CC BY
38
УДК 656.61.052.4
АДАПТАЦИЯ МЕТОДА АНАЛИЗА ИЕРАРХИЙ ДЛЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ОЦЕНКЕ СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ СТОЛКНОВЕНИЯ МОРСКИХ СУДОВ
© 2012 г. Э.Э. Субанов, А.В. Миронов
Государственный морской университет Federal State-Financed Educational Institution of
им. адмирала Ф.Ф. Ушакова, Higher Professional Education «Admiral Ushakov
г. Новороссийск Maritime State University», Novorossiysk
Рассматривается использование модифицированного метода анализа иерархий для принятия решений при оценке степени опасности столкновения морских судов, где основными элементами обратно-симметричной матрицы А парных сравнений являются парные ключевые индикаторы.
Ключевые слова: принятие решений; генерация альтернатив; метод анализа иерархий; интеллектуальные системы принятия решений; ключевые индикаторы оценки степени опасности столкновения; парные ключевые индикаторы.
The article considers the use of the modified hierarchy analysis in teligent decisions while evaluation of danger degree in sea vessels collision. The main elements of the back symmetrical A matrix of pair comparisons are the pair key indicators.
Keywords: taking decisions; alternative generation; hierarchy analysis, in tangent systems of decision taking; key indicators of danger degree collision evaluation; pair key indicators.
Морские суда в соответствии с требованиями Международной морской организации (ИМО) и правилами Морского регистра РФ оснащаются современными техническими средствами судовождения, такими как система автоматической радиолокационной прокладки (САРП) и автоматической идентификационной системой (АИС). Используя данные этих систем и сопоставляя их с визуальной оценкой обстановки, вахтенный помощник капитана (ВПКМ) анализирует ситуации сближения с другими судами и принимает решение о наличии опасности столкновения.
Анализируя возможности данных систем, необходимо обратить внимание на то, что информация, выдаваемая САРП о параметрах сближения судов и наличии опасности столкновения, полностью зависит от оператора (ВПКМ). К примеру, если наблюдаемая цель не взята на автосопровождение, то по ней не получишь вторичной информации о параметрах ее движения и характере обоюдного сближения. Кроме того, если в САРП вводятся ошибочные данные о собственном движении, то и на выходе получается ошибочное решение о параметрах сближения судов [1, 2].
Практика использования САРП показывает, что при наличии большого количества наблюдаемых судов (целей) ВПКМ в условиях дефицита времени вынужден оценить все возможные ситуации чрезмерного сближения и выбрать (определить), какая из наблюдаемых на экране САРП целей представляет наибольшую опасность. Процедура такой оценки заключается в отбрасывании из наблюдения явно не опасных целей (к примеру, находящихся на большом удалении, попутчиков и др.) и выбор, из числа оставшихся целей, наиболее опасной [3 - 5]. Выбор осуществляется по ключевым индикаторам оценки степени опасности столкновения (КИ СОС), которые широко используются в практике судовождения [4]. В ситуа-
циях, когда одновременно наблюдается несколько целей, представляющих опасность, ВПКМ принимает решения исключительно по ограниченному числу КИ (как правило, не более двух-трех) [5].
Однако уменьшение набора ключевых индикаторов приводит к неполной оценке степени опасности столкновения того или иного судна, неправильному выбору опасной цели, ошибочному принятию решения, и, как следствие, выполнению маневра, приводящего к столкновению судов.
Это подтверждается значительным количеством столкновений судов, произошедших в море (до 30 % из числа всех аварийных происшествий). По данным МЧС РФ в 2010 г. произошло 6 столкновений, связанных с морскими судами под российским флагом, а в 2011 г. зафиксировано 5 случаев. Пока не наблюдается тенденции на уменьшение столкновений, а основной причиной в 80 % случаях аварийной ситуации при столкновении судов отводится «человеческому фактору» [6].
Сегодня на морском транспорте рассматриваются вопросы по разработке интеллектуальных систем принятия решений (ИСПР), допускающих интеграцию в современные судовые навигационные комплексы (НИС). Цель таких систем - уменьшение влияния человеческого фактора и оперативное принятие решений в условиях дефицита времени, изменения внешней обстановки, большого числа неопределенностей [7, 8].
Разработка экспертной системы поддержки принятия решений при выборе опасной цели по КИ СОС была рассмотрена в предыдущих работах, в которых предлагаемая математическая модель основана на методе анализа иерархий (МАИ) и парных сравнениях относительного превосходства ключевых индикаторов сближения судов [9, 10].
Метод заключается в вычислении значений, составляющих собственный вектор Wi матрицы превос-
ходства ключевых индикаторов, который принимается в качестве меры веса выбранного индикатора (навигационного параметра).
Аналогичным образом подготавливаются матрицы парных сравнений для всех рассматриваемых альтернатив (наблюдаемых судов), по всем ключевым параметрам.
На основе данного метода была разработана модель, которая способна одновременно проводить анализ по всем наблюдаемым судам с учетом всех используемых КИ, которые могут быть приняты при оценке СОС.
Определение обобщенного комбинированного веса каждой рассматриваемой альтернативы (наблюдаемого судна) осуществляется по формуле:
Vj wVh], (1)
где Vj - обобщенный вес степени опасности i-го судна; wj - вес j-го ключевого индикатора; Vj - степень опасности i-го судна по j-му ключевому индикатору.
Весовые критерии КИ (wj) были получены в ходе проведения экспертных оценок [11, 12].
Модель выделения альтернативы с наибольшим весом была апробирована решением достаточного количества задач по расхождению с несколькими судами и показала положительные результаты. Источниками данных для проверки устойчивости модели являлись рекомендованные для учебных целей сборники задач по расхождению судов.
В ходе апробации модели при решении отдельных задач было установлено, что при заданном постоянстве пеленга (П = const) на приближающееся судно и кратчайшей дистанции расхождения Дкр = 0 наблюдается несоответствие между выбором наиболее опасного судна по данным разработанной модели и данными, приведенными в сборнике задач. То есть однозначное толкование Правила 7 МППСС-72 [13] при
выборе опасной цели в ситуации наличия нескольких судов не выполняется. К примеру, при одновременном сближении с тремя судами пеленг на одно из них остается постоянным, хотя оно по сравнению с другими судами находится довольно далеко и является менее опасным, чем другие. В такой ситуации требуется дополнительный учет большего количества КИ и перенастройка весовых коэффициентов.
Для решения предложенных задач были детально рассмотрены все КИ СОС, сгруппированные в отдельные кластеры, набором которых являются навигационные параметры (НП), связанные единой единицей измерения (линейные, угловые, временные, скоростные). Отмечается, что использование НП в навигационных целях для определения места судна имеет отличительный характер при их использовании при оценке степени опасности столкновения. В навигации для определения места судна (привязки к местности и оценки взаимного расположения) могут использоваться НП с одинаковыми единицами измерения (т.е. с одного кластера). Два, три пеленга, взятые с судна на ориентир, в точке пересечения дают обсервованное место судна. Аналогичным образом можно определить местоположение судна по двум, трем дистанциям.
Детальный анализ ситуаций сближения судов наглядно показал, что НП, имеющие одинаковые единицы измерения, не могут служить для оценки опасности столкновения. Использование НП при оценке ситуации взаимного сближения и наличия опасности столкновения возможно только тогда, когда НП имеют разные единицы измерения.
Учитывая эту особенность применения НП, для оценки ситуации взаимного расположения и сближения судов была выдвинута гипотеза о формировании парных КИ, которые могли бы быть использованы в модифицированном алгоритме МАИ.
Таблица 1
Результаты экспертного опроса степени важности парных КИ сближения судов
№ п/п Должность Стаж работы 1 2 3 4 5 6 7
Дкр-9 дкр-%р Дкр-а Дкр-^0 Дкр-±Д Дкр-КУ Дкр-Дс
1 Ст. пом. 7 4 5 3 3 2 3 3
2 ВПКМ 16 3 5 4 2 3 4 3
3 ВПКМ 5 2 4 5 3 3 4 5
4 ВПКМ 5 5 4 4 5 3 4 5
5 Ст. пом. 15 5 5 3 4 3 3 4
6 ВПКМ 13 5 5 4 4 4 3 4
7 ВПКМ 8 5 5 4 3 3 2 1
8 ВПКМ 8 4 5 4 3 1 3 2
9 Ст. пом 11 2 4 3 3 1 5 3
10 ВПКМ 8 3 5 2 3 2 2 5
11 ВПКМ 5 5 4 5 2 3 4 3
12 Ст. пом. 10 3 5 5 2 1 2 4
13 Капитан 21 4 5 3 4 3 2 1
14 Ст. пом 11 3 5 3 4 3 2 1
15 ВПКМ 7 5 4 2 3 3 4 2
Z баллов 58 70 54 48 38 47 46
Среднее значение 3,87 4,67 3,60 3,20 2,53 3,13 3,07
Среднее отклонение 0,96 0,44 0,83 0,67 0,76 0,83 1,15
Медиана 4,00 5,00 4,00 3,00 3,00 3,00 3,00
Ранг 2 1 3 4 7 5 6
Для проверки гипотезы были разработаны опросные листы и проведены экспертные оценки.
Экспертные оценки осуществлялись по той же методике, что и при определении степени превосходства одиночных КИ. После проведения ранжирования парных КИ были определены весовые критерии КИ (м^). Модель МАИ для КИ СОС была модифицирована для парных КИ.
Форма бланка для проведения экспертных оценок и результаты экспертного оценивания степени важности пары КИ, где определяющим индикатором является информация о ДКР (кратчайшая дистанция сближения), показаны в табл. 1.
В табл. 2 приведена нормализованная (относительно суммы баллов) весовая матрица степени предпочтения парных КИ, полученная по результатам экспертного опроса.
На рис. 1 в качестве примера представлена степень предпочтения различных пар КИ, в которых определяющим параметром является величина ДКР.
Анализ рис. 1 показывает, что при известной величине ДКР судоводитель в первую очередь отдает предпочтение традиционной связке Дкр - оценивая при этом быстротечность развития ситуации сближения. Однако на практике такой подход является не совсем информативным, так как без привязки к относительному расположению судов выбор опасной цели по указанной паре может привести к усугублению ситуации расхождения.
Вторым значимым по рейтингу КИ в паре с ДКР как раз и выступает ракурс наблюдаемой цели 9, который предопределяет схему взаимного сближения и относительное расположение судов и, следовательно, выбор схемы поведения согласно Правилам МППСС-2.
Таблица 2
Весовая матрица экспертного опроса степени важности пары КИ
Ключевой индикатор П = const Дкр ö а Vc ±д КУ Да
П = соnst 0,000 0,153 0,144 0,142 0,132 0,138 0,032 0,130 0,130
Дкр 0,167 0,000 0,162 0,134 0,125 0,109 0,088 0,109 0,106
0,157 0,162 0,000 0,139 0,124 0,118 0,079 0,120 0,102
9 0,163 0,141 0,146 0,000 0,124 0,121 0,087 0,119 0,100
а 0,162 0,139 0,139 0,131 0,000 0,121 0,090 0,121 0,098
V, 0,172 0,124 0,135 0,132 0,124 0,000 0,093 0,124 0,095
±д 0,055 0,140 0,125 0,132 0,129 0,129 0,000 0,151 0,140
КУ 0,157 0,121 0,134 0,126 0,121 0,121 0,106 0,000 0,113
Д0 0,175 0,132 0,126 0,118 0,109 0,103 0,109 0,126 0,000
0,180 0,160 0,140 0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0
0,16 2
0,134
0,125
0,109 0,109 0,106
0,088
а КУ
Ключевые индикаторы
V.
Д0
Рис. 1. Уровень предпочтений использования парных ключевых индикаторов при известном значении Дкр
ö
д
t
Выбор опасной цели
F
Чрезмерное сближение
I
Запас времени
1
I
Наличие опасного столкновения Характер движущейся цели
г
' i ' 1 ^ г 1 г 1
i
Место расположения цели
Рис. 2. Иерархия оценки опасности столкновения
Наряду с ракурсом цели оценка взаимного расположения и сближения судов осуществляется также с помощью угла пересечения ЛОД цели а.
Однако, учитывая, что угол а в явном виде не выдается как параметр сближения судов, степень важности этого ключевого индикатора, по мнению экспертов, несколько ниже, чем угол ракурса цели 9. Еще в меньшей степени отдается предпочтение КУ цели.
Такой подход в ранжировании КИ, связанных с угловой оценкой относительного расположения судов, представляется не совсем логичным. Более правильной является схема, в которой при известном опасном ДКР вначале оценивается КУ цели (цель по носу, справа (слева), на кормовых КУ), а затем ее ракурс (идет на нас (от нас), пересекает наш курс справа (слева), проходит по корме и др.).
Пары Дкр - V0, Дкр - Д0, по мнению экспертов мало информативны, и по этим КИ трудно судить о развитии ситуации сближения без дополнительной информации. При наличии третьего КИ (к примеру Д0 - для первой пары и У0 - для второй) можно получить значение /КР и по этому КИ судить о быстротечности развития ситуации сближения.
Удивляет низкий рейтинг использования пары ДКР - +Д. Хотя, как отмечалось выше, в соответствии с требованиями Правила 7 МППСС-72 необходимо знание информации о характере изменения пеленга (не меняется, изменяется медленно (быстро), изменяется на нос, на корму и т.д.) и судоводители постоянно используют пеленгатор при оценке ситуации сближения судов.
Таким образом, краткий анализ суждений экспертов по ранжированию парных КИ при оценке степени опасности наблюдаемой цели показывает, что используемые на мостике КИ не одинаковы по важности и
имеют разную степень превосходства по отношению друг к другу.
Так как определить опасную цель только лишь по одному КИ невозможно, необходимо использовать множество всех критериев, объединенных на одном или разных уровнях иерархии, которые в свою очередь должны включать в себя отдельные КИ, объединенные, к примеру, общими единицами измерения или смысловой нагрузкой.
На рис. 2 приведена типовая иерархия с тремя уровнями, которая может быть использована в методе МАИ при выборе опасной цели системами поддержки принятия решений.
Модель КИ СОС с весовыми критериями КИ, участвующих в паре, была апробирована достаточным количеством задач по расхождению в различных ситуациях встречи судов и показала положительные результаты и устойчивые показатели по отношении к частным задачам расхождения судов.
Выводы
1. Использование адаптированного метода анализа иерархий (МАИ) позволяет осуществить выбор опасной цели с использованием множества КИ с различной степенью превосходства.
2. Правильность полученного результата зависит от построения структуры модели выбора требуемого решения (альтернативы)
3. Обоснованность и правильность принятого решения связана с полнотой учета используемых КИ СОС, точностью полученных оценок в степени превосходства КИ между собой и как следствие - квалификацией и компетентностью экспертов.
Литература
1. Сазонов А.В. Родионов В.И. Автоматизация судовождения. М., 1992. 280 с.
2. Жерлаков А.В. Ильин А.А. Румянцев Г.Е. Радиолокационные системы предупреждения столкновений судов. Л., 1984. 424 с.
3. Цымбал Н.Н. Гибкие стратегии расхождения судов. Одесса, 2007. 424 с.
4. Дмитриев С.П. Колесов Н.В. Осипов А.В. Синтез безопасных траекторий расхождения судов с использованием методов искусственного интеллекта. М., 2000. № 3. С. 5.
5. Мальцев А.С. Способ оценки опасности столкновения судов. Судовождение и судоремонт // Сб. науч. тр. ОИИФ. М., 1992. 133 с.
6. Информационный бюллетень «INTERTANKO». Tanker incidents. 2008. 27 с.
7. Трахтенгерц Э.А. Компьютерные системы поддержки принятие решения управленческих решений // Проблемы управления. 2003. № 1. С. 248.
Поступила в редакцию
8. Шерстюк В.Г. Бень А.П. Гибридная интеллектуальная СППР для управления судном // Искусственный интеллект: сб. науч. трудов Х / ГМИ. 2008. № 3. С. 5.
9. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М., 1993. 278 с.
10. Миронов А.В. Субанов Э.Э. Петров А.А. Оценка степени опасности наблюдаемых целей при решении задачи безопасного расхождения с судами // Сб. науч. тр. ЦНИИМФ. СПб. 2012.
11. Миронов А.В. Субанов Э.Э. Экспертные оценки ранжирования ключевых индикаторов используемых для выбора опасной цели. Новороссийск / МГА // Сб. науч. тр. НПК. 2011. № 14. С. 188.
12. Субанов Э.Э. Миронов А.В. Идентификация ключевых индикаторов, присущих процессу расхождения судов с использованием метода экспертных оценок // Материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. Наука в современном мире. Таганрог, 2011. С. 221.
13. Коккрофт А.Н. Ламеер Дж. Н.Ф. Руководство по Правилам предупреждения столкновения (МППСС-72) / Пер. с англ. Н.Т. Шайхутдинона и К.В. Щиголева СПб., 2005. 320 с.
12 января 2012 г.
Субанов Эркин Эргешевич - ст. преподаватель, кафедра «Управление судном», Государственный морской университет им. адмирала Ф.Ф. Ушакова. Тел. +7(8617) 76-78-24. E-mail: er.subanov@rambler.ru.
Миронов Александр Владимирович - канд. техн. наук, доцент, начальник факультета «Эксплуатация водного транспорта и судовождения», Государственный морской университет им. адмирала Ф.Ф. Ушакова. Тел. (8617) 76-78-00. E-mail: mail@nsma.ru
Subanov Erkin Ergeshevich - senior lector, department «Vessel maneuvering», Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Admiral Ushakov Maritime State University». Ph. +7(8617) 76-78-24. E-mail: er.subanov@rambler.ru.
Mironov Aleksandr Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Head of Faculty «Water Transit Operation and Navigation», Federal State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «Admiral Ushakov Maritime State University». Ph. (8617) 76-78-00. E-mail: mail@nsma.ru
