Рассмотрены вопросы развития и совершенствования цифровых технологий при их применении в аппаратно-программных средствах автоматизации в условиях интенсификации использования судов на качественно новом уровне, а также повышения надежности и эффективности их эксплуатации. Подчеркивается, что это возможно путем широкого внедрения для управления высокотехнологичным оборудованием и судном в целом интеллектуальных систем, а также применения технологий многоуровневой адаптации программного обеспечения в интегрированные комплексы. Показано, что цифровизация математических и физических моделей судов, получение адекватных реальным процессам решений, возможность учета широкого спектра воздействий внешней среды и условий плавания на режимы движения, вызывающих изменение курса, позволяют синтезировать судовые управляющие комплексы в классе цифровых предиктивных систем с переходом к управлению безэкипажными объектами. В статье рассмотрен один из способов решения проблемы судовой стабилизации курса, связанный с применением динамической модели судна, элементами которой являются дискретные ПИД-регуляторы, позволяющие путем вариации интервалов дискретности и их числа осуществлять выбор требуемых параметров авторулевых комплексов, обеспечивающих устойчивость судна на курсе. Предложены модель и алгоритм преобразования традиционного ПИД-регулятора в дискретный регулятор в динамических судовых системах на основе билинейного w-преобразования с использованием функциональных средств моделирования в среде MATLAB. Обобщенная модель дискретной системы стабилизации судна на курсе построена в пакете SIMULINK. Приведен алгоритм синтеза дискретного регулятора. На примере рассмотрены преимущества цифровой системы по сравнению с непрерывной. Показано, что помощью инструментальных средств пакетов SIMULINK и CONTROL TOOLBOX можно на качественно новом уровне совершенствовать процесс моделирования дискретно-динамических систем.

Отмечается, что большинство вычислений, которые приходится выполнять при решении судоводительских задач, являются приближенными, из-за допущений, которые при этом принимаются, а также значений величин, используемых в расчетах. Подчеркивается, что алгоритмы практических расчетов для учета влияния возмущений на процесс маневрирования имеются далеко не для всех видов возмущений. Результат действия ветра на судно определить точно затруднительно. При слабом встречном ветре судно мало теряет скорость и слегка увеличивает ее при таком ветре с кормы. При сильном ветре ход судна уменьшается как при встречном, так и при попутном ветре. Причиной этого является действие волнения, которое развивается при ветре, увеличивая сопротивление движению судна. В работе рассматривается вопрос изучения влияния ветра на мореходные качества судна и предложено решение задачи создания модели учета поведения судна при наблюдении его дрейфа без хода. При решении данной задачи использованы методы теории корабля (для анализа динамики и кинематики судна), математического моделирования, теории статического анализа и натурный эксперимент. В ходе натурного эксперимента было рассмотрено поведение судна при выполнении швартовки к нему в процессе улова из кошелькового невода, а также проведены наблюдения дрейфа без хода на среднем рыболовном морозильном траулере в период промысла кошельковым неводом в акватории Черного моря. Выполненные исследования позволили получить данные для определения скорости и угла дрейфа при планировании швартовки для приема улова в случае установившегося дрейфа и определить величину отношения безразмерных коэффициентов поперечной аэро- и гидродинамической сил при установившемся дрейфе.

В обзорной статье рассмотрены требования к приоритетному развитию транспорта как к одной из движущих сил развития общества. Сформулированы требования, предъявляемые к современным транспортным системам, а также к источнику конкурентного преимущества в плане цены и сервиса. В работе рассмотрены причины возникновения контейнеризации. Особое внимание уделено стандартизации контейнеров как многооборотной тары, приведены этапы стандартизации, определена роль России в развитии контейнеризации и разработки новых типов контейнеров. Приведена современная классификация типов существующих контейнеров. Указаны этапы развития контейнерного флота за весь период его существования, выявлены закономерности развитии флота. Отмечается, что развитие контейнерного флота происходило в несколько этапов и было направлено, с одной стороны, на рост вместимости судов для реализации принципа «экономии от масштаба», т. е. удешевления стоимости перевозки одного контейнера, а с другой стороны, на увеличение скорости движения судов и скорости обработки судов в порту путем использования ячеистой системы размещения контейнеров для уменьшения срока доставки товаров. Выявлены и сформулированы принципы комплексного развития контейнеризации как современной глобальной транспортной системы, показана ее роль в комплексной доставке грузов. Отмечается, что первоначальное развитие контейнеризации на морском транспорте оказало влияние на развитие других видов транспорта, что привело к новым формам их взаимодействия и образованию непрерывной транспортной цепи, включающей «сухопутные мосты» и магистрально фидерные системы доставки контейнеров. В работе приведено обоснование того, что контейнеризация является очередным шагом в развитии транспортных систем, приблизившим общество к модели идеальной доставки грузов, под которой понимается реализация совокупности следующих факторов: время и стоимость доставки должны быть минимальными и в идеале стремиться к нулю, доставка грузов должна осуществляться любыми партиями, ее приоритетами должны быть постоянное наличие и доступность.

Разработан новый практический способ оценки и восстановления (наращивания) начальной остойчивости судна в условиях неполной информации о принятом грузе, в основе которого процедура последовательного заполнения жидким балластом двух низкорасположенных и симметричных относительно диаметральной плоскости судна цистерн. При этом подбор размера цистерн (количества принимаемого балласта) проводится исходя из условий гарантированного не опрокидывания судна, с одной стороны, и наращивания его начальной остойчивости - с другой. Предлагается перед началом балластировки, а также после заполнения каждой из выбранных цистерн измерять осадку и угол крена судна, а также количественно оценивать верхнюю и нижнюю границы (диапазон) возможных значений метацентрической высоты и соответствующих им значений углов крена судна. При этом вначале (до балластировки) нижняя граница метацентрической высоты определяется из условия, что крен судна вызван наличием у судна отрицательной начальной остойчивости. Используя сформулированные в статье простые логические правила, предлагается проводить сравнение между собой фактических и расчетных значений углов крена судна при его балластировке, после чего принимать решение о величине его фактической начальной остойчивости. Приведены также необходимые расчетные формулы, позволяющие практически реализовать предложенный способ как при выборе размера балластных цистерн, так и при расчете диапазонов возможных значений углов крена судна и его начальной метацентрической высоты. Для судна типового проекта приведен численный пример реализации способа, который в том числе показал, что точность оценки начальной остойчивости судна по результатам балластировки существенным образом зависит от объема выбранных цистерн: чем больше этот объем, тем точнее и чувствительнее предложенный способ.

В статье рассмотрен вопрос введения портом критерия качества для обеспечения конкурентоспособности на рынке погрузочно-разгрузочных услуг. Отмечается, что критерии качества могут быть обеспечены при условии соответствия характеристик портового перегрузочного оборудования расчетным данным по производительности и надежности. Подчеркивается, что формирование парка портового перегрузочного оборудования (оптимизация), необходимое после выявления «слабых» мест в процессе эксплуатации, является ключевой задачей управления портом. От портового перегрузочного оборудования зависят различные технологические схемы работы порта, грузооборот, себестоимость технологических процессов, пропускная способность порта и емкость склада. В целях определения экономического эффекта от внедрения новых технологических решений или технического перевооружения, выраженного в полнойили частичной замене парка портового перегрузочного оборудования, учитываются не только расходы на закупку нового оборудования, издержки, связанные с изменением технологии погрузочно-разгрузочных работ, но и эксплуатационные расходы на поддержание портового перегрузочного оборудования в работоспособном состоянии. Выбор портового перегрузочного оборудования является задачей, от решения которой зависят экономические показатели порта. Для выбора портового перегрузочного оборудования рассматривается модель функционирования технологической линии, построенная на основе аппарата сетей Петри. Данная модель формализует процесс функционирования технологической линии и моделирует логические связи между событиями. В модели функционирования технологической линии порта рассматриваются решения конфликтных ситуаций, анализ которых показывает, что они связаны с техническим состоянием парка портового перегрузочного оборудования, его производительностью и техническим состояниям. Сделан вывод о том, что совокупность решений конфликтных ситуаций оказывает влияние на экономическую эффективность работы порта. Полученные данные моделирования учитываются при выборе портового перегрузочного оборудования. На основе полученных данных о производительности парка портового перегрузочного оборудования планируется годовой грузооборот порта и определяются основные характеристики качества обслуживания (скорость обслуживания транспортного средства, среднее время ожидания транспортным средством обслуживания).

В статье рассмотрены методы распознания данных судна, опирающиеся на интеллектуальную аналитику, основанную на алгоритмах машинного обучения. Отмечается, что глубокая нейронная сеть является прогрессом в области машинного обучения и мощным средством для реализации автономии судна. Методологии глубокого обучения или глубоких нейронных сетей применяются в различных областях морской индустрии, например, таких как обнаружение аномальных ситуаций, классификация судов по признакам и параметрам, предотвращение столкновений судов, обнаружение рисков кибератак, навигация в портах. В данной статье рассмотрены различные методы распознавания данных в судоходстве. Машинное обучение и искусственный интеллект являются двумя наиболее перспективными путями повышения эффективности функционирования на транспорте. Машинное обучение на транспорте может применяться для подачи голосовых команд, автономного функционирования, технического зрения и аналогичных задач, позволяющих выполнять автономную или дистанционно-управляемую работу судна. Способность принимать правильные решения, обрабатывать большие объемы данных являются одними из ключевых проблем для успешной реализации автономного управления судном. Несмотря на существующее разнообразие методов машинного обучения, большинство традиционных методов машинного обучения не способны решить эти проблемы. В данной работе традиционные методы классифицированы на классические и реактивные. Каждый из этих методов обладает как преимуществами, так и недостатками. Считается, что глубокая нейронная сеть определит будущее морской отрасли благодаря ее способности использовать данные об эксплуатации и характеристиках судов. В данной статье показана возможность использования глубоких нейронных сетей при плавании судов при появлении навигационных опасностей.

Рассмотрена контейнерная транспортно-технологическая система, получившая развитие в середине XX в. как разновидность морской перевозки и трансформировавшаяся в настоящее временя в безальтернативную парадигму глобального товаропродвижения. Отмечается, что данная система в настоящее время распространяется как на морские перевозки, так и на их сухопутную составляющую, обеспечивая потребности международной торговли, а также удовлетворяя потребности региональной и национальной экономики. Подчеркивается, что основным инструментом проектирования и анализа деятельности контейнерных транспортных систем является имитационное моделирования. В работе приводится доказательство того, что используемые имитационные модели контейнерных терминалов затрагивают только технологические операции, не рассматривая при этом влияние параллельного выполнения нескольких операций одним составом технологических ресурсов, а также процессов передачи информации на эффективность операций. Обращается внимание на то, что скорость передачи информации является ключевым фактором, определяющим эффективность выполнения отдельных операций. Как следствие, задержки в передаче информации могут существенно повысить потребность в технологических и человеческих ресурсах. В работе доказывается, что для учета влияния передачи информации на эффективность операций, необходимо использовать метод моделирования работы контейнерных терминалов, основанный на описании бизнес-процессов. Рассмотрены существующие технологические операции, исследуемые в традиционных моделях контейнерных терминалов с точки зрения бизнес-процессов, указаны преимущества, которые дает предлагаемый подход. Сделан вывод о том, что метод моделирования работы контейнерных терминалов, основанный на изучении бизнес-процессов, позволяет не только оценить потребность в технологических и человеческих ресурсах, но и выполнить анализ отдельных бизнес-процессов.

Статья посвящена проблемам проектирования и вопросам оценки несущей способности узлов планетарных редукторов на основе изучения основных схемно-конструктивных решений европейских производителей, использующих высокотвердое внешнее зацепление и эвольвентное внутреннее зацепление, реализующее выпукло-вогнутый контакт, а также экспериментальные данные, нашедшие отражение в нормативных документах базовых стандартов РФ. В связи с многообразием факторов, лимитирующих массогабаритные показатели редуктора, в работе ставится вопрос о возможности решения данной задачи для подобного вида конструкции при подчинении ее с определенной долей вероятности одному прочностному фактору, что позволит значительно упростить проектирование основных несущих узлов и проведение сравнительной оценки редукторов, выполненных при использовании различных конструктивных решений. Учитывая практику эксплуатации, основными узлами, которые определяют исходные размеры редуктора исследуемого типа, являются зубчатые зацепления и подшипники качения сателлитов. Предложенная методика дает дифференцированную оценку различных факторов, в которой сравнивается контактная выносливость, исключающая преждевременный выход конструкции из строя по причине усталостного выкрашивания зубьев внешнего и внутреннего зацеплений с изгибной выносливостью, исключающей преждевременный выход из строя конструкции, ввиду усталостной поломки зубьев зубчатых центральных колес и сателлитов, и обеспечивающей долговечность подшипников сателлитов по методу эквивалентных циклов. Для проведения сравнительной оценки с учетом режима нагружения, в сочетании с заданным ресурсом на базе типовых законов распределения нагрузок, нашедших применение в отечественном краностроении, предложен метод узловых точек. На основании проведенных исследований показано, что во всем рациональном интервале изменения конструктивного параметра как при постоянной, так и при переменной нагрузке назначенного режима и ресурса, равнопрочность зацеплений передач редуктора определяется контактной выносливостью внешнего зацепления. Принималось, что кривая выносливости имеет два наклонных участка с параметрами, определяемыми нормативными документами. Приведены графики и формула, позволяющая назначать марку стали и вид термической или химико-термической обработки колеса с внутренними зубьями с оценкой влияния ресурса и режима работы кранового механизма. Решение условия равнопрочности зубьев по изгибу представлено формулой и таблицей, определяющими максимальное число зубьев шестерни с учетом коэффициента смещения, ресурса и режима работы. Показано, что с точки зрения ресурсных показателей подшипниковый узел сателлита является наиболее уязвимым элементом лишь в узком интервале (от двух до трех) численных значений конструктивного параметра ступени редуктора. Выполненный сравнительный анализ напряженного состояния основных узлов и полученные численные результаты показали практическую приемлемость использования в качестве формообразующего фактора планетарного редуктора исследуемого типа усталостной контактной выносливости высокотвердого внешнего зацепления. Предложен показатель для сравнительной оценки редукторов, выполненных в соответствии с различными схемно-конструктивными решениями, который зависит только от значений внутреннего передаточного отношения ступеней редуктора и крутящего момента и позволяет уменьшить число вариантов, допускаемых к детальной проработке на стадии нового проектирования.

Рассмотрен механизм влияния системы охлаждения судна на биологические ресурсы морей, поскольку наибольшее количество зоо- и фитопланктона, икринок и рыбной молоди находится в верхних слоях морей, обычно в шельфовой зоне. Определено, что наносимый экологический урон напрямую зависит от количества принимаемой забортной воды. Показано, что происходит уничтожение планктона, попавшего в систему охлаждения с приемом охлаждающей морской воды судами и другими морскими техническими объектами, осуществляется с глубин до 10 м, что соответствует зоне максимального сосредоточения рыбной молоди и икринок. Разомкнутая система охлаждения засасывает эти организмы, которые, проходя через фильтры, трубопроводы, арматуру и т. д., в большинстве своем погибают под воздействием механического и теплового факторов. При этом существующие фильтры и рыбозащитные устройства не препятствуют этому уничтожению, в результате снижается биологическая продуктивность морей. Предложены пути решения проблемы: необходимость совершенствования рыбозащитных устройств либо применение принципиально иных схем систем охлаждения. Рассмотрены вопросы внедрения замкнутых систем охлаждения энергетических установок морских технических средств, работающих без приема забортной охлаждающей воды, что обеспечивает высокую надежность и экологическую безопасность эксплуатации. Приводятся примеры внедрения таких систем в практику, на базе результатов проведенных исследований. Для замкнутых систем охлаждения определены неблагоприятные условия эксплуатации, сдерживающие широкое применение таких систем в практике современного судостроения. В связи с этим в работе предложено применение газожидкостной интенсификации теплоотвода забортной воде для замкнутых систем охлаждения судовых энергетических установок.

В работе изложен алгоритм, позволяющий осуществлять управление электромагнитным моментом асинхронного двигателя с максимальным коэффициентом мощности. Задача максимизации коэффициента мощности при заданном значении электромагнитного момента решена при помощи метода неопределенных множителей Лагранжа. В основе построения алгоритма управления заложено модифицированное векторное управление, в котором имеется контур управления током намагничивания и контур управления током нагрузки. Определен алгоритм формирования задающих воздействий для контуров управления токами намагничивания и нагрузки, учитывающий насыщение магнитопровода асинхронного двигателя, а также ограничение на относительное значение модуля тока статора. Найдены зависимости задающих воздействий для контуров управления токами намагничивания и нагрузки, а также коэффициента мощности от электромагнитного момента. Выполнено компьютерное моделирование предложенного алгоритма управления, в результате чего получены графики переходных процессов и зависимости коэффициента мощности от электромагнитного момента, верифицирующие теоретические выкладки. Максимизация коэффициента мощности позволяет повысить энергоэффективность управления асинхронным двигателем и электроприводом в целом. Представленный алгоритм управления способствует снижению потерь не только асихронного двигателя, но и силовой электрической части, включая электронно-ключевой преобразователь. Предложенный алгоритм управления может быть применен к системам управления, которые содержат контуры управления токами намагничивания и нагрузки. Работа асинхронного двигателя с максимальным коэффициентом мощности соответствует мировым тенденциям, направленным на снижение потребления ресурсов и энергоэффективности. Предложенный энергоэффективный алгоритм векторного управления электромагнитным моментом может быть применен в системах движения различных судов и на объектах водного транспорта.

Рассмотрены вопросы формирования целевой функции при решении задач параметрической оптимизации применительно к автоматизированным электроприводам объектов водного транспорта. Сложность решения задачи обусловлена ее многокритериальностью и отсутствием обоснованных методов ее решения для судовых и береговых электроприводов. Показано, что на этапе параметрического синтеза оптимизируемыми являются управляемые параметры основных элементов электропривода. При этом, в случае настройки электропривода, такими параметрами являются коэффициенты усиления и постоянные времени его системы управления. Анализ показывает, что достаточно часто в качестве целевой функции выбирается один наиболее важный показатель качества, который характеризует быстродействие электропривода. Показано, что в ряде публикаций в рассмотрение вводятся и другие показатели, которые характеризуют точность, энергетические затраты и параметрическую надежность. Отмечается, что важнейшим показателем, в полной мере характеризующим вероятность безотказной работы электропривода, является запас работоспособности. Рассматриваются три стратегии формирования целевой функции. Первая из них предполагает поиск оптимума по критерию максимизации минимального запаса работоспособности. Такой подход рекомендуется для электроприводов ответственного назначения. Отличительной чертой предложенного алгоритма решения задачи является использование априорной информации о скоростях изменения управляемых параметров. Вторая стратегия предполагает такой вариант построения целевой функции, при котором обеспечивается заданный запас работоспособности, а поиск оптимума осуществляется по обобщенному критерию, учитывающему показатели быстродействия и энергетической эффективности и построенному на основе принципа равенства. Третья стратегия предполагает формирование целевой функции в виде аддитивной формы как обобщенного показателя экономической эффективности электропривода, построенного на основе всех рассматриваемых показателей качества. При этом устанавливаются функциональные зависимости между этим показателем и каждым показателем качества. Это позволяет записать искомую зависимость в виде аддитивной функции. В работе рассматриваются алгоритмы решения задачи применительно к первой стратегии, которые иллюстрируются конкретными примерами.

В статье рассмотрен опыт глубокой модернизации единой электроэнергетической системы с системой электродвижения дизель-электрического ледокола «Капитан Косолапов». При проведении модернизации разработан технический проект, выполнены необходимые электротехнические расчеты, в том числе с применением компьютерных моделей. Разработка технического проекта позволила определить перечень заменяемого оборудования и его технические характеристики, обосновать объем модернизации. В процессе проведения модернизации произведена замена главных дизель-генераторов, управляемых выпрямителей якорной цепи и реверсивных управляемых выпрямителей цепи возбуждения гребного электродвигателя, разработана микропроцессорная система управления гребной электроустановкой, внедрена интегрированная система управления техническим средствами судна, проведены швартовные, ходовые и ледовые испытания единой электроэнергетической системы и системы электродвижения. При испытаниях единой электроэнергетической системы выполнена проверка качества электроэнергии в судовой сети, устойчивости автономной и параллельной работы дизель-генераторов, распределения активной и реактивной нагрузки. При проведении испытаний системы электродвижения осциллографировались переходные процессы разгона, торможения и реверса гребного электродвигателя, а также измерялось время переходных процессов гребной электрической установки. Успешно проведенная модернизация и испытания позволили продолжить эксплуатацию дизель-электрического ледокола «Капитан Косолапов».

В статье рассмотрена проблема качества судовой электрической энергии. Описаны основные причины низкого качества электрической энергии по сравнению с качеством питания береговых электроэнергетических систем. Наряду с основной проблемой качества рассматривается вопрос возможной интеграции альтернативных источников электрической энергии в будущем. Для поддержания необходимых параметров качества электроэнергии, вырабатываемой альтернативными источниками энергии, например, емкостными (ионисторы, суперконденсаторы), предлагается применить схемы интегральных стабилизаторов. Предложена и рассмотрена принципиальная схема бустерного стабилизатора на основе кремневых ключей. Изложен принцип стабилизации выходного напряжения при помощи полупроводниковых ключей (биполярный транзистор, полевой транзистор и биполярный транзистор с изолированным затвором). Предложена принципиальная электрическая схема работы бустерного стабилизатора напряжения от емкостного источника электрической энергии на примере ионистора. Исходя из основных законов электротехники, разработана математическая модель источника электрической энергии и стабилизатора напряжения, на основе которых определены переменные, от которых зависит уровень стабилизации напряжения. На основе математической модели стабилизатора и емкостного источника разработана и исследована имитационная модель в компьютерной среде моделирования MATLAB. Выявлен положительный эффект в применении принципиальной электрической схемы интегрального стабилизатора напряжения от емкостного источника. Для верификации проведенных модельных исследований на основе предложенной принципиальной электрической схемы проведены макетные испытания. Сопоставлены результаты компьютерного моделирования с результатами выходных параметров макетных испытаний, доказана целесообразность применения предложенных схемных решений. На основании проведенных исследований на компьютерной и реальной модели сделан ряд основных выводов.