CC BY
35
Модель и механизм функционирования системы управления безопасной эксплуатацией судов
В.И. Меньшиков, Кукуй Фирмин Дживо
Судоводительский факультет МГТУ, кафедра судовождения
Аннотация. Описывается модель двухуровневой системы управления безопасной эксплуатацией судов (СУБ). Рассматриваются возможности назначенного лица компании по формированию реализуемого механизма функционирования СУБ.
Abstract. The two-level model of the management system for the ship safe operation (SMS) has been described. The possibilities of a company's designated person on formation of realized SMS functioning mechanism have been considered.
1. Введение
Одной из основных задач, которая возникает при разработке, внедрении и эксплуатации систем управления безопасной эксплуатацией судов (СУБ), является задача анализа эффективности механизмов функционирования компании с целью выбора наиболее эффективной организации и рационального метода управления. Однако при решении такой задачи в области морского судоходства следует дополнительно учитывать одну особенность, которая закреплена в Международном кодексе по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращению загрязнения (ISM Code) (Международный Кодекс по управлению..., 1993). Это положение определено пунктами четыре и пять международного документа и заключается в том, что отдельные элементы СУБ, такие, как назначенное лицо компании и капитаны судов, подчиненные ему, обладают определенной "свободой" в действиях. Естественно, что "свобода" действий элементов системы не может заметно не сказываться на организованности СУБ в целом. Поэтому поиск эффективной организации СУБ и рационального метода управления в системе при реальной свободе действий ее элементов является достаточно актуальной задачей для морского судоходства, требующей быстрого разрешения.
2. Конструирование механизма функционирования системы управления
Для синтеза элементного множества СУБ компании ^используем положения ISM Code. В свете этих положений множество Сможет быть представлено: назначенным лицом компании (AP), конечным числом подчиняющихся ему судов (csn) и объединением подразделений береговой управленческой структуры компании (DSC), включенной в СУБ. Чтобы учесть влияние на эффективность функционирования СУБ степени организованности береговой управленческой структуры компании примем, что состояние этой организованности известно как назначенному лицу, так и капитанам судов компании. Множество S должно дополнительно включать в себя информационные и управляющие связи, которые с помощью соответствующих переменных описывают общее состояние системы.
При таких исходных допущениях модель элементного множества системы управления безопасной эксплуатацией судов компании S можно представить в виде следующего графа функционирования (рис. 1).
Рис. 1. Граф функционирования
Из графа функционирования следует, что для любого судна компании можно задать вектор состояния yu вектор управления u и множество их возможных значений: y, е Yu ut е U, i е I = {i | i = 1, 2, ..., n}. Кроме того, для всей СУБ в целом можно также задать совокупность векторов реализаций
У = {y, i е I}, совокупность векторов управлений u = {u, i е I} и множества возможных значений этих величин: y е Y и u е U.
В общем случае очевидно, что
n
Y = Y0 П (HY),
i = 1
где Y0 - глобальные ограничения на реализацию СУБ: y е Y0, и аналогично
n
U = Uo П (#Ui), i = 1
где U0 - глобальные ограничения на управления в СУБ: u е U0.
Свяжем цель СУБ с наличием у системы целевой функции W = 0(u, y), а назначенное лицо компании будем считать административным органом, описание действий которого совпадает с описанием управлений. Примем также, что целевая функция назначенного лица компании совпадает с целевой функцией самой системы. Тогда, учитывая графическую интерпретацию элементного множества S(рис. 1) и наличие у множества целевой функции, организационный механизм модели СУБ можно записать следующим образом:
W = 0(u, y), u = {u„ i e I}, y = {y„ i e I},
n
щ e U„ i e I, u = {u,} e U = Uo П (^U,), (1)
i = 1
n
yr e Y„ i e I, y = {у,} e Y = Yo П (Я^).
i = 1
Модель организационного механизма СУБ вида (1) можно также называть механизмом ее функционирования. Опишем ряд составляющих этого механизма, акцентируя внимание в первую очередь на тех, которые оказывают существенное влияние на организованность системы.
4. Учет будущего в критериях эффективности судна
Введенная в механизм функционирования СУБ целевая функция позволяет формализовать наличие цели в случае, когда судно пытается оптимизировать собственную функцию полезности в рассматриваемый период функционирования, не учитывая будущих последствий принимаемых "сегодня" решений. Это вполне оправдано, если принимаемые решения в данном периоде функционирования не влияют на плановый вектор x, вектор текущего управления Л и множество возможных реализаций Zi(xi,ri) в будущие периоды. Однако, если такое влияние имеет место, то естественно считать, что капитан будет прогнозировать последствия принимаемых решений. Такое допущение вполне оправдано в силу "свободы действий", которую дает капитану пятый пункт ISM Code. Естественно, что способы и степень учета будущего во многом определяются субъективными характеристиками капитана. Функцию, которая отражает субъективную цель капитана в данном периоде функционирования с учетом будущих периодов, можно записать так
k+Ni
Wik = fi(Ak, xk,yk) + £f (Д xq,yq), (2)
q=k+1
где Ni - число, определяющее глубину прогноза i-ro судна, a k - количество прошлых состояний реализаций, используемых в прогнозе.
Способ учета будущего с помощью функции цели (2) или какие-либо другие варианты задания такой функции всегда будут обладать одной важной особенностью, которую необходимо учитывать и назначенному лицу компании, и капитанам подчиненных ему судов. Как правило, назначенному лицу компании неизвестен критерий эффективности судна, даже если ему известен вид целевой функции (2) на отдельном периоде функционирования. Трудности в определении степени учета будущего в критериях эффективности судов касаются не только назначенного лица компании, но и самого капитана судна. Прогнозировать будущее состояние безопасности судна и учитывать последствия принимаемых решений - достаточно сложная задача. Более того, степень учета будущего в критериях эффективности судна может изменяться от одного периода функционирования к другому. Поэтому серьезным
требованием к законам управления является независимость (или слабая зависимость) поведения судна от способа учета будущего в критерии эффективности судна.
3. Ограничения в деятельности назначенного лица компании
Одним из свойств "свободы действий" судов (капитанов) в рамках деятельности СУБ является то, что они должны иметь право на выбор реализации у, из множества У возможных реализаций, особенно в условиях, создающих опасность для жизни экипажа, судна и его груза. В то же время для иерархических систем, к классу которых следует относить и СУБ, назначенное лицо способно изменить (обычно "сузить") границы множества допустимых реализаций. Такое изменение возможно для каждого судна компании путем введения для него централизованно устанавливаемого множества возможных реализаций 2, (/ е I). Например, множество 2^ /-го судна может зависеть от управления и, установленного назначенным лицом компании. Очевидно, что при формировании множеств 2,(и1) назначенное лицо компании должно учитывать следующее соотношение:
Уи, е и, : 2,(и,) П У, Ф ф, / е I.
Изменения множества возможных реализаций, как правило, связываются с экономическими и техническими ограничениями, которые накладывает судовладелец на управления и,, вводимые назначенным лицом компании.
СУБ, как и любой иерархической системе, присущ тот факт, что процесс ее функционирования осуществляется при недостаточности информации у назначенного лица компании о моделях реализаций, идущих на подчиненных ему судах. С формальной точки зрения такая недостаточная информированность может быть представлена следующим образом. Назначенному лицу компании известны множества У,(г,), 2(и,/,), У(г), где г = {г, / е I} заданы лишь с помощью множества П возможных значений г, е Д (/ е I). В то же время на судне, подчиненном назначенному лицу компании, точно известны параметры своего вектора гТогда, если значений параметров г,, данных с точностью лишь до множества
п
£2= ЯД,
/ = 1
назначенному лицу недостаточно для эффективного управления системой, то оно (лицо) может организовать через структурные береговые подразделения компании формирование оценок 5 = {5,} параметров г = {г,}. Следовательно, "свободу действий" назначенного лица компании нужно считать относительной, так как эта "свобода действий", во-первых, ограничена рамками материально-технической политики компании, а, во-вторых, - неполной наблюдаемостью процессов, идущих на судах.
5. Исследование реализуемости механизма функционирования СУБ компании
Реализуемость механизма функционирования СУБ целесообразно исследовать, ориентируясь на закон управления, который может использовать в своей практической деятельности назначенное лицо компании. Выбор закона управления в СУБ это, в первую очередь, процедура, согласно которой назначенное лицо компании, на основании имеющейся у него информации, определяет управление и = {и ,}. Далее будем рассматривать следующую структуру векторов управления и, : и, = (Я,-, х,), где х, -плановый вектор управления, а Я, - вектор текущего управления. Составляющие вектора текущего управления могут быть общими для всех судов компании, а в критических ситуациях составляющие должны быть строго индивидуальны и применимы только к аварийному судну. Плановый вектор управления х, - это определяемое назначенным лицом, желаемое значение всех или части компонент вектора реализации у, = {у у} I-го судна.
При полностью планируемой ситуации размерности векторов х, и у, должны совпадать, и, следовательно, плановый вектор х, ,'-го судна следует считать реализуемым, если для него существует вектор состояния у, е У,(г,), который удовлетворяет условию у, = х,. Очевидно, что в СУБ с полностью планируемой ситуацией множество реализуемых плановых векторов X (г,) каждого судна совпадает с соответствующим множеством реализаций
У (г,) : Х(г) = У (г), (I е I), а множество реализуемых плановых векторов СУБ удовлетворяет отображению вида
X(r) : X(r) = Y(r).
Для составления в общем виде закона управления в СУБ введем два дополнительных ограничения. Во-первых, будем считать, что при управлении конкретным судном назначенное лицо компании оперирует ограниченным множеством возможных реализаций, ставя его в зависимость от планового вектора, т.е.
Xi : Zi (Xi, ri).
Естественно, что плановый вектор xi реализуем лишь тогда, когда Zi(xi,r1) содержит реализацию yi = xi. Во-вторых, пусть для составления планового вектора и текущего вектора управления назначенное лицо компании использует оценки s = {s,} параметров r = {r,} модели ситуации, в которой находится это же судно. Очевидно, что оценки могут быть вида s efl, но не исключен и такой вариант, как s #r.
Учитывая общую концепцию формирования механизма функционирования СУБ, изложенную в ISM Code (Международный Кодекс по управлению..., 1993), и возможные ограничения, накладываемые на деятельность назначенного лица компании, закон управления, реализуемый этим лицом, можно записать в виде следующего отображения:
s ^ Л, x : t](s) = (x(s), 2(s)), (3)
где r/(s) - закон управления, выбранный назначенным лицом и переданный им судам компании.
Закон управления (3) можно признать реально выполнимым на уровне необходимости, если любой набор локально допустимых реализаций процессов, идущих на судне, удовлетворяет глобальным ограничениям
Vs efl, Vyi е Z,{x,{s),ri), i e I : y = {y,} e Yo(r).
В то же время условием достаточности, при реализуемости закона (3), является требование независимости элементов СУБ. Такое требование следует записать так:
n
Vs еП: £ ZI(xI(s),rI) с Y(r). (4)
i = 1
Действительно, в этом случае любой выбор yi е Zi(xi(s),r1), i е I даст реализацию y е Y(r), принадлежащую всей СУБ в целом.
Таким образом, закон управления (3) и условия необходимости и достаточности его реализации в механизме функционирования, составленном в виде множества S, создают условия для поиска конкретных организаций, вводимых назначенным лицом в СУБ компании.
Здесь следует особо подчеркнуть, что, если множество плановых векторов x, удовлетворяющих (4), выделить в отдельное подмножество R, то в СУБ с независимыми элементами (капитаны судов наделены достаточными полномочиями) назначенное лицо компании должно руководствоваться процедурой планирования, обеспечивающей x е R. В то же время независимость элементов СУБ, в указанном выше смысле, существенно упрощает выбор закона управления системой, составленной на механизме функционировании (1) и дополненной отображением (3).
6. Практическая реализация законов управления в СУБ
Если в СУБ компании используется реализуемый механизм функционирования СУБ, то отображение (3) позволяет выбрать методику планирования векторов xi и Лi и, соответственно, сформулировать принцип управления. Рассмотрим два наиболее характерных варианта планирования.
Пусть в первом случае суда (капитаны) компании имеют "свободу выбора" в действиях. Тогда, при заданном плановом векторе xi и управлении Л,, судно "обязано" выбирать реализации у,* оптимальным образом
<Pi(^,xi,rt) = fi^,xi,y*) = maxf^xyi), i e I.
yi e Bi (xi, ri)
Если далее ввести множество T^,x,r), которое локализует реализации у* = {у,*}, то, используя обозначение
^(2,x,r) = min Ф^^р),
р е T(A,x,r)
можно формально, в реализуемом механизме (1), (3), описать принцип "жесткой" административной вертикали управления. Принцип такого управления формулируется в виде оптимизационной задачи:
y/(X,x,s) ^ max, x е X(s), 2е L. (5)
Множество решений, вытекающих из (5), составляют множество законов "жесткого" административного управления. Выбор конкретного закона управления из множества решений (5) осуществляется достаточно просто, если дополнительно к (5) ввести процедуру однозначного отбора решения. Однако практическое использование назначенным лицом компании законов "жесткого" административного управления может привести к появлению в береговых подразделениях СУБ недостоверной информации. Такая недостоверность способна снизить эффективность получения оценок s = {s,} и, как следствие, дать низкую эффективность функционирования всей СУБ в целом. Причиной поступления в береговые подразделения СУБ недостоверной информации от судна служит культура наказания, которая является обязательным элементом любой "жесткой" административной системы управления.
Во втором случае будем исходить из того, что у судна (его капитана) по-прежнему имеются "элементы свободы" в принятии решений. Такие "элементы свободы" позволяют капитану формулировать собственную цель по управлению безопасной эксплуатацией судна. Это обстоятельство порождает ситуацию, когда каждое судно компании способно обладать целевой функцией вида Wi = f(A,xi,y1) (i е I) или даже учитывающей будущее, например, (2). Если же у судов компании имеются индивидуальные цели, то, выбираемая конкретным судном реализация yi может не совпадать с соответствующим плановым вектором x.
Формально такое несоответствие между yi и xi можно выразить с помощью следующего условия, накладываемого на функцию цели конкретного судна:
ЛА^у) <f(X,xi,xi), если xt Ф у,, i е I.
Это условие свидетельствует о том, что при данной реализации у, значение целевой функции i-ro судна максимально лишь в том случае, когда реализация у, была ранее запланирована. Аналогичное соотношение имеет место и для целевой функции СУБ в целом, т.е.
0(A,x,y) < f(A,x,x), если x Ф y.
Далее будем предполагать, что при несовпадении планового вектора и текущего, характеризующего реализацию, судно штрафуется, а при совпадении - стимулируется. Следовательно, если назначенное лицо компании выберет из используемой им культуры побуждения стимулы, способные минимизировать несоответствие между векторами у, и x,, то в этом случае будет решаться частная задача по эффективному функционированию СУБ на конкретном судне. В то же время привлечение стимулов для всех судов компании способно решить и общую задачу по эффективному функционированию СУБ компании в целом. Используемая в данном варианте управления культура побуждения снимает проблему недостоверности информации, поступающей с судов в береговые подразделения и назначенному лицу компании.
7. Заключение
В рамках заданной модели СУБ и механизма ее функционирования процесс управления системой складывается из отдельных периодов. Каждый период включает в себя следующие этапы деятельности: сбор и обработку информации, планирование, реализацию плана, контроль результатов управления и, наконец, корректирующие действия в случае их необходимости. На этапе сбора и обработки информации береговые подразделения и назначенное лицо компании формируют оценки s = {s,} параметров r = {r,}. На этапе планирования назначенное лицо компании определяет управление A(s) и плановый вектор x(s) судов по закону управления r/(s) и сообщает их судну. На этапе реализации каждое судно выбирает y, е Zi(xi(s),r1), i е I, после чего определяются достигнутые значения целевых функций судна и назначенного лица компании. Если значения целевых функций судов не удовлетворяют назначенное лицо компании, то наступает этап корректирующих действий. Конкретный выбор закона управления и культуры, стимулирующей реализацию этого закона в СУБ, зависят от назначенного лица и высшего руководства компании. Поэтому выполненный в данной работе анализ должен подтолкнуть руководителей компаний к правильным действиям при создании и, главное, при использовании систем управления безопасной эксплуатацией судов.
Меньшиков В.И. и Кукуй Фирмин Дживо Модель и механизм функционирования системы... Литература
Международный Кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращению загрязнения (МКУБ). Резолюция ИМО А.741(18). СПб, ЦНИИМФ, 9 е., 1993.
