На правах рукописи
Студеникин Дмитрий Евгеньевич
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ СУДНА
НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ
Специальность:
05.22.19 – Эксплуатация водного транспорта, судовождение
Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новороссийск – 2012 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кондратьев Сергей Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Васьков Анатолий Семенович кандидат технических наук, Зуйков Олег Тихонович
Ведущая организация: ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»
Защита состоится 30 марта 2012 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д.223.007.01 при Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» в аудитории Б-1 по адресу:
353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» (г. Новороссийск, пр. Ленина, 93).
Автореферат разослан 20 февраля 2012 года.
Отзывы на автореферат присылать в 2-х экземплярах, заверенных печатью организации, и адресовать их ученому секретарю диссертационного совета Д 223.007.01 при ФБОУ ВПО «МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова» по адресу:
353918. г. Новороссийск, пр. Ленина 93.
Ученый секретарь диссертационного совета Д.223.007.01, доктор технических наук, доцент Е.В. Хекерт Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Обеспечение безопасности мореплавания в стесненных акваториях является одной из наиболее актуальных задач современного судовождения, поскольку именно на эти районы приходится основной процент имевших место аварийных случаев. В значительной степени это обусловлено влиянием на аварийность «человеческого элемента», что, в свою очередь, свидетельствует о недостаточной информационной поддержке судоводителя при принятии им управленческих решений. В этих условиях весьма актуальными являются задачи усовершенствования мостиковой навигационно-информационной системы (НИС) и автоматизации процесса принятия решений. Успешное решение указанных задач невозможно без использования качественных моделей движения судна (МДС). В свою очередь, качественную МДС, как это следует из многих работ, практически невозможно создать без подстройки ее параметров (адаптации) к текущему состоянию судна и условиям его плавания. Одним из вариантов такой подстройки может стать использование вместо одной универсальной модели, нескольких моделей, каждая из которых работает с приемлемым качеством в определенном диапазоне состояний судна и условий плавания.
Кроме этого следует учитывать, что при плавании в стесненных акваториях из-за отсутствия безопасных участков для дополнительных маневров и дефицита времени практически отсутствует возможность синтеза модели по результатам текущих измерений. В этих условиях модели целесообразно формировать заранее. Исходные данные, необходимые для решения этой задачи удобно собирать и постепенно накапливать в течение регулярных рейсов судна.
В процессе разработки моделей значительный научный интерес представляет использование для этих целей положений теории нечетких множеств. Это обусловлено тем, что эти модели не требуют аналитического описания судна, как динамического объекта, нечеткие контроллеры хорошо зарекомендовали себя во многих сферах деятельности, а их возможности при решении задач судовождения практически не изучены. Известны лишь немногие случаи их использования при решении задач управления движением судна, предотвращения столкновения судов, определения оптимальных траекторий при прибрежном плавании.
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) Учитывая это целью исследований является разработка методики формирования МДС, использующих нечеткие контроллеры, основываясь на результатах измерений в течение регулярных рейсов параметров состояний судна и условий его плавания, а также оценка качества их работы в задаче прогнозирования параметров состояния судна.
Задачи исследования включают в себя:
анализ основных вариантов построения МДС;
разработку методики формирования МДС на основе сохраненной информации о движении судна;
синтез МДС с использованием аппарата нечеткой логики и оценка качества сравнение работы рассматриваемых моделей с традиционными МДС и моделями типа «черный ящик».
Объектом исследования являются модели движения судна.
Предмет исследования - структуры и алгоритмы работы МДС, а также качество прогнозирования ими состояний судна.
Методы исследования основаны на положениях общей теории автоматического управления и идентификации, теории нечетких множеств, а также программах, используемых продуктами Mathcad и Matlab.
Основными научными результатами, полученными соискателем в диссертации, являются:
1. Методики формирования библиотеки моделей движения судна, структурированной по его состояниям и условиям плавания, измеренным во время рейсов, и выбора модели движения судна под текущие условия плавания.
2. Модели, прогнозирующие параметры движения судна на основе нечеткой логики, с системами нечеткого вывода Мамдани и Сугено 3. Методика настройки нечетких моделей движения судна с использованием программного продукта Optimization Toolbox.
Научная новизна защищаемых положений заключается в следующем:
1. Методика формирования библиотеки моделей движения судна основана на использовании положений теории нечетких множеств для ее структурирования по результатам измерений текущих состояний и условий плавания судна в течеPrint to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) ние рейсов и выбора из нее требуемой модели, что исключает необходимость выполнения специальных маневров для идентификации параметров моделей, и упрощает процесс решения названных задач.
2. Модели, прогнозирующие движение судна, построены на теории нечетких множеств, которая является универсальным инструментом аппроксимации динамических процессов, что исключает необходимость использования дифференциальных уравнений для описания поведения судна, дает возможность использования в процессе синтеза экспертных знаний, обеспечивает адекватность правил, по которым работает модель, реальным мыслительным процессам судоводителя.
3. Методика настройки нечетких моделей движения судна позволяет использовать для решения этой задачи программный продукт Optimization Toolbox.
Теоретическая значимость исследований заключается в разработке технологий синтеза МДС с использованием методов теории нечетких множеств и исходных данных, сформированных по результатам анализа движения судна в процессе выполнения рейсовых заданий.
Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что предложенные в работе технологии синтеза МДС позволяют сформировать качественную систему прогнозирования параметров состояния судна как в составе судовой навигационно-информационной системы, так и на индивидуальных переносных компьютерах.
Научная обоснованность и достоверность результатов, полученных в данной работе, обеспечивается использованием в процессе исследований только проверенных и широко применяемых на практике теоретических положений, методик и программных продуктов, а также использованием для синтеза и оценки качества работы моделей исходных данных, измеренных в процессе плавания конкретного танкера (DS Power), при этом оценка качества работы рассматриваемых моделей производилась на базе исходных данных, отличных от тех, на основе которых эти модели были синтезированы.
Реализация результатов работы. Тема диссертационной работы относится к п. 23 «Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления»
перечня критических технологий Российской Федерации от 21.05.2006 г. Пр- и к п. 13 «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем»
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) аналогичного перечня от 7.07.2011 г. №899. Результаты работы используются в учебном процессе в ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» в курсах «Автоматизация судовождения», «Информационные технологии на транспорте, «Информационные системы на транспорте», а также внедрены в разработки ЗАО Транзас.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались на ежегодных научно-технических конференциях МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова 2006 – 2010 годах, на IX городской Научно практической конференции «Молодая наука 2009, XI городской Научно практической конференции «Молодая наука 2010», Международной заочной научно-практической конференции «Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения» (Россия, Тамбов, 28 октября 2011 г.)».
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 статьях, 3 из которых в изданиях рекомендованных ВАК РФ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
методика формирования библиотеки МДС, использующая измерения параметров состояния судна и условий его плавания в течение регулярных рейсов;
методика формирования МДС, основанная на использовании положений теории нечетких множеств;
методики выбора из библиотеки МДС, лучшим образом, соответствующей текущему состоянию и условиям плавания судна;
оценки качества работы МДС, применительно к техническим характеристикам и параметрам движения крупнотоннажного судна.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации 148 страниц включает содержание 2 страницы, перечень сокращений 1страницы, введение страниц, четыре раздела 117 страниц, заключение 2 страницы, список литературы из 114 наименований 11 страниц, 67 иллюстраций и 9 таблиц.
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отмечены факторы, осложняющие работу судоводителей при плавании в стесненных условиях, значительная роль прогнозной информации и МДС в обеспечении безопасности мореплавания, сформулирована задача диссертационной работы и обоснована ее актуальность, дано краткое изложение результатов работы.
В первой главе проведен анализ работ, посвящённых вопросам синтеза МДС различного вида. Отмечено, что традиционные модели, в основе которых лежат уравнения движения судна, хороши тем, что их структура отражает понятную с физической точки зрения взаимосвязь воздействий на судно и его реакцию на эти воздействия. Это облегчает анализ причин возникновения проблемных ситуаций при моделировании и оценку области применимости модели.
Однако не для всех задач удается описать структуру модели относительно простыми уравнениями, что может заметно усложнить ее решение. Еще более сложной выглядит задача определения значений коэффициентов этих уравнений (параметров модели), которые зависят от многих факторов, в том числе и от конструктивных особенностей судна. В этих условиях практически невозможно создать универсальную модель с фиксированными параметрами, которая была бы способна прогнозировать движение судна в различных условиях плавания с требуемой точностью.
Использование вместо них моделей типа «черный ящик» часто позволяет упростить решение рассматриваемой задачи, но они не отражают физической сущности процессов протекающих в реальной системе и достаточно сложно обосновать границы применимости этих моделей.
На этом фоне выделяются достоинства моделей, построенных с использованием правил нечеткой логики. К ним следует отнести отсутствие необходимости аналитического описания судна, как динамического объекта, интуитивно понятную для судоводителя логику их работы, относительно простую реализуемость, возможность использования в процессе синтеза моделей экспертных знаний, выраженных в лингвистической форме, наличие программного обеспечения, облегчающего процесс их формирования. Научный интерес к указанным моделям обусловлен как практическим отсутствием методик их формирования для решения задач прогнозирования параметров состояния судна, так и оценок качества их раPrint to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) боты при решении названных задач. Указанные обстоятельства послужили причиной выбора данных моделей в качестве объекта исследования.
Вторая глава посвящена разработке структуры системы, обеспечивающей формирование библиотеки МДС на основе информации о параметрах движения судна и условиях его плавания, полученной в течение регулярных рейсов и представленной в виде базы исходных данных; определению задач и подходов к их решению для каждого модуля этой структуры; определению методики выбора из библиотеки МДС требуемой модели. Структура системы формирования МДС представлена на рисунке 1.
Модуль формирования текущей модели Рисунок 1 – Обобщенная структура системы формирования модели движения судна Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) Измерительный комплекс является источником первичной (исходной) информации, а также обеспечивает формирование параметров вектора Х состояния судна и вектора W, определяющего внешние воздействия, обусловленные его условиями плавания. Модуль исходных данных формирует базу вариантов состояния судна, записывая в нее новые, ранее не встречавшиеся значения векторов Х и W и их сочетаний. Создающаяся база исходных данных структурируется (см.
рисунок 2) в соответствие текущим состояниям судна и условиям плавания.
структура модели. Анализатор режима движения судна соотносит текущий режим Х, поступающий с измерительного комплекса, с одним из m возможных режимов, в рамках которых структура модели считается неизменной, и выбирает его в качестве кластера для записи текущих условий плавания. Диапазон текущих условий плавания W разбивается на конечное число n поддиапазонов, внутри которых степень влияния условий плавания на движение судна можно считать постоянной. Количество поддиапазонов зависит от параметров судна и требований, предъявляемых к качеству моделирования. Начальное значение n может быть определено для каждого судна на основе экспертных данных, а впоследствии автоматически уточнено по оценкам качества работы используемых моделей. Для кодирования кластеров условий плавания с целью отличия их друг от друга испольPrint to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) зованы подходы, основанные на положениях теории нечетких множеств. Соответствующие примеры приведены ниже.
Таким образом, в результате формируется библиотека исходных данных, из которой легко могут быть выбраны сведения, необходимые как для синтеза структуры МДС для каждого из т кластеров, так и оценки параметров этой структуры, соответствующих принятым условиям плавания.
Отбор записываемой информации производится блоком оценки новизны состояния.
Модуль формирования текущей модели движения судна содержит библиотеки базовых структур и параметров моделей. Каждой структуре модели судна, записанной в библиотеке базовых структур, соответствует один из т упомянутых выше кластеров. Анализатор режима движения судна соотносит текущее значение вектора Х с определенной подобластью ri и в виде кода передает информацию в блок выбора структуры модели, который, в свою очередь, открывает соответствующую этому коду структуру для ее использования в текущих условиях.
Аналогичным образом с учетом условий плавания формируется код того кластера, из которого следует выбрать параметры текущей модели.
Уточнение структур и параметров осуществляется модулем коррекции по результатам оценок вектора ошибок Х работы моделей в реальных условиях плавания для конкретного судна. С этой целью в рамках каждой из возможных структур формируется база вариантов имевших место состояний Х судна, коррелированная с названными ошибками. Формирователь поправок параметров модели, используя эту базу, определяет необходимые значения параметров или их поправок.
Предложенный в диссертации алгоритм, определяющий работу системы формирования МДС, обеспечивает выбор из сформированной базы данных текущей модели, соответствующей условиям и режимам плавания судна, проверку качества работы выбранной модели, корректировку параметров модели в случае, если качество ее работы не соответствует требованиям, возможность формироваPrint to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) ния и отображения прогностической информации о состоянии судна и качестве В части, посвященной определению задач для элементов структуры МДС и подходов к их решению, проведено разбиение области возможных состояний судна на подобласти, в рамках которых, в силу аналогичности процессов обтекания корпуса судна, структуры МДС считаются неизменными (см. таблица 1), и рекомендованы варианты кодирования этих состояний для выбора требуемой структуры.
Таблица 1 – Значения параметров состояния судна и определяемые ими режимы