Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Целенаправленный синтез моделей механизма предвидения экспертных систем, используемых при выполнении ключевых судовых операций 13
. 1.1. Математические модели суднаи пути их универсализации 13
1.2. Особенности практической реализации моделей механизма предвидения в экспертных системах, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна 22
1.3. Методика бинарной декомпозиции универсальной математической модели судна. 30 1.4. Малопараметрические открытые по информации математические модели судна... 38
1.5. Определение ограничений, накладываемых на параметры движения судна при выполнении ключевых судовых операций 49
1.6. Методика целенаправленного синтеза моделей механизма предвидения для экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна 60
РАЗДЕЛ 2. Параметрическая идентификация элементов моделей механизма предвидения экспертных систем 73
2.1. Точечная параметрическая идентификация элементов моделей механизма предвидения экспертных систем 73
2.2. Условия формирования базы данных для решения задачи точечной идентификации 80
2.3. Интервальная параметрическая идентификация элементов моделей механизма предвидения экспертных систем 91
2.4. Идентификация маневренных характеристик судна по результатам натурных экспериментов 98
2.5. Идентификация диаграммы управляемости судна по результатам трех установившихся циркуляции 112
РАЗДЕЛ. 3. Разработка математических моделей консервативных по информации элементов механизма предвидения экспертных систем 125
3.1. Модели, определяющие зависимость динамических характеристик судна от его геометрических параметров при данном варианте загрузки 125
3.2. Модель гидродинамических процессов в винторулевом комплексе судна и его подруливающем устройстве 138
3.3. Модель влияния ветра на динамические характеристики судна 159
3.4. Модель влияния волнения на динамические характеристики судна 171
3.5. Модель влияния мелководья на динамические характеристики судна 189
Заключение 204
Литература 2
- Особенности практической реализации моделей механизма предвидения в экспертных системах, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна
- Условия формирования базы данных для решения задачи точечной идентификации
- Идентификация маневренных характеристик судна по результатам натурных экспериментов
- Модель гидродинамических процессов в винторулевом комплексе судна и его подруливающем устройстве
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы определяется ее направленностью на решение одной из важнейших проблем мирового судоходства - обеспечение безопасной эксплуатации судов Высокий уровень аварийности судов, катастрофы на морском транспорте, приводящие к гибели людей, серьезным экономическим потерям и негативным экологическим последствиям, - все это свидетельствует о том, что проблема безопасной эксплуатации судов требует пристального внимания к ней как ученых, так и практиков, работающих над изучением и решением задач, связанных с безопасностью судовождения
Практическая значимость решения задач, связанных с обеспечением безопасности судовождения в современных условиях, убедительно подтверждается результатами анализа состояния и перспектив развития транспортных операций по перевозке нефти и нефтепродуктов в Арктических морях Географические особенности этих районов делают опасной, дорогостоящей и, следовательно, экономически невыгодной перекачку нефти по трубопроводу, поэтому предпочтение отдается танкерному флоту
Около 50 % транспортируемой морем нефти приходится на нефть, добытую на континентальном шельфе Таким образом, танкерный флот, по сути, является структурной единицей технологического процесса добычи и переработки углеводородного сырья При существующих в настоящее время способах добычи нефти и газа в прибрежных районах Арктических морей можно считать танкерные перевозки главным, а порой и единственным способом доставки нефти из района промысла на перерабатывающие предприятия и береговые терминалы
Использование танкерного флота для транспортировки нефти в сложных гидрометеорологических условиях создает определенный риск возникновения аварий и, как следствие, экологических катастроф Любая авария на танкере или в районе его погрузки может привести к необратимым экологическим последствиям, к которым весьма чувствительна природа Севера.
Об определенной вероятности аварии свидетельствуют статистические данные, характеризующие общее состояние аварийности судов, плавающих иод российским флагом Согласно данным, опубликованным в журнале "Морской флот" в 2003 г, за 10 лет она увеличилась в четыре раза По классификации Российского морского регистра судоходства,
основными причинами аварийных случаев являются недостаточное знание судоводителями маневренных характеристик судна и правил плавания в сложных навигационных и гидрометеорологических условиях
Экологические последствия танкерных перевозок нефти, риск и статистика аварий подробно рассмотрены в хорошо известных публикациях Нельсона-Смита (1977) и Международной морской организации (1993) Вероятность аварий танкеров водоизмещением более 10 тыс т оценивается в 2 3 % на каждые 10 млн т дедвейта По данным ИМО, удельная аварийность танкеров водоизмещением более 6 тыс т в конце XX века составляла 2 %
Основными причинами аварийности танкерного флота, занятого перевозкой углеводородного сырья (большей частью сырой нефти), являются посадки танкеров на мель и столкновения с другими судами Каждый второй случай посадки на мель или столкновения является следствием неучета или неправильного учета влияния внешних факторов на маневренные характеристики судна Этот факт весьма существенен при постановке задачи планируемого исследования
Известны случаи танкерных аварий непосредственно в зоне эксплуатации нефтяных месторождений Такие аварии еще более опасны, так как происходят в районе большого скопления нефти (нефтехранилища, нефтепроводы и т п ) Показательна в этом отношении авария, произошедшая в 1978 г у берегов Шетландских островов, когда танкер "Esso Вегшса" полупил пробоину во время швартовки На ликвидацию последсгвий аварии ушло более шести месяцев
Катастрофическими по своим последствиям могут быть аварии в особо чувствительных в силу природных особенностей районах, к которым относятся в первую очередь Арктические Так, в марте 1989 г на мелководье в одном из проливов у южного побережья Аляски потерпел крушение нефтяной танкер "Exxon Valdiz 'со 170 тыс т нефти, добытой на арктическом шельфе моря Бофорта В общей сложности вылилось около 40 тыс т нефти, которые превратили уникальную по чистоте и природным богатствам прибрежную полосу протяженностью в несколько сотен миль в зону экологического бедствия Расходы на ликвидацию последствий экологической катастрофы с учетом всех сопутствующих затрат составили 15 млрд долларов
Приведенные примеры заставляют задуматься о тех опасностях, которые вероятны при промышленной добыче нефти на шельфе Баренцева
и Карского морей Транспортировка добытого на этих месторождениях углеводородного сырья будет осуществляться в основном танкерным флотом, состоящим из танкеров ледового класса водоизмещением от 25 до 120 тыс т и более
Статистика аварийности судов мирового флота за последние годы привлекла внимание ИМО к теоретическим вопросам в области обеспечения безопасной эксплуатации судов вообще и безопасности судовождения в частности Это нашло отражение в Протоколах и Резолюциях ИМО, в применимых Международных конвенциях, направленных на создание общих принципов и единых методов оценки и определения условий безопасной эксплуатации судов на всех стадиях ее обеспечения, включая проектирование, строительство и эксплуатацию
Заметные успехи в области разработки и создания сложных судовых технических систем не только при проектировании, строительстве и эксплуатации, но и в организационно-техническом плане способствуют надежному управлению безопасной эксплуатацией судов Прогресс в этой области требует проведения исследований, в которых оценивается взаимодействие судовых технических систем, с одной стороны, и человека-оператора (судоводителя), использующего их в управлении судном, с другой При этом формируются научные направления как в области проектирования судовых технических систем, учитывающих определенные особенности судоводителя, так и в области разработки элементов его поведения, способствующих повышению надежности функционирования сложной социотехнической системы
Интерес к таким направлениям в исследовании и проектировании связан в первую очередь с тем, что повышение надежности функционирования социотехнической системы "сдерживается" человеческим фактором или в соответствии с терминологией ИМО - человеческим элементом Поэтому следует признать весьма актуальной дальнейшую активизацию исследований, связанных с формированием элементов поведения судоводителя как при восприятии им информации от систем отображения с мультимедийным способом представления информационных переменных, так и при управлении состоянием сложного объекта, которым является современное судно, особенно в условиях выполнения им ключевых судовых операций, к которым с большой долей уверенности можно отнести, например, швартовные операции, выполняемые в условиях открытого моря
Так, точечная швартовка к приемному устройству нефтепровода осуществляется, как правило, в условиях открытого моря и далеко не всегда в благоприятных гидрометеорологических условиях Остановить судно большого тоннажа в заданной точке, в заданном положении даже в маловетрие, при отсутствии волнения, минимальном течении - задача непростая, требующая от судоводителя большого мастерства и высоких профессиональных навыков Если же в районе складываются неблагоприятные гидрометеорологические условия, выполнение маневра еще больше осложняется, особенно в тех случаях, когда судоводитель недостаточно представляет последствия воздействия внешних факторов на маневренные характеристики судна Без прогнозирования поведения судна перед выполнением действий по его управлению невозможно в полной мере достичь цели управления, при этом вероятны частые прерывания уже начавшегося движения, корректировка траектории и, как следствие, в лучшем случае -непроизводительные затраты времени, в худшем - аварийная ситуация
Необходимость исследований, связанных с формированием элементов поведения судоводителя при использовании им информации, поступающей от судовых технических средств, в целях обеспечения безопасных режимов управления судном, можно мотивировать статистическими данными, приведенными Wold Casualty Statistics and Lloyd's Casualty Week Publication за период с 1994 по 2004 гг В результате аварий мирового флота погибло 6 693 человека, было потеряно 2 225 средних и крупных судов
Соотношение морских аварий в мировом флоте за этот период можно дать в виде следующего перечня
опасный крен - 3 95 % потеря водонепроницаемости - 3 11%,
погодные явления - 1 43 %, пожары, взрывы - 13 65 %,
повреждения - 1 44 %, опрокидывание - 3 62 %,
навалы - 3 66 %, столкновения - 14 78 %,
технические причины - 17 05 %, кораблекрушения - 23 22 %,
разрушение - 10 28 %, остальные виды - 3 81 %
В общей сложности причиной 80 % перечисленных аварий является человеческий фактор, поэтому все исследования, направленные на уменьшение влияния этого фактора, снижение аварийности при управлении такими сложными объектами, как судно, и поддержание состояния их безопасной эксплуатации на уровне, определенном действующими морскими Международными конвенциями, можно классифицировать как актуальные
Объектом исследования диссертационной работы является социо-техническая система управления безопасным состоянием судна, включающая в себя техническое средство (судно), его идентифицированные математические модели (ММ), а также человека-оператора (судоводителя), осуществляющего управление системой, которая, в частности, обеспечивает состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций В этом случае объект исследования, представленный как система управления, имеет структуру вида п = (У, /, X, R, U), где Y- элементное множество системы, в состав которого в качестве отдельного элемента входит судно как управляемый элемент, / - алгебраическая система, определенная с помощью линейной или нелинейной алгебры с вырожденной системой отношений, X ~ множество процессов, идущих в системе, R - цель управления системой, С/- закон управления системой В структуре этой системы пара множеств {R, U) образует механизм функционирования Ми социотехнической системы управления в целом
Область исследования определяется, исходя из необходимости наличия в общем алгоритме управления социотехнической системой модели механизма предвидения (МП) развития ситуации при выполнении судоводителем управляющих действий Следовательно, разработка оптимальной модели МП социотехнической системы управления, реализуемой в интеллектуальном и (или) программном виде, и является областью исследования данной диссертационной работы При этом МП Мх = {R, Х0} должен создавать определенные ограничения для механизма функционирования М„ = {R, U] социотехнической системы управления при условии поддержания в ней состояния безопасности судна, в частности, занятого выполнением ключевых судовых операций С формальной точки зрения область исследования, представленная в диссертационной работе, может быть определена как задача синтеза процессов предвидения социотехнической системы, заданных на паре множеств {R, Хо} = Мх с М„ = {R, U), где Х0 а X-законы движения состояния судна, реализующие заданную цель управления R при заданном законе управления U, и определенных с помощью обладающих прогностическими способностями математических моделей судна, которые учитывают влияние внешних факторов, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом
Целью исследования является разработка научного направления, связанного с целенаправленным синтезом оптимальных с точки зрения безопас-
ности выполнения ключевых судовых операций моделей механизма предвидения Мх = {R, Хо} социотехнической системы управления ц = (F, /, X, R, U) на базе идентифицированных, обладающих прогностическими способностями математических моделей судна, которые учитывают влияние внешних факторов, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие исследовательские задачи
Анализ существующего процесса универсализации ММ судна и оценка свойства устойчивости решений этих моделей, необходимого для разработки прогностических алгоритмов, образующих модели МП социотехнической системы управления с учетом взаимодействия судна с внешней средой, которая представлена в виде аддитивного и мультипликативного "белого" шума
Разработка методики бинарной декомпозиции элементного множества универсальной ММ управляемого объекта (судна), позволяющей определить доминирующие элементы объекта с доминирующими связями между ними и синтезировать на основе этих взаимосвязанных элементов малопараметрические модели, достоверно описывающие изменения параметров, характеризующих состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций
Определение возможных ограничений, накладываемых на малопараметрические ММ судна, которые являются основой модели МП социотехнической системы управления состоянием безопасности судна, выполняющего ключевую судовую операцию в данных эксплуатационных условиях
Разработка методики целенаправленного синтеза альтернативных вариантов моделей МП, представляющей его методологическую основу при фиксированной целевой функции управления с учетом возможных ограничений, накладываемых на ММ судна
Разработка алгоритма выбора оптимальной для заданных условий безопасного выполнения ключевой судовой операции модели МП с использованием универсального комбинаторного метода "ветвей и границ"
Разработка методов идентификации малопараметрических моделей судна, определяющих характер взаимодействия доминирующих элементов с доминирующими связями по эмпирической обучающей выборке,
а также идентификации маневренных характеристик судна, составляющих основу моделей МП
7 Разработка моделей, определяющих зависимость динамических характеристик судна от его геометрических параметров, а также моделей, определяющих влияние факторов внешней среды, представленных в виде аддитивного и мультипликативного "белого" шума, на параметры, характеризующие состояние безопасности судна, выполняющего ключевую судовую операцию
Методология теоретических исследований, выполненных в диссертационной работе, базируется на использовании методов и терминологии дифференциального и интегрального исчисления, теории случайных последовательностей с применением элементов теории вероятности и математической статистики, а также теории графов, матричного исчисления и методов ветвления.
Экспериментальная часть работы заключалась в проведении многочисленных (около 130) натурных экспериментов на судах трех типов РТ типа "И Шаньков", РТ типа "Моонзунд", т/к типа "Астрахань" Данные экспериментальных исследований обрабатывались методами математической статистики
Новизна научного направления определяется научной новизной задач, решенных в диссертационной работе, а именно
Впервые показано, что универсализация моделей судна, осуществляемая за счет неконтролируемого расширения элементного множества и усложнения алгебраической системы ММ с учетом взаимодействия судна с внешней средой, представленной аддитивным и мультипликативным "белым" шумом, входит в противоречие со способностью этих моделей к прогнозированию
Впервые разработана методика бинарной декомпозиции универсальной ММ судна, позволяющая выделять доминирующие элементы объекта управления и доминирующие связи между ними и с учетом этих связей формировать малопараметрические модели, позволяющие прогнозировать изменения параметров, определяющих состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций
Разработана методика целенаправленного синтеза моделей МП и выбора оптимальной из альтернативного множества модели МП, соот-
ветствующей заданным и текущим условиям безопасного выполнения ключевой судовой операции с использованием метода "ветвей и границ"
Впервые дано теоретическое обоснование и приведены практические примеры решения задач параметрической идентификации малопараметрических моделей судна и его маневренных характеристик по эмпирической обучающей выборке для целенаправленного синтеза адекватных моделей МП
Разработаны математические и программные методы формирования базы данных, необходимых для определения исходных значений параметров ММ судна, являющихся основой моделей МП и устанавливающих зависимость динамических характеристик судна от геометрических параметров его подводной и надводной частей при данном варианте загрузки
Составлены ММ взаимодействия объекта управления и флуктуирующих факторов внешней среды, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом
Практическая ценность. Характеризуя область практического применения выполненных разработок, прежде всего следует назвать судовождение, где результаты работы позволяют повысить уровень безопасной эксплуатации судна за счет снижения влияния человеческого фактора на результаты управления судном при выполнении ключевых судовых операций
Полученные результаты могут быть полезны также при выполнении исследовательских работ, связанных с разработкой комплексных тренажеров и экспертных систем в области судовождения
На защиту выносятся следующие результаты работы
Доказательство противоречия универсализации ММ судна, осуществляемой за счет неконтролируемого расширения элементного множества и усложнения алгебраической системы ММ объекта управления при учете действия внешней среды, представленной аддитивным и мультипликативным "белым" шумом, и способности этих моделей к прогнозированию
Методика бинарной декомпозиции универсальной ММ судна, позволяющая выделять доминирующие элементы и доминирующие связи между ними и в рамках принятой алгебраической системы формировать малопараметрические модели, описывающие изменения отдельных компонент, которые характеризуют состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций
Методика целенаправленного синтеза моделей МП и выбора оптимальной из альтернативного множества модели МП, соответствующей
заданным и текущим условиям безопасного выполнения ключевой судовой операции с использованием метода "ветвей и границ"
Теоретическое обоснование решения задач параметрической идентификации малопараметрических моделей судна и его маневренных характеристик по эмпирической обучающей выборке для целенаправленного синтеза адекватных моделей МП
Математические и программные методы формирования базы данных, необходимых для определения исходных значений параметров ММ судна, являющихся начальной основой моделей МП и определяющих зависимость динамических характеристик судна от геометрических параметров его подводной и надводной частей при данном варианте загрузки
ММ взаимодействия объекта управления и флуктуирующих факторов внешней среды, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом
Внедрение результатов работы
Результаты научных исследований, представленные в диссертационной работе, положены в основу разработки профессионального тренажера для обучения судоводителей танкерного флота приемам маневрирования при подходе танкера к нефтяному терминалу, подключения к системе погрузки нефти и безопасного маневрирования при стоянке на шланге-швартове Тренажер установлен и эксплуатируется в тренажерном центре ОАО "Мурманское морское пароходство"
На основе материалов исследований, выполненных в рамках диссертации, разработаны математические модели судов, принадлежащих НПП "Вега" и ОАО "Мурманский траловый флот" Были выполнены модельные эксперименты по определению маневренных характеристик судов в заданных условиях плавания в соответствии с рекомендациями ИМО, представленными в циркулярном письме MSC/Circ 644, Резолюциях А 601(15) п 3 3 и А 715(18) п 5 2
Результаты работы используются в учебном процессе при изучении дисциплины "Теория устройства судна", а также при проведении исследований в рамках дипломного проектирования
Апробация результатов работы Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе, были представлены на научно-технических и практических конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ и ГМА им адм С О Макарова (в 1998-2006 гг ), на 3-й и 4-й
Международных конференциях по управлению безопасностью мореплавания и подготовке морских специалистов (Калининград, 2003, 2004 гг) и на I Международной конференции "Наука и технологии Шаг в будущее - 2006" (Белгород, 2006 г )
Публикации. Результаты работы отражены в 49 научных статьях, восьми отчетах о хоздоговорных и госбюджетных НИР, в десяти авторских свидетельствах, патентах Из общего числа публикаций 16 опубликованы в журналах, включенных в списки ВАК
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованной литературы Работа изложена на 229 страницах машинописного текста (основное содержание составляет 208 страниц), содержит 39 рисунков и 21 таблицу, список литературы из 193 наименований
Особенности практической реализации моделей механизма предвидения в экспертных системах, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна
В основе любого управления (технического, социального) лежит получение, обработка и передача информации, а также ограниченный механизмом предвидения выбор действий. В такой постановке любая социотехническая система управления состоянием безопасной эксплуатации может быть представлена как связанное множество, состоящее из объекта управления (судна), субъекта (судоводителя), представляющего собой управляющий элемент и идентификатор, объединенный с классификатором, а также силовых и информационных связей, передающих информацию в этой системе.
Управляющий элемент, получая от технических средств информацию о состоянии объекта и окружающей среды, идентифицирует и классифицирует это состояние, а затем с учетом предвидения развития ситуации выбирает и передает на объект управления команды для реализации поставленной цели путем изменения состояния объекта или поддержания заданного режима его функционирования. Успешное решение указанной задачи во многом определяется уже на этапе построения моделей механизма предвидения. При фиксированной цели управления оно связано с построением модели движения объекта управления.
С одной стороны, на получение, идентификацию и классификацию информации о состоянии объекта затрачивается определенное время, что приводит к запаздыванию управляющего воздействия и, следовательно, к снижению эффективности оперативного управления состоянием безопасной эксплуатации судна. С другой стороны, использование только легкодоступной и быстро обрабатываемой информации может быть недостаточным для обеспечения заданной точности, как предвидения, так и управления.
Таким образом, вопрос оценки количества и качества необходимой информации при построении модели механизма предвидения можно считать центральным, поскольку именно этот механизм в конечном итоге определяет функционирование механизма выбора управлений у лица, принимающего решение (судоводителя).
Для исследования особенностей, которые могут возникнуть при составлении модели универсального механизма предвидения, обеспечивающего в социотехнической системе функционирование механизма выбора управляющих действий, способных поддерживать состояние безопасной эксплуатации, представим социотехническую систему, как указано выше, в виде структуры r] = (Y,I,X,R,U). (1.1) Кроме того, примем, что в структуре (1.1) пара множеств {R, U] образует механизм функционирования, который при наличии текущей информации о состоянии объекта управления превращается в механизм предвидения (в общем виде динамическую информационную модель функционирования судна), необходимый судоводителю при выборе текущих управлений и е U, безопасно реализующих в системе ц поставленную цель управления R.
Если модель механизма предвидения рассматривать как обобщенную информационную модель функционирования судна, составленную судоводителем в результате его теоретического и практического обучения, непрерывно совершенствуемую по мере накопления им навыков управления судном, то описание такой модели сталкивается с серьезными трудностями формализации.
Однако в простейших случаях, когда модель механизма предвидения предназначена для прогнозирования поведения судна при выполнении ключевых судовых операций, все же удается провести ее формализацию и алгоритмизацию. Полученный в результате формализации и алгоритмизации прогнозирующий программный продукт может быть введен в состав математического обеспечения экспертных систем, вырабатывающих рекомендации по обеспечению безопасной эксплуатации судна. Такие системы, как правило, позволяют по введенному управлению и є U прогнозировать состояние безопасности судна во время выполнении ключевой судовой операции при условии достижения цели управления R. Наиболее характерным примером экспертной системы, которая обладает достаточно простой моделью механизма предвидения, подтверждающего правильность выбора управления и є U при обеспечении безопасного расхождения судов, является система автоматической радиолокационной прокладки (САРП).
Формально разработку как простейших моделей механизма предвидения Мх, так и достаточно сложных его моделей можно рассматривать с точки зрения решения задачи синтеза прогнозирующих алгоритмов (фильтров). Тогда на выходе алгоритма прогнозируется состояние судна при выполнении им ключевой судовой операции, которое должно удовлетворять условию: Mu = {R,U}c{R,X0}=Mx, (1.2) где Ми - принятый на этапе планирования ключевой судовой операции механизм функционирования судна; Х0 с X - множество параметров, характеризующих возможные траектории движения состояния судна при реализации им заданной цели R и выбранном управлении и из множества U.
Пусть далее в структуре системы (1.1) существует объект управления го є т\, в нашем случае судно с адекватной ему математической моделью. Представим судно как объект управления в виде структуры ч0 = (Г0, J, Хо), (1.3) причем Y0 a Y, a J с / - алгебраическая система, включающая в себя заданную алгебру (линейную или нелинейную) и вырожденную систему отношений (систему, включающую в себя только отношение равенства).
Известно, что эффективность как организационного, так и технического управления зависит от того, насколько адекватно объекту управления задана его структура г\0 С учетом введенной выше структуры (1.3) в известной степени абстрактную математическую модель движения состояния маневрирующего судна в рамках социотехнической системы, представленной структурой (1.1), можно записать следующим образом:
Y0 Ус/ Х0. (1.4) взаимодействий элементов на имеющихся связях из множества 70 и организованных в соответствии с системой обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна правил J. В том случае, когда удается зафиксировать начальное и конечное взаимодействие в процессе (1.4), структуру (1.3) можно преобразовать и представить в виде ц0 = (Y0, L, Хо), (1.4а) где L є (Г0 х Х0) - оператор, преобразующий входное воздействие Y0 в реакцию системы на выходе Хо.Процесс (1.4) представляет собой временную последовательность
Увяжем между собой универсальность модели механизма предвидения (1.2) экспертной системы (способность системы обеспечивать безопасную эксплуатацию судна в расширенном классе ключевых судовых операций) с универсальностью математической модели маневрирующего судна (1.4), характеризуемую описательной способностью этой модели. Для этого моделью маневрирующего судна в рамках структуры (1.4а) с минимальной универсальностью, достаточной для разработки модели механизма предвидения, отвечающего принципу минимума универсальности, можно считать систему дифференциальных уравнений Лагранжа второго рода [95].
Условия формирования базы данных для решения задачи точечной идентификации
В процессе моделирования представленной выше системы ограничений и с учетом использования НПУ в качестве средства управления для удержания ДП судна в заданном направлении было установлено, что такое движение может привести к неожиданной потере управляемости при непрогнозируемом перераспределении точек приложения главных сил (резкий удар волны, порыв ветра, сочетающийся со сменой его направления, и т. п.). В данном случае НПУ может быть использовано только для кратковременного (до 30 с) удержания ДП судна в заданном направлении или изменения направления ДП работой НПУ в импульсном режиме.
Используя НПУ совместно с рулем в условиях ветрового воздействия, судоводитель может выбирать вариант возможного движения судна с учетом текущей цели маневрирования. Если требуется развернуть ДП судна, имея минимальное продольное смещение, направление тяги НПУ должно быть противоположно направлению поперечной составляющей гидродинамической силы на руле (при перекладке руля на правый борт выброс струи НПУ должен происходить в сторону левого борта). Смещение центра парусности в сторону кормы от плоскости мидель-шпангоута будет способствовать созданию положительного аэродинамического момента (Ма 0), направление которого будет совпадать с направлением действия момента рулевой силы и момента, создаваемого тягой НПУ, что приведет к ускоренному развороту судна. Если требуется обеспечить плоскопараллельное перемещение судна, направление тяги НПУ должно совпадать с направлением поперечной составляющей гидродинамической силы на руле (при перекладке руля на правый борт выброс струи НПУ должен происходить в сторону правого борта).
Таким образом, условия, при которых процесс (1.4) будет обладать достаточной универсальностью в сочетании с "хорошими" характеристиками прогнозирования, методика бинарной декомпозиции модели объекта (1.3), реализуемая как на элементном (1.3), так и процессном уровне (1.4), а также система ограничений, накладываемая на маневрирование судна, позволяют приступить к целенаправленному синтезу унифицированной модели механизма предвидения для экспертных систем.
Методика целенаправленного синтеза моделей механизма предвидения для экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна
В последние годы резко увеличилось количество исследований, которые посвящены вопросам разработки, совершенствования, использования и математического обеспечения экспертных систем, предназначенных для обеспечения безопасной эксплуатации судна. При этом в литературных источниках достаточно полно освещаются две проблемы. Первая касается изучения закономерностей человеческого мышления для последующего использования их в работе по совершенствованию программного обеспечения экспертных систем. Вторая проблема включает в себя классический инженерно-психологический аспект изучения некоторых "рабочих характеристик" оператора экспертной системы [72], [74], [80].
В то же время замалчивается еще одна проблема, связанная с исследованием деятельности оператора, при которой эффективно используется программное обеспечение экспертной системы. Действительно, важнейшей особенностью деятельности оператора экспертной системы является то, что он не только осуществляет физический контакт с устройствами ввода и вывода информации [25], но и должен разумно объединить усилия интеллекта самого оператора (естественный интеллект 1по) и интеллекта разработчиков программного продукта (искусственный интеллект hii). С формальной точки зрения такое объединение может отвечать условиям lnonln! 0, (1.57) Ф(Іп0пІПі) extremum, (1.58) где Іпо, ІПі - естественный и искусственный интеллекты, представленные как объекты; Ф(1п0 п Іпі) - некая величина пересечения, характеризующая степень использования оператором программного обеспечения экспертной системы.
В качестве практического примера реализации условий вида (1.57), (1.58) в экспертных системах, обеспечивающих безопасность судовождения, можно привести результаты исследований, полученные, например, в работе [122].
Решение задачи целенаправленного синтеза модели механизма предвидения (1.2) для экспертных систем, обеспечивающих состояние безопасной эксплуатации при выполнении ключевых судовых операций, условно разобьем на два этапа.
На первом этапе формируется некое множество альтернативных вариантов моделей механизма предвидения (1.2). Формальным основанием для формирования множества альтернативных вариантов является возможность перехода от модели (1.3), к модели (1.4а), полученной в результате декомпозиции, например, универсальной модели (1.8). Указанные множества формируются из открытых и закрытых по информации элементов универсальной математической модели. На этом же этапе из множества альтернативных вариантов выполняется выбор оптимального механизма предвидения, с точки зрения его соответствия условиям (1.13), (1.47)-(1.56), (1.57), (1.58) и ограничениям, вытекающим из решений дифференциальных уравнений (1.10), (1.11).
На втором этапе целенаправленного синтеза осуществляется выбор некоторого оптимального, для рассматриваемых условий эксплуатации судна, варианта модели механизма предвидения экспертной системы, которая соответствует максимальной (минимальной) или назначенной величине критерия качества управления судном.
При постановке и решении задачи целенаправленного синтеза, помимо содержательного начала необходимо составить формальное описание такой задачи. Для этой цели, как это принято в общей теории систем, используем теоретико-множественный подход, и будем исходить из того, что набор элементов модели механизма предвидения экспертной системы X, полученный путем декомпозиционного разбиения, связан с соответствующим набором элементов D универсальной математической модели маневрирующего судна так: X = F[D\, D = F\X\; (1.59) FFl = 1. Пусть каждый элемент модели механизма предвидения (1.2) представляет собой многомерный вектор, компоненты которого ХкР (здесь к = 1, 2, ..., р = п, т, ...) являются соответствующими маневренными характеристиками судна, присущими этому элементу, т. е. Х\ — (ХЦ, ...,XI„); %2 = ( 2Ь 2т) , (1.60) Естественно, что конечное множество маневренных характеристик судна, используемое для комплектования множества альтернативных моделей меха 63 низмов предвидения экспертных систем, можно определить следующим образом: М= {Х\\, ..., Х\п, Х2], Х2т, ХкЬ хкр} (1-61) Будем иметь в виду, что каждая маневренная характеристика суднахц,..., %, являющаяся координатами векторов Х\, ..., Xk выражается через конечное множество числовых параметров, т. е.
Идентификация маневренных характеристик судна по результатам натурных экспериментов
В этом случае варьируются те же переменные. При частном дифференцировании по этим четырем переменным мы получим систему (2.60) с небольшими изменениями. Третье и четвертое уравнения системы вообще не изменятся, так как введенное условие не зависит от переменных Vx и Vy. Первое и второе уравнения изменятся минимально: первое уравнение системы (2.60) будет иметь в правой части член Хю, второе - Ai?c. Это замечание относится и к другой форме записи системы (2.61). Отсюда следует, что выражения (2.62) для Vx и Vy останутся неизменными, а два первых уравнения запишутся в виде
Каждое из этих уравнений определяет коэффициент Лагранжа. Приравнивая оба выражения для А И учитывая, что Rc = и/со, вновь получим одно трансцендентное уравнение для неизвестной угловой скорости со. Его можно записать, используя уже известные выражения, введенные в (2.65) и (2.66): со2 (VH2 - C0G2) = V(VHX - coGi). (2.68) Решаем его численно, после чего находим Rc = и/со, а с помощью соотношений (2.62) - компоненты скорости ветрового дрейфа VxnVy.
Еще один важный вариант минимизации возникает при двух дополнительных краевых условиях равенства координат модельной и идентифицированной кривых. Это типичная задача минимизации с краевыми условиями или, другими словами, двухточечная краевая задача. Краевые условия выглядят так: Rc - Rc cos (о tN) + VxtN = XN, Rc sin (со tN) + VytN= YN, (2.69) 107 где tN - момент времени, в который уравниваются координаты. При этом в левых частях равенств (2.69) расположены координаты идентифицирующей кривой, а в правой части - модельной.
Выберем момент уравнивания координат, соответствующий полному циклу движения по окружности, т. е. tN = 27t/ro. В этом случае выражения (2.69) существенно упрощаются и приобретают форму, которую мы и используем в новой функции для минимизации: Vxttf — Хя = 0;
Теперь при выполнении частного дифференцирования два первых уравнения системы (2.60), (2.61) не изменятся, так как дополнительные условия не содержат переменных Rc и ю. Два следующих уравнения, которые получаются в результате дифференцирования по Vx и Vy, немного видоизменятся -получат в правых частях члены X\t и XitN вместо нулей:
Эти два уравнения позволяют найти коэффициенты Лагранжа, необходимые для вычисления самого минимума минимизируемой функции. Но нас интересуют другие параметры, и поэтому из условий (2.71) найдем Vx и Vy и подставим их в два первых уравнения (2.61), которые не изменились. В результате получим
Решив его численно, находим Rc из любого уравнения (2.73). Компоненты скорости Vx, ууже известны, поэтому решение задачи завершается. Численный анализ показывает, что этот вариант минимизации дает идентифицированную траекторию, наиболее близкую к модельной, но при этом сами параметры идентифицируются хуже. Это и определяет сферу применения каждого из предложенных методов идентификации.
Как и выше, используем разработанные методы идентификации сначала применительно к модельным результатам, а затем и натурным. В отличие от случая циркуляции без ветра будем генерировать модельное движение не кинематически, а динамически с помощью имеющейся в нашем распоряжении динамической модели судна [135].
Движение судна моделировалось в условиях действия ветра со следующими параметрами: скорость 16 м/с и направление 60 град; при этом курс судна в начале циркуляции Р = 0 град, скорость и = 4 уз. На рис. 2.3 представлены три кривые, которые характеризуют результаты идентификации.
Кривая 1 описывает циркуляцию модели в отсутствии ветра с углом перекладки руля 35 град пр/б. Эта циркуляция имеет радиус Rc = 279 м и угловую скорость 24.66 град/мин, что хорошо согласуется с результатами сдаточных испытаний судна, которые проводились в Балтийском море летом 2002 года (ветер практически отсутствовал). Кривая 3 описывает движение модели в условиях ветра, о котором сказано выше. Кривая 2 дает идентификационную траекторию движения; при этом получены следующие параметры идентификации: радиус Rc - 271 м, угловая скорость со = 24.4 град/мин. Это соответствует скорости на циркуляции х = 1.923 м/с вместо 2.06 м/с при исходной скорости судна в 4 уз, что отвечает известному факту падения скорости на циркуляции. Очевидно, что по двум основным параметрам получены близкие результаты. Кроме того, получена и дополнительная информация - судно сносится ветром в направлении 198 град со скоростью 0.47 м/с. Заметим, что кривые 2 и 3 не совпадают локально, но поскольку глобальные параметры совпадают, можно считать подобный подход вполне оправданным, так как нашей целью было определение именно этих глобальных параметров. Однако это несовпадение траекторий наводит на мысль о необходимости дальнейшего уточнения кинематической модели, в частности сноса окружности с одновременным изменением радиуса. Это является основанием для продолжения исследований по идентификации в условиях действия ветра.
Модель гидродинамических процессов в винторулевом комплексе судна и его подруливающем устройстве
Поскольку в настоящее время имеются данные продувок лишь моделей судов наиболее распространенных архитектурных типов, мы не можем с высокой степенью вероятности утверждать, что предлагаемый нами способ определения аэродинамических коэффициентов является универсальным и, что самое главное, адекватно отражает закономерности ветрового воздействия на конкретное судно. Право выбора конкретного способа расчета коэффициентов аэродинамической силы и момента остается за разработчиком математической модели влияния ветра на динамические характеристики судна, но в любом слу 171 чае выбор должен быть обоснован результатами натурных экспериментов. В частности, серия натурных экспериментов по оценке характера поведения судна, лежащего в дрейфе (пять экспериментов на т/к "Усинек", принадлежащем ОАО "Мурманское морское пароходство", в 2004 году в Баренцевом море), во многом подтвердили наши предположения о достоверности выбранной нами расчетной схемы определения аэродинамических характеристик танкера.
Как указывалось выше, ряд ключевых судовых операций очень часто приходится выполнять в открытом море в условиях волнения, которое существенно влияет на маневренные характеристики судна, в частности, из-за образования дополнительного сопротивления движению судна, а также дополнительной поперечной силы на корпусе и момента рысканья.
Поскольку ключевая судовая операция может проходить как в условиях мелководья, так и на глубокой воде, следует формировать модель влияния волнения на динамические характеристики судна с учетом характера взаимодействия судна и волнения при различной глубине акватории. В этом случае необходимо иметь в виду, что на мелководье из-за трансформации волн волнение по своим характеристикам близко к регулярному, на глубокой воде оно носит нерегулярный характер. В связи с этим определим сначала параметры силового воздействия на судно со стороны регулярного волнения, а затем перейдем к получению аналогичных зависимостей для условий нерегулярного волнения.
Изучению проблемы, связанной с определением дополнительного сопротивления при движении судна в условиях волнения, посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых [2], [9], [22], [56], [182], [185] и др.
Принципиальный характер имеет вытекающее из теоретического решения (подтвержденного экспериментально) заключение о том, что в рамках линейной теории дополнительное сопротивление не связано с сопротивлением
Для определения коэффициента дополнительного сопротивления Kw представим его значение в виде произведения функций влияния. С целью разработки расчетных зависимостей для определения значений указанных функций воспользуемся результатами экспериментов [185], при этом будем учитывать ограничения, вводимые существующими инструкциями и положениями, в отношении основных параметров ветра и волнения, при которых ключевые судовые операции технически осуществимы. Так, например, швартовная операция допустима только при волнении до 5 баллов, при большей балльности возможны удары корпуса о грунт, если швартовка производится в мелководном районе; если же это относительно глубоководный район, то при указанной балльности волнения точечная швартовка практически неосуществима. Пределы, установленные для балльности волнения существенно упрощают разработку расчетной схемы для определения влияния волнения на параметры движения судна из-за ограничения соотношения длины волны к длине судна, соответствующего 5-балльному волнению, т. е. X/L \. Здесь необходимо отметить, что расширение диапазона допустимых значений параметров волнения не требует больших изменений как в структуре расчетных зависимостей, так и в общей структуре модели влияния волнения.
Итак, зависимость коэффициента дополнительного сопротивления на регулярном волнении можно представить как функцию параметров волнения и геометрических параметров погруженной части корпуса судна в виде произведения функций влияния: где kdi, kd2 - коэффициенты, учитывающие геометрических параметров погруженной части корпуса судна при заданной осадке, они рассчитываются по формулам, полученным в данной работе: kdi =0,261СЙ3 -0,315СЬ2 +0,110Q -0,01[0,9Q3 -0,1(0,65-Q2)](5,0-Z/B)L, kdi = 0,725C63 -0,875Q2 + 0,306C6 -[0,025Q3 -0,1(0,65-Cb2)](5,0-L/B)L. (3.140) Функция влияния отношения длины волны X к длине судна L /(Л/Ь) = {(Л/Ь)/[1,94(гу/Ь) + 0,47]}\ (3.141) где гу - радиус продольной инерции массы судна. Значения гу для различных осадок судна определяются по известным соотношениям [100]: г =1у/А, (3.142) Iy=(.Ylg) \х2сошп{х)ск + 1—, (3.143) где 1у - продольный момент инерции массы судна; Л - весовое водоизмещение судна; у - удельный вес воды; х - абсцисса шпангоута; сошп - площадь погруженной части шпангоута, т. е. параметры, алгоритм расчета которых изложен в 3.1.
Для анализа влияния волнения на управляемость судна воспользуемся результатами исследований Д.М. Ананьева [2], А.И. Вознесенского [22], А.Ш. Афре-мова [7] и других ученых.
С целью оценки влияния волнения на управляемость судна необходимо ввести в математическую модель судна расчетные зависимости, определяющие величину боковой силы Fj(t) и момента рыскания MJJ). Используя гипотезу плоских сечений, для тела вращения с осью, распо ложенной на определенной глубине (d - zc) = zc (отстояние центра величины от ватерлинии) и заданной строевой по шпангоутам сошп(х), после интегрирования по контуру шпангоута с учетом сделанных выше допущений получим Fw(t) = ЛосоЦд; sin qw cos (dkt, (3.149) Mw(t) = glzka0[im sin qw cos Щ Mw(t) = glzka0\im sin 9W sinV, (3.150) где oto - амплитуда угла волнового склона, осо = kC,w; к - волновое число, к = 2п/\; Iz - момент инерции массы судна относительно оси Z.
