автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Безопасное позиционирование судна с учетом особенностей профессиональной деятельности и информированности оператора

На правах рукоп/сц

'копуЫ]

ХОЛОДОВ ГЕННАДИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

БЕЗОПАСНОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ СУДНА С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ИНФОРМИРОВАННОСТИ ОПЕРАТОРА

Специальность 05.22.19 -эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з КОЯ 2011

ДООООО-

Мурманск - 2011

4858850

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Мурманский государственный технический университет"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Меньшиков Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Скороходов Дмитрий Алексеевич кандидат технических наук Кукуй Фирмин Дживо

Ведущая организация: открытое акционерное общество "Аркгикморнеф-тегазразведка" (ОАО "АМНГР")

Защита диссертации состоится 17 ноября 2011 г. в 10 часов 00 мин на заседании диссертационного совета К 307.009.02 в Мурманском государственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государственного технического университета

Автореферат размещен на сайте МГТУ: www.mstu.edu.ru октября 2011 г.

Автореферат разослан "/¿¿-"октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Концепция развития Арктического региона и освоения континентального шельфа России предусматривает подготовку геологического обеспечения заявки России на юридическое закрепление внешней границы континентального шельфа в Северном Ледовитом и Тихом океанах, а также вовлечение в хозяйственный оборот углеводородных ресурсов, обнаруженных в границах континентального шельфа. При освоении месторождений на шельфе Северного Ледовитого океана приоритетными являются суда, осуществляющие позиционирование без применения якорей, оснащенные системами динамического позиционирования, удерживающими суда в данной точке при помощи подруливающих устройств. Таким судам предстоит работать в специфических условиях арктического района. С одной стороны, суда должны отвечать достаточно жестким требованиям, предъявляемым к их мореходным качествам, а с другой - решать задачи освоения месторождений с применением новых технологий эффективного и безопасного позиционирования.

Анализ деятельности существующих служб динамического позиционирования (СДП) на судах показывает, что снижение аварийности при маневрировании (позиционировании) связано, в первую очередь, с учетом "человеческого фактора". На аварийность позиционирующего судна оказывают влияние организационно-технические компоненты системы управления состоянием безопасной эксплуатации (СУБ) и адекватный информационный ресурс, который направляется на минимизацию рисков при маневрировании. Поэтому при обеспечении безопасности позиционирования судна появляется необходимость в разработке мероприятий, которые должны минимизировать последствия неверно принятых решений оператором СДП на общее состояние безопасности судна. Требование по разработке таких мероприятий закреплено в резолюции А.850 (20) Международной морской организации (ИМО).

Таким образом, разработку технологий эффективного позиционирования буровых и специализированных судов, оснащенных системами динамического позиционирования и осваивающих северные запасы углеводородного сырья, с учетом возможных информационных отказов и особенностей деятельности оператора СДП следует относить к разряду достаточно актуальных задач.

Целью исследования является разработка элементов технологий безопасного позиционирования судна в заданной точке, которая в рамках организационно-технической структуры СДП обеспечивает эффективность

управления маневрированием судна при наличии отказов информационных средств и ошибок "человеческого элемента".

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

1. Выбрать организационно-техническую структуру СДП, составить модель процесса безопасного позиционирования специализированного судна относительно заданной точки и разработать показатель однородности (эргодичности) этого процесса;

2. Разработать техническое средство, позволяющее повысить надежность и дальность приема дифференциальных поправок к местоположению позиционирующего судна, к спутниковой навигационной аппаратуре (СНА) и оценить его практическую реализуемость на основе вычислительного эксперимента;

3. Выполнить анализ структуры судовой службы динамического позиционирования и выделить основные функциональные обязанности оператора СДП при удержании судна в заданной точке, как при автоматическом варианте управления, так и при ручном варианте управления;

4. Решить задачу распределения функций между оператором СДП и программным продуктом СДП, а также разработать методику оценки информационной напряженности оператора в интерфейсе "Человек - СДП;

5. Составить модель прогнозирования величины информационной напряженности оператора в интерфейсе "Человек - СДП" с учетом смысла и ценности поступающей к нему информации о внешних воздействиях на судно;

6. Исследовать деятельность оператора СДП как звена управления и разработать модель идентификации и оценки опасности при многошаговых наблюдениях за процессом позиционирования судна и сформулировать основные принципы подготовки операторов при эксплуатации этой системы.

Объектом исследования является СДП, обеспечивающая безопасное маневрирование в заданной точке при выполнении этой системой технологий контроля и управления состоянием безопасности позиционирования судна при наличии отказов информационных средств и ошибок "человеческого элемента".

Предметом исследования является процесс безопасного позиционирования судна, основанный на принципах достоверности приема навигационной информации, минимизации информационной избыточности и распределении функций между оператором и программным обеспечением СДП с

учетом возможных информационных сбоев и ошибок в действиях "человеческого элемента".

Теоретической базой исследования являются теоретико-информационный и системный подходы к обеспечению безопасности позиционирования судна при ведении разведочных буровых работ на шельфе Северного Ледовитого океана.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Составлена модель безопасного позиционирования судна в заданной точке, включающая показатели пространственной и временной оценки надежности такого позиционирования;

2. Предложена полезная модель антенны к приемнику дифференциальных поправок, входящему в состав СНА и повышающая надежность приема навигационных данных;

3. Составлена модель интерфейса "Система отображения информации -Оператор" и показаны ограничения, которые необходимо учитывать вахтенному оператору СДП при автоматическом позиционировании судна;

4. Составлена модель надежности управляющей цепи "Оператор -Органы управления СДП" при ручном позиционировании с учетом полной и неполной информированности вахтенного оператора;

5. Предложены механизм управления судном в аварийных ситуациях и элементы системы подготовки и переподготовки вахтенных операторов СДП, отвечающие национальным и международным требованиям.

Теоретическая значимость заключается в разработке математического описания интерфейсов в СДП с учетом возможных информационных сбоев и ошибок оператора при управлении состоянием безопасного позиционирования.

Практическая значимость работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций позволят снизить уровень аварийности на специализированных судах при ведении буровых работ за счет уменьшения информационной загруженности оператора СДП и появления у него дополнительного времени резервирования.

Личное участие автора состоит в получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах. Даны конкретные рекомендации, повышающие эффективность безопасной эксплуатации специализированных судов при проведении разведочного бурения.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием системного подхода, структурного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, теории информации, теории вероятности и статистики, а также подтверждается вычислительным экспериментом.

Внедрение работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций использованы в практической деятельности службы безопасности мореплавания ОАО АМНГР, обладающей специализированными буровыми судами с СДП.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на международных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ (г. Мурманск 2007-2010 гг.) и КПИФСБ (г. Калининград 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах из перечня ВАК, патент на полезную модель, депонированная рукопись и 4 статьи в материалах международных научно-технических конференций.

Положения, выносимые на защиту:

- параметр, отражающий безопасное позиционирование специализированного судна и выделяющий нештатные ситуации, связанные с техническими отказами и программными сбоями;

- модель прогнозирования информационной напряженности оператора в интерфейсе "Человек - СДП" при контроле и ручном управлении положением судна;

- идентификация опасных ситуаций и оценка степени этих опасностей при многошаговых наблюдениях за процессом позиционирования судна;

- методические принципы подготовки и переподготовки операторов СДП при эксплуатации специализированных судов.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 128 страницах, состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. В приложении приведены данные вычислительного эксперимента и акт внедрения, который подтверждает использование данно-го'исследования в производственном процессе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и приведен перечень задач исследования, а также указано, что аналитический обзор выбранного направления исследования осуществляется по мере изложения материала в главах диссертационной работы.

В первой главе составлена структура системы динамического позиционирования судна в заданной точке, разработаны вероятностные показатели, характеризующие появление нештатных (аварийных) ситуаций и составлена модель антенного устройства, повышающая достоверность приема навигационной информации приемником дифференциальных поправок, входящим в состав судовой навигационной аппаратуры.

Система динамического позиционирования является комплексом, предназначенным для автоматического и дистанционного автоматизированного управления механизмами судна с целью динамического удержания его в заданной точке и с заданной точностью при условиях воздействия внешних возмущающих сил (рис. 1).

Судно

Датчик ветра

Г

Гирокомпас

У1Ш

Движительно-рулевон комплекс

Исполнительным блок

Алгоритм распределения упоров

Блок формирования программы движения

Математическая модель судна

к>

Модель динамики судна

■ - -Текущая оценка

Фильтр Кал мака

Оператор

Джойстик

Панель оператора

Системы ориентации

Рис. 1

В совокупности на судно действуют ветер, волнение моря и течение, а на оборудование за бортом - подводное течение. Для исследования особенностей, которые могут возникнуть в процессе позиционирования судна, относительно заданных координат зададимся структурой организационно -технической системы СДП. Такую структуру можно представить так:

Л = (Y,I,X,R,U,G), (1)

где Y - элементное множество системы СДП, включающее технические средства и судовой персонал, задействованный в процессе позиционирования судна, объединенные информационными и управляющими связями; I - система действий и отношений (культура управления, используемая персоналом системы СДП), обеспечивающая стандартное (безопасное) состояние позиционирования судну в структуре ц; Х- множество процессов, идущих в структуре ц; R - множество целей управления, реализующихся вахтой; U - множество целенаправленных планов управления состоянием судна; G - множество управленческих ресурсов, например, оптимальных по стоимости, но выбранных с согласованными ограничениями на затраты.

Информационные отказы и несистемные действия (ошибки) "человеческого фактора" в структуре (1) являются основной причиной большинства сбоев в процессе позиционирования судна при проведении буровых работ. С формальной точки зрения процесс, который можно принять за модель позиционирования судна относительно заданных координат (точки) запишем так:

(2)

где ZeRy.Uy.GaI - технология управления положением судна, реализуемая с помощью СДП в любом из ее режимов функционирования. Преобразуем процесс (2) так, чтобы при выбранных управлениях, реализуемых в рамках требований к СДП, обеспечивалось безопасное позиционирование судна относительно заданной точки (отклонение не превышает заданной нормы), привлекая для этой цели индикаторную функцию, представленную следующим образом:

Ф0 = <

1, если I сси позиционирование осуществляется при реализации безопасной технологии 1 в структуре х\

О, если 5 О-с при реализации не предусмотренных структурой г] действий из множества 2,

где - текущее горизонтальное расстояние между характерной точкой корпуса позиционирующего судна и заданной точкой проведения буровых работ, а с- эталонное горизонтальное расстояние между характерной точкой корпуса позиционирующего судна и заданной точкой проведения буровых работ, характеризующее аварийную ситуацию.

Если величина^, характеризующая текущие положение судна при позиционировании, определена так, что расстояние является не штатным, т. е. в структуре г| создается аварийная ситуация, то на этом судне должны проводиться мероприятия по ликвидации такой ситуации, которые можно определить с помощью вектора ш = э п с — отвечающего понятию "аварийная ситуация". Для оценки качества реализации процесса (2), привлекая введенную индикаторную функцию можно найти отношение вида

(1 /п) I ДХ) = т(А)/МА) = Яхе, (3)

к =. 1

ПрИ А\

Введенный показатель (3) способен характеризовать степень однородности процесса позиционирования судна в горизонтальной плоскости (2), обеспечивая при этом возможность оценки вероятности появления аварийных ситуаций, связанных с реализацией технических и организационных рисков и деятельностью "человеческого фактора". Если учитывать, что деятельность "человеческого элемента" и технических средств, которой сопутствуют минимальные риски схода судна с заданной точки, являются эксплуатационными (допустимыми), то при такой начальной постановке задачи, связанной с организацией контроля управленческой деятельности "человеческого элемента" и технических средств СДП, ее решение целесообразно искать в рамках теории восстановления и теории надежности. Если в процессе позиционирования судна осуществляется контроль элементов управленческой деятельности "человеческого элемента" и технических средств СДП. Причем количество элементов управленческой деятельности "человеческого элемента" и технических средств СДП оцениваются, в общем, через интервалы х> где X ~ случайная величина, имеющая функцию распределения и((). При этом, очевидно, если 11(1) = 1, г > 0, то имеет место непрерывный контроль, если же и(() = О, когда Ь < Т, а {/(/) = О, когда г > Т, то контроль - периодический с периодом равным величине Т. Будем также считать, что % _ время работы "человеческого элемента"

и технических средств СДП, а ф - время, необходимое СДП на восстановление после ликвидации эксплуатационных рисков потери ориентации судна, и у - время восстановления системы позиционирования после ее реального схода с заданной точки выполнения разведочных буровых работ являются случайными величинами. Причем эти величины имеют функции распределения, плотности распределения которых непрерывны и соответственно равны F(t), G(t), W(t) и fit), g(t), 40, а математические ожидания М[г), Аф], М[у] конечны. Далее учитывая свойства эксплуатационных отклонений (эксплуатационных рисков), поставленная выше задача существенно упростится, если реальный процесс позиционирования судна заменить некоторыми условными состояниями At и Л2, где -

состояние, объединяющее все состояния работоспособности (неработоспособности), в которых может находиться судно в процессе позиционирование относительно заданной точки. Тогда условный процесс за период восстановления имеет один переход из одного состояния в другое и является альтернирующим процессом регенерации, который наиболее полно может быть охарактеризован длительностью у одного периода восстановления. Кроме того, процесс определяется вероятностью q, нахождения процесса в состоянии Аи / = 1,2 при работе судна в стационарном режиме позиционирования, числом т| эксплуатационных отклонений от заданной точки за период восстановления, а также функцией H(t)u плотностью у(/)этих отклонений. Не трудно заметить, что значения принятых характеристик для реального и условного процесса одинаковы. Поэтому определим основные характеристики величины у, где у = у, + у//, - время пребывания условного процесса в состоянии Д., i = 1,2 на период восстановления процесса позиционирования. Для стационарного альтернирующего процесса можно найти q = M[yf]/M[y], и поэтому вероятность нахождения судна при проведении позиционирования относительно заданной точки в работоспособном состоянии в произвольно выбранный момент времени, очевидно, будет равна

Р = д, (4)

Полученный вероятностный показатель работоспособности позиционирующего судна (4) и показатель однородности процесса отклонений

и

от заданной точки буровых работ (3) позволяют оценить степень безопасности маневрирования и выделить риски, при которых возможны "нештатные ситуации".

Одним из возможных вариантов минимизации "нештатных ситуаций" в структуре (1) для условий Крайнего Севера является повышение достоверности приема дифференциальных поправок к измерениям, выполняемым в системах спутниковой навигации, и сообщений о целостности систем. Решить задачу повышения достоверности приема информации в диссертационной работе предлагается с помощью разработанной модели антенны к приемнику дифференциальных поправок, входящего в состав спутниковой навигационной аппаратуры. Эта модель обладает следующими принципиальными отличиями от уже существующих аналогов:

- плечи вибратора по внешнему контуру соединены друг с другом и представляют собой три ромба, стороны которого равны длине плеча вибратора;

- центр каждого сегмента вибратора является точкой нулевого потенциала и соединен дополнительно введенными проводящими перемычками с рефлектором, рефлектор представляет собой диск, ромбы выполнены в виде проволочных проводников.

- коэффициент усиления антенны на 2-элементах превышает в два раза этот параметр антенн аналогов активных антенн и имеет гарантированную круговую поляризацию и осесимметричную диаграмму направленности.

В приложении к диссертационной работе приводятся результаты моделирования основных параметров модели антенны.

Во второй главе на основании анализа функционирования службы СДП судна составлен граф с двойной циклической топологией, описывающий взаимодействие "человеческого элемента" и технических элементов СДП, решена задача оптимального распределения обязанностей в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" и получена оценка информационной напряженности этого оператора при автоматическом режиме позиционирования судна.

Служба динамического позиционирования является судовой службой и в ее состав входят специалисты, отвечающие за позиционирование судна (технического средства) и занимающиеся эксплуатацией, текущим и внеплановым техническим обслуживанием системы управления СДП, включая

системы ориентации. Судовая служба СДП должна обеспечивать бесперебойную работу системы динамического позиционирования судна во время проведения технологических операций и ее постоянную готовность к такой работе в другое время. В зависимости от сложности и потенциальной опасности работ, проводимых судном, состав службы СДП определяется судовладельцем. Следует отметить, что выполненный анализ деятельности службы динамического позиционирования позволяет выделить из элементного множества структуры (1) такие элементы и связи, которые в наибольшей степени влияют на уровень безопасности маневрирования судна при реализации функций СДП. Так, применительно к основным задачам позиционирования с учетом деятельности "человеческого элемента" элементное множество структуры (1) можно представить в виде графа Г(и^) с двойной циклической топологией.

Из приведенного графа следует, что разработка элементов технологий безопасного позиционирования судна в заданной точке, которая в рамках организационно-технической структуры СДП (1) обеспечивала бы эффективность управления маневрированием судна, с заданным качеством и определялась показателями (1.4) и (1.14) при наличии отказов в СОИ СДП и ошибок "человеческого элемента", связано с решением двух основных задач:

- исследованием информационной деятельности "человеческого элемента" в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" (рис. 2);

- исследованием деятельности по контролю и управлению состоянием безопасного позиционирования (рис. 2).

Рис.2

Применительно к интерфейсу "СОИ СДП - Оператор" такая задача может быть сведена решению двух частных задач:

- оптимизации распределения функциональных обязанностей в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" между программным продуктом СДП и оператором, воспринимающим данные о состоянии безопасности позиционирующего судна;

- оценке информационной напряженности оператора в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" при восприятии им информации с учетом смысла и ценности данных.

При решении задачи распределения функций в интерфейсе системы динамического позиционирования естественно представить с помощью количественной оценки степени автоматизации переработки информации в интерфейсе, инвариантной по отношению к конкретным реализациям звеньев контролирующей или управляющей системы и возлагаемым на них задачам, может быть представлена отношением

6.=/./(/. + /«) =/. //„• (5)

Из этого отношения, очевидно, следует, что 0 < е0 < 1. Максимальное значение степени автоматизации при обработке информации в интерфейсе е0 = 1 имеет место при 1т = 0, когда все процессы контроля и управления специализированным судном полностью автоматизированы и реализуются без участия оператора СДП. Другой крайний случай £0а = 0 соответствует равенству /„ = 0, когда интерфейсы контроля и управления специализированного судна обслуживаются операторами СДП без участия автоматических средств. Соотношение (5) позволяет точно сформулировать и однозначно решить задачу распределения функций в интерфейсе структуры (1) по заданной приемлемой степени ее автоматизации е0 и информационным характеристикам системы динамического позиционирования. При этом качестве исходных данных в работе использовались информационные характеристики в виде временных зависимостей информационных потоков ^(г) по каждому из контролируемых параметров состояния судна, а также величиной информационной нагрузки оператора СДП. Для независимых т каналов передачи данных в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" можно написать:

4о = (6)

Равенство (6) является первым условием, определяющим выбор информационных связей в интерфейсе обслуживаемых оператором СДП. При этом варьируемым является как объем выборки ш, так и состав ее элементов. Если далее положить, что (6) для некоторых фиксированных m определяет возможные варианты распределения функций, то следующим этапом уточнения процедуры оптимального распределения функций целесообразно связать с проблемой согласования информационных связей интерфейса с характеристиками быстродействия оператора СДП. Действительно, пусть наименьший абсолютный максимум информационного потока соответствует некоторой выборке информационных связей в интерфейсе т* и пусть £ -

i S ш

значение этого потока. Следовательно, важнейшим необходимым условием практической реализуемости выборки т, помимо сказанного выше, для всех т' и любого 0 < t < Т является неравенство

С0> ]Г/Д'о). (7)

j € ÍM

где С0 - информационная пропускная способность оператора СДП.

Полноценное практическое использование соотношения (7), очевидно, возможно лишь при наличии достоверных данных о пропускной способности операторов. До тех пор, пока эта характеристика не найдена, во всех расчетах может фигурировать значение фактической скорости переработки информации, которая считается приемлемой для оператора вновь проектируемой системы.

Для решения второй частной задачи в диссертационной работе использовались понятия "различимые состояния" и "различимые обращения" оператора к СОИ СДП. Если Q(T) - множество различимых обращений к СОИ СДП, реализованных оператором на отрезке 0 < t < Т, а со(Т) е Q(T) -подмножество безошибочно воспринятых обращений, то количественная оценка информации, фактически переработанной оператором СДП на отрезке О <t<T, может быть представлена так:

ЦТ) = - I .v)log,p(*„v),

v««(ni-I

где p(x„v)eP(X,v).

В то же время количество информации, потерянной оператором СДП на том же отрезке времени из-за допущенных им ошибок при восприятии данных запишем следующим образом

N

1,ЛТ) = ~ I Ip(x,v)log)/j(x,v),

V6»0ul(r)/.l

где сосш(Т) = [П(Г) - ш(Г)] - подмножество ошибочных обращений оператора СДП к базе данных на интервале 0 <t<T.

Сравнивая количество информации, фактически переработанной оператором, с тем, которое он должен был переработать на отрезке 0<t<T для достижения конечной цели контроля и управления, можно объективно судить о качестве операторской деятельности в интерфейсе "СОИ СДП -Оператор". Так, в частности, при этом выясняется вопрос о том, являются ли допущенные оператором срывы в работе следствием его информационной перегрузки или, другими словами, удовлетворяется ли условие (7). При этом попутно можно найти те периоды времени на интервале времени 0<t<T, которые являются наиболее напряженными в информационном отношении, а также те состояния системы отображения данных о положении судна, которые представляют наибольшие затруднения для оператора при восприятии и переработке информации.

Специфика рассматриваемой задачи прогнозирования информационной загрузки оператора СДП обусловлена тем, что оператор не имеет здесь какой-либо опорной схемы развития процессов ни во времени, ни в пространстве входных событий. В этих условиях функционирование специализированного судна становится стохастическим в полном смысле этого слова, поскольку случайны и моменты времени переходов, и сменяющие друг друга различимые состояния этого судна. Далее примем, что для решения поставленной задачи определены:

- статистические характеристики объекта контроля и управления в виде вероятностного вектора его различимых состояний P(X,v) в любой момент времени на интервале отрезке 0 < t < Т;

- обобщенные статистические данные по временным затратам оператора на реализацию отсчетов;

- обобщенные статистические данные по ошибочным действиям оператора при работе с базой данных СДП.

В заключение главы рассмотрена задача прогнозирования информационной напряженности оператора при его обращениях к СОИ СДП, которые реализуются на интервале 0 <t<T. Количественную оценку информа-

тивности у'-го отсчета оператора СДП в зависимости от его конкретного размещения на оси времени можно получить так:

N

(8)

N N ¡=1 (=1

Следовательно, среднее количество информации, перерабатываемое оператором при реализации >го обращения к базе данных, вычисленное по всем его различимым размещениям на отрезке 0 < г < Г, равно

где число различимых вариантов размещенияУ-го обращения ф; определяется с учетом величины «0тах.

Для первого обобщенного обращения из совокупности в п обращений аналогично предыдущему случаю вместо (8) можно найти:

»От«-2(1-1)

1,(¥,Х) = (1/ф,) У

2

где ф, определяется с учетом п0тт.

Таким образом, прогнозируемое среднее количество информации, которое оператор СДП способен переработать на отрезкеО<г <Гпри контроле процесса позиционирования специализированного судна относительно заданной точки, соответствующий равенству п=к, при п0т^<к<пати может быть выражено соотношением

- О

/(и-*М 1/Ф,.,.*) I /ВДж„(Г,Л +

* "0пих~2(11 -У + 1)»0пил""2(я-7)

Вероятность, с которой оператор СДП перерабатывает это количество информации, очевидно, совпадает с вероятностью соответствующего варианта его деятельности (контроль параметров позиционирования судна). Эта вероятность может быть получена по вероятности реализации оператором СДП равным к обобщенных обращений к базе данных на отрезке О < г < Г при п = к. В итоге соотношение (9), рассматриваемое при соот-

ветствующих п, образует дискретный ряд распределения среднего количества информации, перерабатываемой оператором на отрезке 0<(<Т. На основании этого ряда обычным путем можно перейти к интегральной форме прогнозируемого закона распределения. При необходимости проведенные рассуждения позволяют получить и предельную верхнюю оценку информационной загрузки оператора в виде интегрального закона распределения максимального количества информации, обрабатываемой оператором СДП на отрезке 0<г<Т. Для этих целей достаточно предположить, что различимые состояния позиционирующего судна на выбранном интервале времени статистически независимы и равновероятны.

В третьей главе составлена модель вахтенного оператора СДП, рассмотрены особенности многошагового наблюдения за опасными сообщениями из мультимедийного пространства СОИ СДП и предложены основные методические принципы тренажерной подготовки операторов СДП.

При ручном управлении ОУ СДП, осуществляемого в цепи "Оператор -ОУ СДП" рассмотрим суграф Г0(С70,Г0) графа Т(и,УУ) (рис. 2):

Если далее считать, что элементы суграфа: интерфейс "СОИ СДП -Оператор" и цепь подачи команд "Оператор - ОУ СДП" (рис. 3) объединены общим стремлением к максимизации некоторой вещественной функции fr = /г(к,у), отражающей, например, надежность позиционирования судна, и она определена и непрерывна на компакте Лг х У', представляющей собой пространство "данные с системы отображения СДП X е Аг - дополнительный запрос оператора уеУ ". Кроме того, пусть при реализации процесса судна оператору СДП известно векторное множество О ={г1,г2, ..., гп}п<со, определяющее параметры модели надежности взаимосвязей "Оператор - ОУ СДП", а также его стремление к максимизации более общей непрерывной вещественной функции Фг= ФГ(Х,>»), отражаю-

СОИСДП Оператор ОУСДП Рис. 3

щей общие требования безопасной эксплуатации судна в целом. Тогда в рамках введенных допущений модель вахтенного оператора СДП в цепи "Оператор - ОУ СДП" с учетом его деятельности в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" можно представить так:

K(r)= max min Фг(Ку). (М)

Xs\r .veJrg шах fr О-.У) .V е У

Предложенная модель вахтенного оператора с учетом его деятельности в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" основана на том, что этот оператор способен обеспечить максимально гарантированный результат в получении необходимой ему информации при условии полной его информированности относительно состояния связи "Оператор - ОУ СДП". Или другими словами при полной информированности оператора множество Q(s = r) будет состоять только из одной точки. Однако модель вахтенного оператора "Оператор - ОУ СДП" позволяет получить оценку сверхэффективности механизма функционирования в цепи "Оператор - ОУ СДП" при неполной информированности вахтенного оператора. При этом наиболее эффективным механизмом можно считать стратегию выбора X' путем "нащупывания". Фактически введение стратегии X" представляет собой не что иное, как переход к информационному расширению исходной схемы взаимодействия, когда контролируемой вахтенным оператором переменной является функция Х0, выбираемая оператором СДП из известного ему класса

Л0={А0 = 1(6,71)} =

Х,д = 1

Хе и А

г еО

л,в = о

где роль X' выполняет тождество Х*(г1) = г|, а реализация 0е{О,1} осуществляется по правилу

9 = ег(Х) = 6(Х.|Лг).

При обнаружении опасностей срыва процесса позиционирования в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" вахтенный оператор интересуется информативными параметрами, несущими данные об опасности. Поэтому дополнительно повысить надежность функционирования оператора в цепи "Оператор - ОУ СДП" можно, если минимизировать ошибки идентификации и оценивания этих параметров. Используя адаптивный байесовский подход к наблюдениям из интерфейса "СОИ СДП - Оператор", можно решить

задачу совместной идентификации и оценивания параметров информативных параметров опасности по срыву процесса позиционирования судна при параметрической априорной неопределенности и ограничении сверхвозможного числа наблюдений. В главе была предпринята попытка найти решающее правило идентификации обработки информации о процессе позиционирования судна, минимизирующее среднее значение потерь связанных с принятием окончательного решения. Для адаптивного байесовского подхода при замене неизвестных параметров их оценками максимального правдоподобия функция наименьшего апостериорного риска /?*„(*„,;>>), получаемая в результате осуществления последовательности минимизаций по решениям мл+1, ..., ин и усреднений по наблюдениям хп+1^хи величин апостериорных рисков и удовлетворяющей следующему уравнению динамического программирования:

В уравнении динамического программирования (11) приняты следующие обозначения: и Кп - наименьшие апостериорные риски в областях остановки и продолжения наблюдений соответственно (при некотором у); и - множество окончательных решений; Яп(ип,хп,у) - текущий апостериорный риск, равный апостериорному математическому ожиданию функции потерь; 1 хп,у) - условная плотность вероятности для х„+1 при фиксированных значениях х1,...,хп и некоторой величине у\ Хп+] - множество значений величины хп+1. Таким образом, чтобы интегрировать информацию от интерфейса "СОИ СДП - Оператор" и реализовать эту информацию в управлении цепи Оператор ОУ СДП" в рамках требований (3) и (4), вахтенному оператору при ручном позиционировании судна, как показывает выражение (11), необходимо обладать достаточно "цепкой" памятью.

Теоретически с учетом сформулированных выше условий оператор СДП полной мере способен отвечать за безопасность позиционирования

Л\{хы,у) = К\(хы,у), Л°4х,„у) = Ы11п{ип,хи,у),

(И)

п

и получить соответствующий сертификат. При этом такой оператор может не иметь морского диплома и опыта судовождения. Однако практически на специализированных буровых судах используются в качестве операторов СДП специалисты с дипломами судоводителей. Переквалификация судоводителей в операторов СДП осуществляется на базе соответствующего обучения и заканчивается получением сертификата и оценкой пригодности к несению ДП вахты.

Подготовку и переподготовку вахтенных операторов рекомендуется выполнять с учетом сформулированных системных факторов, в соответствии с разработанной в диссертационной работе тренинг-схемой, которая дает полное представление о системе подготовки и переподготовки вахтенных операторов СДП. Причем для получения сертификата оператора СДП необходимо выполнить все требования тренинг-схемы, с подтверждением этого выполнения. Сертификат должен выдаваться после успешного окончания шестимесячной вахты на борту судов 2 и 3 ДП класса. Однако если вахтенная практика проходила только на судах 1 класса будет выдан подтвержденный сертификат оператора динамического позиционирования с пометкой "ограниченный". Оператор СДП, имеющий диплом с пометкой "ограниченный" имеет возможность смены диплома на диплом с пометкой "неограниченный". Для этого он должен пройти практику соответствующую б месяцам практики на судах 2 и 3 класса, где 2 месяца на судне 1 класса приравниваются к 1 месяцу на судне 2 класса. Но все кандидаты на получение "полного" диплома должны пройти хотя бы 2 месяца вахтенной практики на борту судна 2 или 3 класса.

Сроки прохождения вахтенной практики можно существенно сократить за счет предложенной новой схемы подготовки операторов ДП, где допускается сокращение 6 месячной практики на ДП судах до 3 мес. за счет прохождения двух Intensive Simulator Course. Предлагается тренажерную подготовку проходить не только в специализированных центрах, но и непосредственно на судах. Если в компании используется несколько однотипных судов или даже разнотипных оснащенных системами ДП, то экономически выгодно установить на одном из них интегрированный многофункциональный навигационный тренажер производства, например Транзас Системы ДП класса 2 и проводить обучение своих специалистов максимально приближенных к реальным условиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Принятая к исследованию математическая структура СДП и введенная индикаторная функция позволяют классифицировать состояния процесса позиционирования судна в заданной точке, выделяя те состояния, которые способны привести к аварийным ситуациям, исключающим безопасное выполнение буровых работ.

2. Введенные показатели степени неоднородности процесса позиционирования и показатель работоспособности эргатической системы "Человек система СДП" способны с вероятностной точки зрения оценивать появление нестандартных смещений судна от заданной точки, которые могут быть основой для появления технических и организационных рисков.

3. Запатентованная диссертантом, в соавторстве, трехплечная вибра-торно-кольцевая антенна круговой поляризации для приемника, входящего в состав СНА, позволяет повысить надежности и достоверность приема форматов дифференциальных поправок к текущим координатам судна.

4. Для разработки элементов технологий безопасного позиционирования судна в принятой структуре СДП необходимо привлекать описание деятельности "человеческого элемента" в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" и описание деятельности по управлению состоянием безопасного позиционирования в интерфейсе "Оператор - ОУ СДП".

5. Для оценки информационной загрузки оператора СДП при управлении им состоянием позиционирующего судна по максимальному количеству информации в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" достаточно принять, что различимые состояния позиционирующего судна статистически независимы и равновероятны.

6. При позиционировании процессы наблюдения следует относить к классу многошаговых с потерями, которые в первую очередь зависят от условий последовательного (усеченного) обнаружения-оценивания опасных сообщений, поступающих к вахтенному оператору СДП из мультимедийного пространства СОИ СДП.

7. Высокая стоимость оборудования, высокая степень риска загрязнения окружающей среды требуют специальной подготовки оператора СДП на специализированном тренажере, который позволяет формировать и отрабатывать навыки управления судами с системой ДП в реальных услови-

ях, максимально приближенных к действительности для различных типов судов и районов.

8. Основными принципами, которые должны быть положены в основу подготовки операторов СДП, следует считать непрерывность, модульность этапов подготовки и дисциплин, адаптивность системы подготовки к уровням и особенностям усвоения материала, обучающихся при обязательной связи теории с практикой и непрерывности контроля знаний.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Холодов, Г. Г. Идентификация и оценка навигационной опасности при многошаговых наблюдениях / Г. Г. Холодов, В. И. Меньшиков // Вестн. МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. - 2010. - Т. 13. - № 3. - С. 549-551.

2. Холодов, Г. Г. Модель оператора в системе динамического позиционирования судна / Г. Г. Холодов, В. И. Меньшиков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - № 1. - С. 94-95.

3. Холодов, Г. Г. Требования национальных морских классификационных обществ к работам на морском шельфе и системам ориентации судов, оснащенных системами динамического позиционирования и их классификация // Вестн. МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та, 2010. - Т. 13. -№4/1.-С. 712-719.

4. Холодов, Г. Г. Проблемы использования ГЛОНАСС в системах ориентации судов, ведущих работу на шельфе Северного Ледовитого океана : междунар. науч.-практ. конф. "Наука и образование - 2008", 8-9 апреля 2008 г. 1 Г.Г. Холодов. - Мурманск, 2008. - С. 789-791.

5. Холодов, Г. Г. Требования национальных морских классификационных обществ к системам ориентации судов, оснащенных системами динамического позиционирования и их классификация / Г. Г. Холодов // 3-я всерос. науч.-практ. конф. ученых, специалистов и ППС : науч. сборник. - № 3. -Ч. 1. - Калининград: ФГОУ ВПО Калининградский пограничный институт Федеральной службы безопасности Российской Федерации, 2010. - С. 168-174.

6. Холодов, Г. Г. Математическая модель критического состояния целостности СНС ГЛОНАСС, как системы ориентации, при работе специализированных судов в режиме динамического позиционирования : юби-

лейная междунар. науч.-техн. конф. "Наука и образование - 2010", 5-9 апреля 2010 г., посвященная 60-летию МГТУ / Г. Г. Холодов. - Мурманск, 2010.-С. 1205-1211.

7. Холодов, Г. Г. Проблемы развития отечественных дифференциальных подсистем СРНС в Арктических широтах и методы их решения / Г. Г. Холодов // 3-я всерос. науч.-практическая конф. ученых, специалистов и ППС : науч. сборник. - № 3. - Ч. 1. - Калининград : ФГОУ ВПО Калининградский пограничный институт Федеральной службы безопасности Российской Федерации, 2010. - С. 185-189.

8. Холодов, Г. Г. Обеспечение безопасности при выполнении позиционирования судна в заданной точке / Г. Г. Холодов, А. Н. Калитенков, В. И. Меньшиков // Депонированная рукопись ; МГТУ. - Мурманск, 2010. УДК[331.101.1:629.5.06]:519.8 С.19.

9. Патент на полезную модель 1Ш 81383 Ш Трехплечная вибраторно-кольцевая антенна круговой поляризации 1 Холодов Г. Г., Милкин В. И., Калитенков Н. В., А. Н. Кучура; опубл. 10.03.2009, Бюл. № 7.

Издательство МГТУ. 183010, Мурманск, Спортивная, 13. Сдано в набор 10.10. 2011. Подписано в печать 11.10.2011. Формат 60х841/)б Бум. типографская. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 0,99. Заказ 378. Тираж 100 экз.

Введение.

Глава 1. Безопасное динамическое позиционирование судна в заданной точке.

1.1. Структура системы динамического позиционирования в заданной точке.

1.2. Математическая модель надежности позиционирования судна в заданной точке.

1.3. Расширение информационного обеспечения процесса позиционирования судна в заданной точке.

Выводы к первой главе.

Глава 2. Модель контроля и управления в системе динамического позиционирования.

2.1. Анализ структуры судовой службы динамического позиционирования в заданной точке.

2.2. Задача распределения функций и оценка деятельности оператора в интерфейсе "оператор - СОИ СДП".

2.3. Прогнозирование информационной напряженности оператора при контроле состояния динамического позиционирования судна.

Выводы ко второй главе.

Глава. 3. Минимаксная модель оператора позиционирующего судна в режиме ручного управления.

3.1. Минимаксная модель оператора позиционирующего судно в режиме ручного управления при полной информированности.

3.2. Минимаксная модель оператора позиционирующего судно в режиме ручного управления при не полной информированности.

3.3. Идентификация и оценка опасности при многошаговых наблюдениях за процессом позиционирования судна.

3.4. Основные принципы подготовки операторов системы динамического позиционирования.

Выводы к третьей главе.

Интенсификация промышленной добычи углеродосодержащего сырья в прибрежных зонах морских государств за прошедшие несколько десятилетий привела к существенному истощению ресурсов и снижению объема этой добычи. Поддержание на необходимом уровне, и дальнейшее наращивание добычи углеводородов связано с разведкой- и освоением перспективных шельфовых районов Северного Ледовитого океана. При^ освоении? месторождений на^ шельфе Северного Ледовитого океана приоритетными; являются суда и платформы, осуществляющие удержание (позицию) без применения якорей, оснащенные системами динамического позиционирования (СДП) и удерживающими суда и платформы- в заданной точке* при помощи подруливающих устройств [45 ]. Концепция, развития Арктического региона и; освоения континентального шельфа России позволяет вовлечь в хозяйственный оборот углеводородные ресурсы и подготовить геологическое обеспечение заявки^оссии-на юридическое закрепление внешней границы- континентального; шельфа в Северном Ледовитом и Тихом океанах [5]. Концепция согласуется с положениями Программы социально-экономического развития Российской Федерации на среднесрочную перспективу,, а также развитием Северного морского пути в соответствии с "Морской доктриной Российской Федерации на период до 2020 г."

Основная часть российского шельфа находится в труднодоступных пределах северной части; морского района А4 - районах жесткими, быстро; меняющимися гидрометеорологическими и геофизическими условиями. Поэтому разведка новых месторождений углеводородов; их добыча и транспортировка, будут постоянно сопряжены с необходимостью! решения« целого ряда проблем, обусловленных именно спецификой данного региона: Обеспечение, безопасности морских объектов и операций, а также экономической эффективности добычи и транспортировки углеводородного сырья и других морских операций необходимо решать в нескольких направлениях. Одним из них является научное исследование по совершенствованию старых и разработки новых технологий эффективного и безопасного позиционирования морских платформ, буровых и специализированных судов, оснащенных системами динамического по-зиционированияшри реализации сложных морских проектов, таких как Шток-мановское, Приразломное, проекта в Охотском море. Изменчивость гидрометеорологических и геофизических условий может привести к значительному искажению информационного ресурса на входе СДП и, как следствие - к выработке неверных, ложных управлений. Так доминирующую роль в процессе управления^ судном с помощью СДП играет навигационная информация, - получаемая от американской спутниковой навигационной-системы (СНС) "NAVS-TAR-GPS", и отечественная. ГЛОНАСС (точность определения в северных широтах у которой выше чем у GPS) т. е. фактически на буровых судах'используется1 навигационная: информация, поступающая от дифференциального варианта GPS-FJIOHACC 112] , [13] , [14]. Система GPS-ГЛОНАСС в дифференциальном режиме может применяться? для вывода. буровых судов в заданную точку, позиционирования судна в этой точке- и стыковки, скважин с высокой точностью. Однако' в отдельные периоды, отмечалось, снижение точности навигационной- информации; поступающей от СНС и, как следствие: - уменьшение точности управления буровым судном при его позиционировании. Возможным результатом ложных управлений при позиционировании-: может быть выход объекта управления; в частности бурового судна; за установленные пределы, т. е. за круг безопасности, а это, в свою очередь, может привести к срыву производственного процесса или экологической катастрофе. В процессе обработки входящей информации; и выработки, управлений крайне важную, если не решающую, роль играет человек - оператор СДП [37]. В современных морских организационно-технических структурах,- к которым можно* отнести буровое судно при- его позиционировании, человек-оператор является- не только самым ненадежным звеном, но и самым непредсказуемым звеном. Каково будет поведение оператора СДП в опасной или даже в обычной производственной ситуации зависит. от множества психофизических факторов, таких, например, как установочные, мотивационные, личностные факторы. Действительно психика человека — это не только наиболее совершенный и тонкий, но и наиболее ранимый аппарат приспособления человека к реалиям окружающей среды. Анализ деятельности существующих служб динамического позиционирования на судах и платформах показывает, что снижение аварийности при маневрировании связано, в первую очередь, с учетом "человеческого фактора". На аварийность позиционирующего судна оказывают влияние организационно-технические компоненты системы управления,, состоянием безопасной эксплуатации (СУБ) и адекватный информационный ресурс, который направляется на минимизацию рисков при маневрировании. Этот "человеческий фактор" является существенным при подтверждении актуальности исследования, выполненного в данной диссертационной работе. Эффективное информационно-навигационное обеспечение — один из важнейших способов повышения- безопасности позиционирования судов. Поэтому при обеспечении безопасного позиционирования судна возникает необходимость в разработке мероприятий, минимизирующих последствия4 неверно'принятого'оператором СДП решения на общее состояние безопасной эксплуатации судна [2], [44]. Требование по разработке таких минимизирующих мероприятий отражается в резолюции А.850 (20) Международной морской организации (ИМО). В этой резолюции, подчеркивается, что адекватность действий судового« экипажа в тех или иных нестандартных или чрезвычайных ситуациях должны исключать ошибки одного человека, влияющие на безопасную эксплуатацию судна. Поэтому разработку технологий эффективного позиционирования буровых и специализированных судов, оснащенных системами динамического позиционирования и осваивающих северные запасы углеводородного сырья с учетом информационных отказов и особенностей деятельности оператора СДП, можно отнести к разряду актуальных задач.

В настоящей работе исследуются особенности позиционирования- судна в условиях естественных, а также непреднамеренно создаваемых искажений входных для СДП сигналов. Приводятся практические примеры таких искажений и их влияние на управление. Получен вероятностный показатель работоспособности позиционирующего судна и показатель однородности процесса отклонения судна от точки: позиционирования. Показатель однородности позволяет оценить степень безопасности маневрирования и выделить риски, при которых возможны нештатные ситуации. Кроме того, предложенные показатели могут быть положены в основу разработки мероприятий по минимизации числа опасных маневров позиционирующего судна.

Актуальность темы; Концепция развития Арктического региона и освоения континентального шельфа России предусматривает подготовку геологического обеспечения заявки России на юридическое закрепление внешней, границы ¡континентального шельфа в Северном Ледовитом и Тихом океанах, а также, вовлечение в хозяйственный оборот углеводородных ресурсов, обнаруженных в=границах континентального шельфа. При освоении месторождений на шельфе Северного Ледовитого океана приоритетными: являются суда, осуществляющие позиционирование' без применения якорей, оснащенные системами, динамического позиционирования, удерживающими суда в данной точке: при помощи подруливающих устройств. Таким судам предстоит работать в специфических условиях арктического района. С однош стороны, суда должны отвечать достаточно жестким требованиям, предъявляемым^ к их мореходным качествам, а с другой - решать задачи освоения месторождений с применением, новь1х технологий эффективногодабезопасного позиционирования.

Анализ деятельности существующих служб динамического- позиционирования; (СДГТ) на судах показывает, что снижение аварийности» при маневрировании (позиционировании) связано, в первую очередь, с учетом "человеческого фактора"; На аварийность позиционирующего судна оказывают влияние организационно-технические компоненты системы управления-: состоянием? безопасной эксплуатации (СУБ) и адекватный информационный ресурс, который направляется на минимизацию рисков прш маневрировании. Поэтому при обеспечении безопасности позиционирования судна появляется необходимость в разработке мероприятий; которые должны минимизировать последствия неверно принятых решений оператором СДП на общее состояние безопасности судна^ Требование по разработке таких мероприятий закреплено в резолюции А.850 (20) Международной морской организации (ИМО).

Таким образом, разработку технологий эффективного позиционирования буровых и специализированных судов, оснащенных системами динамического позиционирования и осваивающих северные запасы углеводородного сырья, с учетом возможных информационных отказов и особенностей деятельности оператора СДП следует относить к разряду достаточно актуальных задач.

Целью исследования является разработка элементов технологий безопасного позиционирования судна в заданной точке, которая в рамках организационно-технической структуры СДП обеспечивает эффективность управления маневрированием судна при наличии отказов информационных средств и ошибок "человеческого элемента".

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

1. Выбрать организационно-техническую структуру СДП, составить модель процесса безопасного позиционирования специализированного судна относительно заданной точки и разработать показатель однородности (эргодичности) этого процесса;

2. Разработать техническое средство, позволяющее повысить надежность и дальность приема дифференциальных поправок к местоположению позиционирующего судна, к спутниковой навигационной аппаратуре (СНА) и оценить его практическую реализуемость на основе вычислительного эксперимента;

3. Выполнить анализ структуры судовой службы динамического позиционирования и выделить основные функциональные обязанности оператора СДП при удержании судна в заданной точке, как при автоматическом варианте управления, так и при ручном варианте управления;

4. Решить задачу распределения функций между оператором СДП и программным продуктом СДП, а также разработать методику оценки информационной напряженности оператора в интерфейсе "Человек - СДП";

5. Составить модель прогнозирования величины информационной напряженности оператора в интерфейсе "Человек - СДП" с учетом смысла и ценности поступающей к нему информации о внешних воздействиях на судно;

6. Исследовать деятельность оператора СДП как звена управления и разработать модель идентификации и оценки опасности при многошаговых наблюдениях за процессом позиционирования судна и сформулировать основные принципы подготовки операторов при эксплуатации этой системы.

Объектом исследования является СДП, обеспечивающая безопасное маневрирование в заданной точке при выполнении этой системой технологий контроля и управления состоянием безопасности позиционирования судна при наличии отказов информационных средств и ошибок "человеческого элемента".

Предметом исследования является процесс безопасного позиционирования судна, основанный на принципах достоверности приема навигационной информации, минимизации информационной избыточности и распределении функций между оператором и программным обеспечением- СДП с учетом возможных информационных сбоев и ошибок в действиях "человеческого элемента".

Теоретической базой исследования являются теоретико-информационный и системный^ подходы к обеспечению безопасности позиционирования судна при ведении разведочных буровых работ на шельфе Северного Ледовитого океана.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Составлена модель безопасного позиционирования судна в заданной точке, включающая показатели пространственной и, временной оценки надеж* ности такого позиционирования;

2. Предложена полезная модель антенны к приемнику дифференциальных поправок, входящему в состав СНА и повышающая надежность приема навига- * ционных данных;

3. Составлена модель интерфейса "Система отображения информации — Оператор" и показаны ограничения, которые необходимо учитывать вахтенному оператору СДП при автоматическом позиционировании судна;

4. Составлена модель надежности управляющей цепи "Оператор -Органы управления СДП" при ручном позиционировании с учетом полной и неполной информированности вахтенного оператора;

5. Предложены механизм управления судном в аварийных ситуациях и элементы системы подготовки и переподготовки вахтенных операторов СДП, отвечающие национальным и международным требованиям. а

Теоретическая значимость заключается в разработке математического описания интерфейсов в СДП с учетом возможных информационных сбоев и ошибок оператора при управлении состоянием безопасного позиционирования.

Практическая значимость работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций позволят снизить уровень аварийности на специализированных судах при ведении буровых работ замечет уменьшения информационной загруженности оператора СДП и появления у него дополнительного времени резервированиям

Личное участие автора состоит в получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах. Даны конкретные рекомендации, повышающие эффективность безопасной эксплуатации! специализированных судов при проведении разведочного бурения.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием системного подхода, структурного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, теории информации, теории вероятности и статистики, а также подтверждается вычислительным экспериментом^

Внедрение работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций использованы в практической деятельности службы безопасности мореплавания ОАО АМНГР, обладающей специализированными буровыми судами с СДП.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на международных научнотехнических конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ (г. Мурманск 2007-2010 гг.) и КПИФСБ (г. Калининград 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах из перечня ВАК, патент на полезную модель, депонированная рукопись и 4 статьи в материалах международных научно-технических конференций.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

- параметр, отражающий безопасное позиционирование специализированного судна и выделяющий нештатные ситуации, связанные с техническими отказами и программными сбоями;

- модель прогнозирования информационной напряженности оператора в интерфейсе «Челоьек — СДП» при контроле и ручном управлении положением судна;

- идентификация опасных ситуаций и оценка степени этих опасностей при многошаговых наблюдениях за процессом позиционирования судном;

- методические принципы подготовки и переподготовки операторов СДП при эксплуатации специализированных судов.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 126 страницах, состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. В приложении приведены данные вычислительного эксперимента и акт внедрения, который подтверждает использование данного исследования в производственном процессе.

Выводы к третьей главе

1. Поведение вахтенного оператора СДП в рамках составленной модели производственной деятельности и при условиях полной или неполной информированности относительно состояния связи "Оператор — ОУ СДП" позволяет гарантировать ему максимальный результат при контроле и управлением состоянием безопасности позиционирующего судна.

2. Поведение вахтенного оператора СДП даже при неполной информированности относительно состояния взаимосвязи "Оператор - СОИ СДП" позволяет ему поддерживать состояние безопасной эксплуатации специализированного судна с гарантией выполнения критериев безопасности позиционировании как в пространстве так и во времени.

3. При позиционировании процессы наблюдения следует относить к классу многошаговых с потерями, которые в первую очередь зависят от условий последовательного (усеченного) обнаружения-оценивания опасных сообщений, поступающих к вахтенному оператору СДП из мультимедийного пространства СОИ СДП.

4. Для практической реализации предложенной методики идентификации-оценивания опасностей при позиционировании судна с помощью многошагового процесса наблюдений за мультимедийным пространством СОИ СДП необходимо от неизвестных параметров модели перейти к их оценкам, получаемым по принципу максимального правдоподобия.

5. Высокая стоимость оборудования, высокая степень риска загрязнения окружающей среды требуют специальной подготовки оператора СДП на специализированном тренажере, который позволяет формировать и отработать навыки управления судами с системой ДП в реальных условиях, максимально приближенных к действительности для различных типов судов и районов.

6. Основными принципами, которые должны быть положены в основу • подготовки операторов СДП, следует считать непрерывность, модульность этапов подготовки и дисциплин, адаптивность системы подготовки к уровням и особенностям усвоения материала обучающихся при обязательной связи теории с практикой и непрерывности контроля знаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Принятая к исследованию математическая структура СДП и введенная индикаторная функция позволяют классифицировать состояния процесса позиционирования судна в заданной точке, выделяя те состояния, которые способны привести к аварийным ситуациям, исключающим безопасное выполнение буровых работ.

2. Введенные показатели степени неоднородности процесса позиционирования и показатель работоспособности эргатической системы "Человек система СДП" способны с вероятностной точки зрения оценивать появление нестандартных смещений судна от заданной точки, которые могут быть основой для появления технических и организационных рисков.

3. Запатентованная диссертантом трехплечная вибраторно-кольцевая антенна круговой поляризации для приемника, входящего в состав СНА, позволяет повысить надежности и достоверность приема: форматов дифференциальных поправок к текущим координатам судна.

4. Для разработки1 элементов технологий безопасного позиционирования судна в принятой структуре СДП необходимо привлекать описание деятельности "человеческого элемента" в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" и описание деятельности, по управлению состоянием безопасного позиционирования в интерфейсе "Оператор - ОУ СДП".

5. Для оценки информационной загрузки оператора СДП при управлении им состоянием позиционирующего судна- по максимальному количеству информации в интерфейсе "СОИ СДП - Оператор" достаточно принять, что различимые состояния позиционирующего судна статистически независимы и равновероятны.

6. При позиционировании процессы наблюдения следует относить к классу многошаговых с потерями, которые в первую очередь зависят от условий последовательного (усеченного) обнаружения-оценивания опасных сообщений, поступающих к вахтенному оператору СДП из мультимедийного пространства СОИ СДП.

7. Высокая стоимость оборудования, высокая степень риска загрязнения окружающей среды требуют специальной подготовки оператора СДП на специализированном тренажере, который позволяет формировать и отрабатывать навыки управления судами с системой ДП в реальных условиях, максимально приближенных к действительности для различных типов судов и районов.

8. Основными принципами, которые должны быть положены в основу подготовки операторов СДП, следует считать непрерывность, модульность этапов подготовки и дисциплин, адаптивность системы подготовки к уровням и особенностям усвоения материала, обучающихся при обязательной связи теории с практикой и непрерывности контроля знаний.

1. Айзенберг, Г.З. Антенны УКВ / Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин; под ред. Г.З. Айзенберга. В 2 ч. Ч. 1. - М. : Связь, 1977. - 384 с.: ил.

2. Атанс, М. Оптимальное управление / М. Атанс, П. Фалб. М. : Машиностроение, 1968. - 760 с.

3. Беки, Дж. А. Дискретная модель человека-оператора в системах управления / Дж. А. Беки // Труды II Междунар. конгресса ИФАК. М. : Наука, 1965.-С. 62-77.

4. Беллман, Р. Динамическое программирование / Р. Беллман. — М. : Изд-во иностр. лит., 1960. 400 с.

5. Бир, С. Кибернетика и управление производством / С. Бир. М. : Физ-матгиз, 1963. — 276 с.

6. Бриллюэн, Л. Научная неопределенность и информация / Л. Бриллюэн. -М. : Мир, 1966.-271 с.

7. Бусленко, Н. П. Моделирование сложных систем / Н. П. Бусленко. — М. : Наука, 1968.-355 с.

8. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей / Е. С. Вентцель. — М. : Физмат-гиз, 1962.-564 с.

9. Ю.Гихман, И. И. Введение в теорию случайных процессов / И. И. Гихман, А. В. Скороход. -М. : Наука, 1965. 655 с.

10. Гладышевский, М. А. Учет состояния способности к оптимизации связей в системах обеспечения безопасности мореплавания : автореф. дис. . канд. техн. наук / М. А. Гладышевский. Мурманск, 2007. - 23 с.

11. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС, интерфейсный контрольный документ, редакция 5-я. — М. : Координационный научно-информационный центр, 2002. — 60 с.

12. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. — Редакция 5.1 — М. : РНИИ КП, 2008.

13. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под. ред. А.И. Петрова, В.Н. Харисова. Изд. 3-е, перераб. — М. : Радиотехника, 2005. -688 с.

14. Гнеденко, Б. В. Введение в теорию массового обслуживания / Б. В. Гне-денко, И Н. Коваленко. — М. : Наука, 1966. — 431 с.

15. Гнедов, Г. М. Основы автоматизации систем контроля и управления / Г. М. Гнедов, В. Б. Кудрявцев. Л. : ЛВИКА им. А. Ф. Можайского, 1965. - 380 с.

16. Гончаренко, И.В. Антенны КВ и УКВ. Компьютерное моделирование. MMANA. Ч. 1 / И.В. Гончаренко. М. : ИП РадиоСофт, Журнал "Радио", 2004.

17. Диамантидес, Н. Д. Оператор как звено в системе управления / Н. Д. Диамантидес // Вопр. ракетной техники. 1962. - № 12. — С. 49-63.

18. Дмитриев, С. П. Фильтрационный подход к задаче контроля целостности спутниковой радионавигационной системы / С.П. Дмитриев, A.B. Осипов. — Радиотехника, 2002. № 1. - С. 39-47.

19. Кенделл, Д. Стохастические процессы, встречающиеся в теории очередей, и их анализ методом вложенных цепей Маркова / Д. Кенделл. М. : Математика, 1956.-С. 97-111.

20. Климов, Г. П. Стохастические системы обслуживания / Г. П. Климов. — М. : Наука, 1966.-243 с.

21. Колмогоров, А. Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей / А. Н. Колмогоров // Изв. АН СССР. Сер.

22. Математическая статистика. — 1941. — Т. 5. — № 1. — С. 3—14.

23. Котик, М. А. Краткий курс инженерной психологии / М. А. Котик. — Таллин : Валгус, 1971. — 308 с.

24. Лоссиевский В. JI. Вопросы автоматизации непрерывных производственных процессов / В. JI. Лоссиевский, Л. Г. Плискин. М. : Изд-во АН СССР, 1960.-111 с.

25. Математическая теория оптимальных процессов / Л. С. Понтрягин, В. Г. Болтянский, Р. В. Гамкрелидзе, Е. Ф. Мищенко. — М. : Физматгиз, 1961. — 391 с.

26. Математическое описание характеристик человека-оператора как звена системы управления // Вопр. ракетной техники. — 1965. — № 12. — С. 29-45.

27. Миронов,-М.А., Башаев, A.B., Полосин, С.А. Контроль целостности в бортовых системах* функционального дополнения глобальных навигационных спутниковых систем. — Радиотехника, 2004. — № 7. С. 37-А2.

28. Надежность комплексных систем "человек техника" // Материалы ко II Всесоюз. симпозиуму по надежности комплексных систем "человек — техника". Ч. 3. - Л. : ЛДНТП, 1970. - 62 с.

29. Невежин, П. Ф. К вопросу о рациональном распределении функций между автоматами и операторами в системах "человек — машина" / П. Ф. Невежин // Проблемы инженерной психологии. — Вып. 1. — М., 1968. — С. 55-57.

30. Панов, Д. Ю. Построение систем управления, и проблемы инженерной психологии / Д. Ю. Панов, В. П. Зинченко // Инженерная психология. М. : Прогресс, 1964. - С. 5-31.

31. Пасечников, М. А. Организованность социотехнических систем судовождения и методы ее поддержания с минимизацией информационной загрузки человеческого элемента : автореф. дис. . канд. техн. наук / М. А. Пасечников. Мурманск, 2006. - 21 с.

32. Пеньковская, К. В. Живучесть структур безопасности мореплавания с учетом человеческого фактора : автореф. дис. . канд. техн. наук / К. В. Пеньковская. Мурманск, 2006. — 23 с.

33. Половко, А. М. Основы теории надежности / А. М. Половко. М. : Наука,-1964. — 446 с.

34. Полушкин, В. А. К вопросу об определении информации / В. А. По-лушкин // Язык и мышление. М. : Наука, 1967. - 312 с.

35. Проблема распределения функции в системах "человек — машина" : сб. переводов / под ред. А. Н. Леонтьева. М. : Изд-во МГУ, 1970. - 226 с.

36. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр Судоходства. СПб, 2003.

37. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок (ПБУ) и морских стационарных платформ-(МСП). Российский Морской Регистр Судоходства. СПб, 2001.

38. Пушкин, В. Н. Оперативное мышление в больших системах / В. Н. Пушкин. М. : Энергия, 1965. - 375 с.

39. РД 51-10-98.Организация службы динамического позиционирования на судах РАО "Газпром" используемых при освоении морских нефтегазовых месторождений. ИРЦ Газпром. — М., 1998.

40. Резолюция Международной Морской Организации М5С 86(70). СПб. : ЦНИИМФ, 1996.- 11 с.

41. Ротхаммель, К. Антенны / К. Ротхаммель. Т. 1, 2. — М. : Данвел, 2005. — 416 с. : ил.

42. Саати, Т. JI. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения / Т. Л. Саати. М. : Сов. Радио, 1971. - 520 с.

43. Сертификат оператора морского института динамического позиционирования. Версия 1.03. Морской институт. 202 Lambeth Road. Лондон. SEI 7LQ. Великобритания. Выпущен 31 января 2006 г. — 7 с.

44. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / П.П. Дмитриев ; отв. ред. B.C. Шебшаевич. 2-е изд. - М. : Радио и связь, 1993. - 408 с.

45. Современная теория систем управления / под ред. К. Т. Леондеса. М. : Наука, 1970. - С. 454-485.

46. Соловьев, Ю. А. Спутниковая, навигация и ее приложения* / Ю. А. Соловьев. М. : Эко-Тренз, 2003. - 326 с.

47. Таран, В. А. Математические вопросы автоматизации производственных процессов / В. А. Таран, С. С. Брудняк, Ю. Н. Кофанов. М. : Высш. шк. -1968.-216 с.

48. Трапезников, В. А. Автоматическое управление и экономиж / В. А. Трапезников // Автоматика и телемеханика. 1966. — № 1. — С. 5-22.

49. Файнстейн, А. Основы теории информации / А. Файнстейн. — М. :т

50. Изд-во иностр. лит., 1960. 140 с.

51. ФГУП "НТЦ CHT "Интернавигация" / Журнал "Новости навигации". -№3.-2004.-72 с.

52. Феллер, В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения : в 2 т. Т. 2 / В. Феллер. -М. : Мир, 1967. С. 74-76.

53. Фельдбаум, А. А. Основы теории оптимальных автоматических систем / А. А. Фельдбаум. М. : Физматгиз, 1963. - 552 с.

54. Фрадин, А.З. Измерение параметров антенно-фидерных устройств / А.З. Фрадин, Е.В. Рыжков. Изд. 2-е, доп. - М. : Связь, 1972. - 352 с.

55. Харченко К.П. Объемная ромбическая антенна / К.П. Харченко, К. Ка-наев.-М. : Радио, 1979.-№ 11.-С. 35-36.

56. Циркулярное письмо КБ ИМО по внедрению руководства эксплуатацией интегрированных систем ходового мостика. СПб. : ЦНИИМФ. - 2002. -23 с.

57. Чан, С. С. Информационный критерий для замкнутых систем автоматического регулирования / С. С. Чан // Труды I Междунар. конгресса ИФАК. -М. : Изд-во АН СССР, 1961. Т. 3. - С. 51-67.

58. Чернецкий, В. И. О технико-экономическом подходе к выбору параметров технических, средств автоматического управления / В. И. Чернецкий // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1963. - № 4. - С. 44-55.

59. Чкония, В. А. Оптимальное использование пространства знаний в Интеллектуальных системах судовождения : автореф. дис. . канд. техн. наук / В. А. Чкония Мурманск, 2004: - 23 с.

60. Шаумян, Г. А. Автоматизация производственных процессов / Г. А. Шаумян, М. М. Кузнецов, А. И. Волчкевич. М. : Высш. шк., 1967. - 471 с.

61. Шеннон, К. Э. Работы по теории информации и кибернетике / К. Э. Шеннон: М. : Изд-во иностр. лит., 1963. - С. 243-663.

62. Штейнбух, К. Автомат и человек / К. Штейнбух. М. : Сов. радио, 1967.-492 с.

63. Шенброт, И. М. Расчет точности систем централизованного контроля / И. М. Шенброт, М. Я. Гинзбург. М. : Энергия, 1970. - 408 с.

64. Эшби, У. Р. Введение в кибернетику / У. Р. Эшби. — М. : Изд-во иностр. лит., 1959.-432 с.

65. Юрцев, O.A. Спиральные антенны / O.A. Юрцев, A.B. Рунов, А.Н. Каза-рин. -М. : Сов. радио, 1974. 224 с.

66. Interface Control Document: NAVSTAR GPS Space Segment/ Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200C) Rockwell Int. Corp., 2000.