Обоснование структуры системы наблюдения за морским пространством на основе ранжирования источников информации

Уже долгое время морское пространственное планирование (далее – МПП) в Российской Федерации (далее – РФ) находится на стадии разработки соответствующих законопроектов ^{[3, 12]} и осуществляется на основании нормативных документов общего характера ^{[4, 5]}. МПП лежит в основе безопасности человеческой жизни в море, экологической, экономической, транспортной, террористической и иной безопасности. Оно концентрирует свое внимание на разрешении потенциальных конфликтов при хозяйственном использовании акватории и сохранении морских экосистем, между различными природопользователями, конкурирующими за морское пространство.

Соблюдение принципов МПП различными типами судов, а также процессов, происходящих в морском пространстве, необходимо контролировать. Таким контролем занимаются государственные органы: в первую очередь это министерство обороны РФ министерство транспорта РФ, МЧС России, береговая охрана, Федеральное агентство по Рыболовству и другие ^[8]. Сбор данных деятельности судов в морском пространстве заинтересованными государственными органами ведется с помощью источников информации, представляющие собой как отдельные технические средства наблюдения за морским пространством, так и сложные информационные системы. Такими источниками информации являются: портовые радиолокационные станции (далее – РЛС) ^[9], автоматические идентификационные системы (далее – АИС) ^[1], оптикоэлектронные средства, системы космического мониторинга судов (например, СМС «Виктория» ^[11]), отраслевая система мониторинга водных биологических ресурсов, наблюдения и контроля за деятельностью промысловых судов (далее – ОСМ) ^{[6, 7]} и другие. Для оценки эффективности функционирования источников информации в морском пространстве, выбора состава и вариантов построения системы наблюдения в конкретных физико-географических, природно-климатических и иных условиях необходим соответствующий методический аппарат. В данной статье автором представлена методика ранжирования источников информации для системы наблюдения за морским пространством.

При МПП необходимо учитывать основные типы объектов (судов), производящих хозяйственную и иную деятельность в морском пространстве и возможные угрозы от них (таблица 1). Но с точки зрения технических возможностей источников информации данным типам судов соответствуют категории (таблица 2), характеризующие предусмотренные на судне технических средств контроля.

Таблица 1 – Основные типы судов, по виду деятельности и возможные исходящие от них угрозы

Таблица 2 – Категории судов с точки зрения установленных технических средств, влияющих на возможности наблюдения за ними

В связи с тем, что многие источники информации специализированы только для одной из категорий судов и технические характеристики для разных категорий крайне разнятся, то производить оценку эффективности функционирования системы наблюдения в целом или источника информации по-отдельности целесообразно для одной выбранной категории при установленных условиях. При оценке эффективности источника информации необходимо учитывать степень выполнения возложенных на него функций в рамках поставленных задач, условий внешней среды, множество факторов и неопределенностей, пространственную и временную вероятность наблюдения, а также востребованность данного источника информации в существующей системе наблюдения. Рассмотрим множество источников информации системы наблюдения за морским пространством i = {1, …, n}. Принципам защиты экономических интересов и охраны границы можно поставить в соответствие показатели источников информации ^[14]:

1. Комплексность – количество функций j реализуемых i-м источником информации для k-й категории судов.

2. Непрерывность наблюдения – коэффициент непрерывности использования i-го источника информации по пространству и времени. Характеризует способность функционирования источника информации по времени в рамках суток и по контролируемой площади.

3. Непрерывность по функциям – коэффициент равномерности распределения пограничных средств по функции j. Максимизация данного показателя обеспечивает одновременное выполнение всех функций заданным набором источников информации Y, и минимизирует невыполнение одной из функции одновременно всеми источниками информации.

1. Комплексность. Обозначим j= 0,…,5 функции, которые возложены на источники информации системы наблюдения ^[13] (таблица 3). Полный набор функций может быть изменен, в зависимости от поставленных задач, категории объекта и условий функционирования.

Таблица 3 – Основные функции источников информации для системы наблюдения

Оценка значения показателей функции j производится в диапазоне от 0 до 1 для каждого источника информации i по каждой (или требуемой) категории k (рисунок 1). В случае невозможности расчета точной оценки значение функции является логическим («да/не», «1/0») и характеризует выполнения или невыполнения данной функции источника информации по выбранной категории судов. Для выбранного ряда функций автором предложен вариант их оценки.

Рисунок 1. Трехмерный массив оценки значения показателей функции j для каждого источника информации i по каждой категории k.

Функция сдерживания источника информации для потенциальных нарушителей пограничного режима, правил МПСС и незаконного вылова ВБР заключается в понимании капитаном судна технических возможностей функционирующих источников информации и последующей неизбежностью наказания. С учётом осведомлённости потенциальных нарушителей о средствах, имеющихся у государственных органов, а также тесного информационного взаимодействия потенциальных нарушителей между собой о новых источниках информации в регионе, значение показателя функции сдерживания стремится к единице для пары «источник информации» – «категория судна» в зоне функционирования источника информации, который способен выявить нарушение.

Функция своевременного обнаружения источника информации зависит от технической возможности обнаружения i-м источником информации судов k-ой категории и временных характеристик работы i-го источника информации и функционирования судов k-ой категории. Вероятность своевременного обнаружения вычисляется по формуле (1).

где: – вероятность обнаружения i-м источником информации судна категории k; – коэффициент своевременности для i-го источника и k-ой категории объектов интереса.

где – продолжительность цикла получения информации от i-го источника информации, соответствует времени обновления информации (например, около 20 сек. для РЛС и 4 часа для ОСМ); – время задержки поступления информации от i-го источника информации до потребителя (органа ФОИВ); – среднестатистическое время действия объекта контроля k-ой категории судов в рамках суток (например, от 2 часов для маломерного судна, ведущего незаконный прибрежный промысел и более суток для судов промыслового флота).

Вероятность обнаружения i-м источником информации объекта зависит от технической возможности i-го источника информации получать информации по объекту определенной категории k и определяется в соответствии с математическим аппаратом для данного типа источника информации (пример, алгоритм расчета вероятности обнаружения РЛС или алгоритм расчета вероятность обнаружения беспилотным летательным аппаратам (далее – БПЛА)), или в соответствии с тактико-техническими характеристиками.

Функция распознавания показывает возможность идентификации судна источником информации. Для тех источников, которые получают информацию от судов, оборудованными техническими средствами контроля, функция распознавания для данной категории судов выполняется полностью (например,), но не выполняется для остальных категорий (например,). Для источников информации, способных определить только лишь отдельные признаки объектов в морском пространстве (например, для РЛС – размер цели, тип цели по скорости) необходимо применить иной подход и установить значение показателя, соответствующее степени идентификации объекта по определяемым признакам.

Функция наведения – логическая функция, соответствующая возможности источника информации при необходимости получать повторную своевременную (близкую к реальному времени) информацию о судне для обеспечения его поиска или непрерывного наведения сил и средств реализации (задержания, уничтожения и др.). Функцию наведения в полном объеме способны обеспечить источники информации регулярность поступления данных от которых, а также задержка передачи информации, стремится к нулю (например, РЛС и АИС). Информационные системы, обеспечивающие периодическую и достаточно редкую передачу информации от судна, данную функцию обеспечить не могут.

Логическая функция фиксации признаков нарушения показывает, является ли информация, полученная от источника доказательной базой при проведении разбирательств при выявлении факта нарушения.

Таким образом, источники информации i для системы наблюдения за морским пространством в зависимости от категории судов k способны реализовать одну или несколько функций j. Например, для группы судов, оборудованных техническими средствами контроля вылова ВБР (k = 5), источник информации ОСМ в разной степени выполняет функции тактического сдерживания, обнаружения, распознавания, фиксации признаков правонарушения. Показатель комплексности для i-го источника информации по объектам k-ой категории рассчитывается по формуле:

2. Непрерывность наблюдения. В зависимости от предназначения i-й источник информации в системе наблюдения за морским пространством характеризуется следующими параметрами: – требуемое время использования источника информации по назначению, соответствующее суточному периоду возможности действия объекта k-ой категории (например, промысловая деятельность обычно ведется в светлое время суток, а переход пассажирского судна может совершаться круглосуточно); – реализуемое время, непрерывного функционирования источника информации по объекту поиска: (например, время непрерывной работы РЛС в соответствии с технической документацией); – требуемая площадь реализации для судов k-ой категории (площадь морского пространства, в которой категория объектов совершает своею деятельность); – реализуема площадь i-го источника информации внутри требуемой площади реализации для судов k-ой категории (например, площадь покрытия зоны обнаружения РЛС в территориальном море для маломерных судов, рисунок 2).

Рисунок 2 – Реализуема площадь i-го источника информации внутри требуемой площади реализации для судов k-ой категории (область пересечения фигур)

Соответственно, коэффициент непрерывности функционирования i-го источника информации для судов k-й категории судов вычисляется по формуле (4).

3. Непрерывность по функциям. В соответствии с принципом слабого звена (целостность любой системы определяется устойчивостью ее наиболее слабого элемента) одинаково важно обеспечить реализацию всех функций в рамках состава конкретной системы наблюдения (таблица 3). Степень реализации функции j всеми источниками информации для категории судов k (рисунок 1) определяется по формуле:

Полагая, что качество реализации любой функции существенно зависит от наличия разнообразных источников информации, коэффициент непрерывности можно определить как минимальную степень реализации каждой функции по k-ой категории судов.

Для ранжирования источников информации i по эффективности функционирования в системе наблюдения Y по судам категории k получаем многокритериальную задачу оптимизации (7). В данной задаче не введен показатель стоимости источника информации в связи с разнотипностью источников информации. Решение полученной оптимизационной задачи возможно различными известными методами: Парето, Борда, Вальда, Севиджа, Гурвица и другими.

Таким образом, автором представлена методика ранжирования источников информации для системы наблюдения за морским пространством. Предложенная методика обладает преимуществами по сравнению с существующими:

1. Методика учитывает не только технические параметры источников информации, но и степень выполнения возложенных на источник функций, необходимых для контроля безопасности морского пространства РФ.

2. Возможно сравнение источников информации с разной структурой (самостоятельные технические средства наблюдения или информационные системы) и разным принципом действия с разнородными несравнимыми техническими характеристиками.

3. Методика учитывает состояние существующей системы наблюдения, куда может быть внедрен ранжируемый источник информации.

Предложенная методика была применена на примере бассейна Баренцева моря при ранжировании широко применяемых источников информации разного типа и принципа действия: РЛС «Буссоль-С», АИС (источник рассматривается с точки зрения приема, обработки, декодирования и отображения информации, передаваемой внешними устройствами АИС в УКВ диапазоне ), оптико-электронный модуль «Фокус-Д» (далее – ОЭМ), СМС «Виктория», АИС-космос (источник рассматривается как информационная система, получающая данные от внешних устройств АИС через аппаратуру ГМССБ), ОСМ; а также специализированных и перспективных источников информации: беспилотная авиационная система «Птеро-G1», загоризонтная радиолокационная станция поверхностной волны «Лагуна» (далее – ЗГ РЛС).

При расчетах для категорий судов и для источников информации использовались средние значения параметров при нормальных условиях среды или параметры из технической документации (таблицы 4 – 5). В расчетах имеются определенные допущения, описание которых в рамках статьи не возможно в связи с ограниченностью объема материала. Для вычисления показателя непрерывности наблюдения были рассчитаны площади районов деятельности категорий судов , а также реализуема площадь i-го источника информации внутри требуемой площади реализации.

Таблица 4 – Параметры судов, взятые для расчета

Таблица 5 – Параметры источников информации, взятые для расчета

* использованы неподтверждённые данные. Расчет значения параметра нуждается в уточнении.

В соответствии методикой рассчитаны показатели эффективности функционирования источников информации по категориям объектов k.

Таблица 6 – Значения показателей комплексности

Таблица 7 – Коэффициент непрерывного функционирования источников информации

Таблица 8 – Степень реализации функции j всеми источниками информации системы наблюдения для категории судов k определяется по формуле

Для выбора оптимальных источников информации для системы наблюдения из перечня по рассчитанным выше по предложенной автором методике показателям воспользуемся правилом выбора по Парето. Согласно методу Парето лучшим является тот вариант, который по всем показателям был бы не хуже первого, а хотя бы по одному показателю лучше него. Для примера проранжируем источники информации для судов категории k = 2 (суда, совершающие переходы вне территориального моря, умышленно или по техническим причинам отключившие технические средства). Так как в примере мы ранжируем источники информации независимо от системы наблюдения в целом (другие источники информации в системе наблюдения отсутствуют), то показатель непрерывности по функциям при ранжировании будет соответствовать – минимальному значению степени реализации какой-либо функции j ранжируемым источником информации для категории судов k = 2. К реализации предложены пять альтернативных источников информации, сравниваемых по основным показателям (таблица 9). Произведем ранжирование данных источников информации по предложенным критериям (таблица 10).

На следующем этапе проведем сравнительный анализ источников информации по данным показателям. Применяя метод Парето, составим таблицы предпочтений (таблица 11) следующим образом: например, для источника информации «РЛС» в клетку пересечения строки «» и столбца «БПЛА» поставим символ «+», если значение по проекту «РЛС» больше, чем по проекту «БПЛА», символ «-», если меньше, знак «0», если значения равны.

Таблица 11 – Таблицы предпочтений по правилу Парето.

Принимая во внимание определение правила выбора по Парето, получаем, что в данном случае выбирается (предпочтительнее других вариантов) тот источник информации, которому в таблице 11 соответствуют столбцы, не содержащие символа «-». Наличие в таблице 11 для источника информации «ОЭМ (3)» столбца «АИС (2)», не имеющего ни одного знака «-» и хотя бы один знак «+», означает, что источник информации «ОЭМ» превосходит источник «АИС». Для источников информации 1, 2, 3, 4, 5, 6 есть источники (7, 8), имеющие преимущество. Таким образом, при заданных параметрах и условиях источники информации БПЛА и ЗГ РЛС наиболее эффективны для судов 2-й категории, и относятся к первому рангу Паретооптимального множества. Для выявления остальных рангов, процедуру ранжирования необходимо повторить, исключив из нее источники первого ранга.