автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Информационно-логический метод идентификации моделей навигационных рисков при управлении судоходством в морской зоне Республики Камерун

094613737

Тедонзонг Тадо Эрик

Информационно-логический метод идентификации моделей навигационных рисков при управлении судоходством в морской зоне Республики Камерун

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 НОЯ 2010

Санкт-Петербург 2010

004613737

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Некрасов Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Климов Евгений Николаевич

кандидат технических наук Красников Валерий Валерьевич

Ведущая организация: «Государственных научно-исследовательский навигационио-гидрографический институт»

Защита диссертации состоится «25» ноября 2010 года в 14 часов в аудитории 235 на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу 198035 Санкт-Петербург, ул. Двинская д. 5\7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций

Автореферат разослан «25 » октября 2010 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 223.009.03 кандидат технических наук, доцент

Барщевский Е.Г.

Введение

Актуальпость темы исследований. Одной из важнейших проблем современного судоходства является обеспечение навигационной безопасности плавания в любых районах Мирового океана и в любых гидрометеорологических условиях.

Современное судовождение определяется существенными особенностями к которыми в первую очередь следует отнести влияние стохастических факторов на процесс судовождения, оценку навигационной обстановки и принятия решения на маневр судоводителем и т.д.

Именно указанные особенности и определяют достаточно высокий уровень навигационной аварийности морского транспорта.

В последнее время, учитывая особую значимость морского транспорта принимаются существенные меры, направленные на повышение навигационной безопасности мореплавания. К таким мерам в первую очередь следует отнести решения и постановления международных организаций: Конвенцию СОЛАС, МКУБ, МАЫЮЬ, требования, выполняющие из федеральных и региональных законодательств, обеспечение систематического контроля за безопасностью мореплавания в зонах ответственности морских администраций и т.д.

Кроме того, происходит заметное совершенствование систем обеспечения навигационной безопасности плавания. Внедрение спутниковых навигационных систем, создание глобального поля радионавигационных параметров и реализация дифференциальных радионавигационных систем привели к принципиальным результатам: проблема позиционирования судов в море с точностью 3-10м практически решена. Решение проблемы координирования объектов в море создало предпосылки к созданию принципиально новых систем судовождения, к которым в первую очередь следует отнести автоматизированные идентификационные системы, которые существешю повысили качество освещения надводной обстановки. Также получило широкое развитие системы управление движением судов, позволяющие осуществлять непрерывный контроль с берега за состоянием судоходства в районе подходных путей к морским портам.

Однако, не смотря на очень большие усилия по совершенствованию организационно-технических мер по обеспечению навигационной безопасности судоходства, уровень навигационной аварийности остается достаточно высоким. Очевидно, существует объективное противоречие между постоянно возрастающими требованиями к безопасности судовождения и его реальным состоянием.

Одной из методологических причин, в значительной мере препятствующей решению многих вопросов навигационной безопасности мореплавания, является отсутствие формальных методов описания процесса судовождения, что, в частности, вызвано стохастическим характером факторов, влияющих на процесс судовождения и объективными теоретическими трудностями описания поведения качественно-сложной организационно-технической системы судовождения в вероятностном пространстве состоян

Другими словами существуют трудности методологического плана по идентификации моделей навигационных рисков, с помощью которых можно произвести комплексную оценку навигационных рисков в целостной системе, описывающей основные свойства качественно-сложной организационно-технической системы судовождения. Это бы позволило использовать формальные методы для решения задач по управлению навигационными рисками, оценивать значимость отдельных элементов системы и их вклад в общую величину рисков.

Таким образом, наличие объективных противоречий между требованиями к навигационной безопасности судовождения и реальным состоянием аварийности на флоте определяют актуальность данной диссертационной работы.

Цель работы и задачи исследования.

В связи с изложенным выше целью настоящей диссертационной работы является повышение навигационной безопасности плавания и снижение навигационных рисков при совершенствовании системы управления судами в морской зоне Республики Камерун.

Объектом исследования данной работы является судовождение в морской зоне Республики Камерун, факторы, определяющие навигационные риски в морской зоне Республики Камерун, а также система управления движением судов.

Предметом исследования являются методы и модели оценки навигационных рисков и практические рекомендации по снижению навигационных рисков.

Для достижения целей диссертационной работы необходимо решение следующих основных научных задач:

1. Дать анализ состояния навигационной аварийности на флоте с выявлением основных причин и факторов, влияющих на уровень аварийности. 2.Оценить характер павигационно-гидрографических и

гидрометеорологических условий в морской зоне Республики Камерун.

3. Обосновать информационно-логический метод идентификации моделей навигационного риска судовождения в морской зоне Республики Камерун.

4. Синтезировать модели навигационных рисков в системе управления движением судов.

5. Обосновать рекомендации по снижению навигационных рисков при плавании в морской зоне Республики Камерун.

Методологической основой исследования являются принципы и методы системного анализа и управления технологическими процессами, теории вероятности и математической статистики, булевой алгебры логики, логико-вероятного моделирования, теории эффективности, навигации и управления судном.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту.

Основными научными положениями диссертации, выносимыми на защиту, являются:

1. Информационно-логический метод идентификации моделей навигационного риска судовождения в морской зоне Республики Камерун.

2. Модели оценки навигационных рисков.

3.Рекомендации по снижению навигационных рисков и совершенствованию систем управления организационно-техническими качественно-сложными системами судовождения в морской зоне Республики Камерун.

Научная новизна основных положений заключается в том, что на основе логико-вероятностных методов и приложений теории байесовских сетей удалось обосновать информационно-логический метод, позволяющий идентифицировать обобщенные модели, учитывая морскую среду, судно и судоводителя как единую целостную систему, что впервые позволило создавать формальные модели оценки навигационного риска судовождения. Применение информационно-логических моделей оценки риска позволяет выделить проблемные места в качественно-сложной системе, что позволяет объективно подходить к решению задач управления рисками (совершенствовать информационное обеспечение судоводителя, развивать системы управления движением судов, организации систем навигационного оборудования и т.п.)

Практическая значимость исследований. Практические рекомендации по снижению навигационных рисков при плавании в морской зоне Республики Камерун представлены администрации морского порта Дуала и получили одобрение. Основные научно-практические результаты работы нашли применение в учебпом процессе и в СПГУВК и СПВМИ Основы информационно-логического метода могут быть использованы при реализации федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы) в части, касающейся внутреннего водного транспорта».

Реализация и внедрение результатов. Теоретическое обоснование информационно-логического метода идентификации моделей навигационных рисков внедрению в опытно-конструкторскую работы ОАО «Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт», модели навигационных рисков судовождения внедрены в учебный процесс СПБГУВК на кафедре управление судном в дисциплины «основы безопасности судовождения» и в учебный процесс Морского Корпуса Петра Великого Санкт-Петербургского военно-морского института на кафедре кораблевождения.

Публикация работы. Основные результаты работы опубликованы в шести научных изданиях, в том числе в двух изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ. Апробация работы.

• 57-й международной молодежной научно-технической конференции «Молодёжь - наука - инновации», посвященной 200-летию транспортного образования в России, (Владивосток, мор. Гос. Ун-т, 2009);

• Межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (СПБ, СПГУВК,2010).

• конкурса студентов и аспирантов СПГУВК на лучшую работу в области

водного транспорта в 2010

• Международная научно-практическая конференция «Водный транспорт

России: инновационный путь развития» (СПБ, СПГУВК, 2010)

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 работы опубликованы в журналах, рекомендованной системе ВАК. Реализация результатов работы. Основные научные результаты работы реализованы:

- при работе над материалами, по НИР «Разработка требований к комплексной системе обеспечения безопасности мореплавания, информационного обеспечения судов и береговых структур, охраны окружающей среды» СПб ГНИНГИ 20 Юг;

- в учебном процессе СПГВК и СПВМИ.

Структура и объем работы.

Диссертационное исследование состоит из введения, трех глав текста, заключения, списка опубликованных источников, 125 отечественных и зарубежных работ. Основное содержание работы изложено на 149 страницах, включая 40 рисунков и графиков, 35 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы обосновывается актуальность и своевременность исследования. Для этого производится анализ существующих противоречий между существующими требованиями к обеспечению навигационной безопасности мореплавания и его фактическим состоянием, между существующими научными подходами формального описания качественных свойств процесса судовождения.

В настоящее время навигационная безопасность определяется уровнем аварийности, которая составляет 250-300 аварийных случаев в год. По многолетним данным касание дна и столкновение составляют 35-40% от общей аварийности, причем 70-85% аварийных случаев приходятся при плавании в узкостях, стесненных районах и в сложных гидрометеорологических условиях.

Обобщенный анализ причин навигационных аварий показывает, что «человеческий фактор» составляет 65-70% от всех морских аварий. Таким образом, существуют объективные противоречия между требованиями к обеспечению навигационной безопасности и достаточно высоким уровнем числа аварий и катастроф на флоте.

В настоящее время идет совершенствование средств и методов обеспечения навигационной безопасности плавания, широкое внедрение средств спутниковой навигации на базе СНС GPS и ГЛОНАС, что привело к практическому решению проблемы координирования судов в мировом океане. Применение автоматизированных идентификационных систем на базе СНС с широким использованием дифференциальных поправок привело к существенному повышению качества освещения надводной навигационной

обстановки, а применение систем управления движение судов позволило осуществить наблюдение за судами в прибрежной зоне и существенно повысить контроль за системой судоходства. Однако этих мер оказалось не достаточно, особенно для морской зоны Республики Камерун.

Дальнейшим развитием методов обеспечения навигационной безопасности явилось принятие международного кодекса но управлению безопасной эксплуатации судов (МКУБ).

Проблема обеспечения безопасности эксплуатации морского транспорта требует разработки аналитических методов оценки навигационных рисков, которым в настоящее время уделяется недостаточное внимание как в РФ там и за рубежом.

Судовождение, как качественно-сложная организационно-техническая система, функционирует в условиях стохастических воздействий, определяемых навигационно-гидрографическими (НГУ) и гидрометеорологическими условиями (ГМУ). Само принятие решения по маневр может сопровождаться ошибками со стороны судоводителей.

Дана оценка НГУ и ГМУ плавания в морском зоне Республики Камерун, показано, что система навигационною оборудования морском зоны Республики Камерун, в основном, обеспечивает судоходство в районе, однако, есть необходимость её дальнейшего совершенствования. ГМУ морской зоны Республики Камерун имеют ряд особенностей к которым можно от отнести сезонные ветры 12-15 м/с, которые могут повлиять па ширину маневренной полосы движения основных типов судов, осуществляющих заход в порт Дуала, что требует дополнительного анализа влияния НГУ и ГМУ на формирование навигационных рисков.

Анализ аналитических методов оценки навигационных рисков показал, что в настоящее время пока не удалось разработать формальных математических методов, способных описать процесс формирования навигационных рисков, порождаемых стохастическими факторами морской среды, неопределенностями, связанными с погрешностями оценки навигационной обстановки и принятия решения на маневр, неопределенностями, связанными с судном, как объектом управления.

Необходимость разработки формальных методов оценки навигационных рисков очевидна, т.к. это позволяет решить много практических вопросов повышения навигационной безопасности плавания и разработать методы управления рисками с учетом рационального использования ресурсов.

Во второй главе диссертационной работы дается обоснование информационно-логическому методу идентификации моделей оценки навигационных рисков. При разработки метода использованы основные свойства байесовских сетей и логико-вероятностного моделирования. К ним в частности относится то, что семантика байесовских сетей опирается на два способа описания сущности сетей: сеть следует считать одним из представлений современного распределения вероятностей событий, включенных в сеть, а кроме того она должна рассматриваться как описание

утверждений обусловленной независимости элементов сети. Универсальным элементом в совместном распределении вероятностей является вероятность конъюнкции конкретных значений каждой переменной

Р = [Х1=Х)лХглХъ...Хп) = Х (1)

Тогда вероятность совершения любого события из совокупности событий состоит:

Мад^Л-П^^с*,)) (2)

Parents - конкретное значение изменений в множестве «родительских» вершин сети.

Вероятностный подход базируется на следующих положениях:

1.Числовые оценки вероятности могут быть получены только из эксперимента, т.е. из опыта эксплуатации морского транспорта.

2.Реальные аспекты предметной области универсальны, т.е. в поведении качественно-сложной организационно-технической системы управления движением судов наблюдаются общие закономерности, которые проявляются в судовождении.

З.Описание предметной области судовождения опирается на принцип безразличия Лапласа - высказывания, которые являются синтаксическими и симметричными по отношению к данному свидетельству, должны рассматриваться как равновероятные.

4.Вычисление вероятностей любых высказываний опираются на интуитивную логику и на результаты наблюдений за организационно-технической системой.

Технология вычислений опирается по аксиоматику Колмогорова:

1. Значение вероятности ограничено 0<р(а)>1.

2. Безусловная истинность высказываний имеет вероятность 1.

3. Вероятность дизъюнкций задается выражением (3)

p(avb)=p(a)+p(b)-p(a*b)

Помимо применения теории байесовских сетей, информационно-логический метод опирается на логико-вероятностные методы, развитые в трудах И.А. Рябина, Д.П.Поспелова и A.C. Можаева. Суть их сводится к представлению, в аналитической форме с применением булевой алгебры логики логического графа системы, отображающего в качестве вершин события, свойственные анализируемой системе, а в качестве ребер - связи из набора атрибутов алгебры логики (конъюнкции, дизъюнкции, инверсии).Тогда с применением определенных аксиом и теорем любую функцию алгебры логики почти всегда можно упростить до алгебраического полинома и представить логические уравнения системы в дизъюнктивной нормальной форме:

/(x1,...,x„x,+1,...,x„) = vxf1xf2,..jtf/(ß1,a2,...ai,xi+1,...,x„) (4)

После этого осуществляется переход к вероятностной функции сложного события, характеризующего в том числе любое из событий анализируемого графа. Вероятность истинности произвольной функции алгебры логики,

представленной в дизъюнктивной нормальной форме, равна сумме вероятностей истинности всех формальных членов этой функции алгебры логики.

По выражениям вероятностной функции для конкретных качественных значений вероятностей свершения (не свершения) событий графа, можно получить количественную оценку вероятности появления искомого события, в частности появление опасной навигационной ситуации.

Помимо оценки вероятности свершения искомого события информационно-логический метод позволяет оценить значимость каждого из событий в целостной системе:

Р1 - общая вероятность свершения события из совокупности событий графа

Ии=' ~ 2>=°

где ~ системы.

Р, - вероятность свершения ¡-го событие (¡=1,...,п). Использование этого позволяет выделять значимые события и выстраивать приоритеты по влиянию на эти события располагаемыми ресурсами. Общая структура информационно-логического метода представляется на рис. 1

Применение информационно-логического метода позволит получить обобщенный граф модели судовождения (Рис. 2.), где

1. - событие возникновения опасной навигационной ситуации;

2 - событие, характеризующее управляемость судном;

3 - событие, характеризующее действия судоводителя;

4 - событие, характеризующее влияние НГУ и ГМУ.

(6)

Рис. 2. Основные элементы базовой информационно-логической модели

судовождения.

Рис. 1. Структура основных этапов применения информационно-логического метода

В интересах идентификации тонких моделей навигационных рисков общая информационная модель судовождения может быть представлена декомпозицией основных событий, свойственных судовождению. Так, модель судна имеет вид, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Иформациошю-лопическая модель судна.

На рис.3 приняты следующие обозначения:

1. Событие ошибочных действий рулевого;

2. Событие отказа рулевого устройства;

3. Событие отказа движителей;

4. Событие потери управляемости 1 и 2 рода;

5. Событие выхода за кромку фарватера из-за несанкционированной циркуляции;

6. Событие выхода за кромку фарватера из-за заклинки рулей;

7. Событие выхода за кромку фарватера из-за отказа движителей;

8. Событие выхода за кромку фарватера из-за потери управляемости 1 и 2 рода;

9. Событие выхода судна за кромку фарватера из-за любых указанных причин.

Логическое уравнение системы событий, входящих в информационно-логическую модель судна имеет вид:

У = У2 х У3 х У4 + У3 х У4 х У6 + У2 х У4 X У7 + У4 х У6 х % + У2 х У3 х ¥„ + (7)

% хГ6 хУ8 + У2 хУ7 хУ8 + У6 хУ7 хУ8,

Выражение для вероятностной функции появления опасной навигационной ситуации принимает вид

рс=а а а +Рг а а-а+й ^а-а +р2 ъ а а -а +в2 а -р* а + (8) л-а -да а+а^3а а ^аа -а,

Аналогичным образом идентифицированы модели рисков, порождаемые НГУ и ГМУ, логическое уравнение которой и вероятностная функция которых имеют соответственно вид: УП1У = ПЗ-У12- 711- 79- 710+713- 78- 77- 75- 76 + 713- 74- 77- 71- 72 (9)

Р1-Л1- ЯР2Р9Р11+Р13Р4Р&Р12Р9Р1Р2Р9Р11Р5Р6,

Численные результаты моделирования для равноиараметрических исходных данных (при одинаковых Р1) приведены в таблице (1) и на графиках рис. 4.

Таблица 1

Значения частных вероятностей 0.9 0.99 0.999 0.99999

Уровень навигационного риска из-за потери управляемости судна 0.2 0.0386 0.0039 4 10"6

Уровень риска возникновения опасной навигационной ситуации из-за потери информации от СНС 0.34044 0.04 0.004 4 10'6

Уровень риска возникновения опасной навигационной ситуации из-за потери визуальной информации координирования судна 0.4686 0.059 0.006 4 10"6

Уровень риска возникновения опасной навигационной ситуации из-за потери радиолокационной информации 0.28 0.03 0.003 4 10'6

Уровень навигационного риска из-за превышения маневренной полосы движения ширины фарватера вследствие влияния ГМУ 0.1366 0.0211 0.00212 3 10"6

Общий навигационный риск появления опасной навигационной ситуации 0.221 0.055 55 10"6 18 10~6

Анализ обобщенной модели рисков показал следующее.

1. Влияние гидрометеорологических условий на уровень навигационных рисков появления опасных навигационных ситуаций ниже, чем влияние остальных компонентов модели формирования навигационных рисков на 5060 %.

2. Для управления навигационным рисками путем совершенствования систем гидрометеорологического обеспечения необходимо повысить качество каждого из основных свойств этих систем и в том числе, оправдываемость прогнозов по основным параметрам ветру, волнению, течению, до уровня не ниже 0.995.

3. При значениях вероятностей свершения основных событий, характеризующие ГМУ=0.9 управление рисками путем поднятия эффективности свойств подсистем, принятых в работе, приводит к снижению рисков на 50-60 %, но с увеличением качества реализации свойств модели ГМУ влияние процесса снижения рисков снижается до 5-7%.

4. Вероятности свершения событий, характеризующие успешность применения СНС должны быть не ниже 0.995 - 0.999. со всеми вытекающими последствиями, а именно, все районы мореплавания должны быть иметь практически сплошное поле сигналов СНС, надежность работы приемоиндикатора должна практически идеальной, оператор должен быть отлично подготовлен и не допускать никаких ошибок при интерпретации результатов измерений.

5. При низком качестве работы системы управление навигационными рисками путем поднятия эффективности свойств СНС, принятых в работе, приводит к снижению рисков на 2 - 5 %, но с увеличением качества реализации свойств СНС влияние этого процесса увеличивается, т.е. навигационные риски снижаются на 20-25 %.

Обобщенная информационная логическая модель навигационного риска при ситуации расхождения судов в сложных условиях приведена на рис (2).

Рис. 2. Информационно - логическая модель опасной ситуации столкновения судов или посадки на мель при уклонении от столкновения.

Логическое уравнения и вероятностное функция имеет вид

Уррис = У1 ■ У8 + У2 • У1 - У7 + У2 • У1 • У5 + У1 • У2 • У4 + У1 • У2 • УЗ (11)

РНр=Н-Р8+ЯР2(12)

А обобщенные количественные результаты для равнопараметрического моделирования приведены в таблице (2) и на графики (5).

Таблица 2

Результаты моделирования оценки навигационных рисков при расхождении

судов

Частные вероятности 0.9 0.99 0.999 0.9999

Риск опасной навигационной ситуации столкновения или посадки на мель при расхождении 0.8422 0.188 0.0224 0.00024

Риск столкновения 0.7975 0.471 00149 0.00021

Риск потери радиолокационной информации об обстановке 0.28 0.03 0.003 4 №6

Риск потери визуальной информации об обстановке 0.4786 0.059 0.006 10"6

Риск потери надводной обстановки по данным АИС 0.345 0.04 0.004 4 10"6

Риск ошибки судоводителя в оценке надводной обстановки 0.1 0.01 0.0001 0.00001

Риск ошибки судоводителя при применении правил МППСС 0.1 0.01 0.0001 0.00001

Анализ обобщенной модели рисков показал следующее.

1. Риски пояштения опасных навигационных ситуаций при решении задач расхождения судов в морс значительны и даже при достаточно высоких значениях частных вероятностей ( Р1 = 0.9 ) составляют для ситуаций расхождения судов Р= 0.7975, а с нормальные функции, т.е. риск оценивался при проявлении риска свершения хотя бы одного из событий, формирующих основные свойства системы обеспечения безопасности расхождения судов в море.

2. Анализ зависимостей общих и частных рисков столкновений и потери надводной обстановки показывает, что приемлемые риски могут гарантированно обеспечиваться при достаточно высоком качестве представления информации о надводной обстановке, которое должно выполняться с вероятностью не хуже 0.999, что может потребовать достаточно больших ресурсов.

3. Наибольший вклад в снижение навигационных рисков дает повышение качества представления визуальной обстановки (до 18-30%) и использование АИС (до 10-25%).

4. Вклад повышения качества действий судоводителей при оценке обстановки и применение правил расхождения согласно с МППСС остается

примерно одинаковым ( около 5-7%) при разных значениях вероятностей свершения частных событий.

—1.Риск опасной навигационной ситуации столкновения или посадки на мель при расхождении —2.Риск столкновения

—г— З.Рискпотери радиолокационной информации об обстановке

4.Риск потери визуальной информации об обстановке Ж 5.Риск потери надводной обстановки по данным АИС б.Риск ошибки судоводителя в оценке надводной обстановки —{— 7 .Риск ошибки судоводителя при применении правил МППСС

Рис.5. Риски опасных навигационных ситуаций при расхождении в сложных навигационных

условиях.

В третьей главе рассмотрены предложения по снижению уровней навигационных рисков при плавании в морской зоне Республики Камерун.

Одним из недостатков, отмеченных по результатам анализа СНО подходных путей порта Дуала, было недостаточное применение АИС для освещения надводной и навигационной обстановки. В качестве предложений

по снижению рисков мореплавания, основанных на оценке эффективности применения РЛС, АИС, показано, что эффективность применения этих систем составляет

Р,,ж. = Р,хР1хР,хРА , (13)

РлНС=Р**Р. 2- (14)

&Р<={Рлис-Рглсу (15)

/Раис

А приращение эффективности составляет

Анализ оценки результатов моделирования эффективности применения средств освещения надводной обстановки (АИС,РЛС) показывают ,что внедрение АИС на судах Республики Камерун дает увеличение эффективности на 15-20%, а комплексное применение этих средств даст увеличение эффективности на 25-30%( Рис.6).

Рис. 6. Эффективность применения средств освещения навигационной обстановки РЛС и

АИС.

Рассмотрение особенностей ГМУ морской зоны Республики Камерун показало, что сезонная изменчивость ветра будет влиять на увеличение ширины маневренной полосы движения судов. Определена зависимость среднего квадратического изменения полосы движения от среднего квадратического значения изменчивости ветра:

а=—=-

, гг'

\2

Ся = \Вм сг„

(16)

(17)

(18)

Результаты изменчивости ширины полос движения под влиянием ГМУ приведены на графиках (Рис.7-9). Отсюда следует, что для судов типа ро-ро навигационные риски из-за ветра 12-15 м/с велики, а значит необходимо ограничивать их заход в эти периоды времени года.

о -,-1-,-,-,-,-!

О 2 4 6 8 10 12 14 Скорость ветра

Рис. 7 Изменчивость маневра полосы движения для судов типа танкер.

120 -100 8060 40 20

0 ■ 0

Рис. 8. Изменчивость маневра полосы движения для судов типа (ро-ро)

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Рис. 9. Изменчивость маневра полосы движения для судов типа (вспомогательное

судно)

И, наконец, предложен способ представления опасной изобаты совместно с рекомендованным курсом судна регрессионными моделями траверзных расстояний от рекомендованного пути до опасных изобат.

С использованием современных технологий информационно синтезирована регрессионная модель опасной изобаты рекомендованного пути в порт Дуала, которая имеет вид:

¿мы>, -190,17-33,946-х, +3,4642-х,2 -0,1657-х,3 +0,004-х,4 -0,00005-я,5(19) Графически вид модели приведен на рис.10.

- Вср(вспомогателноеь судно)

Вср(вспомогательное судно) + 2с8

[) 2 4 6 & 10 12 14 скорость ветра

4 ! |

ФДси 1

....... I ! !

-Изобата

-----2.Попиноы-5ст

Рис. 10. Регрессионная модель опасной изобаты.

На рисунке 11. представлены модели опасных изобат, построенные для правого и левого бортов. Заштрихованная часть показывает область безрискового (с Р = 0,954) плавания. Данная методика позволяет также учесть погрешности определения места за счёт дополнительного смещения модели на величину погрешности определения места с заданной вероятностью.

¡253-, ] 200 -! I 150 Г I 100

I 50 -

-50 ■ -100 -150 --200 --250 ■300 --350 400 --450 -I -500 ■550 ^

............2. модель л/б* Л(1мод

--1

_уГ _.........• • •• " • .'-"-Х 2.....3. модель

.......................................„-•••••;• ..••'...•• "3 л/б+Д6мод^-а

4

_г';.....,.7' у — > . | | | | | - ^ . ■ , . , | ■ |_i | | ■ ........4.модель

л/б 1-Д(1мод'-2а

7 ...т....1Э ..!« 19 22 2Ь ?8 31 34 .37 40 -13$_______5.и»б«.п,я

_„>\ 7 V ................6

' ^ I \_____ 5 -— 6. модель

^ i |ф/б+Дймод

\ / ...........7. модель

\ / ир/б+Д(1мод+а

\ /

\

- 8. модель пр''б+Д<1м(^2п

Рис. 11. Двусторонняя модель фарватера порта Дуала

Построение и анализ регрессионной модели опасной изобаты фарватера порта Дуала позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Оценка регрессионных моделей опасных изобат позволялся области минимального навигационного риска при заходе в порт Дуала.

2. Направление ведущих створов при заходе в порт Дуала должна быть смещено на 5 градусов.

3. Расчетное значение ширины гарантированной полосы безопасного движения судна (В) и позволяет определить доступностью судоходства для этих судов типа (ро-ро), например должны использоваться буксиры при благоприятных ГМУ и рекомендации стоять на якоре при неблагоприятных ГМУ.

Подробный метод идентификации моделей опасных изобат регрессионными моделями позволил получить область возможных уклонений от рекомендованных путей с точки зрения безопасности судовождения, что позволило оценивать риски при воздействии ГМУ, а также вырабатывать предложения по совершенствованию системы навигационного оборудовании подходных путей к порту Дуала.

Основные результаты работы

Целью диссертационной работы было повышение навигационной безопасности плавания и снижение навигационных рисков при совершенствовании системы управления судами в морской зоне Республики Камерун.

В интересах решения поставленной задачи было проведено исследование современного состояния навигационной аварийности по данным международных организации, которая характеризуется по разным источникам от 250 до 500 навигационных аварий в год. Показано, что несмотря на принятие международных требований и безопасной эксплуатации морского транспорта (ИМКУБ), совершенствование технических систем судовождения, глобальном использовании спутниковых навигационных систем в дополнении к системам учетам дифференциальных поправок, широком применении современных средств освещения навигационной обстановки (РЛС и АИС), а также развитие и внедрение в повседневную практику систем управления движением решительного снижения навигационной аварийности не наблюдается. Видимы объективные противоречия между высоким уровнем навигационной аварийности и существующими требованиями их организации безопасного мореплавания. Показано, что пока существуют методологические трудности теоретического плана, что не позволяет создавать «адекватные» модели навигационных рисков. Именно эти противоречия и обосновывают актуальные исследования.

В работе рассмотрены факторы случайной природы - гидрографические и гидрометеорологические условия плавания в морской зоне Республики Камерун. Выявлено существенное влияние сезонных ветров на изменение маневренной полосы движения судов, что может привести к появлению дополнительных рисков судовождения. Система судовождения как качественно-сложная система поведение которой с одной стороны характеризуется совокупностью устойчивых законов (оценка обусловлена принятием решения на маневр итп), а с другой стороны совокупностью стохастических факторов (НТУ, ГМУ и т.п.).

Показано что существует возможность математического описания такого ряда организационно-технических систем с использованием основных свойств «байесовских» сетей и логико-вероятностного метода.

Описание качественно сложных организационно-технических систем судовождения в пространстве вероятностных событий с, применением аксиоматики Колмогорова и основных правил булевой алгебры, логики,

позволило обосновать информационно-логический метод идентификации моделей оценки навигационных рисков с учетом особенностей целостности системы «судно - судоводитель - среда».

Разработка метода позволила предложить формальные модели оценки навигационных рисков качественно сложной системы различного уровня декомпозиции: модель риска из-за потери основных свойств управляемости судна, модель риска формируемого ГМУ и НГУ и т.д.

Помимо собственных моделей навигационных рисков предложен способ оценки значимости и вкладов отдельных событий, характеризующих проявление специфических свойств, что позволяет перейти от оценки рисков к управлению рисками при рациональном использовании ресурсов (при использовании средств и систем навигационного оборудования района мореплавания, систем управления движением судов и т.п.)

На основании моделей оценки навигационных рисков выработаны конкретные практические предложения по снижению навигационных рисков мореплавания в морской зоне Республики Камерун.

К таким предложениям относятся предложения по более интенсивному внедрению автоматизированных идентификационных систем, что приводит к повышению эффективности освещения навигационной обстановки на 35-40%.

Кроме того предложена регрессионная модель опасных изобат, что позволяет определять гарантированное безопасное поле возможного нахождения судов при плавании в отмеченных условиях.

И, наконец обоснованы организационные методы управления движения судов на подходных путях и порту Дуала, учитывающие сезонную изменчивость ГМУ и их влияние на изменчивость ширины маневренности полосы движения.

Основные публикации по теме диссертации

1. Тедонзонг Т.Э. Перспектива применения автоматизированных идентификационных систем в районе порта Дуала республики Камерун. Сборник 57-й международной молодежной научно-технической конференции. Владивосток, мор. Гос. Ун-т, 2009. - Т. 1. - с 43-49.

2. Тедонзонг Т.Э. Регрессионная модель опасной изобаты. Сборник межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» СПБ, СПГУВК,2010 - с. 142 - 145.

3. Тедонзонг Т.Э. Применение информационно - логического метода для оценки навигационных рисков в порте Дуала. СПБ, матерел конкурса студентов и аспирантов СПГУВК на лучшую работу в области водного транспорта в 2010. Труды СПГУВК №8 2010г -с.35-38.

4. Тедонзонг Т.Э. Изменчивость маневренней полосы движение судна с учетом гидрометеорологических условий. Труды СПГУВК №7 20 Юг

5. Тедонзонг Т.Э., Некрасов С.Н. Метод управление навигационными рисками. СПБ, труды СПБВМИ №237 201 Ог - с. 18-21.

6. Тедонзонг Т.Э., Некрасов С.Н. Оценки навигационных рисков при расхождении судов в море. СПБ, труды СПБВМИ №238 20 Юг-с. 35-38.

7. Тедонзонг Т.Э., информационно - логический метод идентификации моделей навигационных рисков при плавании в морской зоне Республики Камерун. Сборник международной научно-практической конференции «Водный транспорт России: инновационный путь развития» (СПБ, СПГУВК, 2010), с.42-44.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 25.10.10 Сдано в производство 25.10.10 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,45. Уч.-изд. л. 1,25. _Тираж 60 экз._Заказ № 148_

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникации 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

6111-5/432

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ»

На правах рукописи

Тедонзонг Тадо Эрик

«Информационно-логический метод идентификации моделей навигационных рисков при управлении судоходством в морской зоне

Республики Камерун»

I"

Специальность: 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д*т.н., проф. С.Н.Некрасов

Санкт-Петербург 2010

Оглавление

Введение..................................................................................4

Глава 1. Постановка задачи оценки навигационных рисков судоходства............................................................................11

1.1 Состояние и основные причины навигационной аварийности

«.

на флоте..................................................................................11

1.2 Оценка навигационно-гидрографических и гидрометеорологических условий плавания судов в морской зоне Республике Камерун...............25

1.3 Постановка задачи оценки навигационных рисков при управлении

судоходством в морской зоне Республике Камерун...........................43

Выводы по главе 1.....................................................................56

Глава 2. Основы идентификации и применения информационно-логических моделей оценки навигационного риска при управлении

судоходством...................................................................................57

<

2.1 Обоснование информационно-логического метода идентификации моделей навигационных рисков при управлении судном.................................................................................58

2.2 Модель навигационных рисков при управлении судном в морской зоне Республики Камерун 75

2.2.1 Информационно-логическая модель судна как объекта управления...............................................................................79

2.2.2 Информационно-логическая модёль навигационного риска, определяемая навигацйонно-гидрографическими и гидрометеорологическими условиями судоходства в морской зоне

Республики Камерун.....................................................................84

2.2.3. Информационно-логическая модель навигационного риска опасных

ситуаций расхождения судов............'..............................................101

Выводы по главе 2.......................................................................111

Глава 3. Рекомендации по снижению навигационных рисков при управлении судоходством в" морской зоне Республики Камерун.................................................................................113

3.1 Повышение качества освещения надводной обстановки при комплексном использование радиолокационных систем и автоматизированных идентификационных систем.............:............................

................113

3.2 Изменчивость гидрометеорологических факторов и их учет при управлении судопотоками в морской зоне Республики Камерун.............121

3.3 Регрессионные свойства модели опасных изобат и их использование для

определения гарантированной полосы движения судов на подходных путях

основных портов Республики Камерун.............................................128

Выводы по главе 3.......................................................................135

Заключение................................................................................136

Список использованных источников...............................................139

и

Введение

Современное состояние и развитие морского транспорта, цели и задачи морской деятельности характеризуются значительным расширением направлений деятельности. Они связанных с традиционными направлениями такими, как перевозка грузов, пассажиров, добыча полезных ископаемых, экономическое освоение морских зон и т.п.[79,98,116].

При этом судоходство, как основной элемент деятельности на море *

характеризуется новым этапом развития, связанным с внедрением принципиально новых электронных информационных систем.

К ним в первую очередь следует отнести электронные картографкческ-ие навигационные информационные системы (ЭКНИС), которые способствовали автоматизации практически всех типовых задач судовождения: счисление пути, опреде тение координат судна в море и оценка точности определения места, организация расчетов по предварительной прокладки пути судна, автоматический обмен информации с радионавигационными системами, спутниковыми навигационными системами и т.п. [120,121,122 ].

Другими словами, картографическое обеспечение судовождения в настоящее время практически полностью автоматизировано.

Появление на судах систем автоматической идентификации судов в большей степени повысило качество освещения навигационной обстановки [ 94,99]. Учитывая особое значение подходов к морским портам, плавание в прибрежных .. водах,' необходимость обеспечения навигационной безопасности плавания в стесненных районах, были созданы и широко внедрены в практику системы управления движением судов, позволяющие осуществлять непрерывный контроль за положением судов,

характеристиками судопотоков и т.п. [98].

• _.

Однако необходимо отметить, что процесс судовождения характеризуется вполне определенными свойствами, главными из которых является целенаправленность действий судоводителей и стохастическое влияние различных факторов, сопровождающий процесс судовождения.

К. таким факторам следует отнести влияние навигационно-гидрографрческих и гидрометеорологических условий, влияние человеческого фактора и т.п. [8,43].

Систему судовождения в настоящее время следует рассматривать как качественно сложную организационно-техническую систему, в которой в наибольшей степени 'отражаются специфические особенности процесса судовождения, стохастический характер факторов внешней среды, влияющий на процесс судовождения, способность судоводителей анализировать навигационную.обстановку и принимать решения на маневр.

Безопасность ' функционирования качественно-сложной

организационно-технической системы судовождения является основным критерием усиленной и эффективной работы такой системы.

Вопросам обеспечения навигационной безопасности плавания в

л

настоящее время уделяется особое внимание[110,114,И5].

На международном уровне принят целый ряд определяющих документов, к которым в первую очередь следует отнести Конвенцию

СОЛАС:[44,45,-41,112,124]. л

»

Однако, несмотря на усилия сообщества решительно изменить ситуацию с обеспечением навигационной безопасности мореплавания не удалось.

Так, анализ статистических данных по аварийности на флоте показывает, что уровень аварийности по-прежнему остается достаточно

л

высоким. Примерно (20-22)% случаев с авариями кораблей и судов относятся к посадкам на мель, касанию грунта и столкновениям.

Основными причинами навигационных аварий являются следующие[3,6]:

- / низкий уровень профессиональной ■ и психологической

I,

подготовленности судоводителей;

- ' безответственность судоводителей;

- неудовлетворительный контроль за навигационной обстановкой;

- нарушение правил плавания и управления судном и т.п. Поэтому 'объективно существуют противоречия между высокими

требованиями к обеспечению навигационной безопасности судовождения и реальным состоянием навигационной аварийности на флоте.

Решение теоретических и практических вопросов обеспечения навигационной безопасности плавания посвящены работы таких ученых как Груздев Н.М. [23,24], СнопковВ.И[28], Некрасов С.Щ58,59], Абчук А.А [1,2], Нах&тович Л.А[119], Фрадкин В.Щ116], Дмитриев В.И. [29], Алексеев С.П. [5,6,7,8] и т.п.

Основными направлениями этих исследований были оценка точности счисления и определения места судна в море, идентификация стохастических моделей течений в море, методы контроля точности, определения места в море, автоматизация основных процессов сбора, обработки и прогнозирования изменчивости навигационных параметров плавания и т.п. Однако следует отметить, что. пека не удалось выработать общие

I'

подходы к идентификации моделей навигационных рисков процесса судовождения, хотя многие авторы подошли к этому вопросу.

Идентификация моделей навигационных рисков процесса функционирования качественно-сложной организационно-технической системы судовождения позволить получить теоретический аппарат для анализа обобщенной системы, компонентами которой являются подсистемы освещения навигационной обстановки, . подсистемы навигационного оборудования района плавания, " навигационно-гидрографические и гидрометеорологические факторы, свойства и способности судоводителей

I'

организовать управления судами т.е основные составляющие

«

организационно-технические системы судовождения.

Актуальность этого направления очевидна: если удается универсальным образом строгими формальными методами описать процесс судовождения, с учетом его основных характерных свойств, то появляется возможность дать численную оценки навигационных рисков и наконец, решить проблему управления навигационными рисками.

Это направление исследования является новым и существенно способствует развитию подходов к анализу навигационной безопасности плавания как при построении систем управления движением в береговых условиях, при планировании навигационно-гидрографического обеспечения судоходства; так и развития специального математического обеспечения судовых навигационных комплексов.

В первой главе диссертационной работы рассматривается состояние навигационной аварийности судоходства за последние несколько, лет. Этот анализ показывает, что уровень навигационных аварий и происшествий за последнее время практически не изменился, при этом на долю навигационных аварий, связанных с посадкой судов на мель или касания грунта, а также столкновений судов, приходится до 40 :— 70 % всех аварий с судами на море.

По результатам анализа констатируется, что резко возросло число аварий по вине судоводителей (так называемый человеческий фактор), общий уровень которых составляет до 80 % всех аварий.

Учитывая- состояние и характер навигационной аварийности за последние десятилетия принято целый ряд мер, способствующих созданию условий для снижения рисков навигационных аварий и происшествий. К ним в первую очередь можно отнести совершенствование международного законодательства, внедрение обязательных международных, региональных и местных документов, определяющих требования к организации судовождения, а также совершенствование технических средств навигации, систем управления движением и т.п. Уделено особое внимание на систему подготовки и переподготовки судоводителей с обязательной сертификацией

подготовленности судоводителей по применении систем автоматизированной радиолокационной прокладки (САРП), радиолокационные станции (РЛС), электронные картографические навигационные систем (ЭКНИС) и т.п. Однако уровень навигационной аварийности остается достаточно высоким. Таким образом, вопросы, связанные с совершенствованием безопасности судоходства являются актуальными. Рассмотрены навигационно-гидрографические и гидрометеорологические факторы влияющие на процесс судовождения в морской зоне Камеруна. Показания, что' система навигационного оборудования нуждается в совершенствовании: необходимо боле полное внедрение. автоматизированных идентификационных систем (АИС), дифференциальных спутниковых навигационных систем (СНС) и совершенствование систем управления движения судов, эффективность которых обосновывается в работе.

К местным навигационно-гидрографическим' условием (НГУ) и гидрометеорологическим условием (ГМУ) следует отнести наличие системы ветров харматанного типа, которые приводят к увеличению углов дрейфа судов, заходящих в порты Республики Камерун, что в свою очередь может привести к увеличению ширины \ маневренной полосы движения и возможному выходу судов за пределы фарватеров.

Сделано постановка задачи разработки метода идентификации моделей навигационного риска в организационно-технических систем судовождения, включающих в себя судно как объект управления, НГУ и ГМУ района плавания и судоводителя как лицо, принимающее- решение. Постановка задачи основывается на исследовании основных закономерностей предметной области . судовождения с применением информационно-логического метода описания сложной системы судовождения в пространстве вероятных событий, связанных между собой логическими условиями. В качестве основного метода использованы теоретические основы логико-вероятностного метода и основы теории байесовских сетей.

Во второй главе дается обоснование метода идентификации информационно-логических моделей' навигационных рисков. Приводится аналитика Колмогорова, ряд теоретических положений логико-вероятностного теории, которые положены в основу метода. Приводится структурная схема этапов реализации метода, включающая построен логического управления системы, раскрытия логического управления в виде дизъюнктивной нормальной функций и получения вероятностной функции качественно-сложной системы. Показано применение информационно-логического метода к обобщенной системе судовождения. Более подробно рассмотрены элементы обобщенной модели применительно к детализир'ованным моделям влияния ГМУ. и НГУ на ситуацию возникновения навигационных рисков, систем навигационного оборудования (СНС, РЛС и АИС), а также идентифицированная обобщенная модель риска при расхождении судов.

Помимо собственных моделей навигационного риска получены способы оценки значимости и вкладов отдельных элементов модели в общий навигационный риск, что позволяет сделать заключение о возможности управления навигационными рисками.

В третьей главе обоснованы практические рекомендации по снижению навигационных рисков при плавании-в морской зоне Республики Камерун. Доказана эффективность комплексного применения средств освещения навигационной обстановки, а именно совместное изменение РЛС и АИС дает повышение эффективности на 25-30% по сравнению с каждым из них, что является теоретическим основанием для дальнейшего совершенствования системы навигационного оборудования морской зоны Республики Камерун. Более подробно исследован вопрос об учете ГМУ плавания и их влияние на изменчивость ширины маневренной полосы движёния. Показано, что при ветрах свыше 12-15 м/с заход судов типа ро-ро в порт Дуала(главный морской порт Камеруна) должен быть ограничен, Т.К. изменчивость

маневренйой полосы движения соизмерима с шириной фарватера, что может привести к резкому увеличению навигационного риска.

Предложен новый способ описания опасных изобат, основанный на регрессионных свойствах траверзнных расстояний относительно оси рекомендованного фарватера, что обеспечивает представление судоводителю гарантированную и безрисковую область нахождения судна, а также является обоснования для оптимальной конфигурации установки плавучего ограждение на подходных подходящих путях морской зоны Республики Камерун.

Таким образом на защиту выносятся:

1. Информационно-логический метод идентификации модели навигационных рисков судовождения в морской зоне Республики Камерун.

2. Модели оценки навигационных рисков.

3. Рекомендации по снижению уровня навигационных рисков, совершенствованию управления организационно-технической системой судовождения в морской зоне Республики Камерун.

Глава 1. Постановка задачи оценки навигационных рисков

судоходства.

1.1 Состояние и основные причины навигационной аварийности

на флоте. „

Современное состояние мирового судоходства характеризуется целым рядом особенностей, которые во многом влияют на уровень навигационной аварийности.

Возрастающее из года в год значение водного транспорта определяется исключительной экономичностью .перевозок морем самой широкой номенклатуры грузов. На морские перевозки приходится свыше 60% всего мирового грузооборота, так как основную часть экспортно-импортных грузов в межконтинентальной торговле можно перевезти только морем. Воды Мирового океана бороздят около 60 тыс. крупнотоннажных судов и свыше 20 млн.. мелких судов (туристских и прогулочных катеров, парусных яхт, ботов и др.). Ежесуточно в морях "и океанах находится 30 тыс. судов, численность экипажей которых превышает 1 млн. человек. При таких масштабах использования водных транспортных средств сложно избежать возникновения различных чрезвычайных ситуаций. Совершенствование и создание новых систем управления кораблями, навигационного оборудования и средстй связи позволяют не превышать примерно стабильное количество ежегодных аварий и катастроф на водном транспорте.

По данным Регистра судоходства Ллойда, ежегодно гибнут 300-400 судов, аварию терпит свыше 8 тыс. судов (общим тоннажем более 600 тыс. т). В кораблекрушениях ежегодно погибают сотни людей. Почти каждый третий корабль возвращается в порт посте длительного рейса с поломками или повреждениями оборудования, механизмов или корпуса.

Расслед�