Научные аспекты создания автоматизированных-информационно-идентификационных систем безопасности мореплавания в портах южного бассейна России

Создание ГМССБ*' вдоль Азово-Черноморского побережья России (1997г.-в Новороссийске; 1999г. в Анапе, Сочи, Туапсе, Темрюке, Таганроге), зоны высокоточной навигации на Черном и Азовском морях (2000г.) и Системы управления движением судов (в Новороссийске первая очередь в 1996г., вторая- в 2000г.) стало заметной вехой развития национальной системы безопасности мореплавания, отвечающей впервые за последние 80 лет международным нормам не только по нашим собственным оценкам, но и признанием этой системы административными органами ИМО.
В настоящей работе делается попытка научно осмыслить систему мер дальнейшего развития инфраструктуры российской системы безопасности мореплавания на основе идей, формирующихся под эгидой ИМО в мире и ориентированных на создание следующего поколения глобальной системы безопасности на море, объединяющей национальные автоматизированные информационные системы (АИС) в портах, проливах, каналах и т.п.
В работе показано, что объединить уже действующие разрозненно сети СУДС***', ДГНСС****", ГМССБ и другие, еще только проектируемые, можно на информационном уровне с помощью Единой Базы Данных безопасности мореплавания. Предлагаемая работа может быть полезна всем специалистам, ведущим аналогичные разработки в своих регионах, эксплуатационщикам перечисленных выше сетей, проектировщикам новых сетей АИС, аспирантам, студентам и курсантам морских учебных заведений.

Введение
Современный этап развития систем безопасности мореплавания в мире характеризуется существенными достижениями науки и техники в деле разработки, создания, массового производства высоконадёжной техники судовой навигации, радиосвязи, автоматизации и информатизации судовождения и судопроводки в сложных условиях инфраструктуры акваторий портов, проливов, каналов и т.п. С введением в действие спутниковых систем морской навигации (американской GPS и российской ГЛОНАСС) и обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ) была достигнута глобальность охвата ими всего мирового океана, а с последними разработками их подсистем дифференциальных поправок DGPS и ДГЛОНАСС морские системы навигации получили субметровую точность определения местоположения любых морских объектов, оснащённых соответствующим транспондером АИС.
При трансляции этих диффпоправок на длинных радиоволнах километрового диапазона (около 300 кГц) одна базовая станция передатчиком мощностью 200-300 Вт способна обеспечить сверхточными навигационными данными суда в радиусе плавания (от станции) -200 миль (что автоматически включает в себя морские районы ГМССБ А| и А г). Благодаря этим достижениям техники только и стало возможным развитие такого очередного этапа обеспечения новейшего уровня безопасности мореплавания, который связывают сегодня с АИС. В соответствии с принципами развития Больших технических систем (больших в смысле "сложности"), базирующимися на идеях так называемого "системного подхода", последние анализируют систему-целое обычно в представлениях двух органично связанных частей (стратов): внутреннего страта, в котором реализуется вся логика созидания искомых технических мер безопасности мореплавания (включая и человека, как звена реализации этой логики), и внешнего страта, обычно противостоящего целям и задачам первого (что особенно хорошо видно по энтропийным воздействиям всех факторов, относимых к внешнему страту, на характеристики верности работы системы безопасности).
Предлагаемая работа состоит из одиннадцати глав. Первые четыре главы освещают политику нашей страны, как крупной морской державы, в сфере строительства современной системы безопасности мореплавания, соответственной тем международным документам, которые она подписала за последние 10 лет. Особо выделена необходимость последовательной тактики следования научной системности в этом ответственном деле. Следующие три главы (5-я, 6-я и 7-я) посвящены систематизации содержания работ по реализации в Южном Азово-Черноморском бассейне совмещённой национальной (ДГЛОНАСС) и международной (DGPS) дифференциальных подсистем спутниковой навигации в будущей сети АИС этого бассейна. Описана региональная подсистема радиотрансляции судам диффпоправок к спутниковым системам судовой навигации. В ней реализована субметровая точность навигации (не хуже Юл*).
В 8-ой главе рассмотрены четыре специфические зоны судовождения, в которых возникают новые возможности в судовождении и обеспечении безопасности мореплавания благодаря внедрению системы АИС и её подсистемы высокоточной навигации DGPS/ДГЛОНАСС. В частности, появляются большие возможности унификации швартовых операций в "ближней зоне" швартовок судов в порту. В 9-й и 10-й главах рассмотрены вопросы электромагнитной совместимости новых радиосредств АИС по отношению к прежде действовавшим радиосредствам порта и города Новороссийска. В 11 -ой главе дана ориентировочная оценка стоимости оборудования разных поставщиков.
Авторы настоящей работы, которая целиком базируется на результатах, полученных за последние 7 лет в ходе выполнения Минтрансом РФ ряда Федеральных и Межведомственных программ, приносят свою искреннюю благодарность научным работникам, принимавшим участие в реализации программ: ГУП "Морсвязьспутник" (Москва), ЗАО "ЦНИИМФ" и ГУНиО МО РФ (С.-Петербург), ГП "НИПИОкеангеофизика" (Геленджик), Новороссийская государственная морская академия (НГМА). С кафедрами "Радиосвязь на морском флоте" и "Управление судном" НГМА нас связывают многолетние научные отношения, душой которых является доцент, к.т.н. А.П. Лицкевич. Особую благодарность авторы выражают научному руководителю многих НИР с МАПН, проректору НГМА по научной работе, академику PAT, д.т.н., профессору В.В. Демьянову, чьи научные советы, критические замечания и дискуссии с которым позволили не только углубить научное содержание работы, но и сделать её полезной для курсантов и аспирантов морских колледжей и академий.
Авторы.
Значимость высокоточного и надёжного контроля местоположения судна при плавании в прибрежных водах густонаселённых районов мира, на трассах вдоль островных архипелагов, в узкостях фиордов и каналов, на установленных фарватерах акваторий портов и т.п. не вызывает сомнения. Комплекс мероприятий при решении данных вопросов призван обеспечить предотвращение или значительное уменьшение числа аварий судов и связанного с ними риска материального ущерба, обусловленного не столько гибелью грузов, сколько гибелью людей и загрязнением окружающей среды их обитания с тяжёлыми экологическими последствиями.
Растущие требования к безопасности судоходства направлены на кардинальное снижение навигационной аварийности судов и предотвращение возможного в случае бедствия загрязнения морской среды разливами опасных грузов. Это требует многократного усиления технического контроля судоходства в прибрежных водах и национальных экономических зонах. Поэтому ИМО и администрации морских стран в последние годы проводят активную работу по созданию и введению в действие:
- разделения путей судопроводки в местах с интенсивным движением;
- зон с обязательным или добровольным сообщением с судами при приближении к ним или проходе через них;
- систем управления движением судов (СУДС) в портах и на подходах к ним с постепенно наращиваемой полной их автоматизацией;
- морских районов А) Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ), в которых налажена постоянная и надёжная УКВ-связь;
- спутниковой морской системы связи ИНМАРСАТ для обеспечения глобальной и оперативной связи с судами, находящимися в любом районе мира;
- районов высокоточного судовождения в прибрежных водах с использованием контрольно-корректирующих дифференциальных станций глобальных навигационных спутниковых систем (ДГНСС) типа ГЛОНАСС и GPS. Большая работа в этих направлениях ведётся в Российской
Федерации. Первая СУДС была создана Минморфлотом в 1960 году. В дальнейшем СУДС были созданы в портах Мурманск, Ильичёвск, Мариуполь, Новороссийск, Одесса, Архангельск, Керчь, Владивосток, Находка и в ряде других. Всего в СССР было организовано 23 СУДС, которые находились в ведении морского флота. В настоящее время в российских прибрежных водах установлено более 20 акваторий с разделением движения судов, действует 9 СУДС и имеется 58 береговых центров с УКВ-радиообслуживанием морских районов А|. К 1 февраля 1999 года было введено 14 морских районов А| ГМССБ, полностью соответствующих конвенционным требованиям ИМО; они созданы в России в соответствии с Постановлением (№813) Правительства Российской Федерации от 3 июля 1997 года. К настоящему времени многие морские суда (около 1200) оснащены аппаратурой УКВ-связи и более 1600 российских транспортных, речных и рыбопромысловых судов оборудовано радиостанциями системы ИНМАРСАТ.
Начинала функционировать первая дифференциальная станция ГНСС в Финском заливе. Согласно Межведомственной программе, утверждённой Минтрансом РФ и ВМФ, всего в России планируется установить более 30 таких станций, в зоне действия которых будет обеспечена высокая (3-5 м) точность определения места судна. В последние годы закончено переоборудование и приняты в эксплуатацию модернизированные СУДС порта Новороссийск и залива Находка. Начала функционировать усовершенствованная СУДС в порту Архангельск. Существенное развитие получила система в порту Санкт-Петербург. Заканчивается модернизация СУДС в портах Ванино и Владивосток. Ведутся работы по проектированию Региональных СУДС, которые будут созданы в восточной части Финского залива и заливе Петра Великого.
В рамках проводимых в ИМО работ по пересмотру Главы 5 "Навигационная безопасность" Конвенции по охране человеческой жизни на море (СОЛАС) предполагается в ближайшее время приступить к внедрению на морском флоте принципиально новой автоматической информационной (идентификационной) системы (АИС). Внедряемая АИС будет иметь три предназначения:
- обмен навигационными данными между судами при их расхождении в море;
- передача данных о судне и его грузе в береговые службы при плавании в районах с обязательными сообщениями;
- передача с судна навигационных данных в береговую СУДС, обеспечивающую более точную и надёжную его проводку в зоне действия системы.
Новые подходы к обеспечению безопасности мореплавания. В иностранной литературе термин AIS применяется, как "автоматическая идентификационная система", состоящая из судовых транспондеров, с отображением информации на ECDIS или САРП береговых базовых станций и систем отображения на экранах СУДС и ПЭВМ береговых служб.
В отечественной литературе применялся термин "система автоматизированного зависимого контроля" (САЗК), который относился к части АИС, выполняющей функции контроля судоходства со стороны СУДС. Он заимствован из широко применяемого в гражданской авиации термина "автоматизированное зависимое наблюдение" (АЗН) или в иностранной литературе - ADS (automated dependent surveillance).
На Совете Росморфлота 08.10.1998 было предложено использовать аббревиатуру АИС, как "автоматическая информационная система". Основанием явилось внесение существенных изменений в функции системы в процессе ее развития, т.е. расширение информационного обмена, при котором функция "опознавания" сохранилась, как одна из многих других. В дальнейшем предлагается использовать следующие определения функциональных задач новой системы.
"Автоматическая информационная система" (АИС) является морской, навигационной; в ней используют взаимный автоматизированный информационный обмен как между судами, так и между судном и береговыми службами, в ходе которого передают информацию о позывном и названии каждого судна (для их опознавания), их координатах, параметрах (размерах, грузе, осадке и др.), целях рейса, параметрах движения (курсе, скорости и др.) для решения задач предупреждения столкновений судов, контроля за соблюдением ими режима плавания и общего мониторинга состояния безопасности в морском районе.
АИС в современном понимании. АИС, зародившаяся всего лишь, как система идентификации, к настоящему моменту претендует на превращение в принципиально новое средство навигации, обещающее принести революционные изменения в практику судовождения и обеспечения навигационной безопасности. Подобное превращение стало возможным благодаря тому, что АИС, в её современном понимании, объединяет в себе достижения трёх таких революционных технологий, как:
- глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС);
- автоматическая цифровая радиосвязь;
- системы электронной картографии.
Значение каждой из перечисленных коммуникационных технологий для решения задачи обеспечения навигационной безопасности трудно переоценить. Если говорить очень схематично, главная идея АИС в современном понимании заключена в следующем алгоритме работы:
- каждому судну обеспечивается определение собственной позиции и параметров движения при помощи средств ГНСС;
- с каждого судна автоматически с определённой периодичностью передаётся собственный идентификационный маркер, все данные о местоположении и параметрах его движения, которые тут же становятся доступными всем другим судам и береговым центрам данного морского района;
- на каждом судне и береговых центрах эти данные навигационной обстановки не только принимаются, но и обрабатываются в направлении оптимизации положения объекта на акватории и общего положения в зоне УКВ-радиовидимости по соответствующим командам СУДС через сеть АИС;
- вся эта картина отображается средствами электронной картографии на каждом судне и береговых центрах при периодическом обновлении её с частотой от 1 до 0,1 Гц (соответственно через 1 или 10 сек) в зависимости от скоростей и взаимных расположений судов на обслуживаемой АИС акватории.
Таким образом, каждое судно и береговые центры постоянно получают, обновляют и представляют в максимально наглядной форме (могущей быть специфичной для штурманов, лоцманов, операторов СУДС, пограничной и таможенной служб, МЧС, ГМССБ и МСКЦ, но единой и адекватной текущей обстановке на акватории); такое широкое представление картины распределения большого числа судов на акватории даёт наиболее достоверную информацию об их безопасности, но требует глобального оборудования всех судов и служб средствами АИС. Иными словами, требование универсальности АИС-технологии выступает на первое место.
Универсализация АИС. Реализация изложенной выше общей идеи АИС может быть выполнена множеством различных способов; это подтверждают многочисленные опыты, выполненные в разных странах за последние несколько лет, когда были развёрнуты локальные опытные морские сети АИС.
Очевидно, что оборудование, сконструированное таким образом, не позволяло АИС одних производителей взаимодействовать с АИС других производителей, что существенно ограничивало как районы действия, так и количество вовлечённых судов. Естественно, что подобная ситуация не способствовала широкому внедрению разнородных средств АИС несмотря на очевидную привлекательность общей идеи системной её реализации.
Основное препятствие для широкого внедрения АИС было снято в 1998 году закреплением в регламенте радиосвязи двух симплексных каналов исключительно для работы АИС и принятием резолюции ИМО MSC.74(69) ANNEX3 и рекомендации ITU-R M.1371. Указанные документы фактически определили основные функциональные и технические требования, которым должна удовлетворять универсальная АИС, а именно:
- единый и стандартный формат (по составу и периодичности) передачи данных АИС во всём мире;
- единый стандарт протоколов приёма и передачи данных АИС;
- стандартный интерфейс радиоканала;
- выделение для АИС-сетей двух международных каналов AIS-1(161.975 МГц) и AIS-2 (162.025 МГц); Проведённая таким образом стандартизация технических
параметров АИС открывает возможности для создания и широкого внедрения универсальных АИС. Для практических специалистов это, в первую очередь, означает появление на рынке коммерчески доступного массового бортового и берегового оборудования АИС, которое обеспечит судам и береговым центрам возможность выполнения всех функций АИС вне зависимости от конкретного региона или производителя оборудования, установленного на том или ином судне или береговом центре.
Режим АИС, управляемый береговыми службами (СУДС) для автосопровождения судов и контроля их движения в обслуживаемой зоне, образует систему "автоматизированного зависимого контроля" (САЗК). Для обмена данными (линия передачи данных) синхронизации, формирования и коммутации потоков информации применяется судовое оборудование, называемое "универсальным транспондером". Для организации обмена данными с судами в режиме САЗК и формирования потоков информации, исходящей от центра СУДС и береговых служб (МСКЦ) используется "базовая станция АИС". Она может работать в сети береговых станций АИС вдоль побережья с ретрансляцией информации в базовую станцию АИС.
Судовыми системами отображения АИС является система отображения электронных карт (ECDIS), САРП или персональный компьютер (в зависимости от наличия соответствующих интерфейсов). Береговыми системами отображения АИС являются СУДС, ECDIS либо персональные компьютеры.
Международной морской организацией (ИМО) принят "Международный кодекс по управлению безопасностью (МКУБ)", который должен войти в Международную конвенцию по охране человеческой жизни на море. Реализация положений МКУБ в России требует разработки политики в области обеспечения безопасности судовождения, в том числе и на региональном уровне, без чего деятельность транспортных организаций не может быть лицензирована.
Для надежного управления безопасной эксплуатацией судов и предотвращения загрязнения среды необходимо обеспечить:
- возможность непрерывного высокоточного местоопределения судов в любых условиях видимости;
- контроль положения судов, соблюдения ими правил плавания, оказание помощи при затруднениях в определении места, а также в аварийных ситуациях;
- информационное обеспечение судов гидрометеорологической и навигационной информацией по региону;
- высокую эффективность операций по спасению и ликвидации последствий аварий;
- надёжную радиотелефонную связь между всеми участниками движения и береговыми службами, контролирующими движение в обслуживаемой зоне.
Концепция обеспечения мореплавания в регионе должна учитывать необходимость создания равных условий и возможностей плавания судов под любым флагом, т.е. необходимость обеспечения международного судоходства. Управление судоходством относится не только к транспортным судам, но также к рыбопромысловому и развивающемуся прогулочному флоту. Эти суда, число которых традиционно велико именно в Азово-Черноморском регионе, при нарушениях правил плавания могут создать аварийные ситуации с вовлечением в них транспортных судов. В будущем эта обстановка станет ещё более напряжённой, и сеть АИС здесь представляется весьма актуальной.
В виде важнейшего компонента сетевого развития АИС следует рассматривать введение службы Дифференциальной подсистемы глобальных навигационных спутниковых систем (ДГНСС) типа российской ГЛОНАСС или американской GPS, дополнение которых диффподсистемами решает проблему высокоточного определения места судна с указанной выше точностью (-5 м).
Установка двух контрольно-корректирующих станций (ККС) ДГНСС позволит судам, плавающим в прибрежных водах Чёрного моря на подходах к фарватеру в порт Новороссийск или к Керченскому проливу, определять место судна со среднеквадратичной погрешностью не более 10 м (при доверительной вероятности 95%). При этом зона обслуживания АИС должна перекрывать (с указанной выше точностью) весь фарватер Цемесской бухты от приёмного буя до входа в Новороссийский порт или весь морской район Керчь-Еникальского канала от его входа до выхода.
С помощью ДГНСС будет повышена точность местоопределения судов, в результате чего станет более безопасным плавание судов в условиях плохой видимости, а также станет возможным выполнение специальных работ, включающих углубление каналов, строительство волноломных и портовых сооружений, нефтяных терминалов; кроме того, ДГНСС позволит более точно выставлять плавучие средства навигационного оборудования, что существенно улучшит качество обслуживания судов в порту, где требуется субметровая точность местоопределения объектов.
Использование же специализированной приемной аппаратуры ещё более высокого уровня точности, уже появившейся для гражданских потребителей, имеющей погрешность место-определения объектов не более 1 м, позволит существенно повысить эффективность контроля практически всех видов выполняемых на акваториях районов Ai работ и приведёт не только к сокращению сроков их проведения, но и к расширению круга решаемых в портах задач при общем повышении технологического качества перевалки грузов и культуры труда.