"Synteza elektronawigacyjnego układu sterowania statkiem z wykorzystaniem algorytmów mrówkowych"

Transkrypt

1 r Dr hab. inż. Marcin Ziółkowski Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki Wydział Elektryczny Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Szczecin, 30 marca 2015 r. Recenzja rozprawy doktorskiej pt.: "Synteza elektronawigacyjnego układu sterowania statkiem z wykorzystaniem algorytmów mrówkowych" autorstwa Pani mgr inż. Agnieszki Lazarowskiej wykonana na podstawie uchwały Rady Wydziału Elektrycznego Akademii Morskiej w Gdyni (zlecenie z dnia 16 lutego 2015 roku) 1. Problematyka rozprawy i istotność podjętych zadań Współcześnie szacuje się, że prawie 90% towarów na świecie transportowanych jest drogą morską. Według najnowszego raportu CNN światowa flota handlowa liczy około SS tysięcy statków, które rocznie transportują ponad 8,4 miliarda ton ładunku (dane z 2014 roku). Co roku odnotowuje się znaczący wzrost ilości przewożonych towarów i nic nie wskazuje na to, aby w najbliższej przyszłości miało się to zmienić. Naturalną konsekwencją powyższych faktów jest zwiększający się ruch statków, szczególnie na akwenach ograniczonych, tzn. takich gdzie dostępna przestrzeń manewrowa jest zawężona między innymi poprzez uwarunkowania związane z lokalnymi przepisami i warunkami batymetrycznymi. Ograniczenia te mają charakter statyczny (w postaci cieśnin, kanałów, torów wodnych) dynamiczny, którego składnikami są zjawiska hydrometeorologiczne (oddziaływanie fali, wiatru i prądów morskich) oraz inne poruszające się na rozpatrywanym akwenie statki. Tylko w ciągu ostatnich dwudziestu lat natężenie ruchu statków na świecie wzrosło czterokrotnie. Wzrosła nie tylko liczba statków, ale również ich rozmiary. Wymienione czynniki istotnie wpływają na problem bezpieczeństwa żeglugi w transporcie morskim. Od strony przepisów kwestie te regulują przyjęte w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku konwencje COLREGs, a także SOLAS i STCW (obowiązują obecnie z nieznacznymi zmianami). Mimo obowiązkowego wyposażania statków w coraz to nowszej generacji urządzenia elektroniczne (DGPS, ARPA, AIS, ECDIS), które wspomagają nie tylko proces obserwacji, ale również umożliwiają wykonanie symulacji zmiany kursu i/lub prędkości w warunkach zagrożenia bezpieczeństwa, ciągle dochodzi do wypadków morskich. Dane statystyczne informują, że przykładowo w 2008 roku tylko na wodach Unii Europejskiej (jest to wybrzeże Atlantyku włącznie z Morzem Północnym i Kanałem Angielskim, Morze Bałtyckie oraz związane z Unią Europejską części Morza Śródziemnego i Morza Czarnego, a także wody wokół Norwegii i Islandii) doszło do 61 zatonięć, 308 zderzeń i ponad 200 wejść na mieliznę. Około 80% z nich to skutki błędów ludzkich. Od kilku dekad publikowane są prace naukowe poświęcone wykorzystaniu różnych metod umożliwiających zautomatyzowane wyznaczenie tzw. bezpiecznej trajektorii statku w warunkach zagrożenia kolizją. Opracowuje się również pierwsze, prototypowe, komercyjne urządzenia analizujące w czasie rzeczywistym warunki nawigacyjne, a w 1

2 przypadku sytuacji kolizyjnej podpowiadające nawigatorowi gotowe rozwiązanie z uwzględnieniem aktualnie obowiązujących przepisów (np. system NAVDEC). Jednakże urządzenia te są ciągle w fazie eksperymentalnej, a równolegle cały czas trwają badania nad rozwijaniem nowych, efektywniejszych algorytmów wspomagających proces zmiany trajektorii statku. 2. Ogólna charakterystyka rozprawy Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska, licząca 144 strony, składa się z wprowadzenia, czterech rozdziałów, podsumowania, bibliografii oraz załącznika. W pracy nie zawarto spisu tabel oraz rysunków. We wprowadzeniu autorka podała w zwięzły sposób motywację podjętej pracy badawczej, istniejące rozwiązania i ich ograniczenia. Dalej, zdefiniowano tezę, cele (tzn. cel główny oraz cele cząstkowe) pracy, a także zadania badawcze, których rozwiązania mają prowadzić do osiągnięcia postawionego celu. W rozdziale drugim przedstawiono i opisano metody bezpiecznego sterowania statkiem oraz porównano je pod kątem spełnienia określonych kryteriów. W rozdziale trzecim autorka przedstawiła nową metodę bezpiecznego sterowania statkiem wykorzystującą algorytm mrówkowy (ang. Ant Colony Optimizotion - ACO). Natomiast w rozdziale czwartym (który, oprócz rozdziału trzeciego, uznaję za kluczowy dla rozprawy) opisano przeprowadzone badania symulacyjne oraz zamieszczono wnioski końcowe. Merytoryczną część rozprawy kończy podsumowanie, w którym dokonano oceny efektów pracy pod kątem spełnienia założonych celów oraz przedstawiono propozycję dalszych badań naukowych. W załączniku zawarto wybrane przepisy Międzynarodowego Prawa Drogi Morskiej. Problematyka poruszana w rozprawie nie jest nowa. Pierwsze publikacje dotyczące matematycznych sposobów wyznaczania bezpiecznego manewru ukazały się już w latach sa. oraz 60. ubiegłego wieku. W ciągu minionych lat przedstawiono wiele prac o podobnej tematyce, w których do wyznaczania trajektorii statków wykorzystywano teorię gier, teorię logiki rozmytej (ang. fuzzy logic), sztuczne sieci neuronowe, czy algorytmy genetyczne. Pierwszą pracę, w której wykorzystano algorytm mrówkowy do optymalizacji tzw. problemu komiwojażera datuje się na rok Autorka rozprawy przytacza w tekście pracę z 2010 roku podobną merytorycznie do swojej rozprawy, jednakże na stronach 52-SS wyszczególnia jej liczne wady i ograniczenia. Na podkreślenie zasługuje fakt, że ciągle powstają kolejne prace, w których przedstawiane są nowe, oryginalne algorytmy wspomagające proces decyzyjny sterowania statkiem w warunkach zagrożenia kolizją. W świetle powyższych faktów uważam, że tematyka poruszona w rozprawie jest ciągle aktualna i ważna, toteż tezę oraz cele pracy, sformułowane na stronach 9 oraz 10 niniejszej rozprawy, uznaję za słuszne. 3. Uwagi szczegółowe Praca napisana jest bardzo starannie pod względem stylistycznym i edytorskim. Treść jest zrozumiała, a rysunki i wykresy są czytelne. Zastrzeżenia można mieć jedynie do moim zdaniem zbyt obszernego rozdziału pierwszego i drugiego. Miejscami spotyka się drobne "literówki", czy inne mniej fnaczące błędy, jak np.: a) strona nr 8, wiersz nr 14 od góry, zamiast.wvmoczajqc" powinno być.wyznaczajq", 2

3 b) strona nr 19, wiersz nr 4 od dołu, zamiast,,(...) bezpieczne sterowania statkiem", powinno być,,(...) bezpieczne sterowanie statkiem", c) strona nr 30, wiersz nr 2 od góry, powinno być,,(...) a układ składa się z...", d) strona nr 32, wiersz nr 6, 7, 8, 11, 25, 26 i 27 od góry, parametr»l" powinien być napisany kursywą, a jest czcionką prostą (w celu zachowania zgodności z wzorami), e) strona 44, wiersz nr 5 od góry, zamiast "Koncepcji sztucznych potencjałów", powinno być "Koncepcja sztucznych potencjałów (...)", f) niespójność oznaczeń parametrów na rysunku 2.14 z opisem w tekście pod nim (strona 53). Gdzieniegdzie w pracy brakuje przecinków: a) strona 8, wiersz nr 2 od góry, powinno być,,(...) i systemy elektronawigacyjne, takie jak log (...)", b) strona 12, wiersz nr 4 od góry, powinno być,,( ) w postaci lqdu, czy mielizny (...)", c) strona 55, wiersz nr 5 od dołu, powinno być,,( ) istnieje ryzyko kolizji między tym statkiem, a statkiem własnym." Dosyć powszechnie spotykanym błędem językowym (zresztą nie tylko w tej pracy) jest używanie wyrazu "ilość" dla określenia liczebności rzeczy policzalnych, np.: a) strona nr 9, wiersz nr 20 od góry, jest J..)ilościq spotkanych statków", a powinno być,,(...) liczbq spotkanych statków", b) strona nr 26, wiersz nr 18 od dołu, jest "Pewna ilość ocenionych rozwiqzań (...), a powinno być "Pewna liczba ocenionych rozwiqzań (...)", c) strona nr 33, wiersz nr 11 od dołu, nie,,(...) ilość spotkanych uczestników", a,,(...) liczba spotkanych uczestników", d) strona nr 81, wiersz nr 10 od góry, zamiast,,(...) osiqgnięcie maksymalnej ilości iteracji", powinno być,,(...) osiqgnięcie maksymalnej liczby iteracji". 4. Uwagi krytyczne a) Na wstępie tego punktu odniosę się do niektórych założeń (punkt na stronach 62-63), które autorka (jeśli dobrze zrozumiałem) miała brać pod uwagę w procesie wyznaczania trajektorii algorytmem mrówkowym. Pierwszy aspekt to " uwzględnienie własności dynamicznych statku własnego". Czy faktycznie zostało to w algorytmie zaimplementowane? Patrząc na wymienione w punktach (na stronie 68) dane wejściowe do algorytmu można mieć wątpliwości. Zresztą punkt ten zrealizowany byłby prawidłowo, gdyby algorytm uwzględniał tzw. plany manewrowe statków (ang. wheelhouse poster). Dostarczają one m. in. takich informacji, jak promień skrętu statku oraz dystans i czas potrzebny na zatrzymanie się z prędkości marszowej. Tymczasem, wyznaczone na rysunkach od 4.2 do 4.65 trajektorie sugerują, że statek skręca prawie w miejscu, co szczególnie w stosunku do dużych jednostek nie jest poprawnym przybliżeniem. b) Kolejny aspekt w tych założeniach to dyskusyjna "powtarzalność wyników". Sama autorka na stronie 56 w rozprawie pisze, że w metodach heurystycznych (algorytmy mrówkowe do nich 3

4 r I należą) wadą jest "brak powtarzalności rozwiqzań ze względu na probabilistyczny charakter algorytmów". Dowodem na to, że jednak nie mogą to być powtarzalne w 100% wyniki, są wykresy na rysunkach 4.26, 4.31, 4.36, itd., przedstawiające różny czas obliczeń (od 6 do ponad 20 sekund dla przypadku pierwszego z rysunku 4.26) dla 100 powtórzeń pracy algorytmu mrówkowego (dla identycznych parametrów wejściowych). c) Generalna uwaga, która się nasuwa podczas analizowania wyników przedstawionych w rozdziale czwartym, to fakt, że wybrane przez autorkę rozprawy przypadki kolizyjne, które "musi rozwiązać" algorytm mrówkowy należą raczej do tych "prostszych", niż "trudniejszych" pod względem nawigacyjnym. Przede wszystkim, realne sytuacje zagrożenia mają miejsce podczas żeglugi przy wzmożonym ruchu statków na wodach ograniczonych. Typowe wody ograniczone to z reguły bliskość dłuższej linii brzegowej w połączeniu z ciasnymi przejściami, torami podejściowymi, czy strefą rozgraniczenia ruchu z dodatkowymi znakami nawigacyjnymi (pławy, bramy itd.). W tych okolicznościach nierzadkim przypadkiem, który spotyka oficerów wachtowych, jest konieczność śledzenia w trudnych warunkach hydrometeorologicznych (znos, dryf) nawet do dziesięciu statków (mających pierwszeństwo lub ustępujących drogi). Tego typu trudne warunki analizowano już w przeszłości. Dobrym odniesieniem może być tutaj praca: Śmierzchalski R., Michalewicz Z. "Modeling oj Ship Trajectory in Collision Situations by an Evolutionary Algorithm", którą autorka zawarła również w swojej bibliografii. Czy takie "trudne nawigacyjnie" sytuacje były analizowane zaprezentowanym w rozprawie algorytmem mrówkowym? d) Kolejna uwaga związana jest właściwie z poprzednią. Czy istnieje taka sytuacja zagrożenia kolizją, z którą algorytm mrówkowy mógłby sobie nie poradzić? Tzn. zakończy się praca algorytmu (w pracy, na stronie 81 przyjęto, że warunki zakończenia tej pracy to: przekroczenie maksymalnego czasu równego 60 sekund, który zdefiniowano na stronie 63 lub przekroczenie maksymalnej liczby iteracji), ale bezpieczna trajektoria nie zostanie określona? A, czy gdyby "znieść" te warunki zakończenia, to bezpieczna trajektoria byłaby wyznaczona? e) Następna uwaga dotyczy tezy pracy. Mowa jest w niej między innymi o możliwości zmniejszenia kosztów eksploatacyjnych statku w wyniku zastosowania algorytmu mrówkowego. Tymczasem, jeżeli przyjąć, że w skład tych kosztów wchodzi również koszt zużytego paliwa i fakt, że na rysunkach od 4.2 do 4.65, przedstawiających zmienione (w wyniku rozwiązania sytuacji kolizyjnej) trajektorie nastąpiło raczej wydłużenie drogi statku niż skrócenie, to można mieć wątpliwości, czy teza została udowodniona w 100%. f) Żaden z omawianych w rozdziale czwartym przypadków kolizyjnych nie pokazuje bezpośrednio, jaki jest czas od momentu "zarejestrowania" faktu zaistnienia ryzyka kolizji (mógłby być np. umownie oznaczony jako to) do wystąpienia potencjalnej kolizji (gdyby nie zmieniono trajektorii statku). Oczywiście, mając mapę sytuacyjną wyskalowaną w milach morskich oraz wektory prędkości statków (co w pracy pokazano w przykładach) można to sobie szybko obliczyć, ale jawne przedstawienie czasu, dałoby obraz faktycznego "zapasu czasowego", tym bardziej, że w pracy autorka przedstawia czas obliczeń algorytmu. 4

5 g) W jakiś sposób ustalono wartości parametrów algorytmu mrówkowego, określone w tabeli 4.1? Czy przyjęcie innych wartości dałoby inne trajektorie? Czy czas obliczeń by się wtedy zmienił? Jakie byłyby trajektorie w przypadku innej prędkości statku własnego dla zaprezentowanych przykładów? h) Autorka w rozprawie postanowiła nie uwzględniać strategii spotkanych statków (co napisano na stronie 66 rozprawy, a potwierdzono na stronie 99) w pracy algorytmu. Oczywiście, algorytm w przypadku zmiany kursu statków spotkanych można uruchomić ponownie, ale raczej należy uznać to za ograniczenie, tym bardziej, że są prace opublikowane w przeszłości, które ten fakt uwzględniają. i) W pracy założono stałą, niezmienną prędkość statku własnego. A jak mogłyby wyglądać rozwiązania sytuacji kolizyjnych, gdyby prędkość statku własnego mogła się zmieniać? j) Dlaczego w pracy nie pokazano trajektorii wyznaczanych w różnych momentach pracy algorytmu mrówkowego? 5. Uwagi dyskusyjne a) Praca byłaby wartościowsza, gdyby zaproponowany algorytm brał również pod uwagę możliwość zmniejszenia (a może i nawet zwiększenia) prędkości statku, jako kolejnego sposobu na rozwiązanie sytuacji kolizyjnej w warunkach, kiedy zmiana kursu nie zdaje egzaminu. Idealnie byłoby uwzględnienie własności dynamicznych statku (jak np. promień skrętu, czy czas oraz dystans potrzebny na awaryjne zatrzymanie się). Wymagałoby to oczywiście uwzględnienia wspomnianych wcześniej planów manewrowych. b) Dobrym zadaniem naukowym byłoby również opracowanie algorytmu optymalizacji wielokryterialnej. Z jednej strony bierzemy pod uwagę kryterium związane z minimalizacją ryzyka kolizji, a z drugiej kryterium związane z minimalizacją drogi statku (co jest związane bezpośrednio z kosztami paliwa). Co ciekawe (i jak widać z rysunków z rozdziału czwartego), są to kryteria przeciwstawne, więc całkiem interesująco mogłaby wyglądać przestrzeń możliwych rozwiązań oraz zbiór optymalny Pareta. c) W podsumowaniu, na stronie 138 autorka wspomniała, że w dalszych badaniach algorytm mógłby uwzględniać najmniejsze kąty zwrotu podczas manewru zmiany kursu. Ale przecież wiemy, że to kryterium byłoby w sprzeczności z prawidłem 8b MPDM? d) Czy ten algorytm mógłby być zastosowany w tzw. "manewrze ostatniej szansy"? e) Wydaje się, że w czasach wsp6łczesnych dobry algorytm mógłby śledzić niejako "on-line" kurs i prędkość statków spotkanych i na bieżąco proponować skorygowany kurs i prędkość statku własnego. Zaprezentowany w pracy algorytm mrówkowy działa "off-line". W związku z tym istnieje małe ryzyko, że kolejne uruchomienie algorytmu (np. wskutek tylko nieznacznej s

6 zmiany trajektorii statków spotkanych) wskaże zupełnie inny niż poprzednio kurs statku własnego, co w praktyce może być niebezpieczne. f) Przy odpowiedniej wprawie w programowaniu można byłoby pokusić się o stworzenie komputerowego symulatora z prawdziwego zdarzenia, w którym "ręcznie" dodaje się oraz steruje statkami spotkanymi, a sterowanie statkiem własnym pozostawić algorytmowi zaproponowanemu w pracy. Uwzględnienie różnych scenariuszy pogodowych uwarunkowań hydrograficznych byłoby prawdziwym testem dla algorytmów mrówkowych. 6. Oryginalne osiągnięcia Za oryginalne i godne podkreślenia osiągnięcia autorki pracy uważam: opracowanie metodyki syntezy elektronawigacyjnego układu bezpiecznego sterowania statkiem z wykorzystaniem algorytmu mrówkowego, opracowanie metody wyznaczania bezpiecznych, optymalnych zmian kursu statku (zgodnych z prawidłami MPDM) w sytuacji kolizyjnej na morzu, przy występowaniu większej liczby spotkanych statków i przy uwzględnieniu ograniczeń statycznych, zaimplementowanie oraz przetestowanie opracowanego algorytmu w badaniach symulacyjnych. 7. Wniosek końcowy Recenzowana rozprawa doktorska przedstawia analizę i rozwiązanie ważnego problemu naukowego, jakim w tym przypadku jest opracowanie metody umożliwiającej zmianę trajektorii statku w sytuacjach kolizyjnych z wykorzystaniem inteligencji kolonii mrówek. Podkreślę jeszcze raz, że praca od strony stylistycznej i edytorskiej jest napisana niezwykle starannie, a poziom merytoryczny oceniam pozytywnie, choć praca mogłaby mieć większe walory naukowe. Stwierdzam, że autorka rozwiązała postawiony na początku problem naukowy. Uważam, że rozprawa spełnia wymagania stawiane przez obowiązującą ustawę o stopniach naukowych i tytule naukowym i w związku z tym stawiam wniosek o przyjęcie jej przez Radę Wydziału Elektrycznego Akademii Morskiej w Gdyni jako rozprawy doktorskiej oraz dopuszczenie do publicznej obrony. (M. Ziółkowski) 6