Разработка математической модели оценивания надежности автоматической идентификационной системы
 Скачать 111.29 Kb.
|
|
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА Кафедра «Судовождение» ДОПУСКАЮ К ЗАЩИТЕ Руководитель курсовой работы к.т.н., доцент А.В. Романов _____________________ 2019 г. КУРСОВАЯ РАБОТА на тему: РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОЦЕНИВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ. Дисциплина: АВТОМАТИЗАЦИЯ СУДОВОЖДЕНИЯ Специальность 26.05.05 – «Судовождение» Проект выполнила: студент группы СВ-4 Стрелецкий А. А. Руководитель курсовой работы: Профессор кафедры СВ, кандидат технических наук, доцент РОМАНОВ А.В. Москва 2019 СОДЕРЖАНИЕ. ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ……………..……….3 РЕФЕРАТ………………………………………………………………..………4 ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………..………….5 1. Анализ особенностей эксплуатации и разработка структурно-эксплуатационной модели функционирования АИС…………..…………...9 1.1. Анализ особенностей эксплуатации АИС…………..………….………...9 1.2. Разработка структурно-эксплуатационной модели функционирования АИС………………………………………..…….……………………..………..9 1.3. Выводы по разделу 1……………………………………………………...11 2. Разработка математической модели оценивания надежности АИС и её анализ. …………………………………...…..…………………………… 12 2.1. Разработка математической модели оценивания влияния быстроты решения задач на надёжность АИС…… ……………………………………..12 2.2. Анализ полученной математической модели и рекомендации по ее использованию …………………………………………………….……………14 2.3. Выводы по разделу 2 …………………………………………………….14 3. Количественная оценка показателей эксплуатационных свойств АИС.…15 Выбор исходных данных………………………………………..………15 Компьютерная программа оценивания надежности АИС.……….…..15 Анализ результатов количественного оценивания……………….….16 Оценка влияния быстроты решения задач на надежность АИС ........16 3.5. Выводы по разделу 3................................................................................17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...18 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................ ...19 РЕФЕРАТ. Курсовой проект 19 с., 2 рис., 4 табл., 7 источников. ОЦЕНИВАНИЕ, АВТОМАТИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНИВАНИЯ, ПОКАЗАТЕЛЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ, РЕЖИМ, ПРИМЕНЕНИЕ. Объектом исследования курсового проекта является автоматическая идентификационная система. Цель курсового проекта – разработка математической модели оценивания надежности АИС, учитывающую влияние быстроты решения задач на надежность АИС и показать возможные пути ее использования. В процессе выполнения курсового проекта получена математическая модель оценивания эффективности функционирования автоматических идентификационных систем и рекомендации по их использованию при разработке и эксплуатации судовых АИС. ВВЕДЕНИЕ. Для эффективного использования АИС необходимо правильно оценивать показатели ее эксплуатационных свойств, учитывать динамику функционирования и наличие возмущающих факторов. Одним из возможных путей такой оценки является разработка и анализ математической модели оценивания влияния эксплуатационных свойств АИС на эффективность ее функционирования. В курсовом проекте анализируются особенности эксплуатации и функционирования АИС, а так же разрабатывается содержательная модель функционирования АИС. Разрабатывается и анализируется математическая модель оценивания показателей эксплуатационных свойств АИС. Приводятся рекомендации по ее использованию. РЕЗОЛЮЦИЯ ИМО MSC.74(69) (принята 12 мая 1998 года) ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ ТРЕБОВАНИЯМ К УНИВЕРСАЛЬНОЙ СУДОВОЙ СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПОЗНАВАНИЯ (AIS). 1.Назначение. 1.1. Данный стандарт определяет эксплуатационные требования к универсальным АИС. 1.2. АИС должна обеспечивать повышение уровня безопасности мореплавания посредством эффективного судовождения, защиты окружающей среды, эффективности использования Систем управления движением судов (СУДС) через выполнение следующих функциональных требований: в режиме «судно - судно» - для предупреждения столкновений; как средство для получения береговыми службами информации о судне и его грузе: как инструмент СУДС - в режиме «судно-берег» (управление движением судов). 1.3. АИС должна обеспечивать суда и компетентные власти информацией от судов автоматически, и с требуемой точностью и частотой обновления, для обеспечения точного сопровождения судов. Передача данных должна осуществляться с минимальным участием судового персонала и высоким уровнем надежности. 1.4. Оборудование, в дополнение к требованиям Регламента Радиосвязи, Рекомендаций МСЭ-Р и общим требованиям, изложенным в Резолюции ИМО А.694(17), должно соответствовать следующим эксплуатационным требованиям. 2. Основные режимы работы. 2.1 АИС должна обеспечивать работу в следующих режимах: 1. «Автономный и непрерывный» - для работы во всех районах. Этот режим должен иметь возможность переключения компетентной властью с/на один из следующих режимов; 2. «Назначенный» («предписанный») - для работы в районах, где компетентной властью установлен контроль за движением судов таким образом, чтобы интервал передачи данных и/или временное положение слотов могли устанавливаться дистанционно этой властью. 3. «По запросу» или контролируемый режим - данные передаются в ответ на запрос от судна или от компетентной власти. 3. Основные функциональные требования. 3.1. В состав АИС должны входить: связной процессор, способный управлять набором морских частот с: 1. Соответствующим методом выбора и переключения каналов, обеспечивая применение, как для ближней, так и для дальней радиосвязи. 2. Средство обработки данных от электронной системы местоопределения, обеспечивающее разрешение не хуже одной десятитысячной минуты дуги и использующее геодезическую систему координат WGS-84 . 3. Средство автоматического ввода данных от других датчиков, перечисленной в п. 6.2; 4. Средство ввода и восстановления данных вручную; 5. Средство контроля достоверности передаваемых и принимаемых данных; 6. Встроенное устройство контроля работоспособности. 3.2 АИС должна обеспечивать: 1. Автоматическое и непрерывное предоставление информации компетентной власти и другим судам, без участия судового персонала; 2. Прием и обработку информацию от других источников, включая информацию от компетентной власти и других судов; 3. Ответ с минимальной задержкой на сигналы, относящиеся к высокому приоритету и безопасности; 4. Предоставление информации о местонахождении и маневрировании c частотой обновления, достаточной для обеспечения точного сопровождения судна компетентной властью и другими судами. 4. Интерфейс пользователя. Для обеспечения доступа, отбора и отображения информации на отдельном устройстве, АИС должна иметь интерфейс, соответствующий международным морским стандартам к интерфейсам. 5. Опознавание (идентификация). Для целей опознавания судна и сообщений должен использоваться соответствующий идентификационный номер Морской подвижной службы (ММSI). 6. Информация. Информация, предоставляемая АИС, должна включать: 6.1 Статическую: ИМО номер (если имеется) Позывной сигнал и название; Длина и ширина судна; Тип судна; Расположение антенны системы место определения на судне (по отношению к носу, корме, правому, левому борту). 6.2 Динамическую: Местоположение судна с указанием точности и целостности системы; Время (UTC) (дата устанавливается приемным оборудованием); Курс относительно грунта; Скорость относительно грунта; Курс судна; Навигационный статус (состояние судна) (к примеру, не управляется, на якоре и т.д. - вводится вручную); Угловая скорость поворота (где возможно); Факультативно - Угол крена (если возможно); Факультативно - Угол килевой и бортовой качки (если возможно). 6.3 Информацию, связанную с рейсом: Осадка судна; Опасный груз (тип); Порт назначения и ЕТА (по усмотрению капитана); Факультативно - план перехода (путевые точки). 6.4 Короткие сообщения относительно безопасности. 6.5 Частота обновления информации для автономного режима Для различных типов информации, действующей в разное время, используется различная частота обновления (интервал) Статическая - каждые 6 минут и по требованию; Динамическая - в зависимости от скорости и изменения курса согласно таблице 1; Информация, связанная с рейсом - каждые 6 минут, при изменении данных и по запросу; Сообщение относительно безопасности - когда требуется. Таблица 1
Объем судовых сообщений - АИС должна обрабатывать не менее 2000 сообщений в минуту, чтобы адекватно обеспечить все эксплуатационные варианты. 6.6 Обеспечение безопасности (защиты). Должен быть обеспечен механизм безопасности для обнаружения вывода из строя системы и предотвращения несанкционированного изменения введенных или передаваемых данных. Для предотвращения несанкционированного распространения данных следует выполнять требования Резолюции ИМО MSC/43(64) (Руководство и критерии для систем судовых сообщений) 7. Время приведения в рабочее состояние - система должна быть готова к работе в течение 2 мин после включения. 8. Энергопитание АИС и связанные с ней датчики должны питаться от основного источника электроэнергии на судне. Дополнительно должна иметься возможность питания АИС и связанных с ней датчиков и от альтернативного источника электроэнергии. 9. Технические характеристики. Технические характеристики АИС, такие как изменяемая выходная мощность передатчика, рабочие частоты (международные и региональные), модуляция и антенная система, должны соответствовать Рекомендациям МСЭ-Р (M.1371, M.1024). 1. Анализ особенностей эксплуатации и разработка содержательной модели функционирования АИС. 1.1. Анализ особенностей эксплуатации АИС. Приведенный анализ эксплуатационной документации, особенностей применения АИС в реальных условиях и опыта использования в судовождении, полученного при прохождении практики на морских судах, позволили представить процесс функционирования АИС в следующем виде. АИС может находиться в различных состояниях (режимах). 1.2. Разработка структурно-эксплуатационной модели функционирования АИС. В результате проведенного анализа особенностей эксплуатации и функционирования АИС, на основании соответствующей эксплуатационной документации и опыта практического применения АИС в реальных условиях, в качестве основных режимов работы следует выделить: 1) Режим ожидания (РО) - режим, при котором АИС может находиться в выключенном состоянии или во включенном, но не подготовленном к использованию основных функций. 2) Режим готовности (РГ) ‒ режим, при котором аппаратура АИС подготовлена к выполнению своих функций, аппаратура исправна и не занята измерениями навигационных параметров обнаруженных объектов. 3) Режим навигационных определений (РНО) ‒ состояние, характеризующее выполнение основных задач - обнаружение объекта и считывание его идентификационных параметров. 4) Режим воздействия помех (РВП) ‒ режим работы АИС при котором на ее функционирование влияет появившаяся помеха искусственного или естественного происхождения. 5) Режим подготовки к выключению аппаратуры (РПВА) ‒ подготовка аппаратуры к выключению и ее выключение. 6) Режим восстановления аппаратуры после отказа (РВА) ‒ режим, при котором АИС восстанавливается после отказа. Н а основании выявленных состояний (режимов) функционирования АИС мы можем построить структурно-эксплуатационную модель функционирования в виде следующего графа состояний и переходов (рисунок 1).  РО 1 РГ 2 РНО 3 РВП 4 РВПА 5 РВА 6          a1,2 a2,3 a3,4 a4,5 a5,1 a6,1 a3,6 a4,6 a6,2 Рисунок 1. Структурно-эксплуатационная модель функционирования АИС. Введем обозначения интенсивностей перехода АИС из одного состояния в другое.  - интенсивность поступления заявок на подготовку аппаратуры. - интенсивность поступления заявок на навигационное определение. - интенсивность воздействия помех. - интенсивность поступления заявок на выключение режима навигационных определений. - интенсивность поступления заявок на выключение аппаратуры. - интенсивность отказов в режиме навигационных определений. - интенсивность отказов в режиме воздействия помех.  - интенсивность восстановления в режим ожидания. - интенсивность восстановления в режим готовности.Воспользовавшись данными практического применения АИС и эксплуатационной документацией, зададим время выше перечисленных переходов для рассматриваемой системы. Значение времени. Таблица 2
Значения интенсивностей переходов нашей системы. Таблица 3
1.3. Вывод по разделу 1. Исходя из проведенного анализа особенностей эксплуатации при применении АИС по целевому назначению, можно представить весь процесс в виде графа состояний и переходов. Под состояниями будем понимать содержания мероприятий, проводимых на АИС и операций, выполняемых АИС. Это позволило разработать эксплуатационную модель функционирования АИС. Исходя из особенностей эксплуатации и функционирования АИС и статических данных, полученных в процессе эксплуатации, и характеристик, взятых из формуляров АИС, определены основные режимы работы, время пребывания в каждом из режимов, значения интенсивностей переходов. 2. Разработка математической модели оценивания надежности АИС и её анализ. 2.1. Разработка математической модели оценивания влияния быстроты решения задач на надёжность АИС. Обозначим вероятности нахождения АИС в i-ом состоянии через Рi. Составим систему уравнений Колмогорова ‒ Чэпмена, соответствующую заданному графу состояний на рис.1: 1. 6,2 * Р6 + 5,1 * Р5 ‒ 1,2 * Р1 = 0; 2. 1,2 * Р1 + 6,1 * Р6 ‒ 2,3 * Р2 = 0; 3. 2,3 * Р2 ‒ 3,4 * Р3 ‒ α3,6 * Р3 = 0; 4. 3,4 * Р3 ‒ α4,6 * Р4 ‒ 4,5 * Р4 = 0; 5. 4,5 * Р4 ‒α5,1 * Р5 = 0; 6. α3,6 * Р3 + α4,6 * Р4 + α3 * Р5 ‒ 6,2 * Р6 ‒ 6,1*Р6 = 0. Решать полученную систему уравнений необходимо с помощью нормирующего условия: Р1+Р2+Р3+Р4+Р5+Р6 =1. Заменив уравнение 1 нашей системы нормирующим условием, получим систему: 1. Р1+Р2+Р3+Р4+Р5+Р6 =1; 2. 1,2 * Р1 + 6,1 * Р6 ‒ 2,3 * Р2 = 0; 3. 2,3 * Р2 ‒ 3,4 * Р3 ‒ α3,6 * Р3 = 0; 4. 3,4 * Р3 ‒ α4,6 * Р4 ‒ 4,5 * Р4 = 0; 5. 4,5 * Р4 ‒α5,1 * Р5 = 0; 6. α3,6 * Р3 + α4,6 * Р4 + α3 * Р5 ‒ 6,2 * Р6 ‒ 6,1*Р6 = 0. Обозначим показатель надежности АИС, учитывающий влияние интенсивности отказов аппаратуры через Рн. Тогда Рн будет равен 1 - Р6: Рн =1-Р6 Решим систему уравнений относительно вероятности Р2: Из уравнения 3 выразим вероятность Р3: Р3=(2,3 / (3,4 +α3,6))*Р2. (1) Из уравнения 4 выразим вероятность Р4 и подставим полученное значение вероятности Р3: Р4=(3,4 * 2,3 /((3,4 +α3,6)*( (4,6 +α4,5))*Р2. (2) Из уравнения 5 выразим вероятность Р5: Р5=(4,5 * 3,4 * 2,3 /(3,4 +α3,6)* (4,5 +α4,6)*Р2. (3) Из уравнения 6 выразим вероятность Р6: Р6=[α3,6 * α2,3 / (3,4 + α3,6) + α4,6 * α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6)*(4,6 + α4,5)]* * Р2 / (6,2 + 6,1). (4) Из уравнения 2 найдем вероятность Р1: Р1=Р2 * {(2,3 / 1,2) ‒ [α3,6 * 2,3 / (3,4 + α3,6) + α4,6 * α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6) * (4,6 + α4,5)]} / 1,2 (6,2 + 6,1). (5) Подставим все полученные вероятности в нормирующее условие (1 уравнение системы): < Р2*{(2,3 / 1,2) - [α3,6 * 2,3 / (3,4 + α3,6) + α4,6 * α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6) * (4,6 + α4,5)]} / 1,2 (6,2 + 6,1) > + < Р2 > + < (2,3 /(3,4 + α3,6))*Р2 > + < ( α3,4 * α2,3 /(3,4 + α3,6) * ( 4,6 + α4,5)) * Р2 > * Р2 / (6,2 + 6,1) > = 1. (6) Из полученного выражения выразим вероятность Р2: 1 Р2={(2,3 / 1,2) - [α3,6 * 2,3 / (3,4 + α3,6) + α4,6 * α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6) * (4,6 + α4,5)]} / 1,2 (6,2 + 6,1) + 1 +(α2,3 / (3,4 + α3,6)) + (α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6)) + [α3,6 * 2,3 / (3,4 + α3,6) + α4,6 * α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6) * (4,6 + α4,5)] / (6,2 + 6,1). (7) Подставив полученное выражение для вероятности Р2 в уравнение (1) получим значение вероятности Р6, тогда Рн будет равно: Р  н=1-Р6=1 ‒ [2,3 / 1,2) ‒ [α3,6 * 2,3 / (3,4 + α3,6) + α4,6 * α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6) * (4,6 + α4,5)] * 1 {(2,3 / 1,2) ‒ [α3,6 * 2,3 / (3,4 + α3,6) + α4,6 * α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6) * (4,6 + α4,5]}/ 1,2 (6,2 + 6,1) + 1 +( α2,3 / (3,4 + α3,6)) + (α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6)) + [α3,6 * 2,3 / (3,4 + α3,6) + α4,6 * α3,4 * α2,3 / (3,4 + α3,6) * (4,6 + α4,5)]  /(6,2 + 6,1)) / (6,2 + 6,1). (8) 2.2. Анализ полученной математической модели и рекомендации по её использованию. Данная математическая модель позволяет оценить надёжность АИС, влияние на ее работу, как нескольких отдельных факторов, так и их совокупности. Также она позволяет определить время нахождения АИС в различных состояниях. Имеется возможность оценивать влияние отдельных параметров на различные показатели и находить их изменения в зависимости от какого-либо параметра. Также можно определить вероятности нахождения системы в различных режимах. Определение времени нахождения АИС в различных состояниях проводится в соответствии с выражением: Тi= 1/Ai где Ai = ∑ ai,j Определение вероятности нахождения системы в различных режимах проводится с помощью формул, полученных в результате решения системы уравнений. 2.3. Вывод по разделу 2. На основании построенного графа мы составили систему уравнений Колмогорова - Чэпмена, подставили нормирующее условие и выразили вероятности. После этого провели анализ математической модели и пришли к выводу, что данная математическая модель позволяет оценить надежность АИС. 3. Количественная оценка надежности АИС. 3.1. Выбор исходных данных. Для количественной оценки возьмём значения интенсивностей переходов АИС из i-го состояния в j-е состояние, представленных в таблицах 2 и 3, воспользуемся компьютерной программой PTC Mathcad 15. 3.2. Компьютерная программа оценивания надежности АИС. В качестве математической программы выбрана интегральная среда PTC Mathcad 15, которая позволяет решать и анализировать широкий спектр задач. Данный выбор объясняется тем, что программа проста в использовании, построение большинства алгоритмов сводится к обычным математическим действиям, программа PTC Mathcad 15 доступна для массового пользователя, имеет встроенную систему автоматического пересчета и контроля единиц измерений в процессе вычислений, также PTC Mathcad 15 может взаимодействовать с большим количеством других компьютерных программ. Ниже приведен текст программы с уравнениями и полученными результатами для АИС. P1=1 P2=1 P3=1 P4=1 P5=1 P6=1 Given 10 · P6 + 100 · Р5 ‒ 10 · Р1= 0 10 · P1 + 10 · Р6 ‒ 50 · P2 =0 50 · P2 ‒ 100 · P3 ‒ 0.001 · P3 = 0 100 · P3 ‒ 0.001 · P4 ‒ 100 · P4 = 0 100 · P4 ‒ 0.001 · P5 ‒ 100 · Р5 = 0 0.001 · P3 + 0.001 · Р4 + 0.001 · P5 ‒ 10 · P6 = 0 P1 + P2 + P3 + P4 + P5 + P6 = 1 Otvet = find (P1, P2, P3, P4, P5, P6)  0.143 0.143 0.143 Otvet = 0.143 0.143 0.143 3.3. Анализ результатов количественного оценивания. Из полученных результатов видно, что быстрота решения задач системы большей частью зависит от количества поступаемых команд, и в меньшей степени от воздействия помех. Но при дальнейшем увеличении интенсивности помех и времени их воздействия, быстрота решения задач будет существенно снижаться. 3.4. Оценка влияния быстроты решения задач на надежность АИС. Рассмотрим, как изменятся скорость решения задач в различных режимах, если будем менять α2,3, α4,6 от минимальных до максимальных значений. Для удобства результаты отобразим на графике (рисунок 2). Покажем зависимость быстроты решения задач в режиме ожидания (в данном случае Р3) от α2,3,α4,6 α2,3,α4,6= 0.001 – 1000.. Результаты представлены в таблице: Таблица 4
Р  Рисунок 2. График зависимости влияния быстроты решения задач на надежность АИС. 3.5. Вывод по разделу 3. После проведенного анализа математической модели функционирования АИС, мы оценили надежность АИС воспользовавшись программой PTC Mathcad 15. Далее провели оценку влияния быстроты решения задач на надежность АИС и построили график зависимости влияния быстроты решения задач на надежность АИС. В заключении мы пришли к следующему: при увеличении количества поступаемых команд скорость их обработки снижается согласно закону, представленному на графике (рисунок 2). Следовательно, чем меньше поступает команд, тем меньше требуется время на их обработку. Так же следует отметить, что использование ЭВМ для оценки показателей эксплуатационных свойств представляется более эффективным и сэкономит время, так как аналитическое решение этой задачи на листе бумаги громоздко и трудоёмко. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В процессе выполнения курсовой работы был проведён анализ особенностей применения и эксплуатации АИС и на его основании разработана структурно-эксплуатационная (содержательная) модель функционирования АИС. Затем была разработана математическая модель оценивания показателей эксплуатационных свойств АИС. Кроме того, в курсовом проекте проведён анализ математической модели и даны практические рекомендации по её использованию. Как, например, для определения времени нахождения АИС в различных состояниях, а также для определения вероятностей нахождения в данных состояниях. Разработка и анализ подобной математической модели для конкретной АИС позволит выявить и оценить её позитивные и негативные свойства, а также наметить пути повышения эффективности её использования и обеспечения эксплуатационных качеств. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. Конспект лекций по Автоматизации судовождения. Родионов А.И., Сазонов А.Е. Автоматизация судовождения: Учеб. Для вузов.-3-е изд., перераб. и доп.-М.: Транспорт, 1992.-192 с. Адерихин И.В., Лавровский В.А., Романов А.В. Курсовой проект. Требования, выполнение и защита, 2001-72 с. Романов А.В. Применение методов ТМО для получения количественных характеристик, исследуемых процессов судовождения: Методические рекомендации. Маринич А., Проценко И., Резников В., Устинов Ю., Черняев Р., Шигабутдинов А. Судовая автоматическая идентификационная система. -М.: Судостроение, 2004-180 с. Резолюция ИМО MSC.74(69). Интернет ресурсы: http://seaman-sea.ru/ais/, http://dic.academic.ru |
