Ponomaryova V. Methods for Developing Automated Ship Steering Systems Based on a Navigator Qualification Model

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0825U000756

Thesis Registration Form

0825U000756.pdf

Applicant for

Specialization

  • 151 - Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології

Specialized Academic Board

PhD 7979

Kherson State Maritime Academy

Essay

A qualification research paper (manuscript) submitted for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 151 «Automation and Computer-Integrated Technologies.» — Kherson State Maritime Academy, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kherson, 2024. Contemporary maritime navigation is at a crossroads of information innovations and the rising complexity of navigational conditions. Despite the integration of advanced navigation systems such as ECDIS, AIS, and autopilot systems, the human factor remains the primary cause of the majority of maritime accidents. Analysis of Accidents (EMCIP Navigation Accidents – Summary Report) showed that among the 573 recorded incidents, human actions remain the most common cause (447 cases, or 78.0%), of which 37.0% involve collisions, 30.0% groundings, and 11.0% contacts. The next most frequent are accidents caused by another vessel (78 cases, 13.6%), with 6.3% resulting in groundings, 4.9% in collisions, and 2.4% in contacts. They are followed by system or equipment failures (44 cases, 7.7%), of which 3.7% are due to groundings, 2.1% to collisions, and 1.9% to contacts. Finally, in 4 cases (0.7%), the cause of the accident could not be determined. The key problem lies in the absence of an integrated approach to real-time assessment and forecasting of navigators’ qualification parameters. The foundation for determining these parameters is provided by the content of the state qualification examination in “Maritime and Inland Water Transport” (synchronized with IMO Model Courses and approved by Order No. 1067 of the Ministry of Education and Science of Ukraine dated September 1, 2023), as well as by the requirements of the STCW Convention (Section A‑VIII/2) and the ISM Code (Clause 1.2.2) concerning proper watchkeeping, resource management, and the prevention of human errors. Consequently, there is a need to develop methods for creating automated vessel control systems based on navigators’ qualification data. The central idea of this research is that applying automated ship steering methods and tools — based on intelligent systems using fuzzy logic — to evaluate and restore a navigator’s qualification parameters can reduce the influence of the human factor on navigation processes. The primary objective of the study is to create a qualification model of the navigator that integrates technical, cognitive, and behavioral aspects and to develop modules for risk assessment, identification and restoration of qualification parameters, and action analysis in critical situations. Research tasks: Conduct an analysis of existing methods and tools for managing the qualification component of maritime organizational and technical systems (OTS). This includes identifying qualification parameters that affect the effectiveness of these systems and developing structural and logical schemes and control models. Develop and substantiate a navigator qualification model for automated ship steering that integrates technical, cognitive, and behavioral aspects. This involves designing methods to assess qualification levels based on fuzzy logic, forecast navigational risks, make decisions under uncertainty, and create a cognitive module for analyzing intuitive actions. Develop a method for automated identification and evaluation of navigator qualification parameters under complex navigational conditions using intelligent systems and fuzzy logic. Formalize membership functions for key navigational factors — such as proximity to hazardous objects, speed, currents, wind, and visibility — create a fuzzy rule base, and perform simulation modeling to assess the influence of qualification parameters on overall navigation risk. Develop software that operates online and implements the algorithms of the proposed integrated method. This software includes modules for automated OCR processing of images, comparing textual data and geolocations to analyze information from multiple ECDIS screenshots, visualizing geographic data on maps, and providing a decision support module for the officer on watch. The object of research is the processes involved in defining the navigator’s qualification model for controlling a vessel’s movement. The subject of research is the models and methods for creating automated ship control systems based on the navigator’s qualification model. Subject of research is methods, models, and algorithms for developing automated ship steering systems grounded in a navigator qualification model, including the development of software modules for real-time decision support. Scientific significance of the results lies in the development of a comprehensive method and new approaches to automated ship steering and navigator decision support. These approaches integrate technical, cognitive, and behavioral aspects into the navigator qualification model.

Read more

Research papers

Gritsuk I.V., Nosov P.S., Ponomaryova V.P., Diahyleva O.S. Reduction of navigation risks by using fuzzy logic to automate control processes under uncertainty. «Наука і техніка сьогодні» (Серія «Техніка»)»: журнал. 2023. № 6(20) 2023. С. 8-22.

Victoria Ponomaryova, Pavlo Nosov. Method of automated identification of qualification parameters for marine operators under risk conditions // Науковий вісник Херсонської державної морської академії (Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології): науковий журнал. — Херсон: Херсонська державна морська академія, № 26–27 (2023). С. 144–165. https://doi.org/10.33815/2313-4763.2023.1-2.26-27.144-165.

Ponomaryova, V., Nosov, P., Ben, A., Popovych, I., Prokopchuk, Y., Mamenko, P., Dudchenko, S., Appazov, E., & Sokol, I. (2024). Devising an approach for the automated restoration of shipmaster’s navigational qualification parameters under risk conditions. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(3 (127), 6–26. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.296955

Victoria Ponomaryova. Method of decision support for navigators in automated vessel traffic safety control based on ecdis data // Науковий вісник Херсонської державної морської академії (Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології): науковий журнал. — Херсон: Херсонська державна морська академія, № 1 (28), 2024. С. 22–40.

Ponomaryova, V., Nosov, P. (2024). Development of a method for predicting hazardous ship trajectories under uncertainty of navigator actions. Technology Audit and Production Reserves, 5 (2 (79)), 44–55. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2024.313523.

Ponomaryova, V., Nosov, P. Development of a navigator qualification model for automated ship handling control tasks // Науковий вісник Херсонської державної морської академії (Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології): Науковий журнал. — Херсон: Херсонська державна морська академія. № 2(29), 2024. С 6–23. https://doi.org/10.33815/2313-4763.2024.2.29.006-023.

Ponomaryova V.P., Ben A.P., Dyagileva O.S., Nosov P.S. Approches to the automation of maritime educational processes plannings system // «Сучасні енергетичні установки на транспорті і технології та обладнання для їх обслуговування (СЕУТТО – 2021)». C. 277–279.

Ponomaryova V.P., Nosov P.S., Dyagileva O.S. Personnel qualification management approaches in marine organizational and technical systems // Матеріали 1 міжнародної науково — практичної конференції «Проблеми сталого розвитку морської галузі (PSDMI – 2021)» — Херсон: ХДМА, 03-04 листопада 2021. С. 154–157.

Пономарьова В.П., Дягилева О.С., Носов П.С. Ідентифікація кваліфікаційних параметрів суб’єктів організаційно-технічних систем морської транспорту // Збірник тез за матеріалами ІХ Міжнародної науково-практичної конференції «Філософські обрії сьогодення»/ за ред. І.Варнавської. Херсон: ХДАЕУ, 2021. С. 78–79.

Ponomaryova V.P., Ben A.P., Diahyleva O.S., Nosov P.S. Approaches to automation control processes for restoration of water transport professional’s qualification parameters / MPP&O-2022, Oдеса — Стамбул — Oдеса. С. 354–357.

Ponomaryova V.P., Ben A.P., Diahyleva O.S., Nosov P.S. Modeling of control actions in the processes of restoration of qualification parameters of maritime transport specialists / Materials of the XIV international scientific and practical conference «Modern information technologies in transport, (MINTT – 2022)».

Ben A., Dyagileva O., Ponomaryova V., Nosov P. Automated modeling of the navigator's motivation structure based on fuzzy sets // Матеріали IІ міжнародної науково-практичної конференції «Проблеми сталого розвитку морської галузі (PSDMI – 2022)» — Херсон: ХДМА, 07–09 грудня 2022. С. 67–71.

Nosov Р.S., Ponomaryova V.P., Diahyleva O.S., Ben A.P. Approaches for identifying and recovering qualification parameters of organizational and technical systems of maritime transport. Сучасні енергетичні установки на транспорті і технології та обладнання для їх обслуговування. 14-а Міжнародна науково-практична конференція, 16–18 березня 2023 р. – Херсон: ХДМА. С. 388–392.

Nosov P.S., Ponomaryova V.P., Diahyleva O.S., Ben A.P. Development of an optimal control model for knowledge restoration in marine navigators / «Інноваційні підходи до розвитку компетентнісних якостей фахівців в умовах професійного становлення» (ДІ НУ «ОМА» – 2023) С. 62–66.

Nosov P.S., Ponomaryova V.P., Diahyleva O.S., Ben A.P. Optimization of management processes for maritime transport personnel qualification // Стан, досягнення та перспективи інформаційних систем і технологій / Матеріали XXIII Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих вчених, аспірантів та студентів. Одеса, 20–21 квітня 2023 р. — Одеса, Видавництво ОНТУ. С. 123–124.

Nosov, P., Ponomaryova, V., Ben, A., Prokopchuk, Y. Formal approaches to developing an expert system for evaluating a navigator's qualification based on ship trajectory data. ІІ Міжнародна науково-практична конференція. Транспорт, порт, логістика, безпека: виклики сучасності та перспективи розвитку. 27 вересня 2024. C 107–115.

Павло Носов, Вікторія Пономарьова, Андрій Бень, Павло Маменко. Розробка системи автоматизованого функціонального аналізу траєкторії руху суден // І Міжнародна науково-практична конференція «Навігація та керування судном: нові підходи, навчання та моделювання N&SH-2024» 23–24 вересня 2024. C 30–34.

Pavlo Nosov, Victoria Ponomaryova, Prokopchuk Yurii, Barylnik-Kurakov Ivan. Intelligent analysis of navigators' maneuver execution based on their qualification attributes // Матеріали VI міжнародної науково-практичної конференції «Проблеми сталого розвитку морської галузі (PSDMI – 2024)», — Херсон: ХДМА, 28 листопада 2024. С. 142–146.

Read more

Similar theses

0825U000691

Volodymyr Brunetkin

Increasing processing of organic waste of arbitrary composition due to automatic control of raw material supply

0825U000513

Pavlo Gultsov

Automated state control of objects moving along a free trajectory during dynamic disturbances

0825U000477

Denys V. Storozhyk

Improvement of the automated road surface diagnostics system using artificial intelligence

0825U000480

Vitalii V. Kuzmenko

Automated diagnosis of artillery gun shots based on simulated modeling of states by Markov chains

0825U000393

Vladyslav V. Sidanchenko

Automated method for estimating and predicting of the chemical composition of cast iron at the output of the blast furnace