Введение к работе
Актуальность работы. Конвенция по «Подготовке и дипломированию моряков и несению вахты» (ПДМНВ-95) поставила ряд новых задач перед морскими администрациями стран-участниц. Одна из этих задач - разработка тренажеров, предназначенных для подготовки, оценки компетентности и для отработки навыков поведения в повседневных и аварийных ситуациях.
В соответствии с конвенцией ПДМНВ-95, необходимы четыре типа тренажеров. Для обучения функциям «Навигация», «Радиосвязь», «Управление энергетической установкой» потребовались тренажеры маневрирования (САПР), глобальной связи (GMDSS) и энергетической установки (ERS) соответственно. А для функции «Управление грузовыми операциями» было необходимо разработать тренажер грузо-балластных операций (LCHS), который должен был стать одним из четырех основных типов тренажеров, используемых для подготовки моряков.
Работа посвящена созданию математической модели применительно к разработанной структуре тренажера грузо-балластных операций (LCHS), который ориентирован на решение задачи подготовки специалистов, отвечающих за технологию погрузки танкеров.
Цель работы: Создать для грузовых и вспомогательных технологических систем танкеров и терминалов математическую модель, позволяющую рассчитывать во взаимосвязи все контролируемые параметры, и с их помощью описать последовательно выполняемые операции полного технологического цикла по использованию танкеров/терминалов от ввода их в эксплуатацию и до вывода из нее с учетом типичных аварийных ситуаций в условиях взаимодействия с окружающей средой. Математическая модель должна быть пригодна:
для имитационного моделирования в режиме реального и ускоренного в 25 раз времени, а также поддерживать факторизацию топологии систем трех гидравлически связанных объектов сложности "танкер" или "терминал";
для решения задач многовариантных оптимизационных расчетов в технологических тренажерах при предварительном проектировании и прогнозировании развития нескольких вариантов аварийных ситуаций.
В соответствии с требованиями конвенции ПДМНВ-95, необходимо определить глубину математического моделирования и специальные требования к численной реализации модели, а также разработать функциональность тренажера грузо-балластных операций (LCHS), его архитектуру и создать технологию воспроизводства тренажера и его масштабирования.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, содержащихся в диссертации, обеспечивается теоретическим обоснованием на основе методов механики жидкостей и газов, а также сравнением с экспериментальными данными, знаниями и опытом людей, управляющих технологическими системами танкеров/терминалов и вовлеченных в процесс обучения.
Научная новизна: в результате комплекса представленных в работе исследований решена важная народно-хозяйственная проблема по созданию математической модели и программных технологий, которые позволили разработать
новые типы средств обучения в рамках современных международных требований (ПДМНВ-95), разработать систему построения и клонирования тренажеров грузо-балластных операций (LCHS). На защиту выносится:
общая имитационная численная модель, описывающая поведение грузо-балластных и технологических систем современных нефтяных, химических, продуктовых, газовых танкеров, терминалов, выполняющая вычисления в режиме реального и ускоренного времени для сетей сложной топологии;
локальная имитационная математическая модель, описывающая распространение ударных волн и волн разрежения по фрагментам трубопроводной сети реальной геометрии, включающей технические устройства;
имитационная модель свойств транспортируемых по трубопроводной сети веществ на основе теории обобщенных параметров;
эффективный численный алгоритм решения системы предварительно подготовленных уравнений, описывающих технические элементы гидравлической сети сложной топологии, реализованный на ЭВМ и проверенный с помощью вычислительного эксперимента;
новая структура нового программно реализованного распределенного учебно-вычислительного комплекса (тренажера), которая для имитации учебной среды включает: 3D визуализацию виртуальной среды, консоли управления для решения задач диспетчерского круга, математические модели, приложение инструктора и сеть, служащую для синхронизации задач класса и позволяющую выполнять совместные операции в единой учебной группе в рамках единой топологии гидравлической сети, включающей: грузовые, зачистные, балластные и газовые системы танкеров и терминала;
основные принципы решения прикладной задачи по созданию LCHS тренажера как средства обучения, соответствующего современным требованиям конвенции ПДМНВ-95 и позволяющего непрерывно выполнять любую последовательность технологических операций в рамках единого упражнения для групп "терминал и два танкера" в составе сетевого класса, состоящего из 36 компьютеров под управлением инструктора;
Практическая ценность: разработанная автором модель и структурные решения позволили создать тренажеры грузо-балластных операций (LCHS), которые установлены более, чем в 50-ти учебных центрах 25 стран мира, в том числе, в 7-ми учебных центрах нашей страны. Работа автора доведена до регистрации программного кода и получения патентов/авторских свидетельств, закрепляющих приоритет выполненных работ. По результатам проверки Государственной службы морского флота Российской Федерации, тренажеры соответствуют требованиям конвенции ПДМНВ-95. Экономические результаты от внедрения работы автора с 1999 по 2003 год составили 11,4 млн. руб. Теоретическая основа работы использована в качестве программно-имитационной базы для выполнения Федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники на 2009 - 2016 г.», в части 2009-2011 года: «Разработка технологии создания средств подготовки персонала перспективных морских нефте-
газовых платформ по отработке операций обеспечения добычи угдеводородов на арктическом шельфе» с бюджетом проекта 115 млн.руб.
Апробация работы: материалы диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры Судовых двигателей внутреннего сгорания государственной морской академии им. СО. Макарова с 1992 по 2000 год. Отдельные положения диссертации докладывались автором на следующих конференция и семинарах.
На конференциях: ГМА им.Макарова в 1991, 1992, 1997 годах; МЕЕТ'99: Marine Engineering (education and training), проводимой институтом морских инженеров Англии; 4-й международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2003» в С-Петербургском государственном политехническом университете в июне 2003; Sixth International Conference on Engine Room Simulators (ICER), Wuhan, China 2004; LNG TECH Global Summit "Liquefaction, Transaportation", Севила, Испания, май 2006; 14th International Navigation Simulator Lecturers Conference, INSLC 14, Генуя, Италия, июль 2006; международных конференциях по тренажерой тематике: МЕВА (США), июль 2005, Гетеборгский университет (Швеция), июль 2007; «Нефтекадры-2008» г.Москва; международной конференции «Sakhalin Oil and Gas 2009, Sep.30-Oct.2, 2009, Yuzhno-Sakhalinsk» (Россия).
На семинарах: 120-ом Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре в Ленинграде в 1991 году; на 388-ом заседании Всесоюзного научно-технического семинара в МГТУ им. Баумана; на научных семинарах СПбГТУ в мае 1999 и феврале 2002 по тренажерной тематике для морских приложений; Blackpool and the Flyde college (Fleetwood, Англия ) семинаре по тренажерной тематике в июле 2000 года; на российско-финском семинаре по судостроению и судоходству, СПб., март 2005; семинаре "Вопросы подготовки и аттестации персонала танкеров", ГМА им.Макарова, 2005; Marine training and appraisal systems, Афины, Греция, май 2006.
Программный код выполненного при участии автора тренажера установлен и доступен в рабочем состоянии в настоящий момент в учебных центрах мира, где он эксплуатируется в процессе подготовки и проверки знаний специалистов, отвечающих за выполнение грузо-балластных операций газо- и нефте- перегрузочного комплекса. Дополнительно программный комплекс демонстрировался в разные годы в ходе международных выставок: "Нева" - 2001, 2003, 2005, 2007, 2009 (С-Петербург, Россия,); Gas Tech 2006 (ОАЭ, Абу-Даби); SMM-2004, 2006, 2008 (Гамбург, Германия) и ряда др.
Публикации: по теме диссертации опубликована монография и 33 печатных работы, в числе которых 11 работ, опубликованных в изданиях, рекомендованных в Перечне ВАК, 2 авторских свидетельства, 2 патента на изобретение, 2 свидетельства о регистрации программ, 3 публикации в материалах международных конференций и 13 - в других изданиях.
Объем работы: диссертация состоит из введения, 7-ми глав, заключения, перечня литературы из 133 источников, содержит 18 таблиц, 100 рисунков, 16 приложений- всего на 357 страницах, из которых основного текста 300 страниц.
