Нечеткая система распознавания опасного сближения судов на морских акваториях

Нечеткая система распознавания опасного сближения судов на морских акваториях

УДК 519.68:15:681.5

, кандидат технических наук,

Владивостокский государственный университет экономики и сервиса

, доктор технических наук,

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

г. Владивосток

НЕЧЕТКАЯ СИСТЕМА РАСПОЗНАВАНИЯ ОПАСНОГО СБЛИЖЕНИЯ СУДОВ НА МОРСКИХ АКВАТОРИЯХ

Аннотация

Статья посвещена проблеме управления движением судов на морских акваториях. В работе рассматривается модель относительного движения двух судов и обосновывается алгоритм выработки тревожного сигнала при возможности их опасного сближения. Утверждается, что в условиях высокой интенсивности движения необходимо разделять суда по вербальному уровню опасности «судно-судно». В основу определения уровня опасности положен факт маневрирования судна и время, оставшееся до недопустимого сближения. Предложена система принятия решения об уровне опасности движения, основанная на машине нечеткого вывода Мамдани. Статья сопровождается численным примером, демонстрирующим работу системы принятия решения в типичных ситуациях.

Введение

Управление коллективным движением судов в акваториях морских портов представляет собой особый раздел науки об управлении [1 - 4]. На практике оно реализуется системами управления движением судов (СУДС) - специализированными предприятиями, основной задачей которых является предотвращение опасных ситуаций, в частности, недопущение опасного сближения судов [1, 4]. Информационной базой современных СУДС являются двухкоординатные радиолокационные станции (РЛС) кругового обзора, дополняемые средствами спутниковой навигации – транспондерами автоматической идентификационной системы (АИС).

В основе распознавания опасного сближения судов лежит оценка параметров траектории движения каждого судна (координат, скоростей и т. д.) и их экстраполяция [4]. Если суда идентифицированы как опасно сближающиеся, система управления движением генерирует тревожный сигнал и рекомендации по изменению траектории.

Настоящая работа посвящена исследованию возможности создания информационной системы оценки состояния безопасности движения морских судов, обеспечивающей заблаговременное распознавание опасных ситуаций и оценку уровня опасности с использованием идей нечетких систем.

Основные модельные представления и постановка задачи

Рассмотрим два судна с координатами , и , и скоростями , и , . Будем описывать их коллективное движение набором величин - вектором состояния коллективного движения двух судов, где , - координаты вектора относительного положения судов, - скорость относительного движения судов, - направление вектора скорости относительного движения судов, - скорость изменения угла (рис. 1).

Опыт практического судовождения показывает, что для обеспечения безопасного плавания наибольшее значение имеет соблюдение некой «зоны безопасности» возле судна (называемой также «корабельным доменом» [4]). В настоящей работе рассматривается корабельный домен статического типа, жёстко привязанный к судну с номером m и интерпретируемый окружностью заданного радиуса , в которую другие суда не допускают вторжения.

Рисунок 1. Модель относительного движения пары «судно-судно»

Считается, что суда опасно сближаются, если одновременно выполняются три условия:

(1)

, (2)

(3)

Здесь - текущее расстояние между судами; - азимут вектора r; - скорость изменения азимута вектора r; - угол, определяемый расстоянием между судами и размерами доменов, считается, что в безопасном состоянии корабельные домены не должны «вторгаться» в область друг друга; - скорость изменения угла ; - скорость изменения расстояния между судами; - приближённое время, оставшееся до максимального сближения судов; - пороговое значение для времени .

Условие (1) описывает опасную ситуацию при равномерном и прямолинейном движении судов; условие (2) дополняет его в случае, если суда маневрируют; условие (3) отбирает из общего массива лишь те суда, время до сближения которых меньше порогового.

Таким образом, может быть поставлена задача об оценке вектора состояния коллективного движения двух судов и формулировке вывода о той или иной степени опасности сложившейся навигационной ситуации с учетом условий (1), (2) и (3).

Концепция решения

Вектор может быть найден по данным береговой РЛС или по данным GPS различными способами (см. например, [5, 6]).

При формировании вывода о той или иной степени опасности конкретной навигационной ситуации следует учитывать, что маневрирующие и не маневрирующие суда с точки зрения безопасности коллективного движения имеют принципиальные различия. Во-первых, при внешнем наблюдении полностью достоверный прогноз траектории маневрирующего объекта невозможен. Во-вторых, на практике маневрирование судна, как правило, свидетельствует о попытке судоводителя придать движению безопасный характер и о его контроле над ситуацией [7]; поэтому с точки зрения внешнего наблюдения для маневрирующего объекта вербальный уровень опасности заведомо ниже, чем для не маневрирующего.

Некоторые принципы вербальной оценки уровня опасности были предложены авторами в работах [5, 6, 7] (близкие по смыслу методики описаны также другими авторами, например [8]). В них описана дискретная оценка уровня опасности ситуации типа «очень опасная», «опасная», «почти безопасная» и т. п. Такое разделение позволяет привлечь внимание судоводителя (диспетчера) в первую очередь к наиболее опасным ситуациям. Вместе с тем, при высокой интенсивности движения нередко слишком много судов оказываются «помеченными» одинаковым уровнем опасности, что повышает возможность ошибочных управленческих решений. В этом случае становится актуальной задача представления уровня опасности непрерывной величиной. Здесь оказываются продуктивными идеи, положенные в основу задач систем нечеткой логики.

Пусть - оцененное отношение величины к значению . Введем лингвистическую переменную «оценка отношения » с термами «большое» и «малое» и функциями принадлежности типа «дополнение», определёнными на универсальном множестве :

(4)

В случае, если движение судов происходит прямолинейно и равномерно, терм «малое» соответствует ситуации, когда возможно опасное сближение судов, а терм «большое» соответствует безопасной ситуации.

Пусть - оцененное отношение величины к значению . Введем лингвистическую переменную «оценка отношения » с термами «большое» и «малое» и функциями принадлежности типа «дополнение», определёнными на универсальном множестве :

(5)

В данном случае величина и термы «малое» и «большое» характеризуют интенсивность маневрирования.

Для описания величины (приближённое время, оставшееся до максимального сближения судов) введем лингвистическую переменную «оценка величины » с термами «малое», «среднее» и «большое» и функциями принадлежности типа «кластер», определенными на универсальном множестве секунд:

,

, (6)

.

Описание лингвистической переменной тремя термами соответствует трем принятым на практике состояниям времени максимального сближения [9]. Терм «малое» определяет время, когда существует возможность принять только одно решение, которое поможет избежать столкновения. Терм «среднее» - время, которое требуется для грамотного проведения оптимального маневра, т. е. время, когда начинать маневр уже не рано, но еще есть время «исправить» результат ошибочного маневрирования, есть время на «вторую попытку»; это период, когда критическая ситуация пока ещё не возникла. Терм «большое» описывает время, когда ещё нет никакого смысла предпринимать какие-либо действия, так как ситуация может измениться и это потребует, возможно, исполнения совсем другого маневра.

Уровень опасности ситуации будем описывать лингвистической переменной «уровень опасности» с термами «безопасная», «почти безопасная», «опасная» и «очень опасная» и функциями принадлежности типа «кластер», определенными на универсальном множестве :

,

,

, (7)

.

Пусть переменные , и обрабатываются машиной нечеткого вывода Мамдани [10], на вход которой подаются величины , и , а на выходе формируется числовое значение - уровень опасности навигационной ситуации «судно-судно»; значение соответствует наименьшему уровню опасности, - наибольшему. Машина нечеткого вывода работает согласно системе правил, представленной в таблице 1.

Таблица1. Система правил машины нечеткого вывода Мамдани

1	большое	большое	большое	безопасная
2	большое	большое	среднее	безопасная
3	большое	большое	малое	безопасная
4	большое	малое	большое	безопасная
5	большое	малое	среднее	почти безопасная
6	большое	малое	малое	опасная
7	малое	большое	большое	безопасная
8	малое	большое	среднее	почти безопасная
9	малое	большое	малое	почти безопасная
10	малое	малое	большое	безопасная
11	малое	малое	среднее	опасная
12	малое	малое	малое	очень опасная

Так, правила 5 и 6 таблицы 1 соответствуют ситуации, когда суда могут недопустимо сблизиться, если продолжат маневрирование. Правила 8 и 9 – ситуации, когда суда могут недопустимо сблизиться, если прекратят маневрирование. Правила 11 и 12 – если не начнут маневр уклонения.

Работу нечеткой системы распознавания опасного сближения судов можно, таким образом, окончательно представить схемой, показанной на рисунке 2. Здесь , и - величины, характеризующие свойства относительного движения двух судов (вход); если , то этот вход принимается равным 2, если , то, аналогично, этот вход принимается равным 2; если , то этот вход принимается равным 2000 секунд. Величина (выход) – определенный системой Мамдани уровень опасности ситуации.

Рисунок 2. Схема работы нечеткой системы распознавания опасного сближения судов

Настройка описанной системы состоит в задании параметров функций принадлежности

Результаты численного моделирования

Численное моделирование рассматриваемой задачи проводилось в условиях, приближенных к характерной навигационной обстановке залива Петра Великого. Приведённые ниже рисунки иллюстрируют один из фрагментов численного эксперимента. Было принято, что информационной базой является РЛС с периодом обращения 3 секунды и среднеквадратичными значениями погрешностей измерения дальности и азимута м и град, оценка параметров движения судов проводилась по 20 измерениям. Скорости движения судов задавались равными 5м/с, радиус корабельного домена м.

На рисунке 3 показаны функции принадлежности термов (4 – 7). В данном случае параметры функций принадлежности задаются экспертом, система не подвергается настройке на обучающей выборке (вместе с тем такой вариант настройки системы также возможен, чему авторы планируют посветить отдельное исследование).

Рисунок 3. Функции принадлежности термов лингвистических переменных , , и . Рисунок «а»: (сплошная) , (пунктир); рисунок «b»: (сплошная), (пунктир); рисунок «с»: (сплошная), (пунктир), (точки); рисунок «d»: (сплошная), (пунктир), (точка-пунктир), (точки).

На рис. 4 изображены моделируемые траектории движения трёх судов: два из них (I и II) движутся прямолинейно и равномерно, третье (III) - маневрирует.

Рисунок 4. Моделируемые траектории движения судов

Рис. 5 иллюстрирует определение уровня опасности навигационной ситуации по мере движения судов с течением времени: «судно I – судно III» (левая колонка) и «судно II – судно III» (правая колонка). На рисунках 5a и 5b показаны значения величины ; на рисунках 5c и 5d – значения величины ; на рисунках 5e и 5f – значения величины (т. е. входы нечеткой системы). Из рисунков 5c и 5d видна особенность рассматриваемой задачи – неустойчивость оценки величины при больших расстояниях между судами в условиях погрешностей измерений.

На рисунках 5g и 5h показаны значения величины (выход нечеткой системы Мамдани). Так, на рис. 5g видно, что уровень опасности для судов I и III постоянно повышается по мере их сближения, достигая величины при с. При судно III начинает маневр уклонения поворотом вправо, после чего уровень опасности «судно I – судно III» быстро снижается до уровня и затем до 0. Из рис. 5h видно, что суда II и III вначале движутся безопасно. После начала судном III манёвра уровень опасности «судно II – судно III» скачкообразно увеличивается до , а, затем, по мере продолжения поворота судна III, снижается до уровня и затем до 0.

Рисунок 5. Результаты численного моделирования работы нечеткой системы распознавания опасного сближения судов

Снижение уровня тревоги с максимального до безопасного происходит почти сразу после начала маневрирования (рис. 5g), для судов II и III генерация уровня тревоги также происходит заблаговременно (рис. 5h). Это свидетельствует о высокой эффективности разработанной нечеткой системы оценки состояния безопасности как по отношению к проблеме ранней выработки тревожных сигналов, так и по отношению к проблеме генерации ложных тревог. Результаты моделирования также подтверждают ожидаемый эффект разделения уровней опасности в зависимости от траекторных свойств движения судов.

Список литературы

1. [Электронный ресурс] – Режим доступа http://www. norfes. ru/

2. Tam C. K, Bucknall R. Collision risk assessment for ships // Journal of Marine Science and Technology – 2010. – Vol. 15. – No. 3. – p. 257-270.

3. Мироненко программного движения судна в стеснённых водах // Мехатроника, автоматизация, управление – 2013. - №2. – С.65-70.

4. Tam Ch. K., Bucknall R., Greig A. Review of Collision Avoidance and Path Planning Methods for Ships in Close Range Encounters // Journal of Navigation. – 2009. – V.62. - № 3. - P. 455-476.

5. Гриняк опасных ситуаций в системах управления движением судов // Территория новых возможностей. Вестник Владивостокского государственного университета экономики и сервиса№ 4. – С. 197-207.

6. , , Малько опасных ситуаций системами управления движением судов // Транспорт: наука, техника, управление№8. - С. 42-45.

7. , Девятисильный опасных ситуаций при управлении движением на море // Известия РАН. Теория и системы управления№ 3. - С. 127-136.

8. , Логиновский зон навигационной безопасности и её применение в судовождении // Эксплуатация морского транспорта№3. - С. 13-17.

9. Коноплев аппарата нечеткой логики для определения уровня опасности столкновения // Эксплуатация морского транспорта№2. - С. 34-39.

10. Штовба нечетких систем средствами MatLab. - М.: Горячая линия телекомс.