Метод автоматизованого визначення маршруту при плануванні переходу засобів водного транспорту

Abstract

Ганношина І.М. Метод автоматизованого визначення маршруту при плануванні переходу засобів водного транспорту. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії (кандидата наук) за спеціальністю 05.22.13 "Навігація та управління рухом" (05 – технічні науки). – Київський інститут водного транспорту імені гетьмана Петра Конашевича-Сагайдачного, Київ, 2019. Актуальність теми. Необхідність вирішення проблем безпеки судноплавства обумовлена високим рівнем аварійності на водному транспорті. За даними Міжнародної морської організації навігаційна аварійність засобів водного транспорту світового флоту становить 60 – 70% від загальної і за останні 30 років тенденція зниження аварійності незначна. Такі види аварійності засобів водного транспорту як зіткнення (9%) і навали (3%) залишаються практично на сталому рівні. При цьому проблема "людського фактору" є причиною багатьох аварій і катастроф на морі (80% випадків). Найбільш часто причини аварій пов'язані з нехтуванням Правил і Рекомендацій для плавання, вибором шляху засобу водного транспорту в безпосередній близькості від небезпеки, надмірній швидкості руху, неправильним урахуванням гідрометеорологічних умов. Одним із напрямів удосконалення процесів забезпечення безпеки судноплавства є передача ряду функцій судноводія автоматичним системам судноводіння зі штучним інтелектом, зокрема, планування маршруту, режимів руху і подальше управління засобом водного транспорту в межах заданої безпечної смуги. Визначення маршруту переходу засобу водного транспорту є одним із завдань планування переходу і виконується судноводієм (капітаном, навігаційним помічником капітана судна). Разом з тим, для її вирішення необхідно враховувати велику кількість факторів навігаційно-гідрографічної та гідрометеорологічної обстановки: повноцінне врахування правил плавання, маневрених особливостей засобу водного транспорту, оцінка швидкісного режиму і його зміна, оцінка впливу гідрометеорологічних умов плавання, планування складних маневрів і забезпечення безпеки плавання засобів водного транспорту, особливо великотоннажних, в обмежених водах. Традиційні "ручні" методи планування судноводієм маршруту не дозволяють у повній мірі провести якісну обробку всієї необхідної інформації. До того ж коригування маршруту виконується, як правило, при жорстких обмеженнях у часі. Врахування зазначених факторів проводиться узагальнено, що знижує обґрунтованість прийнятих рішень. Таким чином, обґрунтованість і оперативність є два взаємообумовлені аспекти завдання визначення маршруту переходу засобу водного транспорту. Крім того, визначення маршруту переходу засобу водного транспорту, яке виробляється в основному в інтересах безпеки судноплавства, знаходиться в тісному взаємозв'язку з іншими завданнями планування переходу, що включають в себе заходи, що опосередковано впливають на вибір маршруту засобу водного транспорту. Дані заходи можуть передбачати, наприклад, розрахунковий час прибуття в критичні точки, в тому що стосується висоти припливу і течії; проходження небезпечних точок днем в порівнянні з нічним часом і як це може впливати на точність визначення місця розташування; умови руху засобів водного транспорту, особливо в точках сходження. Для кожного з планів переходу засобу водного транспорту може бути визначений маршрут, який може виявитися неприйнятним з міркувань, наприклад, часу переходу. Тому виникає необхідність аналізу та оцінки можливих варіантів планів переходу для підвищення обґрунтованості визначення маршруту. У даний час інформація в електронних картографічних навігаційних інформаційних системах (ECDIS) представляється, як у вигляді окремих елементів, так і на рівні електронної карти разом з траєкторією і вектором руху засобу водного транспорту. Застосування ECDIS дає ряд переваг у порівнянні з паперовою морською навігаційною картою в зберіганні, поданні інформації, автоматизації процесу коригування, підбору і зміни карт, вибору їх масштабу, можливостей поєднання з радіолокаційною інформацією і т.п. Разом з цим, аналіз функцій вже діючих і проектованих ECDIS показує, що їх потенційні можливості в повній мірі не використовуються для забезпечення безпеки судноплавства. Таким чином, обмежені можливості прикладного математичного забезпечення автоматизованої системи управління рухом засобів водного транспорту з автоматизації вирішення завдань планування переходу, з одного боку, і постійне зростання трафіку, розмірів і швидкостей засобів водного транспорту, з іншого, викликають необхідність вирішення науковотехнічного завдання, спрямованого на розробку методу автоматизованого визначення маршруту для підвищення обґрунтованості планування переходу засобів водного транспорту. Автоматизація визначення маршруту переходу можлива шляхом створення нових і вдосконалення існуючих методів на основі нових підходів до вирішення задач управління рухом засобів водного транспорту, зокрема – інтелектуальних систем підтримки прийняття рішень. Інтелектуалізація передбачає постійне розширення кола завдань планування, що спільно вирішуються комплексом засобів автоматизації і оператором (судноводієм) в умовах неповноти, суперечливості та динамічної змінності зовнішнього середовища. Проблемами побудови систем управління динамічним об'єктами і процесами активно займалися і займаються відомі вітчизняні та зарубіжні дослідники Б.М. Герасимов, Д.А. Поспелов, В.Н. Вагин, С.А. Козлов, И.Б. Сироджа, В.П. Кириллов, В.П. Гладун, А.А. Рось, О.О. Таран, А.И. Тимочко, J. Robinson, L.A. Zadeh, R.R. Yager, D. Dubois, A. Kauffman, E.H. Mamdani, M. Mizumoto, M. Sugeno та інші. Дослідженню процесів автоматизації судноводіння, побудови інтелектуальних, адаптивних систем управління присвячені роботи: А.С. Васькова, Е.И. Веремея, С.В. Глушкова, А.А. Ершова, В.А. Логиновского, Ю.А. Лукомского, А.И. Родионова, А.Е. Сазонова, С.В. Смоленцева, A. Aguiar, T.I. Fossen, K. Hasegawa, A. Pascoal, T. Perez, A.J. Sorensen та інших. В існуючих комплексах засобів автоматизації руху засобів водного транспорту вирішення зазначених завдань в представленій постановці не реалізоване, тому науково-технічне завдання, спрямоване на розробку методу автоматизованого визначення маршруту для підвищення обґрунтованості планування переходу засобів водного транспорту є актуальним. Наукова новизна отриманих результатів: Вперше отримані: – дискретна модель руху засобу водного транспорту, в якій рух розглядається як послідовне відвідування елементів простору, властивості яких враховують фактори навігаційно-гідрографічної та гідрометеорологічної обстановки; – метод визначення варіанту маршруту переходу засобу водного транспорту, який враховує маневрені характеристики засобу водного транспорту та вплив факторів навігаційно-гідрографічної та гідрометеорологічної обстановки, що дозволяє підвищити обґрунтованість і оперативність прийняття рішення при плануванні переходу, а також коригувати маршрут переходу в реальному часі. Отримали подальший розвиток: – метод вибору варіанта маршруту переходу засобу водного транспорту, в якому, на відміну від відомих, маршрути ранжуються на основі методу аналізу ієрархій, що враховує характеристики варіанта маршруту та плану переходу, для якого він розрахований, що дозволяє підвищити обґрунтованість прийняття рішення; – метод розрахунку траєкторії руху засобу водного транспорту при автоматизованому визначенні маршруту, в якому, на відміну від відомих, траєкторія руху знаходиться у вигляді гладкої кривої, що складається з сегментів – раціональних кривих Безьє 7-го ступеню, крива проходить крізь елементи простору, які відібрані автоматизованим методом вибору маршруту, що дозволяє забезпечити можливість корегування траєкторії руху засобу водного транспорту в реальному часі. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці методу автоматизованого визначення маршруту при плануванні переходу засобів водного транспорту з метою його впровадження до прикладного математичного забезпечення автоматизованої системи управління рухом засобами водного транспорту, що дозволить підвищити обґрунтованість рішень судноводія, щодо більш повного врахування факторів навігаційногідрографічної та гідрометеорологічної обстановки з урахуванням оцінки можливих варіантів дій щодо заходів плануванні переходу, які опосередковано впливають на вибір маршруту засобів водного транспорту, на 31%. Оперативність планування зросте на 15%. Практичне значення отриманих результатів підтверджується їх використанням (додаток А) при розробці методу автоматизованого визначення маршруту при плануванні переходу засобів водного транспорту в науководослідній роботі "Розробка комплексного показника якості пасажирських круїзних перевезень між портами Дніпра, Чорного моря та Дунаю", акт Київської державної академії водного транспорту від 10.11.2017 №18; в науково-дослідних роботах з підвищення навігаційної безпеки судноплавства ТОВ "Червона рута", акт від 27.03.2019; та навчальному процесі Державного університету інфраструктури та технологій, акт від 14.02.2019. Hannoshina I.M. The method of automated determination of the route when planning the transition of water transport. – Qualification scientific work on the rights of the manuscript. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (Candidate of Science) in the specialty 05.22.13 "Navigation and motion control" (05 – technical sciences). – Kiev Institute of Water Transport named after Hetman Peter KonashevichSagaidachny, Kiev, 2019. Relevance of the topic. The need to solve shipping safety problems is due to the high level of accidents in water transport. According to the International Maritime Organization, navigational accidents of the means of water transport of the world fleet account for 60–70% of the total, and over the past 30 years the trend of decreasing accidents is insignificant. Such types of accidents of means of water transport as a collision (9%) and piles (3%) remain almost at a constant level. At the same time, the “human factor” problem is the cause of many accidents and disasters at sea (80% of cases). Most often, the causes of accidents are associated with disregard of the Rules and Recommendations for navigation, the choice of the path of the means of water transport in the immediate vicinity of danger, excessive speed, and incorrect consideration of hydrometeorological conditions. One of the ways to improve the processes of ensuring safety of navigation is the transfer of a number of functions of the navigator to automated systems of navigation with artificial intelligence, in particular, route planning, driving modes and the subsequent management of the means of water transport within a given safe lane. The determination of the transition route of the watercraft is one of the tasks of transition planning and is performed by the navigator (captain, navigational assistant to the captain of the vessel). At the same time, to solve it, it is necessary to take into account a large number of factors of navigation, hydrographic and hydrometeorological conditions: full account of the rules of navigation, maneuverable features of water transport, assessment of speed limits and its change, assessment of the impact of hydrometeorological conditions of navigation, planning complex maneuvers and ensuring safe navigation means of water transport, especially large-tonnage, in limited waters. Traditional “manual” methods of planning the navigator route does not allow to fully carry out highquality processing of all information. In addition, the route adjustment is performed, as a rule, with severe time constraints. Accounting for these factors is carried out collectively, which reduces the validity of decisions. Thus, the validity and efficiency of the two interdependent aspects of the problem of determining the route of the transition of water transport. In addition, the determination of the transition route of the water transport facility, which is mainly carried out in the interests of the safety of navigation, is closely related to other transition planning tasks, including measures, indirectly affect the route selection of the water transport facility. These measures may include, for example, the estimated time of arrival at critical points in terms of the height of the tide and the current; passing dangerous points during the day compared to night time and how this may affect the accuracy of the position determination; conditions of movement of water transport, especially at points of convergence. For each of the transition plans for the means of water transport, a route may be defined that may be unacceptable for reasons, for example, the transition time. Therefore, there is a need to analyze and evaluate possible transition plans to increase the validity of route determination. At present, information in electronic cartographic navigation information systems (ECDIS) is presented both as separate elements and at the level of an electronic map together with a trajectory and a motion vector of a means of water transport. The use of ECDIS provides a number of advantages in comparison with a paper marine navigation map in storage, presentation of information, automation of the adjustment process, selection and change of maps, selection of their scale, connection capabilities with radar information, etc. At the same time, an analysis of the functions of existing and designed ECDIS shows that their potential capabilities are not fully used to ensure the safety of navigation. Thus, the limited capabilities of the applied mathematical software of the automated control system for the movement of water transport facilities to automate the solution of transition planning tasks, on the one hand, and the constant increase in traffic, size and speed of water transport facilities, on the other, necessitate the solution of a scientific and technical assignment aimed on the development of a method for automated determination of the route to increase the feasibility and efficiency of planning the transfer of water resources transport. Automating the determination of the transition route is possible by creating new and improving existing methods based on new approaches to solving problems of controlling the movement of water transport vehicles, in particular, intelligent decision support systems. Intellectualization presupposes a constant expansion of the range of planning tasks jointly solved by a set of automation equipment and an operator (navigator) in conditions of incompleteness, inconsistency and dynamic changes in the external environment. The well-known domestic and foreign researchers B. Gerasimov, D.A. were actively engaged in the problems of building control systems for dynamic objects and processes. Pospelov, V.N. Vagin, S. Kozlov, I.B. Sirodja, V.P. Kirillov, V.P. Gladun, A.A. Ros, A.A. Taran, A.I. Timochko, J. Robinson, L.A. Zadeh, R.R. Yager, D. Dubois, A. Kauffman, E.H. Mamdani, M. Mizumoto, M. Sugeno and others. The study of the processes of automation of navigation, building intelligent, adaptive control systems are devoted to work: A.S. Vaskova, E.I. Veremeya, S.V. Glushkova, A.A. Ershov, V.A. Loginovsky, Yu.A. Lukomsky, A.I. Rodionova, A.E. Sazonov, S. Smolentseva, A. Aguiar, T.I. Fossen, K. Hasegawa, A. Pascoal, T. Perez, A.J. Sorensen and others. In the existing complexes of means of automating the movement of means of water transport, the solution of these problems in the presented formulation is not implemented, therefore a scientific and technical task aimed at developing a method for automated determination of the route to increase the validity of planning the transfer of means of water transport is relevant. Scientific novelty of the results: In the first received: – a discrete model of the movement of the water transport means, in which the movement is considered as a sequential visit to elements of space, the properties of which take into account the factors of navigation-hydrographic and hydrometeorological conditions. – the method of determining the variant of the transition route of the water transport means, taking into account the maneuverable characteristics of the means of water transport and the influence of factors of the navigation-hydrographic and hydrometeorological situation, improves the validity and efficiency of decisionmaking when planning the transition, as well as adjust the transition route in real time. Received further development: – the method of choosing a variant of the transition route of the water transport means, in which, unlike the known ones, the routes are ranked based on the analysis method of hierarchies, taking into account the characteristics of the variant of the route and the transition plan for which it is designed, which improves the validity of the decision. – the method of calculating the trajectory of the movement of water transport with an automated determination of the route, in which, unlike the known, the trajectory of movement is in the form of a smooth curve consisting of segments – rational 7th degree Bezier curves, the curve passes through the elements of space selected by the automated method route selection, which allows for the possibility of real-time adjustment of the trajectory of water transport. The practical significance of the results is to develop a method of automated determination of the route when planning the transfer of water transport facilities with the aim of introducing it into the applied mathematical software of the automated motion control system of water transport vehicles, which will increase the validity of the navigator’s decisions, as a more complete account of the factors of navigation and hydrographic hydrometeorological situation, taking into account the assessment of possible options for action The transition planning activities, which indirectly affect the choice of route of water transport facilities, by 31%. Responsiveness planning will increase by 15%. The practical significance of the results is confirmed by their use (Appendix A) when developing a method for automated route determination when planning the transition of water transport in the research work "Development of a comprehensive indicator of the quality of passenger cruise traffic between the ports of the Dnieper, Black Sea and Danube", act of the Kiev State Academy water transport dated 10.11.2017 No. 18; in research work to improve the navigational safety of shipping LLC Chervona Ruta, act dated 03/27/2019; and the educational process of the State University of Infrastructure and Technology, act dated 02.14.2019.