Система поддержки принятия решений с модульной структурой для операторов судов двойного действия
DECISION SUPPORT SYSTEM WITH A MODULAR STRUCTURE FOR DOUBLE-ACTING OPERATORS

Изобретение относится к системам дистанционного управления судами, силовыми установками, например со штурманского мостика с возможностью цифровых вычислений или обработки данных, специально предназначенным для специфических функций, в частности, к системам информационной поддержки принятия решений для операторов судов двойного действия, с использованием процедуры сбора, накопления, передачи и централизации диагностических и функциональных параметров, прогноза развития аварийных ситуаций.
В настоящее время разрабатываются и строятся ряд проектов по производству сжиженного природного газа (СПГ): Ямал СПГ, Сахалин-2 (3я очередь), Балтийский СПГ, Владивосток СПГ, Печоры СПГ общей мощностью от 50 до 100 млн. тонн в год. Экспортные терминалы перечисленных проектов расположены преимущественно в арктических и субарктических районах, что формирует дополнительные требования к характеристикам судов двойного действия.
Известен «Способ обеспечения безопасности судов и система обеспечения безопасности судов» [1] по заявке РФ 2016130260, опубл. 25.01.2018, бюл. №3. Данный способ основан на формировании баз данных, отвечающих за безопасность судов. На основании сравнения баз данных аварийного и однотипного судов вырабатывают рекомендации по сохранению судна и минимизации последствий аварии с учетом ранжирования рисков. Также описана система реализации данного способа.
Недостатками данного способа [1] и системы является выработка рекомендаций при условии уже наступившей аварийной ситуации для минимизации последствий. Нет предварительного анализа состояния всех судовых технических средств (СТС) и систем в целях прогноза и предупреждения наступления и развития аварийных ситуаций.
Известна «Автоматизированная система мониторинга технического состояния и поддержки принятия управляющих решений по повышению безопасности и надежности комплексов гидротехнических сооружений гидроэлектростанций и иных объектов» по патенту на полезную модель РФ 114186 [2].
Недостатком известного аналога [2] является обработка данных и планирование управляющих воздействий на гидротехнические сооружения (ГТС) не в автоматическом, а в автоматизированном режиме с привлечением групп экспертов, использующих единые для всех ГТС алгоритмы, т.е. данная система не обладает достаточной гибкостью для применения на разнородных объектах.
Известен «Способ компьютерного прогнозирования и оценки значений характеристик технической системы, посредством прогнозирующей модели», устройство для реализации которого содержит контрольно-управляющий блок, а также подключенный к нему ряд средств ввода/вывода информации. В состав контрольно-управляющего блока входят центральный процессор, микросхема памяти - блок данных по контролируемому объекту и схема интерфейса, сопрягающая упомянутые средства ввода/вывода с центральным процессором по международной заявке WO 2005109253 A1 [3].
Недостатком данного устройства [3] и способа его работы является то, что оно предназначено только для мониторинга состояния объекта контроля, без возможности принятия решений по его управлению, система не осуществляет автоматических воздействий на объект.
Прототипом заявляемого технического решения является «Система информационной поддержки принятия управленческих решений для обслуживающего персонала судовой энергетической установки» по патенту РФ 2668487 (4), содержащая блоки с возможностью получения, анализа, накопления, хранения, формирования отчета о текущем состоянии судовой энергетической установки (СЭУ). Также содержит интеллектуальный модуль и нейросетевой блок, позволяющий прогнозировать изменение технического состояния СЭУ и просчитывать варианты развития аварийных ситуаций. В результате эта система выдает рекомендации обслуживающему персоналу по действиям, относящимся к элементам СЭУ. Система имеет связь с системой сигнализации и защиты. Реализована возможность управляющего воздействия системы на объект без участия персонала.
Недостатком системы, принятой за прототип [4] является узкий круг контролируемых элементов, относится только к элементам СЭУ, акцент делается только на техническое состояние объекта, нет взаимодействия с внешними факторами, нет контроля за конструкционными элементами, элементами грузовой системы, не подходит для комплексного обеспечения безопасности мореплавания судов двойного действия.
Технической задачей заявляемого изобретения «Система поддержки принятия решений с модульной структурой для операторов судов двойного действия» является обеспечение безопасности эксплуатации СТС судов двойного действия для предотвращении риска развития аварийных ситуаций при перевозках СПГ в районах Северного морского пути (СМП), повышение безопасности мореплавания.
Для решения поставленной задачи предлагается Система поддержки принятия решений с модульной структурой для операторов судов двойного действия содержащая блоки контроля внутренних параметров судовой энергетической установки, включающие блок источников данных автоматизированной системы управления технологическим процессом, блок обработки данных, блок базы данных телеметрии, блок многомерной базы данных, блок формирования отчетов, блок интеллектуального анализа параметров устройств, блок базы знаний, блок автоматизированного рабочего места оператора, блок компьютерной симуляции объекта контроля, выполненный с возможностью обработки данных и визуализации работы энергетического оборудования, блок логической модели, блок принятия решений в условиях неопределенности, выполненный с возможностью оценки вероятностей различных вариантов развития событий и помощи персоналу в принятии решений, блок оповещения персонала и управления автоматизированной системой управления технологическим процессом, выполненный с возможностью автономного выполнения противоаварийных мероприятий, оповещения персонала и управления элементами судовой энергетики, ОТЛИЧАЮЩАЯСЯ тем, что система оснащена выполненными с возможностью контроля как внутренних, так и внешних параметров модулями, каждый из которых отвечает за выполнение анализа соответствующих технологических процессов, связанных с переходом судна, а именно модулем главной энергетической установки (Main energy plant, MEP), модулем вспомогательных судовых технических средств (Additional marine hardware, AMH), модулем состояния груза и параметров грузовой системы (Cargo systems, CS), модулем метеорологической обстановки и ее прогноза (Meteorology, ME), модулем навигационной обстановки и ее прогноза, учитывающий качку и волнение (Navigation, NAV), модулем обработки данных по движению во льдах, учитывающий оледенение корпуса судна и механические нагрузки на корпус (Ice sailing, IS), а также аналитическим, интеллектуальным и логическим модулями, причем, блоки контроля, входящие в модули, выполнены с возможностью анализа, диагноза технического состояния всей сложной динамической системы, состоящей не только из главных, вспомогательных элементов судовой энергетической установки, но и элементов систем поддержания груза, режима движения судна, величины сопротивления движению, полезной нагрузки главной энергетической установки, элементов систем пожарной безопасности, извещателей пожаротушения, при этом интеллектуальный модуль выполнен с возможностью одновременной обработки параметров модулей внешних и внутренних воздействий, учета их взаимного влияния, а логический модуль выполнен с возможностью выбора оптимального варианта решения, при этом блок базы знаний соединен как с блоком ввода внешних данных, так и с модулем анализа контролируемых параметров, интерфейсный модуль соединен с контролируемыми объектами управления i1…ix через блоки преобразователей, усилителей, концентраторов сигналов, при этом выходы модулей интерфейса системы навигации, интерфейса метеостанции, шлюза диагностической информации, интерфейса системы сигнализации и защиты, интерфейса вспомогательных СТС соединены с входами модулей мониторинга и прогноза, а выходы модулей интерфейса ГЭУ, интерфейса вспомогательной ЭУ, интерфейса грузовой системы соединены с входом контрольно-аналитического модуля, при этом модуль анализа контролируемых параметров имеет двустороннюю связь с блоком базы знаний, блок определения характера отклонения параметров имеет два выхода, один из которых соединен с входом блока стандартной ситуации, который сразу обращается к базе знаний, второй с блоком нестандартной ситуации, который соединен с входом блока искусственного интеллекта, при этом модуль отклонения параметров каждого элемента СТС соединен параллельно с блоками состояния, динамики, прогноза, которые соединены параллельно с блоками стандартной и нестандартной ситуаций, логический модуль имеет два входа, один из которых соединен с выходом блока базы знаний, второй с выходом блока искусственного интеллекта, причем логический модуль имеет двустороннюю связь с блоком базы знаний и модулем аналитики, при этом логический модуль имеет три выхода - на модуль индикации АРМ оператора, на блок автоматического воздействия на соответствующий объект управления, при отсутствии положительного отклика от модуля АРМ оператора и на блок системы сигнализации и защиты (ССиЗ), а также имеет нисходящий канал управления, соединенный с блоками управления i1…ix соответствующих СТС.
Технический результат заключается в построении системы поддержки принятия решений оператором судов двойного действия, которые учитывают влияние как внутренних, так и внешних возмущающих воздействий.
Технический результат достигается использованием совокупности как ограничительных, так и отличительных признаков предложенной системы, архитектуры построения и алгоритмов действия системы, определения перечня СТС и систем, подлежащих включению в модули контроля, диагноза, прогноза для минимизации рисков развития аварийных ситуаций.
Сущность изобретения заключается в построении модульной структуры СППР с использованием процедуры сбора, накопления, передачи и централизации диагностических и функциональных параметров. Для построения аппаратно-программного комплекса, интегрированного со всеми системами, задействованными в обеспечении безопасности эксплуатации судов двойного действия. Данная система позволяет реализовать на программно-аппаратном уровне контроль, анализ, диагноз технического состояния всей сложной динамической системы, состоящей из главных, вспомогательных элементов СЭУ, элементов систем поддержания груза, элементов систем пожарной безопасности, извещателей и пожаротушения, нагрузку на корпус судна, на грузовые танки, учесть величину запаса полезной мощности главной и вспомогательной энергетических установок; предполагаемые сбросы и набросы механических и электрических нагрузок; взаимные зависимости температурных режимов двигателя, груза и метеорологической обстановки; режим движения судна, величину сопротивления движению, полезную нагрузку главной энергетической установки (ГЭУ) и прогноз метеообстановки; параметры испарения груза, режим работы установок повторного сжижения, текущее и прогнозное потребления топлива ГЭУ и вспомогательными ЭУ; ледовую обстановку, параметры оледенения судна и пр.
В отличие от прототипа, который охватывает узкий круг контролируемых элементов, относящихся только к элементам СЭУ, отсутствует контроль конструкционных элементов, нет взаимодействия с внешними факторами, не подходит для комплексного обеспечения безопасности мореплавания судов двойного действия, предложенная система обеспечивает контроль, диагноз, прогноз технического состояния всей сложной динамической системы, состоящей не только из главных, вспомогательных элементов судовой энергетической установки, но и элементов систем поддержания груза, режима движения судна, величины сопротивления движению, полезной нагрузки главной энергетической установки и выдает рекомендации оператору судна и, в случае отсутствия положительного отклика, задействует САР и ССиЗ для предотвращения развития аварийной ситуации.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 Структурная схема функционирования СППР.
Фиг. 2 Схема построения модуля комплексного анализа развития и предотвращения неблагоприятных ситуаций.
Фиг. 3 Структура имитационной модели СППР.
Фиг. 4 Структура диагностической подсистемы СППР.
Функционирование такой системы предполагает непрерывный мониторинг контролируемых технологических и функциональных параметров всех основных СТС, при этом ввод данных в систему осуществляется посредством специального интерфейсного модуля, обеспечивающего согласование параметров сигналов измерительных преобразователей и датчиков в формат, соответствующий входным характеристикам аппаратной части СППР. На следующем этапе используется модуль, определяющий наличие отклонений от штатных режимов работы или заданных диапазонов параметров, соответствующих безопасной эксплуатации СТС, после чего полученная информация проверяется на соответствие стандартным алгоритмам действий, при соответствии которым рекомендуемое решение выбирается из базы знаний. При несоответствии выявленной ситуации стандартному перечню событий, информация передается в интеллектуальный модуль, где выполняется обработка данных с целью поиска оптимальных решений. После определения вариантов предлагаемых решений логический модуль анализирует различные варианты и формулирует для оператора соответствующие рекомендации.
Принцип функционирования СППР предполагает последовательную отработку 5 этапов:
1. На первом этапе производится накопление актуальных данных о состоянии системы и параметрах внешней среды, а также обработка собранных данных и формулирование прогноза состояния исследуемой систем на некоторый период вперед. На данном этапе производится дискретная оценка текущего и перспективного состояния системы по критерию удовлетворительности или неудовлетворительности.
2. На втором этапе, при получении сведений о неудовлетворительности текущего или прогнозного состояния, формулируются сведения о необходимом состоянии системы.
3. На третьем этапе производится поиск способов перевода системы в требуемое состояние, при этом формируется по возможности избыточное множество вариантов решений и на основании анализа данного множества определяются допустимые варианты.
4. На четвертом этапе производится анализ допустимых вариантов с последующим выбором наилучшего.
5. На пятом этапе производится реализация принятого решения.
СППР имеет возможность непрерывной реализации ряда основных функций, таких как:
- измерение, при этом предполагается возможность реализации как прямого измерения контролируемых параметров, так и получения сведений о значениях параметров по косвенным показателям;
- контроль, т.е. анализ соответствия значения контролируемого или измеряемого параметра соответствующей области допустимых или недопустимых значений;
- мониторинг, т.е. реализация расширенных контрольных функций, в т.ч. сравнительный анализ с характерными ретроспективными значениями показателей либо с аналогичной динамикой изменения соответствующих значений показателей по архивным данным;
- диагностика, т.е. обнаружение, идентификация и распознавание неблагоприятных сочетаний параметров, отказов или предаварийных ситуаций;
- прогнозирование развития аварийной ситуации;
- предотвращение аварийных ситуаций.
Для сбора оперативной информации с судовых технических средств целесообразно использовать один из наиболее распространенных протоколов, использующихся в промышленной автоматизации и централизации - это Modbus с возможностью использования различных видов последовательных линий связи - RS-485, RS-422, RS-232 и пр., а также сетей TCP/IP (Modbus TCP), что позволит реализовать универсальность применения СППР. Также Modbus имеет большое количество промышленно производимых датчиков, исполнительных устройств, модулей обработки и нормализации сигналов, конверторов протоколов и прочих устройств, позволяющих обеспечить сопряжение с различными типами средств автоматизации судовых систем.
Физические и электрические параметры технических средств сбора и передачи данных, работающих в стандарте Modbus, в случае использования специализированных модулей усиления и ретрансляции сигналов, позволяют обеспечивать надежную передачу данных на расстояния в несколько километров при сложных условиях внешней среды, что соответствует габаритным параметрам современных и перспективных морских судов. Количество устройств в судовой системе централизации ограничивается необходимостью объединения средств сбора информации в группы до 247 конечных точек, с использованием для каждой группы собственного Master-модуля.
В плане универсальности и гибкости системы, представляется наиболее целесообразным для построения имитационной модели использовать инструментарий программной среды Matlab/Simulink.
Для прочих судовых технических средств процедуры сбора, накопления, передачи и централизации диагностических и функциональных параметров могут быть представлены в виде пропорциональных аналоговых или цифровых электрических сигналов от соответствующих блоков, датчиков или измерительных преобразователей, пригодных для конвертирования в необходимый протокол передачи и сбора данных. Для протокола Modbus RTU используется последовательный master/slave интерфейс, при котором каждому СТС выделяется отдельный концентратор с соответствующей адресацией.
Головной модуль сбора данных производит последовательный опрос каждого концентратора судовой контрольно-диагностической системы, периодичность которого определяется количеством концентраторов и частотой контроллера шины Modbus. Достаточно использовать минимальную скорость - 9600 бит/с, 8-разрядные данные, таймаут запроса 0,01 с и одноярусную сеть - максимум 254 концентратора. При таких параметрах частота обновления информации по всем СТС составит порядка 1-2 сек, что в полной мере соответствует эксплуатационным требованиям, предъявляемым к системе.
Настройка адресации конечных концентраторов осуществляется при монтаже системы сбора данных, при этом СППР не критична к порядку адресации, режимам передачи данных и типам используемых средств связи.
В случаях использования встроенных диагностических подсистем СТС, для использования их в составе СППР, в зависимости от типа используемых средств автоматизации, необходимо обеспечить перевод соответствующих устройств в режим передачи информации с подключением необходимых конверторов протоколов, либо использовать отдельные аналого-цифровые преобразователи для сигнальных линий с обеспечением соответствующей адресации и последующим подключением их к концентратору, назначенному для рассматриваемой единицы оборудования.
В зависимости от типа и модели каждого СТС, а также наличия возможностей удаленного управления, при реализации системы предусматривается нисходящий канал управления, позволяющий СППР осуществлять корректирование режимов функционирования оборудования.
На аналитическом уровне системы поддержки принятия решений осуществляется обобщение диагностической информации, формируемой диагностическими подсистемами первого уровня, с учетом совокупности воздействующих на судно внешних факторов и значений входных и выходных показателей контролируемых судовых технических средств.
Этот уровень системы представляет собой совокупность программных средств математического имитационного моделирования и интеллектуальной обработки информации, полностью реализующийся в программном комплексе Simulink. Основной задачей данной части системы является отслеживание, прогнозирование и предотвращение (выработка соответствующих рекомендаций оператору) конкретных опасных и аварийных ситуаций, возникающих в процессе эксплуатации судна в целом и совокупности судового оборудования в частности.
На данном этапе обработки информации в полностью автоматизированном режиме осуществляется мониторинг совокупности показателей, характеризующих функционирование контролируемых судовых технических средств в целом, с учетом навигационной, ледовой, метеорологической обстановки, а также состояния груза, систем безопасности, вспомогательных судовых систем, и прочих СТС.
Функционирование данной части системы заключается в выявлении неблагоприятных условий, способствующих развитию опасных и аварийных ситуаций, и выработке соответствующих рекомендаций, направленных на принятие превентивных мер по их предотвращению. Для этого используется ряд алгоритмов комплексного мониторинга взаимного функционирования функционально взаимосвязанного оборудования. К важным аналитическим данным относится ряд комплексных показателей, характеризующихся множеством разнородных факторов:
а) величина запаса полезной мощности главной и вспомогательной энергетических установок;
б) предполагаемые сбросы и набросы механических и электрических нагрузок;
в) взаимные зависимости температурных режимов двигателя, груза и метеорологическая обстановка;
г) режим движения судна, величина сопротивления движению, полезная нагрузка ГЭУ и прогноз метеообстановки;
д) параметры испарения груза, режим работы установок повторного сжижения, текущее и прогнозное потребления топлива ГЭУ и вспомогательными ЭУ;
е) ледовая обстановка, метеопрогноз, параметры оледенения судна, режим движения и пр.
В целях повышения достоверности прогнозирования параметров СТС, в рассматриваемом модуле также осуществляется параллельное математическое моделирование режимов работы всех задействованных в системе СТС в прогнозе на различные сценарии развития контролируемых параметров, что позволяет спрогнозировать возможность развития опасных и аварийных ситуаций задолго до их фактического зарождения. Такая информация позволяет заблаговременно задействовать необходимые и целесообразные меры безопасности или активировать такие противоаварийные режимы функционирования СТС или решения по навигации, которые позволят минимизировать степень риска для экипажа, судна, окружающей среды или объектов морской инфраструктуры.
Такие меры могут представлять собой изменение маршрута, изменение режимов работы силовых установок, превентивную активацию вспомогательных систем, таких как система повторного сжижения груза, система антиобледенения и пр., а также выполнять оперативное техническое обслуживание СТС с целью повышения их эксплуатационной надежности или восстановления их работоспособности.
В состав системы также входит база знаний, в которой на основе статистических данных накапливается информация по возможным неблагоприятным и опасным ситуациям, а также оптимальным методам их предотвращения или разрешения. Такая база знаний имеет прецедентный характер и направления на нахождение оптимальных оперативных решений в повторяющихся ситуациях.
Используемый набор алгоритмов прогнозирования опасных и аварийных ситуаций включает в себя шесть модулей, каждый из которых отвечает за выполнение анализа соответствующих технологических процессов, связанных с переходом судна:
а) главная энергетическая установка (Main energy plant, MEP);
б) вспомогательные судовые технические средства (Additional marine hardware, (AMH));
в) состояние груза и параметры грузовой системы (Cargo systems, CS);
г) метеорологическая обстановка и ее прогноз (Meteorology, ME);
д) навигационная обстановка и ее прогноз, качка и волнение (Navigation, NAV);
е) движение во льдах, оледенение корпуса судна и механические нагрузки на корпус (Ice sailing, IS).
В общем виде блоки контроля и прогнозирования опасных и аварийных ситуаций предполагают одновременный автоматизированный анализ контролируемых показателей с выявлением соответствующих взаимных соотношений, характеризующих нарастание рисков возникновения неблагоприятных условий, в результате чего могут быть сформулированы соответствующие рекомендации судоводителю относительно необходимости коррекции параметров движения судна или активации бортовых систем борьбы с оледенением. В альтернативном случае соответствующие меры могут быть реализованы СППР самостоятельно, без вмешательства оператора.
Источники информации:
1. Заявка РФ 2016130260, опубл. 25.01.2018 Бюл. №3. «Способ обеспечения безопасности судов и система обеспечения безопасности судов».
2. Патент на полезную модель РФ: RU 114186 U1 от 10.03.2012, МПК G06F 17/00, «Автоматизированная система мониторинга технического состояния и поддержки принятия управляющих решений по повышению безопасности и надежности комплексов гидротехнических сооружений гидроэлектростанций и иных объектов».
3. Международная заявка: WO 2005109253 A1 от 17.11.2005, МПК, МПК G05B 13/04, G06F 11/00, G06F 17/50, «Способ компьютерного прогнозирования и оценки значений характеристик технической системы, посредством прогнозирующей модели».
4. Патент на изобретение РФ: RU 2668487 от 01.10.2018 г., МПК G06F 17/00, B63H 21/22, G05B 17/02 «Система информационной поддержки принятия управленческих решений для обслуживающего персонала судовой энергетической установки».