Размещено на http://www.allbest.ru/

Модельные представления задачи оценки риска опасного сближения морских судов

Статья посвящена проблеме навигационной безопасности движения морских судов. Рассматривается подход, позволяющий вырабатывать тревожные сигналы с выделением различных уровней опасности. В основу критерия разделения уровней опасности положены траекторные свойства движения судов. Предложена система правил, апеллирующая к модельным представлениям типа «судно-судно» и позволяющая упорядочить действия диспетчера при управлении коллективным движением судов. Приводятся результаты моделирования и натурного исследования трафика в акватории порта Владивосток, подтверждающие конструктивность предлагаемых идей.

The problem of marine vessel traffic control is discussed in this paper. Information system model for marine safety estimation (ship collision avoidance) is watched. System defines some alarm levels: «green», «yellow» and «red». An alarm criterion is based on maneuver detector. If the ship is maneuvering its alarm level decreases («yellow»). Mathematical model of position and velocity estimation for alarm generating are offered. Some results of experiments are shown, such as numerical experiments for typical ships traces and field experiments for Vladivostok port water area vessel traffic. There are near 20% «yellow» alarms and 80% «red» alarms. Its alarms are generated in all water area.

навигационный безопасность морской судно

Навигационная безопасность коллективного движения судов является актуальной проблемой эксплуатации водных транспортных путей [1, 2]. Её обеспечение возложено на береговые системы управления движением судов (СУДС).

Определение судов, чьё движение является потенциально опасным (ведёт к столкновению) и выработка тревожных сигналов является центральной функцией, реализующей целевой назначение СУДС. Тревожный сигнал служит указанием оператору СУДС, на основании которого он принимает решение о необходимости изменения курса и скорости движения; при этом число объектов, для которых в текущий момент времени может быть выработан тревожный сигнал увеличивается с ростом интенсивности движения [3]. Это приводит к расширению множества управленческих решений, способных обеспечить безопасное движение и возрастанию неопределённости при принятии конкретного решения, что является побудительным мотивом дополнительно учитывать тип навигационной ситуации и выделять различные уровни опасности (типа «очень опасная», «опасная», «почти безопасная» и т.п.) [4]. Такой подход позволяет оператору СУДС упорядочить свои действия (например, в случаях, когда одновременно присутствуют несколько тревожных сигналов, принимать решения по наиболее опасным из них).

В настоящей работе рассматриваются методологические основы концепции и соответствующие модели многоуровневой системы оценки состояния навигационной безопасности морской акватории. Предложенные модели используются авторами при создании новых перспективных методов работы СУДС.

Основные модельные представления. При моделировании навигационной безопасности коллективного движения прибегнем к построению модели безопасности «судно-судно» для каждой пары судов, что является обычной практикой [5]. Рассмотрим два судна с координатами , и , и скоростями , и , . Будем описывать их коллективное движение набором величин - вектором состояния коллективного движения двух судов, где , - координаты вектора относительного положения судов; - скорость относительного движения судов; - направление вектора скорости относительного движения судов, - скорость изменения угла (рис. 1).

Рис. 1. Модель относительного движения пары «судно-судно»

Главным условием безопасного коллективного движения является недопущение чрезмерного сближения судов. Это обеспечивается соблюдением некой «зоны безопасности» вокруг судна, называемой также «корабельным доменом» [5]. В настоящей работе рассматривается корабельный домен статического типа, жёстко привязанный к судну с номером n и интерпретируемый окружностью заданного радиуса . Введем следующие величины (рис. 1): - азимут вектора ; - скорость изменения азимута вектора ; - угол, определяемый расстоянием между судами и размерами доменов (считается, что в безопасном состоянии корабельные домены не должны «вторгаться» друг в друга); - скорость изменения угла ; - время, оставшееся до максимального сближения судов (TCPA); - пороговое значение для времени .

Потенциально опасное сближение двух судов можно формализовать следующим образом:

(1)

, (2)

. (3)

Условие (1) формализует опасную ситуацию при равномерном и прямолинейном движении судов; условие (2) дополняет его в случае, если суда маневрируют; условие (3) отбирает из общего массива те суда, у которых время до сближения меньше порогового.

Определение степени опасности. Вектор может быть найден по данным береговой РЛС или по данным GPS различными способами (см. например, [7]).

При внешнем наблюдении в качестве информативного признака, определяющего степень опасности конкретной навигационной ситуации, могут выступать кинематические траекторные свойства движения. Практика судовождения показывает, что маневрирующие и не маневрирующие суда с точки зрения безопасности коллективного движения имеют принципиальные различия. Во-первых, при внешнем наблюдении полностью достоверный прогноз траектории маневрирующего объекта невозможен [8]. Во-вторых, на практике маневрирование судна, как правило, свидетельствует о попытке судоводителя придать движению безопасный характер и о его контроле над ситуацией. Поэтому для маневрирующего объекта вербальный уровень опасности заведомо ниже, чем для не маневрирующего. С учетом сказанного, имеет место следующая дискретная оценка уровня опасности ситуации, в зависимости от истинности условий (1), (2) и (3) (таб. 1). Уровень опасности 0 (минимальный) соответствует безопасной ситуации; уровень опасности 1 (почти безопасный) - ситуации, когда суда могут сблизиться, если продолжат маневрирование; уровень 2 (средняя степень опасности) - ситуации, когда суда могут сблизиться, если прекратят маневрирование; уровень 3 (максимальный) - ситуации, когда суда сблизятся, если не начнут манёвр уклонения.

Дискретная оценка уровня опасности ситуации типа «очень опасная», «опасная», «почти безопасная» позволяет привлечь внимание диспетчера СУДС в первую очередь к наиболее опасным ситуациям. Возможно также представление уровня опасности непрерывной величиной. Для этого оказываются продуктивными идеи задач систем нечёткой логики. В этом случае правила (1), (2), (3) и уровень опасности представляются лингвистическими переменными с соответствующими термами и функциями принадлежности, а система правил (таб. 1) трансформируется в систему нечётких правил [9, 10]. Использование систем нечёткой логики позволяет гибко адаптировать задачу к особенностям трафика конкретной акватории путем обучения экспертным способом или на обучающей выборке.

Таблица 1. Система правил для дискретной оценки уровня опасности (основная модель)

Основной проблемой при практической реализации рассмотренной модели является необходимость оценки угловых скоростей, входящих в правило (2). При больших расстояниях между судами эта оценка неустойчива в условиях инструментальных погрешностей измерений [9, 10], что не даёт возможности надёжно распознавать опасно сближающиеся суда заблаговременно. Одним из путей решения этой проблемы является упрощённая интерпретация правила (2) - замена его детектором маневра. Функция - детектор маневра позволяет оценить степень интенсивности маневрирования судна и может быть построена множеством известных способов (см. например, [11]). В этом случае вместо правила (2) будем иметь:

. (4)

Если , то наблюдаемое судно маневрирует, если - судно движется прямолинейно и равномерно.

Таблица 1. Система правил для дискретной оценки уровня опасности (упрощённая модель)

С учетом сказанного, будем иметь следующую систему правил для упрощённой модели, в зависимости от истинности условий (1), (3) и (4) (таб. 2). Уровень опасности 0 (минимальный) соответствует безопасной ситуации; уровень опасности 1 (средняя степень опасности) - ситуации, когда суда могут сблизиться, но при этом они маневрируют, то есть судоводитель, скорее всего, контролирует ситуацию; уровень 2 (максимальный) - ситуации, когда суда сблизятся, если не начнут манёвр уклонения. Как и для предыдущей, для упрощённой модели также возможна интерпретация системой нечеткой логики и представление уровня опасности непрерывной величиной. Как показывают проведённые исследования [12], упрощённая система более устойчива при больших расстояниях между судами, что позволяет распознавать их опасное сближение заблаговременно.

Результаты численного моделирования и натурных исследований. Для демонстрации особенностей предложенной модели многоуровневой системы оценки рассмотрим модельный пример движения трёх судов (рис. 2). Два судна, I и II, движутся прямолинейно и равномерно со скоростью 5 м/с, а судно III - маневрирует.

Рисунок 2. Моделируемые траектории движения судов

Рис. 3 иллюстрирует определение уровня опасности навигационной ситуации непрерывной величиной по мере движения судов с течением времени: «судно I - судно III» (левая колонка) и «судно II - судно III» (правая колонка).

Рисунок 3. Определение уровня опасности навигационной ситуации

На рис. 3а и 3б показана оценка уровня опасности ситуации нечеткой системой, построенной на основе системы правил таб. 1. Видно (рис. 3а), что уровень опасности для судов I и III повышается по мере их сближения, достигая максимума при с. При судно III начинает маневр уклонения поворотом вправо, после чего уровень опасности «судно I - судно III» быстро снижается. Из рис. 3б видно, что суда II и III вначале движутся безопасно. После начала судном III манёвра уровень опасности «судно II - судно III» скачкообразно увеличивается до , а, затем, по мере продолжения поворота судна III, снижается до уровня и затем до 0. Видно, что из-за влияния инструментальных погрешностей при больших расстояниях между судами оценки величины носят нерегулярный характер, хотя в целом и позволяют решить задачу.

На рис. 3в и 3г показана оценка уровня опасности ситуации нечеткой системой, построенной на основе системы правил таб. 2. Видно (рис. 3в), что уровень опасности для пары судов I - III устойчив и постоянно повышается по мере их сближения. После начала судном III маневра уклонения уровень опасности быстро снижается. Из рис. 3г видно, что суда II и III вначале движутся безопасно. После начала судном III манёвра уровень опасности для пары судов II - III скачкообразно увеличивается, а, затем, по мере продолжения поворота судна III, снижается до безопасного уровня.

Несколько слов о «заштрихованной» зоне уровня опасности рис. 3. Значения , попадающие выше заштрихованной зоны, соответствуют однозначно опасной ситуации, на которую диспетчеру СУДС нужно немедленно обратить внимание (так называемая «красная тревога»). Значения , попадающие ниже заштрихованной зоны, соответствуют однозначно безопасной ситуации, на которую диспетчеру СУДС не нужно отвлекаться. Значения , лежащие внутри заштрихованной зоны - это случай, когда определённая степень опасности имеет место, о ней нужно поставить в известность диспетчера СУДС, но решение о необходимости выдачи рекомендаций судоводителю диспетчер принимает самостоятельно, исходя из неформальной, интуитивной экспертной оценки конкретной ситуации (так называемая «жёлтая тревога»). Это ситуация, в которую диспетчеру скорее всего вмешиваться немедленно не следует, а стоит подождать её дальнейшего развития.

Заключение. Для рассмотренных моделей были проведены натурные эксперименты на реальных данных о движении судов в районе порта Владивосток [13]. На этой акватории доля тревожных сигналов уровня «желтый» составила около 20%, причем места их генерации не образовали устойчивых зон. Рассмотренный подход к построению многоуровневой системы оценки состояния навигационной безопасности морской акватории позволяет наглядно представлять особенности навигационной обстановки. Предложенная цветовая интерпретация уровней тревоги типа «красный» и «желтый» интуитивно понятна судоводителям и операторам СУДС. Тот факт, что доля ситуаций уровня «жёлтый» на типичной акватории достаточно значительна, говорит о том, многоуровневая оценка ситуации актуальна для практики, а ей применение способно существенно снизить эмоциональную нагрузку на операторов СУДС.

Результаты работы ориентированы на расширение функций современных систем управления движением судов.

Литература

1. Моисеев Г.А. Безопасность морского судоходства // Транспорт: наука, техника, управление. - 2010. - №12. - С. 43 - 45.

2. Ростопшин Д.Я., Антонова Д.А. О проблемах использования данных автоматической идентификационной системы в задачах управления движением судов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2007. - №9. - С. 63 - 69.

3. Бродский П.Г., Румянцев Ю.В., Некрасов С.Н. К вопросу оценки влияния интенсивности судоходства на аварийность // Навигация и гидрография. - 2010. - №30. - С. 36 - 42.

4. Коноплёв М.А. Применение аппарата нечеткой логики для определения уровня опасности столкновения // Эксплуатация морского транспорта. - 2009. - №2. - С. 34 - 39.

5. Tam Ch.K., Bucknall R., Greig A. Review of collision avoidance and path planning methods for ships in close range encounters // Journal of Navigation. - 2009. - Vol. 62. - №3. - P. 455 - 476.

6. Goodwin E.M. A statistical study of ship domains // Journal of Navigation. - 1975. - Vol. 28. - P. 328 - 341.

7. Гриняк В.М., Головченко Б.С., Малько В.Н. Распознавание опасных ситуаций системами управления движением судов // Транспорт: наука, техника, управление. - 2011. - №8. - С. 42 - 45.

8. Сазонов А.Е., Дерябин В.В. Прогнозирование траектории движения судна при помощи нейронной сети // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2013. - №3. - С. 6 - 13.

9. Гриняк В.М., Девятисильный А.С. Нечёткая система распознавания опасного сближения судов на морских акваториях // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2014. - №11. - С. 36 - 42.

10. Гриняк В.М. Нечеткая система распознавания опасного сближения морских судов // Транспорт: наука, техника, управление. - 2014. - №6. - С. 6 - 10.

11. Никитин А.А., Грицык П.А. Сопровождение маневрирующей цели // Антенны. - 2013. - №1. - С. 25 - 29.

12. Головченко Б.С., Гриняк В.М., Девятисильный А.С. Нечёткая система предупреждения об опасном сближении морских судов // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2015. - №1. - С. 15 - 25.

13. Головченко Б. С., Гриняк В. М. Информационная система сбора данных трафика морской акватории // Научно-техническая информация. Сер. 2: Информационные процессы и системы. - 2014. - №8. - С. 24 - 28.

Размещено на Allbest.ru