Концепция полной автоматизации маломерного транспортного средства

Принципиально схема развития видится в создании рассредоточенной структуры из трех крупных подсистем: автоматики, навигации и освещения окружающей обстановки, связи, обменивающимися между собой собранными данными.

За основу были взяты судовые системы автоматизации класса AUT 1, чей уровень технологического оснащения позволяет эксплуатировать судно без постоянного присутствия персонала.

Сложность современных транспортных средств и их систем управления заставляет принимать во внимание:

• разнообразие решений для ГД, движителей и прочих систем;
• наличие погрешностей управляемости при изменении условий в окружающей среде и шанс потери управления при сбое;
• изменение динамических свойств транспортного средства с дополнительной загрузкой и при смене погодных условий по пути следования (лед, и т.п.);
• зависимость автоматики от хода, режима работы движителей, траектории движения прочих факторов;
• инерционность.

При разработке подсистем пришлось учитывать весьма разнообразные физические свойства сред, с которыми будет взаимодействовать транспортное средство: вода, лед, ил, песок, заболоченные территории, отмели, а также штормовая погода, обильные осадки. Также требуют учета ограниченная видимость, стесненные условия, наличие других участников движения и моделирование взаимодействия с ними и т.д. Эти факторы необходимо не только анализировать по факту, но и, по возможности, прогнозировать.

В то же время транспортное средство должно автоматически, эффективным и безопасным для пассажиров образом передвигаться в точку эвакуации/спасения.

Решением данной крупной и многосторонней задачи стал формат трех взаимосвязанных подсистем. В центре каждой - контрольный блок, осуществляющий общее управление. Кроме этого, системные элементы по дублированным линиям связи обмениваются между собой информацией для дополнительной координации действий.

Все блоки имеют возможность вывода информации, автономное питание от центральной электросети с переключением на автономные аккумуляторы, и, по необходимости, могут быть продублированы для повышения отказоустойчивости.

В задачах всех системных блоков предустановлено:

• предоставлять оператору релевантные данные для принятия решения, либо принимать решения самостоятельно на основе прописанных алгоритмов;
• предоставлять максимум информации для обоснованности принимаемых решений;
• облегчать работу оператора за счет сокращения операций и автоматизации вспомогательных процессов;
• ускорять сбор и обработку данных;
• улучшать скорость управления;
• производить в автоматическом режиме минимально необходимые действия;
• координировать поступающую информацию и направлять её необходимым абонентам.

Блок-схема взаимодействия элементов:

Блок автоматики

Выполнен в формате планшетного компьютера по модульной системе. По мере развития технологий узлы могут заменяться либо на более совершенные, либо на более подходящие конкретному носителю.

Перечень узлов:

• Вычислитель – аппаратный узел, выполняющий непосредственно вычисления, основной модуль;
• Логика – программный узел, обрабатывающий информацию для выдачи результатов пользователю и принятия решений на базе выводов;
• Модуль взаимодействия – сумматор и размножитель информации, узел коммутации между другими модулями и блоками, оборудован необходимыми интерфейсами, в базовой комплектации CAN, NMEA0183, NMEA2000, Ethernet, USB;
• Запись – узел записи информации, собранной самостоятельно и поступающей извне, для последующего анализа работы системы и поиска ошибок;
• Индикация – монитор, предоставляет оператору необходимую информацию в режиме секторов для быстрого принятия решений или постраничной выдаче – для максимального контроля ситуации;
• Управление – аппаратный узел управления механизмами транспортного средства и подключенными системами;
• Контроль – программный комплекс, проверяет правильность работы всех систем, также прогнозирует ситуацию с учётом изменяющихся параметров;
• Тревога – узел подачи светового и звукового сигналов в случае отказа самой системы, либо отдельных модулей, либо приближении их к критической отметке работоспособности, а также в других случаях, прописанных поставленной задачей.

Местный пост

Дублирующий пост блока автоматики, состоит из аналогичных вышеперечисленным узлов и располагается рядом с основными системами. Выполняет задачи индикации систем, способен перехватить на себя все задачи основного поста, если последний выйдет из строя.

Блок автоматики взаимодействует и управляет следующим перечнем устройств:

• двигатели;
• дизель-генераторы;
• насосы;
• электроосвещение;
• электрообогрев;
• кондиционеры и климат-контроль;
• распределительный щит;
• аккумуляторные батареи;
• автоматическая предупредительная сигнализация;
• поисковый прожектор;
• датчики уровня жидкости;
• сигнально-отличительные огни;
• система пожаротушения.

Блок навигации и освещения окружающей обстановки

Также выполнен в формате планшетного компьютера по модульной схеме.

Перечень узлов:

• Вычислитель;
• Логика;
• Модуль взаимодействия;
• Запись;
• Индикация;
• Управление;
• Контроль;
• Тревога.

Блок навигации и освещения обстановки осуществляет управление и взаимодействие со следующими устройствами:

• автопилот;
• внешнее и внутреннее видеонаблюдение;
• техническое зрение;
• система ночного видения (оптическая, тепловизорная, инфракрасная);
• биометрический комплекс;
• поисковая РЛС;
• РЛС навигационная;
• звукозапись;
• БИНС;
• приемник ГНСС;
• эхолокатор;
• компас;
• приемник Navtex;
• метеостанция;
• картография;

Блок связи

Выполнен в формате blackbox, информация для пользователя отображается на лицевой панели. По мере развития технологий узлы могут заменяться либо на более совершенные, либо на более подходящие конкретному носителю.

Перечень узлов:

• Вычислитель;
• Логика;
• Модуль взаимодействия;
• Запись;
• Индикация;
• Контроль;
• Тревога.

Блок связи осуществляет управление и взаимодействие с следующими элементами:

• УКВ радиосвязь на частотах морской подвижной службой, авиаслужбой и МЧС;
• АИС;
• КВ связь;
• спутниковая связь (голос, данные);
• GSM связь;
• система громкоговорящей связи и подачи сигналов.

Функциональное назначение параметров подсистем

Главный двигатель

Подсистема регулирует работу двигателя и примыкающих систем. Сбор данных осуществляется через цифровые и аналоговые датчики.

Для эффективного управления собираются следующие данные:

• частота вращения коленчатого вала;
• положение педали акселератора;
• t охлаждающей жидкости;
• t топлива;
• t воздуха на впуске;
• расход воздуха;
• давления топлива;
• давление наддува;
• уровень кислорода.

На системах впрыска с распределительным ТНВД дополнительно проверяются:

• момент начала впрыска (датчик хода иглы распылителя);
• давление воздуха на впуске;
• t масла;
• скорость движения.

Контрольный блок собирает данные с датчиков, обрабатывает их в соответствии с заданной логикой и отправляет управляющие команды на исполнительные устройства, координируя с автоматической коробкой передач и тормозной АБС.

В рамках управления двигателем регулируется:

• количество впрыскиваемого топлива;
• опережение подачи топлива;
• давление впрыска (только в Common Rail);
• частота вращения коленчатого вала на холостом ходу;
• максимальная частота вращения;
• колебания в трансмиссии (при переключении передач в АКПП);
• давление наддува;
• циркуляция отработавших газов;
• охлаждение газов;
• обеспечение регенерации сажевого фильтра;
• запуск двигателя при низких температурах.

Для исполнения этих задач используются следующие устройства:

Система предпускового подогрева:

• свеча накаливания.

Впускная система:

• электродвигатель привода впускной заслонки;
• э\д привода заслонок впускных клапанов;

Топливная система:

• подкачивающий и дополнительный топливные насосы;

Турбонаддув:

• перепускной клапан контроля давления наддува;
• система и клапан рециркуляции отработавших газов;
• переключающий клапан охладителя;

Система впрыска:

• регулятор давления топлива;
• клапан дозирования топлива в ТНВД;
• форсунки впрыска;

Выпускная система:

• нагревательный элемент кислородного датчика;

Система охлаждения:

• э\д дополнительного насоса охлаждающей жидкости (для отработавших газов в охладителе);
• э\д вентилятора;

Дизель-генераторы

Подсистема осуществляет контроль и управление запуска, остановки и непосредственно работы дизель-генератора, его полный мониторинг и защиту. Схема управления генератором схожа с вышеописанной схемой управления двигателем.

Замеряемые данные:

• Линейное напряжение сети;
• Частота сети;
• Линейное напряжение;
• Линейный ток генератора;
• Активная, реактивная мощность генератора;
• Активная, реактивная энергия генератора;
• Коэффициент мощности;
• Частота генератора;
• t охладителя;
• t охлаждающей жидкости;

Насосы

Подсистема управления насосами отвечает за запуск, остановку, мониторинг и контроль работы устройств, диагностику, вывод основных параметров на монитор оператора. Базой для решения послужил логический контроллер со свободным программированием.

В результате управление осуществляется по алгоритмам с частотным регулированием, электронной и программной защитой устройств.

Программное обеспечение изначально предусматривает:

• Смену функций основного и пикового насосов по циклу работы, времени суток, при аварии;
• Исключение насоса из цикла при аварии ПЧ или при отключения поворотного выключателя;
• Остановку системы при аварии (на основе показаний датчиков), информирование оператора;
• Остановку системы вручную с панели оператора.

Алгоритмы могут изменяться и переключаться автоматически (до 4 программируемых временных периодов). Решение создано для регулирования производительности в зависимости от времени суток.

Аварийно-предупредительная сигнализация

Подсистема контролирует работу устройств сигнализации - как по дискретным, так и по аналоговым входным сигналам.

Реализованы:

• возможность формирования АПС с задержкой по нескольким сигналам, при достижении заданных предельных значений контролируемых параметров;
• вывод информации на блоки и панели обобщенной АПС, установленные в помещении управления транспортным средством (мостик, рабочее место оператора и т.д.);
• вывод информации на светозвуковые колонки, устанавливаемые внутри ТС.

Сигнально-отличительные огни

Подсистема автоматически управляет СОФ, в том числе устанавливает определенное свечение, а также контролирует наличие тока в цепи ламп, сигнализирует о неисправности ламп и выводит данные на панель управления.

Пожаротушение

Подсистема разработана для предупреждения, локализации и ликвидации пожара. Транслирует данные на монитор оператора, автоматически включается как в отдельном помещении, так и на всей площади, в зависимости от силы возгорания, и автоматически выключается.

Варианты реализации:

• водяная противопожарная система;
• пеногенератор;
• система водораспыления;
• система водяного орошения;
• система воздушно-пенного тушения;
• система жидкостного тушения;
• система паротушения;
• система противопожарной защиты.

Электроосвещение

Подсистема автоматически поддерживает комфортный уровень освещения в салоне, кабине оператора, в других отсеках и помещениях с учетом энергетической эффективности. Возможна реализация запрограммированных сценариев, в том числе автоматическое включение освещения при определенных действиях персонала.

Данные о работоспособности системы, освещаемых зонах, яркость и наличие мерцания могут выводиться на монитор оператора.

Электрообогрев и кондиционирование

Подсистема обеспечивает автоматическую работу отопительных приборов, увлажнителей воздуха, кондиционеров, вентиляционного оборудования и т.д. Блок поддерживает необходимую температуру и влажность внутри помещения, контролирует загазованность воздуха и при необходимости очищает его.

Распределительный щит

Подсистема отвечает за автоматическое управление вводом и выводом силовых линий питания, ведет учет показателей электроэнергии, распределяет линии питания для потребителей. Дополнительно служит защитой от коротких замыканий и перегрузок, в случае сбоя автоматически подключает резервные линии и схемы питания.

Контролирует и по необходимости транслирует на мониторы следующие параметры:

• Номинальное напряжение на вводе щитка;
• Номинальная частота переменного тока;
• Номинальный ток вводного аппарата или зажимов;
• Номинальный ток щитка и номинальные рабочие токи защитных аппаратов групповых цепей;
• Номинальный отключающий дифференциальный ток УЗО на вводе щитка;
• Номинальный ток автоматического выключателя и/или УЗО групповой цепи;
• Номинальный отключающий дифференциальный ток УЗО групповой цепи;
• Номинальный ток предохранителя групповой цепи;
• Номинальный кратковременно выдерживаемый ток короткого замыкания (действующее значение) на вводе щитков и сборных шинах с номинальными токами вводных аппаратов.

Поисковый прожектор

Подсистема осуществляет управление поисковым прожектором: направлением светового пучка, контролем мощности, режима свечения, и отображает параметры работы на мониторах оператора.

Уровни жидкости

Подсистема автоматически измеряет уровень жидкости в цистернах, скорость её потребления, изменения температуры жидкости. Данные выводятся на мониторы индикации.

Аккумуляторные батареи

Подсистема управляет АКБ, осуществляет ввод, вывод и распределения работы, подзарядку и мониторинг.

Оператор видит параметры:

• емкость;
• напряжение;
• допустимую глубину разряда;
• КПД;
• диапазон рабочих температур;
• допустимый ток заряда и разряда;
• режим работы;
• номинальный и пиковые токи;
• сигнализацию при достижении предельных значений и др.

Система навигации и освещения обстановки

Автопилот

Подсистема решена в виде программно-аппаратного комплекса. Автоматически управляет курсом, принимая извне управленческие сигналы, и ведет ТС по заданной вручную или автоматически траектории. Выводит на монитор оператора данные о текущем курсе движения.

Поисковая РЛС

Система радиоэлектронного оборудования обнаруживает объекты в воздухе, на суше и в акватории методом радиолокации, а также измеряет их размеры, скорость и направление движение, и расстояние относительно ТС.

Ведет обследование по секторам, идентифицирует объекты на дальних дистанциях, определяет контуры и передает собранную информацию системе технического зрения для дальнейшего опознания.

Навигационная РЛС

Радиолокационная станция наблюдает за окружающим ТС пространством, гарантируя безопасное движение в условиях ограниченной видимости, а также помогает определять местоположение по навигационным ориентирам.

Кроме этого, РЛС может применяться в целях навигации в стесненных условиях, предупреждая о вероятности столкновения с другими участниками движения, и заранее обнаруживать опасные погодные явления (тайфун, ураган, шквал, снежных заряд и т.п.).

Картография

Подсистема в виде программно-аппаратного комплекса ведет индикацию местоположения транспортного средства, и транслирует оператору и прочим системам информацию об окружении, сверяясь с электронными картами.

Решает следующий ряд задач:

• отображение электронных карт в различных форматах, в том числе ECDIS;
• масштабирование карты, врезка дополнительного участка, режим «Север вверху» и «Курс вверху»;
• изменение цветов картинки в зависимости от освещенности помещения;
• избирательное отображение поступающей информации;
• демонстрация по запросу дополнительной информации из справочной базы;
• отражение поверх карты целей, выбранных на САРП/РЛС, отслеживание целей относительно собственного;
• автоматическая, полуавтоматическая и ручная корректура;
• сверка координат, измерение дистанций и пеленгов до любых объектов на карте;
• предварительная прокладка предстоящего маршрута с расчетом скорости, расстояний, расчетного времени в пути;
• отслеживание исполнительной электронной прокладки и движения ТС по маршруту;
• сигнализация о приближении к путевой точке, отклонении от установленных параметров, неисправностях системы;
• мгновенная запись собственных координат, показаний лага, компаса, вывод данных поверх карты с непрерывным обновлением;
• запись пройденного пути, ведение судового журнала, восстановление данных и вывод на печать;
• запись (архивация) траекторий целей на диск и возможность их отображения вместе с собственной траекторией и записями судового журнала.

Видеонаблюдение

Подсистема, решенная как программно-аппаратный комплекс, ведет наблюдение за окружающей обстановкой и внутренними помещениями ТС. Собранные данные передаются на основной блок для анализа и записи.

Система ночного видения

Подсистема собирает данные об окружающей обстановке в условиях ограниченной видимости. Отдает данные в комплекс технического зрения для дальнейшего анализа. Возможны несколько вариантов реализации: оптическая, тепловидение, инфракрасная съемка.

Техническое зрение

Программный комплекс идентифицирует обстановку за бортом транспортного средства по данным системы видеонаблюдения, СНВ и других источников данных.

БИНС

Подсистема определяет ускорение объекта и его угловые скорости, с помощью этих данных определяя координаты объекта, курс, скорость движения, пройденный путь, а также необходимость стабилизации ТС и автоматического управления движением, и требуемые величины поправок.

ГНСС

Приемник ГНСС получает и обрабатывает сигналы от спутников соответствующей группировки, предоставляя данные о местоположении ТС, скорости и точном времени.

Эхолокатор

Средство акустического обнаружения подводных объектов. Определяет глубины, рельеф дна и другие параметры подводной обстановки, скорость движения относительно воды. Дополнительно измеряется температура воду и, по необходимости, соленость.

Компас

Инструмент основан на определении ориентации системы координат ТС, относительно осей геоцентрической системы координат путем обработки данных ГНСС. Определяет курс, крен и дифферент ТС.

Navtex

Программно-аппаратный комплекс принимает навигационные, метеорологические предупреждения, информацию о проведении поисковых и спасательных операций, а также другую информацию, влияющую на безопасность мореплавания в районе действия этих станций.

Метеостанция

Комплекс оборудования для проведения замеров атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, интенсивности осадков, скорости и направления кажущегося и истинного ветра; направление кажущегося и истинного ветра.

Биометрический комплекс

Подсистема анализирует количество человек на борту и их физиологическое состояние. Основана на биометрической системе контроля функционального состояния человека.

Звукозапись

Подсистема ведет акустическое наблюдение за обстановкой снаружи и внутри транспортного средства, данные передаются на основной блок для анализа и сохранения.

Система связи

УКВ-радиостанция

Радиостанция обеспечивает обмен информации между транспортными средствами, находящимися в прямой видимости, с аварийными службами. Предусмотрена возможность работы в нескольких частотных диапазонах. На специализированном канале ведется прием-передача телеметрии для координации действий с другими ТС и спасательными службами.

Автоматическая идентификационная система

Подсистема на базе оборудования АИС отображает информацию о надводной обстановке, принимая статическую и динамическую информацию о других объектах и транспортных средствах, и транслируя собственные сообщения.

КВ-радиостанция

Радиостанция обеспечивает двухстороннюю связь, передачу сигнала бедствия и центрального избирательного вызова на каналах, предусмотренных ГМССБ.

Спутниковая связь

Спутниковый терминал обеспечивает двухстороннюю связь со спасательно-координационными центрами, передачу сигнала бедствия, телеметрии, голосовых сообщений и других необходимых данных с использованием спутниковой группировки оператора Iridium.

GSM-связь

Терминал обеспечивает двухстороннюю связь со спасательно-координационными центрами, передачу сигнала бедствия, телеметрии, голосовых сообщений и других необходимых данных с использованием сетей мобильной связи стандартов GSM/EDGE/3G/LTE и т.д.

Громкоговорящая связь

Подсистема обеспечивает оповещение экипажа и пассажиров о событиях и аварийных ситуациях посредством громкой связи, подходит для организации двухсторонней громкоговорящей связи между изолированными помещениями ТС и для централизованной трансляции звуковых сигналов, в том числе вокруг ТС, подачи туманных звуковых сигналов.