CC BY
82
Список литературы
1. Вишневский Ю. Г. Поля поражения сигналов и электромагнитная защищенность информационных каналов в АСУ ДС / Ю. Г. Вишневский, А. А. Сикарев. — СПб.: Судостроение, 2006. — 356 с.
2. Сикарев А. А. Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов / А. А. Сикарев, О. Н. Лебедев. — М.: Радио и связь, 1983. — 216 с.
УДК 656.052.484 С. Н. Некрасов,
д-р. техн. наук, профессор, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;
И. В. Капустин,
канд. техн. наук, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;
М. С. Старов,
аспирант,
ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова
КОГНИТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ НАВИГАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПЛАВАНИЯ
COGNITIVE MODELING FOR PROVIDING SAFETY OF NAVIGATION
В работе дано описание системы судовождения в виде ориентированного функционального графа — когнитивного функционального графа.
System of navigation described in form of directed graph of the function — cognitive function graph is
given.
Ключевые слова: безопасность плавания, навигационные риски, когнитивное моделирование.
Key words: safety of navigation, navigational risks, cognitive modeling.
Современный этап развития средств, систем и методов судовождения характеризуется высоким уровнем развития технических высокоточных и надежных систем судовождения. При этом следует отметить, что методы судовождения продолжают отставать от развития средств судовождения. Методы судовождения реализуются судоводителем, поэтому качество решения задач судовождения определяется способностью судоводителей решать необходимые задачи по управлению судном в сложных навигационно-гидрографических и гидрометеорологических условиях. Уровнем качества действий судоводителей определяется навигационная безопасность плавания.
Анализ развития методов судовождения показал, что их уровень не вполне соответствует требованиям по обеспечению навигационной безопасности плавания. Этим и определяется необходимость поиска новых методов оценки качества решения задач судовождения [1].
Одним и перспективных направлений развития теоретических методов оценки качества решения задач судовождения является когнитивное моделирование.
Выпуск 1
Суть когнитивного подхода заключается в моделировании ситуации с учетом причинноследственных отношений признаков разных элементов ситуации.
Когнитивную модель качества решения задач судовождения при обеспечении навигационной безопасности плавания можно представить в виде кортежа:
1) М (Ц, М2) — ориентированный граф;
М — множество вершин ориентированного графа, представляющее собой основные факторы, определяющие структуру когнитивной модели:
2) ¥ = ¥ {М1, М2} — функциональные преобразования дуг.
В том случае, когда анализу подвергается система судовождения, которая имеет множество качественных свойств, то свойства факторов, влияющих на процесс судовождения и дуг, определяющих связи, следует описывать вероятностно.
Тогда для повышения полноты учета свойств частных факторов для получения целостной модели, наилучшим образом отражающих свойства процесса судовождения, целесообразно воспользоваться методами, развитыми в теории функциональных сетей, системном анализе и логиковероятностном моделировании байесовских сетей.
Описание ситуаций судовождения в функциональном аспекте заключается в построении модели развития ситуации в виде ориентированного функционального графа — когнитивного функционального графа.
При построении когнитивной модели сложной ситуации используются результаты ее структурной детализации, то есть представление ситуации в виде иерархии «часть-целое» (-Д0)-
В сложной ситуации когнитивные карты строятся для каждого элемента ситуации с/, е И. В качестве вершин орграфа используются признаки М/,} элемента й.. Экспертным путем определяются бинарные причинно-следственные отношения на множестве признаков ¥ которые и формируют ориентированный граф (¥. , Ж. ), где Ж — матрица смежности графа, отражающая знания о законах функционирования элемента ситуации й. [2].
После построения когнитивной карты отдельных элементов ситуации экспертным путем определяются причинно-следственные отношения признаков разных элементов ситуации, то есть определяется модель функционирования ситуации как целого, выраженная через модели функционирования ее отдельных элементов.
Построение когнитивных карт отдельных элементов ситуации, основанное на ее структурной детализации, значительно проще, чем построение когнитивной карты сложной ситуации без ее предварительной структуризации.
Кроме того, когнитивный подход — это подход решения проблем, то есть когнитивная мо* дель — это модель проблемы, которая включает основные факторы и связи между ними и описы-
= вается после возникновения проблемы. Конечно, такой подход относится к описанию проблемы,
ш но не к прогнозу развития проблемной ситуации.
Когнитивная модель качественно сложной системы судовождения учитывает основные свойства, законы и закономерности функционирования и информационные и функциональные связи между элементами сложной иерархической системы.
Основными элементами системы судовождения являются «среда-собственно судно-судоводители». Основной целью функционирования системы судовождения является решение задач по предназначению с обеспечением навигационной безопасности плавания. Среди большого ко-
К=<М,Р>,
(1)
где:
Мг -^т[|/и'. е м],* = 1 ,п;
М2 — множество дуг, соединяющих вершины между собой:
личества свойств систем судовождения, которые определяют успешность ее функционирования, рассматривается только когнитивная модель оценки качества решения задач обеспечения безопасности плавания. Тогда свойства судна следует описывать с точки зрения надежности систем управления судном [1].
Судоводитель, как главный элемент в системе судовождения, будет описан с точки зрения его способности оценивать навигационную обстановку, анализировать ее на предмет анализа развития ситуации с учетом требований основных руководящих документов (правил плавания, МППСС-72 и пр.), осуществлять маневр и контролировать развитие ситуации.
Кроме того, в анализируемую когнитивную модель следует внести средства и системы освещения обстановки (РЛС, визуальные средства и системы, АИС и т. п.).
Тогда когнитивная модель оценки качества решения задач судовождения примет вид, показанный на рис. 1.
Рис. 1. Когнитивная модель оценки качества решения задач судовождения
Система событий, формирующих когнитивную модель оценки качества решения задач судовождения:
1) событие успешного применения РЛС для освещения надводной обстановки;
2) событие успешного использования визуальных средств для наблюдения за надводной обстановкой;
3) событие успешного использования АИС для освещения надводной обстановки;
4) событие правильной оценки навигационной обстановки;
Выпуск 1
5) событие оценки неопределенностей и прогноза развития навигационной ситуации;
6) событие правильного применения основных руководящих документов для обеспечения навигационной безопасности плавания;
7) событие правильного и своевременного принятия решения на маневр;
8) событие успешного контроля за маневром;
9) событие успешного контроля за развитием ситуации береговыми системами (СУДС);
10) событие отсутствия потери управляемости судна;
11) событие успешного правильного использования средств освещения надводной обстановки;
12) событие успешного применения прогноза развития навигационной ситуации;
13) событие, характеризующее совокупность проявления последствий успешного выбора схемы маневрирования, применения правил МППСС и принятия решения на маневр;
14) событие успешного маневрирования при разрешении навигационной ситуации;
15) событие безопасного разрешения навигационной ситуации;
16) событие разрешения опасных навигационных ситуаций с использованием береговых систем наблюдения;
17) событие неэффективного использования средств и систем освещения обстановки;
18) событие, характеризующее низкое качество оценки навигационной обстановки или низкое качество прогноза развития ситуации;
19) событие, характеризующее низкое качество использования средств освещения навигационной обстановки или низкое качество оценки или прогнозирования навигационной ситуации;
20) событие, характеризующее низкое качество оценки обстановки или использования руководящих документов или плохое качество принятия решения;
21) событие, характеризующее развитие опасной навигационной ситуации при низком качестве оценки навигационной обстановки или неправильном использовании руководящих документов или плохого качества контроля за исполнением маневра и развитием ситуации;
22) событие, характеризующее развитие опасной навигационной ситуации из-за слабых профессиональных качеств судоводителей и потери управляемости судна;
23) событие, характеризующее нарастание опасной навигационной ситуации из-за проявления совокупности факторов низкого качества управления судном судоводителями или отказами в системах управления судном или неправильных действий операторов береговых систем управления.
После построения когнитивной модели обеспечения навигационной безопасности плавания следует представить матрицу смежности графов. Так как когнитивная карта имеет два выхода, подчеркивающих цель функционирования процесса судовождения, а именно успешное решение задач судовождения и наличие навигационных рисков, возникающих при этом, следует представить две матрицы сопрягаемости когнитивного графа. В табл. 1 представлена матрица смежности графа успешного решения задач судовождения, а в табл. 2 — матрица смежности графа оценки навигационных рисков. Матрицы смежности показывают «веса» событий (факторов), которые представляют собой в стохастическом понимании вероятности свершения частных событий. Ниже будут рассмотрены способы идентификации моделей частных событий.
Таблица 1
Матрица смежности графа успешного решения задач судовождения
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1
2
3
Таблица 1 (Окончание)
4 Рп
5
6
7
8
9
10
11 л Р2 Р3
12 Р4 Р5
13 Р6 Р7 Р11 Р12
14 Р8 Р,3
15 Р10 Р14
16 Р9 Р15
Таблица 2
Матрица смежности графа оценки навигационных рисков
•Л
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 17 18 19 20 21 22 23
1
2
3
4 Р11
5
6
7
8
9
10
11 Рі Рі Р1
17 Рі Р 2 Р3
18 Р 4 Р 5
Выпуск 1
Таблица 2 (Окончание)
19 Р17 Р18
20 Р6 Р7 Р19
21 Р8 Р20
22 Р10 Р21
23 Р9 Р22
Когнитивная модель процесса судовождения при решении задач обеспечения навигационной безопасности плавания положена в основу получения численных значений элементов матрицы смежности.
Для отыскания количественных характеристик элементов матрицы смежности использовались подходы, развитые в теории байесовских функциональных сетей и методах логико-вероятностного моделирования [3].
При этом оценка навигационных рисков проводилась в диапазоне минимальных и максимальных их значений, что соответствует конъюнктивной или дизъюнктивной логике их проявления в целостной системе.
Тогда вероятность успешного и безопасного решения задач судовождения при конъюнктивной логике свершения событий, включенных в когнитивную модель, примет вид
РУ=11РУ=РАР^^ (2)
1=1
где Р. — вероятность свершения частных событий, включенных в модель.
А оценка вероятности решения задач судовождения, когда хотя бы один из элементов системы не будет реализован, то есть будет генерироваться опасная навигационная ситуация, примет вид
Рриска = О'6Р%Р9Р\0Р201Р2\Р22Р2Ъ + Р^1Р%РЧРШР20Р2\Р22Р2?, + 0-ЪР6Р1РЪР9РтРПР\9Р2йР22Р2Ъ +
+ О2Р3Р6Р7РЕР9РЮРПР19Р20Р21Р22Р23 + ^3^6 ^7 ^8 ^9 ^10^7^9^20^21^22^23 +
+ @3Р6Р1^\Р9^\о^17^18^19Р20Р21Р22Р23 + О2Р3Р6Р!Р«Р9Р10РПР1&Р19Р20Р21Р22Р23 + (3)
+ (21Р2Р3Р6Р7РйР9Р10РПР1&Р19Р20Р21Р22Р23 + Р\Р2РЪР6Р1Р9Р\0Р1\Р\ЪР\9Р2йР21Р22Р2Ъ +
+ Р1Р2^АРАР9Р10РПР1%Р19Р20Р23 + Я,Р9Р10Р21Р22Р23 + Р9ЯюР22Р23 + 09Р23~
Результаты равнопараметрического моделирования когнитивной модели приведены в табл. 3 и на рис. 2 и 3.
Таблица 3
В
ш»
Наименование фактора (события) 5 СЛ © II аг Р. = 0,99 Р. =0,999
№ вероятность успешного решения риск вероятность успешного решения риск вероятность успешного решения риск
1 Событие успешного и правильного использования средств освещения надводной обстановки 0,858 0,142 0,970 0,029 0,997 0,003
2 Событие успешного применения прогноза развития навигационной ситуации 0,774 0,226 0,951 0,049 0,995 0,005
Таблица 3 (Окончание)
3 Событие, характеризующее совокупность проявления последствий успешного выбора схемы маневрирования, применения правил МППСС и принятия решения на маневр 0,698 0,302 0,932 0,068 0,993 0,007
4 Событие успешного маневрирования при разрешении навигационной ситуации 0,663 0,337 0,922 0,078 0,992 0,008
5 Событие безопасного разрешения навигационной ситуации 0,629 0,370 0,913 0,087 0,991 0,010
6 Событие разрешения опасных навигационных ситуаций с использованием береговых систем наблюдения 0,598 0,402 0,904 0,096 0,990 0,011
к
Л
\о
о
о
Е
о
а.
ш
03
•Р11
Р12 ■Р13 ■ Р14 Р15 •Р16
[«]
Рис. 2. График изменчивости качества успешного решения задач судовождения
Выпуск 1
<и
Э
а. а.
01 іа
0
Е
§
о.
01 ей
1,00000
П П31-
П П1
0,95000 0,99000 0,99900
—рц 0,14200 0,02900 0,00300
Р12 0,22600 0,04900 0,00500
Р13 0,30200 0,06800 0,00700
Р14 0,33700 0,07800 0,00800
Р15 0,37000 0,08700 0,01000
Р16 0,40200 0,09600 0,01100
Вероятность события Рп
■Р11
•Р12
•Р13
■Р14
•Р15
•Р16
Рис. 3. График изменчивости уровня навигационных рисков
Анализ результатов когнитивного моделирования системы судовождения показал следующее:
1) анализируемая система является высокорискованной системой;
2) системная значимость всех факторов примерно одинакова и зависит от вероятностей свершения событий, относящихся к факторам, включенным в когнитивную модель;
3) вклад, вносимый каждым элементом когнитивной модели судовождения, примерно одинаковый и не превышает 10 % от ожидаемой успешности решения задач судовождения;
4) это означает, что, располагая ресурсами повышения качества решения задач судовождения, можно выбрать один или несколько элементов и, повысив их качество, снизить навигационные риски.
Таким образом, разработка когнитивных моделей судовождения является весьма перспективным направлением обоснования новых методов судовождения.
Список литературы
т
1. Некрасов С. Н. Ситуационный метод оценки навигационной безопасности плавания / С. Н. Некрасов // Тр. ГНИНГИ. — 2007. — № 3. — 12 с.
2. Ковриков С. В. Когнитивная технология управления развитием сложных социально-экономических объектов в нестабильной внешней среде / С. В. Ковриков [и др.] // Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций: материалы I Междунар. конф. — М.: ИПУ РАН, 2001. — 160 с.
3. Можаев А. С. Общий логико-вероятностный метод анализа надежности структурносложных систем / А. С. Можаев. — Л.: ВМА, 1988. — 248 с.
