Элементы контроля и самоконтроля деятельности штурманской вахты при плавании в стесненных водах
На правах рукописи
Рамков Иван Анатольевич ЭЛЕМЕНТЫ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ШТУРМАНСКОЙ ВАХТЫ ПРИ ПЛАВАНИИ В СТЕСНЕННЫХ ВОДАХ Специальность 05.22.19 – эксплуатация водного транспорта, судовождение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Мурманск – 2011
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет»
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Меньшиков Вячеслав Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Скороходов Дмитрий Алексеевич кандидат технических наук, доцент Позняков Сергей Иванович
Ведущая организация: Закрытое Акционерное Общество (ЗАО) научно производственное предприятие (НПП) “ВЕГА”
Защита диссертации состоится "16" ноября 2011 г. в 13 часов 00 мин на заседании диссертационного совета К 307.009.02 при Мурманском го сударственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государ ственного технического университета.
Автореферат размещен на сайте МГТУ www.mstu.edu.ru "" октября 2011 г.
Автореферат разослан "" октября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент А. Б. Власов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Согласно данным Международной морской организа ции (ИМО) аварийность судов мирового флота продолжает оставаться дос таточно высокой и тенденций к ее снижению не наблюдается. Более полови ны аварийных случаев (АС) происходит при плавании судов в стесненных водах (реках, каналах, проливах и др.) или вблизи них. Основной причиной 80 % АС является "человеческий фактор". Прохождение стесненных вод от носится к наиболее сложным видам плавания, а судовой специалист в со временных морских структурах управления является самым ненадежным и непредсказуемым звеном. Каким будет его поведение в опасной ситуации, зависит от множества психофизических факторов.
Все АС, так или иначе, взаимосвязаны. Это прежде всего можно объ яснить структурой управления судна, основой которой является штурман ская вахта во главе с капитаном. Если учитывать весь диапазон деятельно сти судоводителя и его текущие психофизические свойства, то возникает необходимость в поиске путей повышения эффективности управления со стоянием безопасности мореплавания и разработке мер реагирования на технические отказы, организационные сбои и ошибки "человеческого эле мента".
Основой производственного поведения "человеческого элемента" в организационных и организационно-технических системах управления судном является контроль и самоконтроль деятельности. Именно контроль и самоконтроль способны снизить вероятность появления ошибок в про цессе восприятия и обработки навигационной информации. Поэтому зада чу минимизации вероятности появления ошибок, далее квалифицируемых как несистемная деятельность персонала вахты, за счет использования контроля и самоконтроля следует считать актуальной.
Целью исследования является разработка моделей механизмов кон троля и самоконтроля несистемной деятельности состава штурманской вах ты, обеспечивающего поддержание заданного уровня безопасности море плавания судна при прохождении стесненных вод.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе было необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ аварийных случаев в стесненных водах, выделив основные нарушения правил несения ходовой штурманской вахты, и со ставить документальную норму, обеспечивающую безопасное мореплава ние при плавании судна в особых обстоятельствах;
2. Математически описать процесс несения ходовой вахты штурман ским коллективом при плавании судна в стесненных водах, рассматривая вахту как систему, включающую два иерархических уровня: верхний (ка питан) и нижний (вахтенные помощники);
3. Разработать методику классификации процессов несения ходовой штурманской вахты с использованием метода структурной минимизации и привлечением критерия минимального уклонения среднего риска или суммарного риска от эмпирических значений риска;
4. Составить индикаторную функцию, позволяющую идентифициро вать несистемные действия вахтенных помощников капитана и оценить возможность поступления от них заведомо недостоверных докладов (ин дивидуальных несистемностей);
5. Оценить распределение времени вынужденных реструктуризаций в системе штурманской вахты и определить возможное число несистемных действий "человеческого элемента" за заданное время функционирования этой системы в рамках теорий восстановления и надежности;
6. Выполнить анализ функционирования и работоспособности модели механизма самоконтроля, используемого в процессе восприятия и обра ботки судоводителем навигационной информации, поступающей ему от мультимедийного пространства.
Объектом исследования является коллектив судовой штурманской вахты, рассматриваемый как система, обеспечивающая безопасность мо реплавания в стесненных водах и отвечающая требованиям международ ных конвенций СОЛАС–74, МППСС–72, ПДНВ–74/95 и кодексов к ним, а также национальным требованиям.
Предметом исследования являются механизмы, реализующие про цессы контроля и самоконтроля в коллективе штурманской вахты и обес печивающие диагностическую наблюдаемость деятельности "человеческо го элемента" из состава штурманской вахты при плавании судна в стесненных водах.
Теоретической базой исследования является системный подход к обеспечению безопасности мореплавания судна в стесненных водах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложен оптимальный метод структурной идентификации про цессов несения штурманской вахты с последующей их классификацией, который позволяет выделить классы "общих" и "частных" процессов, иду щих на мостике судна;
2. Показано, что предложенная классификация процессов несения вахты позволяет установить факт появления несистемной деятельности "человеческого элемента" только тогда, когда из множества альтернатив, используемых капитаном при принятии решений, можно выделить наиболее предпочтительную альтернативу;
3. Показано, что реструктуризации в системе штурманской вахты можно рассматривать как последовательность рекуррентных стационар ных событий и характеризовать их вероятностью, выраженной через ко эффициент готовности этой системы, полученный для мгновенных несис темных действий "человеческого элемента";
4. Составлен показатель, позволяющий оценить персональное произ водственное поведение вахтенного помощника при несении им вахты в стесненных водах в зависимости от величины девиации параметров, харак теризующих его психофизическое состояние;
5. Показано, что при составленной модели механизма самоконтроля как в процессе восприятия навигационной информации, так и при ее обра ботке судоводителем показатели информационной и функциональной на дежности "человеческого элемента" могут быть сведены к единому показате лю надежности.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке мате матического описания процессов контроля и самоконтроля деятельности "человеческого элемента" при несении штурманской вахты с учетом воз можной его несистемной деятельности.
Практическая значимость работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций позволили снизить уровень навигационной ава рийности на судах компании ФГУП ПИНРО за счет уменьшения числа ошибок "человеческого элемента", входящего в состав штурманской вах ты.
Личное участие автора состоит в получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах, и повышении безопасности пла вания судна в стесненных водах.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссер тационной работе, обеспечивается корректным использованием системно го подхода, структурного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, теории вероятностей и статистики, а также подтверждается результатами натурного эксперимента. Эксперимент основывался на про ведении экспертного опроса судоводителей, работающих на научно исследовательских судах.
Внедрение работы. Результаты исследований в виде конкретных ре комендаций использованы в Системе Управления Безопасной эксплуата цией судов компании ФГУП ПИНРО, а также при дополнительной подго товке, профессиональной переподготовке и повышении квалификации лиц судоводительского состава, осуществляемых в Мурманском филиале ГМА им. адм. С. О. Макарова.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци онной работы были представлены в виде докладов на международных на учно-технических конференциях МГТУ (Мурманск 2007–2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, одна из которых опубликована в ведущем рецензируемом научном журнале из пе речня ВАК, две статьи в научных журналах и изданиях, три статьи в мате риалах международных научно-технических конференций и одна статья депонирована.
Положения, выносимые на защиту:
1. Документальная норма, обеспечивающая безопасное плавание суд на в особых обстоятельствах;
2. Методика классификации процессов несения ходовой штурманской вахты при прохождении судном стеснённых вод;
3. Оценка несистемной деятельности вахтенных помощников капита ном при плавании судна в стесненных водах;
4. Минимизация индивидуальных несистемностей за счет самокон троля при плавании судна в стесненных водах.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. В приложении приведены дан ные натурного эксперимента и акты внедрения, подтверждающие фактиче ское использование результатов исследования в производственном и учеб ном процессах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и приведен перечень задач исследования.
В первой главе выполнен анализ аварийности судов в стесненных водах, составлена документальная норма безаварийного несения штурман ской вахты, предложена организационная модель этой вахты и разработана методика классификации процессов, позволяющая выделить классы "об щих" и "частных" процессов, идущих на мостике судна.
При плавании в стесненных водах необходимо принимать своевре менные меры по предотвращению развития опасной ситуации, проводить предварительное моделирование и отработку действий при наиболее веро ятных осложнениях навигационной обстановки. Кроме того необходимо поддерживать личный состав вахты в постоянной готовности к ликвидации внезапно возникшей опасности даже при должной организации работы су доводителей. Организация несения штурманской вахты должна включать получение исчерпывающей информации об окружающей обстановке и со стоянии своего судна, выработку правильных решений, исполнение и кон троль их эффективности, дублирование наиболее ответственных операций в целях повышения безопасности мореплавания. Анализ аварийности су дов при плавании в стесненных водах показал, что модель безопасного плавания может быть составлена на основе документальной нормы HS, определяющей все действия штурманской вахты в особых обстоятельст вах. Норма HS содержит в себе требования нормативных документов, регламентирующих плавание судов в акваториях с ограниченной глубиной и шириной, таких как ПДНВ, МППСС–72, РШС, НОШС и Проверочный лист СУБ. С формальной точки зрения эту норму можно записать так:
Ф : ПДНВ МР RS NS PL HS, где MP МППСС–72;
RS реко мендации по организации штурманской службы (РШС–87);
NS настав ление по организации штурманской службы (НОШС–89);
PL провероч ный лист СУБ.
Выполненный анализ показал, что большинство навигационных ава рийных случаев связано именно с нарушениями нормы HS, неудовлетво рительной организацией штурманской службы на судах и нарушением или невыполнением вахтенными специалистами вышеуказанных правил и тре бований документов в части, касающейся безопасности плавания в особых обстоятельствах. Если штурманская вахта организована и действует в пре делах принятой нормы HS, то судно способно осуществлять свое функ циональное назначение, выполняя эту функцию без риска для судна, эки пажа (пассажиров), груза и окружающей среды. Более того, при несении вахты в рамках нормы HS судно может обеспечивать и экономически оп тимальную эксплуатацию, заданную некоторыми критериями оптимально сти. Таким образом, для решения задачи безопасного плавания судна в стесненных водах необходимо математически описать процесс несения вахты штурманским коллективом, действующим в рамках нормы HS.
Организационная модель ходовой штурманской вахты P при плава нии судна в условиях стесненных вод включает два иерархических уровня:
верхний, содержащий элемент S 0 (капитан судна), и нижний, содержащий элементы S1,..., S n (вахтенные помощники, машинное отделение и т. д.).
Элементу верхнего уровня поступают информационные сообщения (док лады) от "человеческого элемента" нижнего уровня S 1,..., S n. Учитывая, что капитану приходят входные сообщения двух видов: М и, процесс Р можно представить в виде отображения P : M X, где M множест во сообщений, поступающих от нижестоящих элементов штурманской вахты S1,..., S n ;
множество сообщений, представляющих собой ин формацию о внешних возмущениях, поступающих из окружающей среды через систему обзора;
X множество выходов процесса P.
В свою очередь, элементам штурманской вахты S i поступают вход ные сообщения двух видов: множество координирующих сообщений от вышестоящего элемента S 0 и Z i множество информационных сооб щений (докладов, идущих по обратной связи) от технических средств су довождения. Выходом S i является локальный доклад (сообщение) mi, вы бираемое из множества M i. В любом элементе второго уровня реализуется операция, которую можно задать с помощью отображения S i : Z i M i. Таким образом, с помощью операций М личный состав вахты оказывает влияние на общий процесс несения ходовой штурманской вахты, инструмент воздействия капитана на вахтенных помощников.
Если штурманскую вахту рассматривать как управляемую систему с элементом S 0 (капитан), являющимся управляющим звеном, то элемент S 0 будет иметь только один вход, по которому ему поступает информация w. Эта информация идет по обратной связи от нижестоящих элементов системы и используется капитаном для формирования координирующих команд. Следовательно, управляющий элемент S 0 выполняет операцию, вид которой можно задать отображением S 0 : W, где W множество информационных сигналов w, с помощью которых реализуется обратная связь "вахтенный помощник – капитан". Можно предположить, что штур манская вахта является суперпозицией n процессов, причем таких, для ко торых каждый i-й процесс есть отображение : M i U i X i, где U i множество управлений ui, посредством которых процесс Pi связывается с другими процессами. Если предположить, что на каждый подпроцесс воз действует одно и то же внешнее возмущение из, по-разному влияющее на каждый из подпроцессов, то внешнее возмущение из представляет n-компонентный набор (1,..., n ), в котором на i-й подпроцесс воздейст вует только i-я компонента. Тогда для каждого i, 1 i n можно задать отображение H i : M X U i, которое будет показывать объединенный метопроцесс, описывающий функционирование ходовой штурманской вахты в структуре безопасного мореплавания. В этом случае множества U i можно назвать множествами связующих сообщений (команд), их элементы – связующими командами, а отображения H i связующими функциями процессов.
Будем считать, что метопроцесс несения ходовой штурманской вахты Р определяется через подпроцессы, а их связь в единую систему несения ходовой штурманской вахты характеризуется соотношением P ( m, ) = ( m, K ( m, ), ), где K ( m, ) функция взаимодействия процес сов в составе метопроцесса P, выражаемая с помощью уравнения K ( m, ) = H ( m, P ( m, )). Отсюда можно сделать вывод о том, что функ ция K способна "интегрировать" взаимодействия отдельных подпроцессов в единый метопроцесс, отвечающий документальной норме HS.
Для разработки методики классификации процессов, составляющих метопроцесс, в данном случае целесообразно использовать метод струк турной минимизации, который базируется на оценках уклонений среднего риска (вероятности ошибочного выбора) или суммарного риска (частоты ошибок обучения из апостериорной выборки) от эмпирического риска (частоты ошибок обучения).
Учитывая, что на множестве индикаторных (классифицирующих) функций T, на котором ведется поиск оптимальной классифицирующей функции T0 ( x ), существует структура S = {S 1 S 2... S n... }, где каждый ее элемент S j ( j = 1, 2,...) это класс индикаторных функций определенной сложности, содержащий в качестве подмножества преды дущий элемент S j 1, задача классификации может быть решена в два этапа. На первом этапе определяются классифицирующие функции, мини мизирующие эмпирический риск на каждом уровне заданной структуры.
В этой структуре каждое разбиение уровня n получено из разбиения уров ня ( n 1 ) путем деления одной из подобластей ( n 1 ) уровня на две не пустые подобласти. На каждом уровне структуры n среди всех 2n n-звенных функций выбора, определенных на разбиении S n, можно найти индикаторную функцию, минимизирующую на этом уровне эмпирический риск по апостериорной выборке. Такой функцией является индикаторная n функция, относящая подобласть X i к тому классу, мощность которого больше:
1 при 1i 2 i, T0 ( x ) = 0 при 1i 2 i, если x X i, где 1i, 2 i число наблюдений в первом и втором классах n n соответственно из апостериорной выборки, попавших в подобласть X i.
Эмпирический риск функции выбора T 0 ( x ) в этом случае можно вы числить по формуле n R0 = ( min(1i, 2 i )) / L, i = где L объем апостериорной выборки.
Таким образом, практическое использование индикаторной функции и принятого критерия позволяет восстанавливать индикаторную (класси фицирующую) функцию и определять ее значения на векторах апостери орной выборки при минимуме эмпирического риска.
На втором этапе из найденных функций выбирается такая функция классификации, которая дает минимальную оценку среднего или суммар ного риска. Пусть S = {X 1, X 2 } фиксированное разбиение наблюдаемого пространства (мостика судна) процессов несения ходовой штурманской вахты X, составленное из двух непересекающихся процессов – "общего" X 1 = Y (m, u,) и "частного" X 2 = Z ( m, x ), а T ( x ) двухзвенная кусочно постоянная функция выбора вида 1, е с л и x X 1, T (x) = 0, если x X 2, где X 1, X 2 классы "общих" и "частных" процессов, идущих на мостике судна при прохождении стесненных вод, соответственно.
Далее найдем вероятность ошибочной классификации процессов P (T ), идущих на мостике судна при прохождении стесненных вод, для выбранной классифицирующей функции. Для этого достаточно использо вать следующие условные обозначения: f ( x ) условная плотность рас пределения вероятностей появления первого ( = 0 ) и второго ( = 1) классов состояний;
p ( ) априорная вероятность появления наблюдений из класса ;
f ( x ) = p ( ) f ( x ) совместная плотность распределения наблюдений и класса состояний, определенная на пространстве X, где = {0,1}. Учитывая, что заданные классы процессов обла дают свойством X 1 X =, можно получить равенство P (T ) = ( ai p0i + (1 ai ) p1i ), i = где p0i = f ( x, 0)dx и p1i = f ( x,1)dx.
X X Таким образом, метод структурной минимизации, базирующийся на оценках уклонений среднего риска или суммарного риска, позволяет клас сифицировать "общие" Y ( m, u, ) и "частные" Z ( m, x ) процессы из ме топроцесса, идущего на мостике судна при прохождении стесненных вод.
Более того, предложенная методика классификации процессов позволяет решать задачи оптимального планирования организации штурманской вах ты в сложных условиях плавания судна.
Во второй главе составлена процедура идентификации несистемной деятельности персонала штурманской вахты, разработан механизм контро ля процессов Y ( m, u, ) на предмет наличия в них деятельности, не отве чающей документальной норме HS, и предложена методика оценки на дежности "правильного" функционирования процессов Y ( m, u, ) при пла вании судна в стесненных водах.
Для идентификации общей несистемной деятельности персонала штурманской вахты в работе принято, что структура этой вахты, с одной стороны, отвечает положениям Международной конвенции по дипломиро ванию и несению вахты (ПДНВ–78/95) и протоколам к ней, с другой – на циональным требованиям. Если с помощью контрольных мероприятий, реализуемых в рамках требований культуры управления с ориентацией на норму HS, осуществляется оценка состояния деятельности штурман ской вахты, то такую оценку можно получить с помощью индикаторной функции F (s ) :
1,если s HS при системной деятельности штурманского кол лектива вахты, обеспечивающей безопасное состояние судна;
F (s ) = 0, если s HS при несистемной деятельности штурманского коллектива вахты, не обеспечивающей безопасное состоя ние судна, где s – состояние, характеризующее текущую деятельность штурманской вахты при плавании в условиях стесненных вод;
– структура вахтенной службы.
Если индикаторная функция показывает, что процесс несения вахты признан не отвечающим норме HS, то такая деятельность вахтенного кол лектива должна быть признана "общей" несистемной деятельностью и ха рактеризоваться вектором несоответствий = s HS. Поэтому при оценке несистемной деятельности определяющим является выбор альтернативы, реализуемый на основе поступающей информации. При таком выборе следу ет ориентироваться на предпочтительность альтернативных неколлективных несистемностей, которые сопряжены с существенными навигационными рисками.
Основой процедуры любого выбора является некое правило, согласно которому устанавливается факт появления нежелательного события.
В данном случае предпочтительность альтернатив состоит из двухточечно го множества A = {a1, a2 } и может быть оценена набором критериев K = ( К1, K 2,..., K n ), допускающих качественную либо количественную оценку альтернатив. При принятии решения на мостике судна относитель но возникновения элементов персональной или коллективной несистемной деятельности капитан судна может использовать принцип классификации с помощью заданной эмпирической системы И 0 = A0, Pa, где A0 мно жество альтернатив;
Pa отношения частичного порядка на множестве A0. Такая классификация полностью определяет выбор в том случае, когда соответствующая эмпирическая система измерима в порядковой шкале, т. е. когда в любом подмножестве множества альтернатив А можно вы брать наиболее предпочтительную альтернативу. Именно такой подход це лесообразно использовать капитану при классификации деятельности кол лектива штурманской вахты.
В процессе исследования сложных систем огранизационно технического типа, предназначенных для описания процесса несения штур манской вахты при плавании в стесненных водах, всю несистемную дея тельность объединения "человеческого элемента" можно разбить на два класса. К первому классу несистемной деятельности относится критичная деятельность, которой сопутствуют существенные риски, устранение кото рых требует реструктуризации системы вахты, после которой она способна полностью восстановиться и функционировать в рамках нормы HS. Ко вто рому классу несистемной деятельности относится эксплуатационная дея тельность "человеческого элемента", которой сопутствуют минимальные риски и которая не требует реструктуризации системы.
При стационарном режиме функционирования системы ходовой штур манской вахты в условиях стесненных вод можно оценить величины целого ряда характеристик, которые позволят решать задачи оптимизации процесса несения штурманской вахты. В качестве основной характеристики, оцени вающей надежность системной деятельности штурманского коллектива, можно использовать вероятность нахождения такого коллектива в работо способном состоянии в произвольно выбранный момент при прохождении стесненных вод. Для определения вероятности нахождения коллектива вахты в работоспособном состоянии примем, что после появления элементов не системной деятельности у отдельных членов вахты коллектив в состоянии с вероятностью r освободиться от влияния эксплуатационных несистемно стей, а с вероятностью s = 1 r – от критичных несистемностей. Тогда функцию распределения и математическое ожидание числа эксплуатаци онных несистемных действий штурманской вахты за период восстановления можно найти так: p ( = l ) = pl = sr и M [ ] = r / s, где l случайное число l элементов эксплуатационной несистемной деятельности за период восста новления системы штурманской вахты. В случае возникновения немгновен ных эксплуатационных и критичных несистемностей при несении штурман ской вахты моменты окончания ее реструктуризации являются точками регенерации, а процесс функционирования вахты – регенерирующим процес сом. Если использовать гипотезу о том, что в реальном процессе функциони рования штурманской вахты число переходов из одного состояния в другое за весь процесс регенерации не ограничено, то в качестве еще одной харак теристики стационарного режима можно использовать вероятность нахож дения вахты в работоспособном состоянии в любой заданный момент. Заме ним реальный процесс функционирования вахты некоторым условным с двумя состояниями A1 и A2, где A1 ( A2 ) состояние, объединяющее все состояния работоспособности (неработоспособности), в которых может на ходиться штурманская вахта за период восстановления. Условный процесс за период восстановления переходит из одного состояния в другое и явля ется альтернирующим процессом регенерации, который наиболее полно может быть охарактеризован длительностью периода восстановления.
Также данный процесс определяется вероятностью qi нахождения процесса в состоянии Ai, i = 1, 2 при работе штурманской вахты в стационарном режиме, где i время пребывания условного процесса в состоянии Ai, i = 1, 2 за период восстановления. Для стационарного альтернирующего процесса qi = M [ i ] / M [ ], т. е. вероятность нахождения штурманской вахты при прохождении стесненных вод в работоспособном состоянии в произвольно выбранный момент будет равна P = q1.
Отличительной чертой штурманской вахты при отсутствии непрерывно го контроля является возможность нахождения системы в состоянии так на зываемого скрытого промаха или накапливающейся ошибки, когда вахта уже не обеспечивает безопасность мореплавания, но контролем капитана это состояние еще не выявлено. В этом случае в качестве характеристики, определяющей стационарный процесс функционирования штурманской вахты, можно использовать коэффициент готовности. Объединим все со стояния работоспособности вахты в общее состояние B1, все состояния не системной деятельности штурманского коллектива – в общее состояние B2, а все состояния со скрытой и накапливающейся ошибкой – в состояние B3.
Кроме того i – время восстановления, причем = i.
i В рамках сформулированных допущений можно найти важнейшую для практики характеристику ходовой штурманской вахты – вероятность qi нахождения ее в произвольно выбранный момент в одном из состояний Bi, i = 1, 3. Задача оценки qi сводится к оценке величины M [ 3 ], которую оценим при помощи M [K ], где K число наблюдений за период восста новления: M [ 3 ] = M [ K ] M [ ] M [ ]. Отсюда qi = M [ i ] / M [ ] и коэф фициент готовности, определяется так:
K г = M [1 ] / M [ ] = M [ ] / ( M [ K ] M [ ] + M [ ] M [ ] M [ ]), где время между двумя последовательными реструктуризациями штур манской вахты;
– время работы вахты без элементов несистемной дея тельности;
время восстановления вахты после появления эксплуатацион ной несистемной деятельности;
время восстановления вахты после реструктуризации. Если капитан способен выполнять наблюдения лишь в заранее назначенные моменты, то система контролируется лишь в момен ты lT, l 0.
Пусть {kiT } последовательность моментов, в которые выявлены i = несистемности, требующие реструктуризации вахты. Моменты kiT точки регенерации или рекуррентные события, а в стационарном режиме вероят ность Q ( ki ) возникновения рекуррентных событий в моменты k iT не за висит от номера ki : Q ( ki ) = Q ( k ) = Q при k, ki. Поэтому определим ко эффициент готовности штурманской вахты в предположении, что значение вероятности Q известно:
K г = (Q / T ) s (t ) dt, где (t ) вероятность того, что штурманская вахта не совершит управ s ленческую ошибку до момента t, отсчитываемого от последней реструкту ризации.
Момент начала реструктуризации штурманской вахты является ре куррентным событием, а вероятность Q возникновения этого события в какой-либо момент kT наблюдения для стационарного режима не зави сит от номера k, так как в этом случае полученный коэффициент готовно сти полностью совпадает с оценкой, полученной при мгновенных эксплуа тационных и реструктуризационных изменениях, появляющихся в процессе несения ходовой штурманской вахты.
В третьей главе предложена методика оценки производственной дея тельности вахтенных помощников капитаном при наличии у них стрессо ров, возникающих в процессе плавания судна в стесненных водах, а также модель механизма самоконтроля, способного минимизировать количество индивидуальных несистемностей, обусловленных наличием таких стрес соров.
Примем, что стрессовое поведение "человеческого элемента" из со става штурманской вахты при плавании в стесненных водах вносит изме нения в структуру этой вахты. Структура с учетом стрессоров, с одной стороны, адекватна принятой ранее, с другой – искажена стрессовыми яв лениями у "человеческого элемента" из состава штурманской вахты.
Тогда в этих структурах могут быть идентифицированы процессы: первый процесс, реализуемый "человеческим элементом" при наличии стрессоров в виде Z i * ( m, x ), второй Z i ( m, x ) удовлетворяющий требованиям нормы HS.
Для оценки того, насколько реализуемый процесс Z i * ( m, x ) при на личии в нем стрессоров способен удовлетворять требованиям процесса Z i ( m, x ), отвечающего норме HS, можно использовать индикаторную функцию, записанную так:
1, если с s, то вахтенный помощник находится в нормаль ном рабочем состоянии, адекватен и реализует процесс F0 (c ) = Z i ( m, x );
0, если с s, то вахтенный помощник находится в стрессовом состоянии, неадекватен и реализует процесс Z i * ( m, x ), где c величина, характеризующая текущее поведение вахтенного по мощника с учетом действующих стрессоров;
s величина, характеризую щая стандартное поведение вахтенного помощника в рамках нормы HS.
Индикаторная функция позволяет определить величину неадекватно сти поведения любого члена вахтенного коллектива по данным контроля = s c и оценить возможность поступления от него заведомо недостоверного доклада или, другими словами, индивидуальной несистем ности. Так, с помощью F0 (c ) капитан судна может прогнозировать пове денческие реакции своих подчиненных, оценивать достоверность посту пающей от помощников навигационной информации и исключать решения, приводящие к негативным последствиям.
Чтобы оценить, насколько реализуемый процесс Z i * ( m, x ) при нали чии в нем стрессоров соответствует процессу Z i ( m, x ), будем использовать индексы устойчивости параметров (характеристик) С p или С pk процесса Z i * ( m, x ). Совокупность этих характеристик должна быть выражена еди ным числом (показателем качества производственного поведения). Для системы штурманской вахты при плавании судна в стесненных водах можно использовать комплексный показатель, характеризующий производствен ное поведение любого члена вахтенного коллектива, который для процес са Z i * ( m, x ) можно записать так: Qпр = f (QC p, QC pk ). В условных едини цах Qпр позволяет оценивать персональное поведение любого члена вах тенного коллектива в зависимости от величины рассеяния и смещения па раметров, характеризующих его поведение на мостике судна. Задачу комплексирования показателя можно решить путем подбора уравнений для него по отдельным значениям квалиметрической оценки рассеяния и сме щения параметров поведения "человеческого элемента" с последующим их объединением в комплексный показатель поведения. Для контроля про цесса Z i * ( m, x ) зададимся некоторым стандартным значением С p, к ко торому должен стремиться поведенческий процесс "человеческого элемен та" по параметру рассеяния. Тогда показатель, отражающий рассеяние по веденческого процесса "человеческого элемента", QCp = C p ( тек ) / С p (станд ), C p ( тек ) текущее значение индекса воспроизводимости процесса где Z i * ( m, x );
C p (станд ) целевое (стандартное) значение индекса воспроизво димости процесса Z i ( m, x ), устанавливаемое на судне при несении вахты в стесненных водах в соответствии с нормой HS. Полученное отношение позволяет оценивать наличие стрессоров в поведенческом процессе "чело веческого элемента" в зависимости от индивидуального параметра состоя ния рассеяния C p. При идеальном поведенческом процессе или, другими словами, при отсутствии реакции "человеческого элемента" на стрессоры, должно выполняться условие QCp = 1. Смещение поведенческого рассеяния под действием стрессоров относительно нормального состояния, опреде ленного нормой HS, можно характеризовать показателями C pk (USL ) и C pk ( LSL ). Для количественной оценки смещения и поведенческого рассея ния целесообразно использовать ту величину C pk (USL ) или C pk ( LSL ), которая в данном конкретном случае имеет наименьшее значение. Так как C pk (USL ) = 2C p ( тек ) С pk ( LSL ), все события наблюдаемого поведенческого процесса "человеческого элемента" будут лежать вне регламентированного диапазона параметров, только при таких ограничениях:
C pk ( LSL ) 1, если C pk (USL ) 2C p ( тек ) С pk ( LSL ) ;
C pk (USL ) 1, если C pk ( LSL ) 2C p ( тек ) С pk (USL ).
Для определения вида функции, которая способна объединить пове денческие показатели "человеческого элемента" P, QCp и QCpk в единый показатель, можно воспользоваться отношениями Qпр = QCp + QCpk или Qпр = QCp QCpk, где P множитель, учитывающий долю событий, лежащих внутри регламентированного диапазона параметров поведенческого про цесса. При комплексировании QCpk с учетом последних выражений можно получить комплексный показатель QCpk (max), который будет характеризо вать поведенческие процессы "человеческого элемента" из состава штур манской вахты при наличии у него стресса, способного привести к появле нию несистемных действий. Такой показатель в общем виде запишется так:
{ QCpk (max) = PС p ( тек ) / C p (станд ) exp ln(0, 5)(C pk ( тек ) С p ( тек ) ) 2 / С p ( тек ) }.
Предложенная методика оценки "нестандартного" поведения "челове ческого элемента" из состава штурманской вахты на мостике судна при наличии стрессоров основана на объединении наиболее представительных статистических характеристик в одну. Однако контроль "нестандартного" поведения "человеческого элемента" из состава штурманской вахты при наличии стрессоров, основанный на использовании обобщенного показа теля QCpk (max), не всегда позволяет идентифицировать ошибки восприятия или обработки навигационной информации. Поэтому в главе исследуются модели механизмов самоконтроля, способные снизить вероятность появ ления ошибок при восприятии или обработке навигационной информации.
При описании механизмов самоконтроля восприятия и обработки на вигационной информации были использованы принцип "обратной связи" и "стандартная схема взаимосвязей", которые в объединенном виде обра зовали общую структуру модели самоконтроля в виде графа с циклической топологией (рис. 1).
1 Рис. Процесс самоконтроля с учетом физических особенностей процесса восприятия информации судоводителем позволяет получить конкретную модель. Введем следующие обозначения в принятую структуру (рис. 1):
1 – мультимедийное пространство сообщений, образованное интегриро ванной системой технических средств судовождения;
2 – операция воспри ятия судоводителем сообщений ;
3 – операция идентификации оши бок восприятия сообщений ;
4 – операция исправления ошибок восприятия сообщений ;
5 – множество воспринятых сообщений * о состоянии безопасности судна, включающее как верные сообщения, так и ошибочные. Механизм самоконтроля при восприятии информации можно свести к процессу идентификации закона распределения вида:
Ф * ([(1 g1 ) T N (1 + g 0 g1 )] / Ng 0 (1 g 0 + g1 )), где T время, затрачиваемое судоводителем на восприятие N единиц информации. Если подробнее проанализировать полученную модель, то можно оценить временные ( T ) и стоимостные ( C ) ресурсы, за трачиваемые судоводителем на безошибочное восприятие потока дан ных N:
T t Ng 0 (1 g 0 + g1 ) + N (1 + g 0 g1 ) /(1 g1 );
C c t Ng 0 (1 g 0 + g1 ) + N (1 + g 0 g1 ) /(1 g1 ), где g0 (g1) – вероятность успешного (неуспешного) обнаружения возник шей ошибки.
Для составления модели самоконтроля при обработке информации также использовался принцип "обратной связи" и "стандартная схема взаимосвязей" (рис. 1). В принятой структуре использовались следующие обозначения: 1 – множество сообщений о состоянии безопасности судна 0 *, включающее только верные данные;
2 – операция обработки судоводителем сообщений о состоянии безопасности судна из множест ва 0 ;
3 – операция идентификации ошибок обработки сообщений из множества 0 ;
4 – операция исправления ошибок обработки сообще ний из множества 0 ;
5 – множество параметров состояния безопасности мореплавания l 0, подлежащее последующему контролю и вклю чающее как верные, так и ошибочные величины этих параметров. В рамках обозначений учитывалось, что поток сообщений с выхода операции обра ботки представляет собой чередование последовательностей верно и оши бочно обработанных единиц навигационных данных. Поток сообщений на выходе операции обработки (рис. 1) представляет собой альтернирующий поток восстановления, а функционирование модели самоконтроля описы вается законом распределения Ф ( N, x ) времени обработки N единиц дан ных вида:
Ф ( N, x ) = Ф * (( x N M [ X ( N ) ]) / [ X ( N ) ] ).
Тогда о безошибочности самоконтроля за среднее время ( T ) и о достаточности выделенного ресурса ( C ) для такого самоконтроля мож но судить по реализуемости следующей системы неравенств:
T t ( [ X ( N ) ] ) + N + M [ X ( N ) ] ;
C c t [ X ( N ) ] + N + M [ X ( N ) ], Общая структура механизма самоконтроля (рис. 1) позволяет оценить информационную надежность предложенных моделей. Пусть AM состоя ние механизма самоконтроля, характеризующееся отсутствием сбоев в цик лически замкнутых вершинах графа и принимаемое за функционально ис правное состояние, т. е. безотказное. Тогда функциональную надежность P любого из рассмотренных механизмов самоконтроля можно определить как вероятность нахождения механизма в состоянии AM или Pt = Pt ( AM ), а их информационную надежность в момент t представить так:
m I t = Pt ( AM ) + Pt ( Ai ) 1 P ( X j, t ), X j N 0 i = где P ( X j, t ) вероятность появления входного сообщения навигационных данных X j в момент t.
P( X, t ) = 1, то вероятность правильного вы Если учитывать, что j ходного сообщения в момент t при самоконтроле процессов восприятия и обработки навигационных данных будет равна I t = Pt ( AM ). Таким обра зом, для моделей механизмов самоконтроля как в процессе восприятия нави гационной информации, так и при ее обработке судоводителем показатели информационной и функциональной надежности равны и могут быть сведе ны к единому показателю надежности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Проведенный навигационный анализ аварийных случаев, произо шедших в стесненных водах показал, что большая их часть происходит по вине человека и связана с низким уровнем профессиональной подготовки судоводителей, а также с их психологической неустойчивостью к стрессо вым ситуациям, возникающими при плавании в узостях.
2. Предложенная к использованию документальная норма HS гаран тирует безопасное плавание в стесненных водах без риска для судна, эки пажа (пассажиров), груза и окружающей среды при экономически опти мальной эксплуатации этого судна.
3. Предложенная методика классификации процессов несения ходо вой штурманской вахты дает возможность выделить классы "общих" и "частных" процессов, идущих на мостике судна, и позволяет решать задачи контроля несистемной деятельности "человеческого элемента" из состава штурманской вахты.
4. Составленная индикаторная функция, позволяет оценивать текущее состояние каждого вахтенного помощника, входящего в состав ходовой штурманской навигационной вахты на мостике судна, а также определять величину его неадекватности.
5. Реструктуризации в системе штурманской вахты можно рассматри вать как последовательность рекуррентных стационарных событий и ха рактеризовать их вероятностью, выраженной через коэффициент готовно сти этой системы, полученный для мгновенных несистемных действий «человеческого элемента».
6. Составленные модели механизмов самоконтроля при восприятии и обработке навигационной информации, способны снизить количество ин дивидуальных несистемностей за счёт уменьшения числа ошибок "челове ческого элемента", входящего в состав штурманской вахты.
7. Результаты диссертационной работы использованы в Системе Управления Безопасной эксплуатацией судов компании ФГУП ПИНРО, а также при дополнительной подготовке, профессиональной переподготовке и повышении квалификации лиц судоводительского состава, осуществ ляемых в Мурманском филиале ГМА им. адм. С. О. Макарова.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ 1. Рамков, И. А. Самоконтроль при обработке навигационной инфор мации в структурах безопасного мореплавания / И. А. Рамков, В. И.
Меньшиков // Науч. обозрение. – 2009. – № 5. – С. 14–16.
2. Рамков, И. А. Надежность механизма самоконтроля при восприятии и обработке навигационной информации в структуре безопасного море плавания / И. А. Рамков, В. И. Меньшиков, К. В. Пеньковская // Науч.
жизнь. – 2010. – № 3. – С. 26–32.
3. Рамков, И. А. Самоконтроль при восприятии навигационной ин формации в структурах безопасного мореплавания / В. И. Меньшиков, И. А. Рамков, Р. Б. Рябченко // Эксплуатация морского транспорта. – 2010. – № 2 (60). – С. 45–47.
4. Рамков, И. А. Математическая модель контроля элементов несис темной деятельности штурманской вахты при плавании судна в стеснен ных водах / И. А. Рамков, В. И. Меньшиков ;
Мурман. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2009. – 22 с. – Библиогр.: 6 назв. – Деп. в ВИНИТИ 18.02.2010, № 93-В2010.
5. Рамков, И. А. Особенности безопасного плавания в ледовых кана лах / А. Н. Анисимов, А. А. Сиротюк, А. А. Анисимов, И. А. Рамков // Наука и образование – 2009 : Материалы междунар. науч.-техн. конф.
(1–9 апр. 2009 г.) [Электронный ресурс]. – Мурманск : МГТУ, 2009. – С. 916–917.
6. Рамков, И. А. Анализ аварийности морских судов РФ в период 2003–2007 гг. / И. А. Рамков, А. Н. Анисимов // Наука и образование – 2009 : Материалы междунар. науч.-техн. конф. (1–9 апр. 2009 г.) [Элект ронный ресурс]. – Мурманск: МГТУ, 2009. – С. 970–972.
7. Рамков, И. А. К вопросу о безопасной скорости в канале / Ю. И. Юдин, И. А. Рамков, А. Н. Анисимов, А. А. Анисимов // Наука и об разование – 2010 : Материалы междунар. науч.-техн. конф. (5–9 апр.
2010 г.) [Электронный ресурс]. – Мурманск : МГТУ, 2010. – С. 1192–1193.