Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов проектирования, модернизации, технологической подготовки производства и оценки ходкости судов
1.1. Предпосылки к выполнению работ по модернизации судна 8
1.2. Особенности обоснования типа и основных характеристик движительного комплекса при модернизации СНРД 9
1.3. Современное состояние методов проектирования, модернизации, технологической подготовки производства и оценки ходкости судов 13
1.4. Тенденции развития методов проектирования, модернизации, технологической подготовки производства и оценки ходкости судов 24
1.5. Выводы по главе 29
ГЛАВА 2. Математическая модель пропульсивного комплекса
2.1. Математическая формулировка модели 31
2.2. Определение сопротивления движению судов с несколькими режимами движения 33
2.3. Определение гидродинамических характеристик гребных винтов различных типов 45
2.4. Определение расхода топлива главными судовыми дизельными двигателями на стационарных режимах работы 53
2.5. Практическое использование математической модели пропульсивного комплекса в проектах модернизации судов 59
2.6. Основные результаты и выводы по главе 66
ГЛАВА 3. Имитационная модель функционирования судна
3.1. Принципиальная схема модели 67
3.2. Учет внешних факторов, действующих на судно в процессе эксплуатации ... 69
3.3. Построение имитационной модели на примере буксирного судна 88
3.4. Основные результаты и выводы по главе 96
ГЛАВА 4. Методика обоснования типа и характеристик движительного комплекса в проектах модернизации судов с несколькими режимами движения
4.1. Обоснование типа движительного комплекса в проектах модернизации судов 97
4.2. Оценка эксплуатационных и технических показателей судна 101
4.3. Применение аппарата теории принятия решений к вопросам обоснования типа и характеристик движительного комплекса 104
4.4. Обоснование типа и характеристик движительного комплекса (однокритериальный подход) 107
4.5. Обоснование типа и характеристик движительного комплекса (многокритериальный подход) 114
4.6. Основные результаты и выводы по главе 124
ГЛАВА 5. Методика автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства движительного комплекса, основанная на использовании современных CAD/CAM/CAE-систем
5.1. Общая формулировка задачи оценки параметрической надежности судов 125
5.2. Концептуальная модель оптимизации параметрической надежности 127
5.3. Оптимизационно-имитационная модель определения основных характеристик движительного комплекса модернизируемого судна 130
5.4. Использование систем автоматизированного проектирования на производстве 139
5.5. Интеграция CAD/CAM/CAE-систем в рамках предлагаемой методики 140
5.6. Основные результаты и выводы по главе 150
Заключение 151
Список использованных источников
- Особенности обоснования типа и основных характеристик движительного комплекса при модернизации СНРД
- Определение гидродинамических характеристик гребных винтов различных типов
- Учет внешних факторов, действующих на судно в процессе эксплуатации
- Применение аппарата теории принятия решений к вопросам обоснования типа и характеристик движительного комплекса
Введение к работе
Актуальность темы. Современное отечественное производство металлокерамических изделий характеризуется значительной долей ручного труда, обуславливающего высокий процент брака. С другой стороны, визуальный контроль качества выпускаемых изделий человеком-оператором отличается субъективизмом и малой производительностью, что также снижает эффективность производства.
Для автоматизации процесса контроля качества изготовления металлокерамических изделий целесообразно разрабатывать новые или модифицировать известные системы компьютерной обработки информации на базе СТЗ (систем технического зрения) с учетом особенностей металлокерамического производства. Точность оценок параметров изделий зависит от качества обрабатываемых изображений, формируемых в СТЗ в условиях запыленности, вибрации работающих механизмов, недостаточной освещенности и т.п. Так, например, если для изображения контакт-детали геркона отношение сигнал-шум снижается до 22 дБ, то погрешность определения его геометрических параметров может составлять 0,5 мм, тогда как минимальная требуемая точность должна быть не менее ±0,15 мм (согласно технологической выписке к/д №8-1 для изделия КЭМ-2 СЯ 7.730.002 Штамп-Ш-557). Воздействия производственных факторов, в частности, взвешенной пыли, проявляются на изображениях в виде мультипликативного шума с единичным средним, имеющим, в общем случае, распределение, не совпадающее с нормальным. Кроме того, формируемые в СТЗ изображения имеют большой объем, их требуется передавать, хранить для отчетной статистики, дополнительных исследований и т.п. Применяемые в известных СТЗ методы и алгоритмы цифровой обработки зашумленных изображений эффективны для аддитивного гауссовского шума, а операции фильтрации и компрессии проводятся, как правило, раздельно во времени, что приводит к замедлению ритма производства. Таким образом, актуальной становится задача разработки методов, алгоритмов, технических и программных средств анализа зашумленных изображений для систем компьютерной обработки информации на базе СТЗ, ориентированных на использование в производстве металлокерамических изделий.
Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетных НИР по автоматизации производства промышленных предприятий г.Рязани, проведенных на кафедре автоматики и информационных технологий в управлении Рязанского государственного радиотехнического университета в 2004 - 2008 гг.
Степень разработанности темы. Несмотря на относительно подробную освещенность вопросов бесконтактного (неразрушающего) контроля качества изделий в многочисленной литературе, технические решения для метал локерамического производства практически не встречаются. Известные варианты систем компьютерной обработки информации на базе СТЗ не могут без модификаций использоваться при производстве герконов и генераторно-модуляторных ламп из-за специфики шумов в изображениях контролируемых изделий.
Эффективным решением задачи анализа и обработки зашумленных изображений на металлокерамическом производстве является применение вейвлет-преобразования, где фильтрация и компрессия осуществляются с помощью одной и той же операции - пороговой обработки вейвлет-коэффициентов. Однако в большинстве известных публикаций зарубежных и отечественных авторов задачи фильтрации и сжатия решаются независимо, причем компрессия проводится преимущественно для неискаженных сигналов и изображений.
Известны работы О.-К.Снайх (Al-Snaykh), Р.Мерсеро (Мегсегеаи), где проведено исследование вейвлет-кодеков EZW (Embedded Zeroree), SPIHT (Set Partitioning in Hierarchical Trees), JPEG2000 при сжатии искаженных аддитивным гауссовским шумом сигналов и изображений, введено понятие оптимальной рабочей точки {optimal operation point) — степени сжатия, на которой кодек обеспечивает наилучшее шумоподавление. Работы К.Егиязаряна (Финляндия), Н.Пономаренко, В.Лукина (Украина) используют фильтрацию вейвлет-коэффициентов и различные свойства известных кодеков, анализируя кривые вида «степень сжатия - искажения». Однако такие методы эффективны для изображений конкретных классов, выбор кодека возлагается на пользователя. При этом отсутствуют данные при сжатии кодеками изображений, искаженных мультипликативным шумом. Другой аспект проблемы, который вообще не обсуждается в известных работах, связан с включением в процесс вейвлет-обработки зашумленных изображений текстурного анализа и сегментации, необходимых для обнаружения изделия и оценок его параметров. Наконец, отсутствуют данные по известным СТЗ, показывающие относительное повышение точности оценки параметров контролируемых изделий после фильтрации их зашумленных изображений (в том числе, после вейвлет-обработки).
Таким образом, перспективным следует считать разработку таких методов, алгоритмов вейвлет-обработки зашумленных изображений контролируемых изделий, которые совмещают во времени текстурный анализ, сегментацию изображений, фильтрацию мультипликативных помех и компрессию данных.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка основанных на текстурном вейвлет-анализе методов, алгоритмов, технических и программных средств фильтрации и компрессии зашумленных изображений в системах компьютерной обработки информации, предназначенных для повышения эффективности существующих методов контроля качества изготовления герконов и генераторных ламп.
Для достижения поставленной цели, решаются следующие задачи:
- Анализ производственных факторов для оценки их воздействия на визуальный контроль качества металлокерамических изделий, а также
специфики формирования сигналов и помех (зашумленных изображений) при использовании известных СТЗ.
- Исследование эффективности основных методов и алгоритмов цифровой обработки изображений, вейвлет-фильтрации и вейвлет-кодеков EZW, SPIHT, JPEG2000 при воздействии мультипликативных помех.
- Разработка и исследование методов и алгоритмов текстурного анализа и сегментации зашумленного изображения, выделения объекта (детали), а также алгоритмов предварительной фильтрации и оценки параметров изделий на их основе.
- Разработка и исследование алгоритмов фильтрации изображений при одновременном сжатии данных с применением текстурно-зависимой обработки вейвлет-коэффициентов, а также известных вейвлет-кодеков.
- Разработка системы вейвлет-анализа и обработки изображений контакт-деталей герконов и генераторно-модуляторных ламп, а также ее алгоритмического и программного обеспечения с учетом специфики г металлокерамического производства.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.
1. Впервые предложен метод комбинированной фильтрации изображений, полученных на этапах штамповки контакт-деталей герконов, запаивания выводов геркона в стеклянную трубку, изготовления сеток, катодов и анодов генераторно-модуляторных ламп, позволяющий в зависимости от вида текстуры сегмента и закона распределения шума в нем применить оптимальный из заданного набора алгоритм фильтрации.
2. Разработан новый алгоритм предварительной текстурно-зависимой обработки изображений, получаемых на этапе штамповки контакт-деталей, на основе локальных коэффициентов вариации при использовании вейвлет-кодека SPIHT.
3. Разработан новый текстурно-зависимый алгоритм вейвлет-обработки и компрессии зашумленного изображения с использованием локальных коэффициентов вариации и оценок вейвлет-коэффициентов по максимуму апостериорной плотности вероятности на основе обобщенного распределения Гаусса.
4. Впервые в отечественной практике разработана система компьютерной обработки изображений контакт-деталей на этапе штамповки, позволяющая с помощью полученных алгоритмов вейвлет-анализа обрабатывать данные о деталях с высокой точностью и в реальном масштабе времени.
Практическая ценность работы. Впервые разработана система анализа и обработки информации на этапе штамповки контакт-деталей, ускоряющая процесс производства и уменьшающая долю ручного труда. Предложенные технические решения позволяют проводить автоматизацию различных этапов металлокерамического производства.
Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение системы анализа и обработки данных о контакт-деталях эффективно подавляет мультипликативный шум в изображениях в процессе их компрессии, что обеспечивает значительный выигрыш по времени и точности оценки геометрических параметров изделий по сравнению с известными методами визуального (субъективного) контроля. Предложенные методы и алгоритмы вейвлет-анализа и обработки зашумленных изображений могут быть относительно легко адаптированы для использования в других приложениях.
Методы исследований и достоверность результатов. В работе использованы методы цифровой обработки изображений, элементы теории вероятностей, вейвлет-преобразования и математической статистики. Достоверность результатов и выводов диссертации подтверждается результатами статистического моделирования на ЭВМ, экспериментальными исследованиями разработанной системы компьютерной обработки изображений контакт-деталей на этапе штамповки, соответствующими актами внедрения и протоколами испытаний.
Реализация результатов. Предложенные в .диссертации методы, алгоритмы, технические и программные решения были реализованы при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых в ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» (НИР 2-06Г, 35-06Г, 7-06Г) и ООО «Инновационный центр при РГРТУ» (НИР 5427р/7953, 4564р/6890). Результаты диссертации внедрены на предприятиях ООО Hi ill «Фон», ОАО Рязанский завод металлокерамических приборов (РЗМКП).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод комбинированной пространственной фильтрации изображений, искаженных мультипликативным шумом, позволяющий в зависимости от вида текстуры и закона распределения шума применить оптимальный из заданного набора алгоритм фильтрации.
2. Алгоритм текстурно-зависимой предварительной обработки зашумленных изображений с использованием локальных коэффициентов вариации на основе вейвлет-кодека SPIHT.
3. Алгоритм предварительной текстурно-зависимой компрессии зашумленыого изображения с использованием локальных коэффициентов вариации и оценок вейвлет-коэффициентов по максимуму апостериорной плотности вероятности на основе обобщенного распределения Гаусса.
4. Система компьютерной обработки зашумленных изображений контакт-деталей, позволяющая с помощью разработанных алгоритмов вейвлет-анализа получать оценки параметров изделий с заданной точностью в реальном масштабе времени.
Особенности обоснования типа и основных характеристик движительного комплекса при модернизации СНРД
Несмотря на особую роль движительного комплекса как одной из важнейших подсистем судна, вопросам обоснования его типа и основных характеристик при модернизации и переоборудовании судов уделяют недостаточно внимания. Недооценка роли движительного комплекса в дальнейшем, отражается на экономической эффективности судна.
Рассматривая вопросы, связанные с обоснованием типа и основных характеристик движительного комплекса, необходимо отметить тот факт, что в настоящее время благодаря своей простоте и высокой эффективности гребные винты получили чрезвычайно широкое распространение в качестве основного движителя на судах морского и речного флота. При этом, наиболее высокий КПД при максимальной простоте достигается у винтов фиксированного шага (ВФШ). Благодаря этим преимуществам ВФШ используются на большинстве транспортных судов. Однако для ВФШ существует один совершенно определенный расчетный режим работы, для которого и определены его характеристики и на котором обеспечивается наивысшая эффективность. На других режимах винт становится или «легким», или «тяжелым», он не может использовать полную мощность двигателя.
Для транспортных и пассажирскігх судов основным режимом движения является полный ход. Отклонения от расчетного режима при эксплуатации вызваны множеством причин: влиянием ветра и волн, обрастанием и коррозией, изменением нагрузки и др. Однако такие отклонения от расчетного режима сравнительно невелики и не сильно влияют на эффективность движителя.
Довольно большая группа промысловых судов: сейнеры, дрифтеры, китобойцы, суда для лова рыбы на свет, приемно-транспортные суда, плавучие базы, производственные и транспортные рефрижераторы - выполняют свои промысловые функции либо в дрейфе, либо на свободном ходу. Ходовой режим для них является основным расчетным режимом. Иначе обстоит дело с траулерами, промысловый режим которых связан с буксировкой орудий лова в толще воды или по грунту. Необходимость работы в двух режимах - на свободном ходу и на тралении - заставляет анализировать, какой из них является расчетным.
Кроме того, время переходов и другие виды непроизводственных затрат времени малы, когда районы промысла расположены близко от порта базирования промыслового судна. По мере удаления районов промысла от порта базирования процент производительного промыслового времени заметно падает. Для увеличения производительного промыслового времени в удалённых районах промысла обычно переходят к экспедиционной организации работы добьшающих судов. Тем не менее, это не уменьшает значимости вопроса о ходовых качествах рыбопромысловых судов, т.к. переход к месту промысла занимает большое время. Поэтому вопрос о выборе расчётного режима и проектной скорости хода, для промысловых судов также имеет огромное значение.
Несмотря на важность указанной проблемы, в данный момент не существует четких, научно-обоснованных рекомендаций, ориентирующих проектанта на выбор типа движителя как при проектировании, так и при выполнении проектов модернизации и переоборудования судов.
Некоторые авторы [59, 122] рекомендуют делить все суда натри основные группы:
1. Суда, у которых нагрузка движителя на длительных переходах изменяется незначительно. К этой группе можно отнести пассажирские, обрабатывающие, транспортные и грузовые суда, работающие на определенных линиях. Для этой группы движитель проектируется на режим полного хода в грузу.
2. Суда, для которых первоочередными являются требования обеспечения высоких маневренных качеств. Это портовые буксиры, паромы. Для этой группы судов важное значение имеют характеристики заднего хода. При выборе для них элементов движителя принимаются заниженные значения конструктивного шагового отношения Hk/D.
3. Суда, имеющие два и более режима длительной эксплуатации, которые характеризуются значительным различием в гидродинамической нагрузке. Это все типы добывающих судов, морские линейные буксиры, спасательные суда. Для этой группы судов движитель проектируется на наиболее тяжелый режим хода с орудиями лова или с возом.
Из сказанного видно, что рекомендации сводятся лишь к выбору расчетного режима движения, на который следует проектировать движитель, но ничего не говорится о выборе типа движителя. Следует отметить еще и тот факт, что в процессе эксплуатации суда, особенно СНРД, могут работать на режимах, значительно отличающихся от расчетного.
В литературе существуют рекомендации, связанные с целесообразностью установки направляющей насадки [66, 78, 82, 143], указываются достоинства ВРШ по сравнению с
ВФШ [12, 52, 59, 122]. Однако такой подход носит лишь рекомендательный характер и не позволяет в полной мере оценить все преимущества и недостатки принятого решения.
В таблицах 1.1 и 12 приведены основные характеристики промысловых судов отечественной и буксирных судов зарубежной постройки, в последнем столбце указаны тип и количество движителей.
Обозначения, приведенные в таблицах, соответствуют: LH6 - длина наибольшая, м; LUII - длина между перпендикулярами, м, В - ширина, м; А - водоизмещение, м3; N - мощность главного двигателя, кВт; Vs - скорость хода, уз.
Определение гидродинамических характеристик гребных винтов различных типов
В предыдущем разделе рассматривались вопросы, связанные с определением сопротивлению движения судна, но, как уже говорилось, для определения показателей ходкости и разработки математической модели пропульсивного комплекса судна необходимо определить и эффективность его движителей.
Суда рассматриваемых типов, как показывает статистика, могут иметь следующие варианты движительного комплекса: ВФШ или ВРШ, в направляющей насадке или без нее, количество гребных винтов - один или два. Модель должна позволять проанализировать любой из этих вариантов.
Мы не рассматриваем другие варианты движителей: водометные или крыльчатые движители, поворотные винтовые колонки, включая систему АЗИПОД. Они имеют свои положительные и отрицательные качества, но такой анализ выходит за рамки предлагаемой работы.
Как указано выше, при проектировании обычного транспортного судна вопрос почти всегда решается просто: принимается один винт фиксированного шага. Для судов, обладающих несколькими, отличающимися друг от друга режимами движения, задача не имеет однозначного универсального решения. Это требует рассмотрения при проектировании такого судна всех возможных альтернатив.
В ходе проектирования при определении основных характеристик движителя любого типа решается одна из двух задач:
1. Заданы мощность и частота вращения главного двигателя. Требуется выполнить проектировочный расчет гребного винта, обеспечивающего соответствие двигателю и корпусу и позволяющего судну развить наибольшую скорость.
2. Задана скорость хода судна. Требуется выполнить проектировочный расчет гребного винта и подобрать двигатель.
В обоих случаях предварительно имеется зависимость сопротивления движению (буксировочной мощности) судна от скорости хода.
В зависимости от пожеланий заказчика и требований технического задания, при разработке конкретного проекта судна может использоваться тот или иной подход. В своей работе мы также будем использовать как первый, так и второй подходы, что зависит от целей моделирования и будет предварительно оговариваться.
Важным вопросом, который необходимо решить проектанту, является выбор количества движителей - это один из сложных вопросов при проектировании судов, решение которого зависит от многих взаимосвязанных, а иногда и противоречивых факторов. Во многих случаях количество движителей принимается по аналогии с прототипом проектируемого судна. Однако такой подход к решению данной проблемы не всегда является рациональным, ввиду возможности существенных отличий между проектируемым судном и принятым прототипом.
Поэтому при проработке вариантов судна на этапе предварительного проектирования необходимо рассматривать как одно-, так и двухвинтовой вариант судна, чтобы иметь возможность сравнить получаемые при этом показатели эффективности.
При проектировании одиночных или мелкосерийных судов небольших размеров проведение буксировочных, а тем более натурных испытаний, является довольно дорогостоящей операцией. Поэтому в судостроительной практике наибольшее распространение получил подбор элементов гребного винта по данным экспериментальных диаграмм. Такие диаграммы строятся по результатам испытаний серии моделей гребных винтов с заранее принятым числом лопастей и дисковым отношением. Тем самым у подбираемого по таким диаграммам винта предопределяется число лопастей, искомыми и варьируемыми величинами являются диаметр и шаг винта.
К числу наиболее распространенных диаграмм такого вида можно отнести диаграммы Э.Э Папмеля, Тейлора, Шенхерра, Гауна и т.д. Наибольшее распространение получили диаграммы Вагенингенского (Нидерланды) и Хезларского (Англия) опытовых бассейнов, как-то серии винтов Трооста (серии «В»). Указанные систематические серии — это серии гребных винтов с различным шаговым отношением при нескольких значениях дискового отношения и неизменными другими геометрическими характеристиками.
Влияние остальных параметров: формы контура, профилировки и толщины сечений лопасти, исследовалось обычно на небольших группах моделей, которые не составляли полную серию. Очевидно, что такие данные могут служить лишь для качественной оценки влияния рассматриваемого параметра и часто недостаточны для выполнения полноценного расчета. Результаты большинства систематических испытаний моделей винтов позволяют учесть лишь влияние основных безразмерных геометрических характеристик винта — шагового и дискового отношений. В тех же случаях, когда проектируемый винт отличается по какому-либо параметру от винтов систематической серии, для уточнения гидродинамических характеристик и основных элементов этого винта требуется испытание его модели, изготовленной в соответствии с окончательным чертежом гребного винта, или расчеты по вихревой теории.
Учет внешних факторов, действующих на судно в процессе эксплуатации
Применительно к проектам модернизации буксиров имитационная модель должна учитывать специфику работ, выполняемых судном, основные факторы, оказывающие влияние в процессе эксплуатации, позволять выбирать тип движителя, определять технические, эксплуатационные и экономические показатели функционирования.
Динамику функционирования буксира, заложенную рассматриваемую имитационную модель, в общем виде, можно представить в виде последовательности следующих операций.
В момент времени to, поступает заявка на выполнение буксировочных работ в районе П є R, при этом судно находится в порту приписки По. После поступления заявки происходит сбор и подготовка к рейсу, на что затрачивается определенное время, обозначаемое t3 -время задержки. По истечении времени t3 судно выходит из порта приписки и направляется в пункт Пі, где в зависимости от условий задания происходит прием объекта буксировки и оформление соответствующих документов, на что затрачивается время tn. После этого судно с буксируемым объектом из Пі отправляется в пункт назначения Пг, где происходит сдача объекта, на что затрачивается время t№ После этого судно осуществляет обратный переход в порт приписки По. Возможен вариант, при котором осуществляется буксировка объекта из Пт в По либо другой пункт назначения.
Данные по районам эксплуатации судна (море, район, протяженность, курсовой угол и т.д.) задаются с помощью специального блока, включающего информацию по 11 маршрутам движения, данные заимствованы из работы [153].
Для судов других типов (траулеров, судов ледового плавания, тральщиков и т.д.) предлагаемая модель будет отличаться блоками, учитывающими специфику функционирования судов данного типа.
Задача данной главы состоит не в создании серии имитационных моделей, учитывающих специфику функционирования судов различного назначения, а в том, чтобы показать целесообразность и необходимость использования предлагаемого подхода при научном обосновании технических решений не только при проектировании, но и при разработке проектов модернизации и переоборудовании судов.
Как известно, большое влияние на показатели функционирования и качество выполняемых судном работ оказывают внешние факторы, определяемые, в основном, гидрометеорологическими условиями и характером движения судна.
Для буксирных судов основная роль внешних факторов заключается в увеличении сопротивления движения судна или состава, что оказывает значительное влияние на продолжительность рейса и изменение экономических показателей.
На основе проведенного анализа были выявлены следующие факторы, оказывающие существенное влияние на сопротивление буксирных судов: сопротивление буксируемого объекта, сопротивление буксирного троса, ветроволновые нагрузки, обрастание и коррозионное разрушение судовой поверхности, изменение глубины, в зависимости от района эксплуатации, изменение посадки буксирного судна в процессе эксплуатации, сопротивление льда.
Вопросы, связанные с определением сопротивления буксирного судна и гидродинамических характеристик гребных винтов различных типов, были освещены во второй главе. Далее рассмотрим, каким образом указанные факторы учитываются в имитационной модели. Сопротивление буксируемого объекта
Буксир может осуществлять буксировку как судов, так и несамоходных объектов (баржи, доки, понтоны и др.). В инструкциях по буксировке часто рассматривают абстрактные объекты, не выделяя в расчетах особенностей и принадлежности такого объекта к конкретному классу, при этом стараются использовать универсальные зависимости, которые подходили бы для любого буксируемого объекта. Например, площадь смоченной поверхности часто определяют как функцию двух параметров: длины и коэффициента общей полноты Q =f(L, 5). Подобным образом поступают и при расчетах сопротивления объекта. Возникает вопрос, связанный с достоверностью и адекватностью результатов, полученных с помощью таких методов.
В рамках диссертационной работы по заказу ООО «Мортест», применительно к строящимся буксирам, с целью оценки ожидаемых характеристик ходкости судна на режимах свободного хода и буксировки одной или двух барж были выполнении расчеты по определению оптимальной частоты вращения гребных винтов (выбору передаточного отноше ния). Параллельно производилось сравнение двух вариантов движительного комплекса: с открытыми винтами фиксированного шага и с винтами в насадках. Характеристики главных двигателей (мощность и частота вращения) и гребных винтов (диаметр, число лопастей, шаговое и дисковое отношение) принимались равными для обоих типов движителей. Передаточное отношение редуктора варьировалось в широких пределах с целью поиска оптимальных вариантов для обоих типов движителей.
Расчет включал оценку сопротивления движению буксира при свободном ходе в реальном диапазоне скоростей (максимальная расчетная скорость принималась больше реально достижимой для установления характера изменения сопротивления при увеличении скорости), баржи при состоянии в балласте и в полном грузу, а также буксира с одной и с двумя баржами (в кильватер). Выполнены расчеты максимально достижимой тяги и требуемой мощности двигателей для случаев открытого винта и винта в насадке при семи значениях передаточного отношения редуктора.
Применение аппарата теории принятия решений к вопросам обоснования типа и характеристик движительного комплекса
На практике при оценке качества функционирования сложных систем, как правило, используют не один, а несколько критериев.
Общую формулировку задачи многокритериального принятия решений в условиях неопределенности можно представить в следующем виде: существуют альтернативы х;, і = 1,..., п, которые образуют множество решений Х={хь ...,хп}; существует множество состояний среды S = {si, ..., sq}, при этом ЛПР точно не известно, в каком конкретном состоянии находится или будет находиться среда; на множествах решений X = {хь ..., хп} и состояний среды S = {si, -, sn} определено m характеристик качества Z\, ..., zm, каждая характеристика качества Zk (к = 1, ..., т) описывается функцией полезности U = u(x;, Sj), Xk є X, Sj є S, если ЛПР исходит из условия максимизации ее значений, в противном случае используют функцию потерь V = V(XJ, Sj), ХІ є X, Sj є S и стремятся минимизировать ее значения.
Как и в случае однокритериальной задачи, при оценке качества имеющихся альтернатив возможна одна из следующих ситуаций информированности ЛПР относительно состояний внешней среды: 1. ЛПР известно априорное распределение вероятностей р = {pi, ...,pq}, (О pi 1, } р =1) различных состояний среды Sj є S. 2. Среда активно противодействует целям ЛПР; 3. ЛПР имеет приблизительную априорную информацию о состояниях среды, являющейся промежуточной между первой и второй ситуациями информированности — условия неопределенности.
Требуется определить наилучшую альтернативу х; є X, удовлетворяющую предъявляемым требованиям.
Важнейшей отличительной особенностью задачи многокритериального принятия решений является то, что каждой проектной альтернативе Xj в пространстве характеристик соответствует несколько точек U = (Ui, ..., Um) = (UI(XJ, Sj), ..., um(x„ Sj)) при различных состояниях среды Sj є S.
В п. 4.4 была рассмотрена задача выбора оптимальной альтернативы по одному критерию, в зависимости от степени информированности ЛПР относительно состояний среды, и приведены основные критерии, по которым сравнивают имеющиеся альтернативы по одной из принятых характеристик.
Как правило, критерии оценки качества функционирования системы являются противоречивыми, и улучшение значений по одному из них приводит к ухудшению значений по другим критериям. В подобной ситуащш необходимо найти компромисс.
В данной работе для решения задачи многокритериального выбора в условиях неопределенности использовалась двухуровневая модель принятия решений [125].
На нижнем уровне решается задача оценки вариантов Xj є X для каждой из характеристик Zk путем применения соответствующих критериев оценки характеристик качества (см. табл. 4.3), т.е. происходит формальное устранение случайных составляющих (риска), связанных с недостаточной информированностью относительно состояний внешней среды. В итоге задача становится детерминированной и для ее решения можно применять методы многокритериального принятия решений в условиях определенности.
Таким образом, на верхнем уровне решается задача многокритериального принятия решений в условиях определенности.
Ситуацию многокритериального принятия решений в условиях определенности формально можно представить в следующем виде: имеются альтернативы х;, которые обладают m свойствами или характеристиками z ; каждому k-му свойству Zk (к = 1, ..., т) альтернативы Xj (і = 1, ..., п) соответствует определенная критериальная оценка z; = fi(xk), представляющая собой некий локальный критерий; каждой альтернативе х в m-мерном критериальном пространстве Z соответствует решение - точка z = (zb ..., zm) = f(x) = (fi(Xj),..., fm(x,)) є Rm; 115 имеющиеся альтернативы х принадлежат множеству альтернатив X, образованному ограничениями и условиями х є X; отображение множества X в критериальное пространство Z порождает в этом пространстве множество решении Zx: X —» Zx aZ = Rm , на множество имеющихся решений в критериальном пространстве наложены ограничения, образующие подмножество Zz; множество допустимых решений Zz в критериальном пространстве Z образовано пересечением множеств Zx и Zz (ZD = Zx г Zz).
В нашем случае множество имеющихся альтернатив X = {xi, ..., хп} является дискретным (варианты движительного комплекса). Необходимо определить номер к, которому соответствует лучшая альтернатива.
Так как большинство математических методов оптимизации предназначены для нахождения экстремума одной функции - т.е. для одной цели, то чаще всего пытаются свести многоцелевую задачу к одноцелевой [86, 60,125].
Таким образом, на верхнем уровне решается задача преодоления многокритериально-сти, заключающаяся в переходе от векторной оценки решений Хк к скалярной путем построения соответствующей функции качества.
В настоящее время разработано и применяется на практике достаточно большое количество принципов оптимальности, позволяющих осуществить переход от многокритериальной к однокритериальной задаче [http://web.petrsu.ru/ forest/courses/decision/chap7 a.htni]. Кроме того, возможна комбинация базовых принципов, а также их последовательное использование в задаче принятия решений. Такой подход позволяет провести исследование того, как изменяется решение в зависимости от выбранного принципа и предпочтений ЛПР.
Часто выбранные критерии измеряются в различных единицах, для одних критериев лучшие значения те, которые больше, а для других, наоборот, меньше. Для сравнения значений различных критериев необходимо перейти к однонаправленным шкалам путем нормализации критериев, а также, если это необходимо, осуществить переход к безразмерным величинам и сменить направление цели.
