Jorna of Nava Science and Engineering 009, Vo. 5, No.1, pp. 17-9 DAR KANALDA SEYİR YAPAN GEMİLERİN OTOPİLOT VE MANUEL KUMANDA İLE GERÇEKLEŞTİRİLEN MANEVRA PERFORMANSLARININ İNCELENMESİ Yrd.Doç.Dr.Müh.Bnb.Uğr Şimşir Deniz Harp Ok, Makina Mühendisiği Böüm Başkanığı Tza, Istanb, Türkiye simsir@dho.ed.tr Özetçe Çaışmada, bir geminin İstanb boğazı geçişini kaptandan adığı komtar ie gerçekeştiren insan operatör (serdümen) ün süreki bir sistemi rasgee bozcara karşı kontro ederken yaptığı hareketere ait performansı ie otopiot sistemi performansının geminin rotasına ve koordinatarına ne şekide yansıdığı inceenmiştir. Boğaz geçişi yapan farkı tip ve tonajdaki 10 metreden daha zn gemierin özeike boğazın tehikei manevra bögeerindeki seyireri inceenmiştir. Hemen hepsinde çok geişmiş seyir cihazarı bnmasına rağmen, dar kanaarda seyir yapan gemierin geçişerinde otopiot kanımına izin verimemektedir. Geçişin mane oarak gerçekeştirimesi zornğ vardır []. Çaışmanın amacı, otopiot kanıması ie boğazdan mane oarak geçiş yapan gemiere ait gerçek verier kanıarak karşıaştırma yapmak ve otopiot kanımına izin verimeme nedeni hakkında biimse verier snmaktır. 17
Dar Kanada Seyir Yapan Gemierin Otopiot Ve Mane Kmanda İe Gerçekeştirien Manevra Performansarının İnceenmesi COMPARING OF MANOEUVRES PERFORMANCES WITH AUTOPLOT AND MANUAL CONTROL OF VESSELS WHICH NAVIGATING IN NARROW WATERWAYS Abstract In this stdy, a hman operator (hemsman) contros a ship as continos system manay according to captain s command against to random distrbances throgh bosphors of Istanb and it s investigated how their behavior affects the corse and coordinates of th ship. For this working, participated to navigation on bosphors with different type vesses especiay onger than 10 meter and determined where regions are dangeros and have risks. Despite a vesses have modern navigation devices, it s forbidden to se atopot and they have to contro their vesses manay according to res []. The prpose of this stdy is to compare with atopot navigation and mana navigation on bosphors and present the case of why atopot is forbidden with scientific data. Anahtar Keimeer : Mane Kontro, Otopiot, Seyir Keywords : Mane Contro, Atopot, Navigation 1.GİRİŞ Otopiot ve mane kmada ie seyir performansarının inceenmesi maksadıya mode oarak seçien İstanb Boğazı keskin dönüşere sahip ve 18 deniz mii (31 km) znğndadır. En geniş noktası 1500 metre, en dar noktası ise (Kandii) 700 metre genişiğindedir. Boğaz bögesindeki kayaık dönüşer, boğaz geçişerinde gemierin 1 kez yön değiştirmesine neden omaktadır. B değişimerden bir böümü 80 derece gibi odkça keskin değerere aşmaktadır (Yeniköy). Oşinografik oarak zaman zaman 6-8 knot a (deniz mii / saat) kadar aşan bir akıntı rejimi hakimdir. Güçü güney rüzgararı, mahai oarak orkoz oarak adandırıan güçü bir ters 18
Uğr Şimşir akıntıya neden omaktadır. Ters akıntı gemierin manevra kabiiyetini omsz yönde etkiemektedir. Çaışmada, kaptandan adığı komtar ie bir geminin İstanb boğazı geçişini gerçekeştiren insan operatör (serdümen) ün süreki bir sistemi rasgee bozcara karşı kontro ederken yaptığı hareketerin geminin rotasına ve koordinatarına ne şekide yansıdığı inceenmiş ve PD kontro agoritması ie çaışan otopiot sistemi simasyon ie karşıaştırımıştır. Serdümen kmandası ie seyir yapan gemi ineer omayan bir harekete sahip omasına rağmen otopiot sistemerinde seyir dinamiğinin ineer odğ kab edimektedir. Otopiot kanımına izin verimeyen İstanb boğazı ve İstanb boğazına benzer yoğn ve dar kanaarda, izin verimeme nedeninin net oarak anaşıabieceği bir çaışma hedefenmiştir.. GEMİ HAREKETİNİN TANIMLANMASI.1 GEMİ MANEVRASINA AİT SİSTEM DİZAYNI Gemi otopiot sistemeri, geri beseme temeine dayaı oarak verien rota ve geminin mevct rotası arasındaki hata ya göre dümen hidroik sitemi servo vafına kontro ederek dümenin sancak-iskee hareketini sağar. En yaygın oarak sabit parametrei PD yada PID kontro sistemi kanımaktadır. B tip bir regüatörün norma şartarda başarıı omasına rağmen, ağır hava şartarında ve gemi hızının değiştiği drmarda performansının zayıf odğ gözenmiştir. Bnn sebebi gemi dinamiğinin, geminin hızıya ve bozcarın da hava şartarı ie değişikik göstermesidir [3,4].. İSTANBUL BOĞAZI'NIN COĞRAFİ YAPISININ SEYRE ETKİSİ İstanb Boğazı'nda kzey-güney doğrtsnda ya da tersi yönde seyir yapan bir gemi, en az 1 kez rota değiştirmek zorndadır. B dönüşerden, özeike, 45 nin üzerinde rota değişikiği gerektiren Kandii Brn ie Yeniköy Brn, gemierin dönüş sırasında arka tarafarını görmeerini 19
Dar Kanada Seyir Yapan Gemierin Otopiot Ve Mane Kmanda İe Gerçekeştirien Manevra Performansarının İnceenmesi engeemektedir. Özeike Kandii'de boy gemier için bir başka sorn da yan yana geçiş drmnda yeteri aan bnmamasıdır. Yeniköy Şeki.1: İstanb Boğazından Karadeniz yönüne geçiş yapan gemierin Yeniköy bögesinde izedikeri yörünge.3 GEMİ DİNAMİĞİNİN TARİFİ Gemi dinamiği, Newton denkemerinin gemi hareketine yganmasıya ede edimektedir. Geminin hareketine ait mode şeki. de gösterimiştir. 0
Uğr Şimşir Brada V geminin topam hızı, ve, hızın x ve y bieşeneri, r ise açısa hızdır. V x y Şeki. Gemi hareket denkemerinin tarifi için koordinat ve notasyonarın kanıışı Norma bir dümen ie, gemi, rotasından küçük sapmaar yapmaktadır. B nedene, çözümün = 0, = 0, r=r 0 ve =0 odğ drmda hareket denkemeri ineereştiriebiir. Norma drm değişkeneri, sancak yada iskee tarafa oan kaçma yada düşme hızı, dönme nispeti r ve rota dir. Bna göre aşağıdaki denkemer ede ediir [3,4,5]. d ( / ) a11 a1r ( / ) b1 dt dr ( / ) a1 ( / ) ar ( / ) b (.1) dt d r dt 1
Dar Kanada Seyir Yapan Gemierin Otopiot Ve Mane Kmanda İe Gerçekeştirien Manevra Performansarının İnceenmesi.4 OTOPİLOT TASARIMI VE PD KONTROL Geminin dönüşü esnasında serdümen tarafından dümene kmanda ediir. Dümen gemiyi istenen rotaya yönendirirken gemi r açısa hız ie dönmektedir. V vektörü ie rota çizgisi arasındaki açısına göre sancak - iskee kaçma hızı v = x tg şekinde yazıarak diferansiye denkem çözdürüürken = x 1 drm değişkeni ve açısa hız r = x drm değişkeni oarak kab edimiştir. Brada geminin sabit iereme hızı ve geminin znğdr. Ykarıda verien denkemerdeki parametreer farkı gemi tiperi ve farkı çaışma şartarı için sabit kamaktadır [3-4]. Transfer fonksiyon gemi dümen açısından rotaya ykarıdaki denkemerden ede ediebimektedir. K(1 st3 ) G( s) (.) s(1 st )(1 st ) K K / 0 1 Ti Ti 0 / i=1,,3 (.3) B mode, aşağıdaki gibi basiteştiriebimektedir. b G( s) (.4) s( s a) b b 0 a a0 b (.5) B mode Nomoto modei oarak isimendirimektedir ve b yakaşık oarak aşağıdaki gibi ifade edimektedir. c b A D (.6)
Uğr Şimşir B denkemde D (in m 3 ) depasman, A (in m 3 ) dümen aanı ve c yakaşık 0.5 değer aan bir parametredir. A parametresi geminin trimi, hızı ve depasmanına (draftına) bağı oarak değişmektedir. Gemi rotası, rüzgar daga akıntı gibi bozcardan etkienmektedir. B etkier, iave kvveter oarak tarif ediebiir. Uygn bir mode sabit, periyodik ve değişken bieşener içerir. Dagaardan doayı meydana geen bozcar tipik oarak periyodiktir. Periyot, geminin hızına ve dagaara karşı izafi dönmesine göre değişikik gösterebiir. Parametre değişimerindeki etkier denkem (.1), (.) ve (.4) ie verien ineereştirimiş modeden görüebimektedir. Önce gemi hızındaki değişikiker göz önüne aınırsa, denkem (.3) ve (.5) ten kazancın hızın karesiye orantıı, zaman sabitinin de hız ie ters orantıı odğ görüür. Hızın yarıya düşmesiye kazanç 4 kat azaırken zaman sabiti iki kat artmaktadır. Kazanç asında dümen kvvetinin ataet momentine oranı ie tespit ediebiir. Böyece dümendeki izafi s hızı kazancın tespit edimesini sağar. Hız, daga ve akıntıardan etkienir. Gemi dinamiği hidrodinamik kvveteri meydana getiren diğer faktörerden de etkienir. B nedene (.1) denkemindeki a ij ve b j parametreeri, geminin trim ve draftına bağı oarak değişmektedir. İstanb Boğazından geçiş yapan eş tip gemierden geçişe ait GPS enemboyam koordinat verieri, rota bigieri ve hızarı ede edimiştir. Ayrıca (.7) ie gösterien drm denkeminden gemiye ait kaçma hızarı, açısa hızı r ve dümen açısı ya bağı oarak dönüş rotası rnge ktta yöntemi kanıarak hesapanmış ve geminin boğazda bnan dönüş noktaarı için simüe edimiştir. Ede edien sonçar boğazda, dümene mane oarak kmanda edierek ede edimiş gerçek verier ie karşıaştırımıştır. Geminin hızı sabit ve rotası dir. 3
Dar Kanada Seyir Yapan Gemierin Otopiot Ve Mane Kmanda İe Gerçekeştirien Manevra Performansarının İnceenmesi. a. r a. 0 11 1 a a 1 1 b1 b r 0 (.7) Geminin dönüş noktasında takip ettiği yörüngedeki manevrası, gemi hızı ve dümen açısı ya bağı oarak mane oarak yapımaktadır. B manevraya ait.7 denkeminin rnge-ktta çözümünden ede edien dataara beirenen yörüngenin PD kontro gerçekeştirimiştir..5 DÜMEN SİSTEMİ NOMOTO MODELİ Gemi Dümen Sistemi dinamiği denkem (.4) de verien Nomoto modein regator oarak PD tip kontro sistemi kanıarak çözüme yakınsanabimektedir. G r (s) = K(1+sT d ) Transfer fonksiyon kanıır. (.8) Açık çevrim transfer fonksiyon ; G(s)G r (s) = K.b (1+sT d ) / (s(s+a)) (.9) Kapaı çevrim sistemin karakteristik denkemi s + s(a + b.k.t d ) + b.k=0 (.10) İzafi sönüm oranı = ½ ( a.(b.k) 1/ + T d. (b.k) 1/ ) (.11) Sönüm oranı geminin hızına bağı oarak değişir. (.4) ie gösterien modede nomina hız oan nom da katsayıar a nom ve b nom oarak kab 4
Uğr Şimşir ediir. gemi hızının sabit odğ kab edimektedir. B drmda a ve b katsayıarı aşağıdaki gibi yazıabiir a = a nom ( / nom ) b = b nom ( / nom ) Sönüm oranını değişkenere bağı oarak yazarsak = ½ ( a nom / (K.b nom ) 1/ + ( / nom ).T d.(k.b nom ) 1/ ) (.1) Kararı omayan bir tanker için aşağıdaki katsayıar göz önüne aınabiir a nom = -0.3 b nom = 0.8 K =.5 T d = 0.86 B katsayıar ise = 0.5 ve = 1.4 değererini vermektedir. Tanker için yapıan PD kontro simüasyonnda b değerer kanımıştır..6 SİMÜLASYON Boğaz geçişi yapan geminin dönüş noktaarı arasında sabit rota ve sabit hızda seyir yapması istenmekte ve kab edimektedir. Rotadaki sapmaara geminin sancak yada iskeeye oan hareketerinden ykarıda bahsedien kaçma hızarı doğar. Rota doğrts etrafındaki dairese sapmaar ve b sapmaarın açısa hızarı ie ykarıda bahsedien diferansiye denkemer ve parametreer kanıarak ede edien. dereceden sisteme ait çözümden ede edien otopiot sistemi simüasyon ie gerçek boğaz geçişine ait grafik karşıaştırmaı oarak Şeki.3 ve.4 te gösterimektedir. 5
Dar Kanada Seyir Yapan Gemierin Otopiot Ve Mane Kmanda İe Gerçekeştirien Manevra Performansarının İnceenmesi Otopiot simasyon Mane kmanda Açısa hız Şeki.3 Karadeniz yönüne geçiş yapan bir tankerin Kandii Brnn mane kmanda ie dönüşü ve otopiot simasyon (rota 1 0 den 56 0 ya) İstanb Boğazından Karadeniz yönüne geçiş yapmakta oan 140 metre znk ve metre genişiğe sahip, draftı 7.6 m oan manevra kabiiyeti odkça düşük bir tankerin ortaama 9 knots hıza Kandii brnndan mane kmanda ie dönüşüne ait ve aynı bögenin bir otopiot ie geçişine ait simüasyon grafikeri Şeki.3 te gösterimektedir. B dönüşte rota 1 dereceden 58 dereceye çevrimiş ve mane kmanda ie b yakaşık 8 dakikada gerçekeştirimiştir. 6
Uğr Şimşir Şeki.4 te ise yine aynı yönde geçiş yapan aynı geminin Yeniköy brnndan geçişine ait mane kmanda ve otopiot simüasyonarı gösterimiştir. Yeniköy brnnda rota 47 dereceden 358(-) dereceye ve çok kısa bir süre b rotada kadıktan sonrada 35(-35) dereceye çevrimesi gerektiğinden geneike gemierin b bögede rotaarını 47 dereceden 35 dereceye fasıaı bir şekide çevirdikeri gözenmiştir. B geçiş ise yakaşık 1 dakikada gerçekeşmektedir. Mane kmanda Açısa hız Otopiot simasyon Şeki.4 Karadeniz yönüne geçiş yapan bir tankerin Yeniköy Brnn mane kmanda ie dönüşü ve otopiot simasyon (rota 40 0 den 319(-41) 0 ye ) 7
Dar Kanada Seyir Yapan Gemierin Otopiot Ve Mane Kmanda İe Gerçekeştirien Manevra Performansarının İnceenmesi Şekierden anaşıacağı gibi özeike tanker gibi yüksek tonajı gemierin mane oarak kmandasında gecikmeer omakta ve b nedene de özeike dar sardan geçişte serdümenin herhangi bir sebepe yapacağı hata çok tehikei sonçar doğrabimektedir. 3. SONUÇ VE ÖNERİLER Gemierin dar kanaardan geçişerinde akıntı, rüzgar, kötü hava şartarı, yoğn trafik, coğrafi şartar gibi seyire omsz oarak tesir eden ve gemi kontro sistemerinde bozc oarak bnan faktörer nedeniye, özeike keskin dönüşerde manevraarı çok zn süre amakta ve rotadan sapmaar meydana gemektedir. Sözkons dar kanaarda otopiot sisteminin kanımına izin verimemesi, bozcarın etkisi atında gemi hareketinin ineer oamayışıdır. B çaışmada, keskin dönüş noktaarında seyre ait mane geçiş ve ineer varsayıma PD kontro simasyon yapımış ve PD kontro ie çok kısa süreerde dönüşün gerçekeşmesi gerektiği görümüş ve gerçekte bnn mümkün omadığı da mane kmanda seyir sonçarı ie karşıaştırıarak gösterimiştir. KAYNAKÇA: [1] Cerit G., 000, Deniz Güvenik Yönetimi ve Türk Boğazarı, Dokz Eyü Üniversitesi Deniz Işetmeciiği ve Yönetimi Yüksekok, Büyüteç atında Türk Boğazarı Sempozym, Mart [] Seyir Hidrografi ve Oşinografi Dairesi Başkanığı, 1999, İstanb Boğazı, Marmara Denizi ve Çanakkae Boğazı Seyir Rehberi, İstanb [3] Astrom, K.J., Wittenmark, B., 1989, Adaptive Contro,Lnd Institte of Technoogy [4] Astrom, K.J.,Thore, N.E., Eriksson J.,Sten, L.,1979, Adaptive Atopots for Tankers, Atomatica 0 pp:41-54 [5] Sinde D., 1984, Sistem Mühendisiği Yakaşımı ie Gemi Çarpışmaarının Önenmesi, İstanb Teknik Üniversitesi, Doktora Tezi [6] Saski, A., Noback, H. and Stassen, H.G.,1998, A Mode of the Navigator s Behavior Based on Fzzy Set Theory, Deft University of technoogy, Netherand [7] Kondratenko, Y.,Sydorenko S., 003, Atomation of Decision Making in Uncertainty : Navigation in Narrowness and Channes, Mykoaiv State Hman Science University, Ukrainian State Mritime Technica University, Third Triennia Internationa Conference on Appied Otomatic Systems Ohrid, Repbic of Macedonia, Sept. 18-0 8
Uğr Şimşir [8] Hosman, R., Stassen, H., 1999, Piot s perception in the contro aircraft motions, Contro Engineering Practice 7141-148 [9] Chen, L.K., Usoy, A.G.,001, Identification of a Driver Steering Mode and Mode Uncertainty From Driver Simator Data, Dept. Of Mechanica Engineering, University of Michigan, Jorna of Dynamic Systems, Measrement and Contro, Vo 13/63 December [10] Renski, A., 001, Identification of driver mode parameters, Internationa Jorna of Occpationa Safety and Ergonomics: JOSE,ISSN: 1080-3548,Vome 7, Isse 1,pp 79-90 [11] Weir, D.H., 1970, McRer, D.T., Dynamics of Driver Vehice Steering Contro, Atomatica, Vo.6, pp.87-98 [1] Stton, R., 1990, Modeing Hman Operators in Contro System Design, Roya Nava Engineering Coege, Pymoth UK [13] Şimşir, U Ertğr, Ş., 007, Prediction of Position and Corse with Artificia Nera Networks Utiizing GPS/Radar Data, 3rd Internationa Conference on Recent Advances in Space Technoogies Space for a More Secre Word, RAST 007, 14-16 Jne 007, Istanb, TURKEY [14] Şimşir, U Ertğr, Ş., 007, İTÜ Dergisi, Dar Kanada E Kmadası İe Seyir Yapan Gemierin Konmnn Yapay Sinir Ağarı Kanıarak Öngörümesi Ağstos 008, Cit 7, Sayı 4, Sayfa 15-5 [15] Şimşir, U Ertğr, Ş., 009, Prediction of Manay Controed Vesses Position and Corse Navigating in Narrow Waterways Using Artificia Nera Networks, Appied Soft Compting, Esevier Editoria System [16] INT 3756-91, 1996, İstanb Boğazı Haritası, Öçek : 1:30,000, Seyir Hidrografi ve Oşinografi Dairesi 9