автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Разработка моделей эффективной оценки опасности столкновения судов при принятии решения методом анализа иерархий

На правах рукописи

Субанов Эркин Эргешевич

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОЙ ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ СТОЛКНОВЕНИЯ СУДОВ ПРИ ПРИНЯТИИ РЕШЕНИЯ МЕТОДОМ АНАЛИЗА ИЕРАРХИЙ

Специальность: 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новороссийск - 2012

005047309

005047309

Работа выполнена в ФГОУ ВПО "Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова" (г. Новороссийск)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Миронов Александр Владимирович доцент кафедры "Управление судном" ФГОУ ВПО "МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова"

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Юдин Юрий Иванович начальник кафедры "Судовождения" ФГБОУ ВПО "Мурманский государственный технический университет. Морская академия"

кандидат технических наук, доцент Попов Анатолий Николаевич доцент кафедры "Технические средства судовождения" ФГОУ ВПО "МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова"

Ведущая организация: ЗАО "Центральный Научно-Исследовательский Институт Морского Флота" (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 17 мая 2012 года на заседании диссертационного совета Д 223.007.01 при ФГОУ ВПО "МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова" в 11.00 в аудитории Б-1 по адресу 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова" (г. Новороссийск, пр. Ленина, 93).

Автореферат разослан "/3 " апреля 2012 года.

Отзывы на автореферат присылать в двух экземплярах, заверенных печатью организации, и адресовать их учёному секретарю диссертационного совета Д 223.007.01 при ФГОУ ВПО "МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова" по адресу: 353918. г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.

Перечень принятых сокращений

АИС - Автоматическая информационная (идентификационная) система САРП - Средства автоматической радиолокационной прокладки PJIC — Радиолокационная станция

НИС - Навигационные интегрированные системы (комплексы)

ИСПР - Интеллектуальная система принятия решений

СППР - Система поддержки принятия решений

ЛПР - Лицо принимающее решения

ВПКМ - Вахтенный помощник капитана

КИ — Ключевые индикаторы

КИ СОС - Ключевые индикаторы оценки степени опасности столкновение

МАИ - Метод анализа иерархий

ММАИ - Модифицированный метод анализа иерархий

МПС - Матрица парных сравнений

ВИП — Величина изменения пеленга

Л ОД - Линия относительного движения

ОЛОД - Ожидаемая линия относительного движения

КУ ЛОД - Курсовой угол ЛОД

МП — Маневренный планшет

ИМО - Международная морская организация

МППСС-72 - Международные правила предупреждения столкновений судов в море 1972

СОЛАС/SOLAS - Международная конвенция по охране человеческой жизни на море 1974 года (с поправками)

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Анализ аварийных ситуаций показывает, что число столкновений судов в море в общей доле аварийности вообще не снижается, и тенденция на их уменьшение сегодня не просматривается. В большинстве случаев основной причиной столкновения судов является использование разных подходов (способов) к оценке процесса сближения с встречными судами, выбор наиболее опасной цели и, как следствие, неверное маневрирование при расхождении. Оценка навигационной ситуации является важной составной частью проблемы безопасного расхождения судов, которой посвящен широкий круг научных исследований. Эта проблема приобрела особую актуальность в 70-е годы XX века в связи с усилившимся процессом автоматизации морских судов на базе вычислительной техники. Автоматизация судовождения стала рассматриваться в качестве важного средства повышения безопасности и экономической эффективности торгового мореплавания. К настоящему времени опубликовано значительное количество работ по данной теме, в частости, работы А.И. Родионова, A.B. Лихачева, А.Е. Сазонова, В.Е. Кудряшова, С.С. Кургузова, В Л. Баранова, A.B. Жерлакова, С.Б. Олыпамовского, I.A. Lisovski, Т. Milch, I.S. Karmarkar, К. Sorge, M.K. James, K.P. Coenen, также другие многочисленные исследования, которые привели к внедрению на флоте автоматизированных систем управления. Однако снижение аварийности от столкновений судов остается актуальной проблемой.

Теоретические исследования по проблеме безопасного расхождения судов широко ведутся во многих странах. Сформировалось несколько направлений в этих исследованиях. Одним наиболее актуальным из них является оценка степени опасности столкновения наблюдаемых в море судов.

С начала 2000 года интенсивные исследования с использованием компьютерных технологий привели к появлению новых направлений в расхождении судов. Компьютерные технологии вводят новую составляющую в искусство принятия решений по безопасному расхождению судов в море. Этой теме посвяящено значительное число работ, в частности, работы С.П. Дмитриева, A.B. Осипова, М.С. Алейксейчука, H.H. Цымбала, А.П. Бень, JIJI. Ва-гущенко, В.Г. Шерстюка, Е.М. Goodwill, С. De Wit, Z. Oppe, J.G. Kemp-Luck, а также выполненные работы B.B. Астреина, В.А. Васькова и многих других авторов - работы с новыми идеями по разработке систем поддержки принятия решений (СППР) судоводителя, что является одним из наиболее перспективных путей решения поставленной проблемы.

Существующие методы предупреждения столкновений не в полной мере удовлетворяют возрастающим требованиям обеспечения безопасности судовождения, и поэтому их дальнейшая разработка и совершенствование являются содержанием данной диссертационной работы.

Целью исследования является разработка моделей эффективной оценки риска столкновения судов при принятии решения методом анализа иерархий (МАИ).

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Модель метода анализа иерархий (МАИ) как системы поддержки принятая решений (СППР) адаптированная к оценке опасности столкновения судов;

2. Определение веса парных ключевых индикаторов (КИ) сближающихся судов, полученных по экспертным оценкам;

3. Модифицированная модель метода анализа иерархий (ММАИ), на основе парных КИ оценки опасности столкновения судов;

4. Оригинальная модель ММАИ, использующая коэффициенты тенденции изменения критериев в процессе сближения судов.

Объект исследования процесс расхождения судов.

Предмет исследования модели оценки опасности столкновения сближающихся судов, основанных на МАИ.

Методы исследования основаны на положениях теоретических и практических исследований по использованию метода анализа иерархий, методологии и регламенте решения системных задач, методах проведения экспертных оценок и обработки статистических данных с помощью прикладной статистики.

Научная новизна исследований, выдвигаемых на защиту:

1. В разработке комплекса навигационных параметров, выступающих ключевыми индикаторами оценки степени опасности столкновения (КИ СОС) сближающихся судов и их классификация.

2. Примененная впервые адаптированная модель МАИ КИ СОС, оценки степени опасности столкновения, дающая одновременную такую оценку по всем сближающимся судам.

3. В новом подходе к определению весов фактора ключевых индикаторов (КИ) выступающих в паре оценки опасности столкновения судов.

4. Предложение методике использования коэффициентов тенденции изменения КИ сближения судов с учетом свойств и признаков самих КИ.

5. Разработанная модель ММАИ КИ СОС для оценки опасности столкновения судов, на основе коэффициентов тенденции изменения критериев в процессе сближения судов, находящихся на небольших дистанциях от собственного судна.

Теоретическая значимость полученных результатов заключается в использовании современных научных технологий созданных моделей для оценки степени опасности столкновения одновременно по всем сближающимся судам без участия человека. Достоверность полученных результатов подтверждена большим количеством решенных задач расхождения, где получены положительные результаты, которые изложены в диссертационной работе.

Практическая значимость и внедрение результатов. Полученные в диссертационной работе результаты обусловлены универсальным характером предложенных способов оценки и контроля опасности столкновения судов и позволяют использовать данные модели при управлении любыми подвижными объектами.

Практическая ценность полученных результатов определяется следующими факторами: созданы предпосылки разработки интеллектуальных систем принятия решений (ИСПР) для оценки опасности столкновения судов; полученные результаты представляют ценность, как для подготовки, так и для повышения квалификации специалистов-судоводителей; результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО "ГМУ имени Ф.Ф. Ушакова" по курсам судоводительского цикла, в морском тренажерном центре университета и МУТЦ (морском учебно-тренажерном центре) Республики Казахстан.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы были доложены и одобрены на двух региональных научно-технических конференциях "Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на Юге России" (Новороссийск, 2010-2011). Журнал "Морской Флот" № 5-6 2010 года (Москва, 2010). На VIII Международной научно-практической конференции (НПК) "Наука в современном мире" 25 ноября 2011 года (Таганрог, 2011). На Международной НПК "Инновации и современная наука" 12 декабря 2011 года (Новосибирск, 2011). ЦНИИМФ сборник научных трудов, апрель 2012 года (Санкт-Петербург, 2012) - в печати. Журнал "Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки" № 3, 2012 года (Новочеркасск, 2012) - в печати.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 статьях, две из них - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем. Диссертация объемом 177 страниц, включая 24 иллюстрации и 31 таблицу. Состоит из содержания на 3 страницах, списка сокращений на 1 странице, введения на 4 страницах. Основная часть из 3 глав -на 120 страницах и заключение на 2 страницах. Список литературы из 180 наименований источников, из них 29 на английском языке на 18 страницах и 12 приложений на 28 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении отмечено, что в большинстве случаев основной причиной столкновений судов является использование разных подходов (способов) в оценке процесса сближения с встречными судами, ошибки в выборе наиболее опасной цели и, как следствие, неверное маневрирование при расхождении.

В первой главе проведен обзор проблемы расхождения судов в море, по которой имеется значительное число научных работ. Они рассматривались как работы, посвященные основным моделям процесса расхождения, моделям расхождения для СППР и предлагающие способы решения проблемы расхождения судов. При обзоре проблемы уменьшения опасности столкновения обращено особое внимание на навигационные параметры, используемые для оценки ситуации сближения судов.

Приведенный обзор работ и публикаций показал, что для оценки опасности столкновений набор параметров весьма многообразен, но ограничен традиционным использованием только 2-4 навигационных параметров. Однако в современной динамике сближения судов, обладающих большими ско-

ростями, и при сближении с несколькими судами это может привести к необъективности анализа ситуации и, как следствие, к неверному принятию решений.

Объем работ говорит о том, что к настоящему времени предприняты значительные усилия для решения задачи безопасного расхождения судов. Однако статистика аварийности мирового транспортного флота не показывает заметного снижения количества столкновений судов за три последние десятилетия. Это говорит о том, что проблема безопасного расхождения судов далека от своего решения, для чего необходимы новые идеи и исследования.

Предложенные к настоящему времени основные модели безопасного расхождения, имеют ограничения по комплексному использованию навигационных параметров, выступающих ключевыми индикаторами оценки степени опасности столкновения (КИ СОС). Они не в полной мере использованы в качестве основы для разработки эффективных судовых систем предупреждения столкновений и уменьшения влияния "человеческого фактора" на принятие решений.

Из всех имеющихся математических моделей наибольший интерес представляет метод анализа иерархий (МАИ), который позволяет проводить оценку степени опасности столкновения при комплексном использовании КИ СОС одновременно по всем сближающимся судам.

Во второй главе приведен анализ аварий и катастроф по причине столкновения судов, где отмечено, что столкновения судов являются одним из наиболее распространенных и тяжелых видов аварий, происходящих в море. В соответствии с данными ИМО, навигационные аварии в результате столкновений составляют более 1/3 всех аварийных случаев на море. По материальным убыткам этот вид навигационной аварийности занимает первое место. Данные годовых отчетов о происшествиях на море Европейского агентства по морской безопасности (ЕМБА) в водах ЕС (количество произошедших аварий) представлены в табл.1.

Таблица 1 - Анализ происшествий на море по данным ЕМБА

Происшествие 2008 2009 2010

Количество аварий 670 540 559

Количество погибших 82 52 62

Столкновение судов, % 45

В аварийные ситуации попали и 65 танкеров. Хотя связанные с ними аварии составили лишь 10 % от общего числа аварий, их последствия были самыми опасными.

Анализ состояния аварийности на морском и речном транспорте РФ за последние два года по данным Госморречнадзора (таблица 2).

Таблица 2 - Анализ происшествий на морском и речном транспорте РФ

Происшествие 2010 2011

Количество столкновений 6 5

"Человеческий фактор", % 80

Как показывает анализ, тенденция на уменьшение столкновений не наблюдается, а основной причиной в 80% случаях аварийных ситуаций при столкновении судов является "человеческий фактор".

Современные суда имеют большие габариты и скоростные характеристики, что сказывается на скоротечности сближения судов и приводит к дефициту времени на оценку опасности столкновения и принятие решения. Для судоводителя это означает уменьшение времени на определение параметров движения цели (ПДЦ), анализ и оценку ситуации сближения для выбора и выполнение маневра расхождения.

Система (1) выражает динамику относительного сближения встречных судов:

где: Дь П& -расстояние и пеленг по встречным судам в начале наблюдения; К0! -соз(/СУц| ± 0\) - общая величина изменения расстояния при

сближении судов; -время наблюдения сближения судов. . Уравнения (1) показывают, что принимаемые КИ СОС как основные параметры способны характеризовать и отслеживать динамику сближения встречных судов, тем самым информировать судоводителя об оценке степени - опасности столкновения для дальнейшего принятия решений (рисунок 1).

Рисунок 1 - Параметры, характеризующие ситуацию сближения двух судов

Задача классификации цели сводится к её характеристике, как маневрирующая (неподвижная), приближающаяся (удаляющаяся), неопасная (потенциально опасная, опасная) и т.д. Тогда для каждой обнаруженной цели г классификация есть функция от ряда наблюдаемых параметров:

(1)

ЛОЛ

т

где; Р1 — параметры /-й цели;

Р%у — параметры внешней среды;

Р" —параметры навигационной обстановки;

Рм - параметры для формализации МППСС-72.

К, Р™, Р11, />м)

Множество всех существующих классификаций целей образуют систему К, в которой КИ СОС выступают основными параметрами сближения:

к={к\к\к',к4,к5,к6,к1к',к9\ (3)

где: К1 - по расстояниям кратчайшего сближения;

Л2 - по времени наступления кратчайшей дистанции;

К — по векторам относительной скорости;

Л4 — по начальной дистанции обнаружения;

К5 - по курсовому углу целей;

Л6 - по ракурсу целей;

К1 - по курсовым углам ЛОД (угол между ДП судна и ЛОД); по знаку и величинам разности пеленгов (ВИН);

К? — по постоянству пеленгов.

Судоводитель при использовании КИ СОС пользуется параметрами, имеющими различную степень информативности, значимости (веса) и только при комплексном их использовании КИ СОС дополняют друг друга, поэтому можно получить объективную и полноценную ситуацию динамики сближающихся судов.

Процесс расхождения отличается большим разнообразием конкретных реализаций. В данной работе исследования сосредоточены на этапе сближения судов, предшествующем непосредственному выполнению маневра расхождения. Главной задачей судоводителя на этом этапе является адекватная оценка складывающейся ситуации. Процедура такой оценки возложена на непрерывно участвующего в работе оператора - судоводителя. В условиях неполноты информации, при значительных объемах вычислений и существующих ограничений по времени, связанных с количеством судов и скоротечностью сближения, возможно создание информационно сложной ситуации. На практике оценка опасности столкновения заключается в выборе из обнаруженных целей наиболее опасной. В ситуациях, когда одновременно наблюдается несколько целей, представляющих опасность, вахтенный помощник капитана (ВПКМ) принимает решения исключительно по ограниченному числу КИ (как правило, не более двух-трех).

Результат обобщенного анализа определил девять параметров КИ СОС, позволяющих адекватно оценить степень опасности столкновения. Эти критерии характеризуют движение одного судна. Если количество встречных судов увеличиваются, то увеличивается и количество критериев КИ СОС при оценке ситуации. Увеличение количества параметров приводит к дополнительной сложности, к многокритернальиосги параметров, которые предстоит использовать.

На экране САРП наблюдается около 30 судов, идущих практически разными курсами и, как видно, есть суда, на которые не имеется данных по АИС. В таких ситуациях судоводителю сложно оценить опасность сближения. Он теряет контроль над изменением обстановки, что приводит к неопределенности в оценке ситуации (рисунок 2). Исходя из определений в систе-мологии, очевидно, что объект исследования является сложным, слабо формализованным, многокритериальным.

Рисунок 2 - Реальная ситуация встречи судов на экране САРП

В третьей главе была разработана адаптированная модель МАИ КИ СОС, представленная в модульном виде (рисунок 3). Модули МАИ КИ СОС:

1. Модуль М1 - модуль экспертных оценок (ЭО);

2. Модуль М2 - модуль МПС КИ СОС для альтернатив;

3. Модуль М3- модуль Синтеза глобального (обобщенного) приоритета;

4. Модуль Мо - модуль БВ (блока ввода).

Представленные модули входят в общую структуру модели МАИ КИ СОС, но задачи решаемые ими, отличны друг от друга.

Рисунок 3 - Иерархия адаптированной модели МАИ КИ СОС

Модуль М! - предназначен для определения весовых критериев КИ СОС по полученным суждениям экспертов. Полученные весовые степени превосходства одного критерия относительно остальных поступают в модуль М3 для расчета глобального (обобщенного) приоритета альтернативы (встречного судна).

Оценка степени относительное превосходства альтернатив по критериям КИ СОС выполняется в модули М2. Далее результаты оценки степени относительного превосходства альтернатив по критериям передаются в модуль М3. Модуль М3 является генерирующим модулем в оценке степени опасности столкновения судов, по результатам которой судоводителем принимается решение.

Формирование модуля М] экспертных оценок. В верхней части записывается назначение матрицы парных сравнений (МПС), по отношению к которому будет проводится парное сравнение, слева и вверху указываются сравниваемые элементы (критерии). МПС выполняет количественную оценку по отношению одного критерия к другому критерию и в результате парного сравнения на выходе получаются оценки отношения "весов" сравниваемых критериев по выражению 4 ("вес" критериев численно выражает их предпочтительность, значимость), которые показаны в строке критериев в правом столбце МПС.

к; = (4)

I у,

где: V, - приоритет критерий степени превосходства КИ СОС определяется:

(5)

где: а, „-компонента строки МПС; и - количество строк.

Проверка на согласованность проводится по индексу согласованности (ИС) и по отношению согласованности (ОС), которые указаны в нижней части МПС (таблица 3).

Таблица 3 - МПС приоритетов КИ СОС

Матрица приоритетов ключевых индикаторов Па, ¿-I Вектор приор. Норм, вектор

кисос 1С а'/а2 К" 1С 1С 1С К' а'/а7 К* 1С

К1 1 а'/а3 а'/а' аЧа5 а'/а6 а'/а* а'/а9 а\ V,' у:

К1 аЧа1 1 «Ад» .У аг!аь ¿/с£ а2/«7 с?/а% а2/«' аг У, к

К' а'/а1 а'/а2 1 а'/а' а3/а5 а3/«6 а'/а1 а'/а* а'/а9 аз К у;

К* а'/а' а'/с/ аУ 1 «V а'/а6 а'/а1 а4/а4 а'/а9 a^ г,' у;

к* а'/а1 а'/а1 а'/а' 5, 4 а /а 1 а'/а" а3/«7 а5/а8 ¿/а' аь у, у;

1С аь/а1 а"/а1 а'/а1 а'/а* а'/а5 1 а'/а7 а'/а8 а'/а' Об У: у:

к' а'/а1 а'/а1 а'/а1 а'/а' а'/а' а'/а' 1 а'/а1 а'/а' "7 У у-;

к* а%1 а17а2 а%/а> а*/а' а"/а4 а%/а' а'/а1 1 аг/а9 аг г,' у:

к> а"/а' аУ Ьг а'/а1 а'/а* а9/а5 а'/а6 а'/а7 а'/а8 1 а9 У,' У:

Естолб ¿1 Ьг Ы Ь5 Ьь ¿7 ъ% ь9 хг; ЪУ' = 1

К< Ъпц=

Примечание: а - баллы (ранги); верхний индекс — номер критерия. (л-1)

ИС ОС СИ

В качестве экспертов привлекались старшие помощники и капитаны судов различных компаний, проходившие курсы переподготовки в Южном региональном центре дополнительного профессионального образования МГА имени адмирала Ф. Ф. Ушакова. Стаж работы в должностях экспертов составил от 14

лет до 31 года. Эксперт должен был дать оценку предпочтительности КИ СОС по 7- бальной шкале для трех типовых ситуаций встречи судов (таблица 4). Таблица 4 - Ситуационные встречи судов

Ситуация I. При расхождении судов, идущих прямо (почти прямо) друг на друга

Прямо на нас - 1а 2. Слева КУ >345 - 16 3. Справа КУ < 15° - 1в

Ситуация II. При расхождении судов, идущих пересекающимися курсами.

4. Перес. Кн слева

5. Перес. Кн справа

6.

Перес, х Кн

Ситуация Ш. Расхождение судов при обгоне.

Анализ ЭО в ранжировании КИ СОС показал согласованность суждений в выборке по сумме баллов. При выставлении рангов КИ СОС наибольшему полученному значению присваивался наивысший ранг-1, и т.д. по убыванию. Для более углубленного анализа ЭО по рекомендации научных трудов по обработке статистических данных, необходимо применять различные методы анализа одних и тех же экспертных данных. А окончательный вывод по ранжированию делать по результатам всех использованных методов ЭО (рисунок 4).

Анализ ранжирования ЭО по сумме баллов ситуации 1а

пипг Окр шр 0 я V« ±д КИ; Ой Критерии КИ СОС

Анализ ранжирования 30 по среднему значению ситуации 1а

а Л) и КУц Оо Критерии КИ СОС

Анализ ранжирования 30 по медиане ранга ситуации 1а

П1=П2 Окр Ткр 0 а Уо Критерии КИ СОС

Рисунок 4 - Результат ранжирования экспертами ситуации 1а по сумме баллов, по средним баллам и по медиане В качестве выборочных средних величин оценок КИ СОС, которые определяются как сумма значений рассматриваемой величины, полученной по результатам ЭО, деленная на объем выборки:

Хэ=-±Х„ (6)

п <=|

где: п - количество экспертов участвующих в ЭО; 1 - номер данного эксперимента;

Х\ - результат оценки КИ СОС, /'-го элемента в выборке.

Применяя следующий метод анализа полученных результатов по среднему значению оценок, используем другой вид выборочного среднего ранга (по медиане) (рисунок 4). Выборочная медиана X - результат наблюдения, занимающий центральное место в вариационном ряду, который получается, если элементы выборки ХЬХ2,...ХП расположить в порядке не убывания:

Х(1) < Х(2) <....< Х(к) < Х(п). (7)

где: Х(к)- порядковые статистические номера.

Обобщенный анализ результатов экспертного ранжирования показал, что полученные результаты по сумме баллов, средних баллов и медиане практически совпали и носят устойчивый характер (рисунок 4).

Полученные результаты весовых критериев экспертных оценок (ВЕС ФАКТОРА), степени превосходства одного критерия относительно другого для различных ситуаций встречи судов, занесены в модуль Мз (таблица 8).

Формирование модуля М0 (блок ввода) Модуль М0 напрямую связан с модулем М2, по данным блока ввода (БВ) проводится оценка степени превосходства каждого критерия КИ СОС по встречным судам. Критерии имеют различные единицы измерения, и сами величины по - разному могут характеризовать опасность столкновения (одни при max значениях определяют опасность, другие, наоборот, по min значениям) (таблица 5).

Признаки и свойства КИ СОС:

1. КИ СОС, измеряемые в милях - £)кр и D0, чем меньше £>кр, тем опаснее, при Бкр-О - неминуемо столкновение; для D0 - чем ближе, тем опаснее - характеризует наибольшую опасность сближения при их min значениях.

2. Время кратчайшего сближения - /кр является показателем времени наступления кратчайшего сближения со встречными судами. Индикатором наибольшей опасности столкновения /кр, является его min значение.

3. Величина изменения пеленга (ВИП) ±Д. При значении ±Д =0 принято, что пеленг на сближающееся судно не изменяется и неминуема опасность столкновения, т.е. при min значениях ВИП существует опасность столкновения.

4. Вектор (величина) относительной скорости -V0. Чем больше величина относительной скорости на сближающееся судно, тем быстрее происходит сближение. При V0 =0 - нет сближения, судно "сателлит" (спутник). Индикатором опасности является max величина относительной скорости.

5. Постоянство пеленга — n=const на сближающееся судно. Индикатором опасности столкновения является наличие n=const на приближающиеся суда, в связи с этим в блок ввода принимаются следующие условия. При n=const есть опасность столкновения - 2, если нет n=const, то принимается - 1. При n=const индикатором опасности является его max значение.

6. Курсовой угол - КУ и ракурс - 0 встречного судна измеряются в градусах от 0° до 180°. Для ввода в модель принимается в круговом счете, для КУ и 8 левого борта (л/б), принимаем как 360° - КУ (9).

7. Для курсового угла ЛОД - а, измеряемого в градусах от 0° до 180°.

Таким образом, КИ СОС, измеряемые в неградусных единицах по min

(max) значениям, способны характеризовать опасность столкновения. С этой целью для передачи данных в модуль М2 в нижней части блока БВ указаны max и min значения вводимого параметра. Где Xmin - min значение вводимого параметра, Xmax - max значение вводимого параметра, Ä=Xmax-Xmin (величина разницы между max и min значениями вводимого параметра).

Таблица 5 - Блок ввода модуля М0

Наблюдаемая цепь Ключевые индикаторы сближения судов

n=COnst град. £)кр мили /кр мин. Do. мили Vo. уз. ±Д, град/мин Круг.отс (руг.отс а, град.

KV, град. 0, град.

судно 1 П = со | окр; /кр? к ±Д', KYf а?

судно 2 П = со j Окр J nq>5 Vs ±Д' КУ* 02

судно 3 п = со; D кр32 ЙФ! Vs V ±д» КУ39 б!

судноп П = со ' Окр.3 "Ф 1 D«\ V 5 КУ : 91

Xmin При КУл/б 360-КУ При е л/б 360-0 Для КУпр/б иЛОД по носу знак"-

Xmax

A=Xmax-Xmin

Индик. опасн. Да-2;нст-1 min min min max min

Формирование модуля М2 (МПС для альтернатив). Построение МПС для критериев неградусных единиц измерения, принимаемых для обработки параметров КИ по данным модуля Мо. С этой целью для КИ СОС, измеряемых в неградусных единицах, построены дополнительные матрицы в МПС для вербальной шкалы степени превосходства. В первой матрице выполняется процесс определения степени важности критериев с учетом показателя опасности (min, шах,), а вторая МПС для преобразования в количественную степень превосходства с учетом принятой балльной шкалы относительной важности МАИ.

Для параметров, где показателями опасности являются min значения, количественная важность (степень превосходства) определяется:

'.-(^-N^-j <*>

где: Xmin - минимальное значение параметров КИ СОС встречных судов;

X; - параметры i - судна (с БВ - блока ввода);

Xj - параметры j - судна (с БВ - блока ввода);

A=Xmax-Xmin - разница максимального значения и минимального значения параметров КИ СОС (нижняя часть БВ).

Для параметров КИ СОС V0 и П = const, где показателями опасности являются шах значения, для определения количественной важности, преобразуя выражение (8), получим:

Во

второй матрице (вербальная шкала степени превосходства), для согласованности по относительной шкале важности применяем выражение:

if»('(- -'i.J-^.i, >о (Ю)

1. S, = о

l/iKI* - А~ )+ X S, < о

где: 6ц - количественные показатели степени превосходства одного критерия над другими;

Лтах - max значение принятой шкалы относительной важности;

Аш„ - min значения принятой шкалы относительной важности.

Таким образом, МПС состоит из двух матриц парных сравнений для критериев, измеряемых в неградусных единицах для всех КИ СОС, где собственный вектор критериев по судам определяется выражением 11, а нормализованный вектор критериев выражением 12 (таблица 6).

ж,- = Т/

<П>

где: Щ - приоритет критериев степени превосходства КИ СОС определяется:

=

где: а, „— компонента строки МПС; п - количество строк. Таблица 6-Модуль М2 для КИ СОС, измеряемых в неградусных единицах

Матрица А. Расстояние кратчайшего сближения ДГ1 Вербальная шкала степени превосходства П-сог^ я Па ы Вектор приор. Норм, вектор

судно 1 гудно 2 судно 3 судно п судно 1 судно 2 судно 3 судно п

судно 1 6п 5,2 5п 6щ а„ а,2 Л]3 а,п а\ ш ; Ж,-

судно 21 62, 622 5гз б2П «21 агг ац Я2п аг У г;

судно 3 8„ 6« 5зз 5зп аъ\ 032 «зз ЯЗп аъ у;

судно п 6м 8П2 б„з 5пп ап\ Яп2 ЯпЗ Япп ап г ;

8у — колич. показат. степени превосх.одной альтернат, над другими; а — степень превосх. по шкале относительной важности. £ ж: 1-1 '

При построении МПС КИ СОС, измеряемых в градусах, такие как КУ, 6 и а, определение шкалы относительной важности будет зависеть от сектора встречи судов, угла видимости и угла пересечения курса нашего судна, т.е. от секторов опасности. Практикой работы на морских судах были определены сектора опасности в зависимости от степени опасности сближения, а) определение балльной шкалы для КУ (рисунок 5).

№ Условия Баллы

1 345°<КУ < 15° 5

2 15,1°< КУ <90° 4

3 90,1°<КУ< 112,5° 3

4 247,6°<КУ< 344,9° 2

5 112,6°<КУ< 247,5° 1

270

247,5

Рисунок 5-Схема с таблицей шкалы относительной важности для критерия КУ б) Определение балльной шкалы ракурса цели.

№ Условия Баллы

1 345° <0 < 15° 5

2 344,9° > 0 > 247,5° 4

3 15,1° <0<112,5° 3

4 247,4° >0> 112,6° 2

5 0=180° 1

Рисунок 6 - Схема с таблицей шкалы относительной важности для ракурса 0

/Ун п=1 КО": КУ=180'

№ п/п Условия Баллы

1 а <90°; КУ < 89,9' а <60,0'; 330,0'< КУ< 359,9' 5

2 а<0, 0 < КУ < 15' 4

3 а, КУ = 90" 3

4 а < 89,9'; КУ < 270' 2

5 а >60'; 270" >КУ< 359,9' а>60';90'< КУ<179,9'; а=180';КУ=180' 1

Рисунок 7 - Характер изменения ОЛОД в зависимости от изменения курса

Составленные таблицы шкалы относительной важности для критериев с градусными единицами измерения позволяют использование их без формирования дополнительной матрицы в МПС для вербальной шкалы степени превосходства (таблица 7).

Матрица Курсовой угол цели К*(К7, К*) П а, (.1 ' Вектор Норм.

Е судно 1 судно 2 судно 3 судно п приор. вектор

судно 1 1 а\г <4 з а1п а\ 07

судно 2 ац 1 а» Л2л а2 IV ;

судно 3 Я31 ап 1 аи а} к; IV,-

судноп ал ОпЗ 1 ап & *

1,»',' -1

Исследование согласованности модели МАИ КИ СОС

КИ СОС обладают различными свойствами и единицами измерения, при этом они в комплексе участвуют в оценке опасности столкновения. Поэтому необходимо согласовать МПС модели МАИ КИ СОС, для чего были проведены

исследования в определении балльной шкалы относительной важности. Экспертам было предложено по трем целям провести оценку степени опасности столкновения в градации от 2 до 12 по балльной шкале относительной важности. Полученные нормализованные веса факторов КИ СОС показаны в табл. 8.

Таблица 8 - Результаты ЭО в градации шкалы относительной важности

Шкала Весовой вектор критерий СОС Хтах ИС ОС МАО

П=со. £>кр пер А> Уо КУ О а ±Д

2 0,167 0,167 0,167 0,161 0,167 0,170 0,168 0,161 0,167 3,018 0,009 0,015 0,0065

3 0,172 0,172 0,163 0,163 0,163 0,167 0,166 0,163 0,163 3,011 0,005 0,009 0,0030

4 0,172 0,172 0,165 0,167 0,165 0,159 0,161 0,167 0,165 3,004 0,002 0,003 0,0005

5 0,175 0,168 0,168 0,163 0,168 0,158 0,167 0,163 0,168 3,004 0,002 0,003 0,0004

6 0,175 0,169 0,169 0,164 0,169 0,155 0,165 0,164 0,169 3,005 0,003 0,004 0,0005

7 0,174 0,169 0,169 0,164 0,169 0,155 0,166 0,164 0,169 3,009 0,005 0,008 0,0020

8 0,178 0,169 0,169 0,158 0,169 0,156 0,166 0,158 0,169 3,020 0,010 0,017 0,0075

9 0,179 0,169 0,169 0,165 0,169 0,152 0,167 0,165 0,169 3,029 0,014 0,025 0,0055

10 0,177 0,169 0,169 0,162 0,169 0,154 0,163 0,162 0,169 3,041 0,020 0,035 0,0009

11 0,177 0,170 0,170 0,163 0,170 0,151 0,162 0,163 0,170 3,046 0,023 0,040 0,0030

12 0,178 0,166 0,171 0,164 0,172 0,149 0,156 0,164 0,172 3,060 0,030 0,051 0,0100

Положительная обратно-симметричная матрица является согласованной тогда и только тогда, когда порядок матрицы и ее наибольшее собственное значение совпадают: Хтлх = п (13) где: Атах - наибольшее собственное значение; п - значения матриц.

Полученные результаты главного собственного вектора показана на рис.8.

Главный собственный вектор

БыЪор шкалы пс индексу согласованности

График МАО

0.014 1

&

5 0,013

0.010 -|— 0.008 4— 1 ОД* ■

0.004 -г—

0.002 4—

о.ооо 4—

7 8 9 ДО 11 12

Рисунок 8 - Графики результатов анализа по максимальному собственному вектору, И С, ОС и МАО в зависимости от балльной шкалы Отклонение от согласованности может быть выражено индексом согласованности (ИС), которая определяется выражением:

= (14)

(Л-1)

Отношение ИС к СИ для матрицы того же порядка называется отношением согласованности (ОС) и определяется выражением:

ИС

00'§ <15>

В соответствии с научной концепцией устойчивости следует, что необходимо применять различные методы для обработки одних и тех же данных для получения выводов. Для анализа используется ранжирование с помощью метода медиан абсолютного отклонения (МАО). Полученные результаты анализа определили, что для полной согласованности модели МАИ КИ СОС необходимо использовать 5- балльную шкалу относительной важности (рисунок 10).

Формирование модуля М3 (синтез глобального приоритета) (таблица 9), определяется выражением 16.

Таблица 9 - Модуль М31 модели МАИ КИ СОС

Ситуации встречи Итоговая матрица приоритетов ключевых индикато ров Обобщенные приоритеты

П=соп Окр mp Do Vo КУ 9 a ±A

Прямо на нас 0,1724 0,1708 0,1051 0,1034 0,1018 0,0936 0,1182 0,0854 0,0493 1

Слева КУ>345 0,1543 0,1698 0,1204 0,0926 0,0926 0,1003 0,1111 0,1019 0,0571 1

Справа КУ<15 0,1402 0,1677 0,1189 0,0930 0,0915 0,0930 0,1311 0,1052 0,0595 1

Пер. Кн слева 0,1626 0,1549 0,1212 0,0890 0,0966 0,0859 0,1365 0,0966 0,0567 1

Пер. Кн справа 0,1684 0,1639 0,1188 0,0962 0,0932 0,0902 0,1293 0,0857 0,0541 1

Перес, х Кн 0,1682 0,1652 0,1216 0,0991 0,0886 0,0856 0,1201 0,0901 0,0616 1

Обгон 0,1134 0,1649 0,1237 0,1016 0,1311 0,0869 0,1075 0,1090 0,0619 1

Судно 1 W h W h Wh W h W h ^ Жr'f ТЛУГ-

Судно 2 Wk ** v{

Судно 3 Wh Wh Wh "h Wh Wh к. Vf

Примечание: ячейка с серым цветом - опасное судно. Щу; =I

(16)

Ы

Синтез полученных весовых критериев в определении альтернативы с наибольшим обобщенным весовым показателем, которая принимается как наиболее опасная относительно других судов. Результат оценки СОС по КИ является текущим и отражает реальную обстановку по встречным судам. В процессе исследования работы данной модели строились графики, по которым проводился анализ тенденции изменения КИ через каждые 6 мин (рисунок 9).

0,4800 0,4300 0.3S00 О.ЗЗОО

По данным ЭО Vkm

3" 0,2800 f «О 0.2300 "

о

0,1800

—*—судио1

- - - судно2

— - СудиоЗ

Текущее время

Рисунок 9 - График степени превосходства КИ по данным ЭО

Модель МАИ КИ СОС была проверена поданным сборника задач расхождения, рекомендованной учебной литературы для обучения в высших морских учебных заведениях.

В ходе апробации модели при решении отдельных задач (частных) было установлено, что в этих задачах, где за наблюдаемым судном отмечалось постоянство пеленга (П=соп51, соответственно величина изменения пеленга ±Д-0), получается величина кратчайшей дистанции расхождения .Окр =0. Модель МАИ КИ СОС принимала эти критерии как наиболее опасные и оценивала по максимальным значениям вес фактора. В таких ситуациях наблюдается несоответствие между выбором наиболее опасного судна разработанной модели и данными, приведенными в сборнике задач.

Таким образом, в модели МАИ КИ СОС для решения частных задач расхождения есть необходимость более детального рассмотрения параметров КИ.

Разработка модифицированного метода анализа иерархии (ММАИ) КИ СОС, выступающих в паре:

Анализ ситуаций сближения судов наглядно показал, что НП, имеющие одинаковые единицы измерения, не могут использоваться в оценке опасности столкновения. Использование НП в оценке ситуации взаимного сближения и наличия опасности столкновения возможно только тогда, когда НП имеют разные единицы измерения. Учитывая эту особенность применения НП для оценки ситуации взаимного расположения и сближения судов, была выдвинута гипотеза о формировании парных КИ, которые могли бы быть использованы в модифицированном алгоритме МАИ (ММАИ).

Для проверки гипотезы, были разработаны опросные листы для всех выступающих критериев в паре. ЭО проводились по той же методике, что и при ранжировании степени превосходства одиночных КИ. После проведения ранжирования парных КИ были определены весовые критерии КИ ((-'¡К,). Модель МАИ КИ СОС была модифицирована для парных КИ. В табл. 10 приведена нормализованная (относительно суммы баллов) весовая матрица степени предпочтения парных КИ, полученная по результатам экспертного опроса.

Таблица 10 - Результаты нормализованного вес фактора в паре КИКИ

П=С-(ю> 0,1487 0,1605 Акр— 'кр 0,1578 8-П=со 0,1700 а-П=со 0,1714 КУ-П=с 0,1730 \'0-П=с 0,1598 А0-П=с 0,1688 ±Д-КУ 0,1509 ZcrpOK 1,4615

П=с-0 0,1439 'кР" Асг 0,1579 Акр - а 0,1444 О - <КР 0,1473 а-Аа> 0,1486 КУ-/н> 0,1378 Vo-Acp 0,1361 AI-ACP 0,1274 ±Д-А„ 0,1434 1,2873

П=с-а 0,1391 'кр- 9 0,1421 ACÍ-П-С 0,1364 9-Аср 0,1388 а-'кр 0,1286 ку-Аср 0,1232 V0-/KP 0,1302 A)— ÍKP 0,1274 ±Д-У0 0,1434 1,2096

П=с- КУ 0,1391 'кр-а 0,1211 Аср—0 0,1283 0-а 0,1246 а - 9 0,1286 КУ-а 0,1202 V„-a 0,1243 А„-±Д 0,1242 ±Д - а 0,1283 1,1392

n=c-V0 0,1319 /кр-КУ 0,1211 ACP-VO 0,1257 e-Vo 0,1190 а -V0 0,1229 КУ-±Д 0,1173 V„-9 0,1213 Ао-КУ 0,1210 ±Д-Аа> 0,1208 1,1013

П=с-А0 0,1247 'KP-V„ 0,1132 АСР- КУ 0,1123 9 - КУ 0,1133 а-КУ 0,1143 КУ-Э 0,1144 Vo-КУ 0,1183 D0-в 0,1146 ±Д-0 0,1208 1,0463

П=с-Аср 0,1247 1кр~ Do 0,1053 Аср-А 0,1096 О-А„ 0,0992 a-D0 0,0943 КУ-Vo 0,1114 У„-±Д 0,1154 Do-a 0,1115 ±Д-'кр 0,1094 0,9812

П=с- ±Д 0,0480 /КР-±Л 0,0789 АКР-±Д 0,0856 0-+Д 0,0878 а —±Д 0,0914 КУ-Д) 0,1026 V0- Do 0,0947 A„-V„ 0,1051 ±Д-П=с 0,0830 0,7737

сто,1-0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 9,00

Глобальный приоритет степени важности альтернатив определяется в модуле М32 (таблица 11). Рассчитывается как сумма произведений результатов модуля М2 и данных весовых факторов модуля М12, выражением 17:

¡=\

где: ¡у:- вес фактора степени превосходства альтернатив, полученных

. - тгкики ,

в модуле М2; у, -вес фактора степени превосходства парных КИ.

Таблица 11 - Модуль М32 модели ММАИ КИ СОС, выступающих в паре

Ситуации встречи Итоговая матрица приоритетов ключевых индикаторов Обобщенные приоритеты

П=со. Dkp йср Do V0 КУ 9 a ±д

КИ СОС в паре 0,1314 0,1195 0,1202 0,0987 0,1090 0,1107 0,1133 0,1132 0,0839 1

Судно 1 Wh Wh W ' Wh Wh Wh уГШ™

Судно 2 Wh гкикн V 2

Судно 3 К Wh Wh Wh гкики к

Судно 4 К: wh K; рКИКИ 4

Судно 5 wh W*l Wh Wh г* кики К

Примечание: ячейка с серым цветом - опасное судно. =1

Параллельно задача расхождения апробировалось на модели МАИ КИ СОС (по одиночным КИ). Анализ показал, что наибольшую степень превосходства получила цель № 3, и она является опасной (см. рис. 10 и рис. 11).

По данным ЭО для КИ - пара

0.3200 -¡~ -

£ 0.2800 1

2 0,2400 4--

е — £ 0,2000 -:-

Ï »о 0.1600 | vE

° 0.1200 0,0300

--- • - судно!

- • - CYAM02

- - судноЗ

- - Л

—•— СУДН04 ; —••■■• судноБ ;

Время наблюдения

Рисунок 10-График степени превосходства вес фактора парных КИ

По данным ЭО КИ

0.3200 0.2800 0.2400 0,2000 0Д600

- ■ ■— судно 1 ® —♦ —судно2 --♦■- судноЗ * —•— СудноД —судио5

Время наблюдения

Рисунок 11 - График степени превосходства вес фактора парных КИ

Таким образом, исследование моделей МАИ КИ СОС и ММАИ КИ СОС проведено в 20 задачах по 5 целям, что в общем составило 100 целей. В модели МАИ КИ СОС и ММАИ КИ СОС, выступающих в паре, вводились данные, указанные в этих задачах, с последующими вводами текущих параметров КИ СОС через каждые 6 мин. Такая процедура проводилась до завершения расхождения (24-30 мин). Статистика данных КИ СОС в конце апробации моделей привела к созданию банка данных, куда вошли более 4500 параметров для различных ситуаций сближения судов.

Разработка ММАИ КИ СОС по данным коэффициентов тенденции изменения (ТИ) параметров КИ в процессе сближения судов

Методика определения коэффициента ТИ параметров КИ СОС.

1. Сбор статистических данных параметров КИ СОС с интервалом времени 6 мин. Данные заносятся в таблицу, т.е.:

К' = (18)

где: IV- вес фактора КИ СОС критерии КИ} по наблюдаемым судам на начальный момент времени (о', IV*" -- вес фактора КИ СОС {К"~ критерии КИ} через 6 мин. от начала наблюдения;

И7,^- вес фактора КИ СОС {А!"- критерии КИ}, через б мин. с момента времени последнего наблюдения;

2. Определяем сумму тенденции изменения параметров КИ СОС процесса сближения судов по выражению:

ЫУ.К' + IV/', +-- + 1Г/" (19)

' 'с 'б-'и '¡'' Гш 'ш~'я*6 ^ '

где: IV,^ - ТИ (разница параметров между наблюдениями ?0 - 'б) веса фактора КИ СОС по наблюдаемым судам;

- ТИ (разница параметров между наблюдениями /6 — (12) веса фактора КИ СОС по наблюдаемым судам;

3. Расчет среднего значения веса фактора КИ по результатам средних значений ТИ для каждого судна. Расчет нормализованного коэффициента ТИ критерия КИ СОС процесса сближения со встречными судами в зависимости от ситуации. Полученные результаты сведены в табл. 12.

г„ (20)

где: г/" - коэффициент ТИ параметров КИ СОС; - среднее значение

ТИ параметра КИ СОС; суммированное значение ТИ па

¿=1

раметра КИ СОС ситуаций встречи судов.

Полученные результаты модуля М13 передаются в модуль М33 для определения глобального (обобщенного) приоритета степени превосходства опасного судна. Модуль М33 для ММАИ КИ СОС с учетом коэффициента

ТИ критериев

КИ (//") (таблица 12).

Таблица 12 - Модуль М33 для ММАИ КИ СО С с учетом г?1

Ситуации встречи Итоговая матрица приоритетов ключевых ипдикато зов Обобщенные гфноритета

П=соп Окр Пф А> Уо КУ о а ±Д

Прямо на нас 0 0 0 0,3926 0 0,2264 0,0778 0,1141 0,1891 1

Слева КУ>345 0 0 0 0Д881 0 0,3076 0,1163 0,1214 0,1666 1

Справа КУ<15 0 0 0 0Д399 0 0,2305 0,1051 0Д378 0,1867 1

Пер. Кн слева 0 0 0 0,2671 0 0,1641 0,1248 0,1653 0,2787 1

Пер. Кн справа 0 0 0 0,2399 0 0,1805 0,1971 0Д383 0,1443 1

Перес, х Кн 0 0 0 0Д996 0 0,2087 0,1085 0,1292 0,2539 1

Обгон 0 0 0 0,4283 0 0,1010 0,1662 0,0511 0,2534 1

Судно 1 г;. "'ч К; УГ

Судно 2 г*'; * г'! УГ

Судно 3 г;. У?

Судно 4 "'ч г;.- IV ' у" ' 4

Судно 5 иг>! к;, УГ

Примечание: ячейка с серым цветом — опасное судно. ш

Обобщенный приоритет будет определяться выражением 21.

г—О

где: У, - глобальный приоритет с учетом коэффициента -вес факторов КИ, при

1ру-гГг вес факторов КИ, при

Г=О „о

Как показал модуль М33, на выходе максимальное значение глобального приоритета относительно других судов получило встречное судно 4, т.е. оно является наиболее опасным судном (таблица 12). Адаптированная модель МАИ КИ СОС, модели ММАИ КИ СОС, для парных КИ и ММАИ КИ СОС с учетом коэффициентов тенденции изменения КИ процесса сближения судов, полученные модели показаны в комплексе (рисунок 12).

М»

БВ (блок ввода)

К"

М2

МПС КИ СОС для альтеонатив (встлсчпые суда}

судно 1 ТТ—1

2 ,

М„

Экспертные оценки (ЭО)

ки

кики ■

М3,

Синтез глобального приоритета (КИ)

у ГШ

Рисунок 12 - Иерархия моделей МАИ КИ СОС, ММАИ КИ СОС (парные КИ) и ММАИ КИ СОС (по коэффициенту тенденции изменения КИ) в комплексе

Разработанные модели были апробированы на решении 100 задач расхождения по различным источникам. Модели соответствуют требованиям адекватности (точности) (таблица 13).

Таблица 13 - Источники информации для проверки моделей

Номера неверно решенных задач

№ п/п Источники информации Кол-во задач МАИ КИСОС ММАИ КИСОС в паре ММАИ КИСОС с учетом т™

1 Сборник задач МО 40 292,293,294 305,320 295, 302, 304,309 287,305, 308,318

2 Сборник задач ММФ 10 187,190

3 Тренажер"Ж Pro 3000" 20 12,18,20 4,10,19 10

4 Тренажер"ЫТ Pro 3000" 10

5 Задачи автора 20

6 100 9% 7% 5%

Заключение

Основные результаты исследований, полученные в диссертации, можно сформулировать следующим образом:

1. Сформированы навигационные параметры, выступающие ключевыми индикаторами при оценке опасности столкновения (КИ СОС), которые в комплексном использовании (9 параметров) способны объективно характеризовать динамику сближения судов и информировать судоводителя об опасности столкновения.

2. Разработана и впервые применена для оценки опасности столкновения сближающихся судов адаптированная модель МАИ КИ СОС, где вес факторов определен экспертными оценками. Модель способна без участия судоводителя выполнять такую оценку.

3. Впервые предложена модифицированная модель ММАИ КИ СОС, где относительная степень превосходства критериев КИ СОС, выступающих в паре, применена для оценки степени опасности столкновения.

4. Предложена методика для определения коэффициентов тенденций изменения параметров КИ СОС сближения судов по базе данных статистических параметров.

5. Разработана впервые модифицированная модель ММАИ КИ СОС, использующая коэффициенты тенденций изменения параметров сближения судов для оценки степени опасности столкновения.

6. Проведена апробация разработанных моделей на большом количестве задач расхождения по различным источникам, где модели МАИ КИ СОС и ММАИ КИ СОС получили устойчивые положительные результаты и подтвердили необходимость дальнейшего развития и внедрения в практику расхождения судов.

7. Предложена методика по использовании ММАИ КИ СОС при решении задач расхождения для различных условий сближения судов.

8. Созданы условия для разработки программного продукта для ИСПР при оценке опасности столкновения судов.

Публикации по теме диссертации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Перечнем ВАК Минобрнауки России

1. Найденов, Е.В. Круги единообразной оценки безопасности расхождения судов в открытом море/ЕВ. Найденов, Э.Э. Субанов //Морской Флот,- 2010,-№ 5-6.

2. Субанов, Э.Э. Адаптация метода анализа иерархий для принятия решений при оценке степени опасности столкновения морских судов / Э.Э. Субанов, A.B. Миронов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки,-2012.-№ 3 (в печати).

Другии публикации

3. Миронов, A.B. Ключевые индикаторы для оценки ситуации расхождения судов / A.B. Миронов, Э.Э. Субанов // Сб. научных трудов. Выпуск 13.- Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф, Ушакова, 2009.

4. Субанов, Э.Э. Обеспечение безопасной якорной стоянки судна с использованием маневренного планшета // Сб. научных трудов. Выпуск 13 - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2009.

5. Миронов, A.B. Выбор шкалы для количественной оценки степени превосходства ключевых индикаторов при расхождении судов/ A.B. Миронов, Э.Э. Субанов // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: мат. IX регион, научно-технич. конф.- Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2011.

6. Миронов A.B., Субанов Э.Э. Экспертные оценки ранжирования ключевых индикаторов используемых для выбора опасной цели / A.B. Миронов, Э.Э. Субанов // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: мат. IX регион, научно-технич. конф.- Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2011.

7. Найденов, Е.В. Исследование кругов единообразной оценки безопасного расхождения судов в открытом море / Е.В. Найденов, Э.Э. Субанов //Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: мат. IX регион, научно-технич. конф- Новороссийск: МГА им адм Ф.Ф. Ушакова, 2011.

8. Субанов, Э.Э. Исследование и развитие методов принятия решений для оценки степени опасности столкновения судов/ Э.Э. Субанов, А.В.Миронов// Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: мат. X регион, научно-технич. кокф,-Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2012 (в печати).

9. Миронов, A.B. Идентификация ключевых индикаторов присущих процессу расхождения судов с использованием метода экспертных оценок/ A.B. Миронов, Э.Э. Субанов// Наука в современном мире: мат. VIII Международной научно-практическая конференция 25 ноября 2011 года.- Таганрог, 2011.

10. Субанов, Э.Э. Анализ использование экспертных оценок в принятия решений для оценки степени опасности столкновения судов // Инновации и современная наука: мат. I Международной научно-практической конференции 12 декабря 2011 года,-Новосибирск, 2011.

11. Миронов, A.B. Оценка степени опасности наблюдаемых целей при решении задачи безопасного расхождения с судами / A.B. Миронов, Э.Э. Субанов, АА. Петров // Сб. научных трудов ЦНИИМФ- СПб., 2012 (в печати).

Г_ Формат 60x80 1/16. Тираж 100. Заказ 2248

Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова», 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

61 12-5/3361

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова

На правах рукописи

Субанов Эркин Эргешевич

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОЙ ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ СТОЛКНОВЕНИЯ СУДОВ ПРИ ПРИНЯТИИ РЕШЕНИЯ МЕТОДОМ АНАЛИЗА ИЕРАРХИЙ

Специальность

05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент

Миронов Александр Владимирович

Новороссийск - 2012

Содержание

Стр. ...............6

Введение.............................................................

1 Обзор проблемы и анализ направлений исследования....................10

1.2. Основные модели процесса расхождения судов..............................10

1.3. Формализация моделей расхождения судов для СППР...................15

1.4. Формализация способов решения задач расхождения судов, используя только навигационные параметры................................23

1.5. Анализ направлений исследования по проблеме обеспечения

32

безопасного расхождения судов..............................................

...............33

1.6. Выводы по главе...................................................

2. Методологическое обеспечение диссертационного исследования... .34

2.1. Анализ аварий и катастроф по причине столкновения судов.............34

2.2. Обоснование комплексного набора КИ СОС...................................36

44

2.3. Актуальность выбора темы исследования....................................

46

2 4 Методы решения поставленной задачи.......................................

..............48

2.5. Выводы по главе.....................................................

3 Метод анализа иерархий для предупреждения столкновения судов.........49

.. 49

3.1. Обзор метода анализа иерархии..............................................

3.1.1. Построение иерархической структуры для расхождения судов.........52

3.1.2. Определение приоритетов в МПС...............................................54

56

3.1.3. Шкала относительной важности МАИ.........................................

58

3.1.4. Алгоритм расчета оценки согласованности...................................

3 1 5 Синтез глобального приоритета в оценке опасности

................61

столкновения судов................................................

/Л

3.2. Построение матриц парных сравнений для КИ СОС........................

3.3. Формирование модуля М1 экспертных оценок...............................65

65

3.3.1. Построение МПС приоритетов КИ СОС.......................................

3.3.2. Экспертные оценки в определении весовых критерий КИ СОС.........66

3.3.3. Формирование МПС модуля М1....................................................73

3.4. Формирование модуля М0 (блок ввода)........................................74

3.5. Формирование модуля М2 МПС для альтернативам по КИ СОС.........77

3.5.1. Построение МПС для критериев неградусных

единиц измерения..................................................................77

3.5.2. Построение МПС, измеряемые в градусах...................................80

3.6. Формирование модуля М3 (синтез глобального приоритета).............87

3.7. Исследование согласованности модели МАИ КИ СОС..................89

3.8. Апробация адаптированной модели МАИ КИ СОС.......................92

3.8.1. Проверка модели МАИ КИ СОС решением

задач расхождения...................................................................92

3.8.2. ЭО в решении задач расхождения со встречными судами.................98

3.8.3. Анализ апробации модели МАИ КИ СОС по данным сборника задач расхождения........................................................................99

3.9. Разработка модифицированного метода анализа иерархии (ММАИ) КИ СОС, выступающих в паре....................................102

3.9.1. Анализ КИ СОС, выступающих в паре.......................................102

3.9.2. ЭО в определении весовых критерий КИ СОС,

выступающих в паре..............................................................102

3.9.3. МПС модуля М11 в модели ММАИ КИ СОС,

выступающих в паре..............................................................107

3.9.4. Апробация ММАИ КИ СОС, выступающих в паре........................108

3.10. Разработка ММАИ КИ СОС по данным коэффициентов ТИ параметров КИ в процессе сближения судов..............................118

3.10.1. Методика определение коэффициентов за ТИ параметров

КИ СОС в процессе сближения судов.......................................118

3.10.2. Анализ коэффициентов ТИ процесса сближения судов.................120

3.10.3. Апробация ММАИ КИ СОС по данным коэффициентов ТИ параметров сближения судов..................................................121

3

3.11. Проверка разработанных моделей..........................................123

3.12. Выводы по главе..................................................................128

Заключение.................................................................................129

Список использованных источников.................................................131

Приложение 1..............................................................................150

Приложение 2..............................................................................153

Приложение 3..............................................................................157

Приложение 4..............................................................................161

Приложение 5..............................................................................162

Приложение 6..............................................................................165

Приложение 7..............................................................................166

Приложение 8..............................................................................168

Приложение 9..............................................................................170

Приложение 10............................................................................174

Приложение 11............................................................................175

Приложение 12............................................................................177

Перечень сокращений

АИС - Автоматическая информационная (идентификационная) система САРП - Средства автоматической радиолокационной прокладки РЛС - Радиолокационная станция

НИС - Навигационные интегрированные системы (комплексы)

ИСПР - Интеллектуальная система принятия решений

СППР - Система поддержки принятия решений

ЛПР - Лицо принимающее решения

ВПКМ - Вахтенный помощник капитана

КИ - Ключевые индикаторы

КИ СОС - Ключевые индикаторы оценки степени опасности столкновение МАИ - Метод анализа иерархий

ММАИ - Модифицированный метод анализа иерархий

МПС - Матрица парных сравнений

ВИП - Величина изменения пеленга

ЛОД - Линия относительного движения

ОЛОД - Ожидаемая линия относительного движения

КУ ЛОД - Курсовой угол ЛОД

МП - Маневренный планшет

ИМО - Международная морская организация

МППСС-72 - Международные правила предупреждения столкновений судов в море 1972

С0ЛАС/80ЬА8 - Международная конвенция по охране человеческой жизни на море 1974 года (с поправками)

Введение

Актуальность темы. Анализ аварийных ситуаций показывает, что число столкновений судов в море в общей доле аварийности вообще не снижается, и тенденция на их уменьшение сегодня не просматривается. В большинстве случаев основной причиной столкновения судов является использование разных подходов (способов) к оценке процесса сближения с встречными судами, выбор наиболее опасной цели и, как следствие, неверное маневрирование при расхождении. Проблемам обеспечения безопасности судовождения посвящен ряд научных работ, в частности, работы А.И. Родионова, A.B. Лихачева, А.Е. Сазонова, В.Е. Кудряшова, С.С. Кургузова, В.Л. Баранова, A.B. Жерлакова, С.Б. Олыпамовского, также другие многочисленные исследования, которые привели к внедрению на флоте автоматизированных систем управления. Однако снижение аварийности по причине столкновений судов остается актуальной проблемой. Существующие методы предупреждения столкновений не в полной мере удовлетворяют возрастающим требованиям обеспечения безопасности судовождения, поэтому содержанием данной диссертационной работы является их дальнейшее совершенствование, что обуславливает актуальность рассматриваемой темы.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Результаты исследований по теме данной диссертационной работы нашли отражение в госбюджетной научно-исследовательской деятельности, ведущейся в соответствии с отраслевыми планами в Государственном морском университете имени адмирала Ф. Ф. Ушакова.

Цель и задачи исследования.

Целью исследования является разработка моделей эффективной оценки риска столкновения судов при принятии решения методом анализа иерархий. Для достижения цели работы решаются следующие задачи:

1. Модель метода анализа иерархий (МАИ) как системы поддержки принятия решений (СППР) адаптированная к оценке опасности столкновения судов;

2. Определение веса парных ключевых индикаторов (КИ) сближающихся судов, полученных по экспертным оценкам;

3. Модифицированная модель метода анализа иерархий (ММАИ), на основе парных КИ оценки опасности столкновения судов;

4. Оригинальная модель ММАИ, использующая коэффициенты тенденции изменения критериев в процессе сближения судов.

Объект исследования процесс расхождения судов.

Предмет исследования модели оценки опасности столкновения сближающихся судов, основанных на МАИ.

Метод исследования. В основу проведения исследования положены:

- метод анализа иерархий Т. Саати [34; 110,111, 119];

- методология и регламенты решения системных задач, изложенные Дж. Клиром [46];

- методы проведения экспертных оценок и обработка статистических данных методами прикладной статистики [29; 55; 57-60; 66; 94; 85-87; 118].

Научная новизна:

1. В разработке комплекса навигационных параметров, выступающих ключевыми индикаторами оценки степени опасности столкновения (КИ СОС) сближающихся судов и их классификация.

2. Примененная впервые адаптированная модель МАИ КИ СОС, оценки степени опасности столкновения, дающая одновременную такую оценку по

всем сближающимся судам.

3. В новом подходе к определению весов фактора ключевых индикаторов (КИ) выступающих в паре оценки опасности столкновения судов.

4. Предложение методики использования коэффициентов тенденции изменения КИ сближения судов с учетом свойств и признаков самих КИ.

7

5. Разработанная модель ММАИ КИ СОС для оценки опасности столкновения судов, на основе коэффициентов тенденции изменения критериев в процессе сближения судов, находящихся на небольших дистанциях от собственного судна.

Теоретическая значимость полученных результатов заключается в использовании современных научных технологий, созданных моделей для оценки степени опасности столкновения одновременно по всем сближающимся судам без участия человека.

Практическая значимость полученных результатов диссертационной работы обусловлена универсальным характером предложенных способов оценки и контроля опасности столкновения судов и позволяет использовать данные модели при управлении любыми подвижными объектами.

Достоверность и реализация результатов исследования.

Достоверность полученных результатов подтверждена большим количеством решенных задач в расхождении судов, где получены положительные результаты, которые изложены в диссертационной работе.

Практическая ценность полученных результатов определяется следующими факторами:

- созданы предпосылки разработки интеллектуальных систем принятия решений (ИСПР) для оценки опасности столкновения судов;

- полученные результаты представляют ценность, как для подготовки, так и для повышения квалификации специалистов-судоводителей;

- результаты диссертационной работы используются при подготовке и переподготовке судоводительского состава, судоходной компании ОАО "Новошип"; в учебном процессе ФГБОУ ВПО ТМУ имени Ф.Ф. Ушакова" по курсам судоводительского факультета; в морском тренажерном центре (МТЦ) университета и морском учебно-тренажерном центре (МУТЦ) Республики Казахстан.

Личный вклад соискателя. Проведение, анализ и обработка экспертных оценок, формирование КИ СОС. Разработка и проверка моделей МАИ КИ СОС и ММАИ КИ СОС, позволяющих выполнять оценку опасности столкновения судов в различных условиях плавания.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы были доложены и одобрены на двух региональных научно-технических конференциях "Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на Юге России" (Новороссийск, 2010-2011). Журнал "Морской Флот" № 5-6 2010 года (Москва, 2010). На VIII Международной научно-практической конференции (НПК) "Наука в современном мире" 25 ноября 2011 года (Таганрог, 2011). На Международной НПК "Инновации и современная наука" 12 декабря 2011 года (Новосибирск, 2011). ЦНИИМФ сборник научных трудов, апрель 2012 года (Санкт-Петербург, 2012) - в печати. Журнал "Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки" № 3, 2012 года (Новочеркасск, 2012) - в печати.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 статьях, из них две - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем. Диссертация объемом 177 страниц, включая 27 иллюстрации и 39 таблицу. Состоит из содержания на 3 страницах, списка сокращений на 1 странице, введения на 4 страницах. Основная часть из 3 глав - на 120 страницах и заключение на 2 страницах. Список литературы из 180 наименований источников, из них 29 на английском языке на 18 страницах и 12 приложений на 28 страницах.

1. Обзор проблемы и анализ направлений исследования

1.1. Основные модели процесса расхождения судов

Оценка навигационной ситуации является важной составной частью проблемы безопасного расхождения судов, которой посвящен широкий круг научных исследований. Эта проблема приобрела особую актуальность в 70-е годы XX века в связи с усилившимся процессом автоматизации морских судов на базе вычислительной техники. Автоматизация судовождения стала рассматриваться в качестве важного средства повышения безопасности и экономической эффективности торгового мореплавания. К настоящему времени опубликовано значительное число работ, в которых нашли отражение как общая постановка проблемы обеспечения безопасности расхождения судов, так и входящие в неё частные задачи.

Теоретические исследования по проблеме безопасного расхождения судов широко ведутся во многих странах. Сформировалось несколько направлений исследования по данной проблеме. Одним из наиболее актуальных направлений исследования является формализация оценки степени опасности столкновении наблюдаемых в море судов.

При обзоре проблемы уменьшения опасности столкновения судов, обращено внимание на навигационные параметры, использованные для оценки

ситуации сближения судов.

1.1.1 Метод теории оптимального управления. В работе [136] ставится и решается задача выбора оптимального маневра судна для расхождения с п судами. Компонентами данной модели являются Кь - курсы и скорости целей, аь /; - пеленги и дистанции до целей, а оценка степени опасности столкновения приводится по одному критерию Окр - расстоянию кратчайшего сближения.

Такая постановка вопроса не позволяет адекватно описать ряд ситуаций расхождения судов (более трех судов). Поэтому была произведена ее модификация в направлении использования модели теории игр.

Развитие модели производилось в направлении использования позиционных дифференциально-разностных игр и нашло свое отражение в работах [48-50].

1.1.2. Модели теории дифференциальных игр рассмотрены для описания взаимодействия судов при расхождении в работах [169, 173]. Так, в [169] приведены уравнения фазового вектора состояния, описывающего совокупность судов-участников, с указанием ограничений на его координаты, величины управляющих воздействий, начальные и конечные состояния фазового вектора, что в совокупности обеспечивает безопасность движения судов. Более узкая постановка задачи приводится в [173], где рассматривается взаимодействие только двух судов в трех типичных ситуациях.

Однако в моделях теории игр оценка степени опасности столкновения проводится только по одному критерию - по расстоянию кратчайшего сближения 1)кр, что не может отражать реальную динамику взаимодействия судов.

1.1.3. Синтез оптимального управления судном при расхождении с помощью теории оптимальных дискретных процессов рассмотрен в работах [51, 100]. Рассматриваются ограничения, учитывающие безопасное расхождение со встречными судами, максимальное изменение начального курса, боковое отклонение и максимальная величина угловой скорости.

Выбор оптимального маневра расхождения при формализации ситуации взаимодействия судов методами теории оптимального управления рассмотрен также в работах [163, 178]. Работа [163] посвящена анализу ситуации сближения нескольких судов, находящихся в опасной близости. В [178] основное внимание уделено численному методу решения задачи расхождения изменением курса с помощью процесса квазиоптимального решения с нелинейной оптимизацией. Применению методов теории оптимального управления для построения моделей процесса расхождения со встречными судами посвящена также публикация [180]. В методах оптимального управления алгоритм математического расчета достаточно массивный, и при каждом изменении параметров движения судов требуется новое решение.

11

Итак, данная постановка вопроса в современных условиях маневрирования в районах с интенсивным судоходством, где требуется быстрое реагирование на обстановку, не способствует своевременному принятию решения.

1.1.4. Институт кибернетики им. В. М. ГлушковаАН УССР. Сотрудниками посвящен ряд работ проблеме исследования расхождения судов [15, 17, 30, 89, 90, 91, 102,103, 104,141-143].

1.1.5. Методолог