CC BY
68
Вестник МГТУ, том 5, №2, 2002 г.
стр.183-186
Минимизация навигационных рисков в эргатической системе "интегрированная система мостика - судоводитель" В.И. Меньшиков, В.А. Чкония
Судоводительский факультет МГТУ, кафедра судовождения
Аннотация. С точки зрения теории эргатических систем рассматривается проблема использования технических средств судовождения при решении навигационной задачи с минимизацией навигационных рисков. В свете принятой Международной Морской Организацией Резолюции MSC.64(67) доказывается необходимость разработки интеллектуальных моделей эффективного управления интегрированной системой мостика (ИСМ). Исследуются причины, ограничивающие эффективность управления ИСМ, и даются рекомендации по дальнейшему совершенствованию этой системы.
Abstract. The problem of navigation means usage when solving the navigational task with minimization of navigational hazards has been considered from the point of view of the ergonomics systems' theory. Considering the International Marine Organization Resolution MSC.64(67) the authors have demonstrated the necessity of intellectual models of the integrated bridge system effective control. The reasons confining the efficiency of the system management have been researched and some recommendations on its further perfecting have been given.
1. Введение
Основным назначением интегрированной системы мостика является сбор и обработка информации, которая поступает на ее вход от технических средств судовождения, а также создание модели навигационного процесса в реальном масштабе времени (Резолюция ИМО MSC.64(67), 1997). В общем случае формирование модели навигационного процесса и ее отображение на электронном носителе в ИСМ осуществляется в рамках следующей последовательности действий:
- сбор информации от периферийных источников и поставка ее в интегрированную систему,
- создание модели навигационного процесса на основе информации, содержащейся в поступающих сообщениях,
- отображение создаваемой модели в удобной для восприятия форме и выделение наиболее значимых событий, связанных с появлением навигационных рисков.
Перечисленная последовательность действий позволяет считать, что система создает не столько базу данных, необходимую для контроля состояния навигационного процесса, сколько некоторое пространство знаний, которое является исходным для управленческой деятельности судоводителя. Тогда объединение "ИСМ - судоводитель" следует отнести к классу эргатических систем. Именно в таких системах допустимо рассматривать практически все формы взаимодействия объектов друг с другом. Применительно к данному случаю необходимо рассматривать взаимодействия на информационном и силовом уровнях.
2. Модель эргатической системы, составленной на объединении "ИСМ - судоводитель"
Модель эргатической системы, составленной на объединении "ИСМ - судоводитель", обеспечивающей эффективное управление навигационной аппаратурой с обязательным условием минимизации навигационных рисков целесообразно рассмотреть как граф функционирования (рис. 1).
Графом фиксированы следующие состояния модели: 1 - сбор поступающей информации и определение меры ее важности, осуществляемые интегрированной системой мостика, 2 - восприятие судоводителем информационной модели навигационного процесса из пространства знаний SK, 3 - принятие решений и реализация действий, определенных в пространстве решений SR и направленных на эффективное управление ИСМ, 4 - выполнение контрольных мероприятий и корректирующих действий, повышающих
аппаратуры и реализуемых в пространстве контроля SC.
Факт пребывания системы в состоянии 4 характеризует согласованность пространства SR с пространством SK во времени. Такое согласование можно получить, если разработать и внедрить интеллектуальные модели взаимодействий судоводителя с аппаратурой, объединенные в единый организационный проект. Попытаемся доказать, что такой организационный проект должен удовлетворять одному достаточно "жесткому" условию.
За время пребывания в пространстве SK = {1,2} осуществляется собственно восприятие модели навигационного процесса и определение меры важности информации, за время пребывания в пространстве SR = {1, 2, 3} эти процессы завершаются принятием решения на управление ИСМ и реализацией этого решения с помощью определенного действия. Следует подчеркнуть, что состояние 1 в графе
эффективность эксплуатации
Рис. 1. Граф функционирования
Меньшиков В.И. и Чкония В.А. Минимизация навигационных рисков в эргатической системе.
функционирования является для обоих пространств начальным. При наличии эффективного организационного проекта пространства Ж и БК должны быть согласованными, и, следовательно, обратные переходы в модели эргатической системы возможны только из состояния 3.
Если через в и у,■ (■ = 1,2,3) обозначить, соответственно, время между последовательными моментами поступления очередных порций входной информации и время пребывания системы в состоянии I, то переход 3-4 (решение принято) произойдет лишь при выполнении условия:
Уз < в-(Х1+ ?2),
а переход 3-1 (данных недостаточно для принятия решения - запрос дополнительной информации) - если
Уз > в - (у + у,).
Тогда степень эффективности составленных интеллектуальных моделей, объединенных в организационный проект, может быть оценена по разности
Лт= ц(5К) - п(Ж),
где т1(БК) и ^(Ж) - время пребывания модели эргатической системы в пространстве знаний и решений соответственно при общем для них начальном состоянии 1.
С учетом направлений переходов и соответствующих им весов (вероятностей) (рис. 1), средняя величина разности < А г* > в относительных величинах определяется следующим образом
< А г* > = Р31 /Р34 [1 + / (П*+Г2*)] + 73*/ (П* + 72*),
причем
(Ю (Ю
63* = в* - (л*+Г2*); Р31 = 1 -Р34 = \фв(х + у^(у)} dFrз(x),
0 0
где Fg(f) и Fri (?) - функции распределения случайных величин в и у1 соответственно.
Из выражения для < Ат* > следует, что это значение складывается из двух компонент, причем первая компонента определяет время нахождения эргатической системы в состоянии 4 (рис. 1). Это время зависит от несогласованности пространств Ж и БК и может быть записано так
< А?* > 5С = Р31 /Р34 [6*/(л* + Г2*)].
Очевидно, интеллектуальные модели, объединенные в организационный проект и обеспечивающие согласованность пространства знаний и пространства решений, максимально реализуют свои возможности только тогда, когда < Ат* >8С = 0, т.е. когда
(Ю (Ю
0 I ^ Fв(x + у^Г2(у)}^Г3(х) = 0. (1)
Полученное условие является основным при составлении интеллектуальных моделей и подчеркивает важность согласования пространства знаний с пространством решений. Интеллектуальные модели описывающие "правильные" информационные и силовые взаимодействия судоводителя с современными техническими средствами судовождения (ТСС), включающими системы отображения, вычислительную технику, аппаратные и программные средства, должны удовлетворять условию (1). Однако даже "правильно" составленные интеллектуальные модели не способны гарантировать принятый уровень безопасности навигации, если в пространстве знаний эргатической системы будут иметь место несоответствия между реальным навигационным процессом и его отображаемой моделью. Такие несоответствия могут генерироваться за счет сбоев датчиков навигационной информации, сопрягаемыми с ИСМ.
3. Влияние сбоев датчиков навигационной информации на пространство знаний
Несвоевременное обнаружение технического или информационного сбоя в датчиках навигационной информации, как правило, влечет за собой появление навигационного риска, способного привести к тяжелым последствиям. Поэтому планирование и поддержание безопасности навигации на необходимом уровне должно быть связано не только с минимизацией внешних рисков, но и с предсказуемостью функционирования ТСС, на которых реализуется навигационный процесс, т.е.
*(•) х : е ^ е |р,
где Р с Р0 - элементы множества ТСС, обеспечивающие в данный момент безопасность навигационному процессу е в рамках правил £(•).
Проблема построения системы планирования и поддержания принятого уровня безопасности навигации, учитывающей появление технических или информационных сбоев в одном или нескольких элементах, а также их резервирование, является в настоящее время наименее исследованной.
Рассмотрим последовательную схему из Р элементов. Ее можно описать следующими объектами: множество входных параметров X с. Х0; множество выходных параметров 2 с. 20; множество
Вестник МГТУ, том 5, №2, 2002 г.
стр.183-186
внутренних состояний У с У0, где Х0, У0, 20 - полные множества. Тогда для функционирующей без сбоев схемы из Р элементов можно составить функцию переходов Е и функцию выходов О:
Е: X х У ^ У, Л : X х У ^ 2.
Наличие в схеме технических или информационных сбоев приводит к изменениям как внутреннего состояния самой схемы, так и ее выходных параметров, которые будут отличаться от тех, которые были запланированы или поддерживаются с помощью функций Е, Л . Однако измененные внутреннее состояние и выходные параметры можно определить, если дополнительно ввести:
- функцию переходов в схеме со сбоем/ Е' : X х У ^ Ур-
- функцию выходов схемы со сбоем/ £2' : Xх У ^ 2р,
причем / е F, где F - заданный класс информационных и технических несоответствий, идущих в ИСМ от сопряженных с нею датчиков навигационной информации.
Функционирование схемы из Р элементов, обеспечивающей безопасную реализацию навигационного процесса, следует признать прогнозируемым по несоответствиям в пространстве знаний для любого сбоя из класса F и при любой последовательности входных параметров X, если выполняются операции вида:
У П XF = ф; У и УF = У0, (2)
2 п ZF = ф; 2 И 'Z.F = (3)
Это является лишь необходимым условием для прогноза состояния пространства знаний. Для того, чтобы несоответствия в пространстве знаний были прогнозируемы на уровне достаточности при любом сбое из класса F и при любой последовательности входных параметров X, необходимо операции (2) и (3) дополнить еще рядом условий. Так, например, для прогнозирования на уровне необходимости и достаточности несоответствий в пространстве знаний за счет сбоев, меняющих внутреннее состояние схемы из Р элементов, к операции (2) нужно добавить следующий перечень дополнительных условий:
1. V/е F, Уу е У, Их е X Е' (х,у) = 3(ху) или Е' (х,у) = у/ , у/ е УР;
2. V/е F, Щ е УF, Их е X Е' (ху) = у}, у/ е УF. (4)
Аналогичный перечень дополнительных условий можно записать и для операции (3), подтверждая уровень достаточности прогноза несоответствий в пространстве знаний за счет сбоев параметров выхода 2/ е Хрг в схеме из Р элементов с любым сбоем / е F и любой последовательностью из X. Другими словами, для прогнозирования и поддержания на заданном уровне безопасности навигации в эргатической системе с учетом сбоев в схеме ТСС, содержащей Р сР0 элементов, необходимо и достаточно, чтобы первое несоответствие в пространстве знаний, а также все последующие были сгенерированы одним и тем же источником, определенным как объединение вида Ж = Ур- И 2Р, и за счет элементов из класса F. Однако возможности прогнозирования несоответствий в пространстве знаний эргатической системы еще не исчерпывают всей сложности взаимодействий между ИСМ и судоводителем. С практической точки зрения важно знать время, в течение которого пространство знаний будет давать судоводителю ошибочные данные и неверные рекомендации, особенно в части событий, связанных с появлением существенных навигационных рисков.
4. Время ненадежного представления данных в пространство знаний эргатической системы
Рассмотрим стационарный режим функционирования пространства знаний, которое формирует схема ТСС Р с помощью ИСМ, при наличии в этой схеме сбоев из класса F. Пусть схема, набранная из элементов множества Р с Р0, представляет собой однолинейную систему, в которой технические и информационные сбои / е F следуют с интенсивностью, равной Л. Обнаружение сбоев в пространстве знаний осуществляется судоводителем, а их устранение производится в случайные моменты времени, подчиняющиеся распределению вида В(т). Поскольку несоответствия в пространстве знаний зависят от производительности источника сбоев, имеют произвольный период следования, а сами сбои подчиняются условиям (4), то можно отказаться от каких-либо ограничений на очередность обнаружения и устранение несоответствий судоводителем.
Условные стационарные плотности вероятностей состояний данной системы определяются так
Рк*(т) = Рк(т) / ад, (5)
где Б0(т) = 1 - Б(т), а эти состояния связаны между собой следующей системой уравнений:
dpl*(r)/dr= -Яр1*(Т); dpk*(т)/dт= - ХРк*(т) + ^Рк-1*(г). (6)
Чтобы перейти в (6) от условных плотностей к безусловным, продифференцируем (5): dpk*(т)/dт= [р'к(г)Б0(т) -Рк(г)Б0'(т)] / Б0 2(т) = Рк'(1) + МФк(г)] / Б0(4
Меньшиков В.И. и Чкония В.А. Минимизация навигационных рисков в эргатической системе...
где /л(т) = B\т) / B0(т) - мгновенная интенсивность обнаружения и устранения отказа f е F технических средств судовождения, искажающего пространство знаний. Подставляя результат дифференцирования в (6), получим систему дифференциальных уравнений для безусловных плотностей:
dp1(г)/dг= - \р(т) + ^(г); dp¿(т)/dт= - \р(т) + Л^т) + Лpk _ ^г). (7)
Система (7) может быть решена, если задать начальные условия в следующем виде
(Ю (Ю
Pk*(0) = ípk+l*(r)dB(r); А*(0) = Xpo + Íp2* (^(т)
0 0
или переписать их так
Pk(0) = IД фш (ф^ pl(0) = Яpo + IД ф2( ф т. (7а)
Заметим, что традиционное решение системы (7) для таких начальных условий обычно отыскивается при двух и более несоответствиях в пространстве знаний, т.е. k = 2,3,..., а также допущении, что средняя интенсивность обнаружения и устранения сбоев в пространстве знаний, находящемся в ^ом состоянии, равна
¡л* = ^(Ф^Фт.
Опираясь на традиционный прием решения системы уравнений (7), проинтегрируем эту систему от нуля до бесконечности. При наличии в пространстве знаний двух и более несоответствий имеем
(Ю (Ю (Ю
Pk(») -Pk(0) = - ¡ЖФЖФ?- Лpk(т)dт + л\pk.l(т)dт. Очевидно, что для всех k = 2, 3, ... соблюдаются следующие равенства
Pk (<») = 0; pk = Ip(фт.
Значит, при любом k > 2
Pk(0) = |Дг)pk(т) dт+ Лpk - ^и.
Сравнив с (7а), получим
(Ю (Ю
т^+1 (т)dт-Лpk = Ыф^т^т- Лpk-l. (8)
0 0
Современные ТСС, поставляющие информацию для ИСМ, обладают весьма высокими показателями надежности. Поэтому предположение о наличии в пространстве знаний двух и более несоответствий, сгенерированных сбоями в схеме Р, можно рассматривать как маловероятное, хотя и возможное событие.
Выражение (8) описывает вероятностную взаимосвязь между несколькими несоответствующими состояниями пространства знаний и не способно описать появление одиночного несоответствия. Однако, взяв его за основу и выполнив аналогичные преобразования с первым уравнением из (7), можно получить
да
^(0) = \ц(т)p2(т)dт+ Лpo. (9)
0
Из этого уравнения достаточно просто найти время г, в течение которого в пространстве знаний эргатической системы будет существовать несоответствие, порождающее навигационный риск и снижающее уровень навигационной безопасности. Оценку среднего времени несоответствия пространства знаний реально складывающейся навигационной ситуации, подлежащую учету при планировании и поддержании заданного уровня безопасности навигации, следует искать, очевидно, так:
< т> = \тB(т)dт. (Ю)
Полученная оценка характеризует время, в течение которого ИСМ не способна отобразить реальную модель навигационного процесса и сформировать адекватное пространство знаний, и следовательно, не способна информационно поддержать процедуру по минимизации навигационных рисков.
5. Заключение
Эффективное использование ИСМ и сопрягаемых с нею технических средств судовождения предусматривает согласование пространства знаний и пространства решений, которое реализуется путем разработки и внедрения в практику судовождения интеллектуальных моделей, объединенных в организационный проект. Однако такой проект не способен полностью исключить навигационные риски, особенно те, которые обусловлены сбоями датчиков информации, сопрягаемых или входящих в комплект ИСМ. Реальная минимизация навигационных рисков, связанная с уменьшением интервала времени (Ю), возможна лишь если в новые эксплуатационные требования будут включены пункты, обязывающие производителей проектировать и выпускать ИСМ с признаками полной самопроверяемости.
Литература
Резолюция ИМО Ы8С.64(67) от 5 декабря !996 года. M, Транспорт, 237 е., !997.
