Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Организация лоцманской проводки судна и ее влияние на безопасность навигации 10
1.1. Многообразие отношений между объектами, обеспечивающими лоцманские проводки судов 10
1.2. Модель развития навигационных критических ситуаций при лоцманской проводке 20
1.3. Система доверительных отношений «лоцман - капитан» при лоцманской проводке с балансом интересов обеих сторон 26
1.4. Контроль лоцманской проводки капитаном судна в рамках критерия «хорошая морская практика» 35
1.5. Оптимальный выбор времени наблюдения за состоянием навигации судна по критерию «хорошая морская практика» при лоцманской проводке 42
Выводы к первой главе 47
ГЛАВА 2. Особенности функционирования интерфейса «иму - потребитель» при контроле лоцманской проводки судна 49
2.1. Дискретно-непрерывная модель функционирования информационного мобильного устройства с одновременным обслуживанием запросов и реорганизации баз данных 49
2.2. Общие принципы функционирования интерфейса «ИМУ - потребитель» 58
2.3. Оценка достоверности информации, поступающей по интерфейсу «ИМУ - потребитель» 66
2.4. Вероятность сбоя функционирующего интерфейса «ИМУ - потребитель» 77
Выводы ко второй главе 85
ГЛАВА 3. Функционирование беспроводного канала связи «сервер - иму» на ходовом мостике судна 87
3.1. Реализуемость беспроводного канала связи «сервер – ИМУ» в условиях ходового мостика судна .87
3.2. Общее описание нормированной сверхширокополосной технологии связи типа UWB и ее использование в беспроводном калане «Сервер – ИМУ» . 97
3.3. Помехоустойчивость UWB-технологий и условие временного разделения беспроводных каналов связи .101
3.4. Скорость обмена и надежность приема информации в технологии UWB при нормированном уровне помех .107
Выводы к третьей главе .110
Заключение 112
Литератра
- Система доверительных отношений «лоцман - капитан» при лоцманской проводке с балансом интересов обеих сторон
- Оптимальный выбор времени наблюдения за состоянием навигации судна по критерию «хорошая морская практика» при лоцманской проводке
- Общие принципы функционирования интерфейса «ИМУ - потребитель»
- Общее описание нормированной сверхширокополосной технологии связи типа UWB и ее использование в беспроводном калане «Сервер – ИМУ» .
Введение к работе
Актуальность. Многочисленные статистические данные свидетельствуют о том,
что частота аварий в стесненных водах выше, чем в открытом море. В портах и на
рейдах, в каналах и узкостях этому способствуют объективные трудности плавания на
стесненной акватории, особенно при недостаточном лоцманском и буксирном
обеспечении, при отсутствии элементов активного регулирования судовых потоков. В
связи с этим, для обеспечения безопасности плавания в районах со сложной
навигационной обстановкой, требуется тщательная подготовка судна,
квалифицированные специалисты (капитаны и лоцманы), владеющие
информационными технологиями на базе современных вычислительных средств.
Информатизацию и компьютеризацию современного судовождения следует рассматривать как стратегическое направление научно-технического прогресса, в рамках которого будет изучаться проблема обеспечения безопасных и эффективных судовых операций. Поэтому особый интерес при решении задач снижения аварийности в сложных навигационных условиях вызывает внедрение информационных или экспертных устройств, которые должны представлять потребителю (судоводителю) достоверную, надежную и актуализированную мультимедийную модель навигационной ситуации, обеспечивать контроль состояния безопасности плавания и управлять этим состоянием.
Информационные или экспертные устройства, обеспечивающие безопасность плавания судна, могут обладать свойством мобильности только в случае, когда их радиоканалы имеют беспроводную основу. Это позволит судоводителю, во-первых, получать отображение в мультимедийной форме всей совокупной навигационной информации и, во-вторых, свободно перемещаться по мостику судна, выбирая «удобное» место для наблюдения за состоянием складывающейся навигационной обстановки и управления судном при разрешении возникающих опасных ситуаций.
Таким образом, для решения одной из основных задач судовождения – снижение
аварийности судов при плавании в сложных навигационных условиях – необходимо
изучить вопросы реализуемости информационных мобильных устройств с
радиоканалами, организованными по технологии связи типа UWB.
Степень разработанности темы. Формулировке требований к обеспечению безопасного плавания судна и разработке приемов такого плавания посвящены работы многих ведущих специалистов, например В. А. Логиновского, Ю. И. Юдина и А. С. Васькова, А. Б. Юдовича, М. Дерябиной. Однако, несмотря на большое внимание, которое уделялось и уделяется исследованиям в области безопасности плавания судна, недостаточно изучены аспекты проблемы обеспечения безопасности мореплавания в сложных навигационных условиях, о чем свидетельствует неуменьшающееся количество аварий и столкновений судов. Так, недостаточно уделяется внимание задачам расширения уровня информированности специалистов при использовании мобильных мультимедийных устройств. Исследованию этих проблем посвящена диссертационная работа.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение безопасности плавания судов за счет использования информационных мобильных устройств на мостике судна, обеспечивающих выбор управлений состоянием безопасности плавания и методов контроля этого состояния в сложных навигационных условиях, в том числе при лоцманской проводке.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:
– составить модель развития «критических ситуаций» в системе отношений «лоцман – капитан» при лоцманской проводке с балансом интересов обеих сторон;
– составить модель контроля капитаном лоцманской проводки в рамках критерия «хорошая морская практика» и сделать оптимальный выбор интервала времени наблюдения за состоянием плавания;
– составить дискретно-непрерывную модель функционирования ИМУ с
одновременным обслуживанием запросов и сформулировать принципы
функционирования интерфейса «ИМУ – потребитель»;
– оценить достоверность навигационной информации в интерфейсе «ИМУ – потребитель» и надежность его функционирования;
– определить условие реализуемости радиоканала «сервер – ИМУ» и выделить функциональные элементы этого канала при использовании технологии связи типа UWB;
– найти зависимость помехоустойчивости канала связи от скорости информационного обмена и уровня помех, а также возможность разделения каналов «сервер – ИМУ» для технологии связи типа UWB.
5 Соответствие специальности 05.22.19. В соответствии с паспортом специальности 05.22.19 «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», работа соответствует:
формуле специальности, т.к. ее содержанием является разработка научных проблем эффективного функционирования и развития водного транспорта (морского и речного);
пункту 4 Объектов специальности: «Безопасность плавания»;
пункту 7 Области исследований: «Разработка моделей и методов оценки эффективности судовождения в различных условиях их эксплуатации».
Объектом исследования является безопасное плавание судна в сложных навигационных условиях, например при лоцманской проводке, с использованием информационного мобильного устройства с радиоканалом, работающим по технологии связи типа UWB.
Предметом исследования является разработка способа поддержания безопасности плавания судна в сложных навигационных условиях, например при лоцманской проводке, с использованием информационного мобильного устройства с беспроводным каналом связи.
Теоретической базой исследования являются элементы теории систем и теории радиосвязи, которые привлекаются для разработки мультимедийной модели навигационной обстановки, а также для информационного обеспечения процессов управления судном и контроля его безопасного плавания с помощью информационного мобильного устройства.
Научная новизна работы состоит в следующем:
– предложен вариант оценки интервала времени наблюдений за состоянием судна и разработан механизм выбора более эффективных, чем рекомендуемые теорией статистического контроля, альтернатив при появлении опасных навигационных ситуаций;
– составлена модель интерфейса пользователя, в которой гарантируется максимальный информационный результат при минимальном количестве запросов, достоверности информации и надежности функционирования этого интерфейса;
– разработана методика оценки надежности функционирования интерфейса потребителя, которая позволяет без каких-либо предположений о распределениях случайных величин получить расчетные формулы для определения вероятности появления сбоев этого интерфейса;
– предложен вариант организации радиоканала, который позволяет судоводителю свободно перемещаться по мостику современного судна для наблюдения за состоянием плавания судна и управления им при разрешении возникающих опасных ситуаций;
– найдено условие реализуемости радиоканала при наведении в нем аддитивной нелинейной помехи и показано распределение функций между программными продуктами сервера и ИМУ;
– показано, что для повышения достоверности информации в радиоканале с технологией связи типа UWB необходимо увеличивать базу сигнала и использовать сигнал Баркера с заданным количеством чипов на 1 бит навигационных данных.
Теоретическая значимость заключается в разработке математического описания процессов функционирования интерфейсов ИМУ и составлении аналитических моделей управления судном и контроля за состоянием плавания, реализуемых на мостике с помощью устройства.
Практическая значимость работы состоит в разработке инженерных подходов к реализации процессов функционирования интерфейсов ИМУ и практических приемов управления судном и контроля за состоянием его плавания в сложных навигационных условиях, в том числе при лоцманской проводке с использованием ИМУ.
Личное участие автора заключается в получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах и данной диссертационной работе, в проведении натурного эксперимента.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются корректным использованием элементов системного подхода и теории связи, дифференциального и интегрального исчисления, теории вероятностей и статистики.
Реализация работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций предложены к использованию в практике несения ходовых вахт в сложных навигационных условиях (в том числе при лоцманской проводке) на судах компаний Северного бассейна, а также на судах других типов. Эти рекомендации способны обеспечить безопасность плавания даже с учетом минимизации расходов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на международных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ (Мурманск, 2009 – 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, одна депонированная рукопись и 2 статьи в материалах международных научно-технических конференций.
Положения, выносимые на защиту:
– оценка интервала времени наблюдений за состоянием судна и механизм выбора более эффективных, чем рекомендуемые теорией статистического контроля, управлений для разрешения опасных навигационных ситуаций;
– модель интерфейса, позволяющая получать максимально гарантированный информационный результат при минимальном количестве запросов интерфейса, достоверности информации и надежности функционирования этого интерфейса;
– методика организации радиоканала с технологией связи типа UWB, позволяющая судоводителю свободно перемещаться по мостику судна для наблюдения за состоянием судна и управления им при разрешении возникающих опасных ситуаций;
– методика оценки достоверности передаваемой по беспроводному каналу с технологией связи типа UWB информации за счет увеличения базы сигнала и использования сигнала Баркера с заданным количеством чипов на 1 бит навигационных данных.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 129 страницах, состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, в котором приведены результаты вычислительного эксперимента.
Система доверительных отношений «лоцман - капитан» при лоцманской проводке с балансом интересов обеих сторон
При плавании судна в сложных навигационных условиях в каналах и фарватерах вопросы законодательных установлений, связанных с лоцманской проводкой и разграничением ответственности между лоцманом и капитаном, по-прежнему остаются актуальными. Это объясняется тем, что многие авторитетные морские организации, морские специалисты, законодатели считают, что положение о лоцманской проводке нуждается в серьёзном пересмотре и внесении изменений в соответствующие документы международного значения, а также в законодательные акты стран флага. «Цена» разграничения ответственности между лоцманом и капитаном – возмещение ущерба при аварийном случае во время лоцманской проводки, при этом, безусловно, отвечать и, соответственно, платить должен виновный.
Решить проблемы, связанные с лоцманской проводкой и ответственностью её участников, не удастся, по крайней мере, до тех пор, пока не будет достигнут консенсус в международном масштабе. Существуют два аспекта этой проблемы: чисто профессиональные взаимоотношения между капитаном и лоцманом, возникающие после принятия лоцманом судна под проводку, и взаимоотношения между судовладельцем, администрацией порта и так называемыми третьими лицами после аварийного случая с обязательным лоцманом на борту судна [26].
В реальной действительности функции лоцмана как советчика капитана уже не отвечают современным взаимоотношениям, которые складываются между лоцманом и капитаном. В большинстве портов мира, и особенно на подходах к ним, сложность прохода судном участков каналов и фарватеров такова, что лоцманская проводка является обязательной. При этом лоцман уже не просто советчик, а специалист, который квалифицированно и со знанием местной специфики управляет маневрами судна, определяя параметры его движения. В таких условиях лоцман практически самостоятельно осуществляет безопасное судовождение, и команды лоцмана, подаваемые на руль и в машину, а также буксирам при швартовке, должны обязательно исполняться. При этом не важно, кем будет воспринята команда лоцмана: непосредственно рулевым или передана этому рулевому через капитана или вахтенного помощника.
При маневрировании судна в каналах и фарватерах подавать команды должен только один человек; на участках лоцманской проводки таковым является лоцман. На период проводки он принимает от капитана оперативное управление движением судна и несёт ответственность за свои действия. Такие взаимоотношения между лоцманом и капитаном в значительной мере базируются на доверии и в реальной действительности способствуют выполнению основной задачи – обеспечение безопасности плавания на сложных участках морских путей и акваториях портов всего мира [7].
Делегирование права на управление судном не свидетельствует о самоустранении капитана от управления, а является лишь одним из путей его осуществления. Поэтому целесообразно остановиться на том, какое документальное отражение нашло обсуждение и дальнейшее развитие проблем лоцманской проводки в положениях нового Кодекса торгового мореплавания (КТМ) Российской Федерации, принятого Государственной Думой Российской Федерации в 1999 г.
Прежде всего следует рассмотреть определения и формулировки, которые приведены в КТМ. Так, в главе VI, в параграфе I «Морские лоцманы», в статьях 85 и 86 говорится о лоцманской проводке и её целях, однако здесь нет определения самого понятия «лоцманская проводка», более того, не определены даже функциональные особенности профессии лоцмана. Необходимо отметить, что из текста КТМ исключено понятие «советчик капитана». В то же время в статье 96 КТМ записано, что во взаимоотношениях капитана и лоцмана капитан судна должен следовать только разумным рекомендациям лоцмана и не должен вмешиваться в его работу без достаточных на то оснований. Трудно придумать более расплывчатую формулировку, размытую термином «разумные рекомендации» в определении взаимоотношений двух лиц, ответственных за безопасность судна. При таком определении взаимоотношений следует ли вообще называть рекомендациями команды лоцмана, которые чётко и однозначно определяют направление и скорость движения судна. По сути, на практике не существует «рекомендаций лоцмана», а существует процесс управления движением судна, реализуемый за счет подачи лоцманом соответствующих команд на руль и в машину [59].
Введенная в КТМ «размытость» во взаимоотношениях капитана судна и лоцмана позволяет сформулировать ряд уточняющих вопросов: в чём именно заключается работа лоцмана, что такое «разумные рекомендации» и, наконец, как определить степень разумности поданной лоцманом команды? Отсутствие достаточно четких ответов на поставленные вопросы позволяет утверждать, что приведенное в статье 96 КТМ определение не имеет реального смысла.
В статье 102 КТМ записано, что «при наличии достаточных оснований в правильности рекомендаций лоцмана» капитан действительно вправе отказаться от его услуг во время проводки, но тогда он берёт управление движением судна на себя и несёт за это ответственность. При этом он возлагает на себя функции лоцмана, на выполнение которых не имеет лицензии. (Действительно, невозможно досконально изучить условия и особенности плавания в большинстве портов мира, сдать экзамен и получить лицензию в каждом порту.) По меньшей мере, странная и, по сути своей, двойственная рекомендация, не позволяющая капитану чётко сформулировать своё решение и логически выстроить цепочку своих действий. Ранее КТМ рекомендовал капитану следовать «разумным рекомендациям лоцмана» и, безусловно, отвечать за всё [77].
Лоцман и капитан действуют в соответствии со сложившейся морской практикой, которая и определяет четкие взаимоотношения между ними. По молчаливому согласию лоцман поднимается на борт и принимает на себя управление безопасным движением судна и, естественно, несет за это имущественную ответственность.
Оптимальный выбор времени наблюдения за состоянием навигации судна по критерию «хорошая морская практика» при лоцманской проводке
Сфероид (1.24) можно назвать оценивающим или сфероидом предвидения состояния навигационной безопасности лоцманской проводки, таким образом, происходит отождествление сфероида предвидения с множественной оценкой, а вектора x (t) Є X(t) - с точечной оценкой состояния механизма предвидения состояния x(t) [45].
Для предотвращения аварийной ситуации в случае использования лоцманом несогласованных управлений при проводке следует механизм предвидения (1.24) и осуществлять функциональный контроль отношений
Составленный механизм предвидения (1.25) позволяет в рамках теории нечетких множеств разработать критерий оценки навигационной безопасности при лоцманских проводках для нечеткой нормы Т, которую на практике часто называют «хорошая морская практика». Для составления критерия «хорошая морская практика» [1] используем фундаментальное понятие теории нечетких множеств [50] - функцию принадлежности. В данном случае при оценке безопасности навигации лоцманской проводки функция принадлежности с учетом выражения (1.25) будет иметь вид - величина, характеризующая текущее состояние безопасности навигации судна при лоцманской проводке. Если величина х;- при контрольных наблюдениях определена капитаном таким образом, что это состояние принимается за опасное х;- (?с(Уі(0) — Т, то действия лоцмана следует считать не отвечающими требованиям «хорошей морской практики». В этом случае капитан судна вправе отстранить лоцмана от управления судном и самому минимизировать последствия опасной навигационной ситуации. Для определения качества лоцманских проводок в районе, закрепленном за конкретной лоцманской службой, по критерию «хорошая морская практика», а также в рамках концепции «безопасный порт» дополним процесс классификации состояния навигации (1.26) методикой статистического расчета вероятностей двух событий: P\{XJ Є (?с(Уі(0) — Т } и P2{XJ (?с(Уі(0) — 71} (1-27) Здесь следует заметить, что если события (1.27) образуют полную группу, то для оценки качества лоцманской проводки достаточно найти величину лишь одной вероятности, вторая вероятность в этом случае получится автоматически по теореме о полной вероятности.
Для оценки величины Р2, которая будет характеризовать качество проводок судов лоцманской службой, будем использовать частоты появления опасных навигационных ситуаций, заданных с помощью вектора о) = [о)1;..., o)fc]m при к ЄК и обусловленных реализацией несогласованных управлений лоцманами. Тогда для конкретного і-го судна из общего количества судов, обработанных лоцманом при і = 1,тп, по выборке объемом rtj j = 1, п можно подсчитать частоту о)д = dji/ riji, где dji - число несогласованных управлений, выполненных лоцманом на г -ом судне в j-ой лоцманской проводке, а n;i - общее число проводок, выполненных лоцманом.
В качестве исходной базы данных для методики оценки качества работы лоцманской службы в целом можно использовать матрицу частот размером ж X п, записанную в виде Пч = ау. Для составления рабочих формул для оценки качества работы лоцманской службы по критерию «хорошая морская практика» воспользуемся достаточно известной идеей «порогового допуска». Реализацию этой идеи следует начинать с расчета средней частоты появления событий х;- (?с(Уі(0) — Т по всем судам, на которых выполнялись проводки специалистами лоцманской службы, т. е. (GO) = —, (1.28) где r E ти s E n - частоты появления несоответствий при проведении портовых проверок на судах компании.
Среднее значение выборки (1.28) позволяет найти верхнее пороговое значение частот появления событий х;- &(Уі(0) — Т при вероятности Р0 = В этом случае величину допуска следует рассчитывать по формуле {її=і [ZJ-ofr/c - Р»2Н А"} = .ІШ= l2to(P;i - Р ) /s /г[ (1.29) Тогда, учитывая выражения (1.28) и (1.29), можно составить индикаторную функцию вида /(o);j) = \ г/ . -., (1.30) которая обеспечивает как идентификацию моментов нарушения лоцманами согласованного критерия «хорошая морская практика» на конкретном судне, по лоцманской службе в целом, так и информацию о том, что модель лоцманской проводки в любом случае нельзя принимать за стабильную систему [15].
Оценим глубину прогноза состояния навигации судна по критерию «хорошая морская практика» при лоцманской проводке. Для этого используем процесс идентификации состояния судна в рамках функции принадлежности (1.26). На каждом этапе текущей оценки времени предвидения состояния лоцманской проводки с учетом имеющейся к этому моменту информации капитан (лицо, принимающие решение) должен выбрать одно из трех возможных решений: - П - принять, что судно отвечает требованиям критерия «хорошая морская практика» (не оценивать состояние судна некоторое определенное время); -К- реализовать процесс оценки с выделением опасных действий лоцмана и сбором информации о текущем уровне безопасности судна; - Б - принять решение о появлении опасной навигационной ситуации и перейти к личному управлению судном.
Естественно, что реализация любого из этих решений, принятого капитаном, будет связана с известными затратами (усилиями), характеризующимися величиной штрафных санкций L. Поэтому необходимо найти оптимальное решение из трех возможных, при котором суммарные потери были бы в среднем минимальными. Такого рода задачу можно рассматривать в рамках теории статистических решений, однако в данном случае будем разрабатывать модель принятия решения в общей постановке задачи[32]. Усилия, которые будут затрачены в процессе оценки состояния судна, удобно записать в виде следующей затратной матрицы: Решения: П К Б Безопасное состояние судна: -а\ к с\ Опасное состояние судна: аг к + d сг В приведенной матрице величины -аи а2, к, d, сь с2 являются известными усилиями или стоимостными затратами, соответствующими альтернативе, выбранной лицом, принимающим решение[32]. Пусть появление нарушений критерия «хорошая морская практика» при оценке качества лоцманской проводки определяется вероятностью р; при этом очевидно, что 0 р 1. Тогда потери в зависимости от принятого решения для линейности стоимостей затрат можно определить так:
Общие принципы функционирования интерфейса «ИМУ - потребитель»
В выражении (2.29) и далее под символом o) (v) следует понимать множество состояний отображения на экране ИМУ, не различимых между собой по степени соответствия заданным критериям безопасности навигации на v-м интервале и потому оказывающихся в ц-й подобласти реализаций. Компоненты вектора Р(Х, v), как и ранее, рассматриваются в качестве необходимых исходных данных для статистического описания состояний отображений на экране ИМУ и полагаются далее известными для любого v.
Метод вычисления вероятностей P[(XJ, \І) Є o) (v)] существенно зависит от конкретной формы задания критериев безопасности мореплавания. Важно помнить, что при детерминированных критериях безопасности навигации для каждого различимого состояния отображения на экране ИМУ можно указать множество фиксированных моментов времени, определяющих переходы состояний из одной подобласти реализаций в другую. Прежде всего, для любого v попадание произвольного состояния Xj отображения с экрана ИМУ в какую-либо из возможных для него qj подобластей реализаций составляет полную группу несовместных событий. Тогда, используя известную теорему о вероятности попадания непрерывной случайной величины на заданный интервал [22], можно получить статистические характеристики расширенного пространства запросов Lx, моделирующего деятельность оператора ИМУ с учетом достоверности перерабатываемой информации. Следует отметить, что в данном случае статистические параметры запросов из Lx зависят не только от статистических свойств управления ИМУ, но и от ряда субъективно-личностных характеристик «человеческого элемента».
В числе субъективно-личностных характеристик «человеческого элемента» необходимо указать, прежде всего, объем долговременной памяти, определяющий предельную информационную сложность критериев безопасности, которые можно предложить для реализации лоцману или капитану судна. Немаловажную роль играют и способности лица, принимающего решения, к самоконтролю в оценке временных затрат на выполнение функций контроля и управления состоянием безопасности навигации, непосредственно сказывающихся на точности реализации заданных критериев безопасности [38].
Здесь следует заметить, что полученные результаты без принципиальных затруднений могут быть распространены и на более сложные случаи задания критериев качества, представляющие интерес для практики лоцманских проводок. Первым естественным обобщением такого рода является случай, когда необходимо более детальное суждение о безопасности контролируемой навигации судна. Так, например, при необходимости среди допустимых и недопустимых реализаций плавания могут быть установлены дополнительные уровни соответствия или несоответствия желаемому процессу. Практически это может привести к соответствующему дополнительному расширению пространства запросов в интерфейсе «ИМУ – потребитель».
Несомненный интерес при реализации лоцманской проводки представляет и тот случай, когда критерии желаемой безопасной навигации во времени могут быть сформулированы лишь вероятностным образом. В этих условиях моменты времени, определяющие переходы любого состояния 2 отображения на экране ИМУ между подобластями реализации, отличающимися по степени соответствия заданной безопасности, оказываются случайными. Естественной формой их описания в данном случае является задание соответствующих функций плотности совместного распределения вероятностей, относящихся к каждому элементу 2 исходного пространства запросов в интерфейсе «ИМУ – потребитель». Это обстоятельство, в свою очередь, вносит очевидные изменения в процедуру вычисления статистических характеристик элементов расширенного пространства запросов «человеческого элемента», в частности определения вероятности принадлежности состояний к той или иной подобласти реализаций. И, наконец, последнее обобщение, которое следует рассмотреть. Оно касается проблемы одновременного учета смысла и достоверности информации, предъявляемой оператору ИМУ. Исходным пунктом в решении этой проблемы может быть переход от символов к сообщениям при формировании элементов пространства запросов, осуществляемых «человеческим элементом». Число символов этого пространства равно числу всех возможных сообщений длиной m(v) символов при m(v) = 1,2,..., (s + г +1), составленных из алфавита в N символов. Статистические характеристики этих сообщений определяются, как и ранее, на основе вероятностного вектора различимых состояний объекта Р(Х, v).
Расширение пространства запросов «человеческого элемента» в данном случае осуществляется с учетом принадлежности сообщений различным подобластям реализаций, выделяемым заданными критериями безопасности навигации. При этом иногда могут возникнуть определенные трудности, связанные с тем, что элементы одного и того же сообщения могут оказаться принадлежащими различным подобластям. Естественным выходом из этого положения является идентификация сообщений по принадлежности тех состояний отображений на экране ИМУ, которые отвечают базовым обращениям для каждого из сообщений. В этих условиях именно по отношению к размещению базового обращения на оси времени и должны вычисляться вероятности принадлежности сообщений к подобластям реализаций, различающимся уровнями соответствия заданным критериям безопасности мореплавания. Следовательно, в принципе можно сформулировать понятие расширенного множества L x запросов к программному продукту ИМУ, осуществляемых «человеческим элементом», моделирующим деятельность лоцмана или капитана судна при контроле и управлении состоянием навигации с учетом достоверности перерабатываемой информации, и определить статистические характеристики элементов этого множества.
Для определения количественной оценки неопределенности Н (у), с которой оператор ИМУ имеет дело при реализации произвольного v-го запроса к отображению на экране ИМУ, можно использовать зависимость [31] H (v) = -ZW Wp(Xj;v)log2P(x;,v) , (2.30) где xj - элементы расширенного (избыточного) множества запросов оператора ИМУ; N или N (y) - число элементов расширенного множества запросов; j = 1,2,...,N , если учитывается только достоверность перерабатываемой оператором навигационной информации;j = 1,2,...,N (v), если наряду с достоверностью учитывается и смысловое содержание навигационной информации, перерабатываемой оператором ИМУ.
Записанное выражение для энтропии Н (у) может быть исходным соотношением для получения количественной оценки достоверной информационной загрузки оператора ИМУ на конечных интервалах времени в рамках лоцманской проводки с учетом достоверности перерабатываемых им данных.
Далее рассмотрим два возможных варианта лоцманской проводки. Первый характеризуется наличием предварительной прокладки траектории судна, которая детерминируется деятельностью лоцмана во временной области. Прокладка, используемая лоцманом при проводке судна, вносит свою специфику в методику получения количественных оценок перерабатываемой оператором ИМУ навигационной информации с учетом ее достоверности. Предварительная прокладка определяет общее число запросов лоцмана к программному обеспечению ИМУ, которые он должен реализовать; начало каждого из них определено на временной оси. Стохастический характер деятельности лоцмана во временной области в данном случае выражается в том, что лоцман реализует тот или иной запрос из предусмотренных предварительной прокладкой с той или иной вероятностью. Поэтому применительно к рассматриваемой задаче стохастичность лоцманской деятельности не вносит дополнительной неопределенности в процедуру идентификации и классификации опасностей в контролируемом процессе управления состоянием навигации по степени соответствия их заданным критериям безопасности.
Общее описание нормированной сверхширокополосной технологии связи типа UWB и ее использование в беспроводном калане «Сервер – ИМУ» .
Широкие возможности, которые открываются при использовании сверхширокополосных систем связи, привели к необходимости выработки правил применения сверхширокополосных сигналов без дополнительного лицензирования устройств. В 1999–2000 гг. были проведены исследования с целью определения диапазона частот для такого рода устройств. Задача исследования заключалась в том, чтобы совместно с правительственными органами, заинтересованными компаниями и различными сообществами (общественной безопасности, транспортной безопасности, системы глобального позиционирования) выработать правила использования сверхширокополосных сигналов без создания помех существующим системам связи, мониторинга и навигации. Были произведены измерения допустимого уровня помех, наводимых устройствами, использующими сверхширокополосную технологию передачи данных для систем поиска и спасения ( 406 МГц, 1544 МГц), безопасности воздушного транспорта (960–1370 МГц, 2700–2900 МГц), глобального позиционирования и различных навигационных и метеорологических радарных установок. В результате был найден максимально допустимый уровень спектральной плотности мощности передатчика, соответствующий значению –41,3 дБм / МГц (7,4 10–5 мВт/МГц), разрешенный в диапазонах ниже 960 МГц и 3,1–10,6 ГГц. К UWB-сигналам относятся сигналы с шириной спектра более 500 МГц в диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц, причем никаких ограничений относительно импульсной природы самих сигналов нет (совсем необязательно использовать сверхкороткие импульсы)[9].
В то же время создаются UWB-системы, основанные на традиционных принципах беспроводной связи. Подобный подход к формированию UWB-систем привел к возникновению нового направления в технологии связи, получившего название многополосной сверхширокополосной связи (Multi-bands UWB). Основная идея такой технологии состоит в том, чтобы разделить весь доступный UWB-частотный диапазон на несколько узких поддиапазонов. Типичным примером многополосной UWB-технологии является технология UWB MultiBand OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - ортогональное разделение каналов с мультиплексированием. При жестких ограничениях спектральной плотности мощности UWB-сигнала на уровне -41,5 дБм/МГц использование верхнего спектрального диапазона затруднительно из-за наличия затухания сигнала. Это объясняется тем, что при распространении сигнала в открытой среде происходит уменьшение его мощности. В технологии UWB MultiBand OFDM предусматривается использование диапазона частот от 3168 до 4752 МГц, а не всего спектрального диапазона. Кроме того, данный частотный диапазон разбивается на три канала, каждый шириной 528 МГц: канал № 1 - 3186-3696 МГц, канал № 2 - 3696-4224 МГц, канал № 3 - 4224-4752 МГц.
Центральная (несущая) частота в каждом из частотных каналов рассчитывается по правилу /с = 2904 + 528 п, где п- номер канала. [9] Очевидно, что сверхширокополосная технология связи UWB реализует принципиально иной способ передачи данных и при выполнении условий реализуемости беспроводного канала связи «сервер - ИМУ» может быть рекомендована к использованию. Однако делать окончательный вывод о целесообразности применения этой технологии связи можно лишь после исследований зависимости помехоустойчивости от скорости информационного обмена и уровня помех в канале, а также после оценки дальности действия канала связи на мостике судна при заданных уровнях помех.
Сигналы, у которых произведение ширины спектра F на длительность Т много больше единицы, будем называть шумоподобными. Это произведение называется базой сигнала и обозначается В, т. е. В = FT. У таких сигналов (ШПС) всегда В 1, поэтому их иногда называют сложными в отличие от сигналов, у которых В = 1. Поскольку у сигналов с ограниченной длительностью спектр имеет неограниченную протяженность, то для определения ширины спектра используют различные методы и приемы. Для реальных ШПС, состоящих из конечного числа элементов, всегда можно однозначно определить величины F и
В дальнейших рассуждениях и расчетах будем использовать гипотезу о том, что величина базы сигнала является основополагающим понятием при построении помехозащищенных систем беспроводной связи. Известно, что предельная пропускная способность канала связи (максимальное количество информации, передаваемое по каналу) определяется формулой Шеннона: AFlog2(lP \ J- + —J, (3.16) где AF - рабочая полоса частот канала связи; Ps - мощность сигнала; Рп - мощность шума в полосе частот канала.
Из формулы (3.16) следует, что при фиксированной полосе частот увеличить объем передаваемой по беспроводному каналу связи необходимой информации можно только за счет повышения мощности сигнала. Однако рост излучаемой мощности ограничен несколькими факторами. Прежде всего, уровень мощности на определенном расстоянии от излучающей системы не должен превышать предел безопасности для организма человека. Не менее важным фактором является так называемая электромагнитная совместимость (ЭМС), которая означает отсутствие взаимных помех радиосистем в реальных условиях эксплуатации [34].
Поскольку современные радиосистемы являются узкополосными и работают в отведенных для них полосах частот, требования ЭМС ограничивают излучения системы за пределами выделенной для нее полосы. Эти излучения обычно называют нежелательными. К ним относятся внеполосные и побочные радиоизлучения, а также индустриальные радиопомехи. Ограничения на нежелательные излучения в каждой стране определены соответствующим нормативным актом.
Из формулы (3.16) также следует, что пропускная способность беспроводного канала должна линейно зависеть от рабочей полосы частот \-. Поэтому для увеличения объема передаваемой информации по беспроводному каналу необходимо ее расширять. В связи с этим в последние годы, благодаря успехам микроэлектроники в области создания скоростной элементной базы, стали быстро развиваться средства передачи информации на основе сверхширокополосных сигналов.
Системы связи с применением UWB-технологий перспективны для использования в технических средствах, обеспечивающих безопасность плавания судна. Однако, поскольку UWB-технологии занимают полосы частот шириной от 0,5 ГГц и более, возникла проблема электромагнитной совместимости UWB-технологий с традиционными узкополосными (УП) системами связи, действующими в том же спектральном диапазоне, несмотря на то что спектральная плотность мощности UWB-технологии очень мала. Именно поэтому достаточно востребованы численные оценки этой мощности, позволяющие сформулировать требования к UWB-технологиям и обеспечить их электромагнитную совместимость. Для совместной работы УП и UWB-систем необходимо обеспечить отсутствие помех со стороны последних. С этой целью уровень излучения UWB-технологий должен соответствовать самым жестким законодательным нормам на нежелательные излучения для УП-радиосистем, что автоматически обеспечивает ЭМС UWB- и УП-систем в заданной полосе частот. Так, в Российской Федерации государственными отраслевыми стандартами определены нормы, ограничивающие уровни мощности внеполосных радиоизлучений (ГОСТ Р 50016–92), побочных радиоизлучений (ГОСТ Р 50842–95) и индустриальных радиопомех (ГОСТ Р 51319–99, ГОСТ Р 51318.11–99, ГОСТ Р 51318.22–99, ГОСТ Р 51856–2001).