на необходимите данни за навигацията в речни и морски условия .

Симулаторът се разработва в рамките на спечелен конкурсен проект на Фламандското правителство на Белгия.

1. КОНЦЕПЦИЯ И СТРУКТУРА НА МАНЕВРЕНИЯ СИМУЛАТОР

За дефиниране на предназначението и функциите на симулатора, в проучвателната фаза на проекта през м. януари 2008г. беше организирана среща с представители на български корабопритежателни фирми, висши учебни заведения, държавни морски административни органи и на партньорите по проекта от Фламандския институт за хидравлични изследвания и от Университета в гр. Гент. В резултат от обсъжданията и въз основа на проучванията на колектив от ЦХА бяха формулирани основните цели на планираният за разработване маневрен симулатор, които главно се свеждат до създаването на максимално отворена платформа с цел използуване за развитие и проверка на методи, подходи и практически реализации в сферата на виртуалното изследване на динамиката на подвижни морски и други обекти.

1.1 ПРОЕКТИРАНЕ НА ТРЕНАЖОРНИЯ ЦЕНТЪР

Проучени бяха структурата и възможностите на различни центрове за обучение на речни екипажи с цел определяне на необходимите помещения, техния обем,

оптимално разположение и функционалност. В проекта на речния маневрен симулатор се предвидиха :

o Зала с размери 16 х 16 м и височина 5.8 м, за разполагане на макета на мостика с оборудването и на прожекционната система със зрително поле до 360 градуса

o Компютърна зала за разполагане на основните изчислителни устройства o Командна зала за инструктора с размери 6 х 5,5 мo Зала за инструктаж и обсъждане на проведените симулации с размери 9 х 6 мo Зала за настолни симулатори с размери 6 х 6 мo Сервизни помещения

На тази база беше разработено техническо задание за изготвяне на проект за реконструкция на съществуващи помещения в ЦХА - Варна, които да се използват за изграждане на тренажорния център. Концептуалния вид на тренажорния център е представен на фиг. 1, а подробно описание на системата се съдържа в [1].

Фиг.1. Тренажорен център в ЦХА

1.2 МАКЕТ И ОБОРУДВАНЕ НА КОМАНДНИЯ МОСТИК

При разработване на проекта на прототипа на командния мостик се взеха предвид следните съображения: а/ да има възможност за смяна на пултовете за управление и на тяхното разположение в зависимост от моделираните плавателни съдове и съоръжения; б/ да позволява присъствие на повече обучаеми по време на симулации; в/ да е съобразен с размерите на помещението; г/ да наподобява най-често срещаните конфигурации на ползваните плавателни съдове по река Дунав.За представителен за р. Дунав беше избран мостика на тласкач „Васил Петлешков“ (фиг.2). Макета на мостика, реализиран в ЦХА е с размери - 4 х 4 х 2,5 м. Съоръжението е монтирано в средата на зала на височина 0,7 м от пода.

a/ б/

Фиг.2 Мостик на „Васил Петлешков: а/ реален, б/ макет

Основното оборудване на мостика е разположено в два пулта - ляв и десен. На фиг.3 са показани макетите на двата пулта с моделите на оборудването, което в максимална степен се приближава по вид и функционалност до реалното оборудване.

а/ б/

Фиг.3 Ляв (а) и десен пулт (б) на макета на мостика

Моделирано е цялото оборудване на мостика на тласкача. На пултовете са монтирани макети на реалните органи за управление и индикация с максимално висока степен на подобие. Като пример на фиг. 4 и фиг. 5 са представени физически макет на машинните телеграфи и синтетично генериран прибор за отчитане ъгъл на руля.

Фиг. 4 Макет на машинни телеграфи Фиг. 5 Емулиран прибор за индикация

1.3 СИСТЕМА ЗА СБОР НА ДАННИ

Всички входно изходни сигнали от горните модули се обхващат от системата за сбор на данни, която включва следните модули на фирмата National Instruments (NI), САЩ: NI USB 6229 с 32 аналогови входа, 4 аналогови извхода и 48 цифрови входове/изхода– 1 бр.; NI USB 6501 с 24 цифрови входа/изхода - 6 бр. На фиг. 6 е показана обобщена блокова схема на оборудването на мостика. Всички входове и изходи на модулите, които се моделират физически се свързват към съответните входове и изходи на модулите за сбор на данни на NI - USB DAQ NI 6229 и USB DAQ NI 6501. Тези модули се вкючват към USB портовете на персонален компютър или през USB комутатор.

Фиг. 6 Блокова схема на сбора на данни на командния мостик

Във всеки пулт има по един персонален компютър свързан в обща мрежа с останалите компютри на симулатора. Към всеки от компютрите са включени по 4 „тъч скрийн” монитори. Единият от тях е директно включен на единия от изходите на видео картата, а останалите три са включени към втория изход на видео картата през модул на Matrox – „TripleHead2Go Digital Edition“, който разпределя избраната разрешаваща способност на втория монитор на три равни части за всеки един от тях.

1.4. СИСТЕМА ЗА ЗВУКОВИ КОМУНИКАЦИИ И ВИДЕО НАБЛЮДЕНИЕ

На фиг.7 е показана блок схемата на системата за звукови ефекти и комуникации между мостика и залата на инструктора. Системата симулира работата на УКВ приемниците, на интеркомната уредба на кораба и възпроизвежда звуковите ефекти генерирани от компютър на мостика. Тази система заедно с видео системата осигуряват двупосочна аудио връзка на инструктора с мостика. Същевременно аудио сигнал по два канала се записва от видео система за хода на провежданата симулация и провежданите разговори.

Фиг. 7. Звукова система – блок схема.

Видео наблюдението на работата на обучаемия екип от инструктора и записване на протичането на цялото упражнение се осъществява от видео система, която включва следните компоненти:

Две видео камери за наблюдаване на двата пулта и работата с тях Една видео камера с инфрачервен източник на светлина видео запис при пълно

затъмнение в кабината на разстояние до 15 м. 4-канален рекордер с 4 аудио входа, 2 USB порта, интегриран Web сървър, LAN,

IP/TCP. Рекордерът може да се свърже към мрежата и да възпроизвежда видео файлове от всеки компютър в мрежата. В кабината е монтиран един микрофон, който е свързан към системата. Към другите два входа се подава сигнал от звуковата система.

LCD Monitor – Мониторът е включен директно към рекордера и се извеждат картини от 3-те камери едновременно или от една от тях

2 УПРАВЛЕНИЕ НА ПРИБОРИТЕ НА МОСТИКА

Приложното програмно осигуряване на персоналните компютри, обслужващи работата на физически и витуално моделираните уреди на мостика е разработено на базата на програмната среда LabVIEW на фирмата NI. Пакетът LabView позволява персонализиране на контроли, което дава възможност виртуално моделираните уреди да са максимално подобни на реалните, а „тъч скрийн” мониторите да имитират работата на бутони, ключове и др. органи за управление. Друга причина да се използва тази възможност е създаването на интуитивен, лесен за използване интерфейс, за да се постигне максимална ефективност на потребителя.

Освен това е разработено приложение на LabView, което осигурява връзката между програмите, работещи на двата компютъра на мостика и програмата STAGE за генериране на сценария с вградения симулационен модел на моделирания кораб. Така инструкторът може по всяко време да поеме управлението на симулациите по сценария за тестване или за обучение, да симулира аварии и др. В програмата е предвидено и бъдещото развитие на симулатора - за управление на два собствени модела, за подаване и опъване на свързващи въжета, на котва и др. На фиг.8 е показан вида на основния информационен екран на програмата – т.н. „Conning” дисплей.

Фиг.8 Информационен дисплей

За комуникация между подсистемата, изграждащата командния мостик, информационния дисплей и основния симулационен модул на тренажора (реализиран с програмния продукт STAGE) се използва спецификация OPC - единен индустриален интерфейс за клиент/сървър комуникации за обмен на данни в хетерогенна среда. LabVIEW 8.0 и по-нова версия съдържа OPC сървър, наречен Shared Variable Engine (SVE). SVE поддържа стандартите за достъп до данни OPC Data Access 2.x и OPC Data Access 3.0. Може да се публикуват данни на SVE използвайки споделени променливи (network shared variables). За да се свърже програмата на симулационния модел с SVE за обмен на данни се използва OPC клиент - ProgID National Instruments.Variable Engine. OPC клиентът позволява да се откриват OPC сървъритепубликуваните от тях данни. От страна на симулационния модул, който представлява приложно-програмно осигуряване на език C++ се използва OPC интерфейс beharrell - OPC DA Client SDK. OPC DA Client SDK е по-пълен инструментариум за стандарт OPC Data Access 2.x, предоставяйки обвивка класове.

3 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НА ОКОЛНАТА СРЕДА И ГЕНЕРИРАНЕ НА СЦЕНАРИЯ

3.1 ГЕНЕРАТОР НА КАРТИНАТА ЗА ВИЗУАЛИЗАЦИЯ

В първия вариант на симулатора за генериране на картината за визуализация се използва 3 канален генератор на изображение (IG) Independence 2500 на фирмата Quantum 3D . Генераторът включва 4 компютъра свързани в отделна мрежа с Xeon процесори и специализирани видео карти NVIDIA® Quadro 4™ GPU с nVSync™, с възможност за синхронизация. Единият от тях е сървър с инсталирана операционна система Windows Server 2003 и управлява работата на останалите три компютъра (трите канала за визуализация) Ventana AGP 5121 graphics subsystem. На всеки от тях е инсталиран програмен пакет за генериране на изображение Mantis на фирмата Quantum

3D. Всеки канал поддържа висока резолюция QXGA до 2048 x 1536, 32-bpp color and QSync™ , но реално това качество не се използва поради ниската резолюция на прожекторите. Този генератор се оказа нерентабилн за поддръжка и развитие, тъй като включва специализиран хардуер и софтуер, който се доставя и поддържа само от фирма Quantum 3D.

За да се осигури възможност за бъдещо развитие на симулатора и увеличаване броя на каналите за визуализация и постигане на 360 град. панорамна картина, беше закупен, в рамките на проект BUL017/07, програмния пакет на фирма Presagis - Vega Primе. Този пакет има редица предимства: инсталира се на стандартни компютри като към видео картата се предявяват по – големи изисквания; включва модул Multichannel за управление до 48 видео канала; поддържа новия стандарт CDB при генериране на виртуалната среда (терена); съдържа модул за моделиране на морска повърхност с по- добри ефекти от тези на пакета Mantis; позволява разработване на потребителски програми, които да се интегрират в него, използвайки средата Visual Studio и др.

3.2. ПРОЖЕКЦИОННА СИСТЕМА

Прожекционната система включва:

Мултимедийни проектори Compact View (HMR-15) на фирма 3D Perception.

Проекторите имат вградени процесори за реализиране на необходимите геометрични трансформации на картината съобразно екрана и осигуряват сливане на границите със съседните изображения. Всички проектори се свързват в мрежа с компютъра от който се осъществява настройката на всеки един от тях, включване и изключване на лампата. Настройките и зареждането на параметрите за геометричните корекции на проекторите се осъществява от програмата Compact Designer на фирмата 3D Perception. Трите проектора са монтирани над мостика за осигуряване на 135 град. на зрителното поле.

Екран - на първия етап се изградиха три плоски екрани с размери 4.3 m x 3.6 m.,

като се използва памучно грундирано платно. Екраните осигуряват 135 градуса на зрителното поле. На следващия етап ще се реализира цилиндричен екран с 360 градуса на зрителното поле

Програмно осигуряване за настройка на системата и геометрично изкривяване

на картината съобразно вида на екрана и сливане на изображенията на съседните канали за получаване на панорамна картина.

3.3. ГЕНЕРИРАНЕ НА СЦЕНАРИЯ И УПРАВЛЕНИЕ НА СИМУЛАТОРА

Управлението на симулатора се осъществява от залата на инструктора, където е монтирано основното оборудване.и оформено работно място за задаване на сценария и ръководене на неговото проиграване На фиг.9 е показано работното място на инструктора, което е реализирано в ЦХА. Тук с помощта на умножители на VGA картината от изхода на видеокартата на всеки от каналите на генератора на изображение паралелно се извежда както към проекторите, така и на монитори за наблюдение от инструктора. Генерирането на сценария, който ще се проиграва на симулатора се осъществява с програмата STAGE Developer Program Suite. Този пакет включва следните модули:

Scenario Manager с 6 едитора: Database Editor; Scenario Editor; Runtime Environment ; Script Editor за писане и редактиране на скриптове за управление

на поведението на моделите по време на симулация;Mission Editor; Arinc424 Editor.

Simulation Engine Logger STAGE Terrain Server CDB (Common Data Base) Services STAGE CDB Configuration Manager STAGE VP Viewer Integrated Development Environment (IDE)

Предимствата на този пакет са както и при Vega Prime – възможност за развитие и писане на потребителски програми, 80% намаление за научни организации, предлагане на обучение и добра поддръжка, съдействие при внедряване и съвместимост в останалия софтуер на симулатора.

Фиг.9 Работно място на инструктора Фиг.10 Генериран Stage сценарий

Фирмата-доставчик разработи допълнителна програма за автоматично интегриране на наш математичен модел за управление на поведението на тествания обект, разработен на SIMULINK и за осъшествяване на обмен на данни на програмата STAGE със програмите на мостика, реализирани с програмния пакет LabView, използвайки OPC Server. Предстои да се допълни тази програма с възможността да се интегрира втори математичен модел, работещ едновременно с първия за реализиране на задачи за моделиране свързване на тласкач с баржа, разминаване на два плавателни съда и др. На фиг. 10 е показан един примерен сценарий разработен с тази програма за навигация в района на о. Батин на река Дунав. На главния компютър освен STAGE е инсталиран и програмния пакет Matlab и SIMULINK, за да се осъществи възможност за корекция и допълнения в математическия модел на симулирания обект преди да се интегрира в STAGE за текущите симулации.

4 ГЕНЕРИРАНЕ НА 3-D МОДЕЛИ НА ОКОЛНАТА СРЕДА И НА ПОДВИЖНИ И СТАТИЧНИ ОБЕКТИ

4.1. ГЕНЕРИРАНЕ НА ВИРТУАЛНАТА СРЕДА

Първоначално генерирането на терена се извършваше с програмата Terra Tools. С тази програма трудно се работи и тя не е в състояние да удовлетвори изискванията на програмите за генериране на сценария и на изображението, тъй като не поддържа новите стандарти за база данни на терена. Затова генерирането на терена беше продължено с програмния пакет Terra Vista на фирма Presagis. С този пакет беше създаден наново терена на участъка около Батин на река Дунав за който ЦХА разполага с пълни данни както за терена така и за батиметрията на реката, което за математичния модел на симулациите - особено на плитководие- е от съществено значение. С този

пакет могат да се правят модели на терени както във формат ”Open Flight”, така и в CDB формат за базата данни за използваните терени. Така създадените терени – фиг.11 могат да се използват и от двата генератора на изображения – Mantis и Vega Prime.

Фиг.11 Генериран терен на о. Батин

4.2. ГЕНЕРИРАНЕ НА 3D МОДЕЛИ НА ПОДВИЖНИ И СТАТИЧНИ ОБЕКТИ

Във формат ”Open Flight” са реализирани и виртуални модели на различни речни кораби – тласкач, баржи и др., които се зареждат и визуализират при симулациите като се използват 3D CAD програми. Моделите се създадат с помощта на различни CAD продукти за тризимерно моделиране като 3D Studio Max, Rhino или Google SketchUp. На фиг.12 са показани два от генерираните триизмерни модели на плавателни съдове. В процеса на изграждане се търси максимална оптимизация на модела и близост до оригиналната визия, затова където е допустимо се прилагат тапети върху полигоните и се групират второстепенните елементи. Програмите позволяват да се задават движения на отделни части на модела. Мостикът на тласкача е подвижен и може да променя положението си по височина както е при реалния кораб от 5 – 13 м. Реализираният триизмерен модел се вгражда в системата на симулатора, от където вече му се задават - гледна точка (View point), скорост, посока и момент на издигане/спускане на мостика, подаване на въжета и др.

а/ б/

Фиг.12 3-D модели на кораби: а/ тласкач; б/ баржа

5 СИМУЛАЦИОНЕН МОДЕЛ НА КОРАБИ И ТЛАСКАЕМИ СЪСТАВИ

Навигацията на речните състави (тласкач-баржи) и плавателни съдове се различава значително от тази в моретата и океаните поради специфичните условия на плаване в реките, свързани със силното влияние на плитките води, ефектите на взаимодействие кораб-кораб, ограничения фарватер, силно влияние на Кориолисовата сила при движение по речен фарватер с малък радиус на кривина; ясно изразено въздействие на течения; сили и взаимодействие между тласкача и баржа при швартовка и др. За да се съобразят с изискванията за маневриране при тези условия, речни плавателни съдове като правило са оборудвани с широка гама от устройства за

маневриране. Това изисква и по-сложно математическо описание на законите за маневриране на кораба. Класическият подход при разработването на математическия модел на маневрите на транспортните кораби се базира на динамиката на твърдо тяло във вискозна среда при наличие на сили на управление и на външни сили. В най-общ матричен вид моделът се описва с уравнението:

(1)

където:

- матрица на масата, инерционните моменти, присъединените маси и инерционни моменти

- матрица на Кориолисовата и центростремителна сили

- матрица на коефициентите на демпфиране

- вектор на хидростатичните сили

- вектор на силите от рулите, от гребните винтове и други органи за управление

- вектор на външните сили (вятър, плитководие, течение и др.)

Векторите на скоростта и на пространственото положение са:

(2)

(3)

Спецификата на плаването по река и в канали се отразява във във вектора на външните сили , където са включени всички изброени по-горе ефекти, а във вектора

- силите от всички средствата за управление Моделът е програмиран в среда на Matlab за работа в реално време и се използува благоприятния факт за плавното изменение на включените функционални зависимости като за решаване на декомпозираните обикновени диференциални уравнения на всяка стъпка се прилага метод на Ойлер от първи ред. Сходимостта на алгоритъма е проверена и установена неговата рабоспособност. Неизвестните хидродинамични коефициенти са получени посредством провеждане на изпитания на физически модел на тласкач за р.Дунав и 2 бр. баржи тип „Европа 2” по в опитните басейни на ЦХА-Варна (фиг. 13).

Фиг. 13 Моделни изпитания на речен тласкаем състав

Данните от изпитанията по метода на принудените хармонични колебания и буксировка на моделите са използувани като входни стойности към числения модел, а данните от експериментите в радиоуправляем автономен режим – за валидация на резултатите от числените симулации. Функционирането на симулационния модул в

реално време при управление с главните рули и ходовете по фарватер на р.Дунав в района на о-в Вардим е проверена с настолния вариант на симулатора – фиг. 14.

Фиг. 14 Управление в реално време

Тъй като основното програмно осигуряване на тренажора е разработено на С++ и за осъществяване на комуникацията на разглеждания симулационен модул с останалите приложения от системата, в частност с управляващия компютърната симулация модул STAGE се наложи разработването на съответно приложение в среда на SIMULINK - фиг. 15.

Фиг. 15 Симулационният модел в SIMULINK

Това позволи с използуване на инструмента Real Time Workshop да бъде генериран С++ код на програмата, който се компилира в STAGE и чрез входните портове в реално време осигурява комуникацията на симулационния модул с външната среда. Приложението беше използувано успешно при първите тестове на симулатора.

6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Описаният маневрен симулатор успешно премина тестовете на отделните подсистеми. Предвид значителната сложност на симулационната система предстоят няколкомесечни проверки за работоспособност при различните навигационни сценарии, конфигурации на тласкаемите състави, варианти на външните въздействия и начини на управление и пр. Окончателното въвеждане на тренажора в експлоатация се планира за есента на 2012г., по време на организиран по проекта международен научен семинар.

ЛИТЕРАТУРА

1. „Development of Inland Vessels and Short-Sea Shipping Simulation Facility for Danube River an Black Sea Navigation”, финален отчетен доклад по проект BUL/017/07 , Център по хидро- и аеродинамика към ИМСТ „А.Балевски”-БАН, декември 2011

БЛАГОДАРНОСТИ

Колективът изказва благодарност към Фламандското правителство на Белгия за финансовата подкрепа на проекта; на специалистите от Фламандския институт за хидравлични изследвания и от Университета в гр. Гент за съдействието във концептуалната фаза; на ръководството на ИМСТЦХА „А.Балевски”-БАН за осигурените условия без които реализацията на проекта би била немислима.

Evgeni Milanov, Atanas Kovachev, Stefan BorisovVladimir Mihaylov, Georgi Atanasov, Vyara Velinova

DESIGN AND REALIZATION OF INLAND AND SHORT-SEA SHIPPING MANEUVERING SIMULATOR

(Summary)

The simulation tools for research and training activities in the field of ship navigation and maneuvering are being developed progressively, both for maritime and inland waterways applications. In the southeast part of the Danube River and the Black Sea coast no such simulation facility is available. On the other hand, the EU members Bulgaria and Romania, candidate member and other countries in the region should comply with requirements for the use of inland waterways and the training of crews according to European standards. The paper is dedicated to the problem of design and development at Bulgarian Ship Hydrodynamics Centre - Varna of full mission manoeuvring simulator for waterways research and virtual training for shipping traffic, taking advantage of the experience of BSHC in the area of ship hydrodynamics and information technologies.

Адрес на авторите:проф. д-р инж. Евгени Миланов

гл. ас. инж. Атанас Ковачев ст. експерт инж. Стефан Борисов-докторант ст. експерт инж. Владимир Михайлов-докторант

гл. експерт инж. Георги Атанасовст. специалист Вяра Велинова9003 Варна, ул. „Уйлям Фруд” №1, кв. Аспарухово, п.к. 58Център по хидро- и аеродинамика към

ИМСТ”А.Балевски”-БАН