ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АНАЛИЗА РИСКОВ ПРИ МАНЕВРИРОВАНИИ ТАНКЕРОВ В ПОРТОВЫХ ВОДАХ

Техническое решение относится к судовождению и может быть использовано в средствах автоматического управления движением судов, в частности, при маневрировании танкеров в портовых водах.
Основные принципы построения систем автоматического управления движением судов (АУДС) и их обобщенные схемы приведены в известных источниках [5, 6]. Позднее был запатентован ряд устройств АУДС, позволяющих в той или иной мере расширить их функциональные возможности, повысить эффективность их использования и безопасность судовождения: авторулевой судна [7], устройства управления движением судна [4, 8, 9], многоцелевые корабельные системы управления [10, 12, 13], устройства для выбора оптимального маневра судна [14, 15], морской интеллектуальный тренажер [11], устройство [3], реализующее способ автоматической проводки судов, система автоматического управления движением судна [2], информационно-управляющий комплекс [1] для автоматизации судовождения.
Общим признаком известных устройств АУДС [3-5 и др.], как правило, является то, что они содержат блок измерения параметров движения судна, блок датчиков внешних воздействий, блок объектов управления, информационные выходы которых подключены к вычислительному блоку, а также блок управления, связанный информационно-управляющим входом-выходом с вычислительным блоком, управляющие выходы которого подключены к блоку объектов управления, при этом вычислительный блок выполнен с возможностью сравнения данных измерений текущих параметров движения судна с заданными программными значениями и формирования по результатам этого сравнения управляющих сигналов на блок объектов управления.
Однако, во всех известных устройствах АУДС [3, 4, 7-15] состав аппаратуры не является полным и оптимальным для реализации потенциальных функциональных возможностей [5].
Наиболее рациональным для корректной и эффективной практической применимости представляется информационно-управляющий комплекс [1] для автоматизации судовождения и динамического позиционирования судна по патенту RU 107124 U1, 10.08.2011, принятый за прототип. Устройство [1], являющееся модернизацией системы АУДС [2], реализует на базе средств современной вычислительной техники синергию совокупного применения аппаратуры ряда различных средств судовождения и полноты измерений внешних возмущающих воздействий.
В части модуля судоводителя система АУДС [1] содержит блок входных данных (БВД), блок моделирования (БМ), блок управления и контроля (БУК) и блок отображения и регистрации (БОР), причем управляющие входы-выходы блока управления и контроля БУК подключены к соответствующим входам-выходам блоков БВД, БМ и БОР, выходы БВД подключены к входам БМ и первому входу БОР, а выход БМ подключен к второму входу БОР.
При достаточно широких функциональных возможностях система АУДС [1], однако, не предусматривает автоматизированной комплексной экспертной оценки рисков. Такая оценка рекомендована к обязательной реализации инструкциями Международной Морской Организации ИМО и других международных организаций, но до настоящего времени процедуры «Оценка рисков» и «Управление рисками» не автоматизированы, носят слишком общий характер, практически не привязаны к повседневной деятельности судна и сводятся к формальному заполнению таблиц и контрольных бланков.
Практика судовождения показывает, что необходима разработка компьютерных экспертных систем с соответствующим программным обеспечением [5], в том числе экспертных систем для анализа рисков при маневрировании танкеров в портовых водах.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании компьютерной экспертной системы для анализа рисков, основанной на математической модели анализа рисков (ММАР), которая обеспечила бы надежное формирование комплексных критериев безопасности для любых условий плавания при планировании заходов танкеров в порты и при маневрировании в портовых водах.
Основной технический результат - повышение надежности безопасного мореплавания посредством оперативной автоматизированной комплексной оценки ситуации, повышение точности расчетов коэффициентов (параметров) навигационной безопасности при относительной простоте компьютерного расчета коэффициентов безопасного плавания судна на различных участках акватории и в порту в целом, наглядность результатов оценки ММАР в реальном масштабе времени.
Синергия достоинств экспертной системы анализа рисков для безопасности плавания позволяет использовать ее в практике судовождения непосредственно на судах (в составе систем АУДС), на различных уровнях управления портов, а также в судоводительских тренажерах учебных центров.
Технический результат достигается следующим образом.
Экспертная система для анализа рисков при маневрировании танкеров в портовых водах содержит блок входных данных (БВД), блок моделирования (БМ), блок управления и контроля (БУК) и блок отображения и регистрации (БОР), причем управляющие входы-выходы блока управления и контроля БУК подключены к соответствующим входам-выходам блоков БВД, БМ и БОР, выходы БВД подключены к входам БМ и первому входу БОР, а выход БМ подключен к второму входу БОР.
ПВ
ГМ
С
НАВ
МК
ПВ
ГМ
С
НАВ
МК
УЧ,i
порт
ПВ
ГМ
С
НАВ
МК
ПВ
ГМ
С
НАВ
МК
ПВ
ГМ
С
НАВ
МК
УЧ,i
ПОРТ
УЧ,i
Отличительными особенностями экспертной системы являются: блок входных данных БВД включает базу данных по структуре портовых вод БД, базу данных по гидрометеорологическим параметрам порта БД, базу данных по характеристикам судна и его управляемости БД, базу данных по техническим средствам и методам судовождения БД, базу данных по организации работы мостика и профессиональной подготовке капитана БД. Блок моделирования БМ включает формирователь модели (ФМ) коэффициента навигационной безопасности (КНБ) по структуре портовых вод К, ФМ КНБ по гидрометеологическим параметрам К, ФМ КНБ по характеристикам судна и его управляемости К, ФМ КНБ по факторам риска, связанным с техническими средствами и методами судовождения К, ФМ КНБ по факторам риска, связанным с организацией работы мостика и профессиональной подготовкой капитана К, а также ФМ КНБ каждого i-го участка фарватера порта К, ФМ интегрального КНБ порта в целом К. Причем входы ФМ значений К, К, К, К, К подключены соответственно к выходам баз данных БД, БД, БД, БД, БД, выходы ФМ К, К, К, К, К подключены к входу ФМ КНБ каждого i-го участка фарватера порта К выход которого подключен к входу ФМ интегрального КНБ порта в целом К и к третьему входу БОР. При этом экспертная система для анализа рисков дает оценку КНБ каждого i-го участка фарватера порта К в соответствии с выражением
ПВ
ГМ
С
i
НАВ
МК
i
ПОРТ
где величина (К·К·К) характеризует воздействие внешних факторов и не зависит от организации работы мостика и капитана, величина (К·К) характеризует организацию работы мостика и профессиональную подготовку капитана, а для анализа интегрального риска порта в целом, включающего n участок, экспертная система дает оценку КБН К в соответствии с выражением
i
где X - длина каждого i-того участка фарватера порта, i=1, 2, …, n.
ПВ
ПВ
Отличием экспертной системы также является то, что ФМ КНБ по структуре портовых вод К выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД алгоритм в соответствии с выражением
где j=1, 2, …, 6 - номер параметра КНБ (фактора риска) по структуре портовых вод;
1
К - КНБ по глубине фарватера;
2
К - КНБ по ширине фарватера;
3
К - КНБ по криволинейному фарватеру;
4
К - КНБ по ширине фарватера (канала) при двустороннем движении судов;
5
К - КНБ продольной (по длине) зоны навигационной безопасности (ЗНБ);
6
К - КНБ по ширине ЗНБ;
j
P - вес каждого j-того параметра (фактора риска), зависящий от условий плавания в заданном порту.
ГМ
ГМ
Кроме того, система отличается тем, что ФМ КНБ по гидрометеологическим параметрам К выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД алгоритм в соответствии с выражением
ОВ
где К - КНБ по ограниченной видимости;
ВВ
К - КНБ в зависимости от ветра и волнения;
Т
К - КНБ по воздействию течений.
С
С
Система также отличается тем, что ФМ КНБ по факторам риска К, связанным с судном и его управляемостью, выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД алгоритм в соответствии с выражением
где s=1, 2, 3 - номер фактора риска КНБ;
1
К - КНБ по факторам риска в зависимости от размеров судна (тоннажа);
2
К - КНБ по безопасной (оптимальной) скорости судна;
3
К - КНБ по отказам критически важного судового оборудования;
s
P - вес параметра (фактора риска).
НАВ
НАВ
При этом особенностью системы является то, что ФМ КНБ по факторам риска К, связанным с техническими средствами и методами судовождения, выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД алгоритм в соответствии с выражением
где r=1, …, 4 - номер фактора риска КНБ;
1
К - КНБ по визуальным методам определения места судна;
2
К - КНБ по радиолокационным (РЛС) методам;
3
К - КНБ по системам спутниковой радионавигации;
4
К - КНБ по электронным картам;
r
P - вес фактора риска.
МК
МК
Отличие системы также заключается в том, что ФМ КНБ по факторам риска К, связанным с организацией работы мостика и профессиональной подготовкой капитана выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД алгоритм в соответствии с выражением
где m=1, 2, …, 5 - номер фактора риска КНБ;
1
К - КНБ по техническому оснащению мостика и кадровому составу команды судна;
2
К - КНБ по буксирному обеспечению судна;
3
К - КНБ по фактору риска взаимоотношений капитана судна с лоцманом в процессе лоцманской проводки;
4
К - КНБ по факторам риска, связанным с системой контроля и управления судоходством в порту;
5
К - КНБ по индивидуальному фактору риска капитана;
m
P - вес параметра (фактора риска).
При этом оценка сложности С маневрирования в портовых водах выносится экспертной системой в соответствии с выражением
ф
где К - фактическое значение КНБ порта;
max
K - максимальное значение КНБ в близких к идеальным условиям плавания, а условия для плавания классифицируются как «идеальные» при C=0,0÷0,2, как приемлемые при C=0,2÷0,6 и как неприемлемые при C=0,6÷1,0.
В конкретных случаях реализации системы она может быть выполнена в виде автоматизированного рабочего места оператора, и в качестве блоков БВД, БМ, БУК и БОР могут быть использованы стандартные вычислительные блоки, входящие в состав компьютерной системы или персональный компьютер.
Предлагаемая экспертная система может входить составной частью в модуль судоводителя автоматизированных комплексов управления движением судна или в судоводительский тренажер.
На чертеже приняты представлена общая конструктивная схема экспертной системы для анализа рисков при маневрировании танкеров в портовых водах, где приняты следующие обозначения:
1 - блок входных данных БВД;
2 - блок моделирования БМ;
3 - блок управления и контроля БУК;
4 - блок отображения и регистрации БОР;
ПВ
5 - БД - база данных по структуре портовых вод;
ГМ
6 - БД - база данных по гидрометеологическим параметрам порта;
С
7 - БД - БД по характеристикам судна;
НАВ
_
8 - БД БД по техническим средствам судовождения;
МК
9 - БД - БД по работе мостика и подготовке капитана;
ПВ
10 - формирователь модели (ФМ) КНБ К;
ГМ
11 - ФМ КНБ К;
С
12 - ФМ КНБ К;
НАВ
13 - ФМ КНБ К;
МК
14 - ФМ КНБ К;
УЧ,i
15 - ФМ КНБ К;
ПОРТ
16 - ФМ КНБ К;
Работа экспертной системы для анализа рисков при маневрировании танкеров в портовых водах, являющейся компьютерной системой обработки данных, основанной на математической модели анализа рисков ММАР, заключается в следующем.
ПВ
ГМ
С
НАВ
МК
ПВ
ГМ
С
НАВ
МК
Данные с выходов БВД 1 (с выходов БД5, БД6, БД7, БД8, и БД9) поступают на соответствующие входы блока моделирования БМ2 (на ходы формирователей 10-14 моделей коэффициентов навигационной безопасности ФМ КНБ: К, К, К, К и К, которые формируют адекватные модели КНБ:
- по структуре портовых вод в соответствии с выражением (3);
- по гидрометеологическим параметрам в соответствии с выражением (4);
- по факторам риска, связанным с судном и его управляемостью, в соответствии с выражением (5);
- по факторам риска, связанным с техническими средствами и методами судовождения, в соответствии с выражением (6);
- по факторам риска, связанным с организацией работы мостика и профессиональной подготовкой капитана, в соответствии с выражением (7).
При этом каждый из отдельных КНБ, определяемых по выражениям (3)-(7) может быть дополнительно представлен в виде, аналогичном (7), в зависимости от факторов риска второго уровня, например КНБ по факторам риска, связанным с системой контроля и управления судоходством в порту может быть представлен в виде (7) в зависимости от следующих факторов риска: КНБ по точности, по временным параметрам, по качеству работы, по удобству (языку) общения, по оперативности получаемой информации.
УЧ,i
ПОРТ
По данным ФМ 10-14 формирователь 15 модели КНБ К каждого участка фарватера порта дает оценку в соответствии с выражением (1), а для анализа итогового (интегрального) риска порта в целом формирователь 16 модели КНБ К Дает оценку в соответствии с выражением (2). Блок 3 БУК служит для управления и контроля блоков БВД1, БМ2 и БОР4. Блок 4 ЮОР является устройством визуализации, хранения и вывода текстовой (значения БД 5-9, ФМ КНБ 10-16) и графической информации. Блок 4 БОР, аналогично [1, 2] может включать лазерный струйный принтер, графопостроитель-плоттер цифровых электронных карт в заданном масштабе и в заданной системе координат, а также устройство магнитной записи данных, выполненное в виде магнитно-оптического накопителя. При этом посредством блока 4 БОР может быть проведена экспертная оценка сложности маневрирования в портовых водах согласно выражению (8) и классификация условий плавания («идеальные», приемлемые, неприемлемые).
В конкретных случаях реализации системы она может быть выполнена в виде автоматизированного рабочего места оператора, и в качестве блоков БВД, БМ, БУК и БОР могут быть использованы стандартные вычислительные блоки, входящие в состав компьютерной системы или персональный компьютер.
Предлагаемая экспертная система, реализующая ММАР может входить составной частью в модуль судоводителя автоматизированных комплексов управления движением судна или в судоводительский тренажер.
Практическое опробование автоматической технологии ММАР с помощью предложенной экспертной системы, проведенное на судах танкерного флота РФ в 2010-2013 г.г. подтвердило указанный технический результат и адекватность рекомендациям ИМО.
Таким образом, из формулы и из описания системы и ее работы следует, что достигается ее назначение с указанным техническим результатом, который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков технического решения.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. RU 107124 U1, 10.08.2011 (прототип).
2. RU 2463205 C2, 10.10.2012 (аналог).
3. RU 2277495 C1, 10.06.2006. (аналог).
4. RU 2150409 C1, 10.06.2000 (аналог).
5. Золотов В.В., Фрейдзон И.Р. Управляющие комплексы сложных корабельных систем. - Л.: Судостроение, 1986. - 232 с. (аналог: с. 64-73, рис. 3.2).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
6. Родионов А.И., Сазонов А.Е. Автоматизация судовождения. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1983. - 216 с. (с. 120-126).
7. JP 62-34597, 28.07.1987.
8. SU 1150155 A, 15.04.1985.
9. SU 979204 A, 07.12.1982.
10. RU 45032 U1, 10.04.2005.
11. RU 2251157 C2, 27.04.2005.
12. RU 23514 U1, 20.06.2002.
13. RU 2163392 C1, 20.02.2001.
14. RU 16875 U1, 20.02.2001.
15. RU 16879 U1, 20.02.2001.