Введение к работе
Актуальность исследования. Применение ЭВМ для решения сложных технических задач растет с каждым годом, что приводит к необходимости пересмотра традиционных методов проектирования и широкому применению методов системного анализа, искусственного интеллекта, теории выбора и принятия решений и т.д.
Важнейшим этапом проектирования судна является создание формы поверхности корпуса. Существует множество программных средств, которые проектируют судовую поверхность, но задача именно ее генерирования однозначного решения в наши дни не имеет. Решается она разными способами и в зависимости от способа имеет ту или иную ценность и практическую применимость. В настоящей работе предлагается проектировать поверхность с применением методов теории принятия решений, в качестве способа отбора благоприятных вариантов и оптимизации получаемого результата. Применение указанных методов не может быть единственным путем решения проблемы, его использование опирается на результаты расчетов, анализа и других данных, полученных при использовании других подходов, таких как методы эмпирического и аналитического проектирования судовой поверхности.
Следует отметить значительный вклад в решение данного вопроса таких ученых, как Алексанов А.В., Алымов И.П., Афанасьев В.П., Ашик В.В., Бесполов Ф.Е., Богданов А.А., Бубнов И.Г., Васильев Д.Н., Ваганов А.Б., Гайкович А.И., Готман А.Ш., Карпов А.Б., Ковалев В.А., Курдюмов А.А., Ничипоров М.Н., Ногид Л.М., Павленко Г.Е., Первов В.А., Рейнов М.Н., Троицкий Б.А., Ханович И.Г., Яковлев И.А., Гилмер Дж., Кервин Дж., Купер Г., Тейлор Д. и др.
Необходимость исследований в данной области обусловлена недостаточной проработкой различных вопросов, связанных с проектированием судов с большим коэффициентом общей полноты, тогда как количество подобных судов растет. Подобная ситуация требует создания метода генерирования судовой поверхности, в котором будут решены указанные задачи.
Весомой трудностью является принцип параметризации судовой поверхности, поскольку большинство авторов по-разному задают параметры геометрии и их количество. Во многих методах параметрами выступают формальные величины (коэффициенты многочленов, показатели степеней и
т.д.), которые управляются сложными и неоднозначными зависимостями между параметрами и исходными данными.
Математический аппарат метода генерирования должен, по возможности, проще реализовываться на ЭВМ. В последние годы в судостроении получили широкое применение системы обработки знаний (или основанные на знаниях) ориентированные на решение плохоформализуемых, задач, свойственных человеку и характеризующихся неопределенностью, противоречивостью поступающей информации, субъективизмом процесса принятия решений. Именно такие задачи часто требуется решать при генерировании судовой поверхности.
Таким образом, разрабатываемый метод должен определять следующие базовые положения:
геометрическую сущность метода;
математический аппарат метода;
аппарат методов теории принятия решений;
технологию реализации математического аппарата метода на ЭВМ. Из всего вышесказанного можно заключить, что создание современного
метода генерирования судовой поверхности судов с высоким коэффициентом общей полноты является актуальной задачей для современной судостроительной науки и производства.
Цель работы. Целью данного научного исследования является создание методики генерирования судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты. Для выполнения данной задачи подлежали решению следующие вопросы:
разработка системы параметров геометрии для описания всего комплекса судовых обводов;
разработка математической модели описания судовых обводов;
статистическая обработка данных по судам с полными обводами и установление зависимостей между параметрами геометрии;
определение расчетных формул для определения параметров геометрии;
разработка метода использования эмпирических знаний;
разработка способа устранения неопределенности на различных этапах проектирования на основе теории принятия решений;
разработка программного комплекса для генерирования судовой поверхности.
Объект научного исследования. Объектом данного научного исследования является судовая поверхность судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты.
Предмет научного исследования. Предметом данного научного исследования является генерирование судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты.
Методы исследования. В ходе работы применялись следующие методы исследования:
элементы математического анализа (для определения возможности применения полиномов и дуг эллипсов для описания судовых обводов);
численные методы (для составления зависимостей между параметрами геометрии);
статистические методы (для исследования выборки судов);
методы теории вероятностей (для устранения неопределенностей при проектировании);
методы нечеткой логики (для использования знаний экспертов в виде правил);
методы теории принятия решений (для выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна);
элементы теории множеств (для создания объектной модели судовой поверхности);
методы вычислительной математики (при составлении алгоритмов для реализации на ЭВМ);
Математические модели и методики разрабатывались до создания программ для расчета на ЭВМ.
Научная новизна. В итоге проведенных в работе исследований получен ряд новых научных результатов:
предложена система параметров геометрии, позволяющая, в отличии от имеющихся систем, описывать весь комплекс судовых обводов;
доработан метод полиномиального описания обводов и впервые распространен на суда с высоким коэффициентом общей полноты;
предложен подход в описании обводов указанных судов с помощью дуг эллипса;
проведено статистическое исследование судов с полными обводами и установлены зависимости между параметрами геометрии;
предложены расчетные формулы для определения параметров геометрии современных полных судов при практическом применении;
разработан метод оценки параметров геометрии на основе теории принятия решений;
предложен способ выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна;
разработана архитектура программного комплекса, реализующего указанные выше подходы.
Таким образом, на защиту выносятся результаты комплексного научного исследования, посвященного разработке метода генерирования судовой поверхности.
Основные положения, выносимые на защиту:
описание обводов с высоким коэффициентом полноты полиномами и эллипсами;
практические рекомендации по выбору параметров геометрии корпуса;
методика построения судовых обводов;
способ оценки неопределенности при выборе параметров геометрии судовой поверхности;
метод выбора прототипа для проектируемого судна;
архитектура программного комплекса, использующего эмпирические знания.
Практическое значение. Разработан практический метод описания судовой поверхности судов с эллипсоидными обводами при помощи полиномов и дуг эллипсов. Даны практические рекомендации по выбору параметров геометрии корпуса, а также применимые на практике способы оценки влияния неопределенности при выборе параметров судна. Предложен способ выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна. Все указанные методы и приемы реализованы в специально разработанном программном комплексе.
Достоверность. Достоверность результатов исследования
подтверждается близостью результатов, получаемых с помощью предложенных подходов, с характеристиками судов, находящихся в настоящее время
эксплуатации. Обоснованность научных положений, достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается представленными в работе тестовыми расчетами.
Апробация работы. Результаты работы были доложены:
На V, VI, VII, VIII и IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 годах;
На Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве", посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009 г.
Публикации. Основные материалы исследования отражены в восьми публикациях автора, в том числе две статьи в «Сборнике трудов 1 ЦНИИ МО РФ», входящем в перечень, рекомендованный ВАК РФ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 236 страниц основного машинописного текста, в том числе 56 рисунков и графиков, 16 таблиц, список литературы из 107 наименований, 5 приложений.
