ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского»

МОРСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ДАЛЬНЕМ ВОСТОКЕ

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ КУРСАНТОВ, СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Владивосток 2011

УДК 656.6.08 004 802.0:656.61

Морские исследования на Дальнем Востоке : сборник научных

трудов курсантов, студентов и молодых ученых. – Владивосток : Мор. гос. ун-т, 2011. – 86 с.

В сборнике содержится 20 научных публикаций курсантов, студентов и аспирантов Морского государственного университет им. адм. Г. И. Невель-ского, объединенных в секции «Безопасность мореплавания», «Информаци-онные технологии», «Билингвизм в морской отрасли».

Редакционная коллегия:

Букин О.А. – проректор по научной работе, д-р физ.-мат. наук, профессор

Акмайкин Д.А. – канд. физ.-мат. наук, доцент, начальник УНИИД Гончаров С.М. – канд. физ.-мат. наук, доцент, зав. каф. БИТС Глушков С.В. – д-р. техн. наук, профессор, зав. каф. АИС Стрелков А.Ю. – зав. каф. МПА Ответственный редактор – канд. биол. наук Андреева И. В.

ISBN 978-5-8343-____-_ © Морской государственный университет

им. адм. Г. И. Невельского, 2011

  3

Содержание

БЕЗОПАСНОСТЬ МОРЕПЛАВАНИЯ Веселова С.С. Роль телекоммуникационных средств в системе обеспечения безопасности мореплавания ...............................5 Волощук В.Е. Сравнительный анализ обработки астрономических обсерваций с помощью МАЕ и Nautical Almanac ...................................................... 13 Дударев М.А. Работа с каталогами электронных навигационных карт ...................... 15 Иващенко М.А. Сравнительный анализ использования иностранных пособий Brown’s Almanac и Norie’s table и МАЕ для решения задач мореходной астрономии........................................................................... 18 Ноженко В.Г. Влияние погодных и ледовых условий в Японском и Охотском морях при плавании судов в осенне-зимний период ............................ 21 Синкевич Е.С. Анализ использования компьютерной программы Astronav для решения задач мореходной астрономии.......................................... 24 Хоменко Д.Б., Акмайкин Д.А., Лоскутов Н.В. Защита судовых навигационных радиолокационных станций от помех при аналоговой обработке сигналов....................................... 29 Ярощук В.В., Акмайкин Д.А. Управление Конрадом 25Р в гонке ......................................................... 36 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Вишняков М.С., Ларин И.А., Маркин М.Е. Некоторые результаты исследований в рамках студенческого научного семинара «Интерфейс Мозг-Компьютер» ............................. 41 Горишный С.Я., Суховей А.А. Этапы выработки ключа на основе эластичного графа лица ............... 45 Левченко Н.Г. Нечеткая логика в имитационном моделировании ............................... 47 Перехода С.Ю. Анализ алгоритмов работы вычислительных устройств корреляционных лагов ............................................................................. 55

4

Суховей А.А., Горишный С.Я. Использование маскирующего полинома в контексте генерации ключевой последовательности на основе особых точек отпечатков пальцев ........................................................... 60 БИЛИНГВИЗМ В МОРСКОЙ ОТРАСЛИ Vasilenko P.A. Exhaust gas emission control today and tomorrow .................................... 64 Васильев С.В. Sulzer rt-flex common-rail system.............................................................. 67 Magartsev R Arctic double acting shuttle tankers ........................................................... 73 Седаш Е.Л. Big ships small crews ................................................................................. 75 Сподынейко В.Ю. Actuality and perspectives of gas engines .................................................. 77 Shabashov A.A. First aid to the casualty fallen from high position ...................................... 81 Шухнов В.П. Azipod......................................................................................................... 82

  5

БЕЗОПАСНОСТЬ МОРЕПЛАВАНИЯ

УДК 656.6.08

РОЛЬ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СРЕДСТВ В СИСТЕМЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ МОРЕПЛАВАНИЯ

Веселова Серафима Сергеевна

Научный руководитель: к.т.н., проф., Павликов С.Н. Veselova@msun.ru

Важнейшим фактором эксплуатации судов является безопасность

мореплавания и охрана человеческой жизни на море. Концепция безопас-ности на море основывается на комплексе организационных и технических мероприятий, направленных на обеспечение сохранности человеческой жизни, судов, перевозимых грузов и охрану окружающей среды.

На сегодняшний день, учитывая статистику аварийности судов на море, проблема безопасности, обеспечения сохранности человеческой жизни в тяжелых условиях работы на море, выходит на первый план. По имеющимся статистическим данным, несмотря на появление спасатель-ных средств, плотов, шлюпок и т.п., новейших спутниковых средств ра-диосвязи, аварийность морских судов не сокращается, а скорее наобо-рот, имеет тенденцию к увеличению [1].

Из статистики происшествий на морском и речном транспорте за 2009 и 2010 годы, предоставленной Госморречнадзором, следует, что наблюдается резкий рост числа аварийных ситуаций на море с погиб-шими и ранеными. Статистика приведена ниже в таблице 1.

Попробуем разобраться в причинах, выделить основные угрозы в области безопасности мореплавания. На рисунке 2 представим класси-фикацию основных проблем в области безопасности мореплавания.

В качестве организационных и технических мер, которые могут способствовать снижению показателей аварийности, можно выделить следующие:

• повышение профессионального уровня плавсостава морских су-дов с включением в подготовку и тренажерную отработку практиче-ских эксплуатационных ситуаций;

• повышение технических требований к судам старше 15 лет, на-правленных на обеспечение необходимых параметров прочности конст-рукций корпусов судов и эксплуатационной надежности оборудования

6

и систем с целью исключения судов, не отвечающих современным тре-бованиям эксплуатации;

• усиление деятельности Российского Морского Регистра судоход-ства, направленной на создание и внедрение необходимых мер в судо-ходных компаниях по улучшению технического обслуживания своих судов и обеспечению безопасности мореплавания;

• создание объективной независимой системы контроля: технического состояния, местоположения, режимов функционирования на расстоянии за счет увеличения пропускной способности каналов радиосвязи.

Таблица1 Анализ состояния аварийности на морском и речном транспорте в 2010 году

Период Классификация аварийных случаев 2009 2010

Тенденция «+» увеличение «-» уменьшение

Морской транспорт Всего аварийных случаев 31 57 +26 Кораблекрушения 3 - Очень серьезные аварии - 3 Аварии 4 54 Аварийные происшествия 24 - АС, повлекшие загрязнения окружающей среды 0 0 Количество травмированных 1 0 -1 Количество погибших 3 23 +20 Речной транспорт Всего транспортных происшествий 68 109 +41 Количество аварий 3 2 -1 Количество эксплуатационных происшествий 65 107 +42 Количество травмированных 0 0 - Количество погибших 4 3 -1 Всего на водном транспорте (морской и речной) Всего транспортных происшествий 99 166 +67 Количество травмированных 1 0 -1 Количество погибших 7 26 +19 Таблица 2. Угрозы безопасности мореплавания и направления защиты от них

Угрозы Направления защиты от угроз Пиратство Внедрение на гражданских и коммерческих судах

специальных систем обороны Природные катаклизмы

(цунами, шторм, землетрясение, ци-клоны, тайфуны)

Своевременное оповещение экипажей судов о по-годных условиях

Суровая ледовая обстановка в север-ных районах

Современные системы оповещения, предупрежде-ния о ледовой обстановке

  7

Помимо проблем, требующих незамедлительного решения, также стоит выделить целый ряд, так называемых угроз, актуализировавшихся в последнее десятилетие. Основные типы угроз приведены в таблице 2.

Основные угрозы безопасности мореплавания можно условно раз-делить на три группы: пиратство, природные катаклизмы, суровая ледо-вая обстановка в северных районах.

Рис. 1. Классификация основных проблем в области безопасности мореплавания

Технические 1. Физическая изношенность судов и оборудования; 2. Морально устаревшая система ГМССБ; 3. Низкая пропускная способность каналов связи, представ-

ляющая трудности для организации высокоскоростной пе-редачи данных, видеоинформации;

4. Техническое обслуживание не гарантирует работоспособ-ность элементов систем;

5. Многочисленные нарушения правил технической эксплуа-тации (ПТЭ) экипажами судов.

Организационные 1. Недостаточное соответствие современ-

ным требованиям спасательного флота России, в результате - невозможность полноценно и своевременно выполнять поисковые и спасательные функции;

2. Ведомственная разобщенность спасатель-ных подразделений, действующих в соот-ветствии с множеством процедур и инст-рукций;

3. Отсутствие государственного подхода к финансированию всех компонентов сис-темы по спасанию человеческой жизни на море.

Социальные 1. Снижение уровня компетентности морских специалистов; 2. Стремление компаний к минимизации численности экипажей; 3. Слабая тренажерная подготовка судовых экипажей по действиям в

экстремальных и аварийных ситуациях и др. 4. Высокая оторванность членов экипажа от семьи и информацион-

ной среды общества; 5. Отсутствие уверенности в надежности систем спасения человече-

ской жизни на море.

Проблемы безопасности

8

Что касается пиратства, то на сегодняшний день оно представляет собой не разрозненные группы местных аборигенов, а хорошо осна-щенную, организованную структуру, обеспечиваемую разведыватель-ными данными, скорее всего, получаемыми через спутник, современ-ными средствами связи, слежения и навигации. Для защиты граждан-ских судов в Аденском заливе было организовано регулярное дежурство кораблей ВМФ России, что не позволило полностью обезопасить наши суда от пиратов. Необходимы комплексные меры по созданию средств связи, оповещения на судах о возможной опасности, а также в случае захвата судна, немедленного сообщения в аудио и видео формате ин-формации в спасательные центры о своих координатах, количестве на-павших, их вооруженности и т.д.

Ко второй группе можно отнести всевозможные природные явле-ния, в числе которых цунами, землетрясения, циклоны, тайфуны, яв-ляющиеся причиной бедствий, кораблекрушений на море. Только свое-временное предупреждение, оповещение береговыми службами судов, находящихся в море, может предотвратить катастрофу, сберечь челове-ческие жизни и обеспечить сохранность оборудования и перевозимых грузов.

Для северных территорий нашей страны особенно актуальна тре-тья угроза. Все мы стали свидетелями трагедии разыгравшейся в январе 2011года, когда в Охотском море застряли рефрижератор "Берег Наде-жды", научно-исследовательское судно "Профессор Кизеветтер" и плав-база "Содружество", сейнер "Мыс Елизаветы". В условиях низких тем-ператур минуты промедления могут стоить кому-то жизни. Здесь, как и в других критических случаях, важную роль может сыграть своевре-менное реагирование на сложившуюся ситуацию, оценка возможностей и принятие решений, запрос помощи у других судов и береговых служб. Иногда лишь отсутствие радиосвязи не позволяет спасателям своевре-менно прийти на помощь терпящим бедствие или выдать рекомендации потерпевшим до её прихода.

В каждом из описанных выше случаев нельзя обойтись без Гло-бальной морской системы связи при бедствии и для безопасности (ГМССБ). Структура ГМССБ представлена ниже на рисунке 3. Система ГМССБ выполняет следующие функции: передача оповещений о бедст-вии, прием и передача сообщений для координации поиска и спасания, прием и передача сообщений на месте бедствия, прием и передача сиг-налов для местоопределения и самонаведения, прием и передача ин-формации по безопасности на море, прием и передача сообщений обще-го назначения через береговые системы или сети связи, прием и переда-ча сообщений «мостик–мостик».

  9

Структура ГМССБ, изображенная на рисунке 3, включает в себя: – международную космическую систему определения потерпевших аварию судов и самолетов COSPAS–SARSAT с применением автоматических ра-диобуев (АРБ); – спутниковую систему морской связи INMARSAT с при-менением АРБ; – судовые и береговые системы радиосвязи; – службы ра-диоопределения с применением её на спасательных средствах; – всемирную службу навигационных предупреждений (ВСНП) [2].

Рис. 3. Структура ГМССБ, где обозначены СКЦ – спасательно-координационный центр; С- судно, находящееся в районе бедствия; БЗС – береговая земная станция; АРБ – аварийный радиобуй; РСО – радиолокаци-

онный поисково-спасательный ответчик

Очевидно, что система ГМССБ морально устаревает. Анализ ава-рийности показывает, что к современным средствам радиосвязи и опо-вещения предъявляются новые требования:

− своевременного реагирования на принимаемый сигнал бедствия; − сокращения времени доставки этого сигнала в СКЦ; − в связи с ростом объемов передаваемой информации становится

необходимым поиск соответствующих ресурсов для передачи; − возможность системы к расширению (например, увеличению

числа одновременно работающих каналов); − необходимость обеспечения полного радиопокрытия ГМССБ

приполярных территорий, что связано, в первую очередь с перспекти-вами освоения северных территорий, расширения зон нефтедобычи;

Местный терминал пользователя 

INMARSAT 

Поисково‐спасательная служба

Береговая радио‐станция ВЧ, СВ/ПВ, УКВ

Государственные/международные сети 

СКЦ

БЗС 

COSPAS‐ SARSAT 

С

АРБ

РСО

С – терпит бедствие

10

− ГМССБ нуждается в изменении общей концепции ее создания. Если в прошлые годы, она предназначалась для спасения груза судна, его самого, а потом экипажа, то сегодня на первое место выходит орга-низация системы безопасности мореплавания для спасения человече-ских жизней.

Приведем краткую статистику некоторых аварийных случаев на море последних лет:

− март 2001 года: в Тайваньском проливе тонет теплоход "Памела Дрим", ходивший под флагом Камбоджи, спасено 11 моряков, трое счи-таются погибшими, пятеро, в том числе капитан, пропали без вести.

− август 2010 года: в море Лаптевых потерпел крушение буксир «Алексей Кулаковский», спешивший на помощь траулеру ТБ-0012. На борту буксира находились 14 моряков, семеро из которых были курсан-тами речных училищ из Новосибирска и Благовещенска. В результате аварии погибли 11 человек, трое моряков, включая капитана судна и 2 курсантов, спасены.

− декабрь 2010 года: южнокорейский траулер «Намбер Уан» зато-нул в водах Антарктики в 2700 километрах к югу от Новой Зеландии, на борту судна находились 42 человека. 20 человек удалось спасти, 5 объя-вили погибшими, еще 17 членов экипажа числятся пропавшими без вес-ти. Сообщается лишь, что судно затонуло столь быстро, что члены эки-пажа не успели надеть специальные средства для нахождения в холод-ной воде. Кроме того, по предварительным данным, экипаж судна не передал сигнал бедствия и не выбросил радиомаяк.

− февраль 2011: 4 российских моряков погибли и 7 пропали без вести, 1 выжил в результате крушения сухогруза «Александра», плыв-шего под камбоджийским флагом в Японском море.

− февраль 2011: пропал без вести траулер «Аметист», принадле-жащий Камчатскому научному институту рыбной отрасли (КамчатНИ-РО), который вел в Охотском море коммерческий промысел краба, на борту «Аметиста» находились 23 члена экипажа.

Очевидно, что несмотря на наличие современных индивидуальных спасательных средств человек более беззащитен перед лицом стихии, чем тонущее судно. Ведь множество аварийных случаев происходят в суровых климатических условиях, поиск экипажа может занимать не-сколько дней, что явно не способствует нахождению их живыми, осо-бенно если крушение произошло в районах, где температура морской воды ниже +10 - +13°С.

Стоит обратить внимание на еще один момент, что даже наличие аварийных радиобуев, не позволяет быстро найти суда и членов экипа-жа, у которых порой нет времени и физической возможности, например,

  11

из-за полученных травм при крушении, воспользоваться АРБ, их вклю-чить и, тем самым, сообщить в СКЦ о своих координатах.

Установлено, что вероятность выживания потерпевших уменьша-ется в среднем на 80 % за первые 24 часа после аварии, поэтому средст-ва спасания должны быть направлены на: возможно быстрое определе-ние местонахождения потерпевших, оказание им помощи и спасания. Связь с берегом судно осуществляет через спутник. Проведем сравни-тельный обзор применяемой в ГМССБ спутниковой системы INMARSAT и перспективной спутниковой технологии, так называемой «Морской VSAT» [3].

Сопоставив две системы - INMARSAT и VSAT, пришли к выводам: 1) VSAT предоставляет большие скорости передачи данных за мень-

шие деньги: 10 Мбит/с скорость передачи данных по 5 руб. за ме-габайт против канала INMARSAT с максимальной пропускной способностью 492 кбит/с и стоимостью трафика 150 руб. за мега-байт.

2) VSAT при развертывании в 4-5 раз дороже по стоимости, чем INMARSAT.

3) Система VSAT, несмотря на многообразие предоставляемых услуг (широкополосный доступ в Интернет, передача данных и телефонии, организация видеоконференцсвязи, дистанционное подключение и управления, мониторинг судовых параметров с бе-рега), не может пока обеспечить полное покрытие. Незакрытыми остаются отдельные районы южных частей Атлантического, Ин-дийского и Тихого Океанов. Тогда как INMARSAT обеспечивает глобальную связь, за исключением лишь приполярных районов.

4) Также, несмотря на возможность неполного покрытия территорий VSAT, благодаря конструкции своих антенн в виде антенных реше-ток, позволяет создать перенаправляемые лучи в те районы, кото-рые нуждаются в обслуживании [4]. Итак, представляется возможным, учитывая отличные технические

характеристики VSAT и INMARSAT, в состав системы ГМССБ вклю-чить геостационарные спутники на базе VSAT, которые будут осущест-влять обслуживание в районах наиболее опасных для судоходства. Так-же для повышения уровня безопасности и сохранности человеческой жизни на море членов экипажа рекомендуется внедрение индивидуаль-ных радиопередающих устройств (ИРУ), связывающихся с СКЦ через спутник, что позволит ускорить поиски. Ниже на рисунке 4 показана структурная схема усовершенствованной ГМССБ.

12

Рис. 4. Структурная схема усовершенствованной ГМССБ Таким образом, можно сделать следующие выводы:

− Проблема обеспечения безопасности мореплавания в по-следние годы становится наиболее актуальной в силу все возрас-тающего количества угроз и масштабов их воздействия. Сущест-вующая система ГМССБ не в полной мере соответствует современ-ным требованиям по обеспечению безопасности на море.

− Анализ районов повышенной аварийности и зоны покрытия спутниковой системы INMARSAT показал, что для обеспечения полного радиопокрытия необходимы дополнительные канальные ре-зервы, возможно с привлечением ресурсов других систем спутнико-вой связи, например таких как «Морской VSAT».

− Необходимо создание индивидуальных радиопередающих устройств для связи между членами экипажа терпящего бедствие судна и СКЦ.

− Системы VSAT и INMARSAT ГМССБ характеризуются ря-дом недостатков, поэтому актуально создание новой системы персо-нальной спутниковой связи для каждого члена экипажа. При реше-нии этой задачи возможны два направления. В первом случае это устройство сопряжения технологий существующих спутниковых систем, во втором – построение новой телекоммуникационной спут-

С

VSAT 

ИРУ 

Местный терминал пользователя 

INMARSAT 

Поисково‐спасательная служба 

Береговая радио‐станция ВЧ, СВ/ПВ, УКВ

Государствен‐ные/международные сети 

СКЦ

БЗС 

COSPAS SARSAT 

АРБ

РСО

С – терпит бедствие 

  13

никовой системы с передачей части управления пространственно-распределенной спутниковой группировке.

Литература 1. Организация безопасности плавания судов / С.Б. Ольшамовский, Д.К. Земляновский, И.А. Щепетов: Учебник для ин-тов водн. трансп. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1979. - 213 с. 2. Лентарёв, А.А. Морские районы систем обеспечения безопасности мореплавания: Учеб. пособие. – Владивосток: Мор. гос. ун-т. – 114 с. 3. Матаев, В. Глобальная мобильная спутниковая связь. Текущее со-стояние и перспективы развития // Мир связи. Connect! – 2002. – № 2. 4. Карташевский, В.Г., Семенов, С.Н., Фирстова, Т.В.Сети подвижной связи. – М.: Эко-Трендз. – 2001.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОБРАБОТКИ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ОБСЕРВАЦИЙ

С ПОМОЩЬЮ МАЕ И NAUTICAL ALMANAC

Волощук Вадим Евгеньевич Научный руководитель: проф. Панасенко А.Н.

В последнее время все больше и больше выпускников МГУ После

окончания идут в зарубежные компании в поисках лучшей доли. При этом возникает некоторый конфликт использования литературы зару-бежного издания.

Практически все время выпускники используют Российские посо-бия, несмотря на то, что многим из них придется работать впоследствии с зарубежной литературой.

МАЕ и Альманах. Формулы и методы, приведённые в данных по-собиях предназначены для определения места судна в море астронави-гационным способом как с помощью компьютера или программируемо-го калькулятора, так и с помощью приведенных в них таблиц.

Я бы хотел рассмотреть NAUTICAL ALMANAC и соответственно таблицы SIGHT REDUCTION TABLES, которые используются для вы-числения высот и азимутов светил. Данный Альманах разрабатывается и издаётся в Америке и Великобритании, а также с небольшими изме-нениями издаётся в Бразилии, Чили, Дании, Греции, Индии, Индонезии, Италии и Мексике. То есть это пособие, которым пользуется значитель-ная часть судоводителей разных национальностей, в том числе и рос-сийские. Таблицы для вычисления высот и азимутов светил (SIGHT REDUCTION TABLES) представлены в довольно сжатом виде и разде-лены на две части, это основные и дополнительные таблицы. В отличие

14

от них ТВА, которые приведены в МАЕ, представлены в одной таблице, и хотя ТВА представленную МАЕ мы видим в кратком изложении, всё же есть возможность воспользоваться полной версией российских таб-лиц, если того требуют обстоятельства. NAUTICAL ALMANAC, к со-жалению, не имеет полной версии.

При вычислении высоты и азимута по данным пособиям мы ис-пользуем специальный алгоритм решения, в котором пользуемся тремя основными величинами, это широта, часовой угол и склонение.

Обе таблицы удобно составлены, хотя, по моему мнению, отечест-венный вариант более доступен для понимания, нежели его английский аналог. И дело здесь не в языковом барьере, а в том, что в процессе вы-числений по ТВА мы оперируем только двумя условными величинами (S и T) и при этом существует прямая последовательность сумм и раз-ностей, в которой даже при огромном желании невозможно запутаться. В английской же версии знак операции во многом зависит от числового значения величины. Этот фактор, пусть незначительно, но всё ускоряет процесс работы.

Ещё один плюс отечественным разработчикам в том, что правила знаков, выполнение которых требуется для определения наименования высоты или азимута выполняется непосредственно после вычисления самой искомой величины. В NAUTICAL ALMANAC мы сталкиваемся с подобными операциями и в процессе расчета промежуточных величин. Хотя на самом деле это не такой уж значительный недостаток и если быть достаточно внимательным, то ошибки, происходящие из-за непра-вильного наименования той или иной величины можно исключить.

Следующее отличие английских таблиц в том, что (как уже упоми-налось выше), они разделены на две части: главные таблицы и вспомо-гательные. Так при работе с ними мы сначала оперируем с главной, а потом находим две поправки из вспомогательной.

Что касается точности. Всё-таки точность отечественных таблиц выше.

Так как SIGHT REDUCTION TABLES это сжатое пособие и даже при визуальной оценке бросается в глаза их краткость по сравнению с ТВА.

При вычислении по Английским таблицам некоторые исходные величины приходится округлять до градуса, что недопустимо при рас-чёте по отечественным таблицам.

Из всего вышесказанного, а также из моего пусть небольшого, но опыта я хочу сделать вывод, что ТВА более надёжные, доступные и точные таблицы, чем SIGHT REDUCTION TABLES, да и сам алгоритм решения из-за этих таблиц по английскому пособию NAUTICAL ALMANAC более громоздкий. Но так как сейчас практически все рабо-

  15

тают с адмиралтейской литературой, то приходится мириться со всеми недостатками.

Итак, я рассказал Вам о таблицах, которые могут быть использова-ны, если у Вас нет программируемого калькулятора или компьютера. Но если вы располагаете данными средствами, то вы можете воспользо-ваться формулами для прямых вычислений. Эти формулы довольно просты. Итак, какие же формулы мы имеем?

Во-первых, МАЕ, этот альманах содержат три основные формулы. Ну а во-вторых, я хочу обратить ваше внимание на формулы, опи-

санные в NAUTICAL ALMANAC: Как вы видите и МАЕ и NAUTICAL ALMANAC содержат довольно простые формулы и в обоих случаях мы встречаемся только с одной трудностью – правилом знаков.

Разницы в скорости расчётов по этим пособиям нет. Но если использовать компьютер для вычислений то становится

все намного проще, большинство программ на сегодня выполняется су-доводителями-любителями. Создаются большинство программ для об-легчения расчетов и для минизированного использования пособий как МАЕ так и АЛЬМАНАХА. Создается большинство программ на основе MICROSOFT EXCEL. В процессе дипломного проектирования мною была создана программа по расчету для АЛЬМАНАХА.

РАБОТА С КАТАЛОГАМИ ЭЛЕКТРОННЫХ

НАВИГАЦИОННЫХ КАРТ

Дударев Максим Александрович Научный руководитель: к.т.н., профессор Лобастов В.М.

Существует много разных компаний, производящих электронные

навигационные карты. Это: RENC “Primar”, AVCS – Admiralty Vector Chart Service( Служба, созданная Британским Адмиралтейством), TRANSAS MARINE, Chart Pilot, IHO( International Hydrographic Organiza-tion). У всех компаний есть свои каталоги карт, в которых есть либо миро-вая коллекция карт, либо карты определенного региона, в зависимости от того, какой комплект карт приобретен на судне. Карты заказываются через интернет, непосредственно с судна (если на судне есть доступ к интерне-ту) у дистрибьютора той компании, каталогом которой вы пользуетесь, либо по приходу в порт через агента. В принципе, каталоги всех компаний похожи. Выбор и заказ карт производится почти по одной схеме. Рас-смотрим это на примере каталога Британского Адмиралтейства.

16

AVCS – Admiralty Vector Chart Service – единый ресурс официаль-ных электронных навигационных карт, покрывающих весь Мировой оке-ан. Служба AVCS создана Британским Адмиралтейством в 2008 году на основе ЭНК собственного производства в кооперации с национальными ГС – участниками концепции развития Всемирной базы данных ЭНК.

В целях безопасности мореплавания, IMO постоянно продвигает ECDIS в практику судовождения, причем, согласно правилам IMO, если ECDIS применяется в качестве основного инструмента навигации, то должны использоваться официальные ЭНК. В соответствие с недавним решением IMO, к 2018 году все существующие грузовые и пассажир-ские суда должны иметь на борту в качестве основного навигационного инструмента ECDIS. Это решение будет выполняться поэтапно, с 2012 по 2018 год, в зависимости от категории и водоизмещения судна, одна-ко уже сейчас некоторые страны, например США, основываясь на ре-шениях IMO, ввели запрет на вход в порты своего государства судам, не оснащенным системами ECDIS.

Служба векторных карт Британского Адмиралтейства (AVCS) сво-дит воедино электронные навигационные карты, созданные гидрогра-фическими службами всего мира, и новые ЭНК, произведенные UKHO по заказу иностранных государств, создавая подробное и официальное мировое картографическое покрытие.

В рамках Службы векторных карт Британского Адмиралтейства предлагаются только те ЭНК, которые отвечают требованиям СОЛАС к судовой коллекции; они предназначены для использования в Электрон-ных картографических навигационно-информационных системах (ЭКНИС).

Служба векторных карт Британского Адмиралтейства предоставля-ется Гидрографической Службой Британского Адмиралтейства (UKHO). В ней собраны электронные навигационные карты (ЭНК), ото-бранные из коллекций Гидрографических служб всего мира, а проме-жутки между зонами их покрытия закрываются специально созданными картами Британского Адмиралтейства. Результатом является полная официальная коллекция карт, которые могут использоваться в Элек-тронных картографических навигационно-информационных системах (ЭКНИС). AVCS, ориентированная на международное коммерческое судоходство, обеспечивает картографическое покрытие 2000 портов мира и маршрутов между ними.

Электронный каталог Британского Адмиралтейства бесплатно включается в систему AVCS. В нем содержится самая свежая информация о продукции и услугах Британского Адмиралтейства − от бумажных карт до AVCS; он используется при планировании перехода, при определении границ покрытия и получения информации о

  17

продукции по маршруту, району или отдельным выборкам. Каталог также позволяет сформировать заказ на продукцию для дальнейшей передачи дистрибьютору продукции Британского Адмиралтейства.

Цифровой каталог Британского Адмиралтейства легко обновляется либо через Интернет, либо посредством компакт-диска еженедельных обновлений, обеспечивая доступ к самой свежей информации о картах, продукции и услугах Британского Адмиралтейства. Обновления ЭНК в рамках AVCS также поставляются еженедельно на компакт-дисках. Такой диск содержит обновления для всех обслужи-ваемых карт, что гарантирует наличие у каждого пользователя AVCS полного и поднятого на уровень современности комплекта данных, с возможностью доступа к дополнительным данным при необходимости.

Услуга службы векторных карт Британского Адмиралтейства пре-доставляется в виде комплектов (folios), предназначенных для макси-мального облегчения формирования заказов, поддержания коллекции и гибкого лицензирования, в то же время минимизируя необходимость приобретения излишних данных. Комплекты также позволяют UKHO автоматически добавлять новые ЭНК в судовые коллекции сразу, как только они становятся доступными, что гарантирует постоянное нали-чие самых свежих данных в рамках системы обслуживания на выбран-ном клиентом уровне покрытия.

Комплект (folio) – это сформированный по географическому при-знаку набор ЭНК в определенном масштабе или диапазоне использова-ния, предназначенный для соответствия конкретным эксплуатационным требованиям – от безопасного прохода через район до подхода и захода в порт назначения.

Существует три типа комплектов AVCS: транзитный, региональный и портовый.

Транзитные комплекты Транзитные комплекты обеспечивают покрытие, необходимое судну

для безопасного прохода через район, без необходимости плавания в ме-стных водах.

Эти комплекты рассчитаны таким образом, чтобы обеспечивать покрытие вдоль основных путей движения судов без необходимости приобретения данных на менее часто посещаемые районы. Транзитные комплекты содержат в основном обзорное (Overview) и генеральное (General) покрытие, с прибрежным покрытием там, где это необходимо, в выбранных узостях, у мысов, в проливах и выступах берега.

Транзитные комплекты позволяют судовым операторам сэконо-мить средства и не приобретать подробные данные на районы, которое судно проходит транзитом, в то же время обеспечивая более подробное

18

покрытие для прохождения узостей – таких, как Суэцкий канал и Ма-лаккский пролив.

Региональные комплекты Региональные комплекты покрывают гораздо меньшую площадь,

чем транзитные, и включают все прибрежные ЭНК и некоторые подходы – там, где прибрежное покрытие оказывается недостаточным. Региональ-ные комплекты предназначены для местного и прибрежного плавания, где требуется более подробное покрытие сложных прибрежных вод. Они не включают подходы к портам и заходы в них.

Портовые комплекты Портовые комплекты содержат подробное покрытие важнейших

мировых портов и включают все ЭНК, необходимые для безопасного и уверенного захода в порт. Они состоят из подходных (Approach, диапа-зон Band 4), портовых (Harbour , диапазон 5) и причальных (Berthing, диапазон 6) ячеек, сгруппированных в единый товарный продукт. В ти-пичных условиях эксплуатации судам, подходящим к порту непосред-ственно с океанского пути, потребуются только транзитные и портовые комплекты. Региональные комплекты предназначены для прибрежного плавания.

Количество портовых комплектов в рамках службы векторных карт Британского Адмиралтейства постоянно растет. Их полный список можно получить у дистрибьютора продукции БА или на вебсайте UKHO www.ukho.gov.uk

Литература: 1. UKHO . – Режим доступа: www.ukho.gov.uk

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНОСТРАННЫХ ПОСОБИЙ BROWN’S ALMANAC И NORIE’S TABLE И МАЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

МОРЕХОДНОЙ АСТРОНОМИИ

Иващенко Михаил Андреевич Научный руководитель: профессор Панасенко А.Н.

В настоящее время с приходом в судовождение новейших техноло-

гий. позволяющих определять местоположение судна с большой точно-стью. при этом затрачивая минимум времени. мореходная астрономия отошла на второй план. Каждый штурман должен постоянно вести кон-троль за местоположением судна, что означает, что помимо спутнико-вых систем должен применяться любой другой метод обсервации. Вда-

  19

ли от берегов, в открытом море одним из таких методов является астро-номический способ определения места судна. Также по требованиям Международной Конвенции ПДМНВ штурман обязан уметь определять место судна астрономическим способом.

Ход решения по зарубежным и отечественным пособиям на на-чальном этапе одинаков. то есть по дате и времени входим в МАЕ и Brown’s Nautical Almanac и получаем склонение и местный часовой угол. Далее решения отличаются. Аргументами для входа в таблицы ТВА являются местный часовой угол и склонение в градусах. минутах и десятых долях минуты. С помощью небольшой схемы для решения на-ходим искомые высоту и азимут в четвертном счёте. затем определяем переносы. Прокладка с приведением к одному зениту осуществляется на отдельном листе бумаге из счислимых координат. Определив раз-ность широт и разность долгот и прибавив их к счислимым координа-там. получаем обсервованные координаты. то есть искомое место судна. Наносим эти координаты на карту. определяем направление и величину сноса.

Несколько другое решение по зарубежным таблицам Norie’s Nauti-cal Tables нахождения азимута при решении задач на определение по-правки компаса. Аргументом входа являются широта, местный часовой угол и склонение светила. Из таблиц A,B & C AZIMUTH TABLES сна-чала выбираем коэффициент А (по широте и местному часовому углу светила), затем коэффициент В (по склонению и местному часовому уг-лу светила), после производим алгебраическую сумму коэффициентов А и В, и входим в таблицу С (по сумме А и В и широте светила), полу-чим Азимут в четвертном счете. Правило наименования четвертного Азимута: если А и В одноименны, то (+), и наименование С получится такое же; если А и В разноименны, то (-) от большего отнимаем мень-шее, и наименование С зависит от большего коэффициента.

20

Нахождение поправки компаса по МАЕ 2010 Дата 4 7 2010 ϕ 24 16,4 NТ судовое 5 41 22 λ 120 9,3 EТ гр. 21 41 22

Светилоt т 133 55,7 (+0,9) δ 22 54,8 N (‐0,2)∆  I 10 19,8 ∆δ ‐0,1∆ ΙΙ 0,6 δ 22 54,7 Nt гр. 144 16,1λ 120 9,3t m 264 25,4 W

95 34,6 E

Наим. Градусы Минутыδ N 22 54,7 T(δ) 63245t E 95 34,6 S(t) 20249 T(t) 90932x N 102 56,9 T(x) 83493 S(x) 12992φ N 24 16,4 T(p) 77940y 168 40,5 S(y) 170A 66,9 NE T(A) 78110

А 66,9 NE 66,9ИП 66,9КП 66,5

∆ КП 0,4 E

Солнце

Для сравнения результатов воспользуемся формулой котангенсов: Подставим числовые значения в формулу:

NE

Сравнив полученный результат по формуле с результатами МАЕ-2010, Bronw’s Almanac и Norie’s Tables можно увидеть, что результат по МАЕ-2010 более точен, чем по иностранным пособиям. Скорость реше-ния по иностранным пособиям слегка превосходит МАЕ-2010, но точ-ности превосходит МАЕ-2010. По простоте вычислений и доступности таблиц они в принципе одинаковы, но предпочтение хотелось бы отдать МАЕ. Возможно, имеет значение иностранный язык, что также не мало-важно.

Литература: 1. Н. И. Глебова, В. Н. Костин Морской Астрономический Ежегодник на 2010 г. // СПб.: Институт прикладной астрономии РАН. 2009. 336 с. 2.Norie’s Nautical Tables // Great Britain at The Press Bath, 2007 3.Nigel Brown Brown's Nautical Almanac Daily Tide Tables for 2010 // Glasgow : Brown, Son & Ferguson,LTD,2009 4.Б.И. Красавцев Мореходная Астрономия //Москва «Транспорт» ,1978.

  21

ВЛИЯНИЕ ПОГОДНЫХ И ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЙ В ЯПОНСКОМ И ОХОТСКОМ МОРЯХ

ПРИ ПЛАВАНИИ СУДОВ В ОСЕННЕ-ЗИМНИЙ ПЕРИОД

Ноженко Владислав Германович Научный руководитель: доцент Панченко Ю.П.

Все дальневосточные моря, включая Японское и Охотское, являют-

ся замерзающими. В суровые зимние месяцы их большая часть, а также акватории почти всех основных портов покрыты льдом, создающим большое препятствие для плавания судов. На основании этого и строит-ся стратегия и тактика по завозу грузов в различные районы Дальнего Востока.

Ледовый режим в северо-западной части Японского моря неслож-ный, и навигация осуществляется практически в течение всего года. Значительную угрозу безопасности плавания судов, особенно малых, представляет их обледенение, которое наблюдается с ноября по март.

Основными районами ледообразования в Японском море является залив Петра Великого и Татарский пролив. В заливе Петра Великого появление льда обычно наступает во второй декаде ноября. В первой декаде января в заливах и бухтах Амурского залива обычно начинает становиться припай, который к концу второй декады января достигает стадии серо-белого льда (толщиной 15-30 см). При этом в северной час-ти залива, севернее параллели острова Попова, припай достигает тол-щины 50-70 см, южнее − 15-30 см.

С 20 декабря капитан порта Владивосток объявляет начало зимней навигации в Амурском заливе и в самом порту. Для обеспечения зимней ледокольной кампании в этом районе обычно выделяются два портовых ледокола

В заливе Петра Великого таяние льда обычно начинается в первой половине марта. Обычно полное исчезновение льда в северо-западной части Японского моря происходит во второй декаде апреля.

Самым холодным районом Японского моря является Татарский пролив. Наиболее низкие температуры воздуха наблюдаются в первой декаде января. В Татарском проливе первое появление льда обычно происходит в начале ноября, наибольшего распространения достигает в начале марта. В суровые зимы лед распространяется почти на весь Та-тарский Пролив, полностью блокируя побережье Приморья и смыкаясь со льдами залива Петра Великого. Зимой температура на севере района -17°, -23°, на юге района -4°, -7 . Самая низкая в истории температура воздуха падала до -47. Ветры в зимнее время преобладают западные и северо-западные. Западная составляющая этих ветров вызывает разряд-

22

ку льдов под приморским берегом, где при достаточных сильных и про-должительных ветрах образуется прибрежная полынья шириной 5-10 миль. При устойчивом характере этой полыньи ее успешно используют для проводки судов, а иногда и для безледокольного плавания в порт Ванино и даже Де-Кастри.

Нефтяной порт Де-Кастри осуществляет поставки нефти на рынки стран АТР. Порт состоит из 2 нефтеналивных терминалов. Обеспечива-ют проводку судов ледоколы «Адмирал Макаров» и «Красин». При сильных северных ветрах полынья под приморским берегом закрывает-ся, а на стыке берегового неподвижного припая с дрейфующими полями льда появляется так называемая «ледовая река» представляющая собой сравнительно широкую полосу сильно напресованного мелкобитого льда, дрейфующего на юг со значительной скоростью, превышающей общую скорость дрейфа основной массы льдов. В этой «ледовой реке» лед несет с такой силой, что преодолеть ее не в состоянии бывают даже линейные ледоколы. Даже при слабых северо-восточных и северных ветрах прибрежный вариант плавания в порт Ванино становится непри-емлемым. Ледоколам рекомендуется проводить суда в направлении от м. Ламанон на мыс Бурный и далее на Ванино. Без ледокольное плава-ние в этих условиях невозможно.

Многолетняя практика зимнего судоходства в Татарском проливе установила два наиболее благоприятных маршрута для проводки судов в порт Ванино; а) прибрежный − вдоль Приморского берега, б) широт-ный − из района мыса Ламаном, расположенного на западном берегу о.Сахалин. Прибрежный маршрут предпочтительнее при северо-западных, также при северных ветрах силой до 3 баллов, штилевых по-токах. При западном направлении любой силы вдоль Приморского по-бережья сохраняется устойчивая прогалина.

Широтный вариант плавания возможен при северных ветрах силой от 4 до 6 баллов, когда прибрежная прогалина закрывается и наступает разрядка льдов в широтном направлении. Первое появление льда в Охотском море в суровые зимы отмечается во второй половине октяб-ря, в мягкие зимы до первой декады ноября. Ледообразование начина-ется в двух районах моря: в заливе Шелихова и в западной части моря от Амурского лимана до Удской губы. В конце января − начале февра-ля происходит смыкание этих двух массивов, с этого момента северное побережье Охотского моря, подходы к Тауйской губе и порту Магадан надежно перекрываются поясом тяжелого торосистого льда.

Ледообразование в бухте Нагаева начинается во второй половине ноября (раннее − 4 ноября, позднее − 1 декабря). До января лед в бухте часто взламывается и выносится. В апреле начинается весеннее разрушение

  23

припая. В середине мая лед окончательно взламывается и выносится из бухты. К концу месяца бухта обычно полностью очищается ото льда.

В начале февраля, а в очень суровые зимы в конце января дрей-фующий охотский лед достигает побережья о. Хоккайдо, растекается вдоль него на восток и запад, происходит перекрытие пролива Лаперуза, через южные Курильские проливы охотский лед начинает выносить в Тихий океан. В марте в Охотском море происходит окончательное смы-кание всех зон тяжелого льда в один сплошной массив. Максимальной ледовитости Охотское море достигает в первой половине марта. В мас-сиве вдоль западного побережья Камчатки преобладает битый серый реже серо-белый лед толщиной 10-25 см. Немалую роль в этом играет и теплое тихоокеанское течение, идущее на север вдоль Камчатки.

Самостоятельное плавание судов становится невозможным, про-водку судов в порт Магадан осуществляют линейные ледоколы. В зимнее время регулярное плавание транспортных судов осуществляется только на порт Магадан. Грузопоток осуществляется из портов: Владивосток, Наход-ка и Ванино. В зависимости от сложности ледовых условий в северной час-ти Охотского моря проводки судов на магаданском направлении обеспе-чивают 2 линейных ледокола и один портовый ледокол.

Зимние пути плавания судов из портов Приморья в Магадан не ос-таются постоянными. В начале зимы, в ноябре, декабре и до середины января, пока пролив Лаперуза открыт для плавания всех судов, то пла-вание судов осуществляется обычным курсом через пролив Лаперуза на Магадан. В конце января Шелиховский лед соединяется с западным массивом, на подходе к Тауйской губе формируется пояс тяжелого льда. В то же время массив льда, опускающийся вдоль восточного Сахалина, достигает острова Хоккайдо и перекрывает пролив Лаперуза. Толщина льда в торосах достигает 2-3 метра. Плавание затруднено даже с ледо-колами, поэтому суда следуют в Магадан Сангарским проливом, далее через пролив Буссоль, затем вдоль меридиана 152º-153º в.д. до южной кромки льда. На кромке суда формируются в караван и под проводкой ледоколов следуют курсом на мыс Алевина, далее через Олъский про-лив на мыс Чирикова. Результаты данной дипломной работы могут ис-пользоваться при соответствующей доработке на практике по обеспече-нию безопасности плавания судов, совершающих грузоперевозки между портами Японского и Охотского морей.

Литература: 1. Абоносимов В.И. Искусство ледового плавания.- Приморский поли-графкомбинат, 2002. 2. Рекомендации по организации штурманской службы на судах Ми-нистерства морского флота (РШС-89).

24

3. Океанские пути мира. 4. Типовая инструкция по охране труда для матроса транспортного судна ТОИ Р-31-001-96. 6. 5. Гордиенко А.И, Дремлюг В.В. Гидрометеорологическое обеспечение судовождения. – Министерство транспорта, 1989. 6. Лоция Книга 1401. 7. Лоция Книга 1402. 8. Справочник по навигационной метеорологии / Стехновский Д.И., Васильев К.П..- М.: Транспорт, 1976. 9. Безопасность плавания во льдах. Под редакцией А,П, Смирнова, 1989. 10. Азбука ледового плавания / Арпиайен А,И, Чубаков К,Н, 1987. 11. Навигационная гидрометеорология / Д.И. Стехновский, А.Е. Зуб-ков, Ю.С. Петровский. 12. Основы морского судовождения. / Г.Г. Ермолаев, Е.С. Зотеев. 13. Навигация и лоция / В.И. Дмитриев, В.Л. Григорян.

АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ ASTRONAV ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МОРЕХОДНОЙ

АСТРОНОМИИ

Синкевич Евгений Сергеевич Научный руководитель: профессор Панасенко А.Н.

В настоящее время в судовождение пришло множество новейших

технологий, позволяющих определять местоположение судна с большой точностью, при этом затрачивая минимум времени. Основная часть ос-новывается на использовании морских спутниковых систем. В настоя-щее время ГНСС (глобальная навигационная спутниковая система), предназначенная для высокоточного определения координат места, а также курса и скорости, в силу своих положительных свойств (глобаль-ность, высокая точность, независимость от погодных условий, времени суток и сезона) нашла самое широкое применение на флоте. Но при всем этом нельзя сказать, что мореходная астрономия отошла на второй план. Из своей практики и из практики моих однокурсников могу ска-зать, что во многих судоходных компаниях опытные капитаны по-прежнему требуют знание вахтенными помощниками мореходной ас-трономии. В открытом море при отсутствии ориентиров астрономиче-ский способ определения поправки курсоуказателя остается единствен-ным, а, как известно, определять поправку штурман должен не менее

  25

одного раза за вахту. Кроме того, при плавании в открытом море в большинстве случаев в качестве основного способа местоопределения выбирается использование спутниковых систем, а единственным до-полнительным методом вне зоны действия гиперболических радионави-гационных систем может быть только астрономический. Поэтому курс астрономии для судоводителей является обязательным, и каждый вах-тенный помощник должен уметь использовать знания мореходной ас-трономии в своей работе.

Выполнение астрономических обсерваций производится с приме-нением различных пособий, которые предполагают так называемые «ручные» вычисления. Большинство их очень удобны для применения, каждое из них имеет свои преимущества и недостатки. Однако общим для всех этих изданий является несоответствие возросшим требованиям со стороны флотов к быстроте и постоянству получения информации о месте. Кроме того, «ручной» способ не исключает так называемый «че-ловеческий фактор», что напрямую влияет на точность местоопределе-ния и безопасность плавания.

Сегодня ни для кого не секрет, что персональные компьютеры по-зволяют эффективно решать различные штурманские задачи. В связи с этим, перспективным является внедрение специального программного обеспечения для решения задач мореходной астрономии, которое мож-но установить на базе обычного персонального компьютера. Явными преимуществами является доступность программного обеспечения, простота установки и применения, а также наличие широкого выбора программ в зависимости от предпочтений пользователя.

Тема моего доклада связана с темой дипломного проектирования. Целью является рассмотреть в качестве примера такого программного обеспечения компьютерную программу AstroNav и сделать вывод о це-лесообразности ее использования. Каковы основные критерии оценки:

- первое – точность; - второе – простота и скорость вычислений; - третье – наличие дополнительных функциональных возможностей Программа "AstroNav" рассчитывает склонение и часовой угол

Солнца, Луны, планет и звёзд. Используя полученные эфемеры, про-грамма позволяет:

- получить обсервованное место судна по 2-4 линиям положения; - получить эфемериды светил на заданное время и дату;- - получить данные по планетам (восход, заход, кульминация, а также время наступления навигационных и гражданских сумерек)

- определить поправку компаса, пользуясь одним из четырёх раз-личных вариантов.

26

Анализ работы программы AstroNav проводился мною путем сравнения выдаваемых результатов с «ручными» расчетами, т.е. с теми, которые могут дать традиционные методы решения с использованием астрономических пособий. На плавательной практике было решено 15 задач на поправку курсоуказателя и 20 на определение места судна по четырем светилам, для чего использовались следующие пособия:

1. Brown’s Almanac – для определения эфемерид светил δ и tгр на заданное время Тгр.

2. Таблицы ТВА-57 – для перехода от экваториальных координат к горизонтным, т.е. для получения высоты h и азимута A светила. Высо-ту и азимут также можно получить по системам формул, которые полу-чаются из параллактического треугольника. Однако использование три-гонометрических функций обязательно требует исследование на знаки.

3. Norie’s Nautical Tables – для вычисления поправки курсоуказа-теля (ABC tables) по известным счислимым координатам и эфемеридам светила. Также в пособии есть таблицы для определения поправки част-ными способами: по восходу, заходу Солнца, по Полярной звезде.

По результатам решений задач с использованием пособий и с по-мощью компьютерной программы AstroNav были составлены таблицы. Анализ табличных данных позволяет сделать выводы о целесообразно-сти использования AstroNav.

Результаты определения места по четырем светилам программой AstroNav и «вручную» имеют некоторые расхождения. В незначитель-ной степени на это может повлиять выбор разных приемов отыскания места судна в фигуре погрешностей. От преобладания каких ошибок (сис-тематических или случайных) возникла фигура погрешностей, обычно оп-ределить затруднительно. Это затрудняет и решение. В программе Astro-Nav предусмотрен аналитический прием – обобщенный метод наимень-ших квадратов (МНК). При ручной же прокладке применялся графиче-ский способ комбинирования МНК («прием весов») и метода биссек-трис, который используется при совместном действии ошибок.

В большей степени на расхождение результатов решений повлияло приведение высотных линий положения к одному моменту времени. Одной из особенностей обработки одновременных наблюдений являет-ся приведение к одному зениту, т.е. намеченному счислимому месту. Высоты светил на ходу судна измеряются из разных мест, а обрабаты-ваются с одними координатами. К этому зениту и надо приводить все линии.

При аналитическом способе в высоты вводятся поправки ∆hz, вы-численные по таблицам или с помощью формул. При графическом приеме приведения к одному зениту (прием использовался мною при решении задач с помощью пособий) вместо введения поправки в изме-

  27

ренную высоту применяем графическое перемещение линии или точки прокладки способом крюйс-расстояния. Для этого из счислимого места по курсу откладываем плавание S между наблюдениями и опускаем перпендикуляр на азимут светила.

В программе AstroNav автором реализован несколько другой спо-соб. Здесь на каждое время отдельно рассчитываются координаты с по-мощью формул аналитического счисления, для чего предварительно в окне «General Info» вносятся значения курса и скорости, счислимых ко-ординат и судового времени, на которое были сняты эти координаты.

Обычно координаты снимаются на последнее время, соответствен-но и приведение производится к последнему моменту. Азимуты и высо-ты светил рассчитываются для своих счислимых координат, но линии прокладываются из координат того момента времени, на который нуж-но привести светила. Таким образом, данная операция равноценна при-ведению к одному зениту обычными способами. Для «ручного» расчета этот способ достаточно громоздкий, но в случае вычислений на ЭВМ имеет свои достоинства:

- в программе появляется возможность расчета места по разновре-менным обсервациям;

- приведение к одному зениту справедливо только при небольших дистанциях (до 10 миль) при точности 0,1', данный способ таких ограни-чений не имеет;

- сводится к минимуму методическая ошибка ВЛП вследствие уве-личения ее отстояния от счислимого места. По определению, ВЛП – это касательная к изолинии вблизи счислимого места, т.е. чем дальше ВЛП находится от счислимого места, тем больше она отличается от изоли-нии, тем, соответственно, больше ошибки.

Однако в ходе экспериментального решения задач с помощью про-граммы AstroNav выявился ее один существенный недостаток. Анали-тический расчет координат на каждый момент времени производится неверно. Это и стало основной причиной расхождений результатов ре-шений программы и «ручных» решений.

Анализ качества вычисления программой AstroNav азимутов и пе-реносов (меню «Show Details») показывает, что величины переносов и азимутов светил, рассчитанные по пособиям и взятые из программы, в ос-новном не отличаются или отличаются несущественно, в пределах ±0,1 - 0,2. Это говорит о том, что расчеты программа AstroNav производит вер-ные, и подтверждает, что причиной расхождения окончательных результа-тов являются ошибки в аналитическом счислении координат, а, следова-тельно, в приведении к одному зениту. Причем, стоит отметить, что при увеличении задержек между моментами взятия высот светил, ошибка из-за неверного приведения к одному зениту будет все более существенной.

28

Что касается результатов вычислений поправок тремя методами (моментов – общий случай, высот – закат/восход, высот и моментов – по Полярной звезде), расчеты программы AstroNav можно считать удовлетворительными. Разница с «ручными» вычислениями не превы-шает 0,2°, в большинстве случаев различие составляет 0,1° или 0°.

Таким образом, в связи с выявленными недоработками программы AstroNav в существующей версии, применять ее для решения задач на местоопределение можно только как вспомогательную, а именно для вычисления азимутов светил и переносов. Астрономическую же про-кладку необходимо выполнять графически на бланке или плане. Но да-же в этом случае время решения задачи сократится минимум в три раза. Для определения поправки компаса программу AstroNav можно считать пригодной.

Дополнительно программа позволяет рассчитывать время начала и конца гражданских и навигационных сумерек утром и вечером, захода, восхода, верхней и нижней кульминации Солнца, Луны и планет, гене-рирует эфемериды точки Овна, Солнца, Луны и навигационных планет на заданную дату подобно страничкам МАЕ или Brown’s Almanac, по-казывает ежегодные данные для Луны (на каждый месяц) и Солнца, по-казывает карту звездного неба на заданную дату и местное время.

С недостатками программы AstroNav ее разработчик знаком. Сей-час автор работает над новой версией, в которой будут учтены все заме-чания, более того, в программе появятся новые возможности. В целом, данная программа проста в обращении, очень удобна, функциональна, и после доработки может быть применена на практике. Это значительно облегчит работу судоводителя. Решение задач не займет много времени, что не будет препятствовать качественному и непрерывному наблюде-нию за окружающей обстановкой и безопасностью судовождения.

Литература: 1. Глебова, Н.И., Костин, В. Н. Морской Астрономический Ежегодник на 2010 г. – СПб.: Институт прикладной астрономии РАН. – 2009. 2. Norie’s Nautical Tables // Great Britain at The Press Bath. –2007 3. Nigel Brown Brown's Nautical Almanac Daily Tide Tables for 2010 // Glasgow : Brown, Son & Ferguson LTD. – 2009 4. Красавцев, Б.И. Мореходная Астрономия // «Транспорт». – 1978.

  29

ЗАЩИТА СУДОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ ОТ ПОМЕХ ПРИ

АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ  

Хоменко Дмитрий Борисович, Акмайкин Денис Александрович, Лоскутов Николай Викторович

0007177@mail.ru

Радиолокационной станцией (РЛС), или радиолокатором, называ-ется устройство, предназначенное для обнаружения объектов и опреде-ления их координат с помощью радиоволн, отражающихся от этих объ-ектов.

В зависимости от структуры излучаемых (зондирующих) радио-локационных сигналов различают РЛС непрерывного излучения коле-баний и импульсные. На судах гражданского флота, в подавляющем большинстве применяются импульсные РЛС [1].

Импульсная РЛС периодически излучает кратковременные им-пульсы сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ), а в промежутке между зондирующими импульсами принимает отраженные от объектов им-пульсные сигналы. Отраженный импульсный сигнал от каждого объекта запаздывает по отношению к зондирующему сигналу на время

cDtD

2= ,

где D – расстояние до объекта; с - скорость распространения радиоволн. По этому интервалу определяется расстояние (дальность), а с помощью остронаправленной антенны РЛС – направление (курсовой угол или пе-ленг) на обнаруженный объект (цель).

На выходе приемника, в результате детектирования создаются ви-деоимпульсы, смешанные с шумом (помехой), которые подаются на управляющий электрод электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) индикатора, создавая амплитудную или яркостную отметку на экране в зависимости от способа модуляции электронного луча ЭЛТ [2].

Важнейшим тактическим показателем РЛС является помехо-устойчивость, которая характеризует способность радиолокационной системы нормально функционировать в условиях наличия на ее входе различного рода помех.

Защита радиолокационных систем обеспечивается проведением комплекса мероприятий организационного и технического характера, предусматривающего, прежде всего, использование соответствующих сигналов, алгоритмов и устройств помехозащиты.

Применительно для РЛС используемых на флоте наиболее акту-альными являются помехи естественного характера, к которым относят-ся внутренние шумы радиоприемников, флуктуации отражаемых целя-

30

ми сигналов, а так же сигналы, отражаемые подстилающей поверхно-стью, атмосферные помехи, промышленные помехи и т.д. [3].

Практически в судовых навигационных РЛС широко используют-ся следующие методы подавления пассивных помех: поляризационная селекция сигналов; снижение мощности помехи путем уменьшения элемента разрешения РЛС (сужение диаграммы направленности антен-ны, уменьшение длительности зондирующих импульсов); применение схем специальных регулировок усиления в приемниках; применение методов специальной обработки радиолокационных сигналов.

Для согласования выходного динамического диапазона радиоло-кационного приемника с индикаторным устройством и повышением помехоустойчивости приемников применяют специальные схемы авто-матических регулировок усиления и логарифмические усилители.

В приемниках судовых навигационных РЛС широкое применение находит временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ или ВРУ), которая предотвращает перегрузки приемника сильным сигналам и подавляет помехи, имеющие монотонно-убывающую амплитуду (морское волнение, близко расположенные объекты).

ВРУ формирует управляющее напряжение, компенсирующее из-менение уровня отраженных радиолокационных сигналов в зависимо-сти от времени и дальности. Полярность управляющего напряжения выбирается такой, чтобы усиление приемника возрастало с увеличением дальности (времени t).

Практически управляющее напряжение ВРУ приемника имеет экспоненциальную характеристику, описываемую уравнением:

( )n

KttU 0loglog2 −

= ; (1)

где K0 – коэффициент усиления каскада приемника при U=0; n – число каскадов усиления приемника, охваченных регулировкой ВРУ.

Принцип формирования управляющего напряжения ВРУ заклю-чается в том, что одновременно с излучением зондирующих импульсов включается специальная схема ВРУ приемника, которая формирует им-пульсы напряжения, состоящие из прямоугольной и экспоненциальной составляющих (рис. 1). Это напряжение подается на каскады предвари-тельного усиления промежуточной частоты. Прямоугольная состав-ляющая запирает приемный тракт на время действия зондирующего импульса, а экспоненциальная составляющая плавно увеличивает уси-ление приемника до номинального значения.

  31

Рис. 1. Форма импульсов ВРУ

Одна из возможных схем ВРУ приведена на рис. 2. Схема запус-

кается положительным запускающим импульсом. Отрицательный им-пульс со вторичной обмотки трансформатора Т через резистор R1 и ди-од ВD2 заряжает емкость C1. (Диод ВD1 стабилизирует импульс по ам-плитуде).

После окончания действия запускающего импульса емкость C1 разряжается через сопротивление R2 и потенциометр R3 на базу эмиттерно-го повторителя.

Таким образом, отрицательный импульс ВРУ, через разделитель-ную емкость C2 поступает на управляющие входы усилительных каска-дов УПЧ.

Оператор с помощью схемы ВРУ, изменяя величину потенцио-метра R3, может отрегулировать усиление приемника таким образом, что объекты с одинаковой эффективной поверхностью отражения или рассеяния, находясь на разных дистанциях, будут воспроизводиться на экране ЭЛТ индикатора с одной и той же интенсивностью.

Достоинством ВРУ является возможность устранения помех, вы-званных отражением зондирующего импульса от взволнованной мор-ской поверхности. Данные помехи постепенно убывают с расстоянием и являются однородными для различных направлений [1, 2].

32

Рис. 2. Схема формирования импульса ВРУ

На работу РЛС вредное воздействие оказывают сигналы, отра-женные от дождя либо от мокрого снега, которые создают достаточно мощное отражение и поэтому создают интенсивную засветку на экране индикатора.

Для борьбы с данными помехами, а некоторых случаях и для уве-личения разрешающей способности по дальности, а также для того, чтобы получить более четкое изображение береговых и портовых со-оружений путем отображения только передних, в основном отражаю-щих поверхностей сооружений, в приемниках РЛС широкое распро-странение получила схема малой постоянной времени (МПВ), которая представляет собой дифференцирующую цепочку (рис. 3).

Рис. 3. Схема дифференцирующей цепочки

Включается она после детектора, по желанию оператором РЛС, органом управления, который обычно выводится на панель управления станцией.

Постоянная времени 22 RCмпв ⋅=τ приблизительно равна длитель-ности зондирующего импульса τзи. Поэтому импульсы на выходе систе-мы получаются кратковременными (укороченными) положительной и отрицательной полярности. Длительность этих импульсов тем меньше, чем меньше установлена величина сопротивления потенциометра R2 (предусмотрена его регулировка с панели управления). Диод ВD2, под-ключенный параллельно резистору R2, срезает импульсы отрицательной

  33

полярности, а положительные видеоимпульсы, создают на экране инди-катора изображение.

При воздействии на вход приемника мощных сигналов или помех происходит его перегрузка. В частности, помехи от дождя или взволно-ванной морской поверхности маскируют полезные сигналы. Если ампли-туды помех превышают амплитуду полезного сигнала, то без специальных методов выделения сигнала его обнаружить невозможно. Затруднительно обнаружение полезного сигнала и в случае, если амплитуда помех ниже уровня максимальной амплитуды сигнала, но их количество велико, на-пример, в условиях отражения от морских волн. Чтобы радиолокационный приемник не достигал насыщения при изменении входных сигналов в ши-роких пределах, то есть обладал большим динамическим диапазоном уси-ления, в судовых РЛС применяют устройства, мгновенно регулирующие усиление приемника, предотвращая его насыщение.

Если изменения напряжения помех по характеру аналогичны изме-нениям шумов приемника, то напряжение этих помех возможно «сжать» до уровня шумов приемника независимо от интенсивности помех.

Известно, что среднее значение выходного напряжения приемни-ка Uвых уменьшается с ростом дальности, а величина флюктуации оста-ется постоянной [4]. Для того чтобы ослабить помехи необходимо флюктуации сжать до уровня собственных шумов приемника. Для этой цели в судовых РЛС широко используют метод автоматической регули-ровки усиления по логарифмическому закону. В связи с тем, что сжатие целесообразно только для мощных сигналов, флюктуации которых пре-вышают уровень собственных шумов приемника, оптимальная ампли-тудная характеристика такого приемника (или усилителя) должна быть линейной для сигналов, превышающих этот уровень. Тогда закон изме-нения выходного напряжения Uвых должен иметь следующий вид:

вхвх

вых

Uа

dUdU

= , (2)

где а – коэффициент пропорциональности. После интегрирования этого выражения получим:

0ln CUаUdUаU вх

вх

вхвых +== ∫ . (3)

Если обозначить через Uн и kн соответственно входное напряже-ние и коэффициент усиления каскада, соответствующие началу лога-рифмического участка амплитудной характеристики (рис. 4), то

0. ln СUаkUU ннннвых +=⋅= . Отсюда

ннн UаkUС ln0 −⋅= . Полагая коэффициент a=Uн·kн=const:

34

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅= 1ln

н

вхннвых U

UkUU . (4)

Тогда, при входном напряжении, равном Uвх<Uн, амплитудная ха-рактеристика приемника является линейной, а при условии, что Uвх>Uн, характеристика будет логарифмической (ЛАХ).

Рис. 4. Пример ЛАХ

Принцип получения ЛАХ (см. рис. 4) заключается в следующем: − все каскады должны быть одинаковы; − амплитудные характеристики каскадов до насыщения линейны; − при насыщении Uвых не зависит от Uвх каскада; − суммирование осуществляется линейно. Линейно-логарифмическими характеристиками могут обладать

как УПЧ, так и видеоусилители приемников. Возможны различные схемы, обеспечивающие получение лога-

рифмической характеристики в УПЧ. Наибольшее распространение по-лучила схема логарифмического УПЧ с последовательным детектиро-ванием сигналов отдельных каскадов усиления и их суммированием (рис. 5).

Рис. 5. Упрощенная схема логарифмического УПЧ

  35

Суммарный сигнал выделяется на общей нагрузке Rн, с которой он далее поступает на дифференцирующую цепь с малой постоянной вре-мени, как в линейном УПЧ.

Линия задержки позволяет всем импульсам с выхода диодов ВD1 –ВDn приходить к нагрузке одновременно (учитывается задержка в каж-дом каскаде УПЧ). Амплитудная характеристика каскадов линейна для малых амплитуд и имеет ограничение при каком-то значении Еогр. Сле-довательно, импульсы большой амплитуды ограничиваются и на сумма-тор поступают с одинаковой амплитудой, равной Еогр.

Входные импульсы различной амплитуды (в большом диапазоне изменения) ограничиваются в различных каскадах УПЧ (самый слабый - в последнем, самый сильный - в первом), и прирост амплитуды вход-ных импульсов при большой амплитуде происходит в меньшей степени, чем при малой амплитуде. В результате амплитудная характеристика состоит из отдельных линейных участков с постепенно уменьшающим-ся наклоном (рис. 4), приближаясь по форме к логарифмической харак-теристике.

Применение логарифмического УПЧ с дифференцирующей цепью, имеющую МПВ, позволяет снизить уровень отражений от моря и дождя до уровня собственных шумов.

После дифференцирующей цепи с МПВ из выходного сигнала УПЧ исключается постоянная составляющая (удаляется среднее значение), и амплитуда помех от моря будет при любых расстояниях на одном уров-не с собственными шумами приемника.

Следовательно, на выходе логарифмического УПЧ помехи значи-тельно ослаблены, а амплитуды слабых и сильных отраженных импуль-сов выравниваются, поэтому регулировка усиления в процессе работы не требуется.

Динамический диапазон входных сигналов логарифмических УПЧ может достигать 100 дБ, и более. Динамический диапазон выходных сигналов может быть сжат от 30…40 дБ до 3…4 дБ.

Преимуществом логарифмических усилителей является также их безинерционность, способность реагировать как на регулярные, так и на случайные помехи, способность мгновенно восстанавливать чувстви-тельность после воздействия сильных помех.

Наряду со всеми вышеперечисленными методами борьбы с поме-хами также используется межобзорный метод фильтрации за несколько оборотов антенны. Основан метод на корреляционной независимости помех дождя, разделенных во времени на один, два и более оборотов антенны. Если за несколько оборотов антенны на одном и том же ази-муте и на одном и том же дискрете дальности цель постоянно обнару-живается, то это реальная цель. Если за n оборотов антенны цель обна-

36

ружена лишь k раз (k < n), то это ложная цель. Эта цель фильтруется. Таким образом, обеспечивается межобзорная фильтрация несинхрон-ных помех: помех моря, дождя и других вводов помех.

Все вышеперечисленные методы обеспечения фильтрации раз-личного рода помех учитываются при проектировании новых моделей радиолокационных станций. Несомненно, важным вопросом является правильный подбор компонентов приведенных схем. От этого зависит качество работы станции и, как следствие, условия судовождения, жизнь судна и экипажа.

Литература 1. Демиденко, П.П Судовые радиолокационные и радионавигационные системы: Учебное пособие. – Одесса: Феникс, 2009. – 372 с. 2. Байрашевский, А.М., Ничипоренко Н.Т. Судовые радиолокационные системы: Учебник для морских вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1982, 317 с. 3. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития. / Под ред. Канащенкова А.И. и Меркулова В.И. – М.: Радио-техника, 2003. – 416 с. 4. Решетнев, М.Ф. Развитие спутниковых радиолокационных систем. Информационный бюллетень НТЦ «Интернавигация». – 1992. - № 1. – С. 6-10.

УПРАВЛЕНИЕ КОНРАДОМ 25Р В ГОНКЕ

Ярощук Владислав Валерьевич, Акмайкин Денис Александрович Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент Акмайкин Д.А.

vlad-byer.88@mail.ru

Яхта (от голл. Jacht), парусное, парусно-моторное судно для вод-ного спорта и прогулок. Спортивные парусные яхты различают по кон-струкции корпуса, площади парусов, наличию киля или шверта. Парус-ная яхта имеет две главные части: корпус и вооружение. На корпусе размещается экипаж и предметы снабжения яхты. Под вооружением понимаются паруса и все устройства для установки парусов и управле-ния ими.

Морские яхты делают с постоянными балластными килями. Дни-ще корпуса яхты переходит в глубокий плавник, создающий боковое сопротивление. Для придания большей остойчивости к нижней части этого плавника крепится чугунный или свинцовый груз, называется балластным килем или фальшкилем.

  37

Когда подняты стартовые флаги яхта находится в гонке. Важным выбрать нужную стартовую позицию т.к. старт это самый перенаселен-ный момент гонки. При старте против ветра благоприятной будет сто-рона ближе к знаку, с которой яхта, идущая курсом крутой бейдвинд, пе-ресечет стартовую линию впереди яхты, стартующей в то же время с дру-гого конца. Яхта идущая на правом галсе имеет преимущество над яхтой левого галса. Наветренная яхта должна сторониться подветренной.

При лавировке стоят две тактические задачи. 1. Использовать природные условия для того, чтобы привести ях-

ту к наветренному знаку в кратчайшее время. 2. Идти курсом, который сводит до минимума неблагоприятное

влияние других яхт. Нужно настроить яхту так, чтобы была максимальная тяга создан-

ная парусами. Стаксель – это парус, установленный на носовой части яхты, кре-

пится галсовым углом, поднимается фаловым углом и управляется шкотовым углом. На нем расположены колдунки- это индикаторы на-стройки паруса, они должны быть параллельно друг другу, независимо от изменения курса относительно ветра т.к. видно как идет воздушный поток. Не должен быть перебит по фалу, это видно кода он не в рабочем положении на нем идет складка по передней шкаторине. Выставлен по шкотовому углу по ветру.

Грот – это парус установленный в мачту, крепиться галсовым уг-лом к гику, поднимается фаловым углом и управляется шкотовым уг-лом, гика-шкотами и оттяжкой киненхемы. На задней шкаторине распо-ложены колдунки. Когда грот перебит по фалу, образуется складка по передней шкаторине, когда по шкотовому углу, образуется поперечная складка вдоль гика. Шкотовый угол травят при попутных курсах и сла-бом ветре, чтоб увеличить тяговую силу.

а б в

Рис. 1. Колдунки стакселя: а) правильное положение; б) не правильное положение; в) не правильное положение

При правильном несении стакселя (рис. 1а) нужно поддерживать его положение и регулировать угол закрытия задней шкаторине, чтобы

38

дать свободную работу грота. Если подветренный колдунок начинает запаласкивать(рисунок 1 б), нужно потравить(отпустить) стаксель-шкот (стаксель-шкот рисунок 2 а), до момента параллельности колдунков или привести яхту к ветру(круче к ветру). Когда наветренный колдунок на-чинает идти к вверх или вниз нужно подобрать(подтянуть) стаксель-шкот или увалить(полнее к ветру) яхту до параллельности колдунков.

а б

Рис. 2. а) стаксель-шкот; б) погоны стаксель-шкота

Для лучшей настройке стакселя используется второй по-гон(черного цвета, рисунок 2б). Он помогает гроту полностью рас-крыться, не дает заполаскивать передней шкаторине, увеличить рас-стояние между стакселем и гротом. Дает ощутимый результат в скоро-сти и управлении в сильный ветер яхта меньше приводится и висит на руле, становится более сбалансированной.

Грот работает правильно, когда он выставлен максимально под ветер. Колдунки на гроте должны быть параллельны друг другу(быть продолжением паруса, рисунок 3а), выставлен по шкотовому углу, не перебит по фалу, выставлен по оттяжке кинегхемы. Когда колдунки за-ворачиваются на подветренную сторону грота, нужно потравить гика-шкот до положения параллельности или привести яхту. Колдунки заво-рачиваются на наветренную сторону(рисунок 3в), нужно подобрать ги-ка-шкоты или увалить яхту.

а б в

Рис. 3. Колдунки на гроте: а) правильное положение; б,в) не правильное положение

  39

В сильный ветер яхте свойственно ходить под большим креном, попадать в брочиг(потеря управляемости), большой дрейф и большие нагрузки. Во избежание этого нужно уплощать грот с помощью грота-шкота(рис. 4а), оттяжки гика(рис. 4г) и киненгхемы(рис. 4б) и ахтер-штага(рис. 4в), для изменения угла атаки ветра. Менять стаксель на меньший по размеру.

а б

в г

Рис. 4. а) грота-шкот; б) оттяжка киненгхемы; в) ахтерштаг; г) оттяжка гика

Для убирания продольных складок, уплощения грота и прогиба мачты применяют оттяжку киненгхемы (рисунок 4б). Она отдается на полных курсах и редко используется в слабые ветра. Он крепиться чуть выше галсового угла и тянет грот вниз, при этом создает продольную складку вдоль гика, так как уплощает грот. Для уплощения грота и из-гиба мачты есть оттяжка гика и киненхема. Ими работают на острых курсах. На попутных курсах их травят для создания ровного профиля мачты, чтобы сместить центр парусности вперед, и можно сломать мач-ту в момент брочинга (потеря управляемости).

40

а б в

Рисунок 5. а) ровный профиль мачты; б) изогнутый профиль мачты; в) ванты

Профиль мачты создается с помощью вант (рис. 5в). Когда яхта стоит не в вооруженном состоянии, он должен иметь ровный профиль. В средние и сильные ветра мачта должна работать, т.е. скидывать лиш-нюю нагрузку. Это достигается ее прогибом вперед и в бок на подвет-ренную сторону, а топ (верх мачты) уходит на наветер.

Ровный профиль мачты(рис. 5а) создается в слабые ветра и при попутных курсах, чтобы сместить центр парусности вперед. Изогнутый профиль(рис.5б) используется в средний и сильный ветер, чтоб сме-стить центр парусности вперед и при этом уплощается грот, что создает в свою очередь меньшее сопротивление паруса. Изгиб мачты осуществ-ляется с помощью оттяжки гика, оттяжки киненгхемы и ахтерштага.

а б Рисунок 6. а) откренивание яхты; б) закренивание яхты

При накренивании яхты от ветра, экипажу нужно пересаживать-

ся на наветренный борт(рис.6а), для уменьшения крена который увели-чивает дрейф, уменьшает скорость приближения к знаку и ухудшает управление яхты которое способствует к ее приведение к ветру. В сла-бый ветер если яхта стоит ровно, она не будет быстро идти относитель-но других. Нужно закренить лодку на подветренную сторону(рис.6б) для создания формы парусов.

  41

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 004

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В РАМКАХ СТУДЕНЧЕСКОГО НАУЧНОГО СЕМИНАРА

«ИНТЕРФЕЙС МОЗГ-КОМПЬЮТЕР»

Вишняков Марк Сергеевич, Ларин Илья Алексеевич, Маркин Михаил Евгеньевич

Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент Гончаров С.М. markusklio@yahoo.com, larin_ilia@inbox.ru, markin_1941@mail.ru

В течение весеннего семестра на кафедре Безопасности Информа-

ции и телекоммуникационных систем МГУ им. адм. Г.И. Невельского работал студенческий научно практический семинар «Интерфейс мозг-компьютер». Интерфейс мозг-компьютер (ИМК) – технология обмена информацией между мозгом и компьютером. С помощью этой техноло-гии человек получает возможность на основе лишь деятельности мозга формировать команды для компьютера.

В рамках семинара проводились исследования по однонаправлен-ному интерфейсу мозг-компьютер на основе электроэнцефалограммы. Электроэнцефалография (ЭЭГ) – это методика нейрофизиологи-ческого измерения электрической активности мозга путем размещения электродов на коже головы (для лучшей электропроводности на них на-носится проводящий гель) или, в особых случаях, прямо в коре голов-ного мозга. Сигналы с электродов (их амплитуда составляет около 100 мкВ на коже головы и 1–2 мВ в коре мозга) усиливаются и подаются на вход компьютера, после чего обрабатываются по специальным алго-ритмам.

Первые попытки создания нейро-компьютерных интерфейсов на-чались в 80-х годах прошлого века в Германии. Они были ориентирова-ны на то, чтобы помочь полностью парализованным людям управлять инвалидным креслом и общаться с окружающими [1].

В рамках семинара проводятся исследования на базе оборудова-ния «EPOC» компании «Emotiv».

Технические характеристики EPOC Emotiv: • число датчиков - 14 шт.; • тип датчиков - пассивные, мокрые;

42

• батарея – 7 часов без подзарядки; • соединение с компьютером - беспроводная радиосвязь.

EPOC Emotiv позволяет получать данные об активности мозга с 14 одновременно подключённых датчиков, схема размещения которых представлена на рисунке 2. В качестве программной среды, обеспечи-вающей взаимодействие с исходными данными ИМК, в исследованиях использовался пакет«OpenViBE».

«OpenViBE» - программная платформа, предназначенная для раз-работки, тестирования и использования интерфейсов мозг-компьютер. Данный пакет является свободно распространяемым программным обеспечением (в соответствии с лицензией «LGPL-v2 +»), разрабаты-ваемом в среде «C++».

В числе функциональных возможностей пакета отметим следующие: • предварительная обработка сигналов; • спектральный анализ; • визуализация; • интеграция с внешним программным обеспечением [2].

Рис. 2. Схема размещения электродов на голове пользователя

Рис. 1. Общий вид устройства

  43

В течение весеннего семестра проводились эксперименты по сле-дующим направлениям:

• топографическое картирование головного мозга; • буквопечатание на основе сигнала P300; • «Motor Imagery».

Топографическое картирование Метод топографического картирования получил широкое распро-

странение как в клинической практике, так и в исследовательской прак-тике для анализа возможных источников ЭЭГ. В ходе проведенных экс-периментов реализовано отображение активности зон мозга в режиме реального времени. Составлена двумерная (или трехмерная) карта го-ловного мозга на основе потенциалов (как положительных, так и отри-цательных) на электродах устройства.

Рис. 3. Двумерная карта головного мозга

Буквопечатание Сигнал P300 возникает в мозге человека при узнавании знакомого

предмета с задержкой на 300 миллисекунд. P300 является сильным и хорошо различимым, поэтому его можно зафиксировать с помощью внешних сенсоров.

Рис. 4. Экран ИМК, использующего парадигму Фаруэлла-Дончина

44

ИМК на основе волны P300 (ИМК Фаруэлла-Дончина, далее ИМК-ФД) — один из подходов к минимизации сознательных усилий: исполь-зования хорошо выраженных реакций мозга, возникающих при выпол-нении максимально простых инструкций. Авторами был реализован ин-терфейс буквопечатания на основе ИМК-ФД. Испытуемому предлагает-ся таблица 6х6 заполненная буквами латинского алфавита и цифрами. С заданным интервалом подсвечиваются строки и столбцы таблицы. Ис-пытуемый фокусирует внимание на определённом символе, а интерфейс производит счет числа подсветок, попадающих на заданную букву. Ам-плитуды потенциалов , связанных с событием, на определенное число "целевых" и "нецелевых" подсветок (соответственно, включающих и не включающих заданные буквы) по нескольким каналам используются для обучения классификатора [3.

Работа классификатора основывается на линейном дискриминант-ном анализе. Когда он обучен, максимумы его значений раздельно по строкам и столбцам указывают, соответственно, строку и столбец, на пересечении которых предположительно находится буква. Реали-зованный интерфейс позволяет пользователю производить «набор» тек-стов как заранее заданных, так и собственных.

Распознавание воображаемого движения «Motor Imagery» – это воображаемое движение конечностями. Дан-

ная технология используется в спортивной подготовке, неврологиче-ской реабилитации, а также используется в качестве исследовательской парадигмы в когнитивной нейробиологии при исследовании скрытых процессов, которые предшествуют выполнению действий.

Наиболее ярко выраженные сигналы «Motor Imagery» проявляются в теменной и затылочной долях мозга человека. Использование ИМК со схемами размещения электродов в этих зонах позволяют реализовывать до 3-4 различных степеней свободы.

Авторами разработана реализация, которая позволяет с уверенно-стью распознать воображаемое движение левой/правой рукой с визуа-лизацией, отображающей уровень сигнала.

Литература 1. Нейро-компьютерные интерфейсы профессора биологического

факультета МГУ имени М.В.Ломоносова // Наука / MSUNews [сайт]. [2011]. URL: http://www.msunews.ru/news/2642/

2. Features // OpenViBE Software for Brain Computer Interfaces and Real Time Neurosciences [сайт]. URL: http://openvibe.inria.fr/?q=features.

3. С.Л.Шишкин, И.П.Ганин, И.А.Басюл, А.Я.Каплан. Интерфейс мозг-компьютер на основе волны P300: волна N1 и проблема дистрак-торов. В сб.: Материалы XV Междунар. конф. по нейрокибернетике. 23-25 сентября 2009 г. Изд-во ЮФУ, 2009. Т. 2. Симпозиум "Интер-фейс мозг-компьютер". С. 32.

  45

ЭТАПЫ ВЫРАБОТКИ КЛЮЧА НА ОСНОВЕ ЭЛАСТИЧНОГО ГРАФА ЛИЦА

Горишный Сергей Ярославович, Суховей Александр Александрович

Научный руководитель: канд. физ.-мат. наук, доцент Гончаров С.М.

nin_ind@mail.ru Первые шаги в области генерации ключевых последовательно-

стей на основе нечетких данных были сделаны в 1999 году учеными Монро, Райтером, Ли и Ветзелем [1]. Ими была получена уникальная ключевая последовательность на основе клавиатурного почерка. Но длина ключа составляла всего 16 бит и надежность такой системы была низка. Позже, этими же учеными, была предложена схема на основе голоса человека [2]. Длина ключа была уже 48 бит, но практического применения такая система тоже не получила.

Работы в области генераторов ключевой последовательности на основе изображения лица появились в 2003 году. Го и Нго объединили несколько подходов и построили систему на основе геометрии лица [3]. Длины генерируемых ключей в их системе составили 80 бит. При этом вероятность ошибки первого рода была менее 1%. Это была един-ственная работа на тот момент, результаты которой уже можно было применять в практических системах.

Опишем систему распознавание людей, используя эластичный связный граф. Граф строится по отдельным изображениям лица чело-века в различных положениях. В системе информация об изображении хранится в виде связных графов, по одному для каждого положения. Граф строится на соответствии ряда ключевых точек (краев глаз, рта, очертании лица и т.д.). Связные графы обрабатываются на основе фильтров Габора в ключевых точках и создают модель изображения. Эта модель применяется к другим изображениям, чтобы найти ключе-вые точки. Значения фильтров в этих точках и их позиции объединя-ются в граф изображения, который не зависит ни от ориентации, ни от масштаба изображения.

В качестве меры уникальности лица предлагается использовать длины ребер графа. Таким образом, можно определить формальный ал-горитм, создающий уникальную ключевую последовательность. Такой алгоритм состоит из двух модулей – модуля регистрации (генерации), который генерирует ключевую последовательность и открытый ключ, и модуля аутентификации, восстанавливающий ключевую последова-тельность из предъявляемого открытого ключа и биометрического об-разца.

46

Рис. 1. Граф изображения лица в различных положениях(a и b)

В качестве секретного ключа K модуля регистрации использует-

ся вектор случайно сгенерированных чисел (k1,…,kn), где n – количест-во ребер в получившемся графе. В качестве величины возможного ис-кажения ti, i=1,…,n, берется величина максимального отклонения дли-ны i-го ребра от среднего значения.

Пусть ei,j – i-ое ребро в изображении под номером j, j=1,…,10. Тогда средняя длина i-го ребра будет:

nin

ee j

ji

i ,...,1,

10

1,

==∑

=

Максимальное отклонение длины от его среднего значения най-дем по формуле:

40,...,1),(max , =−= jeed jiji

Тогда ti найдем по формуле: ,40.…1,=i 1, + d = t ii

Теперь, когда мы имеем секретный ключ K=(k1,…,kn), вектор ис-правляющих способностей (t1,…,tn) и вектор усредненных значений ре-бер (e1,…,en), можно получить вектор открытых ключей V=(v1,…,vn):

n,,…1,=i ,e + )t,(kC = v iiiei где Ce – функция помехоустойчивого шифрования. После гене-

рации открытого ключа считается значение h: H(K), =h

где функция H – некая хеш-функция. В задачи модуля аутентификации входят восстановление секрет-

ного ключа, сравнение его с эталоном и принятие решение об успеш-ной, или же неудачной, аутентификации. Первые шаги модуля, а имен-но создание изображения лица из видеопотока (фотографии, кадра) и создание эластичного графа лица идентичны первому, за исключением того, что сканирование происходит всего один раз. После построения

  47

графа лица считаются длины ребер графа, и модуль переходит к про-цессу восстановления ключа.

Итак, имеем открытый ключ V=(v1,…,vn), значение хеш-функции h от открытого ключа и длины ребер e’1,…,e’n. Процесс восстановления ключа выглядит следующим образом:

n,,…1,=i ),e' - e + )t,(k(CC = )e' - (vC = ik' iiiiediid где Cd – функция декодирования. Из формулы видно, что если величина ei – e’i меньше величины исправляющей способности ti, то k’i будет равен ki. Далее высчитывается значение хеш-функции h’=H(K’) от получен-ного ключа K’=(k’1,…,k’n) и сравнивается с эталонным значением h:

.,...,1,),dim(' ' niteehh iii =<⇔= В случае совпадения значений хеш-функций принимается реше-

ние об успешной аутоинтефикации.

Литература: 1. F. Monrose, R. Reiter, S. Wetzel. Password hardening based on keystroke dynamics. //Proceedings of sixth ACM Conference on Computer and Com-munications Security. — CCCS, 1999. 2. F. Monrose, R. Reiter, Q. Li, S. Wetzel. Cryptographic key generation from voice. //Proceedings of the 2001 IEEE Symposium on Security and Privacy. — 2001. 3. A.Goh, D. Ngo. Computation of cryptographic keys from face biomet-rics. //International Federation for Information Processing 2003. — Springer-Verlag, LNCS 2828, 2003. — pp. 1—13.

НЕЧЕТКАЯ ЛОГИКА В ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ

Левченко Наталья Георгиевна Научный руководитель: д. т. н., профессор Глушков С.В.

levchenko@msun.ru

Л.Заде первым ввел понятия нечеткого множества, нечеткой и лингвистической переменных [1]:

Определение 1. Нечеткое подмножество А универсального множества U характеризуется функцией принадлежности µА: →[0,1], которая ставит в соответствие каждому элементу uЄU чис-ло µА(u) из интервала [0,1], характеризующее степень принадлежно-сти элемента к подмножеству А.

Носителем нечеткого множества А называется множество таких точек в U, для которых величина µА(u) положительна.

48

Высотой нечеткого множества А называется величина supU µА(u).

Точкой перехода нечеткого множества А называется такой элемент множества U, степень принадлежности множеству А кото-рого равна 0.5.

Нечеткое множество отличается от обычного множества тем, что относительно любых его элементов можно сделать три утверждения: первые два рассматриваются в обычной (четкой) математике – «Эле-мент принадлежит данному множеству», «Элемент не принадлежит данному множеству», и третье – «Элемент принадлежит данному мно-жеству со степенью уверенности µ». При этом 0<µ<1. Первые два ут-верждения соответствуют µ=1 и µ=0 [2].

Над нечеткими множествами возможны логические операции: включение, эквивалентность, объединение, пересечение, дополнение. И алгебраические: сумма, произведение, возведение в степень, которые называют концентрацией и растяжением. Функцию принадлежности (ФП) можно определить как кривую, указывающую, каким образом ка-ждая точка входного пространства отображается в степень принадлеж-ности между 0 и 1. Форма ФП определяется разработчиком системы, исходя из условий эффективности использования. В данном случае вы-брана Гауссова функция принадлежности или сигмоидальная.

e aijxxk)()( −= −µ , (1)

где параметр aij обозначает центр нечеткого множества, а коэффициент k позволяет произвести растяжение или концентрацию ФП, показанную на рисунке 1.

Рис. 1. Форма функции принадлежности

Определение 2. Нечеткая переменная характеризуется трой-кой (X, U, R(X;u)), где X – название переменной, U – универсальное множество (конечное и бесконечное), u – общее название элементов множества U, R(X;u) – нечеткое подмножество множества U, пред-ставляющее собой нечеткое ограничение на значения переменной u,

  49

обусловленное X. Неограниченная обычная (не нечеткая) переменная u является для X базовой переменной.

Определение 3. Лингвистическая переменная характеризуется набором (χ, T(χ), U, G, M), в котором χ – название переменной; T(χ) (или просто T обозначает терм-множество переменной χ, т.е. множество названий лингвистических значений переменной χ, причем каждое из таких значений является нечеткой переменной Х со значениями из уни-версального множества U с базовой переменной u; G – синтаксиче-ское правило (имеющее обычно форму грамматики), порождающее на-звания Х значений переменной χ, а M – семантическое правило, кото-рое ставит в соответствие каждой нечеткой переменной Х ее смысл M(X), т.е. нечеткое подмножество M(X)универсального множества U. Конкретное название Х, порожденное синтаксическим правилом G, на-зывается термом. Терм, состоящий из одного или нескольких слов, все-гда фигурирующих вместе друг с другом, называется атомарным термом. Терм, состоящий из одного или более атомарных термов, на-зывается составным термом.

Для создания имитационной модели с использованием нечеткой ней-ронной системы в качестве примера был выбран учебный процесс в вузе.

Систему образовательного процесса можно рассматривать как со-циально ориентированную систему типа «вход – выход». Если нечеткие отношения вход – выход заданы, то модель системы можно сформули-ровать с помощью композиционного правила вывода, которая описыва-ется матрицей отношения R и называется представлением системы. То-гда системное уравнение определяется выражением Вi =Аi * R, где Аi – нечеткое входное, Вi – нечеткое выходное множества, * – некоторый оператор [2].

В социально ориентированных системах пары вход – выход зада-ются нечеткими условными высказываниями или предложениями типа «ес-ли А, то В», где А и В – нечеткие подмножества входного множества U и выходного множества V соответственно. Совокупность таких высказыва-ний можно рассматривать как вербальное задание нечеткой системы [2].

Следуя теории нечеткой идентификации для построения модели, прежде всего, необходимо определить оценивающие и влияющие на учебный процесс факторы, а также их взаимосвязь. Большей частью не-известно всё количество влияющих факторов и не все они явные. По-этому выделен некоторый набор критериев, который в процессе совер-шенствования модели может дополняться, не влияя на саму систему (метод решения), зато качественно улучшая «портрет» объекта исследо-вания (изучения).

Далее, определить нечеткие «Если - то» правила взаимодействия всех выявленных факторов.

50

Следующий этап – составить из экспериментальных данных обу-чающие выборки для обучения нейронной сети.

Используя вычислительную среду MATLAB – пакет Fuzzy Logic Toolbox – метод идентификации нечеткими базами знаний Мамдани и Сугено, создать модель учебного процесса.

Затем составить тестовые из реальных данных выборки и срав-нить результаты, используя известные математические методы, напри-мер, SRME – метод наименьших квадратов.

Искусственная нечеткая нейронная сеть (ИННС) прямого направ-ления в результате прогона многочисленных обучающих выборок должна выдать модель, которая с незначительной ошибкой будет соответ-ствовать реальному учебному процессу. Верификацию и адекватность данной модели необходимо проверять на реальных данных, подготовлен-ных по информации о выпускниках вуза, предоставленной деканатом.

В результате, станет ясным, как происходил процесс передачи и усвоения знаний от курса к курсу, как изменялись оценивающие показа-тели курсанта под действием различных влияющих факторов.

Все значения могут рассматриваются как по отдельной дисципли-не, так и по категориям: ГСЭ, ЕН, ОПД, СД, ДС, факультативы.

Итак, на входе системы находится множество оценивающих па-раметров абитуриента (xi), которые можно разбить на две группы: учеб-ная успеваемость (xoij – оценки ЕГЭ по каждому вступительному j-му предмету i-го абитуриента, которые задаются в лингвистической фор-ме: «отлично», «хорошо» или «удовлетворительно») и психологический портрет (soij – стремление к обучению, koij – умение жить и работать в коллективе – его коммуникабельность, uoij – уравновешенность (устой-чивость к стрессам)) и пр. Они также задаются в лингвистической форме: «отличное», «хорошее» или «удовлетворительное». Весь ком-плект характеристик будущего курсанта неизвестен и не может быть из-вестен по объективным причинам. Однако некоторые данные могут быть извлечены из результатов тестов, которые проходят абитуриенты перед поступлением на плавательные специальности.

Далее в процессе обучения эти параметры изменяются под дейст-вием влияющих факторов. Они также подразделяются на несколько групп: образовательная, финансовая, обеспечивающая образовательный процесс, социальная.

Образовательная группа: kvij – квалификация yi-го преподавателя по dj-ой дисциплине, за-

данная лингвистически («высокая», «средняя», «низкая»). Преподаватель (yi) может быть: ассистентом, старшим преподава-

телем, доцентом, профессором.

  51

str_pij – стремление к обучению yi-го преподавателя по dj-ой дис-циплине, заданное лингвистически («высокое», «среднее», «низкое»). Оно зависит от возраста преподавателя (ageij).

Также стремление преподавателя зависит от заработной платы (zpij), которая входит в финансовую группу.

str_kij – стремление xi-го курсанта к получению знаний по dj-ой дисциплине, заданное лингвистически («высокое», «среднее», «низ-кое»). Оно зависит от престижности профессии (prestij из социальной группы) по мнению курсанта, т.к. он заинтересован получить такое об-разование, которое позволит ему трудоустроиться на высокооплачивае-мую должность. Мнение курсанта может меняться от курса к курсу.

kvij – квалификация yi-го преподавателя по dj-ой дисциплине, за-данная лингвистически («высокая», «средняя», «низкая»).

Финансовая группа: zpij – заработная плата yi-го преподавателя по dj-ой дисциплине,

заданная лингвистически («высокая», «средняя», «низкая»). Зависит от квалификации и от возможности администрации вуза достойно оплачи-вать труд.

fes_kij – стипендия xi-го курсанта, заданная лингвистически («вы-сокая», «средняя», «низкая»).

fes_libij – фонд средств на закуп новой учебной литературы. fes_equipij – фонд средств на закуп нового учебного оборудования. Обеспечивающая образовательный процесс группа: libij – обеспечение литературой, заданное лингвистически («высо-

кое», «среднее», «низкое»). Зависит от фонда средств на закуп новой учебной литературы.

equipij - обеспечение оборудованием, заданное лингвистически («высокое = H», «среднее=M», «низкое=L»). Зависит от фонда средств на закупку нового учебного оборудования.

Социальная группа: ageij – возраст yi-го преподавателя по j-ой дисциплине, который

делится на 3 периода и задается нечеткой переменной (см. рис. 2).

 Рис. 2. ФП возраста преподавателя

52

comfort_pij – комфортность yi-го преподавателя на рабочем месте

(на кафедре, на лекции, на лабораторных работах, взаимоотношения с коллективом). Зависит от возраста и квалификации преподавателя.

comfort_kij – комфортность xi-го курсанта в учебном процессе, в общежитии, взаимоотношения с коллективом курсантов, преподавате-лей, командующим составом.

com_kij – участие xi-го курсанта в общественной жизни вуза (наря-ды, художественная самодеятельность, спорт, научные конференции).

ФП влияния факторов на процесс обучения можно представить схемой 3.

Рис. 3. ФП влияния факторов на процесс обучения

Итак, опишем правила: Обозначим лингвистические переменные для краткости записи:

«высокое» = H, «среднее» = M, «низкое» = L. Для нахождения лингвистического значения возраста преподавате-

ля (т.к. оно задано числовым значением) воспользуемся определением 1 (Л. Заде) и зададим Высоту (supU µА(u)):

«Молодой» = 25 = L, «Средний возраст» = 45 = H, «Пожилой» = 65 = M.

Точки перехода (степень принадлежности равна 0.5: «Молодой» = 21и 33, «Средний возраст» = 40 и 55, «Пожилой» =

60 и 70. Для определения лингвистического значения успеваемости или ос-

воения материала (оценки) студента по определенному предмету зада-дим Высоту (supU µА(u)):

«Высокая» = 5 = H, «Средняя» = 4 = M, «Низкая» = 3 = L. Точки перехода (степень принадлежности равна 0.5: «Высокая» = 4 и 5, «Средняя» = 3 и 4, «Низкая» = 2 и 3.

  53

Для определения лингвистического значения квалификации препо-давателя по определенному предмету зададим Высоту (supU µА(u)):

«Высокая» = профессор, зав. Кафедрой = H, «Средняя» = доцент, старший преподаватель = M, «Низкая» = ассистент = L.

В образовательном процессе самым важным является показатель усвоения знаний определенным курсантом/студентом по определенной дисциплине. И он зависит от таких факторов, как: образовательная сре-да, которая состоит из стремления преподавателя к отдаче знаний, обес-печение учебного процесса литературой и оборудованием и стремление самого курсанта к усвоению знаний.

Таким образом, показатель усвоения знаний по определенной дис-циплине D может быть описан правилом:

kstremeducationD jiij _+= где

(2)

libequippstremeducation iiii++= _

(3)

Стремление преподавателя к отдаче знаний зависит от 4 факто-ров: квалификации, возраста, заработной платы, комфортности, которые также имеют зависимости между собой.

(Итак, Strem_p = kv+ age+ zp+ comfort_p)

Обеспечение учебного процесса литературой зависит от 2 факто-ров: фактическое наличие литературы и фонда финансирования литера-туры, которые также имеют зависимости между собой.

(lib = lib_n + lib_f)

Обеспечение учебного процесса оборудованием 2 факторов: фак-тическое наличие оборудования и фонда финансирования оборудова-ния, которые также имеют зависимости между собой.

(equip = equip_n + equip_f)

Стремление курсанта к усвоению знаний зависит от 5 факторов: базовых знаний, финансирования, комфортности, участия в научной и общественной жизни вуза, которые также имеют зависимости между собой. Причем фактор участия в общественной жизни вуза носит скорее отрицательное влияние – наряды, субботники.

(Итак, Strem_k = know +fes_k + comfort_k + com_k_n + com_k) В данном контексте знак + не является знаком арифметического

сложения, это логическое «и». В общем случае правило-высказывание будет иметь вид: Если Х1=А1i и Х2=А2i и … Хn=Аni , то S=Bi

где Х1 , Х2 … Хn набор критериев, А1i , А2i …Аni их лингвистических пе-ременных на базовых множествах U1 , U2 … Un соответственно.

54

Операции пересечения нечетких множеств соответствует нахожде-ние минимума их функций принадлежности:

))(),...,(),((min)( 2211 uAinuAiuAiVv

vAi nµµµµ∈

=

(4)

где V=U1XU2X…XUn, v=(u1, u2,...un), )(uAij jµ – значение принадлеж-

ности элемента uj нечетному множеству Аij.

Показатель усвоения знаний (Kpd) группой кадетов (студентов) по всем дисциплинам может быть определен следующим правилом:

∑ =−+=

N

i rijrrj DKpdKpd 11

(5)

где Kpd0j- рассчитывается по результатам ЕГЭ j-го абитуриента, i – но-мер дисциплины на r-м курсе, N-количество дисциплин r-го курса.

Эксперименты на имитационной модели позволяют выявить важ-ные механизмы и степени корреляции, например, как ведет себя показа-тель отдачи и усвоения знаний (D) по определенной дисциплине, если не только варьировать степенью градации качества входящих в него различных критериев, факторов, оценок, но и ранжировать их, или ка-кова зависимость показателя усвоения знаний (Kpd) группой курсантов (студентов) от показателя D. И, наконец, определить наиболее эффек-тивные управляющие воздействия на систему, чтобы обеспечить высо-кое качество образовательных услуг.

Литература: 1. Заде, Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений // Л. Заде.– Математика. Новое в за-рубежной науке. Редакторы серии: А.Н. Колмогоров, С.П. Новиков : Перевод с английского Н.И. Ринго. Под редакцией Н.Н. Моисеева и С.А. Орловского. – Издательство «Мир», Москва, 1976. – 167 с. 2. Танака, Х. Модель нечеткой системы, основанная на логической структуре // Х. Танака, Т. Цукияма, К. Асаи. /Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения: Под ред. Рональда Р. Ягера; пер. с англ. В.Б. Кузьмина под ред. С.И. Травкина. – М.: Радио и связь, 1986. –408 с.: ил.

  55

АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ЛАГОВ

Перехода Сергей Юрьевич

Научный руководитель: д.т.н., проф. Завьялов В.В.

Безусловно, задача автономного определения путевой скорости и угла сноса судна является одной из важнейшей в судовождении и, в ча-стности, безопасности мореплавания. Эта задача в настоящее время ре-шается различными техническими средствами навигации. Одним из уст-ройств для обеспечения навигационной безопасности плавания является лаг – устройство для измерения скорости и пройденного расстояния. Су-ществует множество различных видов лагов: индукционный, допплеров-ский, гидродинамический, геомагнитный и др. В настоящее время боль-шое внимание начали уделять корреляционным лагам, поскольку данный тип лагов имеет множество преимуществ, среди которых – точность. В корреляционном лаге задача измерения скорости сводится к нахождению временного сдвига сигналов, принятых разнесенными приемными антен-нами. Этот сдвиг определяется в результате корреляционной обработки принятых сигналов. Для этой цели в тракт сигнала передней антенны вводится переменная временная задержка, затем вычисляется взаимно-корреляционная функция огибающих сигналов разнесенных антенн и отслеживается ее максимальное значение. [1,2]

Корреляционная функция характеризует тесноту стохастической связи (корреляции) между значениями случайного процесса в различ-ные моменты времени. В общем случае она является функцией двух ар-гументов и и представляет собой математическое ожидание произ-ведений центризованных значений случайной функции для этих двух аргументов

)]}(()][()({[),( 221121 tmtXtmtXMttK XXX −−= (1)

где )(tX – случайная функция )(tmX – математическое ожидание случайной функции Основные свойства корреляционных функций [3]: 1. Корреляционная функция симметрична. Перестановка аргумен-

та у корреляционной функции дает выражение (2)

2. Корреляционная всегда удовлетворяет неравенству , (3)

56

которое может быть сформулировано так: абсолютное значение корреляционной функции, взятое при двух произвольных аргу-ментах, меньше или равно среднему геометрическому диспер-сий, вычисленных порознь при тех же аргументах.

3. Корреляционная функция – функция определенно положитель-ная, т.е.

(4)

при любой неслучайной функции )(tϕ . Для измерения корреляционных и взаимных корреляционных

функций применяют специальные приборы, называемые коррелометра-ми. С их помощью получают либо отдельные ординаты корреляционной (взаимной корреляционной) функции при определенных значениях ар-гумента, либо график функции при определенных значениях аргумента, либо график функции – коррелограмму. Коррелометры воплощают раз-нообразные методы измерения.

Цифровой вариант метода перемножения (имеет другое название - «мультипликативный метод») предполагает дискретизацию времени и квантование по уровню. Вычислительные операции осуществляются со-гласно формулам

∑−

=

+=kN

iqqX kTiTxiTx

NkTK

100001 )()(1)( (5)

(6)

(7)

(8)

где )( 0iTxq и – квантованные значения центрированных реализа-ций и в дискретные моменты времени.

Свойство инвариантности стационарных процессов во времени по-зволяет заменить операцию перемножения значений и при определении корреляционной функции их сложением или вычитанием с последующим возведением суммы (разности) в квадрат. Остальные операции, необходимые для вычисления корреляционной функции, ос-таются такими же, как и при осуществлении метода перемножения. Для определения функции корреляции должна быть найдена функция

(9)

или

  57

(10)

Одна их характерных тенденций развития техники аппаратурного корреляционного анализа заключается в разработке методов и создании приборов для измерения нормированных функций корреляции случай-ных процессов. В этом плане определенный интерес вызывает метод среднего модуля разности. Его сущность заключается в косвенном оп-ределении нормированной корреляционной функции по результа-там измерения среднего модуля разности значений реализации случай-ного процесса в моменты, отличающиеся на интервал .

Для случайных процессов с гауссовским распределением вероятно-стей функция и средний модуль разности

(11)

связаны соотношением

(12)

где – коэффициент, зависящий от закона распределения вероятностей

и равный при гауссовском распределении; – среднеквадратиче-

ское отклонение случайного процесса . Стоит обратить внимание на негативные стороны метода среднего

модуля разности, так как акцент только на позитивные особенности мо-жет послужить причиной односторонней оценки метода.

Метод аппроксимации корреляционной функции суммой членов разложения ее в ряд заключается в определении функции корреляции в виде суммы членов разложения ее в ряд по ортогональным функциям. Корреляционную функцию стационарного случайного процесса можно определить рядом

(13)

где na - коэффициент Фурье; { )(τϕn } – семейство базисных функций, ортонормированных в интервале с весом . Это семейство ха-рактеризуется интегралом

(14)

где mnk - символ Кронекера, т.е. 0=mnk при nm ≠ или 1=mnk при nm = .

58

Метод преобразования Фурье предполагает двукратное быстрое преобразование Фурье (БПФ): сначала прямым преобразованием полу-чают оценку спектра мощности исследуемого случайного процесса, а затем производят обратное преобразование, дающее оценку корреляци-онной функции. Предварительно необходимо обратить внимание на то, что получаемая оценка представляет собой не обычную, а «цикличе-скую» оценку функции корреляции вида

(15)

где – оценка, определяемая по (5).

Достоинством БПФ заключается в снижении затрат машинного времени при вычислении спектральных характеристик по реализациям процессов на ЭВМ, причем в определенных ситуациях выигрыш време-ни получается существенным.

Как видно из написанного выше, каждый метод имеет как свои преимущества, так и свои недостатки. Метод преобразования Фурье, безусловно, является одним из самых точных из методов, представлен-ных выше. Также универсален метод умножения, хоть и имеет ряд су-щественных, с точки зрения построения вычислительного устройства, недостатков. К примеру, цифровой коррелятор, работающий по методу умножения при всех своих явных преимуществах должен выполнять квантование, сдвиг, умножение, суммирование и накопление. Такой коррелятор обычно представляет собой специальное цифровое вычис-лительное устройство значительного объема с большим числом типо-вых блоков в универсальных вычислительных машинах.

Проанализировав различные методы, можно сделать вывод, что ме-тод среднего модуля разности (СМР) наиболее оптимален для примене-нии его в вычислительном устройстве лага. Метод СМР можно отнести к косвенным методам. Его придумали для того, чтобы операцию умно-жения с целью упрощения аппаратуры заменить операциями суммиро-вания (вычитания). Данный метод универсален и применим к случай-ным стационарным эргодическим процессам с произвольными законами распределения. Кроме того, данный способ наиболее оптимален для та-ких инструментальных систем компьютерной математики, как Matlab, Mathcad и Mathematica.

Соотношения [11-12] дают возможность получать оценки корреля-ционных функций и коэффициентов корреляции через оценки модуля разности значений процессов, сдвинутых друг относительно друга на ин-тервал τ. При этом не требуется предварительного центрирования иссле-

  59

дуемых процессов [4]. Центрирование происходит автоматически в процес-се вычисления . Одно из основных преимуществ данного метода в том, что погрешность измерения (в том числе и флуктуационная) действительно меньше, чем при других методах. Стоит, конечно, обратить внимание и на метод сложения или вычитания с последующим возведением суммы (раз-ности) в квадрат. В данном случае это будет возведение разности в квадрат. При таком методе погрешности будут еще меньше. Но ставится задача «избавления» от лишних операций. Чем проще и дешевле будет реали-зация вычислительного устройства, тем лучше.

Таким образом, для оптимальной работы вычислительного устройст-ва корреляционного лага необходимо выполнить следующие условия, ко-торые на текущее время не выполнились или выполнились неполностью:

1. Для упрощения технической и алгоритмической реализации вычислительных устройств лагов необходима замена операции умноже-ния при оценке корреляционных функций.

2. Необходимо разработать структурные схемы вычислительных устройств корреляционного лага, использующих обработку сигналов по функциям их средних модулей разностей.

3. Так как при измерении модуля полной скорости и продольной скорости производится сравнение амплитуд корреляционных функций и функций средних модулей разностей, то возникает задача исследования приемоизлучающего тракта на погрешности.

Литература: 1. Букатый В. М., Дмитриев В. И. Гидроакустические лаги. – М.: Пи-щевая промышленность, 1980.–176 с. 2. Абсолютные и относительные лаги / К. А. Виноградов, В. Н. Кошка-рев, Б. А. Осюхин, А. А. Хребтов: Справочник. – Л.: Судостроение, 1990. – 264 с. 3. Мирский Г. Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их из-мерение. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 320 с. 4. Завьялов В. В. Измерители скорости с линейной базой направленных приемников. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2004. - 176 с.

60

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАСКИРУЮЩЕГО ПОЛИНОМА В КОНТЕКСТЕ ГЕНЕРАЦИИ КЛЮЧЕВОЙ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ ОСОБЫХ ТОЧЕК ОТПЕЧАТКОВ ПАЛЬЦЕВ

Суховей Александр Александрович, Горишный Сергей Ярославович Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент Гончаров С.М.

sumastal@mail.ru

Биометрические системы имеют давнюю историю и преимущест-венно используются для определения личности, предоставившей свои биометрические данные. Несмотря на узкое применение, появляются новые алгоритмы аутентификации по биометрическим данным. Совре-менные биометрические технологии позволяют идентифицировать пользователя по отпечаткам пальцев, сетчатке глаза, радужной оболоч-ке, кисти руки, а также по динамическим характеристикам личности: по скорости набора текста на клавиатуре, походке и т.д.

Системы биометрической аутентификации (СБА) имеют общий принцип работы. Во-первых, функционирование системы осуществля-ется в два этапа: регистрация биометрических данных и аутентифика-ция. Во-вторых, все СБА основаны на выделении биометрического об-раза – набора уникальных биометрических данных, характеризующих данную личность. Биометрический образ выделяется на этапе регистра-ции и сохраняется в базе данных для дальнейшего сравнения с вновь по-лученным образом в момент аутентификации пользователя.

Современные СБА имеют существенный недостаток – биометри-ческий образ в системе статичен, т.е. для конкретного исходного мате-риала может быть получен лишь единственный биометрический образ. Это означает, что при компрометации, например, отпечатка пальца (создание дубликата папиллярного узора) данные пользователя в систе-ме биометрической аутентификации не могут быть изменены.

Данный подход является классическим и не позволяет расширить область использования биометрических технологий по причине слож-ности биометрического образа (набор биометрических данных не может быть использован в криптографических алгоритмах). В результате ос-новное применение биометрические технологии нашли в системах кон-троля управления доступом (СКУД).

На данный момент основными направлениями, не считая нейросе-тевых технологий, в развитии биометрии как части криптографии явля-ются генераторы ключевых последовательностей на основе нечетких данных (ГКПНД) [1] и нечеткие хранилища (Fuzzy Vault) [2]. Первые основаны на использовании помехоустойчивых кодов, а в качестве ключевой последовательности применяется случайно сгенерированная. В данном подходе биометрические данные лишь блокируют ключ.

  61

Нечеткие хранилища не являются средством выделения последо-вательности из биометрических данных. Главной задачей является бло-кирование шифруемых данных, спроецированных на полином, случайно сгенерированными точками. Биометрическая информация в данном случае является вспомогательной для фильтрации лишних точек в про-цессе восстановления информации.

Поскольку данная система подвержена возникновению шумов из-за нечеткости биометрии, в ней также используются помехоустойчивые коды и дополнительные данные (Helper Data) [2] для повышения точно-сти. В результате сложность схемы и вычислений значительно возраста-ет по сравнению с ГКПНД.

Генерация ключевых последовательностей производится на осно-ве различных элементов отпечатка пальца. К ним могут относиться осо-бые точки, линии папиллярного узора или поры на пальце. Для исполь-зования последних разрешение сканера должно быть довольно высоким, что увеличивает разрешение получаемого изображения, а соответствен-но возрастает сложность обработки больших массивов данных. По этой причине практичнее использование линий или точек.

При выделении особых точек в момент регистрации пользователя и его проверки возникают несколько проблем.

Во-первых, не на основе всех точек возможно применение алго-ритмов генерации, поскольку часть точек является шумами, а, следова-тельно, такие элементы уже не появятся в момент проверки пользовате-ля. Эту проблему можно устранить путем многократного прикладыва-ния отпечатка в момент регистрации и дальнейшем выделении тех то-чек, которые встретились во всех случаях, либо в большинстве.

Во-вторых, некоторые особые точки при дальнейшей аутентифи-кации пользователя могут появляться, либо пропадать. В результате для успешной генерации ключевой последовательности следует избыточ-ные точки фильтровать, а недостающие восстанавливать.

Автором предложено решение поставленной задачи на основе применения маскирующих полиномов.

Рассмотрим процедуру регистрации пользователя в системе. Пусть B - двумерный массив биометрических данных (например,

отпечаток пальца), O - центр папиллярного узора, R - радиус окружно-сти с центром в точке O , а },...,,{ 21 ntttT = - массив точек такой, что:

ROt xix <− , ROt yiy <− , (1)

где 10 +<< ni . Пусть TD ⊂ - массив реальных особых точек, полученных либо

анализом многократного прикладывания пальца к сканеру, либо любым другим способом. Тогда количество полезных особых точек DN = .

62

Воспользуемся методом наименьших квадратов для построения полинома ),( AxP степени 1−N , где },...,,{ 110 −= NaaaA - коэффициенты полинома. Для этого решаем систему уравнений:

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

=++++

=++++

=++++

∑ ∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑ ∑

−

=

−

=

−

=

−

=

−

=

−−−

+−

−

=

−

=

−

=

−

=

−

=−

−

=

−

=

−

=

−

=

−−

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1)1(21

121

10

1

0

1

0

1

0

1

0

1

01

32

210

1

0

1

0

1

0

1

0

11

2210

...

........................

...

...

N

i

N

i

N

i

N

i

N

ii

Ni

NiN

Ni

Ni

Ni

N

i

N

i

N

i

N

i

N

iii

NiNiii

N

i

N

i

N

i

N

ii

NiNii

yxxaxaxaxa

yxxaxaxaxa

yxaxaxaNa

(2)

где: Ddyxd iii ∈= };;{ , коэффициенты 110 ,...,, −Naaa неизвестны, т.е. систе-ма уравнений линейна.

Выберем NK < произвольных точек },...,,{ 110 −= KfffF , лежащих на полиноме P , т.е.:

},{),( fi

fii

fi

fi yxfxPy == (3)

Предположим, что генерация биометрической последовательно-сти Uu ∈ , где U - все возможные значения биометрических последова-тельностей, осуществляется с помощью преобразования:

luAF }1,0{: ∈→ (4) где: l - длина уникальной биометрической последовательности.

Пусть M - метрическое пространство, точки которого представ-ляют собой битовые последовательности, полученные из биометриче-ских данных, ),( badis - расстояние между двумя нечеткими последова-тельностями a и b , t - максимально приемлемое расстояние между двумя точками пространства (т.е. две точки пространства рассматрива-ются как одна, если ( , )dis a b t≤ ), тогда ГКПНД на основе выше изложен-ного будет содержать две функции:

1. >=< ZFGuGen ,,)( , где G - сгенерированная случайная последо-вательность такая, что lG = , F - произвольные открытые точки поли-нома, а Z - соответствующая открытая последовательность ( lZG == );

2. '),(Re GZFp = , где GG =' , если tuudis ≤)',( , Uu ∈' - биометриче-ская последовательность, полученная на основе вновь полученного от-печатка пальца.

Подобная задача может быть решена путем использования кор-ректирующих кодов. Пусть C - корректирующий код длиной s , тогда

se UC }1,0{: → - функция кодирования, а UC s

d →}1,0{: - функция декоди-рования.

Помехоустойчивое кодирование сводит процедуру регистрации пользователя системы к вычислению выражения:

)(GCuZ e⊕= (5)

  63

Случайная генерация G позволяет менять закрытую последова-тельность каждый раз при перерегистрации пользователя, что устраняет проблемы, связанные с современными статическими системами био-метрической аутентификации.

Вновь полученный отпечаток 'B содержит массив особых точек 'T та-кой, что:

'TTE ∩= (6) Мощность E должна быть не менее KNL −= . Для генерации последовательности 'u выбираем

EdddD L ∈= }',...,','{' 10 такой, что KNL −= . Решая систему уравнений (2) в точках 'D и F , восстанавливаем коэффициенты полинома

}',...,','{' 110 −= NaaaA . Решение возможно, поскольку число точек NKLFD =+=+' . 'AA = в том случае, если DD ⊂' .

Последовательность 'u определяется выражением: luAF }1,0{': ∈→ (7)

Проверка подлинности осуществляется по формуле GZuCd =⊕ )'( . Равенство выполняется при условии tuudis ≤)',( , где t - в данном кон-тексте корректирующая способность выбранного помехоустойчивого кода.

Описанная выше схема, основанная на использовании полинома, позволяет реализовать ГКПНД, основанный на особых точках папил-лярного узора. Полином маскирует реальные особые точки. При этом наличие лишь части точек во вновь полученном отпечатке позволяет восстановить коэффициенты, на основе которых сгенерирована биометри-ческая последовательность. Дальнейшее использование генераторов ключе-вых последовательностей на основе нечетких данных позволяет расширить область применения биометрии и решить ряд проблем [3], связанных с со-временными СБА.

Литература: 1. А.А. Суховей, С.М. Гончаров. Генерация ключевых последователь-ностей на основе отпечатков пальцев. // Материалы докладов Все-российской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2010», часть 3. Томск : Изд-во В-Спектр, 2010. - С. 216-219. 2. K.Nandakumar, Anil K. Jain, S.Pankanti. Fingerprint-based Fuzzy Vault: Implementation and Performance. // IEEE Transactions and Information Fo-rensics and Security, 2007. – p. 33. 3. Суховей А.А. Генерация битовой последовательности – решение не-достатков современных биометрических систем. // Сборник докладов 58-й международной молодежной научно-технической конференции «МОЛОДЕЖЬ-НАУКА-ИННОВАЦИИ». Владивосток, МГУ, 2010 г. в 2-х т. – т. 1. – с.197-199.

64

БИЛИНГВИЗМ В МОРСКОЙ ОТРАСЛИ

УДК 802.0: 656.61

EXHAUST GAS EMISSION CONTROL TODAY AND TOMORROW

Vasilenko Polina Alexandrovna pashinap@yandex.ru

“If we want to safeguard the survival of our planet,

we need to change our behavior. No branch of industry can afford

to neglect these essential changes.” Dr. Simon Walmsley,

the World Wide Fund For Nature (WWF)

The key exhaust gas components that arise from the combustion process in the diesel engine are CO2, NOx, SOx and particles. For some time now, the engineers have been focusing intensively on developing technologies that significantly reduce these emissions. Emission control has turned into the most important driving force for development.

Carbon dioxide (CO2) is a greenhouse gas that is among those re-sponsible for global warming. NOx is the name given to the nitric oxide compounds that arise in the engine’s combustion chamber as a result of the high combustion temperatures. Nitric oxides are contributors to acid rain and are also partly responsible for the formation of ozone near the ground. The family of sulphur oxides (SOx) is also one of the causes of acid rain. The level of SOx emissions depends solely on the quantity of sulphur pre-sent in the fuel. That's why one of the future goals in the marine industry is to reduce the impact of these emissions from ships in order to meet the coming stricter International Maritime Organization (IMO) greenhouse gas emission requirements.

To prepare for coming regulations, general investigations and exten-sive research are carried out continuously. Quite a number of emission control measures have already been developed, and are in use by the in-dustry today. Some basic methods to reduce mentioned above emissions are available aboard modern ships:

− Fuel injection equipment

  65

− Electronic control − Water emulsion − SCR (selective catalytic reduction) − WHR (waste heat recovery system) − Natural gas fuel The main obligation of an engine designer is to ensure the highest

level of safety and reliability of the equipment installed on ships, while taking into consideration the different types of applications on vessels op-erating around the world and emission control regulations. To comply with the demands and regulations made to the maritime industry the ambitious research projects have been made. Nowadays there are some systems that are in the process of adaptation to market use:

− SAM (scavenging air moistening) − EGR (exhaust gas recirculation) − Exhaust gas scrubber − External Waste Heat Recovery system Unfortunately there is no system that can meet all the requirements

for gas pollution. In other words one system can deal only with a particular emission. This report describes three basic systems used in marine prac-tice: SCR (selective catalytic reduction), SAM (scavenging air moistening) and exhaust gas scrubber.

SCR (selective catalytic reduction) The SCR system is best suited for steady high-load conditions, i.e.

SCR is less suited for low load operation and maneuvering in costal and harbor areas.

SCR is the method for NOx reduction on diesel engines which can give the largest reductions. But it’s unfeasible to remove more than 90-95% NOx due to the risk of ammonia slip. With the SCR technique, the exhaust gas is mixed with ammonia NH3 or urea (as NH3 carrier) before passing through a layer of a special catalyst at a temperature between 300 and 400°C, whereby NOx is reduced to N2 and H2О. The design of the SCR catalyst is based on the sulphur content, temperature limits, expected dust content from the composition of the exhaust gas and the permissible pressure drops across the SCR reactor.

SAM (scavenging air moistening) system The SAM system has a sea water injection stage, where a surplus of

sea water is injected for saturation and cooling of the hot air from the compressor. The sea water stage will provide a near 100% humidification of the scavenge air and supply all of the water for humidification.

66

The freshwater stages 1 and 2 act as cleaning stages for removal of any salt which may pass with the air from the sea water stage. A continu-ous accumulation of salt in the freshwater stages would eventually cause the salt content to reach an unacceptably high level. This is counteracted by cooling the saturated air with the air cooler and generating some extra freshwater for stage 2. The extra freshwater is then sent upstream on the tank side of the SAM system. Thereby the content of salt in the freshwater stages can be controlled. A vital aspect in ensuring that no or a minimum of salt gets into the engine is a good efficiency of the water drainage. The SAM system is a NOx reduction method with a potential for improvement of the overall efficiency as well. The scavenge air moisturizing system is controlled by a Programmable Logic Controller (PLC). The pumps and valves operate automatically depending on the status of the auxiliary sys-tem and the diesel engine.

Exhaust gas scrubber Unlike nitric oxide emissions, sulphur oxides cannot be reduced by

modifying the combustion process inside the engine. All of the sulphur con-tained in the fuel is output in the exhaust gas.

The exhaust gas scrubber, known as the open loop scrubber, reduces the sulphur oxide content of the exhaust gases by 90 to 95 per cent. Spray jets similar to the design of shower heads drench the exhaust gas with sea water just before the flue. Water and sulphur react to form sulphuric acid, which is neutralized with alkaline components in the sea water. Filters separate parti-cles and oil from the mixture before the cleaned water is given back into the sea. The disadvantage of scrubber technology is its relatively large space re-quirements on board.

A version known as the closed loop scrubber uses fresh water in com-bination with caustic soda as the neutralizing additive. The scrubber then re-quires less space.

A dry scrubber is being developed, in which the exhaust gas flows through granulated limestone. This combines with the sulphur to form gyp-sum, which can then be disposed of on land. The advantage: the sulphur is locked in, meaning it cannot burden the biosphere any more. The disadvan-tage: a storage room has to be created on board for the granulate, which means sacrificing cargo capacity.

Conclusion Well, there are many different ways to control and reduce exhaust gas

emission, but the problem is not completely solved. Tier II and Tier III of IMO Annex VI are currently being settled in order to specify the acceptable levels of exhaust gas emissions in the years to come. Some engines will be able to meet

  67

the new requirements by internal engine methods. But certain requirements can be met only by the use of external engine methods such as SCR.

There is no multi-purpose system to tackle all kinds of exhaust pollu-tion, it is only being developed.

References: 1. MAN Diesel & Turbo [Electronic resource] // [site]. URL: http://www.mandieselturbo-greentechnology.com/article_006962.html (12.11.2010) 2. Dry exhaust gas scrubber [Electronic resource] // [site]. URL: http://www.scribd.com/doc/19752047/Dry-Exhaust-Gas-Scrubber-Fundamentals 3. Wartsila. [Electronic resource] // [site]. URL: http://www.wartsila.com

SULZER RT-FLEX COMMON-RAIL SYSTEM

Васильев Сергей Викторович Научный руководитель: Василенко П.А.

Introduction

Although common-rail fuel injection is certainly not a new idea, it has only become truly practical in recent years through the use of fully-integrated electronic control based on high-performance computers which allow the best use to be made of the flexibility possible with common-rail injection.

The traditional camshaft has the considerable limitation of fixed timing given mechanically by the cams. Although Sulzer low-speed engines have long had the benefits of double valve-controlled fuel injection pumps with variable injection timing (VIT), and a degree of variable exhaust valve timing being achieved hydraulically in the VEC system, the variation in timing so obtained has been very limited.

Instead electronically-controlled common-rail systems have been adopted in the new Sulzer RT-flex engines to give complete control of the timing, rate and pressure of fuel injection and the exhaust valve operation, allowing patterns of operation which cannot be achieved by purely mechani-cal systems.

Sulzer RT-flex engines as being computer controlled. This is because in the RT-flex system, engine functions are fully programmable, perhaps lim-ited only by the designers’ imagination and the laws of nature.The common-rail concept was adopted also because it has the advantage that the functions of pumping and injection control are separated. This allows a straight forward ap-proach to the mechanical and hydraulic aspects of the design, with a steady generation of fuel oil supply at the desired pressure ready for injection.

68

The common-rail concept also has the unique advantage that it allows the fuel injection valves to be individually controlled. Usually there are three fuel injection valves in each cylinder cover, and in the Sulzer RT-flex engines they are operated mostly in unison but under certain circumstances they are operated separately for optimum combustion performance.

The common-rail concept thus provides an ideal basis for the applica-tion of a fully-integrated electronic control. The combined flexibilities of common rail and electronic control provide improved low-speed operation, engine acceleration, balance between cylinders, load control, and longer times between overhauls. They also ensure better combustion at all operating speeds and loads, giving:

− Reduced part-load fuel consumption − Smokeless operation at all running speeds − Very low, stable running speeds at about ten per cent nominal speed − Easy engine setting for less maintenance − Longer times between overhauls expected, primarily through better

load balance between cylinders and cleaner combustion at all loads.

Low exhaust emissions A clearly visible benefit of Sulzer RT-flex engines is their smokeless

operation at all ship speeds. It helps give a ‘green’ image. The superior combustion performance with the common-rail system is

achieved by maintaining the fuel injection pressure at the optimum level right across the engine speed range. In addition, selective shut-off of single injectors and an optimised exhaust valve timing help to keep smoke emis-sions below the visible limit at very low speeds.

Very slow running Sulzer RT-flex engines have also demonstrated their ability to run

stably at very low speeds, lower than engines with mechanically-controlled injection. They can run without smoking at about ten per cent nominal speed. This makes for easy ship handling when manoeuvring or in river and canal passages. Owing to its number of cylinders, it could run steadily at just seven revolutions per minute.

The very slow running is made possible by the precise control of injec-tion, together with the higher injection pressures achieved at low speed, and shutting off injectors at low speeds.

Sulzer RT-flex system Sulzer RT-flex engines are essentially standard Sulzer RTA low-speed

two-stroke marine diesel engines except that, instead of the usual camshaft and its gear drive, fuel injection pumps, exhaust valve actuator pumps, re-versing servomotors, and all their related mechanical control gear, they are

  69

equipped with a common-rail system for fuel injection and exhaust valve actuation, and full electronic control of engine functions.

There are four principal elements in the Sulzer RT-flex common-rail system: the rail unit along the side of the cylinders, the supply unit on the side of the engine, a filter unit for the servo oil, and the integrated electronic control system, including the crank angle sensor.

The RT-flex engines are thus equipped with common- rail systems for: − heated fuel oil at pressures up to 1000 bar, − servo oil at pressures up to 200 bar, − control oil at a constant pressure of 200 bar, − engine starting air system.

Supply unit Fuel and servo oil are supplied to the common-rail system from the

supply unit which is driven through gearing from the engine crankshaft. The fuel supply pumps are arranged on one side of the drive gear and

the hydraulic servo-oil pumps are on the other side. This pump arrangement allows a very short, compact supply unit with reasonable service access.

The fuel supply pumps are driven through a camshaft with three-lobe cams. This camshaft cannot be compared with the traditional engine cam-shaft. There is no sudden, jerk action as in fuel injection pumps but rather the pump plungers have a steady reciprocating motion. With tri-lobe cams and the speed-increasing gear drive, each fuel supply pump makes several strokes during each crankshaft revolution. The result is a compact supply unit.

The fuel delivery volume and rail pressure are regulated according to engine requirements through suction control with helix-controlled filling vol-ume regulation of the fuel supply pumps. Suction control was selected for its low power consumption as no excess fuel is pressurised.

For every individual fuel pump element of the supply unit, the roller can be lifted off the cam, blocked and manually taken out of service in case of difficulties. The fuel pumps deliver the pressurised fuel to an adjacent col-lector from which two independent, double- walled delivery pipes lead up-wards to the fuel rail. Each delivery pipe is dimensioned for full fuel flow. The collector is equipped with a safety relief valve set to 1250 bar.

Servo oil Servo oil is used for exhaust valve actuation and control. It is supplied

by a number of swash plate-type axial- piston hydraulic pumps mounted on the supply unit. The pumps are of standard proprietary design and are driven at a suitable speed through a step-up gear. The working pressure is controlla-ble to allow the pump power consumption to be reduced. The nominal oper-ating pressure is up to 200 bar.

70

The oil used in both the servo and control oil systems is standard engine system lubricating oil, and is simply taken from the delivery to the engine lubrica-tion system. The oil is drawn through a six-micron automatic self- cleaning fine filter to minimise wear in the servo oil pumps and to prolong component life. Af-ter the fine filter, the oil flow is divided, one branch to the servo oil pumps and the other to the control oil pumps.

Control oil Control oil is supplied at a constant 200 bar pressure at all engine

speeds by two electrically-driven oil pumps, one active and the other on standby. The control oil system involves only a small flow quantity of the fine filtered oil. The control oil serves as the working medium for all rail valves of the injection control units (ICU). The working pressure of the con-trol oil is maintained constant to ensure precise timing in the ICU. It is also used to prime the servo oil rail at standstill thereby enabling a rapid starting of the engine.

Rail unit The rail unit is located at the engine’s top platform level, just below

cylinder cover level. It extends over the length of the engine. The rail unit contains the rail pipes and associated equipment for the fuel, servo oil and control oil systems. The starting air system is not included in the rail unit.

The fuel common rail provides storage volume for the fuel oil, and has provision for damping pressure waves. The common rail system is designed with very high safety margins against material fatigue. The high-pressure rail is trace heated from the ship’s heating system, using either steam or thermal oil. The trace heating piping and the insulation are both slimmer, allowing easier service access inside the rail unit.

Injection control unit (ICU) Fuel is delivered from the common rail to the injection valves

through a separate ICU for each engine cylinder. The ICU regulates pre-cisely the timing of fuel injection, accurately controls the volume of fuel injected, and sets the shape of the injection pattern. The ICU has an injec-tion control valve and a Sulzer electro-hydraulic rail valve for each fuel injection valve. The rail valves receive control signals for the beginning and end of injection from the respective electronic unit of the WECS (Wärtsilä Engine Control System).

There are three fuel injection valves in each engine cylinder. The fuel injection valves are the same as those already employed in RTA en-gines, and are hydraulically-operated in the usual way by the high-pressure fuel oil. Each fuel injection valve in a cylinder cover is independently con-trolled by the ICU for the respective cylinder so that, although all the in-

  71

jection valves in an individual cylinder normally act in unison, they can also be programmed to operate separately as necessary.

The common-rail system is purpose-built for operation on just the same grades of heavy fuel oil as are already standard for Sulzer RTA-series engines. The key point is that, in the ICU, the heated heavy fuel oil is isolated from the precision rail valves. The Sulzer rail valves are bistable solenoid valves with an extremely fast actuation time. To achieve the longest possible lifetime, the rail valves are not energized for more than 4 ms. This time is sampled, moni-tored and limited by the WECS. The valves’ bi-stability allows their position and status to be reliably controlled.

Exhaust valve control The exhaust valves are operated by a hydraulic ‘push rod’, being

opened by hydraulic oil pressure and closed by an air spring, as in the Sul-zer RTA engines with mechanical camshafts. But for RT-flex engines the actuating energy now comes from the servo oil rail. There is one exhaust valve actuator for each cylinder.

In the exhaust valve actuator, fine-filtered servo oil acts on the un-derside of a free-moving actuator piston, with normal system oil above the actuator piston for valve actuation. The adjacent hydraulic control slide is precisely activated by a Sulzer rail valve and controls the flow of servo oil to the actuator piston so that the exhaust valve opens and closes at pre-cisely the correct time with appropriate damping.

The exhaust valve actuator employs the same Sulzer rail valves as are used for the ICU. The exhaust valve drive on top of the valve spindle is equipped with two analogue position sensors to provide a feedback on valve op-eration to the WECS. The electronically-controlled actuating unit for each cyl-inder gives full flexibility for exhaust valve opening and closing patterns. At the same time, the actuating unit provides a clear separation of the clean servo oil and the normal system oil. Thus the exhaust valve hydraulics can be serviced without disturbing the clean servo oil circuit.

Electronic control All functions in the Sulzer RT-flex system are controlled and moni-

tored through the Wärtsilä Engine Control System (WECS). This is a modular electronic system with separate microprocessor control units for each cylinder, and overall control and supervision by duplicated micro-processor control units. The latter provide the usual interface for the elec-tronic governor and the shipboard remote control and alarm systems. The microprocessor control units, or electronic control units, are mounted di-rectly on the engine, either on the front of the rail unit or adjacent to it..

72

An essential input signal for WECS is the engine crank angle. This is measured very accurately by two sensors driven from a stub shaft on the free end of the crankshaft. The two sensors are driven by toothed belts so that axial and radial movements of the crankshaft are not passed to the sensors. The sensors are able to give the absolute crank angle position im-mediately that electrical power is applied. At present RT-flex engines are being equipped with the WECS-9500 control system.

The new system provides simpler communication with the ship automation system and easier wiring for the shipbuilder. Only one elec-tronic module is used throughout the new system, and there are fewer equipment boxes which are also of simple, standard design. Sulzer RTA and RT-flex engines have standardised interfaces (DENIS) for remote con-trol and safety systems.

The remote control and safety systems are supplied to the ship by a variety of approved manufacturers and DENIS (Diesel Engine Interface Specification) defines the interface between the engine-mounted equipment and the shipboard remote control and safety system.

With RT-flex engines, the remote control sends engine manoeuvring commands to the WECS. The remote control processes speed signals from the engine order telegraph according to a defined engine load program and fuelling limitations, and generates a fuel reference signal for the WECS ac-cording to DENIS.

Operation and maintenance Sulzer RT-flex engines are designed to be user friendly, without requir-

ing ships’ engineers to have any special additional skills Key features of the Sulzer RT-flex system The key features of the Sulzer common-rail system can be summa-

rized as: − Precise volumetric control of fuel injection, with integrated flow-out

security − Variable injection rate shaping and variable injection pressure − Possibility for independent action and shutting off individual fuel in-

jection valves − Ideally suited for heavy fuel oil − Well-proven standard fuel injection valves − Proven, high-efficiency common-rail pumps − Lower levels of vibration and internal forces and moments − Steady operation at very low running speeds with precise speed

regulation − Smokeless operation at all speeds.

  73

Conclusion Common rail is now an industrial standard for diesel engines. It has

been proven to be an tremendous step forward for all sizes of diesel en-gines from automotive engines up to the largest low-speed two-stroke en-gines. In this environment, Sulzer RT-flex engines have become well ac-cepted by shipowners. The combination of common-rail concepts and fully-integrated electronic control applied in Sulzer RT-flex engines clearly has excellent potential for future development. It gives the large degree of flexibility in engine setting and operation, together with reliabil-ity and safety, which are required to meet the challenges in future marine engine applications in terms of emissions control, optimised fuel consump-tion, insensitivity to fuel quality, ease of use, operational flexibility, etc.

References: 1. Ship’s manual 2. Возницкий И.В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. // Мор книга. 2007. 3. Wartsila. [Electronic resource] // [site]. URL: http://www.wartsila.com

ARCTIC DOUBLE ACTING SHUTTLE TANKERS

Magartsev Roman Supervisor: Chanysheva E.A.

Maga0307@mail.ru

The DAT concept combines the historical development of the ice-breakers with bow propellers and modern technology with propulsion sys-tems. With new concept it is possible to solve the problem that arises when a cargo vessel must be able to proceed through heavy ice conditions and still be able to operate safely and efficiently on a relative long open water voyage.

The basic philosophy has been known for almost as long as there has been engine powered traffic in ice bound waters.

In the early 1990s the Arctic Technology Centre (MARC) developed the concept of oil transportation from Warandey terminal and Prirazlom-noya platform to Europe. Warandey terminal is situated in the Barents Sea and Prirazlomnoya platform in the Pechora Sea. The location of the termi-nal and the platform presents a problem for the ships because of low win-ter temperatures that can fall as low as -40° C that results in formation of 1.2 metres thick ice layer on the water surface. A so called full-time ice-

74

breaker is very expensive for charterers and the number of this very type of vessels in the world is limited.

The idea of using bow propellers on icebreakers is very old, the first "American type" icebreakers were built as early as in 1880's. The idea was based on the experience of the captains operating in icebound waters, who had learned that in some cases it was easier to proceed through severe ice conditions running their vessels astern. However, some problems arose: how to steer the ship when operating in such a mode, low efficiency of the bow propellers and how to protect them against damage.

The solution was to divide the propulsion power partially to the stern and partially to the bow. This concept was very popular in icebreakers de-signed for the Baltic Sea and for the Great Lakes. When the modern devel-opment of ice-breaking ships was started in the late 60's and early 70's with model testing in ice, the model tests were utilized to optimize the power distribution between the bow and the stern and also to find the form and location for the bow propeller bossings.

Since there was a great need for icebreakers operating in the Arctic areas, where the bow propellers were not accepted due to the risk of their damage the Finnish company Aker Arctic introduced a special project which called Double Acting Tanker.

The DAT is a vessel sailing bow first utilizing the good open water conditions. In light ice conditions the vessel can still proceed in bow first mode and depending on the actual traffic and ice condition it can change the running mode to stern first operation.

The stern first operation is most effective in the most severe condi-tions. The vessel under consideration is able to proceed through, for exam-ple, a 1,2 m thick ridge without ramming with close to double speed and the necessity of icebreaker assistance is reduced.

The hull form of the vessel will have new requirements due to the new operational philosophy. The vessel is designed to operate in heavy ice conditions running astern. In this case the bow can be designed like an open water bow with moderate ice breaking capability. The shape of the ice breaking stern is dependent on ice conditions and the size of the vessel.

A shuttle tanker is a ship designed for oil transport from an off-shore oil field to port. It is equipped with off-loading equipment compatible with the oil field. This normally consists of a special whinches for mooring to off-shore terminals and special arrangement for loading. The special arrangement for loading is called Bow Loading System. It consists of Bow house, where the coupling spacer and special valve for connection are situated. BLS allows to take the charging procedure very rapidly and comfortable for crewmembers.

  75

On this type of vessels the direct drive connection from engine to propeller is not used as the continuous three main diesel-alternators: two of 11,200 kW and one of when running astern with a continuous slow speed, where conventional ships ram when running ahead.4,200 kW. Two other generators are also installed, a 1,000 kW set for harbor use. This current is used for working twin Azipod unit. The azimuthing thrusters enable the ships to penetrate cross ridged ice duty for moving by astern requires the new technology.

BIG SHIPS SMALL CREWS

Седаш Евгений Леонидович Научный руководитель: Оленева Т. В.

jhonny_be@bk.ru

Modern deep sea cargo ships are getting bigger and more powerful than ever before,

but today’s crew levels are only a fraction of what they were just 40 years ago.

It probably goes without saying, but there really are just three reasons

for having a crew on board a commercial ship. The first and most important is to be able to deal with emergencies. The second is to operate what has be-come quite a complex floating machine and third, to maintain this machine against normal wear and tear and also from the attacks of the most hostile en-vironment for a complex machine based on ferrous metal – the sea.

Since World War II, and certainly since the mid 1960s, the face of shipping has changed radically both at sea and ashore, affecting the numbers of people required to operate ships, the skills they need and their lifestyle. In-deed, ships today are bigger, faster and technologically more complex, but ironically, the number of crew who sail in them has actually dwindled by 60 or even 80 per cent in some cases.

A manning level of well under 20 seafarers to safely operate the mod-ern cargo vessels triggered a reader response from a seafarer who had swal-lowed the anchor, coming ashore two decades ago from a far smaller ship with a crew of almost 50. The reader was curious as to why ships’s crews have diminished in number. The answer is complex and lies in a host of fac-tors including operations as well as bridge and engine room technology. In-terestingly however, in one or two areas the trend towards reduced manning has actually reversed.

76

«Good old days» It is interesting to look at the numbers of a ship’s crew then and now.

Of course, the number would vary from company to company, but at the end of World War II a merchantman might carry 50. In addition to her master, there was a chief officer with 2nd and 3rd mates and sometimes a 4th (plus perhaps four cadets or apprentices), the boatswain and 16 or 18 seamen.

In the engine room, at least five engineers could be maintaining a 24-hour watch system. The chief engineer did not usually stand the watch but oversaw the 2nd, 3rd and 4th who did, along with six or seven greas-ers/wipers (and two pump men in tankers) plus an electrician. Then there might be two radio officers along with a purser and the carpenter or ‘chippie’. In the catering department, there would be the chief steward, a 2nd steward and three cabin boys with two cooks, a galley, or pantry boy and one or two mess men.

Highly Specialized ships Today a vessel’s crew might consist of only her master, chief officer

and two mates (who might be qualified also as engineers). Although the 24-hour engine room watch is mainly gone, there is still the chief engineer with a 2nd and 3rd plus an electro-technical officer, whose title speaks volumes on what has changed aboard ships today. The boatswain is still needed with at least three AB’s as well as two wipers for the engine room (these people, by the way, may be made up of a five person group of general purpose crew who work both topside and in the engine room, when not on watch). Catering has become a much lonelier department, with perhaps just a cook and steward on duty. So where did those 30 or so extra hands from the ‘good old days’ go?

Fully Automated ships Technologies has allowed machinery operation and monitoring to be

fully automated and is so reliable that with the widespread use of Unmanned Ma-chinery Spaces (UMS), modern vessels could actually sail with even fewer in the engine room, but for the requirements of Minimum Safe Manning.

And then at the risk of sounding a bit insulting to one of today’s hard working seafarers whose time in port is now measured in hours not days, frankly there is just not that much heavy physical work done by ships’ crew any more.

Mooring lines made of natural fibre gave way to lighter materials. Transverse thrusters reduced the need for tugs which required the skilled, but very dangerous, job of handling the associated lines.

Much of the manhandling of cargo went with the demise of derricks, kingposts and booms, to be replaced, if at all, by a hydraulic crane operated by one seafarer.

  77

Hold hatches are no longer sealed with huge boards, each one requiring two men just to put them in place and many more to cover them with un-wieldy tarpaulins held in position by heavy steel hatch bars. Today, large steel hatch covers slide into place over the cargo at the push of a button.

Conclusion Today a ship’s crew is meant to operate the ship, not maintain her, and

there is certainly there is not a lot of time for cosmetics like paint. Improved engine technology now means a ship’s machinery does not

need so much maintenance as back in the ‘good old days’. Back then for ex-ample a piston in a ship’s main engine would needed changing after 6,000/8,000 hours, or approximately six weeks. Today, 30,000 hours life for a marine piston is common.

The good news in respect to ship manning is that contrary to what might have been expected with the advent of containers, better paint, elec-tronics, satellites, GPS, CCTV and auto pilots, the totally unmanned ship is a long way off. More significantly it would seem that manning levels have gone about as low as they can go. However, with greatly reduced manning levels aboard each ship today, one would think that employment queues would be crowded with seafarers looking for a berth, but with the current shipping boom and tighter regulations to observe, there is actually a current world-wide shortage of certified seafarers.

References: 1. [Electronic resource] // [site]. URL: www.finefocusing.com/Docs/Manning.pdf 2. [Electronic resource] // [site]. URL: www.worsleyschool.net/science/files/supertanker/page.html

ACTUALITY AND PERSPECTIVES OF GAS ENGINES

Сподынейко Василий Юрьевич Научный руководитель: ассистент Оленева Т.В.

vsvasya@rambler.ru

1. Outstanding emissions compliancy In meeting the challenges set by the upcoming stringent emission regu-

lations, switching the main source of power from liquid residual fuels to Natural Gas represents a very real possibility.

When a Dual-Fuel engine runs in “gas mode” (natural gas as the pri-mary source of energy), the following targets are achieved (pic. 1):

78

- CO2 emissions are reduced by approximately 20%, thanks to a lower carbon content in natural gas compared to liquid fuels.

- NOX emissions are reduced by approximately 80%, thanks to the lean burn combustion process implemented in Dual- Fuel engines.

- SOX emissions are completely eliminated, since natural gas does not contain any sulphur.

Particle production is practically non-existent, due to the efficient combustion of natural gas, a fuel without almost any residuals. In gas mode, Wartsila Dual-Fuel engines are already compliant with the forthcoming IMO Tier III regulations without the need of any secondary exhaust gas purifica-tion systems. Furthermore, in liquid fuel oil mode, all Wartsila Dual-Fuel en-gines are fully compliant with the IMO Tier II exhaust emission regulations set out in Annex VI of the MARPOL 73/78 convention.

2. Gas is the most affordable liquid fuel Liquid fossil fuels and natural gas are traditionally priced by using two

different measuring units. - Heavy Fuel Oil (HFO), Marine Diesel Oil (MDO) and Marine Gas Oil

(MGO) are quoted based on a price-per-mass quantity the common unit being “United States Dollars per ton of liquid fuel – USD/ton”

- Natural gas prices are usually set, on the other hand, by the traded en-ergy content, the commonly utilized unit being “United States Dollars per Million British Thermal Units – USD/MMBTU”

This difference is derived from the fact that liquid fuels have fairly standardized and constant energy contents, while the energy content for natu-ral gas varies depending on its composition.

Pic. 1. Emission reduction in Wartsila engines

  79

In order to be able to compare the price of liquid fuels with that of natu-ral gas, they should all be harmonized according to a common energy unit (MMBTU, for example). Results show that natural gas has always been cost competitive against other marine fossil fuels, and its price has consistently been lower than any other single liquid fuel alternative (pic.2).

Pic. 2. Fuel prices historical Evolution

3. Main fuel flexibility Fuel flexibility gives owners and operators the chance to select the

most suitable fuel depending on such factors as local environmental restric-tions, fuel price variations, and fuel bunkering availability. Fuel flexibility also represents a safety feature of particular interest for marine applications. In the case of an interruption to the gas supply, Dual-Fuel engines automati-cally and instantly change to diesel operation without any loss in speed or power. This feature ensures an additional level of operational safety, not pre-sent in a single-fuel installation.

4. Availability of the gas Natural gas is traded in its liquid form via sea borne transportation.

Liquefied Natural Gas Carriers are moving massive quantities of natural gas from liquefaction terminals to re-gasification terminals, all around the globe. Liquefied natural gas is available at all these on-shore facilities.

Marine LNG import and export terminals are to be found virtually eve-rywhere, meaning that LNG is basically available anywhere in the world. A number of new additional terminals are planned to come on stream during the next few years.

80

5. Principle of operating LEAN-BURN GAS ENGINES (SG) The SG engines are spark-ignited lean-burn engines. In this process,

the gas is mixed with air before the inlet valves. During the intake period, gas is also fed into a small prechamber, where the gas mixture is rich compared to the gas in the cylinder. At the end of the compression phase the gas-air mixture in the prechamber is ignited by a spark plug. The flames from the nozzle of the prechamber ignite the gas-air mixture in the whole cylinder. Combustion is fast. After the working phase the cylinder is emptied of ex-haust and the process starts again.

The efficiency is raise from 40% to more than 45% in the bigger en-gine models.

DUAL-FUEL ENGINES (DF) The dual-fuel engine utilizes a “lean-burn” combustion process when

operating on gas. Here, the gas is mixed with air before the intake valves dur-ing the air intake period. After the compression phase, the gas-air mixture is ignited by a small amount of liquid pilot fuel. A conventional injection sys-tem is used when the engine is run on liquid fuel such as heavy fuel oil or of course diesel oil if that is the fuel choice. Fuel flexibility and high efficiency are the main advantages of the dual-fuel technology.

Two engine models are offered at the moment, the Wartsila 32DF and Wartsila 50DF. The latter has shown an efficiency of over 48%, which is probably a record at this time.

6. Practice application in modern time Nowadays the several biggest companies, such as MAN, Wartsila and

Rolls- Royce build gas engines and do their researches this way. For example the five MAN dual-fuel 8L51/60DF engines each deliver

8,000kW at 514 rpm to power the 300m long LNG carrier which has a 173,600 m3 carrying capacity. The newbuilding has been assigned by her charterer, Spanish energy company Repsol – Gas Natural LNG (Stream), to the Peruvian Camisea/Pampa Melchorita gas project, the first natural-gas liq-uefaction plant in South America.

Klaus Deleroi, senior vice president, MAN Diesel & Turbo SE, said: “When it comes to ship-propulsion technology, the future is gas. Not only for LNG carriers, but also for cargo vessels, ferries and even cruise liners”.

The MAN company decided to make a full-scale demonstration and performance verification test of the GI principle for all kinds of marine appli-cations on its 4T50ME-X R&D research engine, which will be rebuilt as a 4T50ME-GI engine and ready to operate on natural gas around the turn of the year.

  81

MAN sees the potential market for its ME-GI engine extending from LNG carriers to LPG and other oceangoing vessel segments such as contain-erships as well as ships plying a fixed trade.

References: 1. Gas engines. [Electronic resource] // [site]. URL: http://www.rolls-royce.com/marine/products/diesels_gas_turbines/gas_engines/ (27.10.2010) 2. Dual fuel plant powers new LNG carrier. [Electronic resource] // [site]. URL: http://www.motorship.com/news101/Dual_fuel_plant_powers_new_LNG_carrier/ 3. Wartsila. [Electronic resource] // [site]. URL: http://www.wartsila.com/

FIRST AID TO THE CASUALTY FALLEN FROM HIGH POSITION

Shabashov Alexei Alexandrovitch

Supervisor: Zagorodnya E. A.

Each crewmember aboard should know how to give/administer first aid to the casualty or injured person. The injury can be caused by the pirates’ at-tack. To prevent such accidents all foreign shipping companies provide spe-cial measures to struggle against the piracy and have trainings to practice them.

Let me show you the video. This presentation dwells upon the accident that took place aboard the

training ship “Spirit of MOL” during my shipboard training. When the Spe-cial Forces were struggling against the pirates, two participants were seri-ously injured. They fell from the helicopter on the deck. The medical staff/personnel made serious mistakes in giving the victims the first aid.

I want to determine the faults and to specify the correct actions in the case of such an incident.

Actions to be taken to the person fallen from height: − 1. to provide the quiescent state; − 2. to diagnose the status of patient (check the breath, pressure, heart-

beat); − 3. to put on the neck collar; − 4. to find out the fractures; − 5. to immobilize the victim if there are any fractures; − 6. to place him/her on the rigid stretcher; − 7. to inject the anesthetic;

82

− 8. to send to the hospital. The fall these people was caused by the pilot’s mistake. He had to be

lower, closer to the deck. As you can see these people got serious traumas. One broke both legs,

another one broke his left leg and his back. Here you can see as a person has fallen from the high position and now

he is on the deck. The actions to be taken: • sustaining the injury • finding out the fractures In this situation the paramedics were right but as you can see from this

very picture the medical personnel was trying to put the victim on the stretcher but this person broke his back and this non-rigid stretcher is not ac-ceptable in this case.

Now the rigid stretcher is being used. This mistake can cause the seri-ous consequences, even further immobility of the person.

Also the paramedics forgot the neck collar that is really important in this situation.

And the last thing to be done is to send the casualty to the hospital, here the medical personnel was right in their actions.

So, I tried to find out the faults and correct them. I hope it was inter-ested and useful.

AZIPOD

Шухнов Виктор Петрович Научный руководитель: Чанышева Е. А.

gepard89@bk.ru

Azipod® overview and build-up Azipod® is a unique azimuthing podded propulsion system providing

both vessel propulsion and steering in a single unit. The Azipod® unit incor-porates a variable speed electric motor, and a fixed pitch propeller is mounted directly on the motor shaft.

The electric motor is controlled by a frequency converter, providing full nominal torque, smooth and stepless in either direction over the entire speed range including standstill.

Since there is no gearing or losses in the mechanical power transmis-sion and the propeller is exposed to an excellent wakefield, normally as a pulling device, the efficiency of Azipod® is higher than other propulsors and mechanical thrusters.

  83

Azipod® is mounted with a steering unit and powered through a slip-ring unit, giving 360 degrees of rotation. The pod can also be mounted as a fixed propulsion device (Fixipod®) without a steering unit.

Propulsion and power plant configurations The power generation and distribution plant consists of several me-

dium- or high-speed diesel/gas engines that drive the electric generators con-nected to the main electric switchboard.

The variable-speed propulsion drive system consists of the Azipod® propulsion motor, a fequency converter and, in most cases, a propulsion transformer. The propulsion motor is controlled by varying input frequency and voltage from the frequency converter.

Benefits of Azipod propulsion system: 1. Redundant, space-saving machinery

The combination of Azipod® and the electric power plant concept frees up valuable onboard space and creates unique opportunities for redun-dant propulsion configurations. By replacing long shaft lines with electrical cabling, the modular machinery can be located for maximum payload - and all equipment from gensets to the Azipod® units can be configured and du-plicated to achieve the required redundancy and reliability.

2. Outstanding maneuvering capabilities Ships with Azipod® propulsion have far better maneuverability than

ships with shaft line propellers, rudders and tunnel thrusters. The ability to direct the powerful main propellers and produce full thrust in all directions, regardless of ship speed, substantially enhances maneuverability.

3. Improved fuel economy through better hydrodynamics The main reasons for improved hydrodynamic efficiency are: - Re-

duced hull resistance by eliminating long shaft lines and brackets and simpli-fying and optimizing hull design - The pulling Azipod® propeller works in an optimum environment where the inflow to the propeller is homogeneous due to the absence of any shaft support appendages in front of the propeller.

- The inherent flexibility of the Azipod® units means they can be freely and precisely located on the vessel hull to achieve maximum hydrody-namic efficiency.

4. Easy installation aboard ship

Adaptable to a wide range of vessel types Azipod® is flexible system that can be applied in several different con-

figurations and adapted to a broad spectrum of vessel types. Azipod® appli-cations include:

84

- Single Azipod® solutions are used for vessels such as tankers and cargo ships, and with a double-wound motor, a high degree of redundancy is achieved.

- Twin Azipod® provides greater maneuverability and full redundancy from power generation to propeller. Twin Azipod® is the most widely used propulsion for cruise ships.

- Fixipod® is a non-rotating pod that, combined with twin Azipod®, is a very attractive solution for large vessels with high power and redundancy requirements.

- CRP Azipod® is a unique system designed specifically for high-speed, high-power vessels such as Ultra Large Container ships, LNG carriers and RoPax ferries.

Today´s most efficient propulsion solution CRP Azipod®, an innovative system that enhances efficiency up to

15% compared to other propulsion technologies. Contra-rotating propulsion means that there are two propellers on the same line rotating in opposite di-rections.

The Azipod® propeller takes advantage of the rotative energy left in the slipstream of the forward propeller, providing significant efficiency gains.

The CRP Azipod® system encompasses several unique advantages re-sulting in the best hydrodynamic efficiency in the industry:

- Thrust load is divided over two contra-rotating propellers - Rotational losses are recovered - Single-skeg hull form offers better wakefield and lower resistance - Cavitation characteristics are improved due to lower loading on the

blades - Lower cavitational forces due to smaller optimum propeller diameter

and larger clearance to the hull - Better maneuvering characteristics, especially in ports and channels

References: 1. AZIPOD propulsion [Electronic resourse] // URL:http://www.abb.com/industries/db0003db002805/c12571f4002ab83dc1256fdf003b2929.aspx

  85

Уважаемые коллеги!

Редакция сборника научных трудов «Морские исследования на

Дальнем Востоке» приглашает преподавателей, сотрудников, студентов, курсантов и аспирантов Морского государственного университета им. адм. Г.И. Невельского опубликовать свои научные статьи и материалы в очередном выпуске сборника.

Сборник «Морские исследования на Дальнем Востоке» включает в себя следующие рубрики: 1. Безопасность мореплавания; 2. Физико-технические исследования в области освоения ресурсов Ми-рового океана;

3. Информационные технологии; 4. Правовые проблемы освоения Мирового океана и морских коммуни-каций;

5. Актуальные проблемы экологии моря; 6. Билингвизм в морской отрасли.

Все предоставленные работы будут рассмотрены редакционной коллегией, после чего принято решение о возможности опубликования.

Срок подачи материалов в очередной выпуск сборника «Морские исследования на Дальнем Востоке» - до 1 июня ежегодно.

Требования к оформлению предоставляемых материалов: 1. Объем ограничен 5 страницами 2. Поля – 2 см. 3. Шрифт – Times New Roman, кегль 14, абзацный отступ – 1,25 см. 4. Сноски и список литературы – в конце текста. 5. Материалы предоставляются только в электронном виде, имя файла – фамилия автора. Материалы направлять по адресу: nirks@msun.ru

Научное издание

Морские исследования на Дальнем Востоке

Сборник научных трудов курсантов, студентов и молодых ученых

Компьютерная верстка О.Г. Сикорской

Материалы печатаются в авторской редакции

5.0 уч.-изд.л. Формат 60 × 84/16 Тираж100экз. Заказ №

Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм. Г.И. Невельского

690059, Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а