ON THE ISSUE OF DEVELOPING CONCEPTUAL STATEMENTS OF TECHNICAL FLEET REMOTE CONTROL SYSTEM
Authors:
1.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
2.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
( Candidate of Sciences in Technology; Head of the Department of Scientific and Technical Information and Intellectual Property)
3.
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
(Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Navigation on Inland Waterways )
Type:
Article
Pages:
from 7
to 15
Status:
Published
Received:
20.05.2019
Accepted:
16.01.2023
Published:
25.05.2019
Subject area:
UDK 303.05; 656.62
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
technical fleet remote control system, unmanned vehicles, inland water transport, navigation safety, infocommunication triad
Abstract (English):
The introduction of a remote control system for unmanned vehicles on inland waterways is a complex and topical task, the solution of which should begin with the definition of conceptual states that will determine the rational way of interaction of this system with the known ones. The technical fleet remote control system should provide the required level of navigation safety, and implementation of the system should not affect the metasystem operation as a whole. Currently, on water transport there is no universal scheme for step-by-step synthesis of systems like the system of monitoring the unmanned technical fleet. However, application of the engineering-cybernetic approach in this case allows to solve this problem. In this case, it is possible to formulate a list of statements that contribute to the successful organization of conceptual and operational research. The proposed conceptual states for the synthesis of the structure and factors that determine the efficiency of functioning of the technical fleet remote control system at the infocommunication triad operation (corporative river information system, river information service, automated navigation control system) help to develop a rational option of the system structure in order to obtain the greatest efficiency. All levels of the system (elementary, aggregative, systemic, metasystemic) are closely interrelated and must function as a single unit. For proper functioning of the system it has been recommended to carry out the preliminary assessment by four main criteria: stability, controllability, capability, self-organization of functions and structure. It has been referred that practical application of the results will allow water transport specialists involved in the system development process to use a uniform approach at the stage of working and design documentation development, which will make it possible to integrate the technical fleet remote control system into metasystems in the inland waterways of the Russian Federation.
The introduction of a remote control system for unmanned vehicles on inland waterways is a complex and topical task, the solution of which should begin with the definition of conceptual states that will determine the rational way of interaction of this system with the known ones. The technical fleet remote control system should provide the required level of navigation safety, and implementation of the system should not affect the metasystem operation as a whole. Currently, on water transport there is no universal scheme for step-by-step synthesis of systems like the system of monitoring the unmanned technical fleet. However, application of the engineering-cybernetic approach in this case allows to solve this problem. In this case, it is possible to formulate a list of statements that contribute to the successful organization of conceptual and operational research. The proposed conceptual states for the synthesis of the structure and factors that determine the efficiency of functioning of the technical fleet remote control system at the infocommunication triad operation (corporative river information system, river information service, automated navigation control system) help to develop a rational option of the system structure in order to obtain the greatest efficiency. All levels of the system (elementary, aggregative, systemic, metasystemic) are closely interrelated and must function as a single unit. For proper functioning of the system it has been recommended to carry out the preliminary assessment by four main criteria: stability, controllability, capability, self-organization of functions and structure. It has been referred that practical application of the results will allow water transport specialists involved in the system development process to use a uniform approach at the stage of working and design documentation development, which will make it possible to integrate the technical fleet remote control system into metasystems in the inland waterways of the Russian Federation.
Keywords:
technical fleet remote control system, unmanned vehicles, inland water transport, navigation safety, infocommunication triad
technical fleet remote control system, unmanned vehicles, inland water transport, navigation safety, infocommunication triad
Введение Высокий уровень безопасности работы флота как на морских, так и на внутренних водных путях (ВВП) приводит к необходимости внедрения современных инфокоммуникационных технологий, формирующих предпосылки для создания комплексной речной инфокоммуникационной триады, строящейся по иерархическому принципу: верхний уровень - корпоративная речная информационная система (КРИС), далее - речная информационная служба (РИС), ниже - автоматизированная система управления движением судов (АСУ ДС) [1-3]. Внедрение такого решения на ВВП РФ позволит сформировать единую систему обеспечения безопасности судоходства и управления транспортным процессом. Необходимо отметить, что одним из обязательных условий, предшествующих крупномасштабному внедрению безэкипажных судов и систем на ВВП, представляется создание полноценной инфокоммуникационной иерархической триады «КРИС - РИС - АСУ ДС». В настоящее время в администрациях бассейнов используется большое количество судов технического флота на ВВП РФ для путевых работ, направленных на обеспечение заданных габаритов судового хода и улучшение судоходных условий. В состав путевых работ входят содержание навигационного оборудования, изыскательские работы, землечерпание, руслоочищение, скалоуборочные работы, траление, а также выправительные и берегоукрепительные работы. Опираясь на исследования методик и процедур выполнения путевых работ на ВВП, можно сделать следующий, важный с практической точки зрения, вывод, что вовлечение в выполнение путевых работ беспилотных судов и систем является достаточно конструктивным решением, позволяющим повысить эффективность и безопасность проведения работ [4]. В таком случае беспилотные суда и системы, используемые в производственной деятельности администрациями бассейнов, должны строиться с учётом унификации основных систем, обеспечивающих их функционирование (например, системы управления, системы мониторинга, системы энергоснабжения и т. д.). Сегодня известно более 20 коммерческих и научных организаций, которые предлагают готовые решения в области надводных беспилотных автономных транспортных средств. Каждый производитель представляет свой уникальный способ управления судном, но не учитывает его интеграцию и взаимодействие с сегментами иерархической триады «КРИС - РИС - АСУ ДС». Таким образом, внедрение на ВВП РФ «беспилотников», обладающих функциональной дивергенцией в отношении «КРИС - РИС - АСУ ДС», неминуемо будет приводить к снижению уровня безопасности судоходства, что представляется недопустимым. Принимая во внимание сказанное выше, мы считаем, что первым, по всей видимости, должен быть рассмотрен вопрос синтеза унифицированной системы управления беспилотным судном или объектом с учётом концепции внедрения на ВВП РФ инфокоммуникационной иерархической триады «КРИС - РИС - АСУ ДС». Как известно [5], основным этапом, предшествующим разработке системы управления, является синтез основных концептуальных положений. Кроме того, следует учитывать, что новые системы управления должны обеспечивать полноценную гармонию и интеграцию в уже эксплуатируемые в отрасли системы связи, навигации, управления, мониторинга и контроля. В рамках комплексного подхода предполагается, что первым этапом разработки системы дистанционного управления станет концептуальное исследование для описания основных свойств проектируемой подсистемы. При этом возникает необходимость в выделении проектируемой системы управления и мониторинга беспилотным техническим флотом (СУМ БПТФ) в структуру АСУ ДС, которая в свою очередь является сегментом «КРИС - РИС - АСУ ДС». Разрабатываемая СУМ БПТФ на ВВП должна функционировать в качестве подсистемы локальной системы управления движением судов (СУДС) или АСУ ДС. Поэтому её синтез на концептуальном уровне должен производиться с учётом целеполагания системы верхнего уровня, какими по отношению к СУМ БПТФ являются локальная СУДС или АСУ ДС. Таким образом, исследуемая в данной работе СУМ БПТФ, включенная в структуру АСУ ДС, также будет являться составной частью комплексной иерархической системы внутреннего водного транспорта. Поэтому её эффективный синтез возможен только при комплексном рассмотрении всей иерархической системы в целом и внутренних связей между её различными подсистемами. В настоящее время не существует универсальной схемы поэтапного синтеза вышеуказанных систем, однако системный инженерно-кибернетический подход [5] позволяет сформулировать перечень положений, способствующих успешной организации исследований концептуального и операционного характера. Методы и материалы исследования Для решения поставленной задачи необходимо установить общие тенденции формирования изучаемого процесса и принципов использования сложных технических систем. Общий подход решения аналогичных задач нашёл применение в работах известных российских учёных А. А. Сикарева, С. Ф. Шахнова [3], В. И. Курносова [5], A. M. Лихачева, С. В. Рудых [6] и др. На рис. 1 представлена структура, позволяющая синтезировать СУМ БПТФ. Рис. 1. Синтез структуры СУМ БПТФ Предполагается выполнить последовательность действий для синтеза СУМ БПТФ [3, 6-8]: 1) описание метасистемы и анализ её деятельности, т. е. выявление той метасистемы, в которую будет синтезирована СУМ БПТФ; 2) идентифицирование процессов, подлежащих реализации посредством разрабатываемой СУМ БПТФ; 3) оценка информационной достаточности; 4) определение методологии обоснования эффективности системы; 5) определение состава и содержания внешнего дополнения, выбор основных ограничений, вытекающих из деятельности системы, в метасистеме; 6) описание результата операции, обоснование соответствия реального результата требуемому; 7) обоснование выбора концептуального решения и введение критерия эффективности; 8) концептуальное моделирование, инженерно-кибернетическое описание операций, факторизация задачи, установление направлений операциональных и детальных исследований. Необходимо отметить, что в процессе синтеза СУМ БПТФ важно учесть факторы, определяющие эффективность функционирования системы с целью дальнейшего решения прикладных задач (рис. 2). Рис. 2. Факторы, определяющие эффективность функционирования СУМ БПТФ Среди факторов, представленных на рис. 2 и определяющих условия функционирования системы, при проектировании СУМ БПТФ наибольшее значение могут иметь ограничения, связанные с безопасностью судоходства в акваториях ВВП, проходящих в черте крупных городов, промышленных и технических объектов и т. п., ограничения по использованию частотного ресурса, электромагнитной совместимости. Вторая группа факторов характеризует структуру и способы применения системы для реализации целевых процессов. Среди них наиболее важными являются пропускная способность каналов управления и способы взаимодействия между основными элементами СУМ БПТФ. Наконец, к третьей группе относятся факторы, определяющие качество системы. Важнейшим из них является её устойчивость. Применительно к СУМ БПТФ это станет устойчивость алгоритма управления, а также помехоустойчивость её радиоканалов. При оценке управляемости необходимо рассмотреть понятие комплексной управляемости, другими словами - управляемости системы в целом совместно с объектом управления. Тогда, применительно в рамках данной работы, можно ввести следующие определения: управляемость системы - это способность системы оперативно реагировать на команды управления, которая характеризуется наличием устойчивых прямых и обратных связей; способность - это свойство, которое иллюстрирует возможности системы решать те или иные задачи, оно определяет потенциальную эффективность системы в целом; самоорганизация отражает возможности системы изменять свою структуру, параметры, ориентацию поведения в целях повышения эффективности своих функций; количество выбираемых для оценки факторов исследователь определяет исходя из наличия информации о свойствах системы, её целевом назначении и условиях применения. Таким образом, требуется разработать рациональный вариант структуры системы так, чтобы получить наибольшую эффективность этой системы в работе метасистем «КРИС - РИС - АСУ ДС», направленных на обеспечение безопасности судоходства. Результаты исследования В рамках данной работы Корпоративные речные информационные системы, региональные информационные службы и АСУ ДС «КРИС - РИС - АСУ ДС» будут являться метасистемами, в которые предполагается интеграция СУМ БПТФ. В то же время последняя может рассматривать как отдельная метасистема. В качестве главной гипотезы исследования примем, что на системном и нижних уровнях рассматривается только СУМ БПТФ, которая будет решать задачи по управлению, мониторингу и контролю беспилотного судна или объекта на ВВП РФ, а её поведение обусловлено взаимодействием между человеком и машиной. Ниже, на агрегативном уровне, оператор выполняет функции по управлению, мониторингу и контролю, затем технические и аппаратные средства передают команды оператора, а беспилотное судно или объект выполняет поставленные задачи. В литературе достаточно полно описаны основные способы управления беспилотными транспортными средствами. В обобщенном виде судно дистанционно управляется оператором с помощью пульта управления [9-10]. Известны также практические работы по удалённому управлению судами [11]. Согласно синтезу структуры СУМ БПТФ (см. рис. 1) все уровни данной системы тесно взаимосвязаны друг с другом и должны функционировать как единое целое. Верхним уровнем системы, в который предполагается интегрировать СУМ БПТФ, является АСУ ДС, а деятельность обеих направлена на обеспечение безопасности судоходства. Далее, на системном уровне, определена организация системы и её поведение. Здесь стоит отметить, что поведение может быть во всех состояниях, оператор (человек) выполняет функции (ниже) как с машиной (судном), так и с другим человеком, а два беспилотных судна (машины) могут выполнять совместную работу без вмешательства человека. Агрегативный уровень определяет структуру как централизованную, т. к. управление предполагается из единого центра берегового управления, а функции очевидны из их названий. На элементарном уровне необходимо определить состав СУМ БПТФ; состоит из берегового управления и судна. В состав первого входит человек (оператор), автоматизированное рабочее место (АРМ), средства связи и система аутентификации, а в состав второго - судно, внутри которого находятся средства связи, комплекс управления, навигационный комплекс, датчики информации и система аутентификации, которые обладают определёнными свойствами системы. В табл. 1 представлены уровни анализа разрабатываемой СУМ БПТФ. Таблица 1 Уровни проанализированной системы СУМ БПТФ Метасистемный уровень Метасистема Деятельность АСУ ДС® СУМ БПТФ Обеспечение безопасности судоходства и управление транспортным процессом Системный уровень Организация Поведение Организация управления, мониторинга и контроля судоходства с использованием беспилотных судов и систем Взаимодействие: человек - машина, человек - человек, машина - машина Агрегативный уровень Структура Функции Централизованная Управление, мониторинг, контроль Элементарный уровень Состав Свойства Береговое управление (береговой сегмент) Человек (оператор) Целостность, упорядоченность, взаимосвязь структуры и среды, эмерджентность, гомеостазис АРМ Целостность, иерархичность, упорядоченность, множественность, эмерджентность Средства связи Целостность, иерархичность, множественность Система аутентификации Множественность Судно (судовой сегмент) Средства связи Целостность, иерархичность, множественность Комплекс управления Иерархичность, множественность, взаимосвязь структуры и среды, гомеостазис Навигационный комплекс Иерархичность, множественность Датчики информации Множественность, взаимосвязь структуры и среды Система аутентификации Множественность Следующим этапом разработки концептуальных положений является формирование факторов, характеризующих эффективность функционирования СУМ БПТФ, которая определяется через оценку состава элементарного уровня метасистемы. Здесь не учитываются агрегативный, системный и метасистемный уровни. Каждому из этих элементов присвоены определённые способности использования, которые могут быть комплексно оценены по условиям функционирования системы через их свойства (устойчивость, управляемость, способность, самоорганизация) (табл. 2). Таблица 2 Факторы, определяющие эффективность функционирования СУМ БПТФ Состав СУМ БПТФ Способности использования системы Условия функционирования системы Свойства системы 1. Береговой сегмент Человек (оператор) Распределение задач и ресурсов между элементами 1. Наличие и характер ограничений на процесс функционирования; 2. Состояние и возможности инфраструктуры; 3. Природно-климатические условия; 4. Географическое положение; 5. Обеспеченность ресурсами; 6. Возможность и характер целенаправленного противодействия Устойчивость, управляемость, способность, самоорганизация как функций, так и структуры АРМ Пространственно-временная последовательность работ, способы управления и планирования Средства связи Способы связи и взаимодействие между элементами Система аутентификации 2. Судовой сегмент Средства связи Способы связи и взаимодействие между элементами Комплекс управления Способы управления и планирования Навигационный комплекс Датчики информации Способы связи и взаимодействие между элементами Система аутентификации Для определения эффективности функционирования системы предполагается привлекать профильных специалистов и определять вес каждого элемента методом экспертных оценок. Обсуждение На основе применения инженерно-кибернетического подхода в работе определено, что инфокоммуникационная иерархическая триада «КРИС - РИС - АСУ ДС» является метасистемой по отношению к СУМ БПТФ. Данный вывод сделан с учётом свойств, функций, деятельности, организации и др. Кроме того, в работе сформулированы основные положения по организации и поведению на системном уровне, а также положения по структуре и функциям - на агрегативном уровне. Самый нижний уровень раскрывает состав СУМ БПТФ, который условно разделён и представляет собой два основных сегмента - береговой и судовой. Отметим, что для корректной работы любой системы необходимо провести её предварительную оценку. Эту оценку предлагается проводить по четырём основным критериям (устойчивость, управляемость, способность, самоорганизация функций и структуры). Таким образом, каждое из шести условий функционирования системы оценивается по четырём критериям, и далее каждый элемент состава СУМ БПТФ может быть комплексно оценен по определённым способностям использования системы. В результате можно сделать важный для практического использования вывод, что основные концептуальные положения системы дистанционного управления техническим флотом разработаны с учётом основополагающих условий эксплуатации и специфики ВВП, оценок эффективности функционирования как системы в целом, так и её сегментов в отдельности. Однако необходимо отметить, что специфические условия эксплуатации и перечня решаемых задач носителя системы могут оказывать влияние на требования, предъявляемые к элементам системы, такое влияние в обязательном порядке должно быть учтено на стадии проектирования. Данные положения позволяют повысить безопасность судоходства и являются одним из этапов для решения задач, поставленных в ранее опубликованных работах [12, 13]. Заключение Основные концептуальные положения для системы дистанционного управления техническим флотом на ВВП представляются в качестве необходимого базиса, который играет роль важного условия в реализации процесса создания сложных радиотехнических систем подобного класса. Внедрение результатов, представленных в работе, позволит специалистам водного транспорта, вовлечённого в процесс такой разработки, использовать единообразный подход на этапе подготовки рабочей и конструкторской документации системы, что обеспечит возможность интеграции таких систем в метасистему «КРИС - РИС - АСУ ДС» на всей акватории ВВП РФ.
1. Karetnikov V. V., Sikarev A. A. Sovremennye infokommunikacionnye tehnologii vnutrennego vodnogo transporta // Rech. transport (XXI v.). 2009. № 7. S. 65-68.
2. Karetnikov V. V., Bekryashev V. A. Perspektivy kompleksirovaniya rechnyh infokommunikacionnyh tehnologiy dlya povysheniya bezopasnosti sudohodstva na vnutrennih vodnyh putyah // Rech. transport (XXI v.). 2014. № 2. S. 49-53.
3. Shahnov S. F. Metodologicheskie osnovy postroeniya pomehoustoychivoy rechnoy differencial'noy podsistemy GNSS GLONASS/GPS: dis. … d-ra tehn. nauk. SPb., 2015. 287 s.
4. Wróbel K., Montewka J., Kujala P. System-theoretic approach to safety of remotely-controlled merchant vessel // Ocean Engineering. 2018. Vol. 152. P. 334-345. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2018.01.020.
5. Kurnosov V. I., Lihachev A. M. Metodologiya proektnyh issledovaniy i upravlenie kachestvom slozhnyh tehnicheskih sistem elektrosvyazi: monogr. SPb.: Tireks, 1999. 496 s.
6. Rudyh S. V. Sistemy monitoringa i upravleniya sudami tehnicheskogo i vspomogatel'nogo flota na vnutrennem vodnom transporte Rossii: dis. … d-ra tehn. nauk. SPb., 2014. 308 s.
7. Frolov S. V., Frolova T. A. Metody resheniya global'noy zadachi upravleniya dlya raspredelennyh ierarhicheskih sistem s interval'noy neopredelennost'yu // Izv. Yuzhn. federal. un-ta. Tehn. nauki. 2017. № 4 (189). C. 232-245.
8. Podval'nyy S. L., Ledeneva T. M. Mnogoal'ternativnost' kak osnova obespecheniya intellektual'nosti sistem upravleniya // Vestn. Voronezh. gos. tehn. un-ta. 2012. T. 8. № 11. S. 17-23.
9. Metcalfe B., Thomas B., Treloar A., Rymansaib Z., Hunter A., Wilson P. A compact, low-cost unmanned surface vehicle for shallow inshore applications // Intelligent Systems Conference (IntelliSys) (London, 07-08 September 2017). London: IEEE, 2017. P. 961-968.
10. Kitts C., Mahacek P., Adamek T., Rasal K., Howard V., Li S. Field operation of a robotic small waterplane area twin hull boat for shallow-water bathymetric characterization // Journal of Field Robotics. 2012. Vol. 29. N. 6. P. 924-938. DOI: 10.1002/rob.21427.
11. Zereik E., Miskovic N., Bibuli M., Ridao P., Pascoal A. Challenges and future trends in marine robotics // Annual Reviews in Control. 2018. Vol. 46. P. 350-368. DOI: 10.1016/j.arcontrol.2018.10.002.
12. Andryushechkin Yu. N., Karetnikov V. V., Yasnov A. P. K voprosu ispol'zovaniya sovremennyh informacionnyh tehnologiy dlya obespecheniya bezopasnosti sudohodstva na vnutrennih vodnyh putyah Rossii // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2015. № 2 (30). C. 208-213. DOI: 10.21821/2309-5180-2015-7-2-208-213.
13. Karetnikov V. V., Paschenko I. V., Zaycev A. I. Osnovnye aspekty ispol'zovaniya sovremennyh infokommunikacionnyh tehnologiy dlya obespecheniya bespilotnogo sudovozhdeniya na vodnom transporte // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2016. № 1 (35). C. 170-179. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-1-170-179.
