Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя
В статье рассматривается проблема разработки систем поддержки принятия решений судоводителя. Предлагается использование теоретико-игровой модели для описания навигационных ситуаций, что позволит адекватно представить динамику процессов расхождения судов и обеспечит возможность поддержки принятия...
Saved in:
| Published in: | Штучний інтелект |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56568 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя / А.П. Бень // Штучний інтелект. — 2010. — № 3. — С. 439-443. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859525762217934848 |
|---|---|
| author | Бень, А.П. |
| author_facet | Бень, А.П. |
| citation_txt | Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя / А.П. Бень // Штучний інтелект. — 2010. — № 3. — С. 439-443. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Штучний інтелект |
| description | В статье рассматривается проблема разработки систем поддержки принятия решений судоводителя. Предлагается использование теоретико-игровой модели для описания навигационных ситуаций, что позволит адекватно представить динамику процессов расхождения судов и обеспечит возможность поддержки принятия решений по управлению судном в режиме реального времени.
У статті розглядається проблема розробки систем підтримки прийняття рішень судноводія. Пропонується застосування теоретико-ігрової моделі для опису навігаційних ситуацій, що дозволить адекватно подати динаміку процесів розходження суден і забезпечить можливість підтримки прийняття рішень щодо управління судном у реальному часі.
In article the problem of system engineering of support of decision-making of the navigator is considered. Use of game theory model for the description of navigating situations that will allow to present adequately dynamics of processes of a ship divergence is offered and will provide an opportunity of support of decisionmaking on management of a ship in a mode of real time.
|
| first_indexed | 2025-11-25T22:19:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
«Штучний інтелект» 3’2010 439
5Б
УДК 656.612
А.П. Бень
Херсонский государственный морской институт, г. Херсон, Украина
ben@kmi.kherson.ua
Использование теоретико-игровой модели
для представления и анализа навигационных
ситуаций в системе поддержки принятия
решений судоводителя
В статье рассматривается проблема разработки систем поддержки принятия решений судоводителя.
Предлагается использование теоретико-игровой модели для описания навигационных ситуаций, что
позволит адекватно представить динамику процессов расхождения судов и обеспечит возможность
поддержки принятия решений по управлению судном в режиме реального времени.
Введение
Рост интенсивности морских перевозок в последние десятилетия привел к значитель-
ному увеличению количества морских аварий, в том числе с человеческими жертвами
и сложными техногенными последствиями, поэтому повышение безопасности судовож-
дения становится одной из наиболее важных проблем современного судоходства. Как
показывает анализ причин возникновения аварий на море, главным их фактором яв-
ляется и остается человеческий (около 75 процентов всех случаев) – большинство навига-
ционных аварий происходят не по отказу технических средств навигации или управления
движением судна, а ввиду неготовности судоводителей своевременно принимать реше-
ние в соответствии со складывающейся ситуацией. Снижение влияния человеческого
фактора на уровень аварийности на море представляет актуальную научно-практиче-
скую проблему, которую необходимо решать в разрезе оптимизации взаимодействия су-
доводителя с современными техническими средствами судовождения. Одним из наибо-
лее перспективных путей поставленной проблемы является разработка систем под-
держки принятия решения (СППР) судоводителя.
Целью работы является разработка математической модели представления навига-
ционных ситуаций в СППР на основе теоретико-игрового подхода и определение базовых
принципов создания и функционирования таких СППР.
Анализ исследований и предшествующие публикации
Анализ ряда работ, посвященных теории и практике создания СППР в судовож-
дении [1-3], показывает, что важнейшим фактором, который необходимо учитывать при
описании процесса расхождения судов, является характер их взаимодействия. При этом
необходимо принять во внимание принцип общности интересов взаимодействующих
судов, состоящий в избежании столкновения, и нормативную координацию их пове-
дения в соответствии с Международными правилами предотвращения столкновений су-
дов (МППСС-72). Существенным недостатком МППСС-72 является то, что правила рег-
ламентируют действия судоводителя только для случаев бинарного взаимодействия и не
рассматривают ситуации одновременного расхождения нескольких судов. Кроме того,
МППСС-72 сами по себе являются источником неопределенности в описании ситуации
расхождения ввиду неоднозначности трактовки некоторых предписаний правил.
Бень А.П.
«Искусственный интеллект» 3’2010 440
5Б
Важной особенностью СППР судоводителя является работа в режиме реального
времени, что накладывает жесткие временные ограничения на процессы выработки и
принятия решений и требует построения сценариев расхождения судов на весь период
взаимодействия. Указанные обстоятельства обусловливают необходимость разработки
адекватных требованиям МППСС-72 математических моделей, пригодных, вместе с тем,
для описания ситуаций взаимодействия судов при расхождении и принятии решений по
управлению судном в реальном времени, в условиях динамически изменяющейся навига-
ционной обстановки. Сравнительный анализ ряда работ по указанной проблематике [1-7]
показал перспективность дальнейшего развития и использования для этих целей дискрет-
ных теоретико-игровых моделей взаимодействия.
Основная часть
Определим базовые требования, которым должна удовлетворять СППР судо-
водителя:
– движение каждого из судов-участников навигационной ситуации должно рассмат-
риваться с позиций целенаправленного поведения, имеющего целью избежание столкно-
вений с другими судами, максимально придерживаясь при этом требований МППСС-72;
– для анализа процесса развития сложившейся навигационной ситуации необхо-
димо строить многошаговые сценарии ее развития, принимая во внимание динамичес-
кие модели поведения судов-участников движения;
– следует учитывать, что реальный процесс расхождения судов проходит в усло-
виях сложного кооперативного взаимодействия участников в случае, если их число
более двух, а условия видимости отличаются от хороших;
– количество возможных сценариев развития навигационных ситуаций, которые
анализируются СППР, достаточно велико, и их число необходимо сокращать, исходя как
из ограничений МППСС-72, так и из динамики изменений ключевых параметров дви-
жения судов (линий относительного движения, пеленгов и скоростей). Для отмеченных
целей наиболее целесообразно применять существующий каталог типовых ситуаций;
– необходимо учитывать и накапливать в СППР информацию относительно пре-
дыдущего опыта управления движением судна в аналогичных условиях, если тако-
вой имел место.
Указанные особенности функционирования СППР судоводителя обусловливают
целесообразность использования теоретико-игрового подхода для построения матема-
тической модели описания ситуаций расхождения.
Рассмотрим навигационную ситуацию ( )S t , описывающую навигационную об-
становку S в заданной зоне вокруг собственного судна в некоторый момент времени t .
Пусть ( )S t характеризуется наличием в зоне расхождения n судов, где каждое i -е
судно ( ],1[ ni∈ ) представлено множеством { },,,,,, iiiiiii VVyxM ψψ ∆∆= , состоящим из
шести параметров: координаты ( )ii yx , , скорость iV , курс iψ и производные iV∆ , iψ∆ ,
определяющие динамику изменения iV и iψ . Значения ( )ii yx , , iV и iψ поступают от
системы автоматической радиолокационной прокладки курса (САРП), а величины iV∆ ,
iψ∆ рассчитываются в СППР на основе предыдущих значений iV и iψ .
Параметры движения i -го судна обозначим множеством { },,,,,, iiiiiii VVyxM ψψ ∆∆= .
Тогда для любого дискретно заданного момента времени t навигационная ситуация
)(tS будет представлена в виде: ( ) ( )ni MMMtS ,...,,...,0= .
Каждое i -е судно в момент времени t характеризуется множеством возможных
траекторий движения по отношению к собственному судну, представленных в виде
матрицы чистых стратегий ( ))(0 tSU і .
Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа...
«Штучний інтелект» 3’2010 441
5Б
Движение судов в зоне расхождения осуществляется с учетом ряда статических и
динамических ограничений Z , к которым относятся:
– имеющиеся в настоящий момент навигационные ограничения движения в
зоне расхождения – 1Z ;
– выполнение требований МППСС-72 – 2Z ;
– выполнение требований критериев безопасного расхождения по минимальной
безопасной дистанции сближения крD , времени сближения крt , пеленга П или кур-
сового угла KУ ЛОД [8] – 3Z ;
– ограничения, обусловленные учетом кинематических параметров движения
судов и их маневренных характеристик – 4Z .
Общее множество ограничений Z может быть представлено как:
4321 ZZZZZ ∩∩∩= .
Ограничения Z позволяют определить матрицы допустимых стратегий управле-
ния ( ))(0 tSU і для собственного судна и каждого i -го судна-участника навигационной
ситуации )(tS .
Так как МППСС-72 регламентируют только попарное взаимодействие судов, реше-
ние задачи расхождения с позиций теории кооперативных игр существенно осложнено,
особенно если количество судов велико (более 5). Вместе с тем при анализе )(tS важно
учитывать не только взаимодействие собственного судна с другими судами, но и взаимо-
действие других судов друг с другом, что существенно влияет на развитие ситуации )(tS .
С ростом количества судов-участников )(tS количество необходимых для ана-
лиза матриц взаимодействия факториально растет и их обработка не может быть реа-
лизована в СППР в режиме реального времени. Компромиссным решением в этом
случае является формирование матриц взаимодействия собственного судна с каж-
дым опасным или потенциально опасным судном, а для взаимодействия судов друг с
другом – построение только одной матрицы для каждого судна, которая представ-
ляет возможные стратегии его движения по отношению к одному, наиболее опас-
ному для него (т.н. «лимитирующему»), судну.
Такой подход позволяет определить предполагаемые траектории движения всех
судов-участников навигационной ситуации )(tS и уточнить границы зоны безопасно-
сти собственного судна ( 2Z , 3Z ).
Оценка уровня опасности судов осуществляется с использованием комплексного
критерия безопасности, оценивающего величины крD , крt и КУ ЛОД. В случае пре-
вышения заданных значений крD , крt судно рассматривается как опасное. На основании
оценки изменения КУ ЛОД, согласно методике, предложенной в [9], судно считается
потенциально опасным или безопасным. Для безопасных судов матрицы стратегий рас-
хождения не формируются, осуществляется только мониторинг параметров их движения
посредством САРП.
Поиск оптимального маневра собственного судна в игровой постановке задачи
расхождения состоит в определении таких изменений его курса и/или скорости, кото-
рые обеспечивают минимальные отклонения от запланированной траектории движения
при сохранении заданного уровня безопасности движения.
Принимая во внимание вышеизложенные методы оценки опасности столкнове-
ния, алгоритм работы СППР по предотвращению столкновений судов может быть пред-
ставлен в следующем виде [10]:
– идентификация судов, находящихся в зоне возможного столкновения;
Бень А.П.
«Искусственный интеллект» 3’2010 442
5Б
– мониторинг параметров движения судов и динамики их изменения;
– оценка погрешности получаемых параметров движения;
– классификация судов по степени опасности;
– определение областей взаимных обязанностей, в соответствии с МППСС-72,
и границ зоны безопасности собственного судна;
– формирование множества возможных стратегий движения судов;
– определение стратегий движения, отвечающих заданным критериям безопасности;
– выработка возможных альтернатив по управлению судном и предоставление
их судоводителю.
Возможный алгоритм работы СППР судоводителя, использующей теоретико-
игровую модель представления навигационных ситуаций, представлен на рис. 1.
начало
Идентификация текущей навигационной
ситуации ( )tS
Определение предполагаемых траекторий
движения судов по iiii VV ϕϕ ∆∆ ,,,
Критерии классификации судов по степени
опасности ( ,крD крt )
Судно опасно?
Судно потенциально
опасно?
Да
Да
Нет
Мониторинг параметров движения
Нет
Оценка уровня опасности
по изменению КУ ЛОД
Определение взаимных обязанностей
судов по МППСС-72 и границ зоны
безопасности собственного судна
Формирование множеств возможных
стратегий движения судов
Определение множества допустимых
стратегий движения по заданным
критериям безопасности
конец
Рассмотрены все
суда в )(tS ?
Ранжированное множество
опасных и потенциально
опасных судов
Нет Да
Выбор оптимальной стратегии
расхождения судов
Расчет изменений параметров
движения собственного судна и
представление их судоводителю
Принятие решения по
управлению судном
Рисунок 1 – Алгоритм работы СППР судоводителя, использующей
теоретико-игровую модель представления навигационных ситуаций
Судно исключается из рассмотрения СППР в случае идентификации его как без-
опасного, но мониторинг параметров движения продолжается при нахождении его в пре-
делах зоны действия САРП. Для опасных и потенциально опасных судов СППР фор-
мирует многошаговую стратегию расхождения на весь прогнозируемый период их
нахождения в зоне взаимных обязанностей, с последующей коррекцией стратегии в слу-
чае, если текущее развитие ситуации будет отличаться от прогнозируемого. В процессе
формирования стратегии расхождения учитывается предполагаемое изменение пара-
метров движения судов, обусловленное их взаимодействием друг с другом в соответ-
Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа...
«Штучний інтелект» 3’2010 443
5Б
ствии с МППСС-72. Результатом работы СППР судоводителя является графическая ви-
зуализация ситуации )(tS с указанием необходимых изменений параметров движения
собственного судна.
Выводы
Предложенные принципы построения СППР судоводителя на основе теоретико-
игрового подхода к представлению навигационных ситуаций обеспечивают возмож-
ность реализации ее работы в режиме реального времени. Использование комплексного
критерия оценки уровня опасности судов в сочетании с анализом процессов их взаимо-
действия друг с другом в рамках ограничений МППСС-72 позволяет повысить точность
определения границ зоны безопасности и минимизировать риски возможного столк-
новения. Практическое применение СППР судоводителя в интеграции с САРП позволит
снизить влияние человеческого фактора на процессы управления судном и уменьшить
уровень аварийности на море.
Литература
1. Алексейчук М.С. Основные принципы системы принятия оптимального решения при расхождении
судов / М.С. Алексейчук // Судовождение : сб. науч. трудов ОГМА. – Вып. 1. – 1999. – С. 7-14.
2. Мальцев А.С. Интеллектуальные гибридные системы поддержки принятия решений при расхождении
судов / А.С. Мальцев // Судовождение : сб. научн. трудов/ ОНМА. – Одесса : ИздатИнформ, 2006. –
Вып. 11. – С. 74-86.
3. Цымбал Н.Н. Стратегии расхождения судов / Цымбал Н.Н., Бурмак. И.А., Тюпиков Е.Е. – Одесса : КП
ОГТ, 2007. – 424 с.
4. Lisowski J. Mathematical modeling of a safe ship optimal control process / J. Lisowski // Polish Journal of
Enviromental Studies. – 2005. – 14(1). – P. 68-75.
5. Мальцев А.С. Маневрирование судов при расхождении / Мальцев А.С. − Одесса : Морской
тренажерный центр, 2008. − 235 с.
6. Мальцев А.С. Некоторые особенности применения АИС для предупреждения столкновений судов /
А.С. Мальцев, Е.О. Орлов // Судовождение. – 2007. – № 14. – С. 71-78.
7. Мальцев А.С. Каталог ситуаций и видов маневра при относительном движении судов / А.С. Мальцев //
ОНМА, кафедра «Управление судном». – 2005. – 38 с.
8. Бень А.П. Принципи побудови систем підтримки прийняття рішень судноводія / А.П. Бень //
Сучасні інформаційні та інноваційні технології на транспорті (MINTT-2010) : матеріали Другої
науково-практичної конференції, (Херсон, ХДМІ, 25 – 27 травня 2010 р.). – Т.1. – С. 8-11.
9. Патент України на корисну модель. Пристрій оцінки небезпеки зіткнення суден за курсовим
кутом лінії відносного руху / Мальцев А.С., Бень А.П., Нгуен Тхан Шон. – № 40401. – 2009.
10. Бень А.П. Методы оценки опасности траектории движения судов в системах поддержки принятия
решений / А.П. Бень // Вестник ХНТУ : сб. науч. трудов Херсонского национального технического
университета. – 2009. – Вып. 1 (34), 9. – С. 429-433.
А.П. Бень
Застосування теоретико-ігрової моделі для подання та аналізу навігаційних ситуацій в системі
підтримки прийняття рішень судноводія
У статті розглядається проблема розробки систем підтримки прийняття рішень судноводія. Пропонується
застосування теоретико-ігрової моделі для опису навігаційних ситуацій, що дозволить адекватно подати
динаміку процесів розходження суден і забезпечить можливість підтримки прийняття рішень щодо управ-
ління судном у реальному часі.
A.P. Ben
Use of game theory model for representation and the analysis of navigating situations in system of
support decision-making of the navigator
In article the problem of system engineering of support of decision-making of the navigator is considered.
Use of game theory model for the description of navigating situations that will allow to present adequately
dynamics of processes of a ship divergence is offered and will provide an opportunity of support of decision-
making on management of a ship in a mode of real time.
Статья поступила в редакцию 30.06.2010.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56568 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-5359 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-25T22:19:13Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бень, А.П. 2014-02-19T21:43:33Z 2014-02-19T21:43:33Z 2010 Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя / А.П. Бень // Штучний інтелект. — 2010. — № 3. — С. 439-443. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1561-5359 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56568 656.612 В статье рассматривается проблема разработки систем поддержки принятия решений судоводителя. Предлагается использование теоретико-игровой модели для описания навигационных ситуаций, что позволит адекватно представить динамику процессов расхождения судов и обеспечит возможность поддержки принятия решений по управлению судном в режиме реального времени. У статті розглядається проблема розробки систем підтримки прийняття рішень судноводія. Пропонується застосування теоретико-ігрової моделі для опису навігаційних ситуацій, що дозволить адекватно подати динаміку процесів розходження суден і забезпечить можливість підтримки прийняття рішень щодо управління судном у реальному часі. In article the problem of system engineering of support of decision-making of the navigator is considered. Use of game theory model for the description of navigating situations that will allow to present adequately dynamics of processes of a ship divergence is offered and will provide an opportunity of support of decisionmaking on management of a ship in a mode of real time. ru Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України Штучний інтелект Интеллектуальные системы планирования, управления, моделирования и принятия решений Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя Застосування теоретико-ігрової моделі для подання та аналізу навігаційних ситуацій в системі підтримки прийняття рішень судноводія Use of game theory model for representation and the analysis of navigating situations in system of support decision-making of the navigator Article published earlier |
| spellingShingle | Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя Бень, А.П. Интеллектуальные системы планирования, управления, моделирования и принятия решений |
| title | Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя |
| title_alt | Застосування теоретико-ігрової моделі для подання та аналізу навігаційних ситуацій в системі підтримки прийняття рішень судноводія Use of game theory model for representation and the analysis of navigating situations in system of support decision-making of the navigator |
| title_full | Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя |
| title_fullStr | Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя |
| title_full_unstemmed | Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя |
| title_short | Использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя |
| title_sort | использование теоретико-игровой модели для представления и анализа навигационных ситуаций в системе поддержки принятия решений судоводителя |
| topic | Интеллектуальные системы планирования, управления, моделирования и принятия решений |
| topic_facet | Интеллектуальные системы планирования, управления, моделирования и принятия решений |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56568 |
| work_keys_str_mv | AT benʹap ispolʹzovanieteoretikoigrovoimodelidlâpredstavleniâianalizanavigacionnyhsituaciivsistemepodderžkiprinâtiârešeniisudovoditelâ AT benʹap zastosuvannâteoretikoígrovoímodelídlâpodannâtaanalízunavígacíinihsituacíivsistemípídtrimkipriinâttâríšenʹsudnovodíâ AT benʹap useofgametheorymodelforrepresentationandtheanalysisofnavigatingsituationsinsystemofsupportdecisionmakingofthenavigator |