RU2631127C2 - Method of operational controlling vessel stability in emergency situations - Google Patents

Method of operational controlling vessel stability in emergency situations Download PDF

Info

Publication number
RU2631127C2
RU2631127C2 RU2015156739A RU2015156739A RU2631127C2 RU 2631127 C2 RU2631127 C2 RU 2631127C2 RU 2015156739 A RU2015156739 A RU 2015156739A RU 2015156739 A RU2015156739 A RU 2015156739A RU 2631127 C2 RU2631127 C2 RU 2631127C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bis
block
assessment
stability
control
Prior art date
Application number
RU2015156739A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015156739A (en
Inventor
Юрий Иванович Нечаев
Олег Николаевич Петров
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет" (СПбГМТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет" (СПбГМТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет" (СПбГМТУ)
Priority to RU2015156739A priority Critical patent/RU2631127C2/en
Publication of RU2015156739A publication Critical patent/RU2015156739A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2631127C2 publication Critical patent/RU2631127C2/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B39/00—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude
    • B63B39/14—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude for indicating inclination or duration of roll
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]

Landscapes

  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
  • Traffic Control Systems (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: to implement the method, versions for the functional and organizational structure of the control system (CS) of the on-board intelligence system (BIS) are generated, the operation modes of the CS BIS are simulated, based on the services repository, the information processing principles in the multiprocessor computing environment and the theory of catastrophes, the CS BIS composition and structure parametres compliance to the said criteria and the input characteristics is checked, wherein in case of discrepancy, the input characteristics of the CS BIS are adjusted and the design process is repeated, and in case of compliance, technical documentation is developed and an overall assessment of information decision efficiency is performed, the assessment of the vessel stability in emergency situations is implemented, based on fuzzy formal system based on a dynamic theory of catastrophes, the generation of alternative solutions and practical recommendations is carried out, the risk assessment of decisions is carried out.
EFFECT: increasing the reliability and effectiveness of the vessel stability assessment during operational parametre control.
7 dwg

Description

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам контроля остойчивости судна в условиях эксплуатации, и может быть использовано при создании бортовых интеллектуальных систем обеспечения безопасности мореплавания.The invention relates to shipbuilding, in particular to methods for monitoring the stability of a vessel under operating conditions, and can be used to create on-board intelligent navigation safety systems.

Наиболее близкими техническим решением является способ автоматизированного управления проектированием бортовых интеллектуальных систем (БИС) по патенту №2502131 от 20.12.2013 на основе интеллектуальных технологий, методов динамической теории катастроф и высокопроизводительных средств вычислений, при реализации которого генерируют варианты функциональной и организационной структуры системы управления (СУ) БИС на основе принципов формализации логической системы знаний в условиях неопределенности и неполноты исходной информации, выполняют оценку результатов генерации концептуальных решений на основе критериев обеспечения безопасности мореплавания, определяющих требования национальной и международной систем нормирования, моделируют режимы функционирования СУ БИС на основе репозитория сервисов, принципов обработки информации в мультипроцессорной вычислительной среде и методов теории катастроф, проверяют соответствие параметров состава и структуры СУ БИС заданным критериям и входным характеристикам, при несоответствии корректируют входные характеристики СУ БИС и повторяют процесс проектирования, при соответствии разрабатывают техническую документацию и производят общую оценку информационной эффективности принятого решения.The closest technical solution is the method of computer-aided design management of on-board intelligent systems (LSI) according to patent No. 2502131 dated 12/20/2013 based on intelligent technologies, methods of the dynamic theory of disasters and high-performance computing tools, which will generate variants of the functional and organizational structure of the control system (SU) ) LSI based on the principles of formalizing the logical system of knowledge in the face of uncertainty and incompleteness of the initial information, they evaluate the results of the generation of conceptual solutions based on safety criteria for navigation, defining the requirements of national and international standardization systems, model the operating modes of the BIS LSI based on the service repository, the principles of processing information in a multiprocessor computing environment and the methods of catastrophe theory, verify the compliance of the composition and structure of the control system LSI to the specified criteria and input characteristics, in case of mismatch, the input characteristics of the LSI LSI and repeat the design process, if appropriate, develop technical documentation and make a general assessment of the information efficiency of the decision.

Недостатком этого способа является отсутствие функциональных блоков, интегрирующих стратегию оценки остойчивости, выработку управляющих воздействий, оперативный контроль и оценку риска принимаемых решений при обеспечении безопасности судна в чрезвычайных ситуациях с учетом особенностей структуры волнового поля и ветровых порывов на основе стратегии динамической теории катастроф, что в целом снижает достоверность оценки остойчивости в условиях эксплуатации.The disadvantage of this method is the lack of functional blocks that integrate the stability assessment strategy, the development of control actions, operational control and risk assessment of decisions made while ensuring ship safety in emergency situations, taking into account the peculiarities of the wave field structure and wind gusts based on the strategy of the dynamic theory of disasters, which in general reduces the reliability of the assessment of stability under operating conditions.

Техническим результатом изобретения является повышение безопасности плавания судна в чрезвычайной ситуации путем повышения достоверности и эффективности оценки остойчивости судна при оперативном контроле параметра.The technical result of the invention is to increase the safety of navigation of the vessel in an emergency by increasing the reliability and effectiveness of assessing the stability of the vessel during operational control of the parameter.

Технический результат достигается тем, что при анализе и прогнозе остойчивости судна в чрезвычайных ситуациях СУ БИС дополняется функциональными блоками, обеспечивающими генерацию различных вариантов развития чрезвычайной ситуации, выработку управляющих воздействий и оценку риска принимаемых решений на основе стратегии динамической теории катастроф в зависимости от особенностей внешних возмущений, обусловленных реальной структурой волнового поля и порывами ветра в виде импульсных воздействий в заданном районе эксплуатации.The technical result is achieved by the fact that when analyzing and forecasting the stability of the vessel in emergency situations, the LSI IS is supplemented with functional blocks that provide the generation of various options for the development of an emergency, the development of control actions and the risk assessment of decisions based on the strategy of the dynamic theory of disasters depending on the characteristics of external disturbances, due to the real structure of the wave field and gusts of wind in the form of pulsed effects in a given area of operation.

Функциональная схема, реализующая предлагаемый способ оперативного контроля остойчивости в чрезвычайных ситуациях, представлена на фиг. 1. Схема включает 9 основных блоков, функционирующих на основе концепции СУ БИС и 3 блока, обеспечивающих реализацию технических решений при контроле остойчивости в чрезвычайных ситуациях: 1 - блок функциональной модели программной среды; 2 - концептуальный блок; 3 - блок моделирования и визуализации; 4 - блок информационной среды анализа альтернатив и принятия решений; 5 - блок управления процессом проектирования; 6 - блок, реализующий изготовление технической документации; 7 - блок выбора и реализации решений; 8 - блок оценки решений, полученных в блоке 7; 9 - блок оценки эффективности решения; 10 - блок, содержащий нечеткую формальную систему контроля остойчивости на основе динамической теории катастроф; 11 - блок выработки управляющих воздействий системы интеллектуальной поддержки; 12 - блок оценки риска принимаемых решений.A functional diagram that implements the proposed method for operational stability control in emergency situations is presented in FIG. 1. The scheme includes 9 main blocks, functioning on the basis of the concept of the control system BIS and 3 blocks, providing the implementation of technical solutions for monitoring stability in emergency situations: 1 - block functional model of the software environment; 2 - conceptual block; 3 - block modeling and visualization; 4 - block information environment analysis of alternatives and decision making; 5 - control unit for the design process; 6 - block that implements the production of technical documentation; 7 - block selection and implementation of solutions; 8 is a block for evaluating decisions obtained in block 7; 9 - block evaluating the effectiveness of the solution; 10 is a block containing a fuzzy formal stability control system based on the dynamic theory of disasters; 11 - block generating control actions of the intellectual support system; 12 - block risk assessment of decisions.

Рассмотрим характеристику блоков 10-12, поскольку описание блоков 1-9 приведено в патенте №2502131.Consider the characteristics of blocks 10-12, since the description of blocks 1-9 is given in patent No. 2502131.

Блок 10 содержит функциональные элементы нечеткой формальной системы, реализующие стратегию оценки остойчивости при движении к целевому аттрактору и при потере остойчивости и возникновении катастрофы на основе фрактальных структур и аттракторных множеств отображения динамики взаимодействия судна с внешней средой. Выполнение операций по оценке остойчивости судна в блоке 10 осуществляют при взаимодействии с блоком 3 моделирования и визуализации, а результаты оценки передают в блок 11.Block 10 contains functional elements of a fuzzy formal system that implements a strategy for assessing stability when moving towards a target attractor and in case of loss of stability and a catastrophe based on fractal structures and attractor sets displaying the dynamics of the vessel’s interaction with the environment. The operations for assessing the stability of the vessel in block 10 is carried out in interaction with block 3 modeling and visualization, and the results of the assessment are passed to block 11.

Блок 11 выработки управляющих воздействий системы интеллектуальной поддержки оператора БИС функционирует на основе синергетической теории управления и стратегии, выработанной в блоке 10, с использованием сервиса фрактальных образов в зависимости от особенностей текущей ситуации и режима функционирования системы интеллектуальной поддержки, которую осуществляют в рамках алгоритмического контура программного и адаптивного управления и контура самообучения системы. Работа блока 11 выполняется совместно с блоком 5 управления процессом проектирования и блоком 8 оценки решений, а результаты формирования управляющих воздействий передают в блок 12.Block 11 of generating the control actions of the intellectual support system of the LSI operator operates on the basis of the synergetic theory of control and strategy developed in block 10, using the fractal image service depending on the features of the current situation and the mode of functioning of the intellectual support system, which is carried out within the framework of the programmatic and adaptive control and self-learning system loop. The operation of block 11 is performed in conjunction with block 5 of the design process control and block 8 of decision evaluation, and the results of the formation of control actions are passed to block 12.

Блок 12 осуществляет оценку риска принимаемых решений на основе нечеткой интерпретации управляющих воздействий, вырабатываемых в блоке 11, а полученные данные передают в блок 9 оценки эффективности решений.Block 12 carries out a risk assessment of decisions based on a fuzzy interpretation of the control actions generated in block 11, and the obtained data is passed to block 9 for evaluating the effectiveness of decisions.

Алгоритм оперативного контроля остойчивости в чрезвычайной ситуации на базе СУ БИС состоит в выполнении следующих шагов:The algorithm for operational stability control in an emergency on the basis of the SU BIS consists in the following steps:

Шаг 1. На основе интеллектуальных технологий, методов динамической теории катастроф и высокопроизводительных средств вычислений выполняют операции по реализации алгоритма обработки информации на основе СУ БИС в соответствии с последовательностью действий, определенной функциональной схемой системы.Step 1. On the basis of intelligent technologies, methods of the dynamic theory of disasters and high-performance computing tools, operations are carried out to implement an information processing algorithm based on the LSI BIS in accordance with the sequence of actions determined by the system’s functional diagram.

Шаг 2. Формируют элементы нечеткой формальной системы (фиг. 2), которую задают в виде матрицы переходов. Строками матрицы являются парыStep 2. Form the elements of a fuzzy formal system (Fig. 2), which is set in the form of a transition matrix. Matrix rows are pairs

Figure 00000001
Figure 00000001

где μSi - функции принадлежности (ФП), задающие нечеткую формальную систему; <Ti, Sj> - пара, определяющая максиминную операцию на основе композиционного правила вывода; Ti - оператор минимума (конъюнкция); Sj - оператор максимума (дизъюнкция).where μ Si are membership functions (FPs) defining a fuzzy formal system; <T i , S j > - a pair that determines the maximin operation based on the compositional inference rule; T i - minimum operator (conjunction); S j is the maximum operator (disjunction).

Пересечение строки μSk и столбца μSp матрицы переходов обозначают символом «X», что указывает на возможность выполнения максиминной операции для нечеткой модели оценки чрезвычайной ситуацииThe intersection of the row μS k and the column μS p of the transition matrix is denoted by the symbol “X”, which indicates the possibility of performing a maximin operation for a fuzzy model for assessing an emergency

Figure 00000002
Figure 00000002

представленной в виде множества di∈D с ФП μD represented in the form of the set d i ∈D with the phase transition μ D

Figure 00000003
Figure 00000003

Шаг 3. Реализуют стратегию управления судном при движении к целевому аттрактору и при потере остойчивости и возникновении катастрофы. Анализ выполняют с использованием фрактальных структур и аттракторных множеств отображения динамики взаимодействия судна с внешней средой в чрезвычайной ситуации. Фрактальную структуру реализуют в виде эллипса и отображают на основе данных об изменении диаграммы остойчивости в процессе развития чрезвычайной ситуации. Анализ ведут на основе фактической информации о состоянии остойчивости в рассматриваемый момент времени. Аппроксимацию информационного вектора R в виде ординат диаграммы остойчивости осуществляют с помощью эллиптической структуры (фиг. 3) методом многокритериальной оптимизации (Δi - отклонения ординат вектора R от огибающего эллипса).Step 3. Implement a ship control strategy when moving toward a target attractor and when stability is lost and a disaster occurs. The analysis is performed using fractal structures and attractor sets displaying the dynamics of the interaction of the vessel with the external environment in an emergency. The fractal structure is realized in the form of an ellipse and displayed on the basis of data on changes in the stability diagram during the development of an emergency. The analysis is carried out on the basis of factual information about the state of stability at a given point in time. The approximation of the information vector R in the form of the ordinates of the stability diagram is carried out using the elliptical structure (Fig. 3) by the multi-criteria optimization method (Δ i are the deviations of the ordinates of the vector R from the envelope of the ellipse).

Графическая интерпретация функционирования системы реального времени представлена на фиг. 3. Последовательность операций алгоритма предусматривает процедуры преобразования фрактальных отображений на интервале реализации [t0, tk]: A - общая фрактальная структура эллиптической модели; B - структура управляющих воздействий X* в виде прямоугольников в плоскости XZ; C - временная последовательность (Δt, 2Δt, …, NΔt), отображающая изменение ординат диаграммы остойчивости GZ(θ,t) в плоскости YZ и уровень интеллектуальной поддержки в плоскости XZ, а символы 1, 2, …, N фиксируют текущее время развития ситуации на интервале реализации. Если используют пространственную реализацию функции GZ(θ,ϕ,t), то по оси X принимают курсовой угол ϕ, а вдоль оси Y последовательность эллипсоидов, отображающих эволюцию системы.A graphical interpretation of the functioning of the real-time system is shown in FIG. 3. The sequence of operations of the algorithm provides for the transformation of fractal mappings on the implementation interval [t 0 , t k ]: A - the general fractal structure of the elliptical model; B - structure of control actions X * in the form of rectangles in the XZ plane; C is the time sequence (Δt, 2Δt, ..., NΔt), representing the change in the ordinates of the stability diagram GZ (θ, t) in the YZ plane and the level of intellectual support in the XZ plane, and symbols 1, 2, ..., N record the current situation development time on the implementation interval. If we use the spatial implementation of the function GZ (θ, ϕ, t), then along the X axis we take the course angle ϕ, and along the Y axis we take a sequence of ellipsoids representing the evolution of the system.

Область Ω формирования фрактальной структуры Ф определяют как множество состояний системы «судно - внешняя среда» на интервале реализации [t0, tk]The region Ω of the formation of the fractal structure Ф is defined as the set of states of the system “vessel - external environment” on the implementation interval [t 0 , t k ]

Figure 00000004
Figure 00000004

где Ф0 - начальное состояние фрактальной структуры; ФN - конечное состояние, определяющее следующие условия:where Ф 0 is the initial state of the fractal structure; Ф N is the final state that defines the following conditions:

Figure 00000005
Figure 00000005

где Stab(Attr), Cap(Attr) - области притяжения аттрактора в случае стабильного состояния системы и возникновения катастрофы.where Stab (Attr), Cap (Attr) are the attractor attraction regions in the case of a stable state of the system and the occurrence of a catastrophe.

Типичным аттрактором при оценке остойчивости в чрезвычайной ситуации является устойчивый A и неустойчивый B предельный цикл (фиг. 4), формируемые в зависимости от особенностей динамики судна на интервале реализации.A typical attractor in assessing stability in an emergency is the stable A and unstable B limit cycle (Fig. 4), which are formed depending on the characteristics of the dynamics of the vessel at the implementation interval.

При разработке структурных отображений внешней среды используют универсальное программное средство, позволяющее реализовать механизмы, обеспечивающие генерацию характеристик внешней среды для заданного района возникновения чрезвычайной ситуации. В основу имитации сложных, в том числе разрывных и нестационарных процессов, положен инструмент численного моделирования систем, характеризующихся сложным взаимодействием непрерывной и дискретной компонент. Имитатор внешних воздействий реализует многопиковый спектр волнения в рамках концепции «климатического спектра» и нестационарное ветровое воздействие в виде импульсного моделирования непрерывных случайных процессов.When developing structural mappings of the external environment, a universal software tool is used to implement mechanisms that provide the generation of environmental characteristics for a given area of emergency occurrence. The basis for simulating complex, including discontinuous and non-stationary processes, is a tool for numerical modeling of systems characterized by a complex interaction of continuous and discrete components. The simulator of external influences implements a multi-peak wave spectrum in the framework of the concept of the “climate spectrum” and unsteady wind effect in the form of pulsed modeling of continuous random processes.

Шаг 4. Формулируют общую структуру исходной информации при оценке остойчивости в чрезвычайной ситуации на основе семантической сети, с помощью которой дается описание задач динамики системы «судно - внешняя среда» и методов их решенияStep 4. Formulate the general structure of the initial information when assessing stability in an emergency on the basis of a semantic network, with the help of which a description is given of the dynamics of the “ship - external environment” system and methods for solving them

Figure 00000006
Figure 00000006

где XA - данные о текущей ситуации, XK - результаты, получаемые на основе анализа имеющейся информации о поведении судна, XS - данные о задаче интерпретации и результатов ее анализа.where X A - data on the current situation, X K - results obtained on the basis of the analysis of the available information about the behavior of the vessel, X S - data on the interpretation task and the results of its analysis.

Шаг 5. Осуществляют отображение интегрированной модели нечеткой формальной системы в виде сценариев взаимодействия в чрезвычайной ситуации, описываемых конечным графом GC=(SPR,PS), где SPR - стратегии прогнозирования; PS - переходы между ними. Представляя SPR в виде объединения стратегий (SPR)tj и моментов управления tj, реализуют PS как структуру, описывающую переходы между стратегиями с помощью отображений множества SPR. Операции на основе шагов 1-5 выполняют совместно с блоком 5 моделирования и визуализации, а результаты передают в блок 11.Step 5. The integrated model of the fuzzy formal system is displayed in the form of emergency interaction scenarios described by the finite graph G C = (S PR , P S ), where S PR are forecasting strategies; P S - transitions between them. Representing S PR in the form of a combination of strategies (S PR ) t j and control moments t j , P S is realized as a structure describing transitions between strategies using mappings of the set S PR . Operations based on steps 1-5 are performed in conjunction with block 5 modeling and visualization, and the results are passed to block 11.

Шаг 6. Вырабатывают управляющие воздействия системы интеллектуальной поддержки оператора БИС на основе синергетической теории управления с использованием сервиса фрактальных отображений в зависимости от особенностей текущей ситуации. Реализацию системы интеллектуальной поддержки осуществляют в рамках алгоритмического контура программного и адаптивного управления и контура самообучения. Управляющие воздействия в алгоритмическом контуре программного управления формируют автоматически на основе нечеткой формальной системы, а в алгоритмическом контуре адаптивного управления с использованием формализованных знаний и опыта управления. Контур самообучения функционирует с использованием текущей и накопленной информации в нештатных ситуациях и обеспечивает оперативный контроль управления судном в сложной динамической среде. Формальные процедуры, обеспечивающие выработку управляющих воздействий при контроле остойчивости в чрезвычайных ситуаций в виде отображения f: G→Rk задают системой функцийStep 6. Develop control actions of the intellectual support system of the LSI operator based on the synergetic theory of control using the fractal mapping service, depending on the features of the current situation. The implementation of the intellectual support system is carried out within the framework of the algorithmic contour of program and adaptive control and the self-learning circuit. Control actions in the algorithmic circuit of program control are generated automatically based on a fuzzy formal system, and in the algorithmic circuit of adaptive control using formalized knowledge and experience of management. The self-learning circuit operates using current and accumulated information in emergency situations and provides operational control of ship control in a complex dynamic environment. Formal procedures that ensure the development of control actions during stability control in emergency situations in the form of a map f: G → R k are defined by a system of functions

Figure 00000007
Figure 00000007

где функции fi(x1, …, xn), i=1, …, k, определенные в графе сценариев G в виде компонент отображения C0 на интервале реализации [t0, tk]where the functions f i (x 1 , ..., x n ), i = 1, ..., k, defined in the scenario graph G as components of the mapping C 0 on the implementation interval [t 0 , t k ]

Figure 00000008
Figure 00000008

Для заданных ограничений на выработку управляющих воздействий в видеFor given restrictions on the development of control actions in the form

Figure 00000009
Figure 00000009

формируют условия движения системы к целевому аттрактору на основе динамической модели катастрофform the conditions for the movement of the system to the target attractor based on the dynamic model of disasters

Figure 00000010
Figure 00000010

Анализ сводится к исследованию остойчивости для модели взаимодействия при заданных внешних возмущениях. При этом множество достижимости τd стабильного состояния системы определяют из условия Xk∈τd, где Xk - множество исходных данных, формируемых на основе вектора измерений.The analysis is reduced to the study of stability for the interaction model for given external perturbations. Moreover, the attainability set τ d of the stable state of the system is determined from the condition X k ∈τ d , where X k is the set of source data generated on the basis of the measurement vector.

Шаг 7. Осуществляют геометрическую интерпретацию развития чрезвычайной ситуации путем построения аттракторов и фрактальных отображений в процессе эволюции системы «судно - внешняя среда». Структура аттракторов и фрактальных отображений определяется особенностями динамики судна при стабилизации ситуации за счет эффективности управляющих воздействий и при потере остойчивости и возникновении катастрофы в случае недостаточной их эффективности. Типичные картины фрактальных отображений при контроле остойчивости в чрезвычайных ситуациях в виде Ω(X), где X - рассматриваемая характеристика остойчивости, представлены на фиг. 5. Эволюцию фрактальной структуры определяют с помощью функции интерпретацииStep 7. Carry out a geometric interpretation of the development of an emergency by constructing attractors and fractal mappings in the process of evolution of the “ship - external environment” system. The structure of attractors and fractal mappings is determined by the characteristics of the vessel’s dynamics when the situation is stabilized due to the effectiveness of control actions and when stability is lost and a catastrophe occurs in case of insufficient efficiency. Typical fractal mapping patterns for monitoring stability in emergency situations in the form of Ω (X), where X is the stability characteristic under consideration, are presented in FIG. 5. The evolution of the fractal structure is determined using the interpretation function

Figure 00000011
Figure 00000011

где F(a/A), F(b/B), F(c/C) - функции, описывающие элементы динамики судна в чрезвычайной ситуации на входе, выходе и при описании фрактальной структуры в виде преобразованияwhere F ( a / A), F (b / B), F (c / C) are functions that describe the elements of the vessel's dynamics in an emergency at the entrance, exit, and when describing the fractal structure in the form of a transformation

Figure 00000012
Figure 00000012

где τ0/T - целевой аттрактор, движение к которому формируется с использованием процедур интеллектуальной поддержки. Результаты выполнения шагов 6 и 7 выполняют совместно с блоками управления процессом проектирования 5, оценки решения 8 и передают в блок 12 оценки риска.where τ 0 / T is the target attractor, the movement to which is formed using intellectual support procedures. The results of steps 6 and 7 are performed in conjunction with the control units of the design process 5, the evaluation of the solution 8 and passed to the risk assessment unit 12.

Шаг 8. Производят оценку риска принимаемых решений в блоке 12 на основе нечеткой интерпретации чрезвычайных ситуаций, вырабатываемых в блоке 11. Процедуру оценки риска в общей формуле R=A⋅P определяют какStep 8. A risk assessment of the decisions made in block 12 is made based on a fuzzy interpretation of the emergency situations generated in block 11. The risk assessment procedure in the general formula R = A⋅P is defined as

Figure 00000013
Figure 00000013

где R, А и Р - нечеткие числа; μR(z), μA(x), μP(y) - функции принадлежности, элементов (z, x, y) к нечетким множествам R, А, Р; ⊗ - операция расширенного произведения нечетких чисел; ∧ и ∨ - операции конъюнкции и дизъюнкции.where R, A and P are fuzzy numbers; μ R (z), μ A (x), μ P (y) - membership functions, elements (z, x, y) to fuzzy sets R, A, P; ⊗ - operation of the extended product of fuzzy numbers; ∧ and ∨ are conjunction and disjunction operations.

Полученные результаты блока 12 передают в блок 9 оценки эффективности решения на основе процедуры, позволяющей из множества целевых состояний (альтернатив) {St}m сформировать обобщенный вектор конечного состояния Sk в соответствии со стратегией Fk The results of block 12 are transferred to block 9 for evaluating the effectiveness of the solution based on a procedure that allows, from the set of target states (alternatives) {S t } m, to form a generalized vector of the final state S k in accordance with the strategy F k

Figure 00000014
Figure 00000014

Примером реализации способа оперативного контроля остойчивости в чрезвычайной ситуации в рамках СУ БИС является алгоритм интерпретации остойчивости в условиях интенсивного затопления отсеков поврежденного судна на волнении. Поведение системы «судно - внешняя среда» рассмотрим в виде эллиптического отображения модифицированной катастрофы сборки (фиг. 6 и 7). Представим картины взаимодействия аварийного судна с внешней средой в виде двух сценариев, характеризующих развитие текущей ситуации в зависимости от безразмерного времени t/τθ (τθ - характерный временной интервал), относительного положения центра масс (ЦМ) ZG/ZGo и вероятности опрокидывания P(t) аварийного судна на волнении.An example of the implementation of the method for the operational control of stability in an emergency within the framework of the SU BIS is an algorithm for interpreting stability in the conditions of intense flooding of the compartments of a damaged vessel during waves. The behavior of the system “vessel - external environment” will be considered in the form of an elliptical display of a modified assembly disaster (Figs. 6 and 7). Let us present the pictures of the interaction of the damaged ship with the external environment in the form of two scenarios characterizing the development of the current situation depending on the dimensionless time t / τ θ (τ θ is the characteristic time interval), the relative position of the center of mass (CM) Z G / Z Go and the probability of capsizing P (t) of an emergency vessel on a wave.

Первый сценарий характеризует развитие и стабилизацию чрезвычайной ситуации в процессе выработки управляющих воздействий (фиг. 6). Динамический образ этой ситуации GZ(θ,t) представлен в виде фрактала, отображающего процессы «сжатия» и «расширения» исследуемого пространства взаимодействия в рамках синергетической теории управления. Точки G1, …, G3 фиксируют перемещения ЦМ в процессе развития чрезвычайной ситуации, а бифуркационное множество B(θ,t) отображает перемещение метацентрической эволюты. Затененные области GZ(θ,t) характеризуют эллиптическое множество, отображающее динамическую среду при движении системы «судно - внешняя среда» к целевому аттрактору.The first scenario characterizes the development and stabilization of an emergency in the process of developing control actions (Fig. 6). The dynamic image of this situation GZ (θ, t) is presented in the form of a fractal that displays the processes of “compression” and “expansion” of the investigated interaction space within the framework of the synergetic control theory. Points G 1 , ..., G 3 record the movements of the CM in the course of the development of the emergency, and the bifurcation set B (θ, t) represents the movement of the metacentric evolute. The shaded areas GZ (θ, t) characterize an elliptic set that displays the dynamic environment when the “ship - external environment” system moves towards the target attractor.

Интерпретация ситуации (фиг. 6) дает следующие результаты. В момент появления пробоины система постепенно перемещается по указанной траектории из состояния G0 в точки G1, G2, G3. При этом значительно уменьшается область GZ(θ,t) и восстанавливающий момент M(θ). В результате аварийное судно оказывается в критическом состоянии с углом θ1, поскольку интенсивные внешние возмущения могут привести к опрокидыванию. После проведения мероприятий по стабилизации ситуации на основе управляющих воздействий система возвращается в область, указанную последовательностью точек над сплошной кривой. При этом остается незначительный неуравновешенный крен, определенный пересечением верхней пунктирной кривой с осью абсцисс.Interpretation of the situation (Fig. 6) gives the following results. When a hole appears, the system gradually moves along the indicated path from the state G 0 to the points G 1 , G 2 , G 3 . In this case, the region GZ (θ, t) and the reducing moment M (θ) decrease significantly. As a result, the wrecked ship is in critical condition with an angle θ 1 , since intense external disturbances can lead to capsizing. After carrying out measures to stabilize the situation on the basis of control actions, the system returns to the region indicated by the sequence of points above the solid curve. In this case, a slight unbalanced roll remains, determined by the intersection of the upper dashed curve with the abscissa.

Второй сценарий определяет ситуацию потери остойчивости (фиг. 7). В этом случае система «судно - внешняя среда» совершает сложную эволюцию, непрерывно перемещаясь из исходной точки G0 в состояния G1, …, G4. При этом значительно уменьшается область GZ(θ,t) и восстанавливающий момент М(θ). В результате аварийное судно оказывается в критическом состоянии, поскольку интенсивные внешние возмущения могут привести к опрокидыванию (вероятность опрокидывания P(t)→0). Из-за постоянного поступления внутрь корпуса больших масс воды происходит непрерывное изменение динамики судна. Точка G0 (фиг. 7) соответствует более высокому положению ЦМ по сравнению с ситуацией на фиг. 6, а диаграмма остойчивости характеризуется кривой М(θ), свидетельствующей о чрезвычайно низкой сопротивляемости судна при восприятии кренящих нагрузок. В случае фильтрации воды в соседние отсеки положение аварийного судна еще более ухудшается и требует срочного принятия решений по стабилизации ситуации на основе формирования управляющих воздействий с помощью логического вывода по прецеденту и данных, накопленных в процессе эксплуатации.The second scenario defines the situation of loss of stability (Fig. 7). In this case, the “ship - external environment” system makes a complex evolution, continuously moving from the starting point G 0 to the states G 1 , ..., G 4 . In this case, the region GZ (θ, t) and the reducing moment M (θ) are significantly reduced. As a result, the damaged ship is in critical condition, since intense external disturbances can lead to a rollover (rollover probability P (t) → 0). Due to the constant entry of large masses of water into the hull, a continuous change in the dynamics of the vessel occurs. Point G 0 (FIG. 7) corresponds to a higher position of the CM compared with the situation in FIG. 6, and the stability diagram is characterized by a curve M (θ), indicating an extremely low resistance of the vessel with the perception of heeling loads. In the case of filtering water into neighboring compartments, the position of the emergency vessel deteriorates even more and requires urgent decision-making to stabilize the situation based on the formation of control actions using the logical output from the precedent and data accumulated during operation.

Реализация способа оперативного контроля остойчивости, обеспечивающего обработку информации в чрезвычайной ситуации, осуществляется на основе программного комплекса СУ БИС, позволяющего исследовать остойчивость при взаимодействии судна в сложной динамической среде. Техническим средством, обеспечивающим функционирование системы реального времени, является многопроцессорный вычислительный комплекс, используемый в СУ БИС. При проведении имитационного моделирования остойчивости судна в чрезвычайной ситуации используются имитаторы внешних воздействий и интеллектуальные датчики.The implementation of the method of operational stability control, providing information processing in an emergency, is carried out on the basis of the SU BIS software package, which allows studying stability during the interaction of a vessel in a complex dynamic environment. The technical tool that ensures the functioning of the real-time system is the multiprocessor computing complex used in the SU BIS. When conducting a simulation of the stability of the vessel in an emergency, simulators of external influences and intelligent sensors are used.

Claims (1)

Способ оперативного контроля остойчивости судна в чрезвычайных ситуациях на основе интеллектуальных технологий, методов динамической теории катастроф и высокопроизводительных средств вычислений, при реализации которого генерируют варианты функциональной и организационной структуры системы управления (СУ) бортовой интеллектуальной системой (БИС) на основе принципов формализации логической системы знаний в условиях неопределенности и неполноты исходной информации, выполняют оценку результатов генерации концептуальных решений на основе критериев обеспечения безопасности мореплавания, определяющих требования национальной и международной систем нормирования, моделируют режимы функционирования СУ БИС на основе репозитория сервисов, принципов обработки информации в мультипроцессорной вычислительной среде и методов теории катастроф, проверяют соответствие параметров состава и структуры СУ БИС заданным критериям и входным характеристикам, при несоответствии корректируют входные характеристики СУ БИС и повторяют процесс проектирования, при соответствии разрабатывают техническую документацию и производят общую оценку информационной эффективности принятого решения, отличающийся тем, что дополнительно вводят взаимосвязанные блоки, содержащие нечеткую формальную систему, вырабатывающие управляющие воздействия и оценку риска принимаемых решений, при этом функциональные элементы блока нечеткой формальной системы реализуют оценку остойчивости судна в чрезвычайных ситуациях на основе динамической теории катастроф совместно с блоком моделирования и визуализации, полученные данные передают в блок выработки управляющих воздействий, осуществляют генерацию альтернативных решений и практических рекомендаций совместно с блоками управления процессом проектирования и оценки решений, результаты выполнения которых поступают в блок оценки риска на основе нечеткой интерпретации данных блока управляющих воздействий, производят оценку риска принимаемых решений путем взаимодействия с блоком оценки эффективности решений.A method for operational monitoring of ship stability in emergency situations based on intelligent technologies, methods of the dynamic theory of disasters and high-performance computing tools, the implementation of which generates options for the functional and organizational structure of the control system (SU) of the onboard intelligent system (LSI) based on the principles of formalizing the logical knowledge system in conditions of uncertainty and incompleteness of the initial information, evaluate the results of the generation of conceptual decisions on based on the criteria for ensuring the safety of navigation, which determine the requirements of national and international standardization systems, model the operating modes of the BIS LSI based on the repository of services, the principles of processing information in a multiprocessor computing environment and the methods of catastrophe theory, check the compliance of the parameters of the composition and structure of the LSI BIS with the specified criteria and input characteristics, if there is a discrepancy, they correct the input characteristics of the control system of the BIS and repeat the design process, if the they prepare technical documentation and make a general assessment of the informational efficiency of the decision, characterized in that they additionally introduce interconnected blocks containing a fuzzy formal system that generate control actions and an assessment of the risk of decisions made, while the functional elements of the fuzzy formal system block evaluate the stability of the vessel in emergency situations Based on the dynamic theory of catastrophes, together with the modeling and visualization unit, the received data is transmitted to the block for generating control actions, they generate alternative solutions and practical recommendations in conjunction with the control blocks for the design and evaluation of decisions, the results of which are sent to the risk assessment block based on a fuzzy interpretation of the data from the block of control actions, assess the risk of decisions made by interacting with the assessment block effectiveness of decisions.
RU2015156739A 2015-12-28 2015-12-28 Method of operational controlling vessel stability in emergency situations RU2631127C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015156739A RU2631127C2 (en) 2015-12-28 2015-12-28 Method of operational controlling vessel stability in emergency situations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015156739A RU2631127C2 (en) 2015-12-28 2015-12-28 Method of operational controlling vessel stability in emergency situations

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015156739A RU2015156739A (en) 2017-07-04
RU2631127C2 true RU2631127C2 (en) 2017-09-19

Family

ID=59309268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015156739A RU2631127C2 (en) 2015-12-28 2015-12-28 Method of operational controlling vessel stability in emergency situations

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2631127C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2192046C1 (en) * 2001-09-24 2002-10-27 Баранов Александр Анатольевич Method for computer aided design of constructions and processes for making multiparameter products
RU2331097C1 (en) * 2007-02-01 2008-08-10 Валерий Анатольевич Селифанов Method of automated control over designing engineering system control system structure and device for its implementation effect
US7813822B1 (en) * 2000-10-05 2010-10-12 Hoffberg Steven M Intelligent electronic appliance system and method
RU2502131C1 (en) * 2012-07-31 2013-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" Method for automated control of design of onboard intelligent systems
RU2569568C1 (en) * 2014-12-12 2015-11-27 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) Method of monitoring emergency situations based on integration of computer and information components of grid system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7813822B1 (en) * 2000-10-05 2010-10-12 Hoffberg Steven M Intelligent electronic appliance system and method
RU2192046C1 (en) * 2001-09-24 2002-10-27 Баранов Александр Анатольевич Method for computer aided design of constructions and processes for making multiparameter products
RU2331097C1 (en) * 2007-02-01 2008-08-10 Валерий Анатольевич Селифанов Method of automated control over designing engineering system control system structure and device for its implementation effect
RU2502131C1 (en) * 2012-07-31 2013-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" Method for automated control of design of onboard intelligent systems
RU2569568C1 (en) * 2014-12-12 2015-11-27 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) Method of monitoring emergency situations based on integration of computer and information components of grid system

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015156739A (en) 2017-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mahdi et al. Development of estimation and forecasting method in intelligent decision support systems
US20200192393A1 (en) Self-Modification of an Autonomous Driving System
Vachtsevanos et al. Resilient design and operation of cyber physical systems with emphasis on unmanned autonomous systems
Vierhauser et al. Monitoring CPS at runtime-A case study in the UAV domain
US20180046917A1 (en) Identification of process anomalies in a technical facility
RU2502131C1 (en) Method for automated control of design of onboard intelligent systems
CN104734870A (en) Software fault spreading method based on cellular automaton
Muthali et al. Multi-agent reachability calibration with conformal prediction
US10936967B2 (en) Information processing system, information processing method, and recording medium for learning a classification model
Jones et al. A dynamic bayesian network for diagnosing nuclear power plant accidents
Doctor et al. Toward defining a domain complexity measure across domains
Al-Hussaini et al. Generating alerts to assist with task assignments in human-supervised multi-robot teams operating in challenging environments
Conlon et al. Generalizing competency self-assessment for autonomous vehicles using deep reinforcement learning
Pankratova et al. Strategy for the Study of Interregional Economic and Social Exchange Based on Foresight and Cognitive Modeling Methodologies.
RU2631127C2 (en) Method of operational controlling vessel stability in emergency situations
Maidana et al. Dynamic probabilistic risk assessment with K-shortest-paths planning for generating discrete dynamic event trees
Smith et al. Conceptual development of a probabilistic graphical framework for assessing port resilience
US11514268B2 (en) Method for the safe training of a dynamic model
Sturdivant et al. The necessary and sufficient conditions for emergence in systems applied to symbol emergence in robots
Pozzi et al. Gaussian Bayesian network for reliability analysis of a system of bridges
Leao et al. Asymmetric unscented transform for failure prognosis
Pokorádi et al. Fuzzy failure modes and effects analysis with summarized center of gravity defuzzification
Giannakopoulou et al. Exploring model quality for ACAS X
Tian et al. Enhancing Autonomous Vehicle Training with Language Model Integration and Critical Scenario Generation
Moulton et al. Limited lookahead policies for the control of discrete-event systems: A tutorial