Abstract. The present paper considers the problem of synthesizing a set of safe and optimal tracks for ships passing. The track is chosen by the safety measure for the passing track. The probability of lack of own ship collision with all other vessels and navigational hazards is considered as a safety measure. The possible actions of all dangerous other vessels are taken into account by multiagent framework.

Россия, Санкт-Петербург, ГНЦ РФ-ЦНИИ “Электроприбор” E-mail: erbi@neva.spb.ru

Аннотация. В работе рассматривается задача синтеза набора безопасных оптимальных траекторий расхождения судов. Выбор траектории производится на основании меры безопасности, в качестве которой принята вероятность отсутствия столкновения со всеми встречными судами и навигационными опасностями. Возможные действия встречных судов учитываются методом мультиагентных систем.

Введение. В настоящее время на практике задача расхождения судов решается с помощью систем автоматической радиолокационной прокладки (САРП), возможности которых ограничиваются вычислением опасных для своего судна (СС) секторов движения, Такой уровень поддержки действий судоводителя, на наш взгляд, не соответствует современным требованиям к безопасности судоходства, и поэтому представляется более предпочтительным траекторный подход. Подход предполагает автоматический синтез для СС траектории расхождения (ТР) со встречными судами (ВС) с учетом навигационных опасностей (НО) на интервале прогноза. На основе этого подхода разработано средство интеллектуальной поддержки судоводителя в виде программного модуля "Расхождение", предназначенного для использования в составе электронной картографической дисплейной информационной системы (ЭКДИС). Программный модуль на основании информации от РЛС и ЭКДИС, а также оперативных данных об условиях плавания, вводимых судоводителем, осуществляет автоматический синтез набора альтернативных ТР. Среди этого набора судоводитель выбирает наилучшую с его точки зрения траекторию. ТР представляет собой линейно ломаную кривую, состоящую из нескольких отрезков. Для упрощения выбора каждая из траекторий сопровождается оценкой безопасности. Для того, чтобы своевременно отслеживать изменения, происходящие в оперативной обстановке, предусмотрен текущий анализ складывающейся ситуации, осуществляемый с заданным периодом (например, один раз в минуту), и в случае необходимости пересчет ТР. Если все синтезированные ТР покажутся судоводителю неприемлемыми, он может предложить свою траекторию движения. При этом роль программного модуля будет ограничена проверкой безопасности этой ТР.

В качестве меры безопасности в данной работе принята вероятность отсутствия столкновения своего судна со всеми ВС и НО. Оценка безопасности траектории рассматривалась во многих работах. Предлагаемый подход принципиально отличается от известных учетом возможных действий всех опасных ВС. Учет осуществляется с использованием модели процесса расхождения, построенной на основе принципов мультиагентного подхода [Green, 1997]. В этой модели все ВС представлены в виде интеллектуальных агентов, действующих в соответствии с Международными правилами предупреждения столкновения судов (МППСС).

Синтез траектории расхождения. Постановка задачи синтеза ТР может быть сформулирована следующим образом. Необходимо найти ТР, удовлетворяющую требованиям МППСС, которая является оптимальной в классе линейно ломаных траекторий в смысле минимума критерия:

О где y(t) - боковое отклонение СС от исходной программной траектории, Т - интервал прогноза ТР. Этот критерий обеспечивает минимальное отклонение от исходной программной траектории и, как следствие, при возможности возврат СС на нее.

Однако требования к ТР, сформулированные в виде ограничений, а также критерий оптимальности на самом деле являются нечеткими. Для учета этого факта в рассматриваемой реализации программного модуля используется четкое описание критерия и ограничений, но параметры процесса расхождения (допустимая дистанция кратчайшего сближения, момент начала маневра и т.п.) рассматриваются как нечеткие (в простейшем случае интервальные) переменные. Для нечетких переменных при построении ТР осуществляется варьирование значений, приводящее к нечеткости результата, которое выражается в представлении его не в виде единственно возможной ТР, а в виде множества ТР. В простейшей версии алгоритма используется одна нечеткая переменная, отражающая допустимую дистанцию кратчайшего сближения.

Оценка безопасности. Пусть число ВС, находящихся в зоне маневра СС, равно L. Тогда вероятность Р() отсутствия столкновения при движении по рассматриваемой ТР очевидным образом представляется через вероятности P() (i=1,2,..L) отсутствия столкновения с каждым из встречных судов:

В свою очередь вероятность Р(_i) может быть представлена через множество ситуаций возникающих при расхождении CC с i-ым ВС. Эти ситуаций образуют полную группу событий, а вероятность P()имеет вид:

P() = (3)

где - вероятность ситуации, - условная вероятность отсутствия столкновения при ситуации .

Содержанием j -той ситуации является последовательность возможных действий i -го ВС. Эти действия могут как соответствовать, так и не соответствовать МППСС. Вероятности ситуаций отражают доверие к различным действиям ВС. Причем в принятой концепции оценка доверия к одним и тем же действиям оказывается различной при различных дистанциях до ВС, а именно, при увеличении дистанции доверие уменьшается. В результате возможны случаи, когда, несмотря на то, что прогнозируется опасное сближение, ситуация признается неопасной из-за удаленности точки опасного сближения. Справедливость такого подхода к оценке ситуаций представляется достаточно очевидной, поскольку, чем дальше ВС, тем больше вероятность изменения оперативной обстановки (как из-за маневрирования наблюдаемых ВС, так и из-за появления в зоне наблюдения новых ВС) и, как следствие, больше вероятность коррекции ранее составленного прогноза. Механизм учета этого фактора может быть различным. Например, можно воспользоваться представлением доверия к событию в виде интервала значений вероятности. В этом случае о степени доверия свидетельствует не только положение интервала на оси значений вероятности, но и его ширина, что требует использования при сопоставлении оценок доверия правил, принятых для интервальных величин. В частности, может быть использован подход, который проиллюстрируем на следующем примере.

Предположим, что при расхождении с некоторым ВС одним из прогнозируемых событий является маневр этого судна – М_BC. Оценим вероятность р(M_BC) этого события. Пусть при формировании ТР наблюдается некоторая зона, ограниченная радиусом D с центром в точке текущего местоположения СС (обычно D = 12-16 миль). При этом СС отделено от начала зоны маневрирования при расхождении с некоторым ВС дистанцией D , которую оно пройдет за время t. Введем следующие параметры модели расхождения: p - вероятность непоявления за время t в зоне наблюдения новых ВС, - вероятность выполнения маневра рассматриваемым ВС при условии непоявления в зоне наблюдения за время t новых ВС, - вероятность выполнения маневра рассматриваемым ВС при условии появления в зоне наблюдения за время t новых ВС. Тогда имеем:

;

значения , размещенные в базе данных, зависят от ситуации и определяются на основании морской практики.

Однако очевидно, что возможность оценивания величины принципиально отсутствует. Принимая во внимание, что ее значение лежит в диапазоне [0, I], приходим к неравенству:

p p (M_BC) p + 1 –p.

Отсюда следует, что если рассматриваемое ВС находится достаточно близко (), то интервал возможных значений р(М_BC) практически стягивается в точку и р(М_BC ) = . В противном случае, когда ВС далеко, ширина интервала для р(М_BC) приобретает большое значение (она равна 1 – р), что передает эффект малой достоверности соответствующего события.

Подход, использованный в данной работе при построении модели судоводителей ВС, базируется на принципах мультиагентного подхода. Основным тезисом при этом является предположение о том, что судоводитель ВС руководствуется примерно теми же правилами, что и судоводитель СС (принцип RAO-логики [Shi at al., 1997]). Основанием для такого подхода является факт существования МППСС. Этот тезис не предопределяет поведение ВС и не исключает возможность отклонений в его поведении от правил.

Пример оценки безопасности траектории движения. СС. На основе предложенного подхода к оценке безопасности траектории движения СС был проанализирован случай столкновения судов “П. Васев” и “Адмирал Нахимов” [Ольшамовский и др., 1993], произошедший 31 августа 1986 года. События в рассматриваемой ситуации развивались следующим образом. Судно “Адмирал Нахимов” двигалось по отношению к судну “П. Васев” пересекающим курсом и в соответствии с правилами сохраняло курс и скорость. Судно “П.Васев” нарушило правило, не уступив дорогу, полагая, что опасность столкновения отсутствует. Кроме того, оба судна в зоне чрезмерного сближения использовали неэффективные маневры последнего момента, что и привело к столкновению в 23 ч 11 мин. В произведенном анализе судно “Адмирал Нахимов” было принято в качестве СС, результаты анализа его траекторий приведены в таблице. Кроме значений вероятности столкновения Р(С) в ней приведены значения вероятности Р(ОС) события “Опасность столкновения”. Эти значения приведены для различных моментов времени t и соответственно для различных дистанций r между судами.

Если бы предлагаемый программный модуль имелся на судах, то по значениям Р(ОС) на судне “П. Васев” было бы своевременно принято решение об опасности столкновения и выполнен маневр расхождения. В зоне кратчайшего сближения значения Р(ОС) и Р(С) свидетельствовали уже на дистанции в 3,5 мл о необходимости маневра последнего момента.

[Green et. al., 1997] Green S., I.Hurst and B.Nangle (1997) Software Agents; a Review May 27. //http//www.cs.tcd.ie/research groups/iag/pubreview.

[Shi et. al., 1997] Shi Z., Q.Tian and Y.Li (1997) RAO Logic for Multiagent Framework. - Proc.of the hit. Workshop DAIMAS-97, June 15-18. S. Petersburg.

[Ольшамовский и др, 1993] Ольшамовский С.Б., Г.Н.Федченко и В.В.Мордвинов (1993) Исследование причин столкновения парохода "Адмирал Нахимов" с теплоходом "П.Васев". "Морской транспорт". Сер. Судовождение, связь и безопасность мореплавания. Вып 8.