СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
METHOD OF OPERATIONAL CONTROLLING VESSEL STABILITY IN EMERGENCY SITUATIONS

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам контроля остойчивости судна в условиях эксплуатации, и может быть использовано при создании бортовых интеллектуальных систем обеспечения безопасности мореплавания.
Наиболее близкими техническим решением является способ автоматизированного управления проектированием бортовых интеллектуальных систем (БИС) по патенту №2502131 от 20.12.2013 на основе интеллектуальных технологий, методов динамической теории катастроф и высокопроизводительных средств вычислений, при реализации которого генерируют варианты функциональной и организационной структуры системы управления (СУ) БИС на основе принципов формализации логической системы знаний в условиях неопределенности и неполноты исходной информации, выполняют оценку результатов генерации концептуальных решений на основе критериев обеспечения безопасности мореплавания, определяющих требования национальной и международной систем нормирования, моделируют режимы функционирования СУ БИС на основе репозитория сервисов, принципов обработки информации в мультипроцессорной вычислительной среде и методов теории катастроф, проверяют соответствие параметров состава и структуры СУ БИС заданным критериям и входным характеристикам, при несоответствии корректируют входные характеристики СУ БИС и повторяют процесс проектирования, при соответствии разрабатывают техническую документацию и производят общую оценку информационной эффективности принятого решения.
Недостатком этого способа является отсутствие функциональных блоков, интегрирующих стратегию оценки остойчивости, выработку управляющих воздействий, оперативный контроль и оценку риска принимаемых решений при обеспечении безопасности судна в чрезвычайных ситуациях с учетом особенностей структуры волнового поля и ветровых порывов на основе стратегии динамической теории катастроф, что в целом снижает достоверность оценки остойчивости в условиях эксплуатации.
Техническим результатом изобретения является повышение безопасности плавания судна в чрезвычайной ситуации путем повышения достоверности и эффективности оценки остойчивости судна при оперативном контроле параметра.
Технический результат достигается тем, что при анализе и прогнозе остойчивости судна в чрезвычайных ситуациях СУ БИС дополняется функциональными блоками, обеспечивающими генерацию различных вариантов развития чрезвычайной ситуации, выработку управляющих воздействий и оценку риска принимаемых решений на основе стратегии динамической теории катастроф в зависимости от особенностей внешних возмущений, обусловленных реальной структурой волнового поля и порывами ветра в виде импульсных воздействий в заданном районе эксплуатации.
Функциональная схема, реализующая предлагаемый способ оперативного контроля остойчивости в чрезвычайных ситуациях, представлена на фиг. 1. Схема включает 9 основных блоков, функционирующих на основе концепции СУ БИС и 3 блока, обеспечивающих реализацию технических решений при контроле остойчивости в чрезвычайных ситуациях: 1 - блок функциональной модели программной среды; 2 - концептуальный блок; 3 - блок моделирования и визуализации; 4 - блок информационной среды анализа альтернатив и принятия решений; 5 - блок управления процессом проектирования; 6 - блок, реализующий изготовление технической документации; 7 - блок выбора и реализации решений; 8 - блок оценки решений, полученных в блоке 7; 9 - блок оценки эффективности решения; 10 - блок, содержащий нечеткую формальную систему контроля остойчивости на основе динамической теории катастроф; 11 - блок выработки управляющих воздействий системы интеллектуальной поддержки; 12 - блок оценки риска принимаемых решений.
Рассмотрим характеристику блоков 10-12, поскольку описание блоков 1-9 приведено в патенте №2502131.
Блок 10 содержит функциональные элементы нечеткой формальной системы, реализующие стратегию оценки остойчивости при движении к целевому аттрактору и при потере остойчивости и возникновении катастрофы на основе фрактальных структур и аттракторных множеств отображения динамики взаимодействия судна с внешней средой. Выполнение операций по оценке остойчивости судна в блоке 10 осуществляют при взаимодействии с блоком 3 моделирования и визуализации, а результаты оценки передают в блок 11.
Блок 11 выработки управляющих воздействий системы интеллектуальной поддержки оператора БИС функционирует на основе синергетической теории управления и стратегии, выработанной в блоке 10, с использованием сервиса фрактальных образов в зависимости от особенностей текущей ситуации и режима функционирования системы интеллектуальной поддержки, которую осуществляют в рамках алгоритмического контура программного и адаптивного управления и контура самообучения системы. Работа блока 11 выполняется совместно с блоком 5 управления процессом проектирования и блоком 8 оценки решений, а результаты формирования управляющих воздействий передают в блок 12.
Блок 12 осуществляет оценку риска принимаемых решений на основе нечеткой интерпретации управляющих воздействий, вырабатываемых в блоке 11, а полученные данные передают в блок 9 оценки эффективности решений.
Алгоритм оперативного контроля остойчивости в чрезвычайной ситуации на базе СУ БИС состоит в выполнении следующих шагов:
Шаг 1. На основе интеллектуальных технологий, методов динамической теории катастроф и высокопроизводительных средств вычислений выполняют операции по реализации алгоритма обработки информации на основе СУ БИС в соответствии с последовательностью действий, определенной функциональной схемой системы.
Шаг 2. Формируют элементы нечеткой формальной системы (фиг. 2), которую задают в виде матрицы переходов. Строками матрицы являются пары
Si
i
j
i
j
где μ - функции принадлежности (ФП), задающие нечеткую формальную систему; <T, S> - пара, определяющая максиминную операцию на основе композиционного правила вывода; T - оператор минимума (конъюнкция); S - оператор максимума (дизъюнкция).
k
p
Пересечение строки μS и столбца μS матрицы переходов обозначают символом «X», что указывает на возможность выполнения максиминной операции для нечеткой модели оценки чрезвычайной ситуации
i
D
представленной в виде множества d∈D с ФП μ
i
Шаг 3. Реализуют стратегию управления судном при движении к целевому аттрактору и при потере остойчивости и возникновении катастрофы. Анализ выполняют с использованием фрактальных структур и аттракторных множеств отображения динамики взаимодействия судна с внешней средой в чрезвычайной ситуации. Фрактальную структуру реализуют в виде эллипса и отображают на основе данных об изменении диаграммы остойчивости в процессе развития чрезвычайной ситуации. Анализ ведут на основе фактической информации о состоянии остойчивости в рассматриваемый момент времени. Аппроксимацию информационного вектора R в виде ординат диаграммы остойчивости осуществляют с помощью эллиптической структуры (фиг. 3) методом многокритериальной оптимизации (Δ - отклонения ординат вектора R от огибающего эллипса).
0
k
Графическая интерпретация функционирования системы реального времени представлена на фиг. 3. Последовательность операций алгоритма предусматривает процедуры преобразования фрактальных отображений на интервале реализации [t, t]: A - общая фрактальная структура эллиптической модели; B - структура управляющих воздействий X* в виде прямоугольников в плоскости XZ; C - временная последовательность (Δt, 2Δt, …, NΔt), отображающая изменение ординат диаграммы остойчивости GZ(θ,t) в плоскости YZ и уровень интеллектуальной поддержки в плоскости XZ, а символы 1, 2, …, N фиксируют текущее время развития ситуации на интервале реализации. Если используют пространственную реализацию функции GZ(θ,ϕ,t), то по оси X принимают курсовой угол ϕ, а вдоль оси Y последовательность эллипсоидов, отображающих эволюцию системы.
0
k
Область Ω формирования фрактальной структуры Ф определяют как множество состояний системы «судно - внешняя среда» на интервале реализации [t, t]
0
N
где Ф - начальное состояние фрактальной структуры; Ф - конечное состояние, определяющее следующие условия:
где Stab(Attr), Cap(Attr) - области притяжения аттрактора в случае стабильного состояния системы и возникновения катастрофы.
Типичным аттрактором при оценке остойчивости в чрезвычайной ситуации является устойчивый A и неустойчивый B предельный цикл (фиг. 4), формируемые в зависимости от особенностей динамики судна на интервале реализации.
При разработке структурных отображений внешней среды используют универсальное программное средство, позволяющее реализовать механизмы, обеспечивающие генерацию характеристик внешней среды для заданного района возникновения чрезвычайной ситуации. В основу имитации сложных, в том числе разрывных и нестационарных процессов, положен инструмент численного моделирования систем, характеризующихся сложным взаимодействием непрерывной и дискретной компонент. Имитатор внешних воздействий реализует многопиковый спектр волнения в рамках концепции «климатического спектра» и нестационарное ветровое воздействие в виде импульсного моделирования непрерывных случайных процессов.
Шаг 4. Формулируют общую структуру исходной информации при оценке остойчивости в чрезвычайной ситуации на основе семантической сети, с помощью которой дается описание задач динамики системы «судно - внешняя среда» и методов их решения
A
K
S
где X - данные о текущей ситуации, X - результаты, получаемые на основе анализа имеющейся информации о поведении судна, X - данные о задаче интерпретации и результатов ее анализа.
C
PR
S
PR
S
PR
PR
j
j
S
PR
Шаг 5. Осуществляют отображение интегрированной модели нечеткой формальной системы в виде сценариев взаимодействия в чрезвычайной ситуации, описываемых конечным графом G=(S,P), где S - стратегии прогнозирования; P - переходы между ними. Представляя S в виде объединения стратегий (S)t и моментов управления t, реализуют P как структуру, описывающую переходы между стратегиями с помощью отображений множества S. Операции на основе шагов 1-5 выполняют совместно с блоком 5 моделирования и визуализации, а результаты передают в блок 11.
k
Шаг 6. Вырабатывают управляющие воздействия системы интеллектуальной поддержки оператора БИС на основе синергетической теории управления с использованием сервиса фрактальных отображений в зависимости от особенностей текущей ситуации. Реализацию системы интеллектуальной поддержки осуществляют в рамках алгоритмического контура программного и адаптивного управления и контура самообучения. Управляющие воздействия в алгоритмическом контуре программного управления формируют автоматически на основе нечеткой формальной системы, а в алгоритмическом контуре адаптивного управления с использованием формализованных знаний и опыта управления. Контур самообучения функционирует с использованием текущей и накопленной информации в нештатных ситуациях и обеспечивает оперативный контроль управления судном в сложной динамической среде. Формальные процедуры, обеспечивающие выработку управляющих воздействий при контроле остойчивости в чрезвычайных ситуаций в виде отображения f: G→R задают системой функций
i
1
n
0
k
0
где функции f(x, …, x), i=1, …, k, определенные в графе сценариев G в виде компонент отображения C на интервале реализации [t, t]
Для заданных ограничений на выработку управляющих воздействий в виде
формируют условия движения системы к целевому аттрактору на основе динамической модели катастроф
d
k
d
k
Анализ сводится к исследованию остойчивости для модели взаимодействия при заданных внешних возмущениях. При этом множество достижимости τ стабильного состояния системы определяют из условия X∈τ, где X - множество исходных данных, формируемых на основе вектора измерений.
Шаг 7. Осуществляют геометрическую интерпретацию развития чрезвычайной ситуации путем построения аттракторов и фрактальных отображений в процессе эволюции системы «судно - внешняя среда». Структура аттракторов и фрактальных отображений определяется особенностями динамики судна при стабилизации ситуации за счет эффективности управляющих воздействий и при потере остойчивости и возникновении катастрофы в случае недостаточной их эффективности. Типичные картины фрактальных отображений при контроле остойчивости в чрезвычайных ситуациях в виде Ω(X), где X - рассматриваемая характеристика остойчивости, представлены на фиг. 5. Эволюцию фрактальной структуры определяют с помощью функции интерпретации
a
где F(/A), F(b/B), F(c/C) - функции, описывающие элементы динамики судна в чрезвычайной ситуации на входе, выходе и при описании фрактальной структуры в виде преобразования
0
где τ/T - целевой аттрактор, движение к которому формируется с использованием процедур интеллектуальной поддержки. Результаты выполнения шагов 6 и 7 выполняют совместно с блоками управления процессом проектирования 5, оценки решения 8 и передают в блок 12 оценки риска.
Шаг 8. Производят оценку риска принимаемых решений в блоке 12 на основе нечеткой интерпретации чрезвычайных ситуаций, вырабатываемых в блоке 11. Процедуру оценки риска в общей формуле R=A⋅P определяют как
R
A
P
где R, А и Р - нечеткие числа; μ(z), μ(x), μ(y) - функции принадлежности, элементов (z, x, y) к нечетким множествам R, А, Р; ⊗ - операция расширенного произведения нечетких чисел; ∧ и ∨ - операции конъюнкции и дизъюнкции.
t
m
k
k
Полученные результаты блока 12 передают в блок 9 оценки эффективности решения на основе процедуры, позволяющей из множества целевых состояний (альтернатив) {S} сформировать обобщенный вектор конечного состояния S в соответствии со стратегией F
θ
θ
G
Go
Примером реализации способа оперативного контроля остойчивости в чрезвычайной ситуации в рамках СУ БИС является алгоритм интерпретации остойчивости в условиях интенсивного затопления отсеков поврежденного судна на волнении. Поведение системы «судно - внешняя среда» рассмотрим в виде эллиптического отображения модифицированной катастрофы сборки (фиг. 6 и 7). Представим картины взаимодействия аварийного судна с внешней средой в виде двух сценариев, характеризующих развитие текущей ситуации в зависимости от безразмерного времени t/τ (τ - характерный временной интервал), относительного положения центра масс (ЦМ) Z/Z и вероятности опрокидывания P(t) аварийного судна на волнении.
1
3
Первый сценарий характеризует развитие и стабилизацию чрезвычайной ситуации в процессе выработки управляющих воздействий (фиг. 6). Динамический образ этой ситуации GZ(θ,t) представлен в виде фрактала, отображающего процессы «сжатия» и «расширения» исследуемого пространства взаимодействия в рамках синергетической теории управления. Точки G, …, G фиксируют перемещения ЦМ в процессе развития чрезвычайной ситуации, а бифуркационное множество B(θ,t) отображает перемещение метацентрической эволюты. Затененные области GZ(θ,t) характеризуют эллиптическое множество, отображающее динамическую среду при движении системы «судно - внешняя среда» к целевому аттрактору.
0
1
2
3
1
Интерпретация ситуации (фиг. 6) дает следующие результаты. В момент появления пробоины система постепенно перемещается по указанной траектории из состояния G в точки G, G, G. При этом значительно уменьшается область GZ(θ,t) и восстанавливающий момент M(θ). В результате аварийное судно оказывается в критическом состоянии с углом θ, поскольку интенсивные внешние возмущения могут привести к опрокидыванию. После проведения мероприятий по стабилизации ситуации на основе управляющих воздействий система возвращается в область, указанную последовательностью точек над сплошной кривой. При этом остается незначительный неуравновешенный крен, определенный пересечением верхней пунктирной кривой с осью абсцисс.
0
1
4
0
Второй сценарий определяет ситуацию потери остойчивости (фиг. 7). В этом случае система «судно - внешняя среда» совершает сложную эволюцию, непрерывно перемещаясь из исходной точки G в состояния G, …, G. При этом значительно уменьшается область GZ(θ,t) и восстанавливающий момент М(θ). В результате аварийное судно оказывается в критическом состоянии, поскольку интенсивные внешние возмущения могут привести к опрокидыванию (вероятность опрокидывания P(t)→0). Из-за постоянного поступления внутрь корпуса больших масс воды происходит непрерывное изменение динамики судна. Точка G (фиг. 7) соответствует более высокому положению ЦМ по сравнению с ситуацией на фиг. 6, а диаграмма остойчивости характеризуется кривой М(θ), свидетельствующей о чрезвычайно низкой сопротивляемости судна при восприятии кренящих нагрузок. В случае фильтрации воды в соседние отсеки положение аварийного судна еще более ухудшается и требует срочного принятия решений по стабилизации ситуации на основе формирования управляющих воздействий с помощью логического вывода по прецеденту и данных, накопленных в процессе эксплуатации.
Реализация способа оперативного контроля остойчивости, обеспечивающего обработку информации в чрезвычайной ситуации, осуществляется на основе программного комплекса СУ БИС, позволяющего исследовать остойчивость при взаимодействии судна в сложной динамической среде. Техническим средством, обеспечивающим функционирование системы реального времени, является многопроцессорный вычислительный комплекс, используемый в СУ БИС. При проведении имитационного моделирования остойчивости судна в чрезвычайной ситуации используются имитаторы внешних воздействий и интеллектуальные датчики.