Содержание к диссертации
Введение
Методы интеллектуальной поддержки в системах судовождения 14
Основные подходы представления знаний в судовождении 14
Анализ методов интеллектуальной поддержки судовождения 17
Общая характеристика методов построения интеллектуальных систем 17
Характеристика динамической экспертной системы для судовождения 27
Принципы интеллектуальной поддержки судовождения 34
Семантические модели представления знаний в судовождении 37
Фреймовая модель представления знаний в судовождении 40
Ситуационное исчисление и язык логики предикатов рассуждений о предметной области—судовождении 42
Представление знаний по судовождению на основе нечетких множеств 44
Выводы 46
Формирование базы знаний модели района плавания методами множественного анализа 48
Формирование и классификация множеств районов плавания 48
Формирование и классификация множеств условий плавания 51
Представление модели базы знаний зонами безопасности судна 53
Нечеткие модели баз знаний навигационно-гидрографической обстановки и условий плавания 62
Анализ и систематизация режимов маневрирования судов в стесненных водах' 66
Постановка задач программирования движений и режимов маневрирования судна 66
Исходные знания навигационно-гидрографической обстановки района плавания 67
Анализ режимов движения судов при подходе к порту 73
Анализ режимов движения судов в порту 81
Методы формирования знаний о режимах маневрирования судна в стесненных условиях 84
Принципы формализации знаний о построении программных движений судна в системах управления 84
Поэтапное формирование знаний о модели программного движения судна 91
Формализация знаний о допустимых маневрах в моделях программного движения судна 98
Выводы 111
Заключение 112
Список использованных источников
- Анализ методов интеллектуальной поддержки судовождения
- Характеристика динамической экспертной системы для судовождения
- Ситуационное исчисление и язык логики предикатов рассуждений о предметной области—судовождении
- Исходные знания навигационно-гидрографической обстановки района плавания
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших проблем и задач судоходства в различные периоды его развития является обеспечение безопасности мореплавания. Современные достижения науки и техники в разработке высоконадежных электронных систем навигации и управления судном позволяют автоматизировать процессы судовождения. Вместе с этим остается проблема "человеческого элемента", которая является причиной многих аварий и катастроф на море. По данным IMO до 80% аварий связано с участием человека. Одним из путей уменьшения влияния человеческого элемента на процессы судовождения является передача части функций судоводителя системам навигации и управления с интеллектуальной поддержкой (СИП). Некоторым вопросам построения судовых СИП посвящены исследования С.В.Глушкова, Г.С.Осипова, С.В.Смоленцева, и других.
Исследования в области принципов СИП, и принятия решений указывают на необходимость разработки методов накопления и верификации баз знаний (БЗ), обеспечивающих оценку навигационной обстановки, формирование режимов маневрирования и методов принятия решений по управлению.
Целью диссертации является разработка методов и принципов формирования БЗ в автоматизированных навигационных СИП, обеспечивающих безопасные режимы маневрирования судна в стесненных водах. Для реализации этих целей осуществляется исследование и решение научных задач, результаты которых выносятся на защиту:
Принципы интеллектуальной поддержки принятия решений при плавании судна в стесненных водах на основе формирования математических моделей БЗ и решающих правил;
Математические модели навигационно-гидрографической обстановки и условий безопасности плавания, их взаимодействие на основе множественного анализа для формирования БЗ;
Методика формирования БЗ моделей допустимых программных движений и режимов маневрирования судна в стесненных (портовых) водах в
зависимости от условий плавания на основе теории нечетких множеств (ТНМ).
Объектом исследования является формализация БЗ программных движений и режимов маневрирования судна в стесненных водах как совокупность методов и средств навигации и судовождения.
Область исследования - разработка методов и СИП обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства.
Методы исследования. Основой теоретических и прикладных исследований диссертации являются результаты и достижения автоматизации процессов навигации и управления судном, общей теории управления и оптимизации, СИП, ТНМ, вычислительных методов и моделирования на ЭВМ.
Эмпирической базой обеспечения достоверности теоретических положений, выводов являются экспериментальные материалы лоцманских проводок и маневрирования судов при швартовых операциях. Научная новизна исследований, выдвигаемых на защиту:
Принципы формирования интеллектуальной поддержки принятия решений по маневрированию судна в стесненных водах при описании реальной ситуации и выработки рекомендаций судоводителю отличаются, использованием, наряду с формально-логическими схемами, методов ТНМ, что обеспечивает адекватность реальным мыслительным процессам судоводителя, изменениям окружающей навигационно-гидрографической обстановки и производственно-функциональной среды.
Модели БЗ навигационно-гидрографической обстановки районов и условий безопасности плавания отличаются множественно - аналитическим подходом к описанию ситуации, использованием аппарата строгих формальных и нечетких логик, что обеспечивает необходимые процедуры преобразования данных о навигационной обстановке, позволяет провести их четкую идентификацию и выработать рекомендации по управлению судном.
БЗ моделей о допустимых программных движениях и режимах маневрирования судна в стесненных водах на основе ТНМ отличаются возможностью накопления знаний о маневрах судна с помощью набора
коэффициентов для конкретного района плавания, что обеспечивает формирование вариантов безопасного маневрирования в зависимости от текущего состояния и обстановки.
Теоретическая значимость полученных результатов заключается в создании современных научных технологий формирования баз знаний СИП о моделях классификации районов и условий плавания, допустимых программных движениях и режимах маневрирования на основе нечетких правил для безопасного управления судном в стесненных водах.
Практическая ценность результатов заключается в доведении исследований до уровня алгоритмической реализации, на основе которых могут создаваться СИП планирования программных режимов движения и маневрирования судна в различных условиях плавания для судовых автоматизированных навигационных комплексов и береговых СУДС.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается: обобщением существующих информационных источников; использованием методов апробированного математического аппарата; практической проверкой выдвигаемых основных положений в ходе натурного эксперимента и моделирования на ЭВМ; апробацией основных положений на научно-практических конференциях различного уровня и в печатных изданиях.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации относятся к Перечню критических технологий Российской Федерации (п.23) "Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления", являются частью НИР кафедры Судовождения МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова "Алгоритмизация и оптимизация процессов навигации и управления судном на основе перспективных технологий" (№ ГР 01201000122), "Разработка перспективных направлений создания и развития региональной системы безопасности мореплавания в Керченском проливе" (№ ГР 0120090700), программы для ЭВМ «Экспериментальная модель траектории судна (VslTrack)», Per. № 2011612461 (24.03.2011), внедрены при совершенствовании Правил и типовых схем маневрирования судов в портах Новороссийск и Туапсе.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались на ежегодных научно-технических конференциях МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова 2005 - 2010 годах.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 изданиях, в том числе 9 статьях, 6 из которых в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 3 отчетах по НИР, 1 зарегистрированной программе для ЭВМ.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации 124 страницы включает содержание 2 страницы, перечень сокращений 4 страницы, введение 6 страниц, четыре раздела 100 страниц, заключение 2 страницы, список литературы из 121 наименования 10 страниц, 39 иллюстраций и 11 таблиц.
Анализ методов интеллектуальной поддержки судовождения
Анализ технической и научной литературы показывает [9-11, 13, 40, 55, 75, 83, 94], что современное судно представляет собой сложную техническую систему, насыщенную различными механизмами, устройствами, оборудованием, средствами сигнализации, связи, электронно-вычислительной техникой, документацией и руководствами по плаванию.
Система - структура, представляющая единство закономерно расположенных, целенаправленно функционирующих и взаимодействующих объектов.
Управлять такой системой в современных условиях судоходства становится все сложнее. Взаимосвязь влияющих факторов углубляется, а диапазоны допустимых изменений параметров, навигационных элементов и управляемых величин уменьшаются. Временные интервалы на восприятие, обработку информации и принятие решений судоводителем также уменьшаются. Перечисленные обстоятельства создают объективные предпосылки к навигационной аварийности, компенсировать которые можно разработкой новых методов и систем обработки информации, управления судном и обеспечения безопасности мореплавания [22, 84].
Система судоходства — взаимосвязанная структура объектов, включающая, но не ограничивающая, суда, водный путь, средства навигационного, портового и другого оборудования, обслуживающий персонал.
Безопасность мореплавания — осознанное состояние системы судоходства, при котором отсутствуют угроза человеческой жизни, вред судну и объектам окружающей среды и выявленные риски с заданной вероятностью.
На формирование традиционных навыков качественного управления судами в сложных условиях окружающей обстановки требуются большие затраты времени и психофизическая нагрузка судоводителей. При этом накопленные судоводителями теоретические и интуитивные знания, навыки, опыт еще не определяют общего уровня управления, а сохранение и обеспечение преемственности достигнутых знаний и умений менее опытными специалистами в более короткие сроки - насущная необходимость. Актуальность решения этих вопросов связана с международными конвенционными требованиями (SOLAS-74, STCW-78) на ближайшую перспективу, которые требуют обязательного несения судоводителем ходовой вахты на мостике.
Управление движением судна в соответствии с волей судоводителя, как способность сосредотачивать свои усилия на достижении определенной заранее поставленной цели, является одной из главных задач безопасности мореплавания, т.е. управляемое движение судна отличается от неуправляемого (естественного) движения своей целенаправленностью [13, 22].
Управление - организация того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей, т.е. компенсирует внутренние и внешние воздействия на судно, препятствующие выполнению поставленной цели.
Целенаправленное движение — движение объектов, выполняемое для решения заранее поставленной задачи или достижения формализованной цели, путем применения законов механики и правил плавания.
Окружающая обстановка — комплекс различных явлений, объектов, пространств, которые нельзя отнести к самому процессу управления.
Для обеспечения безопасности мореплавания в условиях неопределенности движения судна и внешней среды, морская практика не допускает чрезмерного или опасного сближения судна с другими плавучими и стационарными объектами, также естественными препятствиями. Отсюда основы теории безопасности мореплавания как системы научных принципов, обобщающих практический опыт и отражающих закономерности ее обеспечения, можно представить в виде следующих форм деятельности
В последнее время научно-технический прогресс начинает качественно менять подходы к решению различных задач. В частности, в судовождении решаются задачи автоматического управления судном по курсу, по прямолинейной траектории, а также поворота с постоянной угловой скоростью [9, 10, 89], внедряется ECDIS. Информационное обеспечение современных навигационных систем обладает свойствами чрезмерного информационного дублирования и избыточности. При традиционных «ручных» методах управления судном судоводителю в процессе оценки ситуации и принятии решения необходимо выделить наиболее важную (весомую) информацию на текущий момент, ее интерпретировать, обработать и принять адекватное решение. Информационный избыток может породить проблему дезориентации при отсутствии достаточного опыта в работе с конкретной навигационной аппаратурой. Следствием этого является неизбежность ошибок в оценке ситуации и принятии решений по управлению судном.
Поэтому в задачах управления и контроля движения судна, поиска и выбора решения, распознавания и классификации ситуации, и т.п., важным этапом является необходимость интеллектуальной поддержки принятия решения, особенно в слабо формализованных ситуациях и при ограниченных ресурсах [14, 17, 18, 29, 32].
Возможным вариантом разрешения этих проблем является создание СИП, позволяющих исследовать топологическую структуру данных, объединять данные в группы, распределять по классам, важности, ситуациям, индивидуальным особенностям судоводителя, судна и обстановки [45, 46, 58, 74, 90-93, 103, 104]. Для построения систем судовождения с искусственным интеллектом необходимо решение следующих задач:
Характеристика динамической экспертной системы для судовождения
Зона навигационной безопасности (ЗНБ) (движения и стоянки судна) -свободное пространство вокруг судна необходимое для принятия своевременных и надлежащих действий, соответствующих хорошей морской практике, чтобы избежать гидродинамического или механического контакта с другими объектами окружающей обстановки, последствий взаимного нарушения условий технико-эксплуатационной безопасности или аварийного силового воздействия и других выявленных рисков.
Выражения взаимодействия составляющих ЗМПМ (2.10) - (2.12) показывают, что с одной стороны еще выполняются некоторые условия безопасности в виде полных множеств Н32,з,5,9 (3КБ, ЗТЭБ, ЗБС, ЗНБ) или их частей при І выполнении; маневра последнего момента. С другойі стороны! синтезируемые алгоритмы.функционирования СИИ-и-судоводитель должньїчиметь.вшиду, чтожесь "период маневра1; последнего: моментам существует опасность» . столкновения -определяемая множеством3(0б , котораяшересекается с множествами;ЗМ/7М; ЗНБ: ,
Наюсновании;обобщения: [22], в-; большинстве исследований! [3; 5; 13, Л 5j,. 22, 52, 53,, 69;.71у 98; 99; 121 и- др:];- связанных с:управлением движением судна;; поде ЗНБг понимается;, пространство- в пределах: которого обеспечивается безопасность мореплавания своевременными: и надлежащими; действиями, соответствующими хорошей; морской практике., В Г том: числе, не исключая- выполнение: маневра последнего момента (ЗМПМ). Если Дополнительно не упоминается; то под судном следует.;понимать определения; данные Правилом З МГШСЄ-72, которое включает все виды, плавучих, средств; Когда речь идет об: управлении; и маневрировании судном, М1 ШЄ!-72: должны - применяться во всех: случаях," кроме районов,- где действуют, особые местные правила. ;
Именно- такой подход используется вработах [15; 22]: и указывается,что 3/Ж должна, быть переменной по форме: й« размерам, в. зависимости от типа; судна . его» назначения; -режимамдвижения; решаемых задач и: множества: других факторов; Эта 3/й может включать различные уровнш безопасности-, которые: могут быть представляться; взаимосвязанными иг переходящими совокупностями? всех выше, перечисленных зон; безопасности (2.16)-(2Л8); Такое- обобщенное: понятие: ЗНБ позволяет использовать, единые принципы применения, МИИЄЄ-72 местные: правила щ закономерности; условий существования! безопасности? плавания;, разрабатывать единообразные процедуры и: системы, управления- движением или стоянкой" любыхч судов; определенных: Правилом- 3: МПИЄС-72. Для? исключения . других толкований необходимы некоторые уточнения и дополнения; определений; . основных понятий,,связанньгхх. обеспечением, безопасности мореплавания?[22].
Поскольку ЗНБ включает в себя принадлежность ЗМ/7ІШг(2:і6);что алгоритмы ЄИИі и; судоводитель должны, принимать: врг внимание; что .у них в последний момент имеется? возможность принятия экстренных действий;, с: помощью: руля, ш движителя; с: целью уклонения; от непосредственного или силового контакта, с
На основе этих определений, используя методологию исследования [6], можно сформулировать следующие утверждения и условия по обеспечению безопасности мореплавания:
1. Для судна, обладающего управляемостью и системой управлений, ограниченными целенаправленными движениями и условиями безопасности, всегда существует ЗНБ движения и стоянки судна, которая обеспечивает безопасность мореплавания.
2. Для существования ЗНБ целенаправленного движения и стоянки судна достаточно, чтобы между физическими границами судна или его 3КБ и окружающей обстановкой существовала непрерывная удерживающая управляющая связь и выполнялись условия совместимости представления движений.
3. Всегда может быть найдено управление, обеспечивающее целенаправленные движения и условия безопасности мореплавания, если существует непрерывная удерживающая управляющая связь этих движений и ЗНБ.
4. Существуют условия безопасности, в зависимости от окружающей обстановки, которые позволяют судну находиться в состоянии управляемости и поддержания условия безопасности.
5. Управления и другие условия, в рамках которых судном обеспечиваются условия безопасности, могут быть определены.
6. Может быть выбрана окружающая обстановка, в которой обеспечиваются условия безопасности и управляемости судна.
Отсюда, с учетом исследований [22] в самой общей постановке задача навигации и управления движением судна по обеспечению безопасного плавания формулируется следующим образом.
Задача обеспечения безопасности плавания. Движение судна характеризуется векторами скоростей поступательного, вращательного перемещений, вокруг него имеется свободное водное пространство, ограниченное
Ситуационное исчисление и язык логики предикатов рассуждений о предметной области—судовождении
Границы установленной полосы движения в подобных случаях могут служить исходными параметрами базы знаний. Представленные зарегистрированные траектории судов не совпадают друг с другом, не смотря на достаточно высокую точность контроля движения с помощью створа, СУДС и DGPS при проводке одним и тем же лоцманом и при одинаковых погодных условиях. Это указывает на то обстоятельство, что в общем случае невозможно обеспечить движение судна по строго заданной линии пути, даже- с использованием ведущего створа и высокоточных обсерваций. Поэтому не следует ставить подобную задачу для реализации в системе управления судном и перегружать ее. Следовательно, в базе-знании системы управления должен быть заложен принцип. обеспечения программных движений судна и режимов маневрирования в пределах безопасной полосы.
Кроме того, для судов зафиксированы разные линейные скорости движения, начиная с начального момента регистрации - за 5 миль до ТВЛ. Также зафиксированы различные режимы изменения скорости судов при подходе к ТВЛ и различные значения скорости при нахождении судна в ТВЛ (см. рисунок 3.8). Однако указанные значения линейных скоростей движения судов соответствуют требованиям Правил плавания (см. п.3.2).
На основании проведенного анализа, следует отметить, что все проводки судов были профессиональными, успешными и безопасными. Поэтому полученные экспериментальные данные могут быть объединены в безопасную полосу движения судна, которая практически совпадает с установленной Правилами полосой движения (см. рисунок 3.7). Значения и режимы изменения линейных скоростей движения судов также соответствуют Правилам порта (см. п.3.2). Отклонения траекторий и режимов движения судна могут использоваться и восприниматься в базе знаний, как возможные безопасные вариации движений.
С позиций статистики эти экспериментальные данные удовлетворяют принципам заданных доверительных интервалов. Таким образом, результаты экспериментов могут быть обработаны совместно для формирования программных математических моделей движения судов на подходах к порту и формирования элементов базы знаний. 3.4 Анализ режимов движения судов в порту
Для дальнейшего анализа условий и режимов движения судов использовались данные реальных маневров судов при подходе к причалам №1,4 нефтерайона порта Туапсе в соответствии с рекомендованными Правилами схемами (см. рисунки 3.3, 3.4). Данные элементов маневрирования регистрировались с помощью АИС и СУДС и предоставлены лоцманской службой. Траектории подхода различных судов к причалам №1 и № 4 показаны на рисунках 3.9, 3.10, соответственно.
Анализ экспериментальных траекторий показывает, что суда при подходе к одному и тому же причалу маневрировали по разным траекториям и с разными режимами изменения курсов, линейных и угловых скоростей движения судна. При этом все траектории и режимы маневрирования были безопасные, маневры выполнены профессионально, безопасно и успешно.
Это дает явные основания использовать серии безопасных маневров при швартовке, в частности к причалам №1, №4 (см. рисунки 3.9, 3.10), в качестве исходных экспериментальных данных для формирования знаний о математической модели описания безопасной полосы (коридора), в пределах которой судно может безопасно маневрировать.
Первым приближением представления безопасной полосы движения судна при маневрировании может служить конфигурация крайних траектории справа и слева с некоторым запасом на размеры судна, поскольку с помощью DGPS в АИС регистрировалось положение одной точки судна - места установки антенны. Этот запас водного пространства соответствует ЗБС (см. п.2.3), которая обеспечивает функциональное взаимодействие конструктивной (3КБ) и технико Рисунок ЗЛО - АИС траектории лоцманских проводок судов к причалу №4. эксплуатационной (ЗТЭБ) составляющих безопасности плавания, в частности, на обеспечение работы буксиров (на битенге и на гаке). по маневрированию судов при проводке к причалу показывают, что они относятся к наиболее сложным и опасным маневрам. Из-за многообразия факторов, влияющих на процессы выполнения подхода к причалу, представляется сложным дать единую схему маневрирования. Поэтому часто подход судна к причалу соотносят с искусством маневрирования и управления судном. Тем не менее, для безопасного маневрирования при выполнении подхода к причалу на основании анализа исследований [20, 21, 23, 24] можно выделить решение судоводителем следующих типовых задач, как исходные элементы базы знаний:
Эти типовые задачи имеют очевидную принадлежность к классу интеллектуальных операций. Для них характерна многовариантность решений и существенная зависимость качества решения от окружающей обстановки, уровня знаний, опыта и состояния исполнителя (лоцмана, капитана, команды мостика). Поэтому возможные пути решения указанных задач следует искать с помощью создания интеллектуальной системы на основе принципов адаптивно-ситуационного управления судном, обеспечивающих поддержку принятия решений в обычных и чрезвычайных, ситуациях с учетом; накопления, знаний; приобретения-опыта, от, экспертов и обучения? системьг, с сохранением элементов традиционных способов управления [20; 21,23 24];
Исходные знания навигационно-гидрографической обстановки района плавания
Предлагаемая методика и модель формализации знаний о маневрировании судна позволит на основе безаварийных проводок и швартовки судов по высокоточным траекторным и параметрическим измерениям, производить накопление знаний системой управления в виде вариации нечетких параметров траектории, т.е. формировать экспертные базы знаний для судоводителей и лоцманов. Данная методика позволяет перейти от рекомендованной траектории, по которой на практике часто невозможно осуществить реальное движение судна из-за влияния множества факторов, к формированию допустимой безопасной полосы траекторий и взаимосвязанных допустимых безопасных режимов маневрирования курсом и скоростью судна. Рассматриваемый подход позволит комплексно и обобщенно учитывать практически все внешние и внутренние факторы и производить на их основе формализацию и накопление знаний экспертов (лоцманов, капитанов) по измеренным траекториям и режимам маневрирования курсом и скоростью судна. Кроме того, накапливаемая база знаний позволит производить постоянный анализ маневрирования судна и обучение персонала, что существенно повысит безопасность мореплавания. Предлагаемый подход и модель могут найти свое применение в обучающих тренажерных комплексах для судоводителей, а также при построении интеллектуальных систем управления судном.
По результатам диссертационных исследований можно сформулировать следующие выводы:
1. Дан анализ и предложены принципы построения СИП в приложении к вопросам судовождения. Применение экспертных систем с участием в процессах принятия решений судоводителя является наиболее пригодным направлением развития СИП по перспективным нормативным требованиям мореплавания.
2. Предложены способы представления знаний СИП по судовождению. Сформированы принципы построения семантической сети принятия решений по управлению судном судоводителями, лоцманами и операторами СУДС в стесненных водах. Эти принципы могут быть реализованы в виде математического обеспечения с применением семантических сетей, фреймовых моделей, нечетких множеств, ситуационного исчисления и языка логики предикатов.
3. Разработаны технологии множественного анализа формирования навигационной обстановки по маршруту судна в качестве математических моделей для классификации районов, условий плавания, формирования зон навигационной безопасности судна и политики безопасности плавания.
4. Формулируются основные направления построения нечеткой модели навигационной обстановки для процессов формирования программных режимов движений судна.
5. Экспериментальные данные маневрирования судов в п.Туапсе показывают многовариантность безопасных режимов движения, информации о которых может служить основой формирования .баз знаний перспективных СИП для стесненных вод.
6. Предложены принципы формирования баз знаний о режимах маневрирования судов на основе поэтапной технологии аппроксимации траекторий и режимов движения судна с помощью единообразных сигмоидальных функций. Исходное - грубое приближение оценивается по конфигурации района маневрирования в виде удобном для практического применения.
7. Формализованы нечеткие модели знаний о полосе допустимых программных движений и режимов маневрирования изменением курса и скорости судна с установлением взаимосвязи между переменными базовой модели. Разработаны технологии и правила выбора параметров модели режимов маневрирования.
8. Предлагаемые технологии могут быть использованы судоводителями для практических целей, теоретических разработок при совершенствовании СУДС и проектировании автоматизированных навигационных комплексов с искусственным интеллектом, предназначенных для планирования программной траектории и режимов маневрирования судов в стесненных водах и швартовных операциях в портах.
