Методологічні основи поліергатичного забезпечення навігації та управління рухом водних транспортних засобів (цільова технологія безпеки)

Abstract

Розвиток промисловості та технологій в останні десятиріччя викликає необхідність суттєвого підвищення інтенсивності транспортних перевезень на морських та річкових водних шляхах. Збільшення кількості, розмірів, швидкості, типів та спеціалізації водних транспортних засобів (ВТЗ) підвищує ймовірність виникнення аварійних подій та пов’язаних з ними економічних та екологічних збитків. Суттєве розширення перевезень на водних шляхах неможливо без гарантованого забезпечення безпеки руху кожного конкретного ВТЗ, що може бути здійснено лише за умов безперервної адаптації до небезпечних умов плавання. Поліергатична взаємодія в межах складної динамічної системи залежить від функціонування систем навігації та управління рухом, характеристик ВТЗ, інших рухомих об’єктів та виникаючих перешкод навколо ВТЗ, а також від зовнішніх природних факторів. В реальних ситуаціях обмеження для руху ВТЗ запланованим маршрутом, напрямком та швидкістю виникають за рахунок дії багатьох природно-технічних факторів, які постійно змінюються та часто є непередбачуваними. Тому потрібні спеціальні знання з поліергатичного забезпечення безпеки судноплавства в умовах невизначеностей та ризиків навігаційного обслуговування для використання технічних можливостей засобів спостереження, зв’язку, управління та навігаційного обслуговування ВТЗ. 3 Дисертаційна робота спрямована на вирішення актуальної науково-технічної проблеми побудови методологічних основ поліергатичного забезпечення навігації та управління рухом ВТЗ шляхом завчасного ситуаційно-обумовленого перерозподілу функцій та ресурсів між людиною та електронною машиною в єдиній поліергатичній виробничий організації з метою підвищення безпеки руху ВТЗ в зонах з підвищеним ризиком плавання. В роботі досліджено та визначено вирішальну роль в безпечному судноплавстві комплексної системи управління безпекою судноплавства, створення інтегрованих систем електронної навігації, запровадження новітніх технологій та зменшення впливу людського фактору в судноплавстві. Проаналізовано сучасний стан безпеки судноплавства в світовому судноплавстві та на морському і річковому транспорті України та виявлено протиріччя й шляхи покращення процесів навігації та управління рухом ВТЗ. Розроблено метод гарантування безпечного плавання в умовах неоднорідності фізичних полів у зоні руху ВТЗ з обґрунтуванням прогнозних змін в складній динамічній системі в водному просторі, який на відміну від існуючих методів дозволяє підвищити швидкість символьно-аналітичних процедур, що дозволяє скоротити час на оперативне прийняття рішень в маневрених операціях для раціонального безаварійного виходу трансверсальною траєкторією в зону планового маршруту з наперед визначеними просторово-часовими координатами режиму судноводіння та забезпечує своєчасне виконання всіх регламентних дій в процесі реалізації раціонального безаварійного маневру з урахуванням факторів впливу нестаціонарного середовища. Існуючі протиріччя між зростаючими вимогами до ефективності систем навігації та управління рухом та реальними можливостями сучасної науки та технологій усуваються шляхом вирішення обчислювальної складності поточних задач шляхом їх декомпозиції на типові тривіальні підзадачі відповідно до запропонованої в роботі концепції. На основі розробленої автором моделі безаварійного руху ВТЗ у локально обмеженій безпечній області навігації вперше сформульована постановка задачі формотворення трансверсальних траєкторій у цьому просторово-часовому континуумі, 4 коли будь-які конкретно ідентифіковані як небезпечні об’єкти з природно- незалежними явищами зміни просторово-часових координат небезпечної області навігації знаходяться на безпечних відстанях від корпусу конкретного ВТЗ, та гарантовано забезпечується відсутність контактної взаємодії. Удосконалено побудову системи стабілізації управління рухом ВТЗ в неоднорідному середовищі, яка дозволяє враховувати динамічний вплив хвиль при різних режимах хвилювання в морських умовах з багатоконтурними підсистемами автоматичного керування силовими виконавчими органами ВТЗ. Проведено синтез моделей поліергатичних систем з властивостями гарантованого адаптивного управління з контролем індивідуального стану судноводія, який завдяки запропонованої покроковій процедурі виконання програми підготовки судноводіїв та взаємодії суб’єктів системи навігації та управління рухом в СДС забезпечує ефективний рівень гарантованого адаптивного управління в ієрархічних системах навігаційного обслуговування конкретного ВТЗ за умов змінних транспортних потоків на водних акваторіях. Запропоновані та обґрунтовані процесні перетворення моделей для діагностики й контролю функціонування об’єктів інтелектуальних транспортних систем. Проведено розрахунок визначення нехтовної малості складових похибки вимірювань без зниження точності отриманого параметру, що дозволяє визначити, якими складовими похибки або невилученими систематичними похибками можна нехтувати. Розроблені предикативні правила подання алгебраїчних поліномів в методах комплексної обробки інформації для підсистем спостереження, розпізнавання об’ектів навігації та управління рухом водних транспортних засобів. Запропонована методика оцінювання ефективності усього рейсу або будь-якого його фрагменту дозволяє інтегрувати процедури адаптації, навчання та розподілу функцій між людиною та ВТЗ, що швидко рухається та маневрує. Обґрунтовано метод забезпечення неперервного безаварійного поліергатичного управління у випадках проявів загроз в локальній зоні судноводіння з використанням новітніх міжнародних технологій, який дозволяє здійснювати раціональний розподіл 5 функцій в ієрархічних системах навігації та управління ВТЗ для оперативного підвищення рівня безпеки судноплавства, адекватного загрозам. Запропонована інтегрована схема інформаційного обміну в складній динамічній системі, побудованого на принципі стратегії “e-Navigation”. Розроблено метод забезпечення заданого рівня безпеки в поліергатичних систем навігації та управління рухом ВТЗ на внутрішніх водних шляхах в умовах реального часу, при якому для інтелектуалізації рішень систем прийняття рішень використовується інструментальний метод навігації. Формалізовано умови функціональної стійкості поліергатичних систем з метою утримання рівня безпеки руху ВТЗ на внутрішніх водних шляхах, що надає можливість забезпечити асимптотичне покращення взаємодії компонентів системи за рахунок нейромережних процедур самонавчання в перехідних маневрених режимах швидкого реагування автоматизованих засобів навігації та управління, а також здійснювати контроль та аналіз руху ВТЗ на внутрішніх водних шляхах, що дозволяє забезпечити більш високе значення ймовірності безпечного руху ВТЗ (до 97%) в зонах підвищеного ризику плавання та зменшити час кругового рейсу ВТЗ на р. Дніпро на 17,8 %. Розроблено концепцію гармонізації ефективності функціонування поліергатичних систем навігації та управління рухом ВТЗ методами теорії ігор. З метою запровадження додаткових заходів безпеки під час перевезення небезпечних вантажів запропоновано інформаційну технологію підвищення рівня інтелектуалізації на базі принципів універсального семантичного кодування лінгвістичних повідомлень, що циркулюють між інтелектуальними агентами єдиної системи навігації та управління рухом суден-газовозів. Визначено організацію поліергатичних систем навігації та управління рухом ВТЗ з поетапним впровадженням та вдосконаленням інформаційно-комунікативних засобів підтримки оперативних рішень в реальному часі для забезпечення безпеки руху ВТЗ протягом рейсу, які дозволяють адаптувати спостереження та аналіз руху ВТЗ на встановлених акваторіях плавання в територіальних водах України та проводити 6 упереджені прогнозні розрахунки вірогідності аварійних подій в умовах зростання суднопотоків на цих акваторіях. Доведено, що гарантування безпечного та фінансово ефективного рейсу забезпечується за рахунок повного виключення конечних стадій аварій й катастроф при реальному здійсненні технології судноводіння, яка інваріантна до форм появлення традиційних відомих впливів зовнішніх сил на рухомий ВТЗ. Застосування перспективних комп’ютерних телекомунікаційних технологій та методів комплексної обробки інформації в системах підтримки прийняття рішень забезпечує гарантоване знаходження рухомих ВТЗ у локально обмеженому безпечному просторі з визначеним просторово-часовим полем та знаходження ВТЗ на безпечній відстані від меж небезпечної області навігації. Практичне значення отриманих результатів полягає у доведенні ефективності поліергатичного забезпечення навігаційного обслуговування водних транспортних засобів та систем навігації і управління рухом, а також своєчасного гарантованого підтримання безпечного рівня судноплавства в зонах з підвищеним ризиком плавання за рахунок запровадження комплексної інтеграції інформаційних процесів інтелектуальних транспортних систем. Зазначені практичні результати, а також теоретичні рішення, одержані в дисертаційному дослідженні, результати моделювання та синтезу моделей і методів управління, що підтверджують ефективність розроблених методів для вирішення практичних задач методології поліергатичного забезпечення навігації та управління рухом ВТЗ, дозволяють здійснити принципове вирішення нового класу задач, спрямованих на підвищення безпеки судноплавства на ВШ України. Результати дисертаційній роботи рекомендуються до використання під час комплексного застосовування засобів систем автоматизації судноводіння на ВТЗ та на берегових СНУР ВТЗ в зоні відповідальності України, а також при розробці та запровадженні інтегрованої системи інформаційного обміну в територіальних водах України на принципах стратегії «e-Navigation». Результати проведених в роботі досліджень, що отримані для морського та річкового транспорту, рекомендовано застосовувати в інших сферах транспорту, в яких 7 існуючі системи навігації та управління рухом поки ще не гарантують необхідний рівень безпеки.