Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - Safety of Navigation in a...

ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)

AKADEMII MORSKIEJ

W SZCZECINIE

IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA E X P L O - S H I P 2 0 0 6

Zbigniew Pietrzykowski

Bezpieczeństwo nawigacji na akwenie ograniczonym

– domena rozmyta statków różnej wielkości

Słowa kluczowe: bezpieczeństwo nawigacji, domena statku, akwen ograniczony

Parametry statku są istotnym czynnikiem uwzględnianym w ocenie sytuacji nawiga-cyjnej na akwenie ograniczonym w aspekcie bezpieczeństwa nawigacji. Jednym z kryte-riów oceny jest rozmyta domena statku. Podstawą do jej wyznaczenia jest pozyskanie i reprezentacja wiedzy nawigatorów z wykorzystaniem metod i narzędzi sztucznej inteli-gencji. W artykule przedstawiono wyniki badań i wstępną analizę wpływu wielkości statku na kształt i rozmiar domeny rozmytej.

Safety of Navigation in a Restricted Area

– the Fuzzy Domain of Various Size Ships

Ship’s parameters are an essential factor taken into consideration when ship’s safe-ty is assessed in a navigational situation in a restricted area. The ship’s fuzzy domain is one of the assessment criteria. Its determination is based on the representation of previously acquired navigators’ knowledge combined with methods and tools of arti-ficial intelligence. This article presents research results and a preliminary analysis of how a ship’s size affects the shape and size of its fuzzy domain.

Wstęp

Pojęcie domeny statku jest używane w inżynierii ruchu morskiego od lat 60. ubiegłego stulecia. Zastosowanie domeny statku pozwala na szybką identyfika-cję i ocenę sytuacji nawigacyjnej a tym samym wspomaganie i wypracowanie decyzji manewrowych. Dotyczy to szczególnie żeglugi po akwenie ograniczo-nym, gdzie kryterium odległości największego zbliżenia CPA, stosowane w systemach antykolizyjnych, jest w większości wypadków trudne do zastoso-wania.

Do czynników uwzględnianych w ocenie sytuacji nawigacyjnej, a tym sa-mym wpływających na kształt i wielkość domeny statku, można zaliczyć między innymi wielkość statku i jego własności manewrowe, parametry akwenu, po którym porusza się statek oraz warunki hydrologiczno-meteorologiczne.

Liczba i różnorodność czynników wpływających na kształt i rozmiar dome-ny statku powodują trudności w jej wyznaczaniu. Coraz więcej uwagi poświęca się zagadnieniom pozyskania i wykorzystania wiedzy nawigatorów w tym za-kresie. Umożliwia to wyznaczenie domeny statku według kryteriów stosowa-nych przez człowieka. W pracy [9] przedstawiono wyniki badań dotyczące wy-znaczania domeny rozmytej statku z uwzględnieniem parametrów akwenu. Równie istotnym czynnikiem, wpływającym na kształt i wielkość domeny, jest wielkość statku.

1. Domena rozmyta statku

Domena statku jest obszarem wokół statku, który powinien zostać wolny od innych obiektów. Warto podkreślić, że pod tym pojęciem jest rozumiany, pośrednio lub bezpośrednio, „efektywny” obszar wokół statku, zachowywany przez nawigatorów wolnym od innych obiektów [1, 2, 3].

Obszar domeny wyznacza jej granica. Przyjmując określony poziom dyskre-tyzacji kątów kursowych (np. K = 1), granica domeny statku BDS jest opi-sana krzywą przechodzącą przez n punktów pDi (i = 1, 2, ..., n), położonych na kątach kursowych Ki w odległościach dDSKi od środka statku (np. środka wod-nicy):





DS p p p

B  1, 2,..., (1)

Wielkość domeny statku DS na poszczególnych kątach kursowych opisana jest wtedy następująco:





Zastosowanie kryterium domeny umożliwia ocenę sytuacji nawigacyjnej w skali dwustopniowej: sytuacja bezpieczna  sytuacja niebezpieczna.

Rozmyta domena statku [7, 8] stanowi poszerzenie pojęcia domeny statku i jest definiowana jako obszar wokół statku, który nawigator statku powinien utrzymać wolny od innych jednostek i obiektów, a jego kształt i wielkość są uzależnione od przyjętego poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego, rozumiane-go jako stopień przynależności sytuacji nawigacyjnej do zbioru rozmyterozumiane-go „nie-bezpieczna nawigacja”.

Zgodnie z definicją zbioru rozmytego, rozmyta domena statku DSF na kącie kursowym Ki opisana jest następująco:

 





SFKi d d

D  _DSFKi , (3)

gdzie:

dKi – odległość od środka statku (np. środka wodnicy); dKi0, ) [m];

μDSFKi – funkcja przynależności do zbioru „niebezpieczna nawigacja” na kącie kursowym Ki; μDSFKi0, 1.

Przyjmując, że rozmytą domenę statku DSF na kącie kursowym Ki opisuje funkcja przynależności μDSFKi , poziom bezpieczeństwa nawigacyjnego  w

sy-tuacji, gdy obiekt obcy znajduje się na tym kącie kursowym w odległości dKi, dany jest zależnością:

 

DSFKi



  (4)

Interpretację graficzną domeny rozmytej statku przedstawiono na rysunku 1.

x y

 0.9  0.8  0.6 0.4

Rys. 1. Domena rozmyta; granice domeny dla różnych wartości poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego  ( < 0, 1 >);  = 0 – sytuacja bardzo bezpieczna;  = 1 – sytuacja bardzo

niebezpieczna (kolizja)

Fig. 1. The ship fuzzy domain; boundaries of the fuzzy domain for various values of navigational

Podstawą do wyznaczenia rozmytej domeny statku jest reprezentacja wie-dzy nawigatorów, umożliwiająca wyznaczenie poziomu bezpieczeństwa nawi-gacyjnego dla dowolnej, mogącej wystąpić, sytuacji nawigacyjnej.

2. Metoda wyznaczania domeny rozmytej statku na akwenie

ograniczonym

Ocena sytuacji, a w konsekwencji identyfikacja sytuacji niebezpiecznej, wiąże się z wyznaczeniem poziomu bezpieczeństwa żeglugi – wartości wskaźni-ka bezpieczeństwa żeglugi [4]. W pracy [6] zaproponowano metodę wyznacza-nia poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego, opartą na reprezentacji wiedzy ekspertów nawigatorów z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych z lo-giką rozmytą [5]. Sieci te stanowią uniwersalny układ aproksymacyjny, odwzo-rowujący wielowymiarowe zbiory danych, posiadający jednocześnie zdolność uczenia i adaptacji do zmieniających się warunków otoczenia. Po przeprowa-dzeniu procesu uczenia, umożliwiają ocenę sytuacji wg kryteriów stosowanych przez nawigatorów. Dane uczące stanowią fakty zgromadzone w ramach badań ekspertowych (badania symulacyjne i ankietowe): parametry charakteryzujące sytuację nawigacyjną (między innymi parametry wektora stanu statku) oraz oceny poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego rejestrowanych sytuacji.

Zadaniem sieci jest realizacja odwzorowania (rys. 1):





  f y, , (5)

gdzie:

y – zejście z osi toru,

 – odchylenie od osi toru,

 = prędkość kątowa.

Rys. 2. Zobrazowanie ruchu statku na akwenie ograniczonym

Fig. 2. Display of ship movement in a restricted area

Na tej podstawie możliwe jest wyznaczenie obszarów wokół statku o zada-nym poziomie bezpieczeństwa nawigacyjnego – domeny rozmytej statku.

Obszary domeny rozmytej statku o zadanym poziomie bezpieczeństwa na-wigacyjnego w przypadku odcinka prostoliniowego toru wyznaczają odpowied-nie półpłaszczyzny ograniczone linią prostą – linią brzegową – i zawierające środek ciężkości statku [7].

Przy zadanej odległości osi toru od krawędzi toru x0 i dla przyjętego

pozio-mu bezpieczeństwa γ wymienione półpłaszczyzny są wyznaczone prostymi:

l1 – dla sytuacji nawigacyjnej (1): y1 = x1 – x0, 1 = α1

l2 – dla sytuacji nawigacyjnej (2): y2 = x2 – x0, 2 = α2 (6)

a) x1 x0 l1 b) x0 x2 l2 c) x1 l1 l2 x2

Rys. 3. Sytuacje nawigacyjne na odcinku prostoliniowym toru wodnego: a) sytuacja (1); b) sytuacja (2); c) złożenie sytuacji (1) i (2)

Fig. 3. Navigational situations at a straight fairway section: a) situation (1); b) situation (2);

c) superposition of situations (1) and (2)

Przykład wyznaczania domeny rozmytej statku przedstawiono na rysunku 4.

a) b)

Rys. 4. Domena rozmyta masowca m/s „Freight” (prędkość kątowa  = 0 [/min]): a) proste wyznaczające obszar domeny rozmytej DSF 0,7 ; b) domena rozmyta DSF 0,7 statku

Fig. 4. Fuzzy domain of the bulk carrier m/s Freight (rate of turn  = 0 [/min]):

a) lines determining ship fuzzy domain DSF 0,7 ; b) ship fuzzy domain DSF 0,7

[m] [m]

[m]

3. Badania

Przeprowadzono badania, których celem było wyznaczenie domeny rozmy-tej statków różnej wielkości na akwenie ograniczonym. Rozpatrzono odcinek prostoliniowy toru wodnego o szerokości 200 m (tab. 1). Wielkości statków zestawiono w tabeli 2. Statki poruszały się z prędkością 7 – 8 [w].

Tabela 1 Parametry akwenu

Water area parameters

Prostoliniowy tor wodny Parametr [m] Szerokość (b) 200 Głębokość (h) 10

Tabela 2 Parametry statków

Ships’ parameters

Parametr Statek 1 Statek 2 Statek 3 Długość (L) 60,33 [m] 95,50 [m] 156,68 [m] Szerokość (B) 10,50 [m] 18,20 [m] 24,00 [m] Zanurzenie (T) 3,50 [m] 5,50 [m] 9,30 [m]

Na podstawie badań ekspertowych (badania symulacyjne i badania ankie-towe) przygotowano dane uczące dla sieci neuronowych z logiką rozmytą. Od-powiedzi sieci, po przeprowadzeniu procesu uczenia, stanowiły wartości pozio-mu bezpieczeństwa nawigacyjnego , zgodnie z odwzorowaniem (5). Umożliwi-ło to wyznaczenie domeny rozmytej analizowanych statków metodą opisaną w punkcie 2.

Domeny wymienionych statków przedstawiono na rysunku 5. Widoczny jest wpływ wielkości statku na kształt domeny rozmytej. W przypadku statku 1 jego szerokość jest blisko 19-krotnie mniejsza od szerokości akwenu, podczas gdy szerokość statku 3 stanowi odpowiednio 1/8 szerokości akwenu.

Wyraźny jest również wpływ parametrów statku, w tym jego długości, na długość domeny. Ograniczona możliwość wyboru drogi wymusza wraz ze wzro-stem długości statków zwiększenie wymiaru wzdłużnego domeny statku.

W celu dokładniejszego określenia wpływu wielkości statku na kształt i wielkość domeny statku przeprowadzono analizę prezentowanych domen.

a) -150 -100 -50 0 50 100 150 -100 -50 0 50 100 150 x [ m ] y [m]  = 0,9  = 0,5  = 0,3  = 0,2 c) -200 0 200 -1000 -500 0 500 1000 x [ m ] y [m]  = 0,2  = 0,3  = 0,5  = 0,9 b) -200 -100 0 100 200 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 y [m] x [ m ]  = 0,9  = 0,5  = 0,3  = 0,2

Rys. 5. Domena rozmyta: a) statek 1; b)statek 2; c) statek 3

4. Analiza wyników

Analizowano wpływ parametrów statku na długość, szerokość i pole po-wierzchni domeny rozmytej. Uwzględniono różne poziomy bezpieczeństwa nawigacyjnego γ. Wyróżniono części domeny: przednią (dziobową) – od trawer-sów do dziobu – i tylną (rufową ) – od trawertrawer-sów do rufy statku.

Na rysunku 6 przedstawiono długości i szerokości domen statków. Wykresy przedstawiające długości części przedniej domeny (od trawersów w kierunku dziobu statku) oraz powierzchnie domeny obu statków dla różnych poziomów bezpieczeństwa nawigacyjnego zamieszczono na rysunku 7.

0.2 0.4 0.6 0.8 1 3 4 5 6 7 8  lo ge (d ) ship 1 ship 2 ship 3 0.2 0.4 0.6 0.8 1 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6  lo ge (s ) ship 1 ship 2 ship 3

Rys. 6. Długość i szerokość domeny rozmytej statków dla różnych wartości poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego : a) długość domeny; b) szerokość domeny (część przednia)

Fig. 6. Length and width of the ship fuzzy domain for different values of navigational safety :

a) length of the ship domain; b) width of the ship domain (forward part)

0.2 0.4 0.6 0.8 1 3 4 5 6 7 8  lo ge (d ) ship 1 ship 2 ship 3 0.2 0.4 0.6 0.8 1 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12  lo ge (p ) ship 1 ship 2 ship 3

Rys. 7. Domena rozmyta statków dla różnych wartości poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego : a) długość części przedniej domeny; b) pole powierzchni domeny

Fig. 7. Ship fuzzy domain for different values of navigational safety : a) length of the forward

part of ship domain; b) area of fuzzy domain

Postawiono hipotezę o stosowaniu przez nawigatorów skali logarytmicznej w ocenie poziomu bezpieczeństwa. Na podstawie otrzymanych wyników

stwier-dzono, iż brak jest podstaw do odrzucenia hipotezy o regresji wykładniczej po-między wartościami poziomu bezpieczeństwa a długościami, szerokościami i powierzchniami domeny rozmytej statków na analizowanym akwenie.

Wyznaczenie domeny rozmytej dla statków innych wielkości może pozwo-lić na znalezienie opisu funkcyjnego zależności kształtu i wielkości domeny od parametrów statku.

Podsumowanie

Przedstawiono metodę oceny bezpieczeństwa nawigacyjnego statku na akwenie ograniczonym z wykorzystaniem domeny rozmytej. Rozmyta domena statku uwzględnia kryteria oceny sytuacji nawigacyjnej stosowane przez nawi-gatorów, mające istotny wpływ na kształt i wielkość obszaru wokół statku, który powinien być wolny od innych obiektów.

Rozpatrzono wpływ wielkości statku na kształt i wielkość domeny. Prze-prowadzono badania symulacyjne i ekspertowe oceny sytuacji nawigacyjnej na akwenie ograniczonym. Uwzględniono statki różnej wielkości. Na tej podstawie wyznaczono domeny rozmyte analizowanych statków.

Otrzymane wyniki potwierdziły fakt stosowania przez człowieka skali loga-rytmicznej w ocenie poziomu bezpieczeństwa oraz pozwoliły określić wpływ wielkości statku na kształt i wielkość domeny na akwenie ograniczonym. Stwa-rza to podstawy do znalezienia opisu domeny rozmytej, uwzględniającego pa-rametry statku.

Wykorzystanie wcześniej uzyskanych wyników, dotyczących wpływu pa-rametrów akwenu na kształt i wielkość domeny może pozwolić na sformułowa-nie ogólnego opisu domeny rozmytej statku i jego zastosowania w praktyce. Uogólniony opis domeny rozmytej możliwy będzie do wykorzystania zarówno w procesie oceny sytuacji nawigacyjnej, jak i optymalizacji manewrów statku z uwzględnieniem kryteriów stosowanych przez ekspertów nawigatorów.

Planowane są dalsze badania oceny bezpieczeństwa nawigacyjnego, uwzględniające statki innych wielkości oraz akweny ograniczone o różnych szerokościach.

Literatura

1. Coldwell, T.G, Marine traffic behaviour in restricted waters, Journal of Navigation 36 (1983), s. 430-444.

2. Fujii Y., Tanaka K., Traffic capacity, Journal of Navigation 24(1971), s. 543-552.

3. Goodwin E. M.: A statistical study of ship domain, Journal of Navigation 28(1975), s. 328-344.

4. Gucma S., Inżynieria ruchu morskiego, Wydawnictwo Okrętownictwo i Żegluga Gdańsk, Gdańsk 2001.

5. Osowski S., Sieci neuronowe w ujęciu algorytmicznym, WNT, Warszawa 1996.

6. Pietrzykowski Z., Możliwości zastosowania sieci neuro-rozmytych do

iden-tyfikacji sytuacji niebezpiecznych w ruchu statku na akwenie ograniczonym,

VII Międzynarodowa Konferencja Inżynierii Ruchu Morskiego, Szczecin 1997, s. 131-142.

7. Pietrzykowski Z., Domena rozmyta statku w ocenie bezpieczeństwa

nawi-gacyjnego na akwenie ograniczonym, III Sympozjum Nawigacyjne, Gdynia

1999, s. 253-264.

8. Pietrzykowski Z., The analysis of a ship fuzzy domain in a restricted area, IFAC Conference Computer Applications in Marine Systems CAMS’2001, Elsevier Science Ltd 2001, s. 45-50.

9. Pietrzykowski Z., Domena rozmyta statku w wąskich torach wodnych, Ze-szyty Naukowe AM w Szczecinie nr 2(74), 2004, s. 293-304.

Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.

Recenzent

dr hab. inż. kpt.ż.w. Roman Śmierzchalski, prof. AM w Gdyni

Adres Autora

dr hab. inż Zbigniew Pietrzykowski, prof. AM w Szczecinie Akademia Morska w Szczecinie

Instytut Nawigacji Morskiej

Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin e-mail: zbip@am.szczecin.pl