21

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Организованность социотехнических систем судовождения и методы ее поддержания с минимизацией информационной загрузки человеческого элемента

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Пасечников М.А.

Мурманск - 2006

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" на кафедре судовождения.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Меньшиков Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Румянцев Игорь Андреевич;

кандидат технических наук, доцент Брандт Роман Борисович

Ведущая организация: Мурманский филиал ФГУ "Российский морской регистр судоходства"

Общая характеристика работы

Актуальность. Техногенные катастрофы, несмотря на то что они являются более прогнозируемыми событиями, чем экологические катастрофы, могут нанести существенный ущерб судоходным компаниям. Несмотря на внедрение в практику судоходства передовых достижений науки и техники, использование при строительстве и оборудовании судов новейших технологий, ежегодно в море происходит большое число аварий
и аварийных случаев. Это обусловлено прежде всего наличием многочисленных факторов риска, определяющих судьбу как судна, так и его экипажа. Изучение данных факторов с целью прогнозирования и, по возможности, предупреждения возникновения экстремальных ситуаций, которые могут привести к авариям и аварийным случаям, - одна из важнейших задач, стоящих на современном этапе перед международными и национальными организациями, судоходными компаниями и экипажами судов.
Одним из основных направлений решения поставленной выше задачи является снижение влияния так называемого "человеческого фактора" на аварийность в море.

Внедрение новейших технических средств судовождения естественным образом отделяет судоводителя от процесса поддержания заданного уровня безопасности мореплавания, так как он оказывается не в состоянии непосредственно контролировать этот уровень. Так, например, внедрение информационных и экспертных систем, с одной стороны, облегчает труд судоводителя, поскольку эти системы берут на себя часть управленческих функций. С другой стороны, чем больше информационных и экспертных систем входит в состав технических средств судовождения и чем сложнее их функции, тем острее ощущается потребность как в координировании работы технических средств, так и в интегрировании информации по безопасности мореплавания. Отсюда следует, что большое внимание необходимо уделять не только и не столько личным и деловым качествам судоводителя, но, главным образом, их проявлению в социотехнической системе при управлении состоянием безопасности мореплавания.

Таким образом, актуальность работы определяется значимостью исследования функционирования организованных социотехнических систем с одновременной минимизацией количества производственных рисков и информационной загрузки судоводителя при управлении состоянием безопасности мореплавания.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка принципов планирования судовых ключевых операций, направленных на повышение эффективности управления состоянием безопасности мореплавания и поддержание этого состояния на уровне международных и национальных требований за счет снижения доли "человеческого фактора" в аварийности на море.

Для достижения поставленной выше цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:

- составить модель социотехнической системы управления состоянием безопасной эксплуатации судов компании, основанную на допущении о циклическом преобразовании производственной информации в управляющие действия, и дать физико-математическое описание принципа "экономии сознания" судоводителя при управлении состоянием безопасной эксплуатации;

- разработать процедуру нормирования внешних факторов, снижающих уровень безопасности судовой ключевой операции, и оценить надежность систем планирования судовых ключевых операций по принципу позитивной и негативной полноты;

- составить модель гарантированного планирования безопасного навигационного перехода судна, разработать модель сфероида навигационной безопасности, используемого при гарантированном планировании навигационного перехода, описать процесс поглощения поверхности сфероида при достижении судном его границы;

- составить физико-математическое описание оптимального поведения судоводителя при реализации "энергетического" принципа "экономии сознания" для случая плавания судна в заданной безопасной полосе положения;

- оценить достоверность изменения состояния безопасности навигации при плавании судна по заданному маршруту перехода и дать рекомендации по минимизации количества сообщений об этих изменениях, поступающих судоводителю от технических средств;

- ввести показатель полноты гарантированного планирования навигационного перехода, дать определение навигационному риску и сформулировать общие правила использования при гарантированном планировании информации относительно вариации точности глобальных технических средств судовождения;

- дать рекомендации по совершенствованию программного продукта технических средств судовождения, направленные на минимизацию количества ложных сообщений об изменении состояния безопасности навигации.

Объектом исследования является система управления безопасностью навигации на судне, отвечающая требованиям пятой главы Международной Конвенции СОЛАС-74, тексту Международной Конвенции ПДНВ-74/95 и кодексов к ней, а также национальным требованиям, которые сформулированы признанной организацией - Российским Регистром Судоходства.

Предметом исследования является процесс производственного функционирования системы управления состоянием безопасности навигации, в рамках которого необходимо снизить информационную загрузку судоводителя за счет уменьшения количества сообщений об изменениях режима безопасного плавания судна по плановому навигационному маршруту.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- решена задача описания социотехнической системы несения вахты на судне, основанной на циклическом преобразовании информации в силовые управляющие действия, и определения в этой системе условий, при которых она может обладать свойствами наблюдаемости и управляемости;

- дано описание систем гарантированного планирования судовых ключевых операций и проведен анализ надежности этого планирования;

- даны рекомендации по минимизации информационной загрузки судоводителя при несении им ходовой вахты за счет снижения количества сообщений об изменении состояния безопасности навигации;

- даны рекомендации по совершенствованию программного обеспечения технических средств судовождения, направленного на минимизацию количества ложных сообщений об изменении состояния безопасности навигации.

Практическая значимость работы. Составлены рекомендации, направленные на минимизацию количества информации, поступающей судоводителю от технических средств для использования этой информации
в системах управления безопасной эксплуатацией судов компании. Рекомендации включены в руководства по планированию безопасного навигационного перехода судна для того, чтобы снизить информационную загрузку судоводителей при несении ими ходовой вахты. Кроме того, были разработаны и предложены к внедрению в учебный процесс методические указания по гарантированному планированию безопасных навигационных переходов.

Внедрение результатов. Результаты исследований в виде рекомендаций по минимизации информационной загрузки судоводителя были использованы в системах управления безопасной эксплуатацией судов компаний Северного бассейна и привлечены в учебный процесс при подготовке курсантов по специальности "Судовождение на морских путях", а также переподготовке морских специалистов на факультете повышения квалификации МГТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде доклада на международной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава МГТУ в 2005 г.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в восьми работах, в том числе в шести статьях, опубликованных
в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, состоит из введения, четырех глав теоретических исследований, заключения, списка использованной литературы, включающего 105 наименований, и приложения. В приложении приведены акты внедрения, подтверждающие использование в учебном процессе результатов исследования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и приведен перечень задач исследования. Кроме того, во введении отмечается, что литературный обзор состояния исследования осуществляется по мере изложения материала в каждой главе работы.

В первой главе составлена модель социотехнической системы управления состоянием безопасной эксплуатации судна при несении судовым экипажем вахты, исследована возможность придания ей свойств наблюдаемости и управляемости и сформулированы условия поддержания этих свойств в рассматриваемой системе.

С точки зрения топологии рассматриваемый процесс взаимодействия человека и технических средств судовождения представляет собой цикл преобразования производственной информации в силовые управляющие действия. Поток производственных сообщений I поступает социальному элементу по закону F_m(л, t), где л - среднее число сообщений в единицу времени; m - число сообщений в рассматриваемом промежутке времени t. Социальный элемент, обрабатывая полученное множество сообщений, преобразует эти сообщения в поток управлений мгновенного исполнения I₀ по закону P(м, t), где м - среднее число преобразований сообщений в управляющие действия состоянием безопасной эксплуатации на рассматриваемом промежутке времени t в единицу времени.

Для того чтобы выделить условия, при которых система "Вахта" будет обладать свойством управляемости, было введено понятие очереди о_t при реализации процесса преобразования сообщений потока I в поток I₀ команд u мгновенного управления из множества U. В общем случае вероятность появления этой очереди L(л, м) в системе "Вахта" зависит от двух определяющих параметров: л - среднего числа сообщений в потоке I, поступающих судоводителю от приборов, информационных и экспертных систем, и м - среднего времени преобразования одного сообщения в мгновенную команду uU на управление состоянием безопасной эксплуатации из потока I₀.

Именно соотношение определяющих параметров в выражении L(л, м) определяет свойства наблюдаемости и управляемости в системе "Вахта". Так, если соотношение параметров л и м в системе L(л, м) таково, что имеет место стремление вида

_{л = var}

L(л, м) > 0, (1)

то рассматриваемая социотехническая система управляема и способна функционировать в реальном масштабе времени. При этом социальный элемент - судоводитель способен с помощью силовых воздействий на объект управления обеспечить поддержание текущего состояния безопасной эксплуатации в заданных пределах.

Далее рассмотрена возможность реализации условия (1) на примере установившегося режима функционирования социотехнической системы "Вахта". Для этой цели было принято, что длина очереди сообщений о_t,
поступающих для преобразования, является однородной цепью Маркова,
и в стационарном процессе функционирования социотехнической системы стремление вида (1) может быть достигнуто, если будет выполнено условие

л << м., (2)

при котором число сообщений, поступающих судоводителю в единицу времени, значительно меньше числа управлений, поступающих на объект управления.

С математической точки зрения практическая реализация модели принципа "экономии сознания" (2) может быть связана с традиционным решением задач выбора с последующим перераспределением производственных сообщений. При этом процесс выбора и перераспределения производственных сообщений должен осуществляться с привлечением меры производственного риска (ранга сообщения), содержащейся в каждом или почти в каждом из этих сообщений.

Естественно, что оптимальное перераспределение производственных сообщений, осуществляемое в рамках модели принципа "экономии сознания" может быть реализовано как человеком, так и технически с помощью программных средств технических средств судовождения. Однако в любом случае реализовать модель принципа "экономии сознания" возможно лишь в том случае, когда функция выбора G удовлетворяет двум обязательным условиям: безопасность судовой навигация

- функция выбора G отвечает условию наследования, когда для всех
n = 1, 2, ... и x₁, …, x_{n + 1}X выполняется стремление

(x₁G(x₁, …, x_{n + 1})) > (x₁G(x₁, …, x_n));

- функция выбора G удовлетворяет условию независимости от отброшенных альтернатив, когда для всех n = 1, 2, ... и x₁, …, x_{n + 1}X

(x_{n + 1}G(x₁, …, x_{n + 1})) > (G(x₁, …, x_{n + 1}) = (G(x₁, …, x_n )),

где последнее равенство следует понимать как совпадение двух множеств.

Если далее полагать, что в деятельности судоводителя объективно или субъективно применяется принцип "экономии сознания", то, для описания этой производственной деятельности человека можно привлечь структуру О, представленную в виде упорядоченной семерки множеств:

О = < S, t, X, f, Щ, Ц, А >, (3)

где S - множество альтернатив;

t - множество требуемых видов упорядочения альтернатив;

X - множество свойств альтернатив;

f - отображение S в X;

Щ - множество сообщений, поступающих судоводителю от мультимедийной подсистемы "Ходовой мостик";

Ц - множество функций выбора, которые выражены через отношение нестрогого предпочтения в X;

АЩ - полный набор сообщений, используемый судоводителем для решения конкретной задачи навигационной безопасности и выделенный ему с привлечением принципа "экономии сознания".

Введенная структура (3) позволяет составить описание поведения судоводителя при управлении в составе социотехнической системы состоянием безопасной эксплуатации судна. Основой такого поведения является отношение, для которого функция индивидуального выбора ц(щ) при любом щЩ_ц обладает свойством квазипорядка R*. Действительно, если поступившее судоводителю сообщение щ является бинарным отношением
в X, то для него "сильнейшей" будет ограниченная сверху функция выбора ц*, вводящая на X квазитранзитивное замыкание по сообщению щ:

ц*(щ) = E Tr [щ] ? R*, (4)

где E - отношение равенства на множестве свойств альтернатив Х.

Полученное выражение (4) можно использовать как основу для определения сути "управленческого поведения" судоводителя, которое возникает при поддержании заданного уровня безопасной эксплуатации судна в социотехнической системе "Вахта". Особенностью такого поведения является то, что у судоводителя при выполнении им обязанностей "управляющего" элемента в социотехнической системе формируется стереотип выбора альтернатив (некий механизм выбора) ц*(щ), который будет "сильнейшим" по отношению к любой последовательности функций индивидуального выбора ц(щ) при выполнении условия щА.

Полученная от мультимедийной подсистемы "Ходовой мостик" производственная информация может содержать ошибки, при наличии которых не обязательно будет выполняться условие щА. Для выполнения условия щА, необходимо, чтобы эта информация была непротиворечивой. В тех случаях, когда полученная судоводителем производственная информация щЩ является непротиворечивой, но далеко не полной по составу, может быть составлен механизм выбора

ц*(щ) = Tr [ ц(щ)], (5)

который аналогично (4) также вводит на X общий квазипорядок R*.

Теоретическим обоснованием сути "управленческого поведения" судоводителя вида (5) является допущение о том, что, если щ_jА и ц_j(щ_j) ? R* при j = 1, 2, …, n , то ц*(щ) ? R*, где ц* конструируется по методу (4).

Таким образом, свойства наблюдаемости и управляемости системы "Вахта" зависят от "управленческого поведения" судоводителя, которое включает в себя использование принципа "экономии сознания" и механизма универсального выбора ц*(щ), вводящего на множестве альтернатив Х общий квазипорядок R*. Кроме того, эффективность управления состоянием безопасной эксплуатации определяется близостью между наблюдаемым множеством сообщений АЩ, поступающим судоводителю от технических средств, и плановым аналогом множества сообщений А₀, которые используются судоводителем при управлении состоянием безопасной эксплуатации судна.

Во второй главе диссертационной работы исследуются вопросы планирования конкретной судовой ключевой операции и выбора общей системы планирования с учетом траектории выбора вида (4) или (5).

Наиболее существенное повышение эффективности любой судовой ключевой операции (как и большинства управляемых технологических процессов) в плане снижения уровня текущих рисков и повышения уровня безопасности следует связывать с оптимизацией установившегося режима движения состояния системы Y (X, U, t), где X - траектория состояния ключевой операции; U - траектория выбора, отвечающая условию (4) или (5).

На этапе планирования управления состоянием судовой ключевой операции большинство параметров этого состояния, как правило, задаются таким образом, чтобы условие, накладываемое на вектор-функцию Y (X, U, t), выполнялось для всего временного интервала Tt. Поэтому плановую траекторию состояния судовой операции Х₀(t) можно рассматривать как стационарную, на которой все составляющие вектор-функцию Y (X, U, t),
характеризующие как само состояние операции, так и управляющие воздействия, постоянны.

С формальной точки зрения этапы планирования управления и реализации заданной траектории состояния судовой ключевой операции можно связать, если для этой цели использовать существующее представление о возможности расширения экстремальных задач. В свою очередь, идея расширения экстремальной задачи, позволяет оценить изоморфность плановой и реальной траекторий судовой ключевой операции в том случае, когда выполняются два условия:

D₁D₂;

R ₂(щ) R ₁(z), zD₁,

где D₁, D₂ - множества, на которых выполняется и планируется судовая ключевая операция; R ₂(щ), R ₁(z) - целевые функции соответственно.

Дальнейшее исследование состояний изоморфной системы, отвечающей условиям (6), выполненное в рамках лагранжевого подхода, позволило задачу текущего управления состоянием ключевой операции рассматривать как расширение задачи планирования, причем такое расширение,
в котором при заданных значениях лагранжевых параметров порождается класс эквивалентности У траекторий X₀(t) и X(t) с признаком равенства их целевых функций.

Однако на практике добиться строгого соотношения изомофности и эквивалентности между плановой траекторией X₀(t) и ее реализацией X(t), ориентируясь только на подбор соответствующих значений множителей Лагранжа, достаточно сложно. Поэтому имеет смысл найти такую количественную (информационную) оценку отличий траекторий, которая позволила бы не только определить допустимые границы класса эквивалентности, но и ограничить эти границы сверху.

Пусть реальной выходной переменной судовой ключевой операции x соответствует выходная переменная x* ее плановой траектории, а реальному распределению вероятностей P = {p(x_i)} значений величины x соответствует плановое (гипотетическое) распределение вида Q = {q (x_i)},
заданное при планировании. Тогда в рамках принятых обозначений информационное отличие фиксируемой траектории ключевой операции
от плановой траектории можно найти в количестве равном

D = N (x | x*) - H (x),

где N (x | x*) = -У p(x_i)log q (x_i); H(x) = -У p(x_i)log p (x_i).

Тогда информационное различие между плановой траекторией навигационного процесса и его реализацией может быть определено так:

D = р_x(ф) log [р_x(ф) / р_x*(ф)]dф / р_x(ф)dф. (7)

Полученный результат (7) показывает, что общность по качеству между плановой траекторией и ее реализацией не исключает наличия дополнительных рисков при реализации последней траектории. Задача минимизации дополнительных рисков формулируется следующим образом. Требуется определить множество Q_u содержащееся в U(t) допустимых воздействий u, выбранных с помощью механизма (4) или (5) так, чтобы при любом u из Q_u априорные нормы для границ класса эквивалентности У не нарушались. В то же время, если u не принадлежит Q_u, то существует такое ненормируемое воздействие v из V(t), при котором границы класса эквивалентности оказываются нарушенными состоянием ключевой операции x(t) хотя бы при одном t из [t₀ t₁].

Если задаться некоторым параметром g, который характеризует степень возможного отклонения траектории судовой ключевой операции от множества Q^k(t) в момент s, то система неравенств, записанная следующим образом:

g_i ? 0, i = 1, 2, …, r,

c^k(s)[y(s) + Y^k(s)g] + d^k(s) ? 0, k = 1, 2, ..., m, (8)

определяет множество параметров g, при которых траектория безопасной судовой ключевой операции x(t) принадлежит множеству Q_х(t) в момент s при любых нормированных воздействиях, которые удовлетворяют условию u(t)Q_u(g) при щ_jA₀ и соответственно выполнения условия выбора (4) или (5).

Выполнение условия (8) целесообразно связать с полнотой описания безопасной ключевой операции. Так, если x(t)Q_х(t) при u(t)Q_u(g)
и v(t)V(t), то описание спланированной безопасной судовой ключевой операции обладает позитивной полнотой. В тех же случаях, когда ненормированные возмущения v(t) выводят состояние x(t) за пределы множества Q_х (t) при щ_jA₀ и u(t)Q_u (g), описанию класса моделей безопасной судовой ключевой операции следует приписать свойство негативной полноты.

Далее исследуется надежность систем планирования по оценкам степени их полноты. Общим для систем планирования является модель судовой операции, заданная с помощью структуры вида

Y₀ = (V, U, X, F), (9)

где F(V U > X) - оператор производственного процесса (судовой ключевой операции), состояние которого определяет пара (v, u).

Кроме того, в дополнение к (9) зададимся тем, что нормированные воздействия u(t)Q_u(g), выбранные с условием щ_jA₀, учитываются при планировании производственного процесса, тогда как ненормированные воздействия v(t) V(t), отвечающие условию щ_jA₀, остаются неизвестными.

Структура (9) и введенные выше допущения позволяют выполнить сравнение двух систем планирования. Для построения первой системы планирования, примем, что распределение P(v)Иv) - это все, что известно о значениях v при реализации механизма выбора u(t)Q_u(g). При этом модель ключевой операции Y₀ свяжем с ограниченной снизу числовой функцией L(V U> R) - функцией потерь, которая позволяет оценить надежность планирования ключевой операции Y₀ в рамках структуры вида

Г = (Y₀, L, P(v)) = (Y, P(v)),

характеризуемой величиной среднего риска

<R> = У L(v, u)P(v).

Система уточненного планирования Г₀ отличается от системы Г тем, что Г₀ предусматривает просмотр списка апостериорных рисков
w = f(v, z, u) и по этому списку уточняется область нормированных возмущений uQ_u(g).

Для сравнения систем планирования достаточно лишь обратить внимание на то, что изменилось в системе планирования Г после учета прошлых рисков и превращения ее в систему Г₀. По сути, изменению подверглось лишь распределение вероятностей PИv), а это дает возможность привлечь в качестве характеристики надежности систем Г и Г₀ показатели позитивной полноты .

При такой интерпретации величины всегда будет иметь место отношение

? , w,

которое показывает, что привлечение прошлого негативного опыта (учет прошлых рисков w) уменьшает неопределенность планирования и влияние текущих рисков в процессе реализации плановой модели судовой ключевой операции.

В третьей главе рассматриваются принципы формирования гарантированного планирования навигационного маршрута, при которых возможна реализация принципа "экономии сознания" судоводителя при выполнении им обязанностей по поддержанию заданного уровня безопасности навигации.

Планирование навигационного перехода, являясь этапом планирования любой безопасной судовой ключевой операции, имеет ряд особенностей, связанных с тем, что изменения состояния безопасности навигации определяются взаимодействием достаточно сложного комплекса явлений. Эти явления, во-первых, характеризуются многообразием параметров состояния и насыщенностью их взаимосвязей, во-вторых, большим числом сбоев и отказов, возникающих как в технических средствах, так и за счет ошибок судового персонала, в частности, вахтенного помощника капитана.

При определении принципов планирования безопасного навигационного маршрута в этой главе дано более точное описание свойства "безопасная реализация ключевой операции", для чего были привлечены два принципиальных понятия: множественность и иерархичность признаков.

Расширив представление о принципах планирования навигационного перехода Q и введя показатель качества, с которым иерархический индикатор "интегрирует" исходную навигационную информацию, получили условие, при котором эта операция является квазибезопасной. При формировании этого условия использовалось представление об эргодичности навигационного процесса в смысле Боголюбова.

Кроме того, был выполнен вероятностный анализ смены режимов процесса. В результате этого анализа было установлено, что любая эргодическая операция Q₁, обладающая универсальным признаком "безопасная навигация", отвечает условию вида

о_q (Q_q ) > 0

где - сфероид навигационной безопасности для безопасной эргодической навигационной операции Q₁.

В то же время условие

о_q (Q_q ) > 0

определяет, что универсального признака в ключевой операции не существует и такая операция Q₂ отягощена существенными рисками, способными создавать предпосылки к развитию аварийных навигационных ситуаций.

Характерной чертой модели сфероида навигационной безопасности (10) является свойство, при котором в этом сфероиде определены только направленные переходы из режима безопасного плавания в режим опасного плавания. Такой акцент в исследованиях обусловлен тем, что:

- можно получить условия, при которых минимизируется число сообщений об изменениях состояния безопасности навигации, подаваемых техническими средствами судовождения (например, спутниковой навигационной аппаратурой);

- можно использовать для оценки таких изменений текущую вероятностную оценку, которая зависит от параметров сфероида безопасности (полосы положения, заданной в программном обеспечении СНА).

Модель сфероида навигационной безопасности с рекомендуемой функцией поглощающей поверхности позволила разработать "энергетическую модель" принципа "экономии сознания" судоводителя. В рамках такой модели судоводителю при несении вахты и контроле состояния безопасности навигации предлагается осуществлять оптимальную стохастическую стабилизацию своей деятельности и соответственно минимизировать свои энергетические затраты. Однако контроль состояния безопасности навигации невозможен без знания приемов рационального получения навигационной информации. Действительно, если процедура контроля безопасности навигации выполняется программным обеспечением СНА, то она должна обязательно включать в себя, во-первых, наблюдения за целостностью системы спутниковой навигации и, во-вторых, сбор необходимой информации, определяющей содержание корректирующих действий
по поддержанию заданного уровня безопасности навигации.

Количество дезинформации, которое может поступать судоводителю в виде сообщений от технических средств, будет минимальным, если навигационный план перехода будет определен границами сфероида безопасности навигации, а его реализация осуществляется судоводителем в рамках принципа "экономии сознания".

Для оценки количества дезинформации по аналогии с неопределен-ностью Бонгарда введена условная интегральная характеристика изменчивости состояния реализуемого навигационного перехода относительно изменчивости состояния планового маршрута плавания. При этом количество дезинформации, которую будет вносить план маршрута плавания судна при его реализации, можно записать так:

D = {р_y(ф)log[р_y(ф) / р*_y(ф)е_t]dф / (р_y(ф) dф)}, (11)

где р_y(ф) - интенсивность изменения состояния р_y(ф) навигационного перехода; р*_y(ф) - интенсивность изменения состояния плана навигационного перехода.

Таким образом, если план навигационного перехода составлен так, что он локализован сфероидом безопасности, а его реализация осуществляется при поведении судоводителя, отвечающем принципу "экономии сознания", то минимальное количество дезинформации можно получить лишь при минимизации функционала (11). Минимизация функционала (11) в общем случае возможна только за счет повышения полноты планирования.

В четвертой главе процесс решения навигационной задачи рассматривается как последовательность действий, которая включает в себя планирование этой задачи, ее практическую реализацию, контроль хода реализации и, наконец, выполнение, в случае необходимости, корректирующих действий, позволяющих согласовать предварительную прокладку с ее исполнительным вариантом. С практической точки зрения указанную последовательность действий можно рассматривать как две разнесенные во времени процедуры.

Первой процедурой является планирование маршрута перехода. При ее осуществлении необходимо в рамках принятых условий безопасности навигации составить программу плавания судна и получить предварительные гарантии достижения экономически значимых целей.

Вторая процедура связана непосредственно с реализацией производственных целей и состоит из плавания судна по составленной и безопасной в навигационном смысле траектории, контроля плавания для соблюдения запланированных условий безопасности навигации.

При планировании маршрута перехода судна, отвечающего условиям навигационной безопасности, следует учитывать множество X_max факторов, влияющих на безопасность навигации. Различные подмножества факторов X из множества X_max выбираются судоводителем для реализации планирования, причем планирование состоит в выделении из X части факторов
Y₀Щ, образующих некоторое замкнутое подмножество. В свою очередь, именно замкнутое подмножество Y₀ дает определенные гарантии того, что составленный маршрут перехода судна будет выполняться только в рамках принятых при планировании условий безопасности навигации.

Для характеристики полноты планирования навигационного маршрута плавания для практического использования предложен показатель, дающий возможность численно оценить достоверность прогнозирования безопасности навигации на планируемом маршруте перехода судна. Кроме того, этот показатель способен характеризовать такое важное навигационное понятие, как навигационный риск.

Если после выбора факторов, обеспечивающих безопасность навигации, и составления маршрута перехода судна на множестве факторов G осталось некоторое множество E, которое по каким-либо причинам функцией выбора не было отнесено к множеству Y₀, то при контроле реализации маршрута такой промах неизбежно дает навигационный риск R для любого множества (G-E).

Однако даже самый детальный выбор факторов, определяющих безопасность навигации, и самая совершенная функция выбора не способны обеспечить полноту планирования маршрута перехода судна и свести все потенциальные риски к нулю, поскольку следует признать, что навигационные риски существуют как объективная реальность.

Учет возможной вариации точности обсервованного места судна, обусловленной дестабилизирующими факторами, происходящими в элементах спутниковых навигационных систем, необходим при планировании состояния безопасной навигации, причем дестабилизирующие факторы в этих элементах будут являться главной движущей силой, которая превращает обсервационную точность непрерывного счисления пути судна в случайный процесс О(t).

Если в случайном процессе О(t) скрыто систематическое смещение в сторону опасности, навигационный риск существенно возрастает. Стремление повысить безопасность навигации только за счет привлечения высокоточных обсерваций навигационной спутниковой системы не упрощает процесс планирования, а скорее усложняет его.

При планировании безопасности навигации с использованием обсервационного счисления пути судна необходима достоверная информация о вариациях точности этого счисления. Гипотеза о том, что характер монотонности случайного процесса О(t) равновероятен, тнаделяет дестабилизирующие действия в элементах спутниковой системы навигации квазитранзитивным состоянием. Такое состояние не зависит от вида и характера монотонности случайного процесса О(t) и подлежит обязательному учету при планировании маршрута перехода судна, что способно уменьшить число сообщений о нарушениях в установленном режиме навигационного плавания.

При известном процессе безопасного плавания судна Q и заданных правилах S, по которым должен развиваться этот процесс, окончательный этап планирования маршрута перехода в рамках задачи синтеза следует рассматривать как подбор из множества P элементов маршрута (поворотных точек) и их связей (промежуточных курсов). Выделенные элементы
и их связи должны обеспечить реализацию процесса Q с соблюдением всех принятых правил S. Поставим во взаимнооднозначное соответствие поворотным точкам маршрута вершины графа, а промежуточным курсам - его ребра. Тогда полученный граф будет обладать древовидной топологией, поскольку конечная точка маршрута для любого варианта планирования может рассматриваться как полюс-вершина этого графа.

В отличие от процедуры планирования с древовидной топологией процесс реализации маршрута перехода обладает циклической топологией, которая последовательно фиксирует три действия судоводителя - выполнение плановых управлений, контроль хода реализации маршрута перехода и его соответствие принятым условиям безопасности навигации, а также применение корректирующих управлений.

Достоверность контроля безопасности навигации зависит не только
от вариации точности обсервационного счисления, но и от особенностей программного обеспечения судовой навигационной аппаратуры, причем технические особенности программного обеспечения СНА, в частности, особенности реализации решающих правил должны быть известны судоводителю и учитываться им при планировании маршрута плавания судна.

Кроме того, процедура планирования маршрута перехода должна включать в себя мероприятия, повышающие достоверность контроля безопасности навигации и исключающие как необнаружения выходов судна за пределы полосы положения, так и ложные сигналы о таких выходах.

Общие выводы и заключение

Выполненные исследования, направленные на повышение эффективности управления состоянием безопасной эксплуатации судов компании, позволили сделать следующие выводы:

1. Составленная модель социотехнической системы управления состоянием безопасной эксплуатации судов компании, основанная на допущении о циклическом преобразовании производственной информации в силовые управляющие действия, позволяет сформулировать рекомендации по минимизации информационной загрузки судоводителя с одновременной минимизацией количества навигационных рисков.

2. Минимизацию информационной загрузки судоводителя целесообразно моделировать в описании системы управления состоянием безопасности навигации с помощью физико-математического принципа "экономии сознания" судоводителя, основанного на теории функций выбора, а процесс выбора альтернатив, основанный на обработке информации от мультимедийной системы "Ходовой мостик", связывать с формированием алгоритма универсального выбора, вводящего на множестве свойств альтернатив общий квазипорядок.

3. Предложенные в работе критерии изоморфности и эквивалентности позволяют оценить информационную близость реальной траектории судовой ключевой операции и ее планового аналога, а также идентифицировать причины, по которым плановая траектория способна генерировать дополнительные производственные риски.

4. Составленная модель гарантированного планирования безопасного навигационного перехода судна, которая основана на сложном признаке "безопасная реализация ключевой операции" с привлечением двух фундаментальных понятий - "множественность" и "иерархичность", позволила разработать процедуру нормирования внешних факторов среды и оценить надежность систем планирования судовых ключевых операций по принципу позитивной и негативной полноты.

5. Разработанная модель сфероида навигационной безопасности, которая может быть применена при гарантированном планировании навигационного перехода, позволяет описать процесс поглощения поверхности этого сфероида при навигации судна в момент достижения судном его границы, а также получить физико-математическое описание оптимального поведения судоводителя при реализации "энергетического" принципа "экономии сознания" для случая плавания судна в заданной безопасной полосе положения.

6. Введенная в работе оценка достоверности изменения состояния безопасности навигации при плавании судна по заданному маршруту перехода позволила сформулировать рекомендации по минимизации количества сообщений об этих изменениях и разработать показатель полноты гарантированного планирования навигационного перехода.

7. Формальное определение навигационного риска и общие правила гарантированного планирования навигационного перехода судна с учетом информации относительно вариации точности глобальных технических средств судовождения позволили разработать рекомендации по совершенствованию программного продукта технических средств судовождения, направленных на минимизацию количества ложных сообщений об изменении состояния безопасности навигации.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1. Пасечников, М.А. Особенности траекторного движения судна по линейным участкам маршрута плавания / В.И. Меньшиков, М.А. Пасечников, Фадель : МГТУ. - М., 2001. - 8 с. - Деп. во ВНИЭРХ 03.12.01, № 1377-рх.

2. Пасечников, М.А. Аналитическое определение места судна в прибрежной зоне / А.И. Санаев, В.И. Меньшиков, М.А. Пасечников // Вестн. МГТУ : Тр. Мурман. гос. техн. ун-та. - 2002. - Т. 5, № 2. - С. 195-202.

3. . Пасечников, М.А. Оптимизация ресурса в системах управления безопасной эксплуатацией судов / В.И. Меньшиков, К.В. Меньшикова, М.А. Пасечников // Вестн. МГТУ : Тр. Мурман. гос. техн. ун-та. - 2002. - Т. 5, № 2. - С. 177-182.

4. Пасечников, М.А. Перспективы освоения шельфа Баренцева моря и подготовка специалистов в этой области / Г.В. Лыхин, В.И. Лунин, М.А. Пасечников // Вестн. МГТУ : Тр. Мурман. гос. техн. ун-та.- 2003. - Т. 6, № 1. - С. 49-52.

5. Информационная оценка полноты гарантированного планирования судовой ключевой операции / В.И. Меньшиков, К.В. Меньшикова, М.А. Пасечников, Н.В. Калитенков // Вестн. МГТУ : Тр. Мурман. гос. техн.ун-та. - 2004. - Т. 7, № 3. - С. 364-369.

6. Пасечников, М.А. Маневрирование ТБС типа "Нефтегаз" при швартовых операциях / Г.В. Лыхин, М.А. Пасечников // Вестн. МГТУ : Тр. Мурман. гос. техн. ун-та. - 2004. - Т. 7, № 3. - С. 398-399.

7. Пасечников, М. А. Аналитическое определение места судна по двум измеренным расстояниям от навигационных ориентиров с помощью лазерных дальномеров (прямая засечка) / А. И. Санаев, М. А. Пасечников // Вестн. МГТУ : Тр. Мурман. гос. техн. ун-та. - 2004. - Т. 7, № 3. - С. 67-68.

8. Пасечников, М.А. Организованность социотехнических систем судовождения и методы ее поддержания с минимизацией информационной загрузки человеческого элемента / М.А. Пасечников // [Электронный ресурс] / МГТУ. Электр. текст дан. (16 Мб). - Мурманск : МГТУ, 2006. - Междунар. науч.-техн. конф. "Наука и образование - 2006" (Мурманск, 4-12 апреля 2006 г.). С. 961-964. - (НТЦ "Информрегистр" № 0320501517, св. 7081 от 28.11.2005 г.).

Размещено на Allbest.ru

...