В. В. Астреин
 Скачать 241.59 Kb.
|
|
Ñóäîñòðîåíèå, ñóäîðåìîíò è ýêñïëóàòàöèÿ ôëîòà 7 ÑÓÄÎÑÒÐÎÅÍÈÅ, ÑÓÄÎÐÅÌÎÍÒ È ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÔËÎÒÀ УДК 656.61.084 ББК 39.42-082.03:39.471-52 В. В. Астреин ÑÈÑÒÅÌÛ ÏÐÅÄÓÏÐÅÆÄÅÍÈß ÑÒÎËÊÍÎÂÅÍÈß ÑÓÄÎÂ, ÒÅÍÄÅÍÖÈÈ ÐÀÇÂÈÒÈß (Ê 40-ËÅÒÈÞ ÌÏÏÑÑ-72) V. V. Astrein COLLISION PREVENTING SYSTEMS AND DEVELOPMENT TENDENCIES (TO THE 40-TH ANNIVERSARY OF COLREG-72) Рассматриваются структура, основные элементы и проблемы существующей нечеткой сис- темы предупреждения столкновения судов. Нарушения Международных правил предупрежде- ния столкновений судов в море (МППСС) и нехватка времени на принятие решения – пробле- мы, которые проявляются по мере усложнения судоходства. Одним из путей решения этих про- блем является создание систем поддержки принятия решений (СППР) на принципах искусст- венного интеллекта. Новые подходы к организации предупреждения столкновения судов, бази- рующиеся на технологиях распознавания образов, теории информации, нечетких множеств и мультиагентных систем, способны повысить эффективность предпринимаемых действий. Предлагаемые интеллектуальные технологии представляют собой качественно новые системы организации мореплавания, предотвращения столкновений и гибели судов, которые будут актуальными в ближайшие десятилетия. Ключевые слова: предупреждение столкновений судов, система поддержки принятия решений, интеллектуальные технологии. The structure, basic elements and the problems of the existing fuzzy system of ship collision pre- vention are considered. Violation of International regulations for preventing collisions at sea (COLREG) and lack of time for decision making are the problems that appear as the navigation be- comes complicated. One of the ways to solve these problems is to create the systems of decision mak- ing support based on the principles of artificial intelligence. The new approaches to organizing the ship collision prevention based on the technologies of image recognizing, the information theory, fuzzy sets and multiagent systems are able to increase efficiency of the undertaken actions. The proposed intellec- tual technologies are the qualitative new systems of navigation organization, prevention of collision and wreck of ships which will be urgent within the next decade. Key words: ship collision prevention, decision making system, intelligent control system. При изучении процессов и способов предупреждения столкновений судов судоводители используют технические характеристики своего судна, международные документы, регламен- тирующие безопасность на море, правила плавания, комментарии, статьи, разборы аварийных случаев и т. д. В этих информационных условиях судоводители научились из весьма широкого множества источников, описывающих сложные ситуации на море, технические данные о судах и природные явления, выделять небольшое число существенных характеристик и принимать решения по расхождению судов, сообразуясь со своими знаниями и ощущениями опасности применительно к конкретным обстоятельствам и условиям плавания. Однако до сих пор много- численные исследования процессов предупреждения столкновения судов не имеют исчерпы- вающего целостного научного описания. На Конференции ИМКО (ИМО) в 1972 г. были приняты Международные правила преду- преждения столкновения судов в море (МППСС-72, далее Правила) [1], имеющие международ- ную правовую основу и определяющие базовые элементы и термины процесса предупреждения ISSN 2073-1574. Âåñòíèê ÀÃÒÓ. Ñåð.: Ìîðñêàÿ òåõíèêà è òåõíîëîãèÿ. 2012. № 1 8 столкновения судов. Оригинальность МППСС-72 заключается в форме их описания. В 50–60 гг. XX столетия бурно развивалось новое направление в математике – теория нечетких множеств (THM) [2], которая позволяет осуществлять трансформацию понятий, одновременно оставляя их лексическую форму без изменения. МППСС-72 представимы в форме суперпозиции трех подцелей: определение состояния судна в окружающей среде, выработка решения по управлению судном и перевод его в некото- рое безопасное целевое состояние. При разработке Правил вначале были выявлены закономер- ности процесса встречи судов, в зависимости от их геометрического положения и маневренных возможностей в существующих обстоятельствах и условиях плавания. Затем были сформирова- ны стандарты звукового и светового сигнального оборудования, а далее процесс расхождения оценивался относительно этих стандартов. Правила «сворачивают» имеющуюся информацию в несколько лингвистических переменных, которые помогают принимать решения. По резуль- татам выявленных закономерностей были сформированы границы возможных и невозможных действий в управлении судном, определены критерии навигационной безопасности (НБ). Дей- ствия судоводителей для достижения НБ предложено определять по типу «элементарный запрет», который позволил привлечь для решения задач предупреждения столкновения судов хорошо развитый аппарат алгебры логики. Наравне с достаточной простотой, универсальностью и возможностью применения Правил для всех судов, МППСС-72 не лишены недостатков. Для того чтобы использовать терми- нологию МППСС-72, необходимы разъяснения нечетких терминов и положений Правил. Их можно получить с помощью надежных, непротиворечивых экспертных знаний. Однако последние отечественные комментарии к Правилам устарели и до сих пор содержат ошибки и опечатки. Комментарии к МППСС-72 [3] были переизданы с небольшими поправками в 1990 г., поэтому некоторые толкования МППСС-72, и тем более Правила по предотвращению столкновений судов (ППСС-60), находящиеся в настоящее время в морских академиях РФ, должны рассматриваться при изучении МППСС-72, скорее, как историческая литература, нежели учебная или справочная, т. к. они уже не соответствуют современным «обстоятельствам и условиям плавания». В МППСС-72 отражены семантические взаимосвязи факторов и правил на момент их из- дания. Они имеют строгую иерархию и структуру в соответствии с имеющейся базой данных. Так как частая коррекция Правил вредна и не способствует безопасности плавания, то связи между правилами носят устойчивый, базовый характер. При принятии МППСС-72 Правила ориентировались на использование существующих технических средств обнаружения целей. Считалось, что наиболее надежными источниками информации об опасности столкновения су- дов было чувственное восприятие объектов по принципу «только глаза». Исследования [4] по- казывают, что визуальный контакт не всегда является надежным и безупречным для принятия решения по расхождению судов. С течением времени появляются новые технические средства навигации. Внедрение и установка средств обнаружения и позиционирования судов (AIS, EC- DIS, FLIR Systems, GPS и др.) могут изменить существующее видение проблемы столкновений. Наступает момент, когда становится очевидным, что хотя базовые возможности семантических взаимосвязей между Правилами успешно реализованы в рамках существования МППСС-72, в современных условиях они далеки от совершенства. Практика расхождения судов показывает, чтобазовые семантические взаимосвязи между правилами, в связи с расширением возможно- стей обнаружения объектов, изменяются не только качественно – существует также тенденция к изменению структуры взаимосвязей между ними. И наконец, задача решения проблемы единого понимания и выполнения МППСС-72, поставленная в [5], не может быть решенной из-за особенностей малоизученных нейрофизиоло- гических процессов восприятия и интерпретации образов/изображений человеком. На основа- нии одной и той же информации судоводители приходят к неодинаковым выводам, по-разному воспринимают и интерпретируют сложный зрительный образ. Всякое осознанное управляющее воздействие судоводителя для безопасного расхождения с некоторым конечным количеством судов предполагает постановку цели управления судном. И суда, и судоводители, управляющие ими в конкретных условиях окружающей среды, все вме- сте представляют некоторое целостное образование. При этом управление судном для преду- преждения столкновения может выполняться не в произвольном порядке, а только в опреде- Ñóäîñòðîåíèå, ñóäîðåìîíò è ýêñïëóàòàöèÿ ôëîòà 9 ленной последовательности. Такой процесс имеет признаки системности. Другое название для такого построения деятельности – алгоритмичность. Под понятием алгоритма предупреж- дения столкновения судов понимается строгая логическая последовательность действий судо- водителей, при этом на практике успешные расхождения, выполненные судоводителем «по ин- туиции», «не думая» и т. д., на самом деле являются неосознанной реакцией на алгоритмиче- ские закономерности судов, условия плавания и критерии навигационной безопасности. С точки зрения построения эффективного управления предупреждением столкновений указанные взаимосвязи и взаимовлияния, как между составными техническими системами суд- на, так и между группами судов, требуют разработки системного подхода к организации этих технологических процессов. Система предупреждения столкновения судов (СПСС), в отличие от Правил, должна обеспечивать преимущество в достижении всех целей процесса предупреж- дения столкновения судов. Постановка одной цели – безопасное расхождение – только разроз- ненными элементами Правил, вне системы, менее вероятна, а иногда вообще недостижима. Ог- раниченное число факторов, принятое в учет Правилами, приводит к «понижению управляемо- сти судна» за счет своего рода «инфляции факторов». Система предупреждения столкновения судов – это всегда большее, чем просто сумма элементов – система обладает качественными свойствами, которые отсутствуют у Правил. Существующую СПСС (рис. 1) можно отнести к классу нечетких систем, основанных на правилах (МППСС-72), и дать ей следующее определение: «СПСС – совокупность нечетких правил и предосторожностей, требующихся как обычной, так и хорошей морской практикой, обес- печивающих исключение рисков столкновения и безопасное плавание судов в любых условиях». Управля- ющая информаци я УПРАВЛЯЮЩАЯ ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЯЕМАЯ ПОДСИСТЕМА Управляю- щее воздействие Инфор- мация о состоянии судна Информация о среде и обстановке. Воздействие среды ЧЕЛОВЕК (судоводитель) Подсистема реализации управляющих воздействий (машинно-рулевой комплекс) Возму- щающее воздейст- вие среды СУДНО СЛОЖНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ АРХИТЕКТУРНОЕ СООРУЖЕНИЕ. МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Рис. 1. Структура современной СПСС Закономерностью развития всех систем, в том числе и систем, отвечающих за безопасное плавание судна, является постоянная смена периодов. На смену периоду стабильности приходит период, в течение которого поведение системы становится в высокой степени неопределенным. Причиной изменения этих свойств является внешнее воздействие среды. Оно проявляется с внедрением новых технических средств судовождения (ТСС), методов идентификации объек- тов, в качественных изменениях в кораблестроении, радиосвязи, ростом спроса на перевозки грузов морем, потребностью в квалифицированных кадрах и т. д. Информация, накопленная в базе знаний, стареет и становится неадекватной. При использовании закономерностей и взаи- мосвязей на основе устаревшей, неадекватной информации, соответственно будет получен и неадекватный результат. Таким образом, существует оптимальная продолжительность СПСС. Проявлениями «дезорганизации» СПСС являются неснижающиеся показатели, и даже рост ава- рийности флота. В настоящее время рост аварийности [6–8] наблюдается как в мировом мас- ISSN 2073-1574. Âåñòíèê ÀÃÒÓ. Ñåð.: Ìîðñêàÿ òåõíèêà è òåõíîëîãèÿ. 2012. № 1 10 штабе, так и во «вполне благополучных» судоходных компаниях. Если дезорганизация СПСС достаточно сильна, то некоторые звенья в цепи управления судном оказываются неспособными качественно выполнять свои функции. Традиционные механизмы стабилизации – Международ- ный кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращению загрязнения (МКУБ), Система управления безопасностью (СУБ) – в итоге оказываются слабоэффективными либо начинают действовать в ущерб СПСС. Предупреждение опасности столкновения судов – сложный и многогранный процесс. Его итог заключается в развитии средств труда для предупреждения столкновений судов и методов его организации. Когда исследование предметной области необходимо провести один раз в те- чение достаточно длительного, специально отведенного для этого времени, то это, в общем-то, представляет собой вполне посильную и в какой-то степени техническую задачу. Когда же это необходимо делать непрерывно, в реальном времени, при жестких временных ограничениях и больших размерностях обрабатываемых данных, то судоводитель может не справиться с выработкой решения по маневрированию и становится узким звеном в системе управления. Через 40 лет после издания МППСС-72 организация СПСС не претерпела элементных, структурных и функциональных изменений. Существенные изменения произошли в коммуни- кационных и интегративных аспектах СПСС. Судно обрело технические возможности модели- рования на ЭВМ себя, окружающей среды (ЭКДИС) и взаимообмена информацией (АИС). Эти технические достижения позволяют определять механизмы совершенствования и развития СПСС. Одним из таких путей является внедрение систем поддержки принятия решений (СППР – DDS – Decision Support Systems) для предупреждения опасности столкновения судов на прин- ципах искусственного интеллекта, т. е. автоматизированных систем, которые специально пред- назначены для подготовки информации, необходимой судоводителю для принятия решения. Структура такой интеллектуальной СПСС показана на рис. 2. Классификация состояния Управляющая информация УПРАВЛЯЮЩАЯ ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЯЕМАЯ ПОДСИСТЕМА СУДНО Управля- ющее воздейст- вие Информация о состоянии судна Подсистема идентификации состояния среды и судна Подсистема выработки управляющих воздействий (прогнозирование развития среды, судна при различных вариантах развития среды) ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА Модель окружающей среды, включая систему управления. Мониторинг. Взаимообмен информацией СЛОЖНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ АРХИТЕКТУРНОЕ СООРУЖЕНИЕ, СПОСОБНОЕ ПЕРЕДВИГАТЬСЯ ПО ВОДЕ ЧЕЛОВЕК (судоводитель) Подсистема реализации управляющих воздействий (машинно-рулевой комплекс) Возмуща- ющее воздействие среды Информация о среде и обстановке. Воздействие среды Рис. 2. Перспективная СПСС на принципах искусственного интеллекта Ñóäîñòðîåíèå, ñóäîðåìîíò è ýêñïëóàòàöèÿ ôëîòà 11 Традиционно во всех задачах выбора действия (D маневра ) для предупреждения столкнове- ний судоводитель решает проблему «любых других ограничений» нахождением в исходном множестве наилучшего действия в существующих условиях. Логика судоводителя при выборе количественной меры маневра сводится, например, к выработке нечеткого множества курсов [ИК 1 , … ИК i , … ИК n ]. Правила сужают выбор из множества курсов [ИК 1 , … ИК i , … ИК n ], вводя дополнительные лингвистические неопределенности – «любое изменение курса ... должно быть достаточно большим», «если позволяют обстоятельства и условия» и «следует избегать неболь- ших ... изменений курса», которые упорядочивают значения курсов судна, имеющих принадлеж- ности к нечеткому множеству [ИК 1 , …ИК i , …ИК n ]. Если такое множество курсов существует, то можно сделать среди них любой выбор, который будет удовлетворять решению задачи D маневра → [ИК i-j , … ИК i , … ИК i + j ] → D безопасное → МППСС-72, т. е. выбранный диапазон курсов должен соответствовать целевым критериям «навигационной безопасности судна» и прогнозируемым действиям (D безопасное ) обоих судов в соответствии с МППСС-72. Точно такие же рассуждения судоводитель осуществляет для системы факторов, которые ему известны и которые он может учесть. При поиске путей кардинального совершенствования существующих процессов преду- преждения столкновения судов и поиске перспективных технологий необходимо учитывать, что наравне с базовыми семантическими связями МППСС-72 существуют и другие взаимосвя- зи, которые не рассматриваются Правилами. По данным [9], 50 % невыполнений МППСС-72 судоводителями заключается в игнорировании Правил (действия по договоренности). Это про- исходит в том случае, когда судоводитель пренебрегает принципами МППСС-72, подменяя их принципами целесообразности процесса перевозки грузов морем. В современном мореплавании наблюдается острая потребность в общих качественных ре- зультатах перевозки грузов, требующая оптимизационного характера, т. е. минимальная ава- рийность и максимальная доходность морского транспорта. Вместе с тем идея оптимизации требует осторожного к ней отношения в процессах моделирования предупреждения столкнове- ния судов. Оптимально – не значит безопасно. Для этого заключения имеются достаточно вес- кие основания. Рассмотрим некоторые из них. 1. Оптимальное решение нередко оказывается неустойчивым, т. е. незначительные изме- нения в состоянии судна или окружающей среды могут привести к выбору существенно отли- чающихся действий/альтернатив/правил. 2. Критерии оптимизации и математические модели всегда связаны с целью безопасного расхождения судов лишь косвенно, т. е. более или менее адекватно, но всегда приближенно. 3. Для решения проблемы совершенствования технологических процессов предупрежде- ния столкновения судов определяют совокупность всех физических воздействий, которые обес- печивают минимум потерь энергии (экономических) и других ресурсов (технических, экологи- ческих) при одновременной высокой скорости протекания процессов сближения судов. По- строение оптимальной модели взаимодействия подсистем позволяет осуществить лишь локаль- ную оптимизацию по подсистемам с оптимизационными критериями: по сбережению энергоза- трат, по режиму работы силовой установки, минимальному расстоянию до порта назначения и др. Если каждая подсистема СПСС будет работать оптимально, то это еще совершенно не означает, что оптимально и безопасно будет работать и система в целом. Исходные данные при моделировании процессов предупреждения столкновения судов отбираются из многих независимых информационных источников, имеющих качественно раз- личную природу. Для обозначения исходных данных в определении состояния судна можно ис- пользовать термин «фактор», т. е. все причины и обстоятельства, которые должны учитываться для предупреждения столкновения судов. Это, прежде всего, управляющие воздействия, факто- ры среды, причем не только актуальные, но и будущие (прогнозируемые), уникальные особен- ности/возможности самого судна, как прошедшие, так и актуальные, а также прогнозируемые. Среди всех факторов есть и зависящие от судоводителя, которые он может использовать в каче- стве управляющих воздействий, а также и не зависящие от него. Количество факторов для опи- сания состояния судна может быть любым в зависимости от поставленных целей, но в то же время это количество должно быть достаточным для построения модели, ориентированной ISSN 2073-1574. Âåñòíèê ÀÃÒÓ. Ñåð.: Ìîðñêàÿ òåõíèêà è òåõíîëîãèÿ. 2012. № 1 12 на предупреждение столкновений судов. Из огромного массива данных, поступающих судоводи- телю для идентификации состояния судна, необходимо отобрать такую информацию, которая представляла бы наибольшую ценность. В [10] использован подход, при котором состояние судна оценивается по жесткой системе НБ, закрепленных в МППСС-72. Возможные формализованные состояния судна для выработки решения по предупреждению столкновения и управления можно представить в виде «Классификационного портрета состояния судна» (рис. 3), т. е. представить классы распознавания судна в динамике и статике, которые позволяют оценивать состояние судна и прогнозировать наиболее вероятные действия по предупреждению столкновения судов. СУДНО ИЛИ ОБЪЕКТ ПРАВИЛО 3 – «ВСЕ ВИДЫ ПЛАВУЧИХ СРЕДСТВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ СРЕДСТВ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ПО ВОДЕ» ТИП СУДНА: ПАССАЖИРСКОЕ СУДНО, СУХОГРУЗ, ТАНКЕР, ГАЗОВОЗ, КОНТЕЙНЕРОВОЗ И Т. Д. НА ХОДУ СИТУАЦИЯ ПРАВИЛО 13 «ОБГОН» ПРАВИЛО 14 «СБЛИЖЕНИЕ ПРЯМО ДРУГ НА ДРУГА» ПРАВИЛО 15 «ПЕРЕСЕЧЕНИЕ КУРСОВ» ПРИОРИТЕТ ПРАВИЛО 16 «СУДНО, УСТУПАЮЩЕЕ ДОРОГУ» ПРАВИЛО 17 «СУДНО, КОТОРОМУ УСТУПАЮТ ДОРОГУ» МАНЕВРЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СУДНА ПРАВИЛА 3 И 18 «СУДНО: – С МЕХАНИЧЕСКИМ ДВИГАТЕЛЕМ – ПАРУСНОЕ СУДНО – СУДНО, ЗАНЯТОЕ ЛОВОМ РЫБЫ – ГИДРОСАМОЛЕТ – ЛИШЕННОЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЯТЬСЯ – ОГРАНИЧЕННОЕ В ВОЗМОЖНОСТИ МАНЕВРИРОВАТЬ – СТЕСНЕННОЕ СВОЕЙ ОСАДКОЙ» ПРАВИЛО 3 – «СУДНО НЕ СТОИТ НА ЯКОРЕ...» ПРАВИЛО 6 – «БЕЗОПАСНАЯ СКОРОСТЬ» СУБЪЕКТИВНЫЕ ВЕРОЯТНОСТИ ПРАВИЛО 2 «СЛЕДУЕТ ОБРАЩАТЬ ВНИМАНИЕ НА ВСЯКОГО РОДА ОПАСНОСТИ ПЛАВАНИЯ И ОПАСНОСТЬ СТОЛКНОВЕНИЯ И НА ВСЕ ОСОБЫЕ ОБСТОЯТЕЛЬСТВА, ВКЛЮЧАЯ ОСОБЕННОСТИ САМИХ СУДОВ». ПРАВИЛО 7 «ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ НЕ ДОЛЖНЫ ДЕЛАТЬСЯ НА ОСНОВАНИИ НЕПОЛНОЙ ИНФОРМАЦИИ» ОПАСНОСТЬ СТОЛКНОВЕНИЯ ПРАВИЛО 7 «ОПАСНОСТЬ СТОЛКНОВЕНИЯ» A Х P L К Z ПРАВИЛО 9 – «ПЛАВАНИЕ В УЗКОСТЯХ» ПРАВИЛО 10 – «ПЛАВАНИЕ ПО СРД» ПРАВИЛО 19 – « ПЛАВАНИЕ СУДОВ ПРИ ОГРАНИЧЕННОЙ ВИДИМОСТИ» УСЛОВИЯ ПЛАВАНИЯ Е J Y Рис. 3. Классификационный портрет судна При решении проблемы столкновений судов системы выработки решений (СВР) – составляющие интеллектуальную основу СППР, могут базироваться на различных технологиях: распознавания образов, теории информации, нечетких множеств, мультиагентных, нейронных сетях и т. д. На рис. 4 представлена структурная схема СВР на принципах теории распознавания образов (PO) и теории информации (TИ). Ñóäîñòðîåíèå, ñóäîðåìîíò è ýêñïëóàòàöèÿ ôëîòà 13 Предыстория Актуальное состояние Управляемые параметры Неуправляемые параметры X ( ) Y Y X = Входные параметры Инфор- маци- онный портрет судна Целевое управление ( ) T T Y = Будущее состояние судна Критерии навигационной безопасности D заданное Правила маневрирования Фактические выходные параметры Y УПРАВЛЯЮЩАЯ ПОДСИСТЕМА Подсистема идентификации Идентификация состояния судна по его выходным параметрам ( ) T T Y = Подсистема выработки управляющих решений Прогноз развития сближения судов. Прогноз выполнения Правил. Решение задачи выбора управления X , переводящего судно в целевое состояние T : ( ), T Y T T = ( ) T X Y Y = Подсистема отображения решений и сигнализа- ции Рис. 4. Структура СВР на принципах теории распознавания образов и теории информации Синтез СВР сводится в основном к разработке математической модели. Эта модель долж- на обеспечить генерацию такого набора управляемых факторов, фактическое воздействие кото- рых на судно в очередной цикл управления с максимально возможной вероятностью переведет его в заранее заданное целевое состояние, предусмотренное МППСС-72. При этом модель СВР должна учитывать: − текущее состояние судна и траекторию, по которой оно перешло в это состояние (последовательность предыдущих состояний); − влияние имеющихся и прогнозируемых неконтролируемых факторов среды на поведе- ние судна (предпосылки и тенденции); − предыдущий опыт реального влияния управляющих факторов на поведение судна, находящегося в тех или иных состояниях (адаптивность) и определенных внешних условиях. Выходные параметры Y – это свойства судна, зависящие от входных параметров (в том числе параметров, характеризующих влияние окружающей среды) и связанные с его целевым состоянием T – разойтись на D заданное в соответствии с МППСС-72. Задача идентификации состояния судна по его выходным параметрам решается подсисте- мой идентификации управляющей подсистемы, работающей на принципах PO. При этом клас- сами распознавания являются выходные состояния судна, а признаками – его входные парамет- ры. Подсистема выработки управляющих воздействий, также основанная на алгоритмах РО, обеспечивает выбор управления X , переводящего судно в целевое состояние T . При этом последовательно решаются следующие две обратные задачи распознавания: а) по заданному целевому состоянию T определяются наиболее характерные выходные параметры судна (курс и (или) скорость, правило маневрирования, сигналы, фигуры и т. д.); б) по набору выходных параметров Y (см. предыдущий шаг) определяются входные параметры X , с наибольшей эффективностью переводящие судно на D заданное с этими выходны- ми параметрами. Система PO (рис. 4) входит в состав как подсистемы идентификации состояния судна (мониторинга), так и подсистемы выработки управляющих воздействий. Однако в этих подсис- темах система PO используется по-разному, и в ней обрабатывается различная информация: в подсистеме идентификации используется лишь режим распознавания, а в подсистеме выра- ISSN 2073-1574. Âåñòíèê ÀÃÒÓ. Ñåð.: Ìîðñêàÿ òåõíèêà è òåõíîëîãèÿ. 2012. № 1 14 ботки управляющих воздействий – режим анализа, а также распознавания. Система выработки решений позволяет решать задачи идентификации и прогнозирования состояния судна, а также вырабатывать эффективные управляющие воздействия путем решения обратной задачи прогно- зирования и применения элементов алгебры логики и нечетких рассуждений. В процесс расхождения, как правило, вовлечено несколько судов. Каждое судно может располагать определенной частью знаний (информацией) о встречных судах и возможностью обмениваться этими знаниями с другими судами с помощью АИС, УКВ, РЛС, звуковыми, флажными сигналами и другими способами. Свойства взаимосвязанности и взаимовлияния друг на друга проявляются особенно в потоке судов, в прибрежных водах, в узкостях, при острой нехватке времени для принятия решения. На практике при расхождении нескольких судов у су- доводителей возникает острая потребность в согласованности своих действий. При этом дейст- вия судов согласуются неформальными способами. Возможность появления четкой кооперации в СПСС приводит к рассмотрению новой концепции эффективного управления для предупреж- дения столкновения судов. Решение проблемы столкновения судов возможно с применением мультиагентного подхода, когда нечеткие действия судов согласовываются на основе «коопера- ции». Такой подход не противоречит МППСС-72 п.(b) Правила 2 (Ответственность) и позволяет уменьшать степень неопределенностей вплоть до нуля. Задача выработки решений в многоагентной системе (МАС) по предупреждению столк- новений судов разбивается на несколько подзадач, которые распределяются между всеми суда- ми-агентами. Процедура согласования решений организуется следующим способом: 1) конфигурируется окружающая среда, ситуация, ограничения, критерии навигационной безопасности, технологические и технические возможности судов-агентов; 2) каждый из судов-агентов идентифицирует состояние своего судна и запускает процесс восприятия, прогнозирования действий и их исполнения; 3) первое из судов-агентов, спланировавшее свою деятельность, предлагает первое дейст- вие из своего сценария; 4) если действие удовлетворяет общим ограничениям и не вызывает противоречий с пла- нами других судов-агентов, оно считается предварительно принятым. Если нарушены общие ограничения, то первое судно-агент обязано поменять свои действия. Если эти ограничения не нарушены, необходимо решить, какое из судов будет вынуждено изменять свои действия; 5) процесс согласования и выработки решения заканчивается, когда достигнута заданная цель. Многоагентная система рассматривает решение одной задачи несколькими судами- агентами. Концепция судов-агентов предусматривает наличие активности, т. е. способности компьютерной программы, имеющейся на судне, самостоятельно реагировать на влияние окру- жающей среды, на критерии навигационной безопасности и выбирать соответствующие дейст- вия из списка Правил маневрирования. Для формального определения МАС многоагентная система определяется шестеркой [11]: MAS = (X, E, Т, AC, P, ST, EV), где X = {1, ..., n} – множество неоднородных судов-агентов; E – окружающая среда; Т – семей- ство приоритетных отношений между судами-агентами; AC – множество действий судов- агентов; P – множество коммуникативных актов; ST – множество состояний МАС; EV – множест- во эволюционных стратегий. Общий вид базовой структуры такой МАС представлен на рис. 5. Архитектура СВР на принципах нечеткой МАС состоит из N мотивированных судов- агентов (Ag). Все мотивированные суда-агенты имеют совместные нечеткие цели 1 2 { , } n T T T T = и нечеткие состояния 1 2 { , } т X X X X = Все возможные действиясудов- агентов для расхождения определяются в соответствии с поставленными целями и ограниче- ниями (ST) для каждого судна-агента: AC = {Y 1 = {Y 11, Y 12 … Y 1m }; Y 2 = {Y 21 Y 22 … Y 2m }… Y n = {Y n1 Y n2 … Y nm }}. Ñóäîñòðîåíèå, ñóäîðåìîíò è ýêñïëóàòàöèÿ ôëîòà 15 Ag 1 ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА Ag 2 Ag n X 1 X 2 X n Y 11, Y 12 ... Y 1m T 1 T 2 T n ………………… МОДУЛЬ ОЦЕНКИ ПРЕДЛОЖЕНИЙ СУДОВ-АГЕНТОВ Y 21 Y 22 ... Y 2m Y n1 Y n2 ... Y nm Предложение Ag 1 Y 1l ВЫЧИСЛИТЕЛЬ РЕЗУЛЬТАТА Предложение Ag 2 Y 2l Предложение Ag n Y nl Лучшее действие Ag 1 Y 1k Лучшее действие Ag 1 Y 2k Лучшее действие Ag 1 Y nk …………… ………… КООРДИНАТОР Р Рис. 5. Структура СВР на принципах нечеткой МАС с координатором Выполнение МППСС-72 для каждого из судов-агентов обязательно, поэтому каждое суд- но-агент сужает список возможных действий в соответствии с Правилами. В результате каждое судно выдвигает свое предложение-стратегию EV = {Y 1l , Y 2l … Y nl }. С этой целью модуль оценки предложений судов-агентов на основе набора соответствующих ограничений и целей (ST) осу- ществляет настройку Правил для каждого судна-агента и передает результат модулю вычисле- ния результата. В результате сопоставления с использованием индексов нечеткого ранжирова- ния [12] СВР вырабатывает окончательное решение, означающее наилучшее предложенное поведение Y 1k , Y 2k … Y nk для всех судов. Достоинства мультиагентного подхода заключаются: – в возможности выработать, согласовать и спрогнозировать совместные действия судов-агентов; – в повышении безопасности и эффективности предпринимаемых действий; – в оптимальности общего решения за счет проработки частных решений и др. Необходимыми условиями реализации судном-агентом некоторого поведения выступают датчики информации и технические системы, непосредственно воспринимающие воздействия внешней среды, исполнительные органы судна-агента, а также процессор – блок переработки информации и память. Под памятью здесь понимается способность судна-агента хранить ин- формацию о своем состоянии и состоянии среды. Уровень интеллектуальности судна-агента зависит от технической обеспеченности судна, а отношения между судами-агентами могут строиться по принципу «ведомый-ведущий». Судно-агент может принимать функции «ведуще- го» на базе интегрированной мостиковой системы (ИМС). Такие интеллектуальные суда- агенты, благодаря богатым техническим возможностям представления внешней среды и воз- можностям «рассуждений», могут запоминать и анализировать различные ситуации, предвидеть возможные реакции на свои действия, делать из этого выводы, полезные для дальнейших дейст- вий, и планировать свое поведение. Именно развитые когнитивные способности позволяют та- ким судам-агентам строить «виртуальные миры», работая в которых они формируют планы действий. Интеллектуальные суда-агенты обладают хорошо развитой и пополняемой символь- ной моделью окружающей среды, что достигается благодаря наличию у них базы знаний, меха- низмов решения и анализа действий. ISSN 2073-1574. Âåñòíèê ÀÃÒÓ. Ñåð.: Ìîðñêàÿ òåõíèêà è òåõíîëîãèÿ. 2012. № 1 16 Для целей организации МАС на маломерных судах (менее 300 рег. т) возможно использо- вание персональных систем навигации и мониторинга (СНМ). Такая система имеет встроенный GPS и высококачественную электронную картографию, что позволяет легко ориентироваться в море при любых погодных условиях. Данное изделие может быть сопряжено с защищенной радиолинией передачи данных о местоположении маломерного судна, а также необходимой пе- редачи информации для организации кооперации между судами. Подключение специальных медицинских датчиков (достаточно держать СНМ в руке) к персональной СНМ дает возмож- ность контролировать физическое состояние судоводителя как с ИМС, так и с любой другой персональной СНМ. В техническом обеспечении маломерные суда, в отличие от ИМС, могут не иметь РЛС, САРП, гирокомпаса, датчиков угловой скорости, метеостанции и т. д. В силу вышеуказанных недостатков маломерные суда-агенты обладают ограниченным видением окру- жающей среды и диапазоном прогнозирования. Указанный тип судов-агентов можно отнести к коммуникативным «ведомым» судам-агентам. У коммуникативных судов-агентов модель ок- ружающей среды превращается главным образом в модель общения, состоящую из моделей участников, процесса расхождения судов и желаемой цели. При разработке CBP наибольшие трудности возникают при интерпретации и моделирова- нии МППСС-72 из-за их нечеткости и неполноты базы знаний. Выдвигаются предложения о разработке новых правил на иных идейных принципах, которые якобы смогут облегчить эту задачу. Достоинства нечеткого языка МППСС-72 заключаются в том, что он приводит к фор- мальному расширению классов возможных решений задач по предупреждению столкновений судов. МППСС-72 имеют широкие возможности в выборе эффективных действий, сообразуясь с состоянием судна и окружающей среды. Одновременно современные технические возможно- сти идентификации сужают арсенал допустимых решений на принципах взаимообмена инфор- мацией и кооперации между всеми судами. В приложении к более строгим формальным моде- лям Правила можно уточнять, корректировать, делая их приемлемыми на математическом уровне при построении СВР. И наконец, разная степень технической вооруженности судов не позволит в ближайшие годы внести изменения в МППСС-72. Существенное влияние и взаимосвязь всех технологических процессов перевозки грузов морем на процесс предупреждения столкновения судов приводит к необходимости рассматри- вать их как единое целое, как некоторую единую динамическую систему со своими показателя- ми и характеристиками. Системы выработки решений относятся к классу автоматизированных систем организационного управления и предназначены для компенсации слабых сторон судово- дителей, чтобы, освобождая их от рутинной предварительной обработки информации, обеспе- чить им комфортную информационную среду, в которой они могут лучше проявить свои силь- ные стороны. Это означает, что идентификация состояния cудна, cреды и выработка управляю- щего воздействия осуществляются ЭВМ без участия человека, т. е. по «человекомашинной» технологии. Окончательное управляющее воздействие все же остается за cудоводителем и реа- лизуется системой не «автоматически», а в форме передачи соответствующего приказа, соот- ветствующего характеру управления. Эти системы ориентированы не на автоматизацию функ- ций судоводителя, принимающего решения, а на предоставление ему помощи в поиске эффек- тивного решения. Предложенные новые подходы к организации предупреждения столкновения судов способны повысить эффективность предпринимаемых действий и их предсказуемость. По существу рассмотренные технологии представляют собой качественно новые системы орга- низации мореплавания, предотвращения столкновений и гибели судов, которые будут актуаль- ными в ближайшие десятилетия. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Международные правила предупреждения столкновений судов в море 1972 (МППСС-72). – М.: РКонсульт, 2004. – 80 с. 2. Заде Л. А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. – М.: Мир, 1976. – 165 с. 3. Яскевич А. П. Комментарии к МППСС-72. – М.: Транспорт, 1990. – 479 с. 4. Капица С. П. Успехи когнитивных наук // В мире науки. – 2003. – № 12. – С. 87–94. 5. Микулинский Е. А. Предупреждение столкновений судов в море. – М.: Транспорт, 1971. – 88 с. Ñóäîñòðîåíèå, ñóäîðåìîíò è ýêñïëóàòàöèÿ ôëîòà 17 6. Астреин В. В. Анализ аварийности флота и развития СУБ // Материалы четвертой регион. науч.-техн. конф., 19–21 сентября 2005 г. – Новороссийск: МГА им. адмирала Ф. Ф. Ушакова, 2005. – С. 16–19. 7. Астреин В. В. Анализ нарушений МППСС-72: сб. науч. тр. ФГОУ ВПО «МГА им. адмирала Ф. Ф. Ушакова. – Новороссийск: МГА им. адмирала Ф. Ф. Ушакова, 2006. – Вып. II. – С. 23–25. 8. Frontline Quality Safety Seminar 2006 / Front Line Seminars, 2006, March 24–26. – Novorossiisk: Front- line, 2006. – 17 p. 9. Baillod F. Collisions – Why do they occur. – London: The Nautical Institute (United Kingdom). – 2004. – N 173. – P. 17–21. 10. Астреин В. В. Разработка технологий выработки решений по предупреждению столкновения судов: дис. … канд. техн. наук. – Новороссийск: МГА им. адмирала Ф. Ф. Ушакова, 2011. – 151 с. 11. Тарасов В. Б. Агенты, многоагентные системы, виртуальные сообщества: стратегическое направление в информатике и искусственном интеллекте // Новости искусственного интеллекта. – 1998. – № 2. – С. 5–63. 12. Парасюк И. Н. Нечеткие модели мультиагентных систем в распределенной среде. – Институт кибер- нетики им. В. М. Глушкова НАН Украины // Проблеми програмувания. Спец. вип. – 2010. – № 2–3. – С. 330–339. Статья поступила в редакцию 21.11.2011 ÈÍÔÎÐÌÀÖÈß ÎÁ ÀÂÒÎÐЕ Àñòðåèí Âàäèì Âèêòîðîâè÷ – Ìîðñêàÿ ãîñóäàðñòâåííàÿ àêàäåìèÿ èìåíè àäìèðàëà Ô. Ô. Óøàêîâà, Íîâîðîññèéñê; êàíä. òåõí. íàóê; ñòàðøèé ïðåïîäàâàòåëü êàôåäðû «Ñóäîâîæäåíèå»; mail@nsma.ru. Astrein Vadim Viñtorovich – Marine State Academy named after Admiral F. F. Ushakov, Novorossiysk; Candidate of Technical Science; Senior Lecturer of the Department «Navigation»; mail@nsma.ru. |