SYSTEM WSPOMAGANIA DECYZJI WYBORU JEDNOSTKI NIERATOWNICZEJ DO AKCJI SAR Z WYKORZYSTANIEM SIECI BAYESOWSKIEJ

Transkrypt

1 Andrzej Starosta Akademia Morska w Gdyni SYSEM WSPOMAGAIA DECYZJI WYBORU JEDOSKI IERAOWICZEJ DO AKCJI SAR Z WYKORZYSAIEM SIECI BAYESOWSKIEJ Dzięki nowoczesnym systemom komunikacji informacja o statku w niebezpieczeństwie dociera niezawodnie do wielu statków, które mogą pomóc. ie wszystkie będą potrzebne, dlatego kapitan statku w niebezpieczeństwie lub koordynator akcji SAR ma prawo wybrać najbardziej odpowiednie jednostki do przeprowadzenia akcji ratunkowej. System wspomagania decyzji pozwoli to wykonać bardzo szybko i obiektywnie. W artykule zaproponowano wykorzystanie sieci bayesowskiej do takiego systemu i pokazano, jak istotne jest dokładne opracowanie wszystkich elementów sieci. WPROWADZEIE Zasada niesienia pomocy ludziom znajdującym się w niebezpieczeństwie na morzu jest jedną z najstarszych morskich tradycji. Do czasu rozwinięcia się niezawodnych sposobów łączności jedynie statki znajdujące się blisko miejsca zdarzenia mogły usłyszeć wołanie o pomoc i jej udzielić. Prawne zasady udzielania pomocy ludziom na morzu zostały uregulowane już w konwencji brukselskiej z 1910 roku. Międzynarodowa konwencja o bezpieczeństwie życia na morzu SOLAS 74 reguluje to zagadnienie w rozdziale V prawidło 33. a ich podstawie zadanie kapitana jednostki, która usłyszała wezwanie o pomoc jest proste: podążać pełną prędkością na pomoc. Obecnie, kiedy system GMDSS zapewnia bardzo dobrą łączność, na wezwanie o pomoc odpowiada wiele jednostek. ie wszystkie jednak muszą być potrzebne. Z tego powodu SOLAS określa: 2. Kapitan statku znajdującego się w niebezpieczeństwie lub zainteresowana służba poszukiwań i ratownictwa, po porozumieniu się, jeżeli będzie to możliwe, z kapitanami statków, które odpowiedziały na wezwanie o pomoc, ma prawo zażądać pomocy jednego lub więcej takich statków, jakie zostaną uznane za najbardziej przydatne do udzielenia pomocy, a kapitan lub kapitanowie tych statków zobowiązanie są wykonać taki nakaz, podążając nadal pełną prędkością na pomoc osobom znajdującym się w niebezpieczeństwie [3].

2 106 ZESZYY AUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYI, nr 69, czerwiec 2011 Dla kapitana statku w niebezpieczeństwie najodpowiedniejszy będzie statek, który znajduje się najbliżej. Jednak koordynator akcji poszukiwania i ratowania (SMC), który znajduje się w brzegowym centrum koordynacyjnym (RCC), dzięki nowoczesnym systemom wymiany informacji ma pełniejszy obraz sytuacji w miejscu zdarzenia. ie zawsze statek znajdujący się najbliżej jest najlepszy, a wybranie jednostki, która zaraz sama może potrzebować pomocy, mogłoby bardzo skomplikować akcję SAR. 1. SIEĆ BAYESOWSKA DO OBLICZAIA PRZYDAOŚCI SAKU DO AKCJI SAR Sieć bayesowska stanowi wygodne narzędzie, za pomocą którego w przejrzysty sposób można przedstawić rozwiązywany problem. Jest to metoda efektywna przestrzennie, jak również obliczeniowo. Zapewnia naturalne modelowanie, gdyż łatwiej oszacować prawdopodobieństwo warunkowe bezpośrednich zależności niż koniunkcji wszystkich możliwych zdarzeń. Pozwala na dowolny kierunek wnioskowania i czytelną prezentację wiedzy. Sieć można łatwo modyfikować i dodawać nowe elementy. Układając elementy sieci, wzięto pod uwagę: czy w określonych warunkach pogodowych statek będzie w stanie żeglować po ustalonych kursach danego wzoru poszukiwań; czy statek będzie w stanie wykryć rozbitków, biorąc pod uwagę jego wymiary, wyposażenie techniczne i liczbę obserwatorów; czy po znalezieniu rozbitków załoga będzie w stanie ich podjąć z wody na pokład jednostki; ile czasu zajmie jednostce dotarcie na miejsce akcji SAR; czy ewentualne uszkodzenie przewożonego ładunku może spowodować zagrożenie dla statku i środowiska morskiego. Opierając się na powyższych elementach, przygotowano model sieci bayesowskiej pozwalającej określić przydatność danego statku do akcji SAR. Propozycję przedstawiono na rysunku 1. Analizując dane potrzebne do obliczenia prawdopodobieństw poszczególnych elementów sieci, stwierdzono, że znaczną ich część można uzyskać z systemu AIS. Przekazuje on dane pozwalające wstępnie określić bezpieczeństwo statku w czasie poszukiwań, takie jak wymiary jednostki i aktualną prędkość, pozycję pozwalającą obliczyć czas potrzeby na przybycie na miejsce akcji, a także liczbę załogi znajdującej się na pokładzie oraz rodzaj statku i fakt przewożenia ładunków niebezpiecznych.

3 A. Starosta, System wspomagania decyzji wyboru jednostki nieratowniczej do akcji SAR z wykorzystaniem Warunki meteo yp statku Parametry statku Liczba załogi Parametry fali Łódź ratownicza Żurawie pokładowe Wyposażenie ratownicze Bezpieczeństwo na kursach wzoru poszukiwań Wyposażenie techniczne Zdolność obserwatora Uszkodzenie ładunku Zdolność do podjęcia rozbitków Zdolność wykrycia rozbitków Zagrożenie dla środowiska Przydatność do akcji SAR Czas przybycia na miejsce akcji Rys. 1. Przykład sieci bayesowskiej pozwalającej określić przydatność statku do akcji SAR 2. SPOSÓB OKREŚLEIA ZAGROŻEIA W CIĘŻKICH WARUKACH POGODOWYCH Centralnym punktem sieci jest określenie prawdopodobieństwa, że w czasie trwania akcji SAR statek będzie w stanie bezpiecznie płynąć na ściśle określonych kursach danego wzoru poszukiwań. Wypadki morskie bardzo często zdarzają się w sztormowych warunkach, w których statki muszą odpowiednio dobierać kurs i prędkość w celu bezpiecznej nawigacji. Koordynator akcji musi sobie postawić pytanie, czy dany statek jest w stanie wykonać zadanie w panujących warunkach atmosferycznych. Do określenia, czy statek jest bezpieczny na danym kursie, wykorzystano poradnik dla kapitanów statków handlowych, dotyczący unikania niebezpiecznych sytuacji w niekorzystnych warunkach sztormowych, wydany przez IMO [4]. a jego podstawie przygotowano algorytm i program pozwalający określić prawdopodobieństwo wystąpienia zagrożenia na danym kursie w zależności od warunków falowania i dokładności sterowania (rys. 2). W rzeczywistości to kapitan, opierając się na swoim wykształceniu, doświadczeniu i znajomości statku, decyduje, czy jest on bezpieczny na danym kursie. W celu określenia, czy tak jest, wybrano bez konsultowania się z kapitanem oficjalne zalecenia, które mają pomóc kapitanowi w podjęciu takiej decyzji. Poradnik wykorzystuje porównanie kołysań własnych statku z okresem spotkaniowym fali. a podstawie wzoru (1) można obliczyć okres kołysań własnych statku.

4 108 ZESZYY AUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYI, nr 69, czerwiec 2011 R = 2Bc (1) GM gdzie: B L c = 0, , 023 0, 043, (2) d 100 L długość statku [m], B szerokość statku [m], d aktualne maksymalne zanurzenie [m], GM aktualna wysokość metacentyczna [m]. Większość tych danych jest również dostępna dzięki systemowi AIS. Jedynym parametrem, którego nie zna koordynator, jest wysokość metacentryczna. SAR 1 Parametry statku: L długość między pionami B szerokość statku d aktualne zanurzenie GM aktualna wysokość metacentrycza V aktualna prędkość Obliczenie okresu kołysań własnych statku R Obliczenie okresu spotkaniowego Parametry falownia: Lw długość fali lub w okres fali Hw wysokość fali Kurs względem fali α 135 < α < 225 1, 8 L V> cos( 180 α) 0,6L < LW < 2,3L KURS BEZPIECZY SURF RIDIG Krytyczne POGORSZEIE SAECZOŚCI E Kołysanie SYCHROICZE E ~R LW > 0,8L and Hw > 0,04L Kołysanie PARAMERYCZE E ~ 0,5 R KURS BEZPIECZY 1,8w < E < 3,0w FALE GRUPOWE 1 Rys. 2. Algorytm określania zagrożenia na danym kursie względem fali 3. PRZYKŁAD WYKORZYSAIA UPROSZCZOEJ SIECI Do obliczeń przyjęto dane statków znajdujących się na Morzu Bałtyckim, które miały być wykorzystane w hipotetycznej akcji ratunkowej. Stosując uproszczoną sieć bayesowską, określono przydatność jednostek do akcji SAR [6]. Rozmieszczenie jednostek i ich ocenę przedstawiono na rysunku 3.

5 A. Starosta, System wspomagania decyzji wyboru jednostki nieratowniczej do akcji SAR z wykorzystaniem Rys. 3. Statki na Morzu Bałtyckim [9] i ocena ich przydatności do akcji SAR W przedstawionym przypadku przy określaniu przydatności statków brano pod uwagę jedynie zdolność do wykonania poszukiwań wzorem powiększającego się kwadratu. ie uwzględniono odległości statku od miejsca zdarzenia ani innych elementów sieci. Do dalszej analizy wybrano trzy jednostki: Krasnodar tankowiec z najwyższą oceną, ale znajdujący się w odległości 6 godzin żeglugi od miejsca zdarzenia; Aleksand Sibirakov statek handlowy inny niż tankowiec, z bardzo dobrą oceną, znajdujący się w odległości 3,5 godziny żeglugi od miejsca zdarzenia; Granit statek typu AHS znajdujący się w odległości 1,5 godziny żeglugi od miejsca zdarzenia, ale zgodnie z wcześniejszymi obliczeniami o niewielkiej przydatności. Dane jednostek uzyskane z systemu AIS oraz założoną wysokość metacentryczną przedstawiono w tabeli 1. azwa Dane statków uwzględnionych w obliczeniach yp statku L B d SOG GM [m] [m] [m] [kn] [m] Krasnodar anker ,8 14,4 1,5 Aleksand Sibirakov Cargo ,1 12,5 0,5 Granit AHS ,5 9,1 1,5 abela 1

6 110 ZESZYY AUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYI, nr 69, czerwiec 2011 Do obliczeń wykorzystano również uproszczoną sieć bayesowską, w której na nowo określono bezpieczeństwo jednostek, stosując różne wzory poszukiwań [2]: SS metoda powiększającego się kwadratu cztery kursy, na których statek przebywa taką samą ilość czasu; PS poszukiwanie trasami równoległymi trzy kursy: dwa kontrkursy, na których statek przebywa dłuższy okres, i kurs łączący oba odcinki, na którym statek przebywa krótko; VS poszukiwanie sektorowe trzy kursy, na których statek przebywa taką samą ilość czasu. W obliczeniach uwzględniono błąd sterowania w zakresie od 0 do 3. Założono prawdopodobieństwo wystąpienia fal o danym okresie w czasie trwania akcji takie samo dla wszystkich jednostek. Obliczenia wykonano za pomocą programu GeIe [1]. Wykorzystaną sieć przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Sieć wykorzystana do obliczeń program GeIe [1] Przeprowadzając na nowo obliczenia i uwzględniając jedynie bezpieczeństwo jednostki na danym wzorze poszukiwań, uzyskano wyniki pokrywające się z wcześniejszą oceną. Wyniki wyliczeń przedstawiono w tabeli 2. abela 2 Przydatność jednostek do akcji SAR z uwzględnieniem jedynie bezpieczeństwa podczas poszukiwań azwa statku Metoda SS [%] Metoda PS [%] Metoda VS [%] Krasnodar Aleksand Sibirakov Granit

7 A. Starosta, System wspomagania decyzji wyboru jednostki nieratowniczej do akcji SAR z wykorzystaniem Po uwzględnieniu pozycji jednostki w momencie odpowiedzi na usłyszane wołanie o pomoc i czasu potrzebnego do dotarcia na miejsce zdarzenia wyniki znacznie się zmieniły. Przedstawiono je w tabeli 3. Przy takich wyliczeniach najlepszy byłby statek handlowy Aleksand Sibirakov. ależy zauważyć, że bardzo poprawiła się ocena statku Granit, choć nadal miał on najniższe notowania. Gdyby rozwinięto sieć o kolejny ważny element, jakim jest możliwość podjęcia rozbitków z wody, jednostka AHS jeszcze bardziej zyskałaby w końcowej ocenie. abela 3 Przydatność jednostek do akcji SAR z uwzględnieniem czasu dojścia na miejsce akcji azwa statku Metoda SS [%] Metoda PS [%] Metoda VS [%] Krasnodar Aleksand Sibirakov Granit PODSUMOWAIE W artykule przedstawiono metodę oceny przydatności jednostki handlowej do akcji poszukiwania i ratowania SAR z użyciem sieci bayesowskiej. Do określenia prawdopodobieństwa zagrożenia jednostki podczas wykonywania danego wzoru poszukiwań wykorzystano poradnik dla kapitanów, zatwierdzony przez IMO. Przedstawiono model rozbudowanej sieci bayesowskiej, która uwzględniałaby wiele aspektów oceny danego statku. W przykładowych obliczeniach zastosowano jedynie uproszczoną wersję sieci, aby wskazać, jak istotne jest wykorzystanie większej liczby jej elementów. Uwzględnienie tylko aspektu czasu potrzebnego do przybycia na miejsce akcji w znaczący sposób wpłynęło na ocenę poszczególnych jednostek. Potrzebna jest dalsza praca nad określeniem wszystkich elementów sieci i ich zależności. Automatyzując obliczenia, można uzyskać narzędzie doradcze, które wykorzystując dane z systemu AIS, pozwoli w jasny sposób wykazać przydatność poszczególnych jednostek do akcji SAR. arzędzie to może wspomagać nie tylko koordynatora akcji, ale również kapitanów jednostek udających się z pomocą oraz kapitana statku znajdującego się w niebezpieczeństwie.

8 112 ZESZYY AUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYI, nr 69, czerwiec 2011 LIERAURA 1. GeIe 2.0, 2. International Aeronautical and Maritime Search and Rescue Manual, IMO/ICAO, London/ /Montreal Międzynarodowa konwencja o bezpieczeństwie życia na morzu, 1974 SOLAS 74, tekst jednolity, 2006, PRS MSC.1/Circ Revised guidance to the master for avoiding dangerous situations in adverse weather and sea conditions. 5. Starosta A., Application of Bayesian network to estimate merchant ship usability for SAR action, Journal of KOES, vol. 13, no Starosta A., Estimation merchant ship usability for SAR action based on information from AIS system, Scientific Journals Maritime University of Szczecin 2010, 20(92). 7. Starosta A., Usage of AIS information to estimate merchant ship usability for SAR action, Proceedings of XIII International Scientific and echnical Conference on Marine raffic Engineering, Malmo (Sweden) Starosta A., Zakłócenia transportu morskiego ciężkie warunki pogodowe sposób oceny, Logistyka, 2009, nr DECISIO SUPPOR SYSEM WIH BAYESIA EWORK APPLICAIO FOR SELECIO MERCHA SHIP FOR SAR ACIO Summary hanks to modern communication devices a lot of ships are informed about distress situation in the area. ot all of them will be necessary for rescue action and the master of ship in distress or the SAR mission coordinator (SMC) has the right to requisition one or more of those ships as the master of the ship in distress or SMC considers best able to render assistance. Decision Support System allows to make this selection on the basis of objective criteria and very fast. he paper presents proposition of usage Bayesian network for the DSS and shows how important is the study of all nodes of the network.