65339

Оптимізація керування рухом судна в штормових умовах

Автореферат

Логистика и транспорт

Незважаючи на певні досягнення в теорії та практиці управління судном, погодні умови, як і раніше, залишаються одним з найбільш значущих факторів, що безпосередньо впливають на економічну ефективність та безпеку судноплавства.

Украинкский

2014-07-28

556 KB

0 чел.

PAGE  29

PAGE  18


R

Sn

S1

x1

n

Z

f (R,y1…yn)

E

En

E1

y1

yn

(1)

(2)

Рис. 1. Модель системи оцінки ефективності виконання морського переходу

x1xnпараметри хитавиці,  S1Snвідповідні оцінки; у1…уnекономічні показники,  Е1…Еnвідповідні оцінки; Rрівень ризику, Е – рівень економічної ефективності, Zцільова функція.

I

II

III

X(,U,)

S(Tcp, H1/3, )

S(Tcp, H1/3, )

Z

ВИВЕДЕННЯ РЕКОМЕНДАЦІЙ

R

U(R)

Route(,), UP, Аmin

P

Z=

Варіювання 

U, µ методом ГА

Варіювання Route(,) методом ГА / Нелдера-Міда шляхом змінення позицій точок відхилення (полюсів)

попередній розрахунок

алгоритм пошуку оптимального режиму руху

алгоритм пошуку оптимального маршруту

ТАК

да

так

НЕТ

ні

Ні

min

{Z-Amin}?

min{Z}?

UUmin

Фактичний спектр хвилювання

Прогнозовані спектри хвилювання

(1:n)

Рис. 2. Блок-схема узагальненої методики вибору оптимального маршруту і режимів руху судна у шторм

,

,

U, вузли

U, вузли

Зони небезпечних коливань остійності

Фактичний режим руху

Рекомендований режим руху

 17

*На рисунку: перша цифра – висота значущих хвиль, друга – середній період хвилювання.

точки відхилення від початкового маршруту

«полюси»

А

Б

альтернативний маршрут

початковий маршрут

  •  

небезпечна ділянка маршруту

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

(ОНМА)


Піпченко Олександр Дмитрович


УДК  656.61.052

ОПТИМІЗАЦІЯ керування рУХОМ СУДНА

У ШТОРМОВИХ УМОВАХ


05.22.13 – Навігація та управління рухом


Автореферат
дисертації  на  
здобуття  наукового  ступеня

кандидата  технічних  наук

Одеса – 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства    освіти і науки України.

Науковий керівник:    кандидат технічних наук, доцент 

Алексішин Віктор Григорович,

Одеська національна морська академія,

завідувач кафедри судноводіння.

Офіціальні опоненти:   доктор технічних наук, професор

Вагущенко Леонід Леонідович,

Одеська національна морська академія,

завідувач кафедри електронних комплексів

судноводіння;

кандидат технічних наук, доцент

П’ятаков Едуард Миколайович,

Херсонська філія інституту післядипломної освіти «Одеський морський тренажерний центр», директор.

Захист дисертації відбудеться 16 грудня 2010 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 1, зал засідань вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2.

Автореферат розісланий 15 листопада 2010 р.

       

Вчений   секретар  

спеціалізованої вченої ради,

     д. т. н., професор       Тарапата В.В.

 

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Незважаючи на певні досягнення в теорії та практиці управління судном, погодні умови, як і раніше, залишаються одним з найбільш значущих факторів, що безпосередньо впливають на економічну ефективність та безпеку судноплавства. Судноплавні компанії продовжують нести значні збитки внаслідок пошкодження чи втрати вантажу, пошкоджень корпусу судна, суднових конструкцій та механізмів і навіть повної втрати суден у штормових умовах. Подібні аварії часто є наслідком неадекватної оцінки погодних умов та стану судна, що може бути викликано як відсутністю належних бортових систем контролю мореплавності, так і недостатньо надійною інформацією, отриманою від берегових центрів проводки.

Аналіз вітчизняних та іноземних літературних джерел показує, що дана проблема вирішена недостатньо як у теоретичному, так і в практичному плані. При цьому, з метою отримання адекватних практичних рішень, подальших більш глибоких досліджень потребують питання оцінки ризиків, планування та оптимізації маршрутів судна при плаванні у зонах з високою імовірністю виникнення штормової погоди, особливо при трансокеанських переходах.

Ці обставини обумовлюють актуальність досліджень, спрямованих на удосконалення методів пошуку оптимального трансокеанського маршруту і режимів руху судна у шторм.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрям дослідження відповідає «Державній програмі вдосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки мореплавання на 2002-2006 роки» (Постанова КМ України від 28.01.2002, № 296) і «Концепції сталої національної транспортної політики розвитку всіх видів транспорту на 2007-2014 роки» (Наказ Мінтрасзв’язку від 05.05.2007, №360). Тема дисертації пов’язана також з держбюджетною фундаментальною НДР «Теоретичні основи експлуатації перспективних морських транспортних засобів» (ДР №0107U0020), в якій автору належить самостійно виконане дослідження.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення безпеки і економічної ефективності експлуатації судна. Виходячи з цього, головною задачею дослідження є оптимізація динамічного стану судна та маршруту переходу. Розв’язання цієї задачі пов’язано з вирішенням наступних допоміжних задач:

  •  аналіз проблеми динаміки судна на хвилюванні з позицій вірогідності і оперативності розрахунків та розробка відповідної математичної моделі;
  •  удосконалення існуючих методів розрахунку мореплавного стану судна за рахунок оптимізації обчислювальних процедур, опираючись на розроблену модель хитавиці судна;
  •  розробка методу оцінки ефективності керування судном у штормових умовах, визначення форми вхідної і вихідної інформації та встановлення відповідного математичного зв’язку;
  •  синтез системи оперативного контролю динамічного стану судна і оптимізації його маршруту з урахуванням штормових умов.

Об’єктом дисертаційного дослідження є процес судноводіння у трансокеанському переході, а предметом – рух судна в умовах морського хвилювання.

Методи дослідження. При вирішенні задач було використано методи:

  •  системного аналізу – при організації досліджень, виборі теми, постановці задач дослідження і їх технологічних аспектів, а також при узагальненні отриманих результатів;
  •  гідродинамічної теорії – при розробці моделі динаміки судна і розрахунку окремих параметрів його мореплавного стану;
  •  теорії «м’яких обчислень» - при розробці системи оцінки мореплавного стану судна; 
  •  оптимізації -  при отриманні цільових функцій та вирішенні головної задачі дослідження;
  •  математичного програмування – при розробці алгоритмів і програм розрахунку та аналізу процесів;
  •  планування експерименту та обробки статистичних даних – при проведенні натурних спостережень.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що оптимальність керування рухом судна прогнозується за наявністю цільової функції, яка відображає роботу судна, витрачену на перехід, та мінімізується шляхом змінення параметрів руху в залежності від погодних умов.

При цьому вперше встановлено взаємозв’язок між:

  •  сталим рухом судна, його характеристиками мореплавності і параметрами хвилювання, представлений у вигляді нелінійної математичної моделі;
  •  формою зануреної частини перерізу корпусу та його локальною осадкою, представлений у вигляді двошарової штучної нейронної мережі;
  •  параметрами руху судна, роботою витраченою за перехід і додатковою роботою витраченою на компенсацію збурюючих сил та зниження пов’язаного з ними ризику у вигляді інтегральної залежності;
  •  параметрами хитавиці і рівнем ризику, методами евристичного аналізу та теорії нечіткої логіки.

Удосконалено:

  •  метод розрахунку мореплавного стану судна за рахунок більш точного визначення зон небезпечної бортової хитавиці, слемінгу, заливання та втрати швидкості на нерегулярному хвилюванні, що дозволило більш оперативно вирішувати задачі вибору режиму руху у штормових умовах безпосередньо на судні;
  •  дворівневу систему оцінки ефективності планування маршруту і управління судном в штормових умовах з застосуванням методів нечіткої логіки і оцінки ризиків.

Набула подальшого розвитку система оперативного контролю параметрів руху судна та планування оптимального маршруту з урахуванням штормових умов.

Практичне значення отриманих результатів визначається можливістю підвищення на їх основі безпеки мореплавства та економічної ефективності виконання морського переходу. Отримані в роботі методи розрахунку мореплавного стану можуть бути застосовані при математичному моделюванні динаміки широкого класу морських суден за умови коректного накладення обмежень, які прийняті у теорії плоских перерізів.

Розроблена евристична система оцінки стану судна може мати подальший розвиток як на транспортних засобах, так і в будь-якому виробничому процесі, у якому виникає необхідність пошуку оптимальних режимів управління на основі різнорідних і, можливо, неточних даних.

Отримані в роботі методики можуть бути використані як алгоритмічна основа програмного забезпечення бортових систем контролю мореплавності і систем вироблення рекомендацій на берегових центрах проводки. Відповідні імітаційні моделі та програми можуть бути використані в учбовому процесі з метою наочної демонстрації поведінки судна в штормових умовах і формування відповідних навичок у судноводіїв.

Практичні результати дисертаційного дослідження запроваджено на суднах компанії «В. ШИПС (Україна)» (акт від 27.05.2010 р.) та «КААЛБАЙ ШИПИНГ Україна» (акт від 14.06.2010 р.). Теоретичні результати роботи використовуються у навчальному процесі ОНМА (акт від 21.05.2010 р.), а також в ЦПАП ОНМА і ОМТЦ (акти від 14.05.2010 г.).

Особистий вклад здобувача. Усі наукові результати дисертації, які виносяться на захист, отримано самостійно. 5 статей з 7 опубліковано без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень було докладено на наступних конференціях:

  •  Refinement of ship maneuvering mathematical model. AGA IAMU (Annual General Assembly of International Association of Maritime Universities), 2005, Malme (Sweden).
  •  On risk assessment and decision-making while controlling the ship in adverse weather conditions. AGA, IAMU, 2008, California Maritime Academy, San Francisco (USA).
  •  Моделирование качки судна с учетом колебаний поперечной остойчивости. Международная научно-практическая конференция в честь 80-летнего юбилея В.В. Козлякова. Одесса, 2008.
  •  О влиянии килевой и вертикальной качки на остойчивость судна. Науково-технічна конференція «Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння». Одеса: ОНМА, 2008.
  •  Методика выбора оптимального пути судна в шторм. Науково-технічна конференція «Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння». Одеса: ОНМА, 2009.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 7 статтях, 5 з яких – у виданнях, які входять до Переліку, схвалених ВАК України для опублікування результатів дисертаційних досліджень. Окрім того, результати роботи відображені в тезах п’яти доповідей на наукових конференціях.

Структура роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, двох додатків і переліку використаної літератури з 140 найменувань. Повний обсяг дисертації – 190 стор. Основна частина містить 168 стор., 63 рис. і 11 табл. Додатки – на 9 стор.  

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету та задачі дослідження, показано наукову новизну і практичне значення роботи.  

В першому розділі наведено загальний аналіз аварійності світового флоту в період з 1997 по 2007 рр. На основі наведеного аналізу зроблено висновок, що істотна частина аварійних випадків на морському транспорті (за різними даними — 18-26%) відбувається в штормову погоду. Аварії, причини яких були закладені на етапах планування та коригування вантажних операцій і морського переходу, викликані в основному помилками операторів (судноводіїв, планерів, служби метеопроводки та інших). В той же час основною причиною аварій на етапі морського переходу, коли судно вже знаходиться в тяжких штормових умовах, є обмежена кількість поточної та прогностичної інформації про стан погоди і судна. Зважаючи на це, стає явною необхідність удосконалення методів інформаційної підтримки судноводіїв під час управління судном в шторм. Останню передбачається здійснювати не тільки шляхом надання оператору необхідної вимірювальної та прогностичної інформації, але й шляхом вироблення відповідних рекомендацій щодо управління судном. При цьому загальну задачу вироблення рекомендацій можна розділити на дві підзадачі:

  •  пошук оптимального маршруту переходу з урахуванням довгочасного прогнозу погодних умов (планування);
  •  пошук оптимального режиму руху судна при поточному стані погоди (оперативне управління).

Стан досліджень першої проблеми на сучасний момент визначався, виходячи з робіт В. Г. Сізова, Ю. І. Нечаєва, С. С. Кубріна, S. Bijlsma, J. Journee, R. James та інших вчених, а другої – з робіт О. М. Крилова, М. Д. Хаскінда, І. К. Бородая і Д. А. Нєцвєтаєва, С. Н. Благовещєнського, А. Н. Холодиліна, Ю. В. Ремеза, В. Б. Ліпіса, Ю. І. Нечаєва, В. В. Луговського, В. А. Нєкрасова, В. В. Семенов-Тян-Шанського,  Л. А. Козыря, T. Fossen, O. Faltisen, P. Kaplan, M. Ochi, F. Tasai, J. Journee, I. Clark, H. Capps та ін. Внаслідок цього було встановлено наступне.

  •  Під час планування трансокеанського маршруту найбільш прогресивними на сьогоднішній день є методики, що ґрунтуються на пошуку оптимального маршруту на спрямованому графі методом генетичних алгоритмів. При цьому виникає необхідність в удосконаленні алгоритму вироблення альтернативних маршрутів з метою підвищення з одного боку точності, з іншого боку — швидкодії подібної методики.
  •  При плануванні трансокеанського переходу економічний фактор є переважним до тих пір, доки забезпечується припустимий рівень безпеки судна. Тому виникає необхідність в розробці способів адекватної оцінки ризиків під час вибору найбільш економічних маршрутів.
  •  Визначення параметрів хитавиці пов’язано з розрахунком специфічних режимів бортової хитавиці, таких як основний та параметричний резонанс, зниження остійності. Розрахунок кінцевих амплітуд хитавиці у цих режимах за найбільш точними «тривимірними» математичними моделями потребує надто великих обчислювальних затрат, що гальмує практичне застосування обчислювальних алгоритмів. Це викликає необхідність пошуку більш простих, але достатньо вірогідних способів розрахунку.

В другому розділі за результатами аналізу стану проблеми експлуатації судна в штормових умовах визначено основний напрям і методологія наукового дослідження.

За робочу гіпотезу прийнято, що підвищення безпеки і економічності управління рухом судна у штормових умовах можна досягти шляхом розробки більш досконалих методів і алгоритмів вибору оптимальних режимів руху і маршруту судна, враховуючи динаміку судна на морському хвилюванні, ризики з цим пов’язанні, та відповідні економічні фактори. Для її доведення і вирішення головної задачі було сформульовано і розв’язано чотири допоміжних.

Рішення першої з них пов’язано з аналізом існуючих методів математичного опису і моделювання поведінки судна на хвилюванні (емпіричні методи, методи теорії плоских перерізів, методи обчислювальної гідродинаміки) з метою отримання раціональної з позицій продуктивності і вірогідності моделі. Розглянуто переваги лінійного та нелінійного підходу до моделювання. Проаналізовано методи розрахунку складових цих моделей, з яких для вирішення поставленої задачі найбільш доцільними визнано методи, що ґрунтуються на базі теорії плоских перерізів.

Для розв’язання другої задачі – удосконалення методики розрахунку мореплавного стану судна на хвилюванні було виконано порівняльний аналіз існуючих методів. Визначено, що подальше удосконалення вищеназваної методики можливо шляхом застосування чисельних методів обробки експерименту, гідродинамічної теорії та математичного аналізу. Наприкінці цього етапу доцільно провести порівняння існуючих експериментальних даних з отриманими даними розрахунків.

Рішення третьої задачі полягає в розробці системи критеріїв, що дозволяють отримати інтегральну оцінку стану судна на хвилюванні з урахуванням факторів безпеки та економічності. Найбільш адекватно відобразити складну взаємодію різноманітних факторів під час плавання судна у штормових умовах дозволяють методи евристичного аналізу, статистичної обробки даних та нечіткої логіки.

Рішення четвертої задачі полягає у пошуку оптимального режиму руху судна в штормових умовах і оптимального трансокеанського маршруту. Для цього у першу чергу необхідно застосувати методи теорії управління та теорії оптимізації. Серед інших оптимізаційних методів для пошуку рішення у багатокритеріальному середовищі обрано метод генетичних алгоритмів.

Науковим результатом вирішення головної задачі є система методів вибору трансокеанського маршруту і режимів руху, на базі яких здійснюється планування і виконання морського переходу в оптимальних, з позицій економічності та безпеки, умовах.

Третій розділ присвячено математичному описанню хитавиці судна. З метою розрахунку параметрів хитавиці на основі синтезу моделей J. Journee (Delft Marine University, Голандія) і P. Kaplan’а (U.S. Coastguard, США), з доповнення деяких нелінійних змінних, отримано дві алгебраїчні системи рівнянь. Перша – лінійна модель в шести ступенях свободи має класичну, відповідно до теорії хитавиці, структуру і є базовою для розрахунку основних параметрів хитавиці. Перевагами лінійної моделі є наочність, багатофункціональність і достатньо висока швидкість розрахунків по ній. Основним її недоліком є неможливість урахування складних нелінійних явищ, таких як параметричний резонанс і зменшення остійності.

З метою вирішення цієї проблеми було запропоновано змінити лінійну модель шляхом введення змінної об’ємної водотоннажності , змінних моментів інерції  і нелінійного відновного моменту, що залежить від параметрів кільової і вертикальної хитавиці, а також зміни конфігурації зануреної частини корпусу на хвилюванні:

  

де aij, bij, cij коефіцієнти, що характеризують відповідно інерційну, демпфувальну і відновну складові моделі;

 , , кути кільової, бортової хитавиці та рискання;

 x, y, zпоздовжнє, поперечне і вертикальне переміщення;

Xwi зовнішні сили і моменти, викликані хвилюванням;

Під час синтезу моделей хитавиці необхідно було:

  •  аналітично апроксимувати форму корпуса судна;
  •  визначити для заданої конфігурації зануреної частини корпусу коефіцієнти демпфування та інерції;
  •  визначити збурюючі сили і моменті, що діють на судно;
  •  визначити відновні дії і моменти, що діють на судно.

Для апроксимації форми корпуса було обрано методи конформного відображення Льюіса і N-параметричного відображення і запропоновано спеціальний метод апроксимації за осадкою.

Для розрахунку коефіцієнтів потенційного демпфування та інерції були застосовані методи Тасаї для більшої частини перерізів корпусу і Франка для розрахунку перерізів складної форми і повністю занурених перерізів, а також напівемпіричний метод Ікеда для розрахунку в'язкісного демпфування.

Основна частина збурюючих сил і моментів розраховувалась в рамках теорії О. М. Крилова, з доповненням дифракційної складової відповідно до теорії М. Д. Хаскінда та модифікованої теорії пласких перерізів Ф. Тасаї.   

Для розрахунку відновного моменту на хвилюванні запропоновано спеціальний метод, смисл якого полягає в пошуку центру величини зануреної частини корпусу судна з довільною посадкою на регулярному хвилюванні довільного напрямку, і наступному розрахунку відновного моменту за формулою:

  

де МВвідновний момент, l плече відновного моменту, B (xB, yB, zB) центр величини зануреної частини судна, G (xG, yG, zG) центр ваги судна.

Центр величини зануреної частини судна визначається як точка перетину трьох площин, що поділяють судно на вісім рівних об’ємів. Розрахунок кожної з координат центра величини здійснюється поетапно шляхом зміщення відповідної січної площини у фіксованій відносно тихої води системі координат і наступного порівняння об’ємів зануреної частини корпусу, розташованих по обидва боки від цієї площини.

Щоб знайти конфігурацію зануреної частини корпусу з довільною посадкою, необхідно було визначити криву перетину з профілем регулярного хвилювання. Для цього запропоновано рівняння виду:

.

де  – осадки в заданому перерізі на хвилюванні правим і лівим бортом, Тcwосадка судна в даному перерізі на тихій воді, a амплітуда хвилі, e уявна частота хвилювання, курсовий кут хвилювання, k хвильове число, P(xb, yb, zb)точка на корпусі у зв’язаній системі координат.

Вираз  є рівнянням з двома невідомими Тw і yb, розв'язати яке можна тільки числовим методом. Для цього необхідно представити форму корпусу аналітично. При цьому класичний метод конформного відображення виявляється неефективним, тому що для кожної нової осадки необхідно знов перераховувати коефіцієнти відображення. Розглядаючи можливі шляхи розв'язання цієї задачі, було запропоновано метод нейронного відображення по осадці, згідно з яким напівширина перерізу виражається наступним чином:

  

де N розмірність нейрону, n = 1,…N, w,v,bвагові коефіцієнти; Hfb висота борту; zmin перевищення перерізу над основною площиною; Тs осадка судна в даному перерізі.

Порівняння даних розрахунків за отриманими моделями і методами з даними експерименту в дослідному басейні і натурними спостереженнями хитавиці судна у відкритому морі, дозволили підтвердити адекватність об’єкту дослідження.

Основні результати цього розділу опубліковано в роботах [, , , , ].

В четвертому розділі наведено метод розрахунку найбільш значущих характеристик стану судна в умовах хитавиці, а саме: небезпечних режимів бортової хитавиці, інтенсивності слемінгу і заливання, а також втрати швидкості на хвилюванні. Параметри навантажень на корпус є також важливими під час оцінки стану судна, але їх розрахунок не є задачею цього дослідження, хоч це і не виключає можливості їх урахування під час оцінки стану судна і вирішення задачі вибору режимів плавання.

Бортова хитавиця. Дослідження проблеми показало, що зони небезпечної бортової хитавиці не завжди збігаються із зонами резонансних  режимів руху судна, що обумовлено особливостями форми його корпусу, а також імовірнісними характеристиками хвилювання. Крім того, розрахунок бортової хитавиці за лінійною моделлю не дає коректних результатів для великих кутів нахилу, а розрахунок за нелінійною моделлю потребує значних обчислювальних витрат.

Щоб забезпечити вірогідність та швидкодію розрахунків виникла потреба в розробці спеціальної методики, що складається з наступних п’яти етапів:

1) розрахунок амплітуд хитавиці за лінійною моделлю для заданої системи нерегулярного хвилювання;

2) визначення резонансних режимів хитавиці з умови збігу частоти власних коливань та одиничної або подвоєної уявної частоти хвилювання;

3) розрахунок коливань остійності на хвилюванні на базі методики запропонованої в розділі 3;

4) визначення режимів несталої хитавиці за залежностями, апроксимованими на основі діаграми Айнса-Стрета;

5) розрахунок амплітуд бортової хитавиці при несталих режимах на регулярному хвилюванні за нелінійною моделлю.

Застосування даної методики дозволило зберегти коректність обчислювального алгоритму, скоротивши час його роботи майже в десять разів у порівнянні з повним розрахунком за нелінійною моделлю.

Для розрахунку інтенсивності слемінгу і заливання удосконалено метод Ліпіса-Кондрікова за рахунок більш точного обчислення амплітуд вертикальних коливань носу судна та його динамічного надводного борту за формулами Оші і Тасакі. У результаті аналізу вказаного та інших методів прийнято, що небезпечними під час слемінгу слід вважати такі удари, при яких динамічне навантаження перевищує несучу здатність пластин набору днища. Небезпечним запропоновано вважати заливання, при якому в момент, коли рівень води досягає кромки фальшборту, швидкість відносного переміщення перевищує задане порогове значення.

Втрата швидкості. При розрахунку втрати швидкості на хвилюванні пропонується спосіб, який базується на основі методів Боєзе (розрахунок додаткового опору на хвилюванні) та Ішервуда (розрахунок додаткового опору від дії вітру). При цьому навантаження двигуна, необхідне для підтримання заданої швидкості з урахуванням додаткового опору від вітру та хвилювання, запропоновано виражати через упор гвинта наступним чином:

,  

,

де Тw – упор гвинта, Pw – потужність двигуна, U – швидкість судна, - пропульсивний коефіцієнт, RA – середня сила вітрового опору, RW  – середня сила хвильового опору, с – коефіцієнти апроксимуючої функції.

Основні результати цього розділу опубліковано в роботах [, ].

П’ятий розділ присвячено кінцевому етапу вирішення головної задачі дисертації – розробці системи оцінки мореплавного стану судна і алгоритмів вибору оптимального шляху і режимів руху.

З метою пошуку оптимального компромісу між економічною ефективністю рейсу та безпекою судна в шторм запропоновано застосувати концепцію оцінки ризиків.

Рівень ризику R запропоновано визначати як функцію імовірності виникнення небезпеки Р і ступеню наслідків А від дії вказаної небезпеки на досліджувану подію. При цьому Р визначається як імовірність досягнення визначених динамічних параметрів хитавиці, які можуть привести до негативних наслідків, пов’язаних з експлуатацією судна у штормових умовах. У свою чергу рівень наслідків А приймається постійним в той час як зміною параметрів управління судном оператор може впливати на ймовірність досягнення параметрів хитавиці, що лежать за межею практично припустимого ризику. Відповідно рівень ризику під час розв'язання задачі оперативного управління судном запропоновано виразити наступною функціональною залежністю:

,

де - імовірності досягнення заданих параметрів хитавиці судна, результатом яких може стати аналізована небезпечна ситуація.

Узагальнений рівень ризику на всій протяжності маршруту Rvoyage запропоновано визначати з умови:

 

де Rn рівень ризику на заданому відрізку маршруту.

З метою формалізації задачі оцінки ризику було використано методи теорії нечіткої логіки. На основі існуючих міжнародних критеріїв оцінки припустимих параметрів хитавиці судна і даних експертного опитування була побудована багатокритеріальна система оцінки ефективності виконання переходу (рис. 1).

Алгоритм оцінки ефективності виконання переходу працює наступним чином. Параметри, які надходять на вхід моделі, проходять крізь підсистему нечіткого перетворення (ПНП) I-го рівня, в результаті чого на виході  отримуємо оцінки по кожному із заданих критеріїв (наприклад, середня амплітуда бортової хитавиці: «незначна», «значна» чи «небезпечна»). При цьому оцінки представляються як лінгвістичними термінами, так і в заданому числовому діапазоні. При визначенні функцій належності граничні умови запропоновано формувати на основі існуючих міжнародних критеріїв хитавиці, а їх проміжні значення – шляхом апроксимації попередньо оброблених даних експертного опитування. Після цього отримані оцінки проходять ПНП II-го рівня, на виході якої отримуємо загальну оцінку по заданій умові (рівень ризику, економічність). На останньому етапі обчислень розрізняються дві схеми розрахунку. Схема (1) передбачає визначення цільової функції шляхом перетворення локальних чинників економічності та безпеки крізь ПНП ІІІ-го рівня, що використовується при оперативному виборі режиму руху судна. Схема (2) використовується при пошуку оптимального маршруту. Відповідно до цієї схеми цільова функція визначається шляхом перетворення ряду економічних чинників і отриманого за схемою (1) ряду рівнів ризику по всій протяжності маршруту.

Оптимальний маршрут запропоновано надавати як таку комбінацію відрізків шляху і навантажень двигуна, за якої час переходу Т не перевищує заданого Тр, а робота, витрачена на перехід, найбільш близька до мінімальної при дотриманні умов безпеки. Вищевказане функціональне перетворення виражено в роботі наступним чином:

,

де Usafe – максимальна безпечна швидкість, за якої ризик несприятливої або аварійної події знаходиться в безпечних межах; Р – потужність головного двигуна (Рmaxпотужність при максимальному навантаженні); Р(Raw) – додаткова потужність, необхідна для підтримання заданої швидкості з урахуванням вітро-хвильового опору.

Результати досліджень, отримані в попередніх розділах, і організація вищеописаної системи оцінювання дозволили отримати узагальнену методику вибору оптимального маршруту і режимів руху судна у шторм і розробити оптимізаційні алгоритми.

Методика пошуку зводиться до наступного. До початку рейсу при відомому стані завантаження розраховуються параметри хитавиці судна Х на всьому діапазоні довжин хвиль, швидкостей судна і курсових кутів хвилювання (,U,). Під час вибору оптимального режиму руху по фактичному спектру хвилювання S і Х визначаються діаграми параметрів хитавиці на нерегулярному хвилюванні . Для заданих параметрів руху (U,) обчислюється значення цільової функції Z (рівень економічно виправданого ризику). Метою оптимізації у такому випадку є визначення мінімального значення Z за даних погодних умов, яке відповідає мінімально ймовірним ризику і відхиленню від запланованого маршруту. Пошук оптимального режиму руху запропоновано робити методом генетичних алгоритмів (ГА).

При рішенні задачі планування початковий маршрут Route(,) задається лінією ортодромії,  визначаються оптимальне навантаження двигуна Pmin і, відповідно, мінімальна робота судна Аmin, необхідна для виконання переходу по тихій воді. Погодні умови на перехід задаються у вигляді багатомірних масивів даних з дискретністю, як правило, 1-2  х . Кожному вічку сітки, яка містить погодні дані, присвоюється порядковий номер, і після цього визначається приналежність заданих ділянок маршруту вічкам сітки. Для кожного маршрутного відрізку (1:N) розраховуються параметри хитавиці , оцінюється рівень ризику та визначається безпечна швидкість судна U. У випадку, коли безпечна швидкість на будь-якому з відрізків менше ніж задане мінімальне значення, алгоритм переходить на етап пошуку альтернативного маршруту, а якщо ні – розраховуються навантаження на двигун, необхідні для здійснення переходу P і визначається додатково затрачена робота . Метою оптимізації в даному випадку є визначення маршруту, на який буде витрачено мінімум додаткової роботи у прогнозованих погодних умовах.

Варіювання маршрутів запропоновано здійснювати шляхом завдання М проміжних шляхових точок – полюсів. Ділянки маршруту між полюсами будуються по ортодромії, і потім розбиваються на N локсодромічних відрізків пропорційно відстаням між полюсами. При М4 пошук оптимального маршруту запропоновано робити симплексним методом Нелдера-Міда, а при М>4 – методом генетичних алгоритмів, через обмеження симплексного методу кількістю шуканих коефіцієнтів.

Основними перевагами отриманої методики у порівнянні з існуючими є: використання комплексного підходу до задачі управління судном у шторм; система оцінки мореплавності судна і економічної ефективності рейсу, побудована на базі теорії нечіткої логіки і концепції оцінки ризиків з урахуванням існуючих міжнародних критеріїв, що дозволяє здійснювати адекватну оцінку ефективності виконання рейсу у багатокритеріальному середовищі в умовах невизначеності або неточності початкових даних; використання досить швидкодіючих і точних способів розрахунку мореплавного стану судна на хвилюванні, отриманих у результаті аналізу і наступного удосконалення існуючих методів розрахунку хитавиці судна.

Імітаційне моделювання, а також апробація отриманої методики безпосередньо на суднах дозволили підтвердити її ефективність та адекватність (рис. 3, 4).

Результати цього розділу опубліковано в роботах [, , ].


Форма оцінки стану судна на хвилюванні

Параметри судна: L = 200 м, B = 30 м, GM = 1.0 м;

Параметри хвилювання: H1/3 = 10 м, Tcp = 11.5 c

Режим руху

Фактичний / Рекомендований

Курсовий кут хвилювання

Швидкість судна (UP = 25 вузлів)

135 / 160°

22 / 25 вузлів

ОЦІНКА СТАНУ

Значні амплітуди бортової хитавиці

Заливання:

Ймовірність//

Повторюваність

Слемінг

Ймовірність//

Повторюваність

Втрата швидкості 

Відхилення від курсу

36 / 10°                   

0//

0 раз/годину

0//

0 раз/годину

0 вузлів

0/25°

Неприпустима/Безпечна

Відсутня

Відсутня

Відсутня

Середнє

Судно в резонансній зоні?

Ні

Рівень ризику

0.88/0.1

Неприпустимий / Припустимий

Економічна оцінка режиму руху

0.26/0.29

Економічний / Економічнийй

Загальна оцінка стану

0.88/0.33

Неприпустимий / Добрий

Рис. 3. Ілюстрація роботи алгоритму вибору оптимального режиму руху судна у шторм

 

Порівняльна характеристика маршрутів

Коротша / альтернативна дистанції: 2242.5 /  2300.7 миль  Наданий час переходу: 112.1 годин.

Середня швидкість мінімальна / фактична: 20 / 20.3 вузлів.  Навантаження двигуна на тихої воді: 61%.

Позиції полюсів: 46.25 N 53.0 W // 48.0 N 50.0 W // 50.0 N 47.5 W

Параметр

Дуга великого круга

Альтернативний маршрут

Мінімум

Максимум

Мінімум

Максимум

Рівень ризику (0,1)

0.06

0.88

0

0.12

Навантаження двигуна

63%

100%

64%

85%

А, % від Amin

14.7%

14.1%

Кут бортового хвилювання

0

5.2

0

5.2

Імовірність слемінгу

0

0.016

0

0

Імовірність заливання

0

0.22 (130 раз/год)

0

0.016 (10 раз/год)

Рис. 4. Ілюстрація роботи алгоритму вибору оптимального маршруту на прикладі переходу Галіфакс-Шербур

 

висновки

В дисертації теоретично обґрунтовано і практично апробовано новий підхід до рішення задач оцінки стану судна, планування і виконання процесу океанського переходу. Основною метою, поставленою в дисертації, стала мінімізація впливу штормових умов на судно шляхом покращення алгоритмічної бази бортових систем інформаційної підтримки судноводія за рахунок удосконалення існуючих і розробки нових способів розрахунку динаміки судна і оцінки його стану на хвилюванні. Запропоновано новий спосіб оцінки мореплавного стану судна по множині різнорідних критеріїв шляхом використання багаторівневої евристичної системи. Сформульовано метод отримання узагальненого рівня ризику як єдиного чинника оптимальності рішень при управлінні судном у шторм. Виходячи з гіпотези про мінімально-неминучі витрати, запропонована цільова функція, яка відображає ефективність обраного маршруту трансокеанського переходу. На базі вказаних розробок було отримано алгоритми пошуку оптимальних трансокеанського маршруту і режимів руху судна у шторм.

До найбільш істотних науково обґрунтованих  результатів, отриманих у роботі, відносяться:

  1.  Метод апроксимації контуру перерізу корпусу по осадці двошаровою нейронною мережею, перевагами якого є практично повна відповідність апроксимованого контуру заданому, а також можливість значного збільшення швидкості розрахунку зміни конфігурації зануреної частини корпусу судна на хвилюванні.
  2.  Метод визначення відновного моменту, який дозволяє розрахувати коливання остійності судна при довільній посадці на регулярному хвилюванні довільного напрямку.
  3.  Нелінійна математична модель хитавиці судна, яка дозволяє спрогнозувати складні нелінійні явища, пов’язані з коливаннями остійності на хвилюванні, такі як параметричний резонанс та зменшення остійності.
  4.  Багаторівнева система оцінки ефективності управління судном в шторм, побудована на базі теорії нечіткої логіки і концепції оцінки ризиків.
  5.  Полюсний метод генерації альтернативних маршрутів, який полягає у варіюванні маршрутів шляхом додавання заданого числа додаткових шляхових точок – полюсів, і наступної генерації композитних маршрутів – найбільш адекватних для практичної реалізації під час виконання морського переходу.

Практичні результати дисертаційного дослідження (методика вибору трансокеанського маршруту і режимів руху судна у шторм) впроваджено на суднах компанії «В. ШИПС (Україна)» (акт від 27.05.2010 р.) та «КААЛБАЙ ШИПІНГ Україна» (акт від 14.06.2010 р.). Теоретичні результати роботи використовуються у навчальному процесі ОНМА при вивченні дисципліни «Теорія і практика управління судном» (акт від 21.05.2010 р.) та у ЦПАП ОНМА і ОМТЦ під час підвищення кваліфікації судноводіїв (акти від 14.05.2010 р.).

список опублікованих праць за темою дисертації

  1.  Пипченко А. Д. Создание упрощенной математической модели движения судна, управляемого рулем и винтом / А. Д. Пипченко // Судовождение: Сб. научн. трудов / ОНМА, Вып. 9. – Одесса: Феникс, 2005 – C. 75-81.
  2.  Пипченко А. Д. Уточнение математической модели движения судна /    А. Д. Пипченко //  Судовождение: Сб. научн. трудов / ОНМА, Вып. 10. – Одесса: Феникс, 2005. – C. 97-105. 
  3.  Пипченко А. Д. О спектральном представлении резонансных режимов движения судна на волнении / А. Д. Пипченко // Судовождение: Сб. научн. трудов / ОНМА, Вып. 15. – Одесса: ИздатИнформ, 2008. – с. 160-165.
  4.  Нечаев Ю. И. Выбор оптимального курса судна в сложной гидрометеорологической обстановке / Нечаев Ю. И., А. Д. Пипченко, В. Г. Сизов // Судовождение: Сб. научн. трудов / ОНМА, Вып. 16. – Одесса: ИздатИнформ, 2009. – С. 105-118 (здобувачем виконано аналіз методів та моделей, які використовуються при оцінці та прогнозі динаміки судна).
  5.  Пипченко А. Д. Модель оценки оптимальности режима движения судна на волнении / А. Д. Пипченко //Судовождение: Сб. научн. трудов / ОНМА, Вып. 17. – Одесса: ИздатИнформ, 2009. – C. 146-154.
  6.  Pipchenko A. D. On the method of calculation of ship's transverse stability in regular waves / A. D. Pipchenko // Ships and offshore structures journal. Vol. 4, Issue 1, Mar 2009. – pp. 9-18.
  7.  Pipchenko A. D. Development of the Ship Dynamics Model on the Basis of an Artificial Neural Network / A. D.Pipchenko, D. S. Zhukov // IAMU 5, Vol. 1. Tokyo. Japan, 2007. – p p.23-31 (здобувачем розроблена модель динаміки судна на базі штучних нейронних мереж).
  8.  Pipchenko A. D. On risk assessment and decision-making while controlling the ship in adverse weather conditions / A. D.Pipchenko, D. S. Zhukov //  Proceedings of the 9th AGA, IAMU, California Maritime Academy, 2008 – pp. 208 – 214 (здобувачем виконано аналіз алгоритму прийняття рішень на базі концепції «м’яких обчислень»).
  9.  Пипченко А. Д. Моделирование качки судна с учетом колебаний поперечной остойчивости / А. Д. Пипченко // Международная научно-практическая конференция в честь 80-летнего юбилея В.В. Козлякова / Под ред. Г.В. Егорова. – Одесса: издатель Николай Дубров, 2010. – С. 223-228.
  10.  Пипченко А. Д. О влиянии килевой и вертикальной качки на остойчивость судна / А. Д. Пипченко // Матеріали науково-технічної конференції «Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння». – Одеса: ОНМА, 2008. – С. 78 – 80.
  11.  Пипченко А. Д. Методика выбора оптимального пути судна в шторм /    А. Д. Пипченко // Матеріали науково-технічної конференції «Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння». – Одеса: ОНМА, 2009. – С. 85-87.


АНОТАЦІЯ

Піпченко О. Д. Оптимізація керування рухом судна в штормових умовах. – Рукопис. 

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.13 – навігація та управління рухом. Одеська національна морська академія. Одеса, 2010 р.

Дисертаційна робота присвячена актуальній проблемі підвищення ефективності виконання трансокеанського переходу в умовах морського хвилювання. Для досягнення поставленої мети сформульовано та досліджено відповідний комплекс задач. Удосконалено методику розрахунку мореплавного стану судна на хвилюванні. Розроблено дворівневу багатокритеріальну систему оцінки стану судна, змодельовану на базі теорії нечіткої логіки. При формуванні системи була використана концепція оцінювання ризиків, що дало можливість отримувати у результаті аналізу різнорідних даних єдину оцінку стану судна у вигляді узагальненого рівня ризику. Це дозволило розробити методики пошуку оптимального режиму руху та оптимального трансокеанського маршруту.

Для перевірки коректності та ефективності запропонованих в роботі методів були розроблені відповідні алгоритми та програми. Натурні спостереження поведінки судна в шторм, контрольні розрахунки по розробленим програмам та імітаційним моделям планування та оперативної корекції маршруту в штормових умовах дозволили підтвердити вірогідність отриманих результатів та ефективність запропонованих методів.

Ключові слова: судно, морське хвилювання, параметри качки, режим руху, планування оптимального маршруту.

АННОТАЦИЯ

Пипченко А. Д. Оптимизация управления движением судна в штормовых условиях. Рукопись. 

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.13 – навигация и управление движением. Одесская национальная морская академия. Одесса, 2010 г.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме повышения эффективности выполнения трансокеанского перехода в условиях морского волнения. Для достижения поставленной цели сформулирован и исследован следующий комплекс задач: (1) синтез математической модели качки судна; (2) разработка методики расчета параметров мореходного состояния судна на волнении; (3) разработка методики оценки мореходного состояния судна на волнении;  (4) разработка алгоритмов поиска оптимального маршрута и режимов движения судна.

В результате решения первой задачи, получены две математических модели: базовая линейная – для расчета параметров качки на нерегулярном волнении в диапазоне относительно малых колебаний, и нелинейная модель – для расчета сложных режимов бортовой качки: основного и параметрического резонанса, снижения остойчивости. В ходе решения первой задачи предложен метод расчета нелинейного восстанавливающего момента на регулярном волнении произвольного направления.

При решении второй задачи получена методика расчета параметров состояния судна на волнении, а именно: определения зон опасных бортовых колебаний, интенсивности слэминга, заливания и оголения винта, потери скорости под действием ветра и волнения. Особое внимание в работе уделено опасным режимам бортовой качки, предложена методика их определения, позволяющая значительно сократить время вычислений. Усовершенствованы методы расчета повторяемости слэминга и заливаемости. Предложен метод расчета потери скорости на волнении, позволяющий учесть ветро-волновое сопротивление движению судна и его пропульсивные характеристики при любых нагрузках двигателя.  

Результатом решения третьей задачи явилась двухуровневая многокритериальная система оценки состояния судна смоделированная на базе теории нечеткой логики. При формировании системы была применена концепция оценки рисков, что дало возможность получать в результате анализа разнородных данных единую оценку состояния судна в виде обобщенного уровня риска. В работе получена методика расчета функций принадлежности нечетко-логической системы по экспериментальным данным. При разработке многоуровневой системы критериев использовались как международные стандарты, так и данные экспертного опроса.

Решение четвертой задачи позволило разработать методику поиска оптимального режима движения и оптимального трансокеанского маршрута. Поиск последних производится методом генетических алгоритмов. Целевой функцией в первом случае служит интегральная оценка экономичности и безопасности выбранного режима движения, во втором случае – минимум дополнительных затрат на переход, вызванных действием ветра и волнения на судно.

Решение вспомогательных задач позволило решить главную задачу – разработать комплексную методику поиска оптимального маршрута и режимов движения судна в штормовых условиях.

Для проверки корректности и эффективности, предложенных в работе методов были разработаны соответствующие алгоритмы и программы. Натурные наблюдения поведения судна в шторм, контрольные расчеты по разработанным программам и имитационное моделирование планирования и оперативной коррекции маршрута в штормовых условиях позволили подтвердить достоверность полученных результатов и эффективность предложенных методов.

Ключевые слова: судно, морское волнение, параметры качки,  режим движения, планирование оптимального маршрута.

abstract

Pipchenko A. D. Ship control optimization in heavy weather conditions.  Manuscript. 

Doctoral thesis for the candidate of technical sciences degree. Specialty 05.22.13 – Navigation and motion control. Odessa National Maritime Academy. Odessa, 2010.

Thesis is devoted to the topical problem of efficiency improvement of ship routing in adverse weather conditions. To reach the prescribed goal the appropriate set of problems was defined.  Series of improvements were made to ship seaworthiness computation methods. On the basis of fuzzy logic theory complex two-level multi-criteria ship state assessment system, was developed. For the formation of prescribed system the risk assessment concept was applied. That gave the possibility to obtain the integral ship state assessment in form of generic risk level from heterogeneous data. Conducted research had allowed to produce a complex method for searching the optimal route and control regimes in heavy weather conditions.

For the approval of correctness and efficiency of results proposed in this work, corresponding algorithms and programs were developed. Check computations on the developed programs and models of voyage planning and on-scene control in heavy weather allowed to confirm the reliability and efficiency of obtained results.

Keywords: ship, waves, motion parameters, control regime, optimal voyage planning.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18079. АКТИВНІ ПЕРЕДАВАЛЬНІ АНТЕНИ 351 KB
  ЛЕКЦІЯ №7 з навчальної дисципліни ПРИКЛАДНІ ПИТАННЯ АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ ТЕМА 3: Активні антени. ЗАНЯТТЯ 1: Активні передавальні антени. 1. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ Загальні відомості про активні передавальні антени. Ант...
18080. АКТИВНІ ПРИЙМАЛЬНІ АНТЕНИ 408.5 KB
  PAGE 32 ЛЕКЦІЯ №8 з навчальної дисципліни ПРИКЛАДНІ ПИТАННЯ АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ для студентів 5 курсу ТЕМА 3: Активні антени. ЗАНЯТТЯ 2: Активні прИЙМАльні антени. 1. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ Загальні відомості про активні приймальні ан...
18081. АНТЕНИ ТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНА СУМІСНІСТЬ (ЕМС) 384 KB
  ЛЕКЦІЯ №10 з навчальної дисципліни ПРИКЛАДНІ ПИТАННЯ АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ ТЕМА 4: Антени та ЕМС. Моделювання та проектування антеннофідерних пристроїв ЗАНЯТТЯ 1: Антени та електромагнітна сумісність ЕМС 1. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ ...
18082. Работа со строками в Java 311.5 KB
  Лабораторная работа 5 Работа со строками в Java. Цель работы Целью работы является приобретение навыков программирования с использованием строк языка Java. Состав рабочего места. Оборудование: IBMсовместимый персональный компьютер ПК. Программное...
18083. Программирование апплетов в Java 364 KB
  Лабораторная работа 303 Программирование апплетов в Java 1. Цель работы Целью работы является приобретение навыков программирования апплетов Java с использованием средств AWT. 2. Состав рабочего места 2.1. Оборудование: IBMсовместимый персональный компьютер ПК. ...
18084. Использование системы Swing в Java 493 KB
  Лабораторная работа 7 Использование системы Swing в Java 1. Цель работы Целью работы является приобретение навыков программирования графических приложений Java с использованием элементов управления AWT. 2. Состав рабочего места 2.1. Оборудование: IBMсовместимый п
18085. Программирование ввода-вывода в Java 276.5 KB
  Лабораторная работа 8 Программирование вводавывода в Java 1. Цель работы Целью работы является приобретение навыков использования потоков вводавывода в программах на языке Java. 2. Состав рабочего места 2.1. Оборудование: IBMсовместимый персональный компьютер...
18086. Использование потоков в Java 104.5 KB
  Лабораторная работа 903 Использование потоков в Java 1. Цель работы Целью работы является приобретение навыков работы с потоками при программировании на языке Java. 2. Состав рабочего места 2.1. Оборудование: IBMсовместимый персональный компьютер ПК. 2.2. Про
18087. Цивільний захист, конспект лекцій 699 KB
  Навчальна дисципліна «Цивільний захист» є нормативною дисципліною, що включається в навчальні плани як самостійна дисципліна обов’язкового вибору. Вона зберігає свою самостійність за будь - якої організаційної структури вищого навчального закладу.