книга "НИС". Вагущенко Л. Л. Судовые навигационно информационные системы одесса 2004
 Скачать 5.96 Mb.
|
|
системой консультаций и выработки рекомендаций по целесообразному поведению (СКВР). В судовождении трудность создания СКВР определяется тем, что из-за многообразия ситуаций и многочисленности влияющих на процесс управления судном факторов, для решения ряда задач единственными пока являются эвристические и приближенные методы, основанные на неформализованных знаниях, накопленных человеком в результате 28 опыта решения сходных проблем. Поэтому СКВР должна включать в свой состав экспертную систему. В общем случае под системой консультаций и выработки рекомендаций по целесообразному поведению понимается пакет программ для компьютера, который оперирует с алгоритмическими сведениями и неформализованными знаниями в определенной предметной области и способен предлагать и объяснять пользователю разумные решения проблем на основе математического моделирования физических процессов и механизма мышления человека применительно к этой области. В СКВР входят программы для выработки решений и программы для их объяснений. СКВР должна не только вырабатывать рекомендации по целесообразному поведению, но и обладать способностью объяснить, почему предложено именно такое решение, и доказать его обоснованность. Пользователь должен получить всю информацию, необходимую ему для того, чтобы быть уверенным, что решение принято «не с потолка». Входящая в СКВР подсистема объяснений является программой, которая позволяет оператору получить ответы на вопросы: «Как было найдено то или иное решение?» и «Почему было принято такое решение?». Одной из основных характеристик СКВР является ее производительность, т.е. скорость получения результата и его достоверность (надежность). СКВР должна за приемлемое время найти решение, которое было бы не хуже, чем то, которое может предложить специалист в этой предметной области. Достоинство СКВР состоит в том, что обычно она вырабатывает решения быстрее специалиста. Довольно много рекомендаций по судовождению можно получить из существующих наставлений и руководств, представленных в электронном виде, а также на основе алгоритмических данных путем прямых аналитических расчетов или с помощью математического моделирования процессов движения судна для прогнозируемых условий. Здесь можно назвать рекомендации: – по времени начала поворота в стесненных водах в условиях ветра и течения; – по нахождению маневра расхождения в относительно простых ситуациях; – по определению режима движения в штормовых условиях; – по выбору наивыгоднейшего маршрута через океан (с учетом прогнозов погоды, потерь в скорости хода на волнении, постоянных и переменных течений, расхода топлива); – и для других случаев. 29 Для некоторых задач рациональные решения НИС может пока получить только эвристическими методами с помощью экспертных систем. Экспертная система является частью СКВР. Это программа для компьютера, которая оперирует с неформализованными сведениями в определенной предметной области и способна на их основе путем моделирования механизма мышления человека предлагать и объяснять пользователю разумные решения. Неформализованные сведения принято называть просто знаниями. Экспертная система состоит из базы знаний, механизма логического вывода и подсистемы объяснений. Она отличается от прочих прикладных программ наличием следующих признаков. Экспертная система моделирует не столько физическую природу и взаимосвязи в определенной проблемной области, сколько механизм мышления человека применительно к решению задач в этой области. Это существенно отличает экспертные системы от систем математического моделирования. Естественно, экспертная система не полностью воспроизводит умственную работу специалиста. Но важно, что основное внимание все-таки уделяется моделированию компьютерными средствами методики решения проблем, которая применяется экспертом. При решении задач в экспертных системах основными являются эвристические и приближенные методы. Эвристика, по существу, является правилом, представляющим знание, приобретенное человеком в процессе практического опыта решения похожих проблем. Такие методы являются приблизительными в том смысле, что, во-первых, они не требуют исчерпывающей исходной информации, и, во-вторых, существует определенная степень уверенности (или неуверенности) в том, что предлагаемое решение является верным. Экспертная система помимо выполнения расчетов формирует определенные соображения и выводы, основываясь на тех знаниях, которыми она располагает. Знания в системе представлены, как правило, на некотором специальном языке и хранятся в ее памяти. Этот компонент экспертной системы принято называть базой знаний. В общем случае, база знаний - это совокупность фактов, зависимостей и правил, описывающая предметную область и позволяющая отвечать на такие вопросы из этой предметной области, ответы на которые в явном виде не присутствуют в базе. Для получения рекомендаций, заключений, решений в экспертной системе используется специальный механизм логического вывода. 30 Он представляет собой программу, моделирующую механизм рассуждений и оперирующую знаниями и данными с целью получения новых данных и знаний. Экспертная система должна обладать способностью объяснить, почему предложено именно такое решение, и доказать его обоснованность. В качестве примеров задач, касающихся судовождения, для решения которых нужна экспертная система, можно назвать: – Расхождение судов в сложных ситуациях и при непосредственной угрозе столкновения; – Диагностика работы судовых технических средств, важных в навигационном отношении, и управление ими при нарушениях номинального режима функционирования; – Диагностика неисправностей в технических системах и ошибок в работе программного обеспечения; – Извлечение информации из зашумленных первичных данных (в РЛС, в гидролокаторе, в фиброоптическом компасе); – Распознавание критических ситуаций, определение процедур для обеспечения безопасности и их активация. Суммируя изложенное, следует подчеркнуть — экспертная система содержит знания в определенной предметной области, накопленные в результате практической деятельности человека, и использует их для решения проблем, специфичных для этой области. На сегодняшний день экспертные системы применяются в промышленности, медицине, финансах, юриспруденции, в других науках и областях человеческой деятельности. И используются они активно, а не от случая к случаю. Многие специалисты и шагу не ступят, чтобы не проконсультироваться у своей экспертной системы. Появились эти системы и на судах. В качестве примера можно назвать экспертные системы диагностики работы главных двигателей современных судов и интеллектуальные системы новых радаров для выделения полезной информации из первичных радиолокационных данных в условиях интенсивных помех. Развитие НИС, их возможности получать, хранить и обрабатывать основную требуемую для судовождения информацию создали предпосылки для применения СКВР, в том числе и включающих экспертные системы, для целей управления судном. В первую очередь, задача экспертных систем будет состоять в оказании квалифицированной помощи судоводителям в сложных и в критических ситуациях. Эти системы на основе получаемой информации должны распознавать опасные ситуации, рекомендовать, а в крайних случаях автоматически активировать, процедуры для избежания непосредственной угрозы. 31 Используя возможности СКВР, вахтенный помощник будет получать от системы четкие рекомендации и советы по действиям в сложившейся обстановке, а также пояснения, почему следует выполнить эти действия. В ряде случаев эти рекомендации будут подкрепляться представлением прогнозируемого результата рекомендуемых мероприятий. Советы и рекомендации в отношении поведения в особых и экстремальных ситуациях могут выдаваться системой по запросу судоводителя, при появлении признаков, указывающих на развитие такой ситуации, при получении по каналам связи предупреждений о возможности ее возникновения. Следует подчеркнуть, что экспертная система будет лишь помощником судоводителя. Необходимо четко представлять ее ограничения. Эта система способна давать правильные ответы в ситуациях, которые в ней предусмотрены. Но экспертная система не умеет думать. Она может знать очень много в своей области, гораздо больше рядового судоводителя, но при появлении неожиданных, выходящих за пределы ее знаний ситуаций, она становится бессильной, тогда как ум человека может найти правильное решение и в совершенно новых для него обстоятельствах. 32 33 2. Понятия об электронных картах. 2.1. Основные определения. В этой книге идет речь только о морских навигационных картах. Поэтому при изложении везде термин карта означает морская навигационная карта. Морской навигационной картой называется плоское, математически определенное, уменьшенное, условно-знаковое изображение земной акватории с прилегающими участками суши, показывающее размещение, свойства, связи объектов и явлений, важных в навигационном отношении. Навигационная карта может также рассматриваться как обладающая высокой информативностью, пространственным подобием относительно оригинала, метричностью, обзорностью, наглядностью образно-знаковая модель среды, в которой происходит движение судна, что делает карту важнейшим ключевым средством судовождения. Основные виды данных карт. Морские навигационные карты включают разнообразные данные, которые обычно делят на два основных типа: пространственные и описательные. Пространственные данные (картографические, графические), представляют положение и форму географических и навигационно- гидрографических объектов, их пространственные связи с другими объектами. Описательные данные содержат: сведения о свойствах, характеристиках географических и навигационно-гидрографических объектов, заметки для мореплавателей и т.д. Главным образом – это символьная (текстовая) информация. Иногда описательные данные включают поясняющие вспомогательные графические изображения: вид навигационных знаков, вид приметных ориентиров, вид входа в бухту с определенного направления и т.д. Кроме этих типов сведений, выделяют еще метаданные (данные о данных). Метаданные - это общие сведения о наборе пространственных и описательных данных карты или коллекции карт. Метаданные карты могут включать: идентификатор выпускающего карту агентства, дату издания карты, масштаб карты, горизонтальный и вертикальные датумы, единицы измерения высот и глубин и т.д. Составные части карты. Различают следующие основные части навигационной карты: математическая основа, картографическое изображение, легенда карты. Математическая основа карт – это математические правила, по которым строятся карты; масштаб и картографические проекции. Картографической проекцией называется математически определенный способ отображения поверхности земного эллипсоида на плоскости. Картографическая проекция устанавливает аналитическую зависимость между географическими координатами точек земного эллипсоида и прямоугольными координатами тех же точек на карте. Для составления карты необходимо определить позиции объектов на земной поверхности и численно выразить их в системе отсчета, связанной с Землей. Этими вопросами занимается геодезия. Результаты геодезических измерений (геодезическая сеть) и эллипсоид, являющийся общепринятой в геодезии моделью Земли, лежат в основе определения координат положения объектов на поверхности Земли и трансформации их в координаты карты. Совокупность этих геодезических данных, необходимых для создания карты и определяющих положение объектов по широте, долготе и абсолютной высоте, называется геодезической основой карты. Связанная с Землей координатная система, с которой соотносятся позиции земных и околоземных объектов, называется геодезической референцной системой. Она устанавливается параметрами, определяющими фигуру, размеры и гравитационное поле Земли. Картографическое изображение – это условно-знаковое представление объектов и явлений района карты в выбранной проекции. Легенда карты включает свод использованных на карте условных обозначений, с текстовыми пояснениями к ним. Обычно легенды карт создаются на основе систем классификаций изображаемых объектов и явлений. Условные обозначения (знаки)карты – это графические символы, применяемые на картах для изображения различных объектов, их качественных и количественных характеристик. Различают следующие основные типы условных обозначений: - Внемасштабные знаки (точечные символы); - Масштабные обозначения (площадные и линейные); - Пояснительные знаки. Точечный символ (point symbol) определяет объект карты, который слишком мал, чтобы показать его на экране линией или контуром; либо отмечает объект, вообще не имеющий площади, например, высшую точку горного массива. 34 Линейные знаки (line symbols) представляют объекты, длина которых выражается в масштабе карты, но слишком узкие, чтобы можно изобразить их площадью; или объекты вообще не имеющие ширины, например изобаты. Площадной символ (area symbol) определяет однородную территорию (остров, район и т.п.), ограниченную замкнутой ломаной линией. Следует отметить относительность используемых при определениях условных обозначений понятий «малость», «узость». Например, на карте одного масштаба река может выглядеть как линейный объект, а на карте другого масштаба, как площадной. Электронные карты. Навигационная карта является ключевым элементом всех систем, обеспечивающих проводку судна из порта отхода в порт назначения. На протяжении многих лет в прошлом, да и в настоящее время, традиционно используются бумажные навигационные карты. Требования, которым должно удовлетворять содержание этих карт, представлены в публикации Международной гидрографической организации: МР-004, Chart Specification of the IHO. В настоящее время параллельно с бумажными картами, а иногда и вместо них, начали использоваться электронные карты. Электронная карта – ЭК(electronic chart – ЕС) представляет собой программно-управляемое картографическое изображение, визуализированное с использованием программных и технических средств в принятых для карт проекции и системе условных знаков. Электронная карта строится на основе данных бумажных карт, результатов геодезических съемок или баз данных географических информационных систем. Электронной картойназывают иногда и набор цифровых данных для ее построения. Совокупности цифровых данных для построения электронных карт представляются на носителях информации в специальных форматах. Формат электронной карты в общем случае определяется как способ машинной реализации представления ее данных. Различают форматы для обмена данными карт и внутрисистемные форматы для оперирования с информацией карт внутри НИС. 2.2. Геодезическая основа ЭК. В общем случае объект на карте характеризуется горизонтальными координатами (широта, долгота) и вертикальной координатой (высота или глубина). Для отсчета координат картографических объектов 35 используется та или иная референцная система, основой которой является геодезический датум. Под датумом (исходными геодезическими датами) в геодезии понимается совокупность параметров, которые характеризуют референц-эллипсоид и его расположение в теле Земли, определяют геодезические координаты и их связь с астрономическими координатами. Имеется три типа геодезических датумов – горизонтальный, вертикальный и комбинированный (горизонтальный с вертикальным). Горизонтальный датум определяет размеры и фигуру Земли, исходный пункт и ориентацию координатной системы, используемой при отсчете горизонтальных координат на картах земной поверхности. Вертикальный датум представляет собой уровенную поверхность, с которой соотносятся высоты и/или глубины и/или береговая черта на карте. На навигационной карте такой датум может быть один (общий для высот, глубин и береговой линии), два (отдельно для высот с береговой чертой и для глубин) либо три (отдельно для высот, для глубин, для береговой черты). Вертикальный датум для батиметрических данных называется нулем глубин карты. В настоящее время в мире имеется свыше двухсот горизонтальных датумов и различные вертикальные системы отсчета. Широта и долгота объекта (в том числе и судна) на бумажной или электронной карте напрямую зависят от горизонтального датума этой карты. Одна и та же точка на Земной поверхности в разных датумах имеет неодинаковые координаты, причем отличие между ними может превышать сотни метров. На такую же величину может увеличиться погрешность в определяемом по GPS положении судна при нанесении его на карту, если не учитывать датум. Таким образом, неучет датума карты при определениях по GPS может привести к ошибке, превышающей 1000 м. Чтобы избежать больших погрешностей определений, датум, в котором предоставляет координаты приемоиндикатор GPS, должен быть таким же, как и на карте. Для этого в приемоиндикаторе GPS обеспечивается возможность выдачи координат в разных датумах. Однако и здесь необходимо помнить, что представление в GPS данных в датуме, отличном от WGS84, может увеличить погрешность определений на десятки метров из-за ошибок, присущих пересчету координат из одного датума в другой. 36 |