英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

船舶交通管理系统的到达控制模型

摘要：海上交通是一个分布式的，自组织系统。在资源丰富的情况下，这已经被证明是成功的。然而，邻近港口导航空间受限，机动空间减少时，会对航行效率和安全产生消极影响。本文讨论如何使用功能性的做法在海洋领域建立到达管理模型，以缓解航行效率和安全。该管理系统需要适应海洋领域的要求：大块状，小的安全边际，和复杂的船舶控制。主要重点将是恢复能力，确保在任何时候安全和控制实现效率。

关键词：控制系统、建模、控制论、船舶交通管理、恢复能力

第1章 介绍

航空和航运的交通运输系统都具有固有的分布式系统和自主行为。尽管他们有很多相似之处，他们的组织方式却非常不同。在航空方面，交通管理主要是集中式控制，从一个点优化交通的流畅性和安全性。在航运方面，集中式控制几乎是不存在的；该系统是完全分布式的。当资源丰富时，这种分布式的交通运输系统工作非常好；但当通航空间等资源有限时，也会存在明显的不足(van Westrenen and Praetorius 2012)。这种情况在周围都是港口的地方最为明显，包括机场。设计一个能够优化交通流畅性并维持期望水平安全性的系统是复杂的。它必须能描述出交通的流畅性和安全性是如何实现的，以及需要什么系统来实现这一点。

航运有着悠久的历史。直到最近船舶一旦离开港口便变得完全自主。船舶的设计，船员的组织和培训，以及海洋法反映了这一自主权。船长对个体船舶的安全和船舶的合理航行负责（国家研究委员会1994）。然而，现代的技术已经解除了船舶的隔离，船舶已成为迫使他们实现航行计划传输链的一个组成部分。船舶正迅速变得更大、更快（更动能）。他们运输货物可能对环境有害。而且，通过创建主要货运航线和相关港口（枢纽），即使相对较小的事故也可能对国际运输产生重大影响。在深海，船舶导航自主，并允许不受限制的操纵。但在港口，所有的行动都需要进行协调以确保流畅度和安全性。因此，本文提出了如何实现这种协调的问题。

在以前的出版物中，有人认为把一些岸基设施集中将是协调职能实现的优选形式(van Westrenen and Praetorius 2012)。 在一个港口状的情况下，协调能够以船舶交通管理（VTM）的形式实现，通过协调船舶运动与港口服务以优化安全性，流畅性，和资源计划。这可以被认为是船舶交通支撑发展可能的下一步骤，就像Nuutinen等描述的那样（2007）。在这篇文章中，模型方法将介绍船舶交通管制如何在控制不同级别的情况下被实现。控制系统的观点将被运用到此功能设计中，主要的目标将是实现交通管理过程中的恢复能力。本文的目标是一个可以在适应眼前情况下实现安全和优化效率系统的设计。在这篇文章中，模型和设计主要作为互换的概念。

第2章 海上交通

海上交通有它不同于公路运输和航空运输等交通系统的独特特点。两个最突出的特点是船舶的大小和自主权，船舶可以在不用补给或其他援助的情况下运行数周甚至数月。这篇文章中重点考虑的船舶特点如下：船舶的大惯性，船舶大小的大变化，船舶设计的缺乏标准化，强大的本地电流干扰，运作接近物理边界，进入港口不返回。

在资源受限的情况下，船舶的自主性会成为问题，例如在船舶进入港口或海峡时。图1显示出了这样的情况，船舶的大惯性和操作的受限性要求集中式规划。这种类型的支持将被称为战略支持。

图1 到达端口资源不足

规划、分配资源可能是不够的。船舶大的变化，对工作的大扰动，以及固有安全性限定可能会在战术层面需要额外的支持，通过船舶之间合作的方式实现该计划。这种需要在战术层面集中支持的情况可以在鹿特丹附近发现。

2.1战术岸基控制

当船只在抵达鹿特丹，岸基驾驶员（SBP）提供战术控制。战术支持的目标是实现船舶之间同步或编排。船舶随机到达港口；规划是基于可用性的码头空间，这是随机的交通角度。它们从不同方向到达航道端口，但需要在排成单行队列，离散地进入航道。船舶交通流合并后，驾驶员将登船驾驶船舶进港。 鹿特丹的入口处的情况如图2所示。

鹿特丹的情况是非常特殊的，但被作为一个代表性的例子以用于解决战略交通管理的一般问题。本文的问题是如何在这样的情况下实现海上战略交通管理。安全是最重要的，效率是目标。

图2 驾驶员马斯宫在鹿特丹港的入口（右下），显示三条交通流。

白色区域超过20米深，浅灰色地带则少了20米。中间灰色是交

通分离计划。中间的小箭头是驾驶员的登机区域

第3章 动态系统分析

从控制角度看，交通管理是一个监控系统，监控系统性能并调节控制参数以优化性能（Sheridan 1992）。实际的控制是委托给下级控制。在线性控制系统中，理论已经表明出只有当系统控制之下的动力学是已知的，并且性能准则在被定义情况下，系统性能才能被优化(Conant and Ashby 1970)。在最优滤波器理论中，除了系统动力学，成本准则和干扰的统计也必须是已知的(Kalman and Bucy 1961)。斯莫尔伍德（1967）认识到有必要在模拟操作人员的行为时纳入操作者环境的内部模型。由科南和阿什比（1970）定义的定理把它更简单化：“每个系统的良好调节器必须是一个系统的模型。”。由此，可以得出结论，对于正确的监控，操作者需要具有：

系统的内部表示；

包含系统静力学和动力学；

要实现的目标；

干扰的特点。

（还参见Stassen等，1990）。

模型的使用对船舶的控制是至关重要的。船上的舵手依赖于船舶控制的内部模型（1976年Veldhuyzen；1994年Papenhuijzen）；驾驶员需要控制下的船舶模型来指导自己战术决策(van Westrenen 1999)。为了控制系统，操作人员需要采样系统状态。内部表示不仅允许操作者知道系统的当前状态，而且预测未来行为，允许他优化采样并作出更好的控制决策。最后，控制决策需要被实现。这种控制能力对内部代表的建设和取样行为至关重要。

交通系统与一般过程控制不同。它是地理上分布的，并且系统由于交通参与者进入和离开而连续变化，约束着观察和控制的机会。控制的过程是系统的节奏，由于交通不断进步，制约工作负载管理。并且所有信息由无线电通信渠道限制，制约信息交流。

第4章 交通管理的恢复能力

交通管理在海洋领域或VTM是为了实现安全性和效率。因为只有在安全的情况下效率才是必要的，所以很难将两者分开。因此讨论交通管理与恢复能力的关系可能会更好。恢复能力被认为是高风险的交通管理是必不可少的。灾难性故障的成本是如此之高，该系统应该总是能够吸收和重新组织，以应付干扰。从控制的角度来看，一个恢复能力的系统将有三个级别的控制：强健，适应性和恢复能力控制。在恢复能力系统中，三个级别都需要被设计。表1显示了三种类型的控制与相应恢复能力的特性。

表1控制类型的特征

强健系统被设计为了显示在一定的操作条件或干扰范围下的稳定控制。当参数变化，系统仍然运作，并且不需要调整。在现实世界条件变化迅速的情况下，系统始终显示鲁棒性。鲁棒性被限制为一组设计原则是有效的预定运行条件。当船舶进入该地区，并纳入该交通，必须在没有任何以前知识的情况下来实现控制，并且这样的控制依赖于强大的技术。

自适应系统可以调整其控制设置，以在操作条件变化时保持稳定；适应新形势。自适应系统具有更大范围的条件，它可以操作一个更强大的系统，同时保持所需的特性。然而，要显示适应性，系统依赖于如何描述系统适应的规则。适应也需要一定的时间，限制变化率。适应性只有在条件被适应规则覆盖的情况下被提供。在船舶控制过程中，操作员将随着时间的推移了解船的特性并逐渐适应它。

当操作条件与设计规范分离时，恢复能力系统能够重组其运作。恢复能力可以看作是为应对新的形势对现场系统的重新设计，并在这些新的情况下出现。

为了能够重组，该系统依赖于指导原则，即确定优先次序，并以预定方式的帮助重建进程。因此，应变能力是一个系统性设计。出现是一个不直接从设计中呈现，但是当运行时呈现出本身复杂适应性的系统特点。为了能够表现出恢复能力，该系统的目的需要定义一个不完整的抽象功能，以允许重新这样设计。出现导致设计系统特性不受设计的限制。恢复能力在交通管理方面是指吸收的干扰，同时维持其功能的能力。伍兹从组织系统的角度对此进行了探讨（伍兹2006年）。

Holling（1996）指出恢复能力的两个方面：生态恢复能力和工程恢复能力。生态恢复能力是关于维持功能的存在，而工程恢复能力是关于维护功能的效率。在交通管理中，两方面都起到一定的作用，但由于安全性被认为是最重要的，生态恢复能力成为主要的焦点，而工程恢复能力成为附属。当功能不再能够被维持时，安全性则存在风险。

生态恢复能力的特点有以下四个方面（Walker等，2004年）：

1.范围：运动空间; 在不跨越阈值的情况下系统可改变的最大数量。

2.电阻：改变系统如何困难；以及如何抵消干扰。

3.不稳定：安全边际；当前状态的接近阈值程度。

4. 扰沌：结构或分层嵌入，其中系统层之间的相互作用会影响波动的响应。

人类工作是在目标和约束的影响下形成的。最少的努力和最高的效率是这一进程中重要的驱动力。最大的机会在不会崩溃并可能最大化阈值附近被发现。知名的阈值由“可接受的性能”，“经济可行性”和“上可接受的工作量”构成。因此，一个系统可以尽量减少不稳定或安全边际（Rasmussen1997，1999）。这也是由Holling在生态环境中观察到的，大多机会在阈值附加被发现（1996年的Holling）。

第5章 VTM作为控制系统

在活跃的海上交通管理中，三级控制可以分为：战略，战术和操作控制。第一个是装置选择的方法，第二个是装置使用的方法，第三个是装置控制的方法。

在船舶进入港口的控制中，三个层次的控制与三个时间窗相关联。重叠过程如图3所示，在控制内的焦点指示。

图3时间的控制水平

控制战略作出的决定是指规划交通负荷，规划冲突检测，规划解决冲突。该决定是关于时间和地点的，为了能够做到这一点，就需要从下级输入系统的性能和单独计划。

战术层面的决策是通过设置一个路由（航点）或路径（引导）操纵和解决冲突。输入是船舶的性能参数。 最后，选择操作控制，舵和推力来实现期望的航向和速度。其目的是使船上的定点驾驶保持良好的船舶距离，同时保持流畅性。

5.1 三种类型的控制

此前有人认为，一个恢复能力的系统应该表现出三种类型的控制：强健，适应性和恢复能力控制。在解决船舶大小和类型的大波动时，鲁棒控制得到了连续的显示。当船到达时，有关船舶的参数的控制器知识是非常有限的，但它需要立即开始控制。自适应控制可以以多种方式显示；其中的一种是更详细的探讨。船舶控制可以在三级完成：

1.路由（路标）

2.引导系统（航向和速度）

3.机动（舵和推力）

这种选择在很大程度上取决于航行的安全系数有多大的；边缘越紧，被选择的船舶控制类型越低（它被认为是模式）。一个较低的控制水平增加工作量和减少控制跨度。

组织交通流可以看到一个类似的模式；船舶越接近，行使控制的类型越低，并且更多的控制会从船上转到岸上。除了任务转移，控制器需要学习新系统下控制的系统特性。位置控制的改变取决于实际的交通状况，并通过各个控制器决定。基本图案如图4所示，控制水平最高的区域是最小的那一部分。

图4 三种类型（或模式）船舶控制适应交通密度和

实现所需的船舶状态的准确性：路由，矢量和操纵

第6章 功能模型

几种技术在功能级别中是已知的模型、设计和分析，如SADT软件（例如马卡和高恩1987），FRAM组织（egHollnagel2012），和抽象层次（例如Rasmussen的1986分析; Bisantz等2003; Burns等2005）。基于系统控制工程，一个稍微不同的方法被选择。本文中使用的抽象功能的基本表示形式如图5所示，它在本质上是一种模式识别和决策系统。输入包含系统动力学，作为内部表示的约束驾驶模式识别，资源提供系统静力学，和对照驱动的决策过程。抽象功能定义如下：

1.输入：系统动力学，行驶功能。

2.软约束：引导功能，例如文化，条款和规则。

3.控制：确定功能如何实现，例如参数，目标。

4.输出：所述函数的结果。

5.资源：系统静力学，提供机会。

6.硬约束：强制的功能，例如物理法律，系统属性。

图5 基础功能元素

它们一起定义要实现的目标。功能身可以不直接限定，但操作数（输入/输出）和转换定义的功能完全是在抽象层次上的需要。在这篇文章中，一个系统是提供统一的或单一的一组变量。这个定义还确定什么需要被包括在系统模型中以及要求定义系统所需操作数信息的详细程度（阿什1956）。需要注意的是，上面的两个连接器是“软的”，而底部的两个是“硬的”。硬的部分约束那些可能的系统状态和它们之间的路径，软的部分是目标。

在设计一个系统时，必须在一个函数和一个程序之间进行严格的分离，以实现该功能。程序被视为一个人工语法来补偿缺少的特性语法。因此，程序是附件的功能，需要单独分析。程序将不会在这篇文章中进一步讨论。

<p

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</p

资料编号：[152359]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word