Статья: ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТЕСТИРОВАНИЯ НА ПРОНИКНОВЕНИЕ В АСУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ (2024)

Рассмотрено два сценария использования беспилотных транспортных систем для морских пассажирских терминалов: идентификация пассажиров в терминале и отслеживание движущихся объектов. Экспериментальное исследование сценариев и разработанных подпрограмм автоматизации по идентификации пассажиров выполнено на базе лаборатории беспилотных авиационных систем Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения. Для модели пассажирского терминала в специализированной среде Gazebo выполнено моделирование полетных заданий беспилотных систем. На основе серии экспериментов установлено, что выбранный метод Histogram of Oriented Gradients демонстрирует высокий уровень точности и надежности. Отмечается, что коэффициент корреляции Мэтьюса, достигший 95,09 %, свидетельствует о высокой степени согласованности и качества бинарной классификации методов машинного обучения. При проведении испытаний метод Histogram of Oriented Gradients показал, что наряду с более низкими результатами точности получены высокие результаты чувствительности (Recall), составляющие 97,53 %. Это свидетельствует о том, что применение данного метода позволяет эффективно минимизировать количество ложноотрицательных результатов, что является особенно важным в задачах, где пропуск и потеря объекта при его идентификации могут иметь серьезные последствия. Разработанное автоматизированное решение должно иметь возможность применения для динамического мониторинга за перемещением пассажиров в терминале в режиме реального времени, а также позволять выполнять обработку потока данных с беспилотных систем в центре управления терминалом. Рассмотренная модель HOG для обработки изображений от беспилотных систем предназначена для распознавания объектов пассажиров в терминалах с использованием библиотеки OpenCV. В результате выполненного исследования наряду с эффективностью использования рассматриваемого метода доказана эффективность разработанных новых подпрограмм автоматической идентификации пассажиров и других заданных объектов, а также идентификации и отслеживания объектов в реальном времени при их интеграции в информационные системы морских пассажирских терминалов, способствующей повышению уровня безопасности и эффективности мониторинга.

В статье выполнен анализ современного состояния рыбопромыслового флота Республики Крым. Указаны проблемы недостаточно эффективного его использования и низкого темпа развития, причинами которых в значительной степени являются моральный износ судов и главных и вспомогательных элементов энергетических установок, а также нерациональная организация системы технической эксплуатации флота. Выполненный анализ позволил выявить причины низкой конкурентоспобности находящегося в эксплуатации специального рыбопромыслового оборудования, играющего важную роль при ведении промысла гидробионтов. К основным из них относятся несовершенство методов расчета и проектирования, неполнота нормативной базы по расчету эксплуатационных нагрузок, отсутствие разработанных систем автоматизированного управления и соответствующего программного обеспечения, позволяющие адекватно учитывать специфику работы рыбопромыслового оборудования. Отмечается, что при создании нового грузоподъемного оборудования рыбопромыслового судна необходимо применение системного метода проектирования с целью обеспечения требуемых показателей мощности, грузоподъемности, скорости, энергетических показателей, стабильности нагрузки, эксплуатационной и экологической безопасности, а также экономической эффективности. Современные методы проектирования машин и механизмов предполагают разработку адекватных математических моделей, которые воспроизводят в пространстве и времени их состояние под действием влияния эксплуатационных нагрузок, учитывающих внутренние и внешние факторы. Приведено описание алгоритма эксплуатационно-стоимостного анализа с использованием математической модели системы привода грузоподъемного устройства. Проектирование и модернизация рыбопромыслового оборудования с использованием предложенного алгоритма позволят обеспечить баланс между эксплуатационными и стоимостными характеристиками оборудования, что является необходимым условием для создания современных конкурентоспособных судовых технических средств.

Рассмотрено конфигурирование сплайн-траектории с интеграцией критерия гладкости в оптимизацию пути при следовании морского подвижного объекта в заданном направлении с учетом ограничительных навигационных препятствий. Плавность траектории исследована в качестве использования возможности уклонения от запретного района плавания за счет организации вариативной гибкости сплайновой конструкции в качестве реализации возможности быстрой динамической перепланировки в случае недоступности изначально выбранного пути. Аргументировано понимание интеллектуального планирования пути как эффективной маршрутизации при стратегическом соблюдении условия максимально быстрого достижения цели кратчайшего перемещения в конфликтной навигационной среде. Обоснован феномен кубической В-сплайновой аппроксимации как рациональное средство синтезирования линии пути, поскольку планируемая траектория может быть сгенерирована сегментированным образом для разных вариаций кривизны алгебраической кривой на основе сбалансированного сочетания изогеометрических ограничений при оптимальной расстановке узлов. Изменчивое генерирование сплайновой формы выполнено путем координирования сеточных точек с финитными функциями при интерактивной реализации эффекта сглаживания. Сделан вывод о том, что эвристическое варьирование параметров сглаживания позволяет получать В-сплайны различной геометрической эволюции с возможностью трансформации многозвенной структуры линии движения судна без необходимости формирования принципиально нового маршрута. Ввиду кусочной архитектуры сплайна выдвинута гипотеза устойчивости сплайновых конструкций, когда локальные нарушения математической композиции критически не отражаются на общей задаче моделирования траекторной конфигурации. Отмечается целесообразность применения вариативного моделирования маневренной траектории в режиме реального времени для планирования пути за счет оперативного изгибания кубических В-сплайнов во избежание любых столкновений. В качестве демонстрации практической применимости построения оптимальной конфигурации сплайн-траектории спроектированы в виде последовательных компьютерных скриншотов два различных варианта сплайнового маршрута в режиме реального времени. Актуализирован вопрос обеспечения автоматизированного формирования маршрута с синхронным представлением геометрического компьютерного сопровождения безопасной линии пути вахтенному помощнику, стимулирующему возможность интеллектуальной помощи штурману в использовании стратегии мгновенного принятия согласованного решения по управлению судном за счет обеспечения ситуационной осведомленности. Разработанный алгоритм апробирован в качестве гармонизированной поддержки судоводительскому составу при организации эффективной маршрутизации. Предложено гипотетическое использование сплайнового подхода для расчета траектории морского автономного надводного судна с целью практического формирования концепции безэкипажного судоходства.

Темой исследования является организация перевозок сборных партий грузов с применением контейнерных технологий - сложная многоцелевая задача принятия решений как в техническом, так и в экономическом плане. Сложность данной задачи обусловлена тем, что при выборе варианта принятия решения о перевозке приходится учитывать многие критерии и требования, часто вступающие в противоречие друг с другом. Отмечается, что в настоящее время почти все математические методы оптимизации транспортных процессов предназначены для нахождения экстремума одной целевой функции. Поэтому в ходе решения транспортных задач многоцелевые задачи нередко сводятся к одноцелевым, что приводит, как правило, к искажению сути проблемы и, как следствие, к подмене одной задачи другой. В предлагаемой работе рассмотрен метод на основе принятия компромиссных решений, заключающийся в организации транспортировки на основе взвешенного решения, в котором в определенной пропорции могут фигурировать все существующие факторы организации перевозки сборных партий грузов с территории морского терминала вглубь материка с применением существующих перспективных технологий применения новых средств укрупнения грузов, а именно: дальность доставки грузов с применением контейнерных технологий, стоимость транспортировки и сроки перевозки. При использовании данного метода предполагается получение не однозначного ответа, а множества рациональных предложений для принятий решения ответственным лицом.

В настоящей статье рассмотрена задача оптимизации процесса загрузки танкера нефтеналивными грузами. Приведено краткое описание широко распространенной конфигурации нефтеналивных терминалов. В качестве критериев оптимальности выбраны такие параметры, как время завершения грузовых операций со всеми запланированными судами (необходима минимизация этого показателя) и суммарное время судов в очереди на обработку (также необходима минимизация). Отмечается, что рассматриваемая в работе задача взаимосвязана с задачей назначения причалов судам, известной в международной научной литературе, как Berth Allocation Problem. Исследовано текущее состояние проблемы Berth Allocation Problem и выполнен анализ ее разработанности. Отмечается, что исследования по данной теме в основном сфокусированы на контейнерных терминалах и в меньшей степени на терминалах, специализированных для навалочных грузов, а также, что количество исследований задачи Berth Allocation Problem для нефтеналивных терминалов невелико. В статье ставится задача разработки математической модели на основе средств работы с электронными таблицами, которая позволит сравнивать варианты назначения причалов для судов нефтеналивного терминала, выбирая оптимальный. Описаны основные переменные модели, их взаимосвязь, принятые допущения и сценарии, на основе которых выполнено сравнение вариантов назначения причалов для танкеров. Приведены результаты моделирования, наглядно демонстрирующие разницу между условным вариантом полного отсутствия диспетчеризации на терминале и вариантом рациональной диспетчеризации, т. е. рационального распределения судов по причалам. Отмечается, что даже при незначительной разнице в сроках окончания обработки всех запланированных судов имеется существенная разница между суммарной продолжительностью простоев судов в ожидании погрузки. Сформулированы выводы и основные возможные направления дальнейших исследований по данной теме.

Темой исследования является имитационное моделирование, которое в настоящее время является одним из наиболее распространенных методов анализа и проектирования в сфере транспорта. Большинство задач в этой области связано с построением и исследованием характеристик маршрутов на плоскости. Отмечается, что использование компьютеров в качестве инструмента для этого в первую очередь требует создания адекватных и эффективных способов представления этих маршрутов на акваториях и территориях в вычислительной среде. Классическим представлением подобного рода является дискретное пространство, в котором каждому элементу физической поверхности взаимно-однозначно сопоставлен элемент в памяти компьютера. Как следствие, реальному физическому пространству ставится в соответствие прямоугольный массив данных, каждый элемент которого содержит те или иные выбранные для моделирования свойства исходного объекта. Состав массива данных определяется спецификой задачи. Такой способ представления, являющийся наиболее эффективным с вычислительной точки зрения, имеет в то же время значительный недостаток, объясняемый различной природой свойств исходного объекта и его компьютерной модели, а именно непрерывности и дискретности базовых представлений. При его использовании любые кривые и даже прямые линии, не ортогональные системе координат, изображаются в виде ступенчатых фрагментов, что иногда может приводить к потере основных характеристик. Отмечается, что оцифровка криволинейных объектов, понимаемая как их перенесение с непрерывной геометрической плоскости в дискретное пространство, является сложной и неоднозначно решаемой задачей. В настоящей статье описывается эффективный и объективный алгоритм, используемый для решения этой задачи.

Темой исследования является одно из условий сбалансированного развития портовой инфраструктуры Российской Федерации: автоматизация и цифровизация как терминального процесса в целом, так и отдельных составляющих его технологических операций. Отмечается, что перевалка контейнеров в складской зоне является самой трудоемкой и часто выполняемой вспомогательной операцией технологического процесса любого контейнерного терминала. Поэтому разработка наиболее часто используемых систем помощи водителю мобильной перегрузочной техники на основе цифрового двойника данной операции является востребованной с точки зрения цифровизации терминала. Объектом исследования является технологический процесс перевалки контейнеров в операционных зонах терминала с формированием вспомогательных штабелей для ускорения операции передачи грузов различными видами транспорта, а также осуществления других вспомогательных операций. При этом перегружатель выполняет операцию частичного расформирования операционного штабеля с изъятием из него некоторого числа целевых контейнеров, составляющих перемещаемый во вспомогательный штабель логистический поток груза, с последующим возвратом блокирующих контейнеров назад в их прежние стеки операционного штабеля. Методом исследования в работе является моделирование сценариев в зависимости от последовательности возможных состояний моделируемого технологического процесса, используемым математическим аппаратом - автоматное программирование, инструментом моделирования - детерминированный конечный автомат. Основной целью разработки модели служит преобразование функции управления погрузчиком при выполнении операции селективного поиска контейнеров в операционном штабеле в цифровой код, т. е. отображение последовательности его возможных состояний в последовательность символов управляющей строки автомата. Результатом исследования являются цифровая имитационная модель операции селективной выемки контейнеров из операционного штабеля с реализацией схемы работы по принципу полного разбора блокирующих стеков и выемки контейнеров только из ближнего ряда, а также доказательство адекватности диаграммы переходов конечного автомата к механизму функционирования моделируемой операции. Местом использования цифровой модели операции селективной выемки контейнеров в архитектуре цифрового двойника контейнерного терминала выбрана виртуальная среда системы автоматизированного управления мобильным перегружателем, работающим в тыловой зоне. Основным преимуществом использования данного варианта конечного автомата как элемента автоматизированной системы управления мобильным перегружателем является отсутствие необходимости экстренного прерывания технологического процесса для отладки работы последнего на рабочих позициях.

Темой исследования является изучение вопроса регулярных ежегодных перевозок туристов на внутренних водных путях регионального значения, расположенных в территориальных границах Санкт-Петербурга, речными пассажирскими судами в рамках прогулочных, экскурсионных и культурных программ. Отмечается, что достаточно интенсивное пассажирское судоходство требует обеспечения высокого уровня безопасности. При этом подчеркивается, что задача обеспечения безопасных судоходных условий осложняется тем, что движение судов осуществляется в стесненных условиях, обусловленных не только шириной и глубиной водного пути, но и высотой судоходных пролетов мостов. В качестве объекта исследования выбраны наиболее привлекательные для туристического судоходства малые реки и каналы Санкт-Петербурга: Фонтанка, Мойка, Ждановка, Канал Грибоедова, Крюков канал и Зимняя канавка. Предметом исследований являются судоходные условия на указанных водных путях. В рамках настоящей работы выполнен анализ соответствия судоходных условий на внутренних водных путях действующим нормативно-правовым документам. Результаты исследований показали, что благодаря совершенствованию нормативно-правовых актов и проведению организационно-технических мероприятий отмечается повышение уровня безопасности судоходства на внутренних водных путях регионального значения Санкт-Петербурга, однако при этом задача обеспечения безопасного прохождения судов под мостами остается решенной не полностью. Сделан вывод о том, что для обеспечения безопасного плавания судов под мостами через реки Фонтанку, Мойку и Ждановку, Канал Грибоедова, Крюков канал и Зимнюю канавку необходимо определить расчетный судоходный или максимальный судоходный уровень для каждой из переправ и привести в надлежащее состояние навигационную сигнализацию судоходных пролетов мостов.

Темой исследования является анализ проблемы транспортного обслуживания пунктов с необорудованным берегом, расположенных в большинстве на побережье арктических морей и Дальнего Востока, которая является актуальной на протяжении нескольких десятилетий. Отмечается, что в отличие от обычной практики грузовых операций у причалов и на рейде в условиях необорудованного берега погрузка / выгрузка зачастую осуществляется в условиях касания судном грунта, при этом имеет место повреждение корпуса судна, а иногда в аварийной ситуации для спасения экипажа и судна необходима принудительная посадка судна на мель. Отмечается, что вследствие этого необходимо наличие системы предварительной оценки контактных условий при частичной посадке судна на грунт. В статье представлена математическая модель для жесткого корпуса судна, садящегося на мель, при этом проникновение в грунт малό по сравнению с возвышением носовой части (судно рассматривается как упругий брус). Показано, что первый контакт между носовой частью судна и грунтом приводит к высокому пику нагрузок, затем судно продолжает частичное скольжение вверх по уклону. При этом силы инерции в качестве аппроксимации рассматриваются как малые по сравнению с силами реакции грунта и гидростатическими силами. Помимо силовых воздействий учтены динамические характеристики конструкции прогибающегося корпуса. Полученное решение системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих движение судна при посадке на мель, включает продольную, вертикальную и наклонную составляющие. Предложенное решение позволит рассчитать контактные усилия, возникающие в момент соприкосновения корпуса с грунтом, с учетом ударной нагрузки и особенностей конструкции судна.

Статья посвящена сейсмическим донным наблюдениям на море, текущему состоянию данного вопроса и путям развития донной сейсморазведки с применением роботизированных средств. Выполнен обзор текущих видов донных сейсмических съемок и их подразделение на два основных вида: глубоководные работы и работы на мелкой воде и в переходных зонах суша - море (транзитных зонах). Показаны основные применяемые технологии донных работ и рассмотрены проблемы каждой из них. Подробно представлена технология работы с самовсплывающими станциями для применения на глубокой и мелкой воде. Показано преимущество применения этой технологии для донной части гибридных съемок на глубокой воде. Представлено несколько вариантов перспективы развития самовсплывающей станции на глубокой воде. Подробно проанализировано новое направление донной сейсморазведки на глубокой воде, состоящее в создании и применении большого количества автономных подводных дронов, каждый из которых дополнен возможностью приема и записи на дне сейсмических донных наблюдений. Для мелководного сектора донной сейсморазведки предложена новая технология роботизированных съемок на основе использования безэкипажного судна-носителя самовсплывающих станций и автоматизированных самовсплывающих донных станций, работающих без оставления груза на дне. Проведены реальные морские испытания модели донной самовсплывающей станции без оставления груза на дне. Найден и испытан эффективный способ автоматической постановки станций на дно. Проведены морские испытания всплытия предложенной модели с использованием технологии сжатого воздуха. Выявлены проблемы предложенной модели и найден устойчивый модифицированный вариант ее всплытия при любых погодных условиях.

Темой исследования является одна из наиболее важных задач морской навигации в обеспечении безопасности и эффективности мореплавания, а именно точность определения координат места судна. Несмотря на интенсивное внедрение информационных технологий и повышение точности навигационных систем и методов в списке актуальных задач мореплавания постоянно находятся исследования, связанные с точностью определения координат места судна. Традиционно под оценкой точности текущих координат места судна в морской навигации понимается априорная оценка влияния комбинации случайных погрешностей измеренных навигационных параметров на случайные погрешности рассчитанных координат. С помощью этой информации осуществляется подмена точности текущих координат места судна понятием «точность работы навигационной системы или метода», что принципиально является теоретическим несоответствием. Целью данного исследования является попытка частично компенсировать это несоответствие. Для этого предложен индикатор, позволяющий косвенно оценить текущую точность обсервованных координат места судна по информации, содержащейся в избыточных измерениях, полученных в масштабе реального времени без использования априорных данных. Идея индикатора основана на оценке площади фигуры погрешностей линий положения, ограниченной ее внешним контуром при высоком уровне избыточности измерений, обеспечивающих вероятность нахождения истинной точки в этой фигуре, равной 100 %. Отмечается, что современная навигационная техника характеризуется не только высокими точностными характеристиками, но и позволяет наращивать объем измерительной информации, используя для ее обработки современные технологии, включая платформы Big Data. Возможность определения текущей области с полной достоверностью нахождения в ней истинной точки стимулирует развитие следующего более технологичного и перспективного уровня автономных методов определения места судна, который напрямую относится, например, к развитию азимутальных методов мореходной астрономии, позволяющих выполнять неограниченное количество измерений в отсутствии видимого горизонта, что, несомненно, является актуальным при плавании судов в условиях высоких широт, особенно в длительный период полярной ночи.