SYMULACJA PROGRAMÓW KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA BEZPIECZEŃSTWA TRANSPORTU MORSKIEGO

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "SYMULACJA PROGRAMÓW KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA BEZPIECZEŃSTWA TRANSPORTU MORSKIEGO"

Laura Włodarczyk
6 lat temu
Przeglądów:

1 Józef Lisowski Akademia Morska w Gdyni SYMULACJA PROGRAMÓW KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA BEZPIECZEŃSTWA TRANSPORTU MORSKIEGO Wstęp Do klasycznych zagadnień teorii procesów decyzyjnych w transporcie morskim należy bezpieczne sterowanie statkiem. Problem bezkolizyjnych strategii w sterowaniu na morzu pojawia się już u R. Isaacsa [4] zwanego ojcem gier różniczkowych i rozwijany był przez wielu autorów zarówno w aspekcie teorii gier, jak i sterowania w warunkach niepewności. Chociaż sformułowanie problemu uniknięcia kolizji wydaje się całkiem oczywiste, to oprócz niepewności informacji, jaka wynikać może zarówno z czynników zewnętrznych określanych przez warunki atmosferyczne i stan morza, jak i niekompletnej wiedzy o innych obiektach oraz z subiektywności nawigatora w podejmowaniu decyzji manewrowej, nieprecyzyjny charakter mają również zalecenia Międzynarodowych Przepisów Prawa Drogi Morskiej MPDM. Tematyka wyznaczania bezpiecznych strategii jest nadal aktualna ze względu na ciągle rosnący ruch statków na poszczególnych akwenach, a także z jednej strony na zwiększające się wymagania bezpieczeństwa żeglugi i ochrony środowiska, a z drugiej na rosnące możliwości komputerowego wspomagania pracy nawigatorów [7]. Podstawą komputerowego wspomagania bezpieczeństwa transportu morskiego są systemy wspomagania decyzji DSS (Decision Support Systems). Problem decyzyjny polega na: istnieniu celu lub celów sterowania, występowaniu alternatywnych sposobów osiągnięcia tych celów jako wariantów decyzyjnych, wyborze najlepszego sposobu osiągnięcia celów, który nie jest trywialny. Warianty decyzyjne jako zbiór alternatywnych sposobów rozwiązania problemu decyzyjnego mogą przyjmować postać: zbioru skończonego w postaci listy, zbioru nieskończonego w postaci wyrażenia algebraicznego i logicznego, zbioru rzeczywistego lub fikcyjnego oraz koncepcji globalnej lub cząstkowej [2,3,6].

2 Pojęcie systemu wspomagania decyzji DSS, jako systemu dostarczającego informacji i wiedzy przy podejmowaniu decyzji, pierwszy raz opisał w swojej pracy doktorskiej M.S. Scott Morton w 1971 roku. System wspomagania decyzji został szerzej przedstawiony przez P.G. Keen i M.S. Scott Morton w 1978 roku. M. Klein i L.B. Methlie sformułowali w 1992 roku system wspomagania decyzji jako system informatyczny, który dostarcza informacje w danej dziedzinie przy wykorzystaniu analitycznych modeli decyzyjnych z dostępem do baz danych, w celu wspomagania decydentów w skutecznym działaniu w kompleksowym i źle ustrukturalizowanym środowisku (Rys. 1). Rys. 1. Uogólniona struktura systemu wspomagania decyzji. Obecnie rozwijają się systemy wspomagania decyzji wykorzystujące metody sztucznej inteligencji, zwane inteligentnymi systemami wspomagania decyzji IDSS (Intelligent Decision Support Systems), które umożliwiają: - wspomaganie analizy procesu decyzyjnego, - projektowanie doskonalszych narzędzi uczenia się podejmowania decyzji, - rozwój łatwego dialogu, - wspomaganie doboru elementów systemu do kreowania rozwiązań, - gromadzenie i rozszerzanie wiedzy. Mianem sztucznej inteligencji AI (Artificial Intelligence) można określić dziedzinę wiedzy zajmującą się formalnym sformułowaniem, rozwiązywaniem i implementacją maszynową trudnych problemów, czyli takich które ludzie rozwiązują mniej lub bardziej wysilając swój intelekt, ale których dokładnego i ogólnego algorytmu rozwiązania nie potrafią podać. Określenie sztucznej inteligencji zaproponował po raz pierwszy John McCarthy w 1956 roku. Sztuczna inteligencja pozwala na projektowanie systemów wspomagania decyzji uwzględniających: doświadczenie człowieka - w postaci systemów ekspertowych, nieokreśloność zjawisk - w postaci systemów rozmytych, proces uczenia - w postaci sztucznych sieci neuronowych oraz zasadę ewolucji - w postaci algorytmów ewolucyjnych [1,10,12].

Programy komputerowego wspomagania decyzji manewrowej nawigatora W praktyce zdarzają się sytuacje nieprzewidywalne, których rozwiązanie wymaga wyboru najodpowiedniejszych rozwiązań w krótkim czasie.

3 Programy komputerowego wspomagania decyzji manewrowej nawigatora W praktyce zdarzają się sytuacje nieprzewidywalne, których rozwiązanie wymaga wyboru najodpowiedniejszych rozwiązań w krótkim czasie. Ponad 80% wypadków na morzu spowodowane jest przez tak zwany czynnik ludzki ang. human factor, podczas subiektywnej oceny sytuacji nawigacyjnej i podejmowania decyzji manewrowej. Zakłada się, że około połowę tych strat można uniknąć stosując lepsze metody komputerowo wspomaganego bezpiecznego sterowania ruchem statku, wykorzystujące elementy teorii gier, optymalizacji i sztucznej inteligencji [9,11]. Do wyboru optymalnego manewru antykolizyjnego służy układ komputerowego wspomagania decyzji manewrowej nawigatora przedstawiony na rysunku 2. Rys. 2. Układ komputerowego wspomagania decyzji manewrowej nawigatora w sytuacji kolizyjnej na morzu. Idea działania układu polega na pobieraniu z systemu ARPA danych potrzebnych do obliczeń antykolizyjnych, następnie wprowadzanie tych danych do programu realizującego wybrany algorytm sterowania i wyświetlanie wyników obliczeń w postaci zobrazowania wyznaczonej bezpiecznej trajektorii statku własnego wraz z wartością odchylenia od zadanego kursu. Uwzględniając dużą złożoność ogólnego modelu gry różniczkowej procesu sterowania statkiem w sytuacjach kolizyjnych, do praktycznej syntezy algorytmów sterowania formułuje się modele uproszczone, z jednoczesnym zastosowaniem wybranych metod sztucznej inteligencji [5,8]. W tabeli 1 poszczególnym modelom procesu przyporządkowano odpowiednie algorytmy bezpiecznego sterowania statkiem w sytuacjach kolizyjnych.

4 Tab. 1. Metody bezpiecznego sterowania statkiem w sytuacjach kolizyjnych. Model procesu Gra wieloetapowa pozycyjna Gra wielokrokowa macierzowa Dynamiczny Metoda sterowania Programowanie liniowe dualne Programowanie liniowe dualne Programowanie dynamiczne Sztuczna sieć neuronowa Algorytm wspomagania komputerowego TRAJROZP TRAJROZM TRAJDYN Rodzaj decyzji manewrowej Trajektoria rozgrywająca Trajektoria rozgrywająca Trajektoria dynamiczna Kinematyczny TRAJKIN Trajektoria kinematyczna Na rysunku 3 pokazano trajektorie własnego statku w sytuacji nawigacyjnej w Cieśninie Kattegat podczas mijania j=19 spotkanych statków w odległości bezpiecznej Db=3,0 Mm. 1

5 2 3

6 4 5 Rys. 3. Symulacje komputerowe algorytmów wyznaczania bezpiecznej trajektorii własnego statku w sytuacji mijania 19 spotkanych statków w Cieśninie Kattegat: 1- zobrazowanie sytuacji w postaci 6-ścio minutowych wektorów prędkości statków, 2 algorytm TRAJROZP gry pozycyjnej, 3 - algorytm TRAJROZM gry macierzowej, 4 algorytm TRAJDYN trajektorii dynamicznej, 5 algorytm TRAJKIN trajektorii kinematycznej.

7 Porównanie trajektorii bezpiecznych w sytuacji nawigacyjnej w Cieśninie Kattegat dla j=19 i Db=3,0 Mm przedstawia rysunek 4. Rys. 4. Porównanie bezpiecznych trajektorii statku dla różnych algorytmów wspomagania komputerowego. Wnioski Rozpatrywane algorytmy sterowania są w pewnym sensie formalnymi modelami procesów decyzyjnych oficera nawigatora prowadzącego statek i mogą być zastosowane w systemie komputerowego wspomagania nawigatora przy podejmowaniu decyzji manewrowej w sytuacjach kolizyjnych. Opracowane programy komputerowe uwzględniają reguły prawa drogi morskiej MPDM i czas wyprzedzenia manewru aproksymujący własności dynamiczne statku oraz oceniają odchylenie końcowe trajektorii rzeczywistej od zadanej.

8 Literatura 1. Chromiec J., Strzemieczna E., Sztuczna inteligencja - metody konstrukcji i analizy systemów eksperckich, Wyd. AOW PLJ, 1995 Warszawa. 2. Guenin B., Konemann J., Tuncel L., A gentle introduction to optimization, Cambridge University Press, 2014 Cambridge. 3. Gutenbaum J., Modelowanie matematyczne systemów, Omnitech Press, 1992 Warszawa. 4. Isaacs R., Differential games, John Wiley & Sons, 1965 New York. 5. Kaliszewski I., Wielokryterialne podejmowanie decyzji, WNT, 2008 Warszawa. 6. Kwiatkowska A.M., Systemy wspomagania decyzji, MIKOM, 2007 Warszawa. 7. Lisowski J., Podstawy automatyki, Wyd. Akademii Morskiej w Gdyni, 2015 Gdynia. 8. Michalski A., Elementy wspomagania decyzji w zintegrowanych systemach kierowania produkcją, Wyd. Politechniki Śląskiej, 2000 Gliwice. 9. Osborne M.J., An introduction to game theory, Oxford University Press, 2004 Oxford. 10. Rutkowski L., Metody i techniki sztucznej inteligencji, Wyd. Naukowe PWN, 2012 Warszawa. 11. Wells D., Games and mathematics, Cambridge University Press, 2013 Cambridge. 12. Wojciechowski K., System z niepewnością ograniczoną. Akademicka Oficyna Wydawnicza PLJ, 1998 Warszawa. Streszczenie W artykule opisano strukturę systemu wspomagania decyzji, a następnie dokonano przeglądu literatury w zakresie ich rozwoju. Przedstawiono cztery rodzaje programów wspomagania decyzji manewrowej nawigatora w sytuacjach kolizyjnych na morzu oraz ich komputerowe symulacje na przykładzie rzeczywistej sytuacji nawigacyjnej w Cieśninie Kattegat. Abstract Simulation of computer support programs of maritime transport safety The paper describes the structure of decision support system, and then a review of the literature in terms of their development. It shows four types of decision support programs of navigator manoeuvring decision in collision situations at sea and their computer simulations on the example of actual situation of navigation in the Kattegat Strait.

Podobne dokumenty

PROGRAMOWANIE DYNAMICZNE W ROZMYTYM OTOCZENIU DO STEROWANIA STATKIEM

Mostefa Mohamed-Seghir Akademia Morska w Gdyni PROGRAMOWANIE DYNAMICZNE W ROZMYTYM OTOCZENIU DO STEROWANIA STATKIEM W artykule przedstawiono propozycję zastosowania programowania dynamicznego do rozwiązywania