Экспертная система для анализа рисков при маневрировании танкеров в портовых водах

Использование: техническое решение относится к судовождению и может быть использовано в средствах автоматического управления движением судов, в частности, при маневрировании танкеров в портовых водах. Сущность: создание 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. 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. 8 з.п. ф-лы, 1 фиг.

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.

Отличительными особенностями экспертной системы являются: блок входных данных БВД включает базу данных по структуре портовых вод БД_ПВ , базу данных по гидрометеорологическим параметрам порта БД _ГМ, базу данных по характеристикам судна и его управляемости БД_С, базу данных по техническим средствам и методам судовождения БД_НАВ, базу данных по организации работы мостика и профессиональной подготовке капитана БД_МК . Блок моделирования БМ включает формирователь модели (ФМ) коэффициента навигационной безопасности (КНБ) по структуре портовых вод К _ПВ, ФМ КНБ по гидрометеологическим параметрам К_ГМ , ФМ КНБ по характеристикам судна и его управляемости К_С , ФМ КНБ по факторам риска, связанным с техническими средствами и методами судовождения К_НАВ, ФМ КНБ по факторам риска, связанным с организацией работы мостика и профессиональной подготовкой капитана К_МК, а также ФМ КНБ каждого i-го участка фарватера порта К_УЧ,i, ФМ интегрального КНБ порта в целом К_порт. Причем входы ФМ значений К_ПВ , К_ГМ, К_С, К_НАВ, К_МК подключены соответственно к выходам баз данных БД_ПВ , БД_ГМ, БД_С, БД_НАВ, БД_МК , выходы ФМ К_ПВ, К_ГМ, К_С, К _НАВ, К_МК подключены к входу ФМ КНБ каждого i-го участка фарватера порта К_УЧ,i выход которого подключен к входу ФМ интегрального КНБ порта в целом К_ПОРТ и к третьему входу БОР. При этом экспертная система для анализа рисков дает оценку КНБ каждого i-го участка фарватера порта К _УЧ,i в соответствии с выражением

где величина (К_ПВ·К _ГМ·К_С)_i характеризует воздействие внешних факторов и не зависит от организации работы мостика и капитана, величина (К_НАВ·К_МК) _i 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_ПОРТ в соответствии с выражением

где X_i - длина каждого i-того участка фарватера порта, i=1, 2, , n.

Отличием экспертной системы также является то, что ФМ КНБ по структуре портовых вод К_ПВ выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД _ПВ алгоритм в соответствии с выражением

где j=1, 2, , 6 - номер параметра КНБ (фактора риска) по структуре портовых вод;

К₁ - КНБ по глубине фарватера;

К₂ - КНБ по ширине фарватера;

К₃ - КНБ по криволинейному фарватеру;

К₄ - КНБ по ширине фарватера (канала) при двустороннем движении судов;

К₅ - КНБ продольной (по длине) зоны навигационной безопасности (ЗНБ);

К₆ - КНБ по ширине ЗНБ;

P_j - вес каждого j-того параметра (фактора риска), зависящий от условий плавания в заданном порту.

Кроме того, система отличается тем, что ФМ КНБ по гидрометеологическим параметрам К_ГМ выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД_ГМ алгоритм в соответствии с выражением

где К_ОВ - КНБ по ограниченной видимости;

К_ВВ - КНБ в зависимости от ветра и волнения;

К_Т - КНБ по воздействию течений.

Система также отличается тем, что ФМ КНБ по факторам риска К_С, связанным с судном и его управляемостью, выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД_С алгоритм в соответствии с выражением

где s=1, 2, 3 - номер фактора риска КНБ;

К₁ - КНБ по факторам риска в зависимости от размеров судна (тоннажа);

К₂ - КНБ по безопасной (оптимальной) скорости судна;

К ₃ - КНБ по отказам критически важного судового оборудования;

P_s - вес параметра (фактора риска).

При этом особенностью системы является то, что ФМ КНБ по факторам риска К_НАВ, связанным с техническими средствами и методами судовождения, выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД_НАВ алгоритм в соответствии с выражением

где r=1, , 4 - номер фактора риска КНБ;

К₁ - КНБ по визуальным методам определения места судна;

К₂ - КНБ по радиолокационным (РЛС) методам;

К₃ - КНБ по системам спутниковой радионавигации;

К₄ - КНБ по электронным картам;

P_r - вес фактора риска.

Отличие системы также заключается в том, что ФМ КНБ по факторам риска К_МК , связанным с организацией работы мостика и профессиональной подготовкой капитана выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД_МК алгоритм в соответствии с выражением

где m=1, 2, , 5 - номер фактора риска КНБ;

К₁ - КНБ по техническому оснащению мостика и кадровому составу команды судна;

К₂ - КНБ по буксирному обеспечению судна;

К₃ - КНБ по фактору риска взаимоотношений капитана судна с лоцманом в процессе лоцманской проводки;

К₄ - КНБ по факторам риска, связанным с системой контроля и управления судоходством в порту;

К₅ - КНБ по индивидуальному фактору риска капитана;

P_m - вес параметра (фактора риска).

При этом оценка сложности С маневрирования в портовых водах выносится экспертной системой в соответствии с выражением

где К_ф - фактическое значение КНБ порта;

K_max - 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;

5 - БД_ПВ - база данных по структуре портовых вод;

6 - БД_ГМ - база данных по гидрометеологическим параметрам порта;

7 - БД_С - БД по характеристикам судна;

8 - БД_НАВ^_ БД по техническим средствам судовождения;

9 - БД_МК - БД по работе мостика и подготовке капитана;

10 - формирователь модели (ФМ) КНБ К_ПВ;

11 - ФМ КНБ К _ГМ;

12 - ФМ КНБ К_С;

13 - ФМ КНБ К_НАВ;

14 - ФМ КНБ К _МК;

15 - ФМ КНБ К_УЧ,i;

16 - ФМ КНБ К_ПОРТ;

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.

Данные с выходов БВД 1 (с выходов БД_ПВ 5, БД_ГМ6, БД_С7, БД_НАВ8, и БД _МК9) поступают на соответствующие входы блока моделирования БМ2 (на ходы формирователей 10-14 моделей коэффициентов навигационной безопасности ФМ КНБ: К_ПВ, К_ГМ, К_С , К_НАВ и К_МК, 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.

По данным ФМ 10-14 формирователь 15 модели КНБ К_УЧ,i 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_ПОРТ 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.

1. Экспертная система для анализа рисков при маневрировании танкеров в портовых водах, содержащая 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 ко второму входу БОР, отличающаяся тем, что блок входных данных БВД включает базу данных по структуре портовых вод БД_ПВ, базу данных по гидрометеорологическим параметрам порта БД_ГМ, базу данных по характеристикам судна и его управляемости БД_С , базу данных по техническим средствам и методам судовождения БД_НАВ, базу данных по организации работы мостика и профессиональной подготовке капитана БД_МК, блок моделирования БМ включает формирователь модели (ФМ) коэффициента навигационной безопасности (КНБ) по структуре портовых вод К_ПВ, ФМ КНБ по гидрометеологическим параметрам К_ГМ, ФМ КНБ по характеристикам судна и его управляемости К_С , ФМ КНБ по факторам риска, связанным с техническими средствами и методами судовождения К_НАВ, ФМ КНБ по факторам риска, связанным с организацией работы мостика и профессиональной подготовкой капитана К_МК, а также ФМ КНБ каждого i-гo участка фарватера порта К_УЧ,i ФМ интегрального КНБ порта в целом К _ПОРТ, причем входы ФМ значений К_ПВ , К_ГМ, К_С, К_НАВ, К_МК подключены соответственно к выходам баз данных БД_ПВ , БД_ГМ, БД_С, БД_НАВ, БД_МК , выходы ФМ К_ПВ, К_ГМ, К_С, К _НАВ, К_МК подключены к входу ФМ КНБ каждого i-гo участка фарватера порта К_УЧ,i, выход которого подключен к входу ФМ интегрального КНБ порта в целом К_ПОРТ и к третьему входу БОР, при этом экспертная система для анализа рисков дает оценку КНБ каждого i-гo участка фарватера порта К _УЧ,i в соответствии с выражением

К_УЧ,i =(К_ПВ·К_ГМ·К_С) _i+(К_НАВ·К_МК)_i,

где величина (К_ПВ·К_ГМ·К _С) характеризует воздействие внешних факторов и не зависит от организации работы мостика и капитана, величина (К_НАВ ·К_МК)_i характеризует организацию работы мостика и профессиональную подготовку капитана, а для анализа интегрального риска порта в целом, включающего n участков, экспертная система дает оценку КНБ К_ПОРТ в соответствии с выражением

где X_i - длина каждого i-го участка фарватера порта, i=1, 2,..., n.

2. Экспертная система по п.1, отличающаяся тем, что ФМ КНБ по структуре портовых вод К_ПВ выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД _ПВ алгоритм в соответствии с выражением

где j=1, 2,..., 6 - номер параметра КНБ (фактора риска) по структуре портовых вод;

₁ - КНБ по глубине фарватера;

К₂ - КНБ по ширине фарватера;

К₃ - КНБ по криволинейному фарватеру;

К₄ - КНБ по ширине фарватера (канала) при двустороннем движении судов;

К₅ - КНБ продольной (по длине) зоны навигационной безопасности (ЗНБ);

К ₆ - КНБ по ширине ЗНБ;

P_j - вес каждого j-го параметра (фактора риска), зависящий от условий плавания в заданном порту.

3. Экспертная система по п.1, отличающаяся тем, что ФМ КНБ по гидрометеологическим параметрам К_ГМ выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД_ГМалгоритм в соответствии с выражением

К_ГМ =(К_ОВ+К_ВВ+К_Т )/3,

где К_ОВ - КНБ по ограниченной видимости;

К_ВВ - КНБ в зависимости от ветра и волнения;

К_Т - КНБ по воздействию течений.

4. Экспертная система по п.1, отличающаяся тем, что ФМ КНБ по факторам риска К_С, связанным с судном и его управляемостью, выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД _С алгоритм в соответствии с выражением

где s=1, 2, 3 - номер фактора риска КНБ;

К ₁ - КНБ по факторам риска в зависимости от размеров судна (тоннажа);

К₂ - КНБ по безопасной (оптимальной) скорости судна;

К₃ - КНБ по отказам критически важного судового оборудования;

P_s - вес параметра (фактора риска).

5. Экспертная система по п.1, отличающаяся тем, что ФМ КНБ по факторам риска К_НАВ, связанным с техническими средствами и методами судовождения, выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД _НАВ алгоритм в соответствии с выражением

где r=1,...,4 - номер фактора риска КНБ;

К ₁ - КНБ по визуальным методам определения места судна;

К₂ - КНБ по радиолокационным (PЛC) методам;

К₃ - КНБ по системам спутниковой радионавигации;

К₄ - КНБ по электронным картам;

Р_r - вес фактора риска.

6. Экспертная система по п.1, отличающаяся тем, что ФМ КНБ по факторам риска К_МК, связанным с организацией работы мостика и профессиональной подготовкой капитана, выполнен в виде вычислительного устройства, реализующего по данным БД_МК алгоритм в соответствии с выражением

где m=1, 2,...,5 - номер фактора риска КНБ;

К₁ - КНБ по техническому оснащению мостика и кадровому составу команды судна;

К₂ - КНБ по буксирному обеспечению судна;

К₃ - КНБ по фактору риска взаимоотношений капитана судна с лоцманом в процессе лоцманской проводки;

К₄ - КНБ по факторам риска, связанным с системой контроля и управления судоходством в порту;

К₅ - КНБ по индивидуальному фактору риска капитана;

Р_m - вес параметра (фактора риска).

7. Экспертная система по п.1, отличающаяся тем, что оценка сложности С маневрирования в портовых водах выносится экспертной системой в соответствии с выражением

С=1-_ф/K_max,

где _ф - фактическое значение КНБ порта;

K _max - максимальное значение КНБ в близких к идеальным условиям плавания, а условия для плавания классифицируются как "идеальные" при С=0,0÷0,2, как приемлемые при С=0,2÷0,6 и как неприемлемые при С=0,6÷1,0.

8. Экспертная система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде автоматизированного рабочего места оператора, и в качестве блоков БВД, БМ, БУК и БОР использованы стандартные вычислительные блоки, входящие в состав компьютерной системы или персональный компьютер.

9. Экспертная система по п. 1, отличающаяся тем, что она входит составной частью в модуль судоводителя автоматизированных комплексов управления движением судна или в судоводительский тренажер.