В статье описаны экспериментальные исследования, выполненные в ледовом бассейне Крыловского научного центра, направленные на изучение возможности осуществления буксировки ледоколом вплотную крупнотоннажных судов, водоизмещение которых в несколько раз превышает водоизмещение ледокола. Ввиду того, что количество грузов, перевозимых по трассе Северного морского пути, с каждыми годом растет, а также появляются новые терминалы, предназначенные для вывоза добываемого в Арктике сырья, в выполненной работе показано, что для эффективной работы терминалов важно проектировать и осуществлять строительство новых транспортных судов, основной тенденцией которых является рост их гру зовместимости. Приведены доказательства того, что организация самостоятельной круглогодичной эксплуатации таких судов в Арктическом регионе крайне затруднительна, поэтому в рамках данного исследования показано, насколько важно еще на стадии их проектирования рассматривать возможность проводки существующими ледоколами. В частности, изучен вопрос о выполнимости операции буксировки вплотную при проводке в арктических водах крупнотоннажных судов с низким классом ледовых усилений корпуса. В качестве объекта исследований в работе были использованы модели современного атомного ледокола и некоторого условного балкера. Исследование особенностей движения сцепки «ледокол - судно» в сплошном ровном льду проводилось при прямолинейном движении и на циркуляции, а также в случае экстренной остановки ледокола. В ходе экспериментов помимо ледовых сил, действующих на корпус модели, дополнительно измерялись усилия в кранцевом устройстве ледокола, а также натяжения в буксирном тросе. Сравнение величины измеренных усилий в тросе с его разрывным усилием было принято в качестве критерия, позволяющего оценить возможность выполнения операции буксировки вплотную. Полученные результаты служат основанием для выбора концепции корпуса проектируемого крупнотоннажного судна, его ледового класса и главных размерений, а также могут применяться при стратегическом планировании работы Арктической морской транспортной системы.

Проанализировано влияние технологий автоматизированной обработки результатов гидрографиической съемки на потенциал человеческого фактора при трансформации полиграфических картографических продуктов в цифровые. При конфигурировании цифровой батиметрической модели использована концепция навигационной поверхности как перспективный принцип автоматизированного картографирования. Подход к проблеме генерации батиметрических контуров из результатов измерений в парадигме навигационной поверхности реализован на примере непрерывной сплайн-интерполяции геопространственных данных для обоснованного картографического обобщения при создании электронных картографических продуктов. С теоретических позиций сплайнового подхода исключена субъективность метода искусственного смещения обобщенных изобат в глубоководные районы при создании безопасной цифровой модели рельефа дна, трактуемой в математическом смысле как навигационная изоповерхность. Принцип электронного картографирования на основе применения напряженного сплайна разработан как эффективный подход для процесса обобщения изобат с целью получения широкого спектра морфометрических характеристик подводной топографии. Выполнена оценка обобщенной линии активного контура глубины в виде алгоритмического воспроизведения на электронных картах безопасной выпуклости изобаты в сторону глубоководной области вследствие практической реализации В-сплайновой «модели змеи» по аналогии с серпантинной конфигурацией батиметрической изолинии в виде кусочно-полиномиальной функции. При использовании сплайнового подхода реализован инновационный принцип электронного картографирования подводного ландшафта на основе оперирования набором гридированных данных. Последние интерпретированы как результаты промеров глубин с формализацией двумерной сетки зафиксированных значений батиметрических измерений для их представления в виде навигационной изоповерхности в трехмерном евклидовом пространстве. Фактическое синтезирование топографии морского дна реализовано на основе апробированной гибридной сплайновой модели для конкретного показательного тестового примера на основе обработки экспериментальных гридированных данных. Гипотетически организована возможность интеллектуальной помощи судоводителю в стратегии мгновенного ориентирования в условиях минимального запаса глубины под килем при использовании компьютерной трехмерной визуализации топографии подводного рельефа в неаффилированной с зарубежным программным обеспечением графической среде.

В основе предлагаемого исследования находятся положения Международной конвенции по охране человеческой жизни на море (СОЛАС-74), предписывающие оснащение судов оборудованием ЭКНИС. Отмечается, что использование ЭКНИС призвано обеспечить безопасность мореплавания, обладает по сравнению с навигацией «на бумажных картах» рядом преимуществ. Подчеркивается, что профессиональное использование электронных карт предполагает наличие у вахтенных помощников достаточной компетенции, позволяющей избегать неверного восприятия информации с дисплея или некорректной настройки ключевых параметров, которые могут привести к аварии. В статье рассмотрен вопрос определения допустимой величины бокового смещения судна (XTL) как одного из ключевых параметров маршрута в ЭКНИС. В процессе проведения настоящего исследования были изучены процедуры СУБ нескольких компаний. Отмечается, что требования к величине XTL индивидуальны и могут различаться. Вопрос определения шириным «коридора» смещения был рассмотрен в недавнем исследовании [9], авторы которого также указывают на отсутствие единых рекомендаций по определению величины XTL и предлагают собственный метод ее вычисления. В настоящей статье выполнен анализ предложенного метода и установлено, что с его помощью можно определить минимальную величину XTL, но для подбора оптимального значения для конкретных условий необходимо учитывать габариты судна и размеры определенного водного пути, а также требования компании к запасу глубины под килем. Представлена структура модели, в которой эта информация объединена и дополняет предложенный ранее метод. Предложенная в исследовании модель является гибкой: путем изменения входных данных может быть дана оценка проходимости любого судна через любой водный путь. Включение информации о характере распределения глубин при помощи кусочно-линейной функции позволяет оценить запас воды под килем при любых значениях смещения судна и определить величину опасного смещения в конкретных условиях. Главным недостатком модели является необходимость построения функции, которая будет достоверно отражать распределение глубин на участке водного пути, что ограничивает ее применение для естественных водоемов со сложным рельефом. Следует отметить, что при определенных исходных данных могут возникать «пограничные случаи», когда безопасность перехода вызывает сомнения. Для разрешения таких неопределенностей модель в дальнейшем может быть модернизирована путем включения экспертных оценок при помощи аппарата нечеткой логики.

Исследуется динамика развития образующейся на судоходных маршрутах Северного морского пути в море Лаптевых Ленской полыньи и ее влияние на условия судоходства в Арктике. В период зимне-весенней навигации в море Лаптевых образуется Великая Сибирская полынья, которая расположена вблизи границы припая и создает хорошие возможности для зимней навигации на Северном морском пути. Данная задача является важной для обеспечения круглогодичной навигации в Восточном секторе Северного морского пути. В исследовании проверяется гипотеза о том, что сроки возникновения полыньи могут оказывать значительное влияние на среднюю скорость ее роста. При проверке использованы результаты глобального реанализа GLORYS12v1 и стандартные методы математической статистики. На примере участка полыньи, расположенного на приустьевом взморье крупнейшей судоходной протоки дельты реки Лена - Быковской, справедливость гипотезы подтверждена. Выявлены устойчивые тенденции изменения сроков образования полыньи в сторону более ранних дат в современном периоде. Отмечена высокая вероятность улучшения условий судоходства в данном регионе в 2020-2040 гг. Вместе с тем при дальнейшем потеплении климата Сибири возможен обратный процесс - замерзание слишком рано образовавшейся полыньи, что будет приводить к похолоданию климата в регионе и ухудшению условий судоходства. Сравнивая полученные результаты с другими исследованиями, которые посвящены построению генеральных маршрутов судов в различных ледовых условиях, можно выявить тенденции прохождения фактических маршрутов при самостоятельном плавании вдоль образующихся полыней, независимо от физического принципа их образования и тогда выбор генеральных маршрутов для судов в районах распространения полыньи будет способствовать более интенсивному и безопасному судоходству. Для этого требуются точные прогнозы ее размеров и положения. Отмечается актуальность результатов исследований для прогнозирования круглогодичного судоходства как для самостоятельного плавания судов с высоким ледовым классом, так и для разработки планов использования ледокольного сопровождения судов.

Темой настоящего исследования является проверка эффективности работы и взаимодействия систем «морская паромная / круизная компания - морской пассажирский порт - наземная транспортная инфраструктура», которая напрямую зависит от динамического влияния внешней среды, определяющей переход от детерминированных моделей принятия решений к вероятностным. Отмечается, что данные изменения, происходящие на основе современных трендов отрасли в виде ввода в эксплуатацию больших круизных и паромных судов, создают необходимость формирования системы принятия решений по обоснованной модернизации инфраструктуры для руководителей портов и терминалов. В этой связи предлагается системно модернизировать причальную инфраструктуру и изменять внутренние процессы по обработке пассажиров в терминале. В статье рассмотрены вопросы прогнозирования развития морских портов в связи с имеющим место постепенным восстановлением пассажиропотока, вызванного длительный периодом ограничений ввиду COVID-19, так как в первую очередь возобновляются маршрутные сети регионов морей, обеспечивающих локальную мобильность пассажиров. На основе исследованных моделей эволюции портов и терминалов (модель Anyport, модель «трех поколений», модель Workport) выявлено, что в настоящее время необходимо оценить возможные прогнозные сценарии развития порта. Выявлена и доказана необходимость наличия инструментов, позволяющих оперативно анализировать ситуацию в сфере морских паромных перевозок и моделировать сценарии загруженности порта. В статье рассмотрен подход к оценке вариантов загруженности причалов при одновременном заходе нескольких больших круизных судов на основе моделей систем массового обслуживания для последующей оценки инфраструктуры. Объектом исследования выбран регион Балтийского моря и существующие маршруты круизных и паромных линий. Предложено новое теоретическое деление региона и морских пассажирских портов на четыре участка. Выполнен системный анализ всех имеющихся маршрутов круизных и паромных линий на каждом участке, представлены данные по размерам круизных и паромных судов, пассажировместимости, средней стоимости билета, расстояниям между терминалами на маршруте. На основе сформированного подхода построена новая цифровая динамическая карта маршрутов, позволяющая как исследовать текущее состояние маршрутной сети, так и оценивать возможные изменения. На основе полученных данных обосновано, что наибольшее развитие инфраструктуры морских пассажирских портов и терминалов наблюдается в сегменте между странами Россия - Эстония - Финляндия - Швеция. Представленные морские терминалы успешно позволили реализовать возможность одновременного приема двух больших круизных судов и модернизировать инфраструктуру за время ограничений ввиду COVID-19, что соответствует формированию новых точек роста в регионе Балтийского моря с учетом восстановления маршрутных сетей. Сформированные данные по маршрутным сетям, точно определяющие текущее состояние в сфере морских паромных / круизных перевозок, необходимо использовать в новых цифровых имитационных транспортных моделях при моделировании различных вариантов работы морского пассажирского порта как на этапе краткосрочного планирования, так и при решении группы вопросов прогнозирования развития, что особенно актуально в ситуации конкуренции между терминалами за пассажиропоток.

В статье исследован процесс обучения нейронной сети вычислению дистанции кратчайшего сближения между двумя судами, а также проверки ее производительности и точности. Описаны архитектура нейронной сети, вид входных и выходных данных, а также создание обучающей выборки. В работе были использованы нейронные сети прямого распространения с алгоритмом обратного распространения ошибки, метод обучения с учителем, алгоритм Левенберга - Марквардта. На вход сети подавались данные о позициях, скоростях и курсах судов в данной акватории, выходными данными являлись их дистанции кратчайшего сближения. Рассмотрен процесс написания в программной среде MATLAB скрипта, позволяющего генерировать обучающие выборки с неограниченным количеством образцов и судов в акватории. Выполнено сравнение времени, затраченного на вычисление дистанции кратчайшего сближения между двумя судами по формулам и с помощью нейронных сетей, в ходе которого доказано что при обработке больших массивов данных вычисление дистанций кратчайшего сближения между судами при помощи нейронных сетей происходит значительно быстрее, чем при помощи формул. После обучения, проведенного в данном исследовании, и сравнения результатов расчетов была выделена нейронная сеть, позволяющая вычислять дистанции кратчайшего сближения между двумя судами со среднеквадратической погрешностью, равной 0,21. Данная нейронная сеть может быть использована в симуляциях, построенных на базе компьютерной среды MATLAB, которая в дальнейшем может служить основой для нейросети, позволяющей судам в определенной акватории безопасно маневрировать с целью предотвращения столкновений.

Темой исследования является организация перевозок внутренним водным транспортом, в частности, учет габаритных характеристик и навигационных особенностей водных путей, выбор судна для работы на маршруте, обеспечение безопасности плавания и экономической эффективности рейса. Отмечается, что одним из основных преимуществ барже-буксирных составов является возможность их формирования под заданные размеры водного пути. Однако в практике эксплуатации преимущественно используетсялинеарный подход, предполагающий транспортировку груза на всем протяжении маршрута при постоянном составе и количестве несамоходных барж и буксиров. Целью данной работы является преодоление линеарного подхода, используемого в настоящее время при формировании судового состава, и разработка математических основ для описания системы управления барже-буксирными составами, частной задачей - оптимизация структуры барже-буксирных составов под локальные ограничения участков водного пути. Для решения поставленной задачи в работе предполагается изучение возможности переформирования состава судов непосредственно на маршруте в зависимости от условий прохождения того или иного участка внутренних водных путей, что в будущем позволит повысить эффективность перевозок и обеспечить перевозку большего объема груза за один рейс. Для математического описания внутренних водных путей в работе использовались их естественные характеристики, были выделены участки, совпадающие по ограничительным признакам, т. е. каждый участок внутренних водных путей в зависимости от своего типа имел определенный набор ограничений, связанных с габаритными характеристиками, которые необходимо учитывать при организации судоходства. Выполненное графоаналитическими методами моделирование движения судового состава по участкам водных путей различных типов, в том числе по криволинейному участку, показывает ограничения, возникающие при вхождении в поворот и прохождении искусственных сужений судового хода, а также отражает способность прохождения всего маршрута за счет смены конфигурации при сохранении общей грузоподъемности состава. В результате получены математические соотношения и система неравенств, определяющие выбор участка внутренних водных путей для эксплуатации составов в определенной (заданной) конфигурации и планирования их переформирования под заданные характеристики водного пути.

Темой предлагаемого исследования является определение равновесной посадки, которая представляет собой необходимый предварительный этап применения других алгоритмов систем поддержки принятия решений, таких как идентификация затопленного отсека, прогнозирование вероятности опрокидывания аварийного судна и др. Выполненное вычисление равновесной посадки на реальном судне производится по показаниям датчиков углов крена для бортовой и килевой качки и датчиков давления водяного столба для вертикальной качки. В линейном случае математическое ожидание отдельно взятой величины совпадает с положением равновесия по соответствующей оси координат. Однако качка судна на морском волнении является, как правило, нелинейным процессом, а значит, требуется поправка относительно математического среднего. В статье проиллюстрировано использование метода Нечаева для определения равновесного положения судна, плавающего в море при сильном волнении. Предложен алгоритм, основанный на имитационном моделировании в программном комплексе «Виртуальный полигон». Обосновано,что усложнение модели волн, используемой для получения коэффициентов в алгоритме Ю. И. Нечаева, мало изменяет полученное значение равновесного параметра, однако при этом значительно увеличивается время, затраченное на генерацию одной симуляции. Если при использовании линейных волн или волн Стокса генерация в течение двух минут симуляции происходит быстрее чем за две минуты реального времени, то при использовании волн Герстнера время симуляции приближается к трем минутам реального времени, что уже превышает время симуляции. При этом при использовании модели волн Стокса можно добиться более приближенных результатов к модели Герстнера, чем при использовании модели линейных волн, не затрачивая дополнительного времени, что позволяет сделать вывод об оптимальном варианте использования алгоритма.

Темой исследования является изучение проблемы динамики гребного и промежуточного валов на морских и речных судах. Отмечается, что основной причиной аварийных ситуаций, связанный с работой валопровода гребного винта, является сильная нагрузка на этот узел судовой энергетической установки. Кроме кручения валопровод испытывает продольную и поперечную нагрузку с динамической и статической составляющими. Исследованию динамики гребного винта и валопровода посвящено большое количество научных работ, однако полностью эта проблема не решена, а увеличение повреждений во время эксплуатации валопровода и его интенсивный износ лишь подтверждают актуальность исследований в данном направлении. Целью работы является определение динамических усилий в валопроводе, которые возникают при импульсном воздействии за счет удара гребного винта о лед. В работе представлена модель двухступенчатого упругого стержня с инертными дисками на торцах, которая позволяет рассматривать различные ситуации динамического воздействия на валопровод и гребной винт. В модели могут быть учтены такие конструктивные особенности, как различная жесткость участков вала, разная скорость упругих волндеформаций (разные плотности и модули упругости на участках вала), приведенная инерционная нагрузка со стороны подвижных частей привода. Исследовано влияние конструктивных параметров механической системы на частоту главной формы колебаний. Сравнение результатов расчетов по предложенной модели с моделью безынерционного ступенчатого вала показало, что упрощенная модель позволяет с достаточной точностью определять углы поворота сечений вала, при этом крутящие моменты имеют существенное различие. Установлено, что для различных сечений ступенчатого вала динамический коэффициент по крутящим моментам может значительно отличатся.

В настоящее время в России интенсивно строится новый ледокольный флот, включающий универсальные атомные ледоколы нового поколения пр. 22220. В эксплуатации уже находятся атомные ледоколы данного проекта: «Арктика», «Сибирь». Практически готов вступить в строй «Урал». В состоянии строительства находятся «Якутия», «Чукотка» и ледокол-лидер пр. 10510. На атомных ледоколах нового поколения указанных проектов впервые используется интегральная компоновка основного оборудования реакторной установки. Отмечается, что применение нового принципа компоновки оборудования требует перехода к принципиально новому способу формирования теплообменной поверхности парогенераторов. В результате были применены прямотрубные модульные конструкции, скомпонованные в кассеты парогенераторов. Темой исследования являются теплогидравлические характеристики кассет парогенераторов реакторных установок «РИТМ-200». При этом рассмотрены конструктивные решения, приводящие к изменениям данных характеристик. Особое внимание уделяется организации подвода питательной воды и отвода пара из парогенераторов, поскольку это оказало существенное влияние на теплогидравлические процессы в кассетах. Выполнены необходимые теплогидравлические расчеты для сопоставления новых решений с уже имеющимися. При этом отмечается снижение температуры пара на выходе из парогенераторов. Кроме того, теплообменная поверхность модулей в продольном сечении образует кольцевые каналы с двухсторонним обогревом теплоносителем, что также содержит дополнительные факторы, влияющие на формирование характеристик парогенераторов. Приведены сопоставления коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи по фазовым участкам теплообмена, а также среднелогарифмические тепловые напоры. Отмечается различный характер распределения теплообменных поверхностей участков по сравнению с ранее применяемыми змеевиковыми парогенераторами. Особое внимание уделяется вопросу снижения гидравлических сопротивлений потоков по рабочему телу и теплоносителю, что уменьшает затраты энергии на прокачку сред и создает благоприятные условия для улучшение естественной циркуляции теплоносителя. В данной статье проанализированы особенности теплогидравлических характеристик кассет парогенераторов и выполнено их сопоставление с аналогичными характеристиками находящихся в эксплуатации змеевиковых парогенераторов.

Темой исследования является развитие метода превентивной защиты для безопасной работы судовой электроэнергетической системы в нештатных ситуациях, связанных с неисправностями ее элементов, возникающими в процессе эксплуатации. Показано, что существующие устройства формируют команду на запуск аварийного дизель-генератора в момент исчезновения напряжения на шинах главного распределительного щита, что обусловливает перерыв в электроснабжении ответственных потребителей электрической энергии на время, равное времени запуска аварийного источника. При этом судно теряет управляемость, а в большинстве случаев и ход. В этой связи в статье особое внимание уделено разработке способа превентивного запуска аварийного дизель-генератора, при котором команда на запуск формируется до момента обесточивания судна, но при реальной угрозе наступления этого события. Сформулированы условия, при которых должен осуществляться превентивный запуск аварийного дизель-генератора. В рамках предложенного подхода осуществляется прогнозирование энергетического состояния всей судовой электроэнергетической системы в случае уменьшения ее генерирующей способности и при необходимости формируется команда на запуск аварийного источника электрической энергии. При этом наиболее опасная ситуация наступает в то время, когда при отказе генераторного агрегата основной электростанции превентивная разгрузка сети оказывается неэффективной. Показано, что существуют аварийные режимы работы судна, такие как подтопление или пожар в помещении дизель-генераторов, при которых вероятность одновременного выхода из строя сразу всех основных источников электроэнергии особенно велика. Представлена функциональная схема простого устройства, реализующего предложенный подход на практике, и дано краткое описание его работы. Применение предложенного способа превентивного запуска аварийного источника электроэнергии позволит в случае выхода из строя хотя бы одного из работающих параллельно генераторных агрегатов основной электростанции, подтопления или пожара на судне заблаговременно осуществить структурную адаптацию системы к возникшей неисправности и перейти в частично работоспособное состояние, минуя аварийную ситуацию. При этом перерыв в питании ответственных потребителей, обеспечивающих безопасность функционирования судна, либо существенно сократится, либо вообще не произойдет.

Цель работы состоит в применении технологий автоматизации и цифровизации процесса оценки неизмеряемых переменных состояния системы автоматики речного земснаряда при управлении высокотехнологичным программно-аппаратным оборудованием с электроприводом в целях повышения производительности судов технического флота при выполнении дноуглубительных работ на водных путях. Отмечается, что речные землесосы являются сложными динамическими объектами управления, производительность которых в условиях цифровой трансформации может быть значительно повышена путем применения новых программно-аппаратных средств, алгоритмизация которых базируется на нейросетевых технологиях и цифровых технологиях компьютерного моделирования. Подчеркивается, что для повышения эффективности и надежности функционирования таких средств управления энергетическими системами земснарядов требуется повышение информативности комплекса датчиков информации о состоянии объекта. В этой связи в работе предлагается применение наряду с существующими аппаратными датчиками математических датчиков информации, к которым можно отнести наблюдателей переменных состояния объекта. На примере управления прецизионным электроприводом рассматривается алгоритм синтеза динамической системы с наблюдателем, в котором по координате выхода восстанавливаются все составляющие вектора переменных состояния. Предложенный алгоритм синтеза оценивателя вектора переменных состояния, реализованный в виде программы, составленной в кодах MATLAB, демонстрируется на примере расчета трехмерного динамического наблюдателя для системы автоматики речного землесоса. Полученные значения переменных состояния и ошибок их восстановления, а также результаты моделирования динамических реакций системы автоматики речного землесоса соответствуют заданному быстродействию и требуемой устойчивости электропривода речного землесоса при переходе его в новое установившееся состояние.