Управление группой судов в ситуации опасного сближения

СУДОВОЖДЕНИЕ И БЕЗОПАСНОСТЬ НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ

УДК 656.61.052.484 И. А. Бурмака.

канд. техн. наук, доцент, Одесская национальная морская академия;

А. Ю. Булгаков,

ассистент,

Одесская национальная морская академия

УПРАВЛЕНИЕ ГРУППОЙ СУДОВ В СИТУАЦИИ ОПАСНОГО СБЛИЖЕНИЯ

MANAGEMENT OF THE GROUP OF VESSEL IN THE SITUATION OF DANGEROUS APPROACH

Рассмотрены основные вопросы управления группой судов в ситуации опасного сближения с помощью систем управления движением судов. Предложена процедура формирования группы взаимодействующих судов с помощью методов п-управляемых динамических систем, для чего рассмотрены ситуационные возмущения, возникающие между судами, которые являются элементами матрицы возмущения. Показано, что при компенсации ситуационного возмущения пары судов, характеризуемого элементом матрицы возмущения, возможна реализация одного из тех типов парной стратегии расхождения, когда маневр осуществляется одним из судов при неизменных параметрах движения другого и при одновременном маневре обоих судов. Приведен способ формирования стратегии компенсации возникающих ситуационных возмущений, минимизирующий число маневрирующих судов с обеспечением максимального уровня безопасности процессарасхождения.

The basic questions of management of the group of vessels in the situation of dangerous approach by the vessel traffic control systems are considered. The intensity of situational disturbances is connected with the areas of mutual responsibilities of interacting vessels and the choice of dual strategies of divergence is determined by the corresponding element of disturbance matrix. It is shown that in case of compensation of situational disturbance between two vessels, 'which is characterized by the disturbance matrix element, it is possible to implement one of those types of dual divergence strategies when the maneuver is done by one vessel 'with the same motion parameters ofthe other and when the maneuver is simultaneously done by both vessels. The method of creating the compensation strategy of situational disturbances arising between vessels, which minimizes the quantity of maneuvering ships providing best safety level of the divergence process, was shown.

Ключевые слова: предупреждение столкновений, ситуационное возмущение, стратегия расхождения.

Key 'words: 'warning of collisions, situation indignation, strategy of divergence.

О

ДНОЙ из важнейших проблем судовождения при плавании судов в стесненных условиях является проблема предупреждения столкновений судов, решению различных аспектов которой посвящены многочисленные работы ученых из разных стран [1] - [12]. Так, в работе [1] предпринята попытка решения задачи расхождения судов методами теории оптимальных дискретных процессов. В работе [2] на начальном этапе исследований рассматривается концепция формализации процесса расхождения судна с несколькими целями методами теории оптимального управления с учетом требований МППСС-72, дальнейшее развитие которой нашло свое отражение в работе [3] и производилось в направлении использования методов позиционных дифференциально-разностных игр. Работы [4], [5] посвящены применению метода нелинейной интегральной инвариантности для описания процесса расхождения судов и создания системы предупреждения их столкновений.

Выпуск 6,

(Выпуск 6

Подход к решению задачи выбора оптимального маневра судна при расхождении методами теории оптимальных дискретных процессов предложен сотрудниками Томского университета А. М. Куликовым и В. В. Поддубным в работе [6]. Безопасное расхождение судна в стесненных условиях маневром изменения скорости и расчет его параметров рассмотрены в работах [7], [8]. В работе [9] отмечается, что повышение эффективности предотвращения столкновений в настоящее время может достигаться созданием как новых алгоритмов, так и интеллектуальных систем. В работе для расхождения применяется одна стратегия - смещение на параллельную линию пути под тем или иным углом к линии исходного курса. Из множества возможных вариантов такой стратегии находится оптимальная по критерию, отражающему требования к безопасности, заблаговременности, заметности и экономичности маневра для предотвращения столкновения.

Понимание содержания автономной судовой системы уклонения от столкновения СА (Collision avoidance) и ее теоретическое обоснование дано в работе [10]. Совместно с алгоритмом по уклонению от столкновения дополнительно рассмотрены познавательные возможности человека и Правила уклонения от столкновения COLREG. С учетом факторов, влияющих на процесс уклонения от столкновения, рассматриваются требования к автономной навигации. Эти факторы способен оценить человек, осуществляя управление судном на удовлетворительном уровне, однако принятые решения являются субъективными и могут быть ошибочными, в результате чего может произойти столкновение.

Исследования по автоматизации управления судном могут быть представлены в классической или компьютерной категории. Классическая техника основана на математических моделях и алгоритмах. Программы основаны на использовании искусственного интеллекта А1 (Artificial Itelligence). Областью А1 для систем автономного уклонения от столкновения, рассматриваемых в статье, являются эволюционные алгоритмы, логика фуззи {Fuzzi Logic), экспертные методы, нейросеть NN (Neural Networks) и комбинация этих методов - гибридные системы (Hybrid System).

В работе [11] рассматриваются игровые подходы в навигационных математических моделях безопасного управления судами, а также обсуждается приложение методов теории игр для автоматизации регулирования процессов перемещения судов. Приведено определение понятия контрольной цели, описание базовой и аппроксимированной моделей многоступенчатой позиционной многошаговой матричной игры безопасного управления судна в ситуациях опасного сближения. В работе [12] с помощью методов «-управляемых динамических систем разработан аналитический аппарат теории гибких стратегий расхождения судов, учитывающий существенные факторы, влияющие на процесс расхождения.

Целью статьи является выявление принципов управления группой судов в ситуации возникновения угрозы столкновения с помощью систем безопасного управления движением судов.

Множество опасно сближающихся судов целесообразно описать как динамическую «-управляемую систему Е [12]. Наличие и степень опасности столкновения пары судов формализуется понятием ситуационного возмущениясо природа которого заключена в прогнозируемом попадании судов в область недопустимых позиций. Взаимодействие всего множества судов характеризуется матрицей ситуационного возмущения Wbn, элементом которой является характеристика ситуационного возмущенияот..

Ситуационное возмущение переводит динамическую систему Е из невозмущенного системного состояния в возмущенное. Общая стратегия компенсации ситуационного возмущения предусматривает перевод динамической системы Е в начальное невозмущенное состояние путем уничтожения в структуре системы связей взаимодействия между судами, возникающими в результате опасного сближения.

Рассмотрим управление динамической системы Е внешним управленцем Е (полное управление), который наблюдает матрицу Wbn и при наличии ситуационного возмущения переводит динамическую систему в невозмущенное состояние общей стратегией, включающей необходимое минимальное число управлений судами матрицы. Таким управленцем может быть система

управления движением судов (СУДС), которая по матрице ситуационного возмущения Wbn определяет общую стратегию расхождения Gn = {gp g2, ... g., ... gя}, состоящую из стратегий g. судов динамической системы Е а затем каждому из взаимодействующих судов сообщается его частная стратегия как компонента общей. Все взаимодействующие суда реализуют предписанные частные стратегии g в результате чего опасность столкновения между судами системы исчезает. Очевидно, что развитие принципов полного управления динамической системой Е внешним управленцем Е является одним из наиболее перспективных направлений снижения аварийности в стесненных условиях плавания.

Предположим, в стесненном районе плавания имеется некоторое конечное множество судов Мп0, из которого необходимо сформировать динамическую систему Е число судов которой равно или меньше числа судов исходного множества Мп0, т.е. Е с Мп0. Так как суда множества перемещаются и их относительные позиции изменяются, структура динамической системы Е и матрица ситуационного возмущения Wbn являются функцией времени t, т.е. Е (О и W (t). С учетом того, что структура динамической системы Е изменяется во времени, управление системой Е требует наблюдения за ее состоянием (структурой и матрицей Wbi) в некоторый момент времени t и прогноза состояния в течение некоторого интервала времени At при условии, что все не зависящие от времени характеристики системы остаются неизменными в течение данного интервала времени. Поэтому предполагается, что группа судов, составляющая динамическую систему Е в момент времени наблюдения tn сохраняется в течение интервала времени At а в очередной момент времени наблюдения t + At осуществляется контроль структуры системы Е и матрицы ситуационного возмущения.

Если внешним управленцем является СУДС, то основным принципом выделения группы взаимодействующих судов является учет их близости к СУДС, которым предписывается некоторый район Sc контроля и управления движущихся судов. Группой взаимодействующих судов являются суда, находящиеся в районе контроля и управления Sc и опасно сближающиеся с другими судами системы Е В этом случае размерность матрицы ситуационного возмущения Wbn определяется числом судов, находящихся в районе S а элементы матрицы, т.е. парные ситуационные возмущения судов, находятся по их относительным позициям и параметрам движения. Если судно покидает район S то оно исключается из группы взаимодействующих судов, а если, наоборот, входит в район S то оно включается в динамическую систему Е Относительное положение каждой пары судов и их параметры движения характеризуют ситуацию S возникающую для пары судов.

Для декомпозиции подмножества ситуаций опасного сближения Sm целесообразно, применив Правило 17 МППСС-72) [11], разбить подмножество Sm на три области: S' Sa2 и Sm3, так называемые области взаимных обязанностей. Причем ситуационные возмущения характеризуют принадлежность ситуации в начальный момент обнаружения опасного сближения к одной из областей S ..

OOZ

Интенсивность ситуационного возмущениясо связана с областями взаимных обязанностей следующим образом:

0, при Si е Ss;

1, пРи Si е sro1;

I-. = <

4 2, при Si е sro2;

А при s е sro3,

где Ss - подмножество безопасных ситуаций.

Если в матрице ситуационного возмущения Wbn имеются элементы со отличные от нуля, то для соответствующей пары судов с. и с существует угроза столкновения, предотвращение которой (компенсация ситуационного возмущения) требует выбора стратегии расхождения g.. = {g., g }. В общем случае парная стратегия расхождения g. предусматривает маневры каждого из взаимодействующих судов g и g, однако ситуационное возмущение может быть компенсировано манев-

Выпуск 6,

(Выпуск 6

МЕСТНИК

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

„МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

ром одного из судов при неизменных параметрах движения другого, т.е. (g., g/0) или (gj0, g^). Таким образом, стратегия расхождения пары судов g может быть реализована одной из трех составных стратегий. Следовательно, g.. ={(g., g) л (g., gjQ) л (gj0, g^)}.

Если в матрице ситуационного возмущения Wbn имеются ненулевые элементы со в одной строке или в одном столбце, это означает, что одно из судов одновременно опасно сближается с несколькими другими судами. Допустим, матрица Wbn содержит элементы со со ik и соis. Это означает, что судно с. опасно сближается с судами с, ск и cs, причем со = 0,со = О и соks = 0. Поэтому компенсация ситуационных возмущений со соik и соis возможна с применением стратегий gj = {(g,, gj) л (g,J\ gjo) л (gio, gj)}, gjk = {(g., gk) л (gjk\ gk 0) л (g,-o, gk)} и gis = {(gi,gs) л (g(s),gs0) л (gi0,gs)}. Следует отметить, что в каждой из них имеется составная стратегия самостоятельной компенсации ситуационного возмущения. Таким образом, стратегиями (g(), Gjo) р (g(k\gkо) и (g(s), gs0) судно с. может самостоятельно безопасно разойтись со всеми тремя судами, сохраняющими свои параметры движения. Если пересечение всех трех стратегий уклонения: g(), g() и g(s) существует, т.е. g(E) = {gp)Пg()Пg()'}ф0, то одной стратегией уклонения g(E) судно с. может компенсировать ситуационные возмущенияот,соik и со _ Если стратегии уклонения g(E) не существует (gpl =0), то следует аналогично проверить возможность компенсации ситуационных возмущений маневрами уклонения двух судов или, в крайнем случае, всех трех судов.

В ситуациях, когда судно опасно сближается с несколькими судами, наиболее предпочтительным является вариант компенсации возникших ситуационных возмущений общей стратегией уклонения одного судна. С увеличением числа судов, маневрами которых компенсируется ситуационное возмущение, предпочтение данной стратегии снижается.

При существовании нескольких стратегий расхождения маневрами одинакового числа судов более предпочтительной является стратегия, реализация которой требует меньшего уклонения маневрирующих судов от их программных траекторий движения [12]. При анализе матрицы ситуационного возмущения Win выявляются строки матрицы, содержащие элементы со Ф 0. Если элементов несколько, то находим стратегию g^Nих компенсации минимальным числом маневрирующих судов. Если в строке один ненулевой элемент <со то выбираем стратегию glv^ его компенсации маневром одного судна с большей скоростью. После анализа всех строк матрицы Wbn общая стратегия расхождения Оп = U gMN r, sfV содержит стратегии, позволяющие компенсировать ситуационные возмущения матрицы Wbn минимальным количеством взаимодействующих судов.

Выводы

Рассмотрен способ управления группой судов в ситуации опасного сближения и возникновения угрозы столкновения при полном внешнем управлении с помощью систем управления движением судов.

Предложена процедура формирования группы взаимодействующих судов и определения их матрица ситуационного возмущения, характеризующая интенсивность и уровень опасности возможных сближений.

Приведен способ определения совместной стратегии расхождения, который минимизирует число маневрирующих судов.

Список литературы

1. Куликов А. М. Оптимальное управление расхождением судов / А. М. Куликов, В. В. Поддубный. // Судостроение. - 1984. - № 12. - С. 22-24.

2. Фрейдзон И. Р. Моделирование корабельных систем управления: монография / И. Р. Фрейд-зон. - Л.: Судостроение, 1975. - 232 с.

ВЕСТИ IT

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВ^

3. Кудряшов В. Е. Математическая модель процесса расхождения нескольких управляемых объектов / В. Е. Кудряшов. // Известия ЛЭТИ. - 1976. - № 206. - С. 15-19.

4. Павлов В. В. Инвариантность и автономность нелинейных систем управления / В. В. Павлов. - Киев: Наукова думка, 1971. - 272 с.

5. Павлов В. В. Некоторые вопросы алгоритмизации выбора маневра в ситуациях расхождения судов / В. В. Павлов, Н. И. Сеньшин. // Кибернетика и вычислительная техника. - 1985. -№68. - С. 43-45.

6. Куликов А. М. Оптимальное управление расхождением судов / А. М. Куликов, В. В. Поддубный // Судостроение. - 1984. - № 12. - С. 22-24.

7. Сафин В. П. Использование маневра изменения скорости для предотвращения столкновения судов / В. И. Сафин, Е. Е. Тюпиков // Судовождение. - 2005. - № 10. - С. 143-147.

8. Тюпиков Е. Е. Анализ возможности расхождения судна с целью изменением скорости / Е. Е. Тюпиков // Судовождение. - 2006. - № 12. - С. 122-126.

9. Вагущенко Л. Л. Расхождение с судами смещением на параллельную линию пути: монография / Л.Л. Вагущенко. - Одесса: Феникс, 2013. - 180 с.

10. Statheros Thomas. Autonomous ship collision avoidance navigation concepts, technologies and techniques / Statheros Thomas, Howells Gareth, McDonald-Maier Klaus // J. Navig. - 2008. 61. - № 1. -P. 129-142.

11. Lisowski J. The dynamic game models of safe navigation / J Lisowski // Advances in Marine Navigation and Safety of Sea Transportation. - 2007. - P. 23-30.

12. Цымбал H. H. Гибкие стратегии расхождения судов / Н. Н. Цымбал, И. А. Бурмака, Е. Е. Тюпиков. - Одесса: КП ОГТ, 2007. - 424 с.

Рассмотрен вопрос определения навигационных рисков прохода судов подходного фарватера к порту Высоцк при различных гидрометеорологических условиях. Использованы методы, известные в теории вероятностей и математической статистике для оценки навигационных рисков. Оценку навигационных рисков буксировки предложено производить стохастическими методами, учитывая смещение центра величины судна и изменчивость маневренной полосы движения. Показано, что по результатам имитационного моделирования движения судна по фарватерам и подходным путям п. Высоцк

УДК 656.61

С. Н. Некрасов,

д-р техн. наук, профессор, ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова;

К. И. Ефимов,

ассистент,

ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;

Д. В. Трененков,

аспирант,

ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова

НАВИГАЦИОННЫЕ РИСКИ БУКСИРОВКИ СУДНА В СТЕСНЕННЫХ НАВИГАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

NAVIGATION RISKS TOWING IN CRAMPED NAVIGATIONAL CONDITIONS

Выпуск 6,