Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей эксплуатации системы управления морским судном и современного состояния оценивания показателей ее функционирования 13
1.1 Анализ способов управления безопасностью мореплавания на современное этапе и особенностей применения технических средств системы управления морским судном 13
1.2 Анализ особенностей функционирования системы управления морским судном в различных навигационных условиях 22
1.3 Постановка задачи и основные направления исследования 35
1.4 Выводы по разделу 1 42
2. Методические основы оценивания показателей функционирования эргатической системы управленім морским судном при решении задач судовождения 44
2.1 Обоснование показателей функционирования эргатической системы управления морским судном и метода их оценивания 44
2.2 Метод оценивания показателей функционирования ЭСУМС 57
2.3 Алгоритм оценивания и исследования показателей функционирования эргатической системы управления морским судном 62
2.4 Выводы по разделу 2 68
3. Математические модели оценивания показателей функционирования эргатической системы управления морским судном при решении задач судовождения и их анализ 70
3.1 Структурно-эксплуатационные модели функционирования ЭСУМС при решении задач судовождения ^ 70
3.2 Базовые математические модели оценивания показателей функционирования системы управления морским судном и их анализ...80
3.3 Обобщенные математические модели оценивания показателей функцио нирования эргатической системы управления морским судном и их анализ... 86
3.3.1 Обобщенные полумарковские математические модели 86
3.3.2 Обобщенные марковские математические модели 91
3.4 Комплексные математические модели оценивания показателей функциони рования эргатической системы управления морским судном и их анализ 93
3.4.1 Полумарковские комплексные математические модели 94
3.4.2 Марковские комплексные математические модели 99
3.5 Параметры обобщенной и комплексной моделей функционирования... 102
3.6 Выводы по разделу 3 107
4 Структура методики, алгоритм, компьютерная программа и результаты оценивания и исследования показателей функционирования эргатической системы управления морсішм судном ... 110
4.1 Структура методики оценивания и исследования показателей функционирования эргатической системы управления морским судном 110
4.2 Алгоритм и компьютерная программа оценивания показателей функционирования эргатической системы управления морским судном 117
4.3 Анализ количественных результатов оценивания показателей
функционирования ЭСУМС при различных навигационных условиях 120
4.3.1 Анализ количественных результатов оценивания показателей функционирования ЭСУМС при совершении маневра 120
4.3.2 Анализ количественных результатов оценивания показателей функционирования ЭСУМС при решении задач расхождения судов 130
4.4 Использование количественных результатов оценивания показателей функционирования ЭСУМС при тренажерной подготовке судоводителей 141
4.5 Разработка алгоритмов действий судоводителей в различных навигационных ситуациях и анализ результатов эксперимента 146
4.5.1 Методика проведения экспериментальных исследований на навигационном тренажере 147
4.5.2. Анкетирование судоводителей 148
4.5.3. Разработка эталонных алгоритмов действий судоводителя при различных навигационных ситуациях 152
4.6 Выводы по разделу 4 169
Заключение 172
Список использованных источников
- Анализ особенностей функционирования системы управления морским судном в различных навигационных условиях
- Метод оценивания показателей функционирования ЭСУМС
- Обобщенные математические модели оценивания показателей функцио нирования эргатической системы управления морским судном и их анализ...
- Алгоритм и компьютерная программа оценивания показателей функционирования эргатической системы управления морским судном
Введение к работе
Актуальность темы. Непрерывное возрастание экономических связей между государствами ведет к интенсивному росту числа морских перевозок. Увеличивается количество судов, их водоизмещения и скорости, сокращается численность экипажей при одновременном повышении уровня должностных обязанностей моряков. Чрезмерная напряженность работы судоводителя дает предпосылки для возникновения аварийных случаев. Недопустимо высоким является количество столкновений судов.
Несмотря на техническую оснащенность современных судов, в существующей эргатической системе управления морским судном (ЭСУМС) именно за судоводителем остается функция принятия решения, которая играет основную роль в обеспечении безопасности мореплавания. Одним из наиболее эффективных путей обеспечения высокой безопасности мореплавания является совершенствование систем управления морскими судами, показатели функционирования (ПФ) которых необходимо оценивать не только с учетом их эксплуатационно-технических параметров, но и характеристик судоводителя, а также различных навигационных условий.
Сложность и многообразие задач, решаемых ЭСУМС в различных навигационных ситуациях, ставит задачу оценивания ее ПФ одной из важнейших в обеспечении безопасности судовождения.
Анализ известных автору результатов исследований показал, что вопросы комплексного изучения эксплуатационных свойств, и прежде всего связанные с разработкой методического и математического аппаратов оценивания ПФ ЭСУМС в различных навигационных условиях, не нашли должного отражения. Наличие же метода оценивания и математических моделей ПФ ЭСУМС позволит более объективно задавать вектор параметров ЭСУМС, исследовать влияние различных факторов на них и находить рациональные пути их обеспечения при достижении требуемой безопасности мореплавания.
В связи с этим научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является разработка метода оценивания и математических моделей показателей функционирования эргатической системы управления морским судном в различных навигационных условиях.
Актуальность выполненных в диссертационной работе исследований обусловлена: возросшей ролью безопасности судовождения морского транспорта и необходимостью повышения эффективности функционирования ЭСУМС; сложностью процесса функционирования ЭСУМС ввиду многообразия связей между ее элементами; отсутствием
\ О
научных исследований по разработке теоретических основ оценивания ПФ ЭСУМС; необходимостью внедрения в практику создания и эксплуатации ЭСУМС методов и математических моделей, позволяющих оценивать, прогнозировать ПФ ЭСУМС и обосновать пути повышения безопасности мореплавання в различных навигационных условиях; необходимостью в разработке алгоритмов действий судоводителя в различных навигационных условиях и практических рекомендаций по управлению судном, направленных на снижение доминирующего в аварийности «человеческого фактора».
Объектом исследования выступает эргатическая система управления морским судном. Предметом исследования являются показатели функционирования эргатической системы управления морским судном.
Цель исследования заключается в разработке методики оценивания показателей функционирования ЭСУМС в различных навигационных ситуациях в целях повышения безопасности судовождения.
Задачи исследования:
1. Разработка методических основ решения научной задачи,
включающие ПФ ЭСУМС в различных навигационных ситуациях, ме
тод и алгоритм их оценивания.
-
Разработка комплекса математических моделей ПФ ЭСУМС в различных навигационных условиях и их программного обеспечения.
-
Построение структуры методики оценивания и исследования ПФ ЭСУМС в различных навигационных условиях.
4. Разработка алгоритмов действий судоводителя в составе
ЭСУМС в различных навигационных условиях.
5. Количественный анализ результатов оценивания и разработка
рекомендаций по применению полученных методических основ, мате
матических моделей оценивания и программного обеспечения при ис
следовании ПФ ЭСУМС, а также алгоритмов действий судоводителей
в различных навигационных условиях.
Методы исследования. Решение поставленной в диссертации научной задачи проведено с использованием системного подхода и анализа, метода пространства состояний (МПС), базирующегося на полумарковских процессах (ПМП), теории вероятностей и математической статистики, математического моделирования и программирования. В результате выполненных исследований получены следующие новые теоретические и практические результаты, выносимые на защиту:
-
Методические основы решения научной задачи, включающие показатели функционирования ЭСУМС в различных навигационных ситуациях, метод и алгоритм их оценивания.
-
Комплекс математических моделей показателей функционирования ЭСУМС в различных навигационных условиях и их программное обеспечение.
-
Структура методики оценивания и исследования ПФ ЭСУМС в различных навигационных условиях.
-
Алгоритмы действий судоводителя в составе ЭСУМС в различных навигационных условиях.
-
Результаты оценивания и рекомендации по применению разработанных методических основ, математических моделей и программного обеспечения при оценивании и прогнозировании ПФ ЭСУМС, а также алгоритмов действий судоводителей в различных навигационных условиях.
Совокупность этих результатов и представляет содержание методики оценивания ПФ ЭСУМС.
Научная новизна и теоретическая значимость результатов, полученных в диссертации, заключается в:
а) обосновании и разработке методических основ оценивания ПФ
ЭСУМС, включающих систему показателей, метод и алгоритмы их
оценивания, и позволяющих разрабатывать математические модели ее
ПФ, учитывающие как влияние эксплуатационно-технических пара
метров, судоводителя, динамику в различных навигационных условиях,
так и внешних условий плавания и т.д.;
б) разработке математических моделей (ММ) ПФ ЭСУМС, бази
рующихся на методе пространства состояний с использованием полу
марковских и марковских процессов;
в) построении методики оценивания ПФ ЭСУМС в различных
навигационных условиях, позволяющей проводить разработку матема
тических моделей, количественную оценку, прогноз этих показателей и
обоснование путей их обеспечения с учетом основных ЭТХ ЭСУМС,
особенностей и условий применения, режимов и динамики их функ
ционирования.
Практическая значимость результатов состоит в:
а) разработке программно-математического обеспечения оцени
вания ПФ ЭСУМС, включающего комплекс математических моделей,
алгоритм и компьютерную программу;
б) в проведении с использованием разработанных математиче
ских моделей ПФ ЭСУМС количественных исследований по оценке
влияния основных ЭТХ, условий, особенностей, режимов и динамики ее функционирования, а также судоводителя и разработке рекомендаций по их использованию при обосновании путей повышения безопасности судовождения;
в) в разработке инженерной методики оценивания и исследова
ния ПФ ЭСУМС при различных навигационных условиях.
г) в построении алгоритмов действий судоводителя в различных
навигационных ситуациях и обобщении типичных ошибок при реали
зации алгоритмов, что позволит использовать алгоритмы в тренажер
ной подготовке судоводителей, а также в экспертных системах.
Обоснованность и достоверность полученных результатов базируется на: адекватном учете особенностей функционирования ЭСУМС при разработке методического и математического аппаратов оценивания их ПФ; корректной и логической обоснованности принятых допущений при разработке математических моделей ПФ ЭСУМС; использовании для решения научной задачи апробированного математического аппарата теории случайных полумарковских процессов; практической проверке работоспособности полученных математических моделей в ходе компьютерного эксперимента и сравнении отдельных результатов с результатами других исследователей; практической реализации на навигационном тренажере алгоритмов действий судоводителя при управлении судном в различных навигационных условиях.
Реализация результатов исследования.
Основные результаты исследования реализованы в учебном пособии «Дипломное проектирование», учебно-методических материалах, используемых в учебном процессе и тренажерной подготовке студентов МГАВТ, Каспийском филиале «МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова» и в Астраханском речном училище - филиале ВГАВТ, а также слушателей повышения квалификации судоводительского состава и в Научно - техническом учебном тренажерном центре (г. Калининград); в сборниках научных трудов МГАВТ, в научном журнале «Вестник Астраханского государственного технического университета» (входит в перечень ВАК), а также в 3-х отчетах о НИР Минтранса РФ и в научных докладах на Международных форумах «Связь и навигация на море и реке», 4-й региональной НПК (г. Новороссийск) и научно-практических конференциях МГАВТ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: научных семинарах кафедры «Судовождение» МГАВТ, научно-практических конференциях
МГАВТ (2004-2008гг), на 4-й региональной НПК (2005г, г. Новороссийск) и Международном форуме «Связь и навигация на море и реке» (2005-2006гг, г. Москва). Работа в целом апробирована на совместном заседании кафедр «Судовождение» и «Управление судном и ТСС» МГАВТ с привлечением специалистов других кафедр академии и внешних организаций (10. 10. 2008г).
Публикации. Материалы диссертационного исследования опубликованы в одном учебном пособии, 16 научных статьях, 9 тезисах научных докладов, 3 отчетах о НИР. Всего 29 научных трудов, из них печатных 26.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Она включает 116 страниц текста, 64 рисунка, 35 таблиц и список использованных источников из 135 наименований.
Анализ особенностей функционирования системы управления морским судном в различных навигационных условиях
Важнейшей задачей эксплуатации морских судов является, обеспечение безопасности мореплавания и охрана человеческой жизни на море. Проводимая в России работа по навигационной безопасности судоходства основана- на решениях международных конвенций, договоров, требованиях национальных нормативно-технических документов в области безопасности мореплавания и предотвращения загрязнения окружающей среды и основывается на комплексе организационных и технических мероприятий, направленных на реализацию этих решений и требований [84,97,98,104,107].
Одними из основных ее направлений являются: - обеспечение оснащения судов высококачественными и надежными системами управления (в первую очередь средствами навигации и связи), удовлетворяющими международным и национальным требованиям; - обеспечение высокого уровня профессиональной подготовки специалистов морского флота по эффективному использованию средств навигации.
Объединяя эти направления, следует отметить, что они связаны с совершенствованием систем управления морскими судами, и, прежде всего, с оцениванием и обеспечением их показателей функционирования в различных навигационных условиях.
В соответствии с Международным кодексом по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращения загрязнения (МКУБ), каждая судоходная компания должна разработать, задействовать и поддерживать систему управления безопасностью (СУБ), постоянно бороться с причинами, порождающими аварийность [84,104]. Несмотря на совершенствование технических средств морского судоходства, обеспечение безопасной эксплуатации судов продолжает оставаться острейшей проблемой в морской индустрии, а предупреждение аварийности является злободневной практической задачей. По данным Международной Морской Организации (ИМО), около 80% всех аварийных случаев с судами мирового флота связано с «человеческим фактором», т.е. с ошибками, упущениями, нарушениями со стороны лиц судового экипажа, являющихся важнейшим звеном ЭСУМС [67,69].
Существуют три способа управления безопасностью: технический, социальный, социально-технический.
Первый основан на поиске технических решений повышения уровня безопасности (например, разработка норм прочности корпуса). Второй, как показывает статистика, является определяющим, так как большинство аварий случается по причине человеческих ошибок. Прививать культуру безопасности надо начинать на стадии подготовки и обучения моряка. Третий, социально-технический способ, состоит во взаимодействии персонала и техники, является комплексным и наиболее эффективным. Возможно эргономическое управление безопасностью: разработка технических решений, направленных на улучшение взаимодействия системы человек-оператор [35,84,111,126].
К организационным мерам по обеспечению безопасности мореплавания относится также дальнейшее регламентирование движения судов на наиболее оживленных судоходных путях, акваториях портов и ближайших подходах к ним. Такие системы управления движением судов (СУДС) действуют во всех крупных портах мира [32,54,61,77]. В настоящее время на базе современных навигационных и радиосвязных систем создаются новые СУДС, дополнительно включающие в себя станции спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS и автоматические идентификационные системы (АИС). Благодаря этому достигается высокоточная проводка судов по узким фарватерам, таким как Ленинградский и Калининградский каналы, вход в Северную Двину и Волгу в районе Астрахани. К организационным мерам относится также регламентирование движения судов на наиболее оживленных морских путях (разде 15 ление путей для судов, движущихся в противоположных направлениях).
К техническим мероприятиям, направленным на реализацию национальных и международных требований в области безопасности мореплавания, относятся создание и внедрение судовых технических средств, обеспечивающих эффективное и безопасное управление судном [8,35,36,38,54,65].
С принятием в декабре 2000 года на 73-ей сессии Комитета ИМО по безопасности на море Поправок к Международной Конвенции по охране человеческой жизни на море (МК СОЛАС-74), кардинально изменились требования к оснащению морских судов навигационным оборудованием. Обязательными стали позиционные датчики, регистраторы данных рейса, аппаратура АИС, электронные картографические навигационно-информационные системы [56].
Основными судовыми позиционными датчиками являются приемоинди-каторы спутниковых навигационных систем (СНС): GPS и ГЛОНАСС, которые автоматически представляют текущие географические координаты судна. Эти данные используются для непрерывного представления места судна на электронных картах, управления движением по заданной траектории, контроля соблюдения режима плавания судов в море, поиска и спасения и др. [43,46]
Аппаратура АИС выполняет непрерывный самоорганизующийся взаимный обмен навигационной информацией между судами о параметрах их движения, а также автоматическую передачу информации о судне по запросам береговых служб [34]. Применение этой системы повышает безопасность плавания и обеспечивает более эффективную работу служб, контролирующих движение и эксплуатацию судов: СУДС, морских спасательно-координационных центров, береговых подразделений судовладельцев, пограничных служб и т.д.
Современные навигационные системы дают наибольший эффект при автоматическом отображении на электронной навигационной карте места судна, получаемого от СНС. Внедрение информационной технологии в практику судовождения позволяет интегрировать навигационную и гидрографическую информацию в единой судовой системе управления[89].
Метод оценивания показателей функционирования ЭСУМС
Как следует из п. 1.1, исследование особенностей функционирования ЭСУМС продолжает оставаться актуальным. Наибольшее количество аварий происходит из-за ошибок людей, так или иначе связанных с эксплуатацией судов. Основным носителем «человеческого фактора» в судоходстве является экипаж [54,89,90,94,135]. Судно, имеющее самое современное оборудование, не застраховано от аварии из-за некомпетентности или халатности судоводителя.
Существуют и объективные факторы, ограничивающие возможности че 23
ловека, как оператора: увеличение скорости движения и тоннажа судов и все возрастающая интенсивность судоходства. В этих условиях судоводитель зачастую не может своевременно обработать всю информацию. Важнейшими являются также проблемы риска, связанные с естественной утомляемостью человека, и, как следствие, неадекватными действиями, особенно в критических ситуациях. Решать эти проблемы можно путем автоматизации обработки информации, повышения надежности функционирования сложных систем.
В судовождении полностью или частично автоматизированы процессы определения местоположения и скорости судна, стабилизации судна на заданном курсе и маршруте, получения и обработки радиолокационной информации, управления средствами радиосвязи и т.д.
В то же время имеется много задач, которые еще не формализованы, поэтому освободить судоводителя от их решения пока невозможно.
Столкновения судов — вид навигационной аварийности по убыткам занимающий первое место. Статистика [92,102,131] говорит о том, что 90% всех столкновений происходит в условиях ограниченной видимости с использованием радаров. Отдельным аспектам безопасного расхождения судов посвящено большое количество работ. Рассматривались вопросы анализа надежности радиолокационной информации и расхождения судов по РЛС, критериев безопасного расхождения судов на ограниченной акватории, оперативного выбора безопасных маневров последнего момента [26,51,70,71,80,86,99,112, 122,124]. В ряде работ анализируется влияние «человеческого фактора» на безопасность судна [57,89,67,69,105].
Процесс управления судном при расхождении судов является сложной навигационной операцией, необходимость в которой возникает в результате появления случайного события — наличия опасного сближения двух или нескольких судов. В операции участвуют сложные динамичные объекты, люди, принимающие ответственные решения, технические средства, входящие в комплекс системы управления судном. Процесс расхождения судов следует рассматривать как один из главных вариантов работы ЭСУМС.
Процессы управления протекают в ЭСУМС, под которой подразумевается некоторая совокупность элементов (частей), взаимосвязь между которыми определяют свойства, состояния системы и их изменения во времени. Для управления морским судном требуется иметь информацию о состоянии, ресурсах и ограничениях в ЭСУМС, о внешней среде и ее изменениях, получаемых на основе наблюдений, измерений, вычислений. При этом особое значение имеют обратные связи - каналы, по которым в ЭСУМС вводятся данные о состояниях ее элементов и результаты реализации управляющих воздействий.
В простейшем случае систему управления морским судном можно представить в виде четырех основных частей: управляемой (объекта управления -судно), измерительной (получение, обработка и выбор нужной информации), управляющей (судоводителя) и исполнительной (рисунок 1.2)[111].
На основе измерений, поступающих от датчиков, информации - гирокомпаса, лага, РЛС/САРП, РНС - по обратным связям, управляющая часть (судоводитель) сравнивает фактическое состояние судна с желаемым, которое определяется заданной извне целью управления (задачей).
При этом предусматривается, что управляющая часть системы достаточно точно знает состояние объекта управления, четко представляет состояние, которого надо достигнуть, а также способы выработки надлежащих воздействий.
Отсутствие ясности в законах движения объекта под влиянием управляющих воздействий, ограниченность выбора самих воздействий, внешние случайные возмущения создают рассогласование эффекта управления с основной программой. Появляется необходимость своевременно откорректировать управляющие воздействия либо выбрать один из "запасных" вариантов достижения цели. Чем больше возможностей переведения объекта из одного состояния в другое, тем легче управление. Чем тщательнее изучены информационные связи и динамические качества элементов системы управления, тем точнее выработаны алгоритмы управления, тем больше эффект и пределы управления ].
Как бы тщательно ни изучалось поведение ЭСУМС, всегда неизбежно наличие некоторых случайных факторов, влияющих на ее состояние.
В области судовождения детально разработанными являются процессы: определения местоположения и скорости судна; стабилизации судна на заданных курсе и маршруте; получения, обработки и индикации радиолокационной информации об элементах движения встречных судов и ситуациях сближения с ними; управления средствами радиосвязи. Созданы навигационные комплексы, которые успешно решают эти задачи. В то же время имеется много задач, которые еще не формализованы, поэтому освободить судоводителя от их решения пока невозможно. К таким задачам относятся выбор маршрута плавания на основе правильной оценки гидрометеоинформации, управление судном в стесненных навигационных условиях, выполнение расхождения с судами, проведение швартовных операций и др.
Упрощенную модель функционирования ЭСУМС на примере решения задач предупреждения столкновений судов целесообразно представить в виде графа состояний и переходов (рисунок 1.3).
Графом фиксированы следующие состояния системы: 1 - сбор информации для оценки ситуации; 2- восприятие судоводителем информационной модели навигационного процесса из пространства знаний SK; 3 - принятие решений и реализация действий, определенных в пространстве решений SR и направленных на эффективное управление судном; 4 - выполнение контрольных и корректирующих действий, реализуемых в пространстве контроля SC.
Обобщенные математические модели оценивания показателей функцио нирования эргатической системы управления морским судном и их анализ...
Разработаны структурные схемы обобщенной и комплексной полумарковской математических моделей оценивания показателей функционирования ЭСУМС, содержащие входные параметры (параметры различных эксплуатационно-технологических процессов, условий, особенностей и динамики функционирования), собственно математические модели и выходные параметры модели, характеризующие процессы эксплуатации и функционирования ЭСУМС. При этом структурные схемы модели позволяют наглядно увидеть в компактной форме входные параметры, собственно математические модели оценивания и их выходные параметры - вероятностно-временные показатели функционирования ЭСУМС.
Структура методики оценивания и исследования показателей функционирования эргатической системы управления морским судном
Полученные во 2 разделе работы полумарковский и марковский алгоритмы оценивания и исследования показателей функционирования ЭСУМС при решении задач судовождения и разработанные в 3 разделе модели ее функционирования показали, что наиболее удобно при решении теоретических и практических задач по оценке показателей функционирования ЭСУМС при различных навигационных ситуациях использовать полумарковский (ПМП) и марковский процессы (МП), если заданы: граф состояний G(P,Q) и возможные переходы {i,j}; матрица Q(t)={Qij(t)} независимых функций распределения времени пребывания ЭСУМС в і-ом состоянии перед переходом в j-oe состояние, если бы данный выход из состояния і был бы единственным; начальное состояние в момент t=0 (если рассматривается переходный период).
Комплекс марковских и полумарковских математических моделей оценивания эксплуатационных свойств ЭСУМС (раздел 3), позволяет представить структуру методики оценивания и исследования показателей функционирования ЭСУМС в виде рисунок 4.1 - для полумарковских моделей, из которой легко можно получить структуру методики для марковских моделей (рисунок 4.2), частный случай которой получен в работе [123].
В состав методик входят индивидуальная и универсальная части. Индивидуальная часть отражает специфику конкретной ЭСУМС и принятых моделей ее применения в различных навигационных ситуациях. Универсальная часть отражает закономерности процессов функционирования ЭСУМС и включает матричные уравнения, приведенные в алгоритмах, и остается постоянной для любой ЭСУМС, имеющей полумарковскую и марковскую индивидуальную
Разработка индивидуальной части методики заключается в содержательном анализе ЭСУМС и задании полумарковского и марковского процессов по формализованным признакам. Содержательный анализ включает в себя формирование структурно-эксплуатационных моделей функционирования ЭСУМС, отражающих различные условия выполнения операции судовождения (например, при своевременном маневрировании или выполнении маневра последнего момента), в выборе признаков классификации (описания) состояний и их определении во множестве обобщенных состояний, в построении и разметки графа состояний и переходов, а также в обосновании параметров независимых функций распределения времени пребывания в і-ом состоянии перед переходом в j-oe состояние и описании вероятностно-физических закономерностей каждого перехода в отдельности. Результаты содержательного описания оформляются в виде размеченного графа G (P,Q) переходов между состояниями, а также в виде элементов матрицы Q(t)={Qij(t)} независимых функций распределения времени пребывания системы управления судном в і-ом состоянии перед переходом в j-oe состояние. Сложность процесса функционирования ЭСУМС с большим числом внутренних связей и независимым описанием каждого перехода в отдельности делают содержательный анализ громоздким, но относительно простым в формальном отношении, что является одним из преимуществ полумарковских моделей.
Информация по показателям функционирования ЭСУМС для любых состояний и переходов получается с помощью количественного анализа по общим неизменным зависимостям (конечные зависимости отличны) и составляющими универсальную часть методики. Это позволяет разрабатывать стандартные процедуры анализа ЭСУМС, а именно, оценивать количественные значения ее показателей функционирования при решении задач судовождения, влияние различных параметров на них, выделять управляемые параметры и определять наилучшие пути обеспечения показателей функционирования в различных навигационных ситуациях.
Алгоритм и компьютерная программа оценивания показателей функционирования эргатической системы управления морским судном
Во время выполнения тестового упражнения фиксировалось время прохождения данных участков и в последующем обрабатывалось на предмет расхождения результатов эксперимента с эталонным упражнением.
Эталонным упражнением было признано упражнение, выполненное путем проигрывания на тренажере с использованием только математических расчетов, заложенных в программное обеспечение тренажера. Углы перекладки руля при выполнении данного поворота, предложенные программным обеспечением тренажера, принимались за эталонные, так как соответствовали повороту судна с минимальными затратами и с минимальным временем.
При выполнении тестового упражнения фиксировались моменты начала поворота - отдачи команды на руль, величина кладки пера руля в начальный момент, время выхода на новый курс, моменты прохождения буев № 1, № 2, № 3 с правого борта. Траверз буя № 4 считался окончанием упражнения.
Результаты выполненного тестирования показали, что при подготовке плана выполнения поворота судна в условиях тренажера значительное большинство тестируемых судоводителей основное внимание уделяло из всех факторов, влияющих на планирование поворота, численному значению скорости судна в момент начала поворота - 42%. На втором месте по учету факторов находятся маневренные характеристики, радиус циркуляции (31%), на третьем месте - гидрометеоусловия (16%) и на четвертом месте - интенсивность движения (11%).
Для контроля за выходом в точку начала поворота тестируемые в боль 165 шинстве своем предпочли использовать электронную карту - 42% (несмотря на то, что около 95% слушателей работали с электронной картой в первый раз), дистанцию - 31%, навигационные карты - 13%, пеленг - 8%, расчетное время - 6%. Параллельные индексы для контроля начала поворота судна в условиях тренажера практически не использовались, хотя такая функция в САРП, установленном на тренажере, имеется.
Большинство судоводителей предпочитает начинать поворот заблаговременно и плавно. Так, тестирование показало, что угол начальной перекладки руля составил: 10 - 49%, 15 -31%, 21 - 17%, 25 - 3%. Соответственно, начало поворота относительно эталонного составило: 45с до — 4 судоводителя, 30с до - 12 судоводителей, 15с до - 17 судоводителей, точно в расчетное время - 20 судоводителей, 15с позже - 8 судоводителей, 30с позже - 3 судоводителя.
Так как начальные условия одинаковы для всех выполняющих данное упражнение, то оценивать результаты действий на тренажере лучше по времени начала поворота, поскольку формализовать все последующие действия судоводителей после начала поворота представляется громоздким и не показательным. При скорости судна 8,0 уз можно за допустимую погрешность в начале маневра принять величину времени в 15 с, что соответствует 61,7 метра пути судна, или 1/3 длины судна. При времени эталонного выполнения поворота 03 мин 00 с, погрешность в 15 с составляют 0,1 от общего времени поворота, погрешность во времени 15сдои15с позже расчетного времени начала поворота приводит к погрешности в расстоянии в 124 метра, что примерно соизмеримо с длиной корпуса судна.
Таким образом, за правильное выполнение поворота судна считаем начало поворота судна в расчетное время и до или позже расчетного времени на 15 с. Общее количество судоводителей, выполнявших стандартное упражнение, составляет 64 человека, в назначенный интервал времени (до и позже на 15 с) уложилось 45 человек. Таким образом, статистическая вероятность безошибочного начала поворота составляет:
Такая высокая статистическая вероятность совершения ошибки в определении начала поворота обусловлена следующими факторами: ограничениями навигационного тренажера, не позволяющими визуально определять пеленга и дистанции, отсутствием кругового обзора, ограничениями электронной карты; отношением судоводителям к упражнениям, выполняемым на полнофункциональном навигационном тренажере, как к условному плаванию судна; отсутствием реальной опасности и последствий в случае ошибочного выполнения поворота судна и посадки на мель.
Как показали выполненные на навигационном тренажере упражнения, алгоритм выполнения поворота судна имеет большое значение для выработки динамического стереотипа действий, особенно для начинающих судоводителей. Также алгоритм действий позволяет скорректировать имеющиеся стереотипы действий у судоводителей, так при выполнении упражнений на тренажере после детального разбора всех операторов алгоритма количество судоводителей, выполнивших стандартное упражнение ближе к эталонному, увеличилось.
Алгоритм «расхояадение с судами».
Основной задачей выполнения упражнений на навигационном тренажере с выполнением маневра расхождения с другим судном являлось определение эффективности алгоритма «расхождение с судами» для оценки действий судоводителей при выполнении маневра, а также определение среднестатистической дистанции начала маневра судна в ситуации наличия опасности столкновения.
В качестве судна использовалась та же модель, что и в предыдущих экспериментах. Район плавания - Средиземное море, недалеко от Гибралтара, судно следует скоростью 14,0 уз, курсом 105, выйдя из системы разделения в Гибралтаре. С правого борта, среди других судов, есть опасное, идущее пересекающимся курсом с дистанцией кратчайшего сближения Дкр=0,3 мили
Похожие диссертации на Методика оценивания показателей функционирования эргатической системы управления морским судном
