Вибір основних проектних характеристик кораблів берегової охорони

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.08.03 - Механіка та конструювання суден

Вибір основних проектних характеристик кораблів берегової охорони

Дам Суан Туан

Миколаїв 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник Доктор технічних наук, професор Некрасов Валерій Олександрович, Український державний морський технічний університет, завідувач кафедри теорії та проектування суден.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук Соломенцев Олег Іванович, Український державний морський технічний університет Міністерства освіти і науки України, головний науковий співробітник.

Кандидат технічних наук, доцент Бондар Валентин Максимович, Одеська національна морська академія Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри теорії та устрою судна.

Провідна установа: Одеський національний морський університет Міністерст-ва освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться "20" жовтня 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.01 Українського державного морського технічного університету за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9, ауд. 360.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розісланий "15 " вересня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор РИЖКОВ С.С

1. Загальна характеристика роботи

корабель береговий охорона мореплавність

Актуальність теми: Проблема берегової охорони держави вимагає не тільки проектування, побудову та експлуатацію суден спеціального призначення, що називаються патрульними кораблями, але і виконання спеціальних операцій, які здійснюються Митним управлінням, Морською поліцією та іншими організаціями. До таких спеціальних оперативних задач берегової охорони входять боротьба з контрабандою і прибережним піратством, захист морських прибережних промислів, портів, річкових, морських шляхів, прибережне патрулювання. Для того щоб у сучасних умовах кораблі берегової охорони залишалися найбільш ефективним засобом виконання цих операцій, вони повинні розвивати досить велику швидкість руху при жорстких погодних умовах (особливо в тропічних районах океану) і нести відповідне озброєння, що перешкоджає проникненню порушників і виконанню порушниками протиправних операцій в зоні, що охороняється.

Роль проектування кораблів берегової охорони у вирішенні цієї проблеми особливо велика, тому що вже на початкових стадіях проектування, за рахунок високої технічної досконалості нових кораблів берегової охорони можна заощадити значні кошти на їх створення й обслуговування. Крім того, враховуючи всі особливості функціонування кораблів у сучасних умовах експлуатації й одержавши на цій основі належний оптимальний розв'язок, можна істотно збільшити ефективність використання кораблів за призначенням.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертація включає результати досліджень, які отримані при виконанні фундаментальної д/б науково-дослідної роботи "Удосконалювання морехідних якостей і проектування суден" № 0100U001899 Міністерства освіти і науки України, а також відповідно до державної програми "Розвитку океанської економіки і побудови суден В'єтнаму", у рамках науково-дослідної роботи "Створення систем автоматизованого проектування сучасних суден В'єтнаму".

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є удосконалення процесу проектування патрульних кораблів для забезпечення надійної берегової охорони в сучасних умовах взаємодії з порушниками Закону.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Створити модель функціонування кораблів берегової охорони (КБО), що враховує їх взаємодію з суднами-порушниками (СП), як у часі, так і в просторі зони, що охороняється, і забезпечує одержання більш достовірної, в порівнянні з існуючою, оцінки загальної характеристики функціонування КБО - надійності виконання охоронних операцій.

2. Розробити спосіб оцінки ефективності виконання кораблями охоронних операцій з урахуванням вкладених коштів у створення і експлуатацію КБО та підібрати відповідний критерій ефективності;

3. Сформулювати і вирішити оптимізаційну задачу вибору головних елементів КБО, що забезпечує виконання критерію ефективності.

4. Розробити методику вибору основних проектних характеристик КБО на початкових стадіях проектування.

Об'єктом дослідження є корабель берегової охорони для захисту економічного прибережного простору держави.

Предмет дослідження - тактико-технічні характеристики корабля берегової охорони, які забезпечують найвигідніше поєднання ресурсного показника та показника ефективності.

Методи досліджень. Теоретичною і методологічною основою дослідження послужили роботи вітчизняних і закордонних вчених в області дослідження операцій, проектування кораблів та математичного програмування. Яскраво виражений випадковий характер умов експлуатації кораблів берегової охорони і невизначеність інформації, яка покладена в основу військово-економічних нормативів, що використовуються при розробці нових проектів для визначення вартості проектованих об'єктів, зумовили використання методів теорії випадкових функцій як при формулюванні, так і при вирішенні задачі, яка присвячена визначенню основних проектних характеристик кораблів берегової охорони. При цьому обрано один з найбільш перспективних на даний час інструментів дослідження складних динамічних систем у стохастичних умовах створення і функціонування - апарат теорії безперервних марковських процесів і імітаційне моделювання. Пошук оптимальних характеристик кораблів берегової охорони виконаний за допомогою алгоритмів нелінійного програмування на множині значень імовірнісних характеристик вартості і функціональної надійності КБО.

Наукові результати і їх новизна. У даній роботі:

1. Уперше застосовано апарат теорії безперервних марковських випадкових процесів для вирішення задач функціонування і визначення показників ефективності виконання КБО основних охоронних операцій (виявлення і затримки порушників), що дав можливість врахувати такі особливості експлуатації сучасних КБО, як випадковий характер їх зустрічей з суднами-порушниками в просторі зони, що охороняється, стохастичний характер вітро-хвильових впливів в зоні, що охороняється, мінливість параметрів суден-порушників і їх технічного оснащення, зберігши при цьому вирішення питань впливу характеристик засобів виявлення, озброєння і типу корабля на результат виконання цих операцій.

2. Складено методику визначення вартості КБО, що використовує апарат перетворення законів розподілу вихідних цін на складові створення й експлуатації корабля в закон розподілу підсумкової вартості корабля за весь його життєвий цикл.

3. На основі вирішення задачі функціонування КБО і методики визначення його вартості складено критерій оцінки "вартість-ефективність" корабля, що визначає ефективність вкладених коштів у виконання основних охоронних операцій КБО.

4. Реалізовано комплексний підхід до визначення оптимальних характеристик КБО, що включає спільне вирішення зовнішньої і внутрішньої задач його проектування, урахування взаємного впливу надійності і вартості корабля за весь його життєвий цикл на значення критерію ефективності, а також урахування впливу варіацій цін на показник "вартість-ефективність" корабля.

Наукова новизна отриманих результатів підтверджується практично повною відсутністю наукових праць, присвячених використанню методів теорії безперервних марковських випадкових процесів і статистичних випробувань (методу Монте-Карло) в моделях функціонування і проектування кораблів берегової охорони.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані автором результати мають як теоретичне, так і прикладне значення. Теоретичне значення результатів дисертаційної роботи полягає в узагальненні моделей функціонування КБО і методик визначення характеристик КБО, що можуть бути використані в практиці дослідницького проектування не тільки КБО, але і морських суден, як у процесі передконтрактної проробки проектів, так і на інших ранніх стадіях проектування кораблів і суден. Прикладне значення результатів визначається створенням програмних засобів для автоматизованого визначення основних характеристик корабля на початкових етапах проектування. Застосування цих засобів відкриває нові можливості досліджень і дозволяє істотно поліпшити ефективність проектних робіт за рахунок зниження трудомісткості і тривалості розрахунків.

Розроблений комплекс програм "PatrolShіp" і методика вибору основних проектних характеристик патрульних кораблів впроваджені і використані в порядку дослідної експлуатації в Казенному дослідницько-проектному центрі кораблебудування України, Чорноморському суднобудівному заводі "Лиман", Кораблебудівному науково-технологічному інституті "SHІPSCІTECH" В'єтнаму та у навчальному процесі УДМТУ при виконанні курсових і дипломних проектів.

Запропонований комплексний підхід до визначення оптимальних проектних характеристик КБО, який включає використання нової моделі взаємодії КБО з суднами-порушниками у будь-яких умовах охорони заданого району, урахування взаємного впливу факторів надійності охоронних операцій і вартості за весь життєвий цикл КБО на ефективність КБО, а також урахування впливу фактора варіацій вартості на показник ефективності, забезпечує одержання більш загальних і більш достовірних, у порівнянні з існуючими, оцінок надійності функціонування КБО і його вартості за весь життєвий цикл. Наслідком цього є створення відповідного проекту КБО.

На захист виносяться наступні основні результати роботи:

1. Побудовані за допомогою застосування апарату теорії керованості корабля, теорії мореплавності корабля і теорії безперервних марковських випадкових процесів модель функціонування КБО й алгоритм визначення показників ефективності виконання кораблем основних охоронних операцій з виявлення і затримки суден-порушників, які дозволили врахувати особливості експлуатації сучасних КБО і відобразити при цьому вплив засобів виявлення, енергетичного оснащення, озброєння і типу корабля на результат виконання охоронних операцій.

2. Складена методика визначення вартості КБО за весь його життєвий цикл, що використовує апарат перетворення законів розподілу вихідних цін у закон розподілу підсумкової вартості корабля.

3. Використання на основі вирішення задачі функціонування КБО і методики визначення його вартості критерію оцінки "вартість-ефективність" корабля, яка визначає ефективність вкладених коштів у виконання основних охоронних операцій КБО.

4. Реалізація комплексного підходу до визначення оптимальних характеристик КБО, що включає спільне вирішення зовнішньої і внутрішньої задач його проектування, урахування факторів надійності і вартості корабля за весь його життєвий цикл, а також фактора варіацій вартості, на ефективність корабля.

5. Створена база даних по сучасних кораблях берегової охорони 1980-2002 років побудови, на основі якої отримані формули для наближеного визначення головних розмірів кораблів берегової охорони, проаналізовані їх характеристики й особливості архітектурно-конструктивних типів.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення і результати дисертації доповідалися й одержали позитивну оцінку на науковому семінарі кафедри теорії та проектування суден УДМТУ (2001), науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу УДМТУ (2002) і науковому семінарі кафедри теорії та проектування суден ОНМУ (2003).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 4 роботи без співавторів, з них 3 у збірниках наукових праць УДМТУ і 1 у журналі The Transport Journal В'єтнаму.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку літератури з 114 найменувань і чотирьох додатків. Зміст дисертації викладено на 152 сторінках машинописного тексту і 47 сторінках додатків, включаючи 29 рисунків і 12 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі розкривається стан наукової задачі, обґрунтована актуальність теми, теоретичне і практичне значення дисертації, сформульовані мета й основні задачі досліджень, показана наукова новизна роботи.

У першому розділі наведені результати аналізу кораблів берегової охорони і перспективи їх розвитку, особливості архітектурно-конструктивних типів (АКТ) сучасних патрульних кораблів і основних способів підвищення їх ходовості і мореплавності. Для цього здобувачем була створена база даних по кораблях побудови 1980-2002 р., на основі якої:

- розглянуті основні тенденції сучасного кораблебудування при виборі головних розмірів кораблів берегової охорони і їх співвідношень. Показано, що для сучасних патрульних кораблів характерне зменшення водотоннажності і відношення L/B, збільшення відношення B/T, H/T і швидкості повного ходу. Основний АКТ КБО (водотоннажністю 1000 - 1500 т) - корабель з артилерійським озброєнням, який виконує патрульні функції.

- отримані наступні формули для наближеного визначення основних характеристик кораблів берегової охорони: Lmax = 5,396D0,369; L = 18,887204 + 0,081938D; B = -1,997+4,363 lg(D); T = - 0,808+1,293 lg(D); H = 3,1165205+ 0,0052336D,

де Lmax - найбільша довжина, м; L - довжина по конструктивній ватерлінії, м; B - ширина, м; T - осадка, м; H - висота борта, м; D - водотоннажність корабля, т.

За результатами матеріалів розділу обґрунтований АКТ корабля й отримані наближені залежності для визначення основних характеристик кораблів, що були використані в математичній моделі і при формуванні початкової точки пошуку оптимального розв'язку.

Другий розділ присвячений аналізу задач функціонування і проектування кораблів берегової охорони і вибору основних напрямків дослідження. У ньому відзначається, що в просторі зони, що охороняється, рух КБО і відповідна реакція СП можуть розглядатися не тільки за допомогою апарата дискретних ланцюгів Маркова, як це прийнято в даний час, але і за допомогою теорії безперервних марковських випадкових функцій. При цьому основною задачею КБО є максимізація імовірності затримки порушників. Вирішення цього питання є підсумковим результатом загальної задачі функціонування КБО.

Формулювання загальної задачі функціонування кораблів берегової охорони може бути зведено до задачі взаємодії одиничного КБО з усією можливою сукупністю суден-порушників у межах відведеної ділянки зони, що охороняється.

За вирішенням проблеми функціонування, проблема проектування кораблів берегової охорони, як і відповідна проблема проектування звичайного судна, може розв'язуватися на двох умовних рівнях - рівнях зовнішньої і внутрішньої задач проектування. Зовнішня задача проектування за звичай пов'язується з розв'язком питань поповнення флоту. У результаті її вирішення визначаються водотоннажність, швидкість руху і кількість кораблів, проекти яких необхідно розробити. Метою вирішення внутрішньої задачі, відповідно до визначених на етапі розв'язання зовнішньої задачі водотоннажності і швидкості ходу, є вибір оптимальних розмірів і коефіцієнтів повноти корабля. Однак ці дві задачі краще розглядати і вирішувати спільно, тому що в результаті такого вирішення разом з оптимізацією водотоннажності, швидкості руху, параметрів озброєння, засобів виявлення й інших характеристик зовнішньої задачі будуть визначатися і оптимальні головні розміри корабля, параметри форми його корпусу та інші характеристики корабля як інженерної споруди.

Унаслідок цього формулювання оптимізаційної задачі проектування КБО може бути зведено до традиційного визначення такого вектора незалежних змінних X, при якому досягається екстремум деякої цільової функції f(X,U) і задовольняються вимоги до якостей корабля:

(1)

де U - вектор параметрів корабля; k - кількість обмежень задачі; aj - норми і рівні припустимих значень якостей корабля відповідно до нормативних документів і експлуатаційних вимог; n - кількість незалежних змінних задачі; , - відповідно нижня і верхня припустима границя зміни і-ої незалежної змінної; gj(X,U) - функція j-го обмеження.

Розгляд можливих цільових функцій оптимізаційної задачі проектування КБО, які за звичай формуються на основі показників його функціональної й економічної ефективності, вказує на те, що усі вони є функціями багатьох випадкових величин, кожна з яких може бути представлена своїм законом розподілу. Тому постановка і вирішення оптимізаційної задачі на основі використання імовірнісних характеристик випадкових величин у даний час є необхідною. Також необхідним стає формулювання і вирішення в класі випадкових функцій задач функціонування і визначення вартості КБО. Тому в роботі проаналізовані відомі на даний час підходи до формулювання і вирішення стохастичної задачі проектування кораблів і суден: застосування алгоритмів теорії масового обслуговування, зведення стохастичної задачі до детермінованого еквівалента, застосування теорії ігор, використання імітаційного моделювання. Відзначено, що при проектуванні КБО, відносно задачі функціонування, домінує використання апарата дискретних ланцюгів Маркова та інших найпростіших алгоритмів теорії масового обслуговування. Усі основні залежності будуються на тимчасовій змінній. Взаємодія КБО зі СП у просторі зони, що охороняється, залишається недостатньо дослідженою. Щодо визначення вартості КБО за звичай використовується детерміністичний підхід. Вплив характеристик розподілів вихідних випадкових даних на значення оптимуму і вплив типу критерію оптимізації на оптимальні значення характеристик КБО не визначається.

Додатково проведений огляд наукових праць, які присвячені застосуванню імітаційного моделювання в теорії проектування кораблів і суден, як одного з універсальних і перспективних методів, показав, що цій темі присвячена незначна кількість доступних робіт і в жодній з них немає опису моделей функціонування і проектування кораблів берегової охорони.

На основі матеріалів розділу були поставлені першочергові задачі дослідження.

Третій розділ присвячений формулюванню і рішенню задачі функціонування КБО. У ньому розглядаються:

1. Зона, що охороняється (ОЗ) розмірами LОЗ Ч BОЗ , яка закріплена за КБО.

2. Погодні умови в зоні, що охороняється, які задаються довгостроковими (режимними) розподілами характеристик вітру і хвилювання.

3. Головні задачі функціонування корабля в зоні, що охороняється, якими є патрулювання, виявлення порушника, його переслідування і затримка. Інтенсивність режиму функціонування КБО визначається характеристиками інтенсивності тимчасового потоку порушників на інтервалі часу, який дорівнює часу безперервного чергування КБО в зоні, що охороняється (~ 15 доби). Потік порушників в даній зону на великому проміжку часу (порядку терміну служби КБО) вважається близьким до пуассонівського. Так, якщо середнє значення потоку порушників виявляється рівним 72 одиниці за рік, то на інтервалі часу 15 діб воно стає рівним 3, а максимальна кількість порушників за цей же час (15 діб) складає величину порядку 8 одиниць. Час переслідування судна-порушника кораблем не перевищує 1 години, катером-перехоплювачем - 2...3 години, вертольотом - 2...3 години.

4. Характеристики суден-порушників, що визначаються законами розподілу його водотоннажності (довжини) і максимальної швидкості ходу.

5. Взаємне розташування КБО і СП. У момент виявлення кораблем судно-порушник може знаходитися в довільній точці зони, що охороняється. Координати початкового розташування КБО і СП ко, ко і но, но задаються своїми розподілами, у найпростішому випадку - рівномірними.

6. Взаємодія КБО і СП. Згідно з теорією керованості корабля положення КБО і СП в ОЗ у кожен момент часу однозначно визначається параметрами криволінійного руху к, к, к і н, н, н, які зв'язані з кутами курсу, кутами дрейфу, і кутовими швидкостями обертання КБО к, к, к і СП н, н, н відомими співвідношеннями. Ці параметри в загальному випадку відшукуються за допомогою вирішення системи рівнянь керованості КБО і СП на хвилюванні:

(2)

де - лінійна швидкість КБО і - лінійна швидкість СП.

На основі вирішення системи рівнянь керованості (2) визначається відстань між кораблем берегової охорони і судном-порушником

при наступних початкових умовах задачі руху: S = S0 при t = t0, де

,

а також відшукуються такі параметри мореплавності, як величини втрат швидкості КБО і СП при ході на хвилюванні, коефіцієнти впливу хитавиці на роботу засобів виявлення і затримки судна-порушника та інші. У разі наявності на кораблі берегової охорони зброї дистанція переслідування S зменшується на відстань пострілу.

Розглядаються граничні за курсовими кутами випадки перехоплювання СП кораблем берегової охорони при русі з швидкостями, близькими до постійних граничних значень.

При близьких чи рівних кутах курсу

маємо

и перехоплювання СН здійснюється при русі практично по однієї лінії.

При кутах курсу

.

Тут перехоплювання СП здійснюється при русі по лініях близьких до перпендикулярних.

У першому випадку “навантаження” на корабель оказується значно більшим.

7. Спрощення задачі взаємодії. Спрощення задачі переслідування зводиться до складання і вирішення наступного стохастичного диференціального рівняння для S:

(3)

де a(S,t) - регулярна складова; (S,t) - пульсаційна складова, обумовлена хитавицею КБО і СП під дією хаотичних поштовхів вітру і хвиль.

8. Задача визначення імовірнісних характеристик руху. Випадковий характер початкових координат взаємного розташування КБО і СП у просторі зони, що охороняється, обумовлює введення в розгляд щільності імовірності координат у початковий і всі наступні моменти часу, побудову за допомогою рівнянь керованості кінетичного рівняння для щільності імовірності координат типу рівняння Фоккера-Планка-Колмогорова і складання відповідної крайової задачі для визначення цієї функції.

У спрощеній задачі переслідування за допомогою рівняння (3) для S відомими способами будується наступне кінетичне рівняння для щільності імовірності f1(S,t) відстаней між КБО і СП:

, (4)

де a(S,t) - коефіцієнт "зносу"; b(S,t) - коефіцієнт "дифузії".

Якщо знехтувати добавками до S, які обумовлені хитавицею, тобто покласти b(S,t) = 0 і зберегти постійними швидкість ходу корабля к = const і швидкість ходу судна-порушника н = const, тоді замість (3) в умовах максимального “навантаження” на корабель маємо

. (5)

Рішенням диференціального рівняння (5) є відомий вираз:

(S-S0) = (K-H)(t-t0), (6)

поклавши в якому нулю підсумкову відстань S між КБО і СП, можна визначити час, необхідний для затримки порушника в результаті його переслідування кораблем берегової охорони:

Тз = S0 /(K-H). (7)

За допомогою отриманого розв'язку для диференціального рівняння руху (5) будується розв'язок кінетичного рівняння (4) для щільності імовірності f1(S,t):

(8)

де f(S0) - щільність імовірності початкових відстаней між КБО і СП; f1(S,t;S0,t0) - функція переходу, що при (н-к ) < 0 визначається виразами:

f1(S,t;S0,t0) = (S-S0) + (K-H )(t-t0) при t-t0 < Тз;

f1(S,t;S0,t0) = 0 при t-t0 > Тз.

9. Задача виявлення судна-порушника. Вихідні дані: КБО рухається уздовж зони зі швидкістю патрулювання кp = const; виявляючи порушника за допомогою радіолокатора. RРЛС - радіус дії радіолокатора КБО. СП рухається поперек зони з н=const. Характеристики засобів виявлення і швидкості руху є функціями погодних умов:

RРЛС =RРЛС(h3%); Кp = ; Н = ,

де h3% - характерна висота хвилювання, DK і DH - водотоннажності КБО і СП.

Мінімальний час перебування порушника в зоні визначається виразом

,

а дистанція виявлення, з урахуванням швидкості патрулювання, - формулою

.

в якій умовно прийнято, що при Dобн < 0 - судно-порушник виявляється і при Dобн > 0 - не виявляється. Після знаходження щільності імовірності дистанцій виявлення f(Dобн) імовірність виявлення судна-порушника P1 обчислюється за формулою

. (9)

10. Задача переслідування і затримки судна-порушника. Передбачається, що в момент виявлення СП і КБО "бачать" один одного і СП на повній швидкості найкоротшим шляхом прагне вийти з зони, що охороняється. Тоді на основі вирішення (6) при (к-н) > 0 час зближення

,

де Кs - швидкість повного ходу КБО. При (к-н) < 0 операція переслідування не має сенсу.

Вводячи в розгляд час переслідування Тz, що обчислюється за формулою

Тz = ТСбл - Тmin=,

відзначимо, що якщо час переслідування Тz < 0, судно-порушник затримується і при Тz > 0 - не затримується. Після знаходження щільності імовірності часу переслідування f(Tz ) імовірність затримки судна-порушника P2 обчислюється за формулою

. (10)

11. Визначення функціональної надійності виконання КБО охоронних операцій. Імовірність успішного виконання операцій з виявлення і затримки СП у результаті переслідування E відшукується за формулою

. (11)

12. Метод вирішення задач функціонування КБО і результати вирішення задач виявлення і переслідування СП. Описується метод статистичних випробувань (метод Монте-Карло) і особливості його застосування для побудови щільностей імовірностей дистанцій виявлення f(Dобн) і часу переслідування f(Tz), а також для обчислення імовірностей виявлення і затримки суден-порушників P1 і P2.

Результати визначення за допомогою цього методу щільностей імовірностей дистанцій виявлення f(Dобн) і часу переслідування f(Tz) для зони, що охороняється, і корабля берегової охорони, дані про які наведені в таблиці, представлені.

Дані, що представлені, отримані в результаті розв'язання задачі переслідування, в якій обмеження на тривалість роботи головного двигуна КБО не вводилося.

У четвертому розділі визначено критерій ефективності КБО, сформульована оптимізаційна задача його проектування, обрано метод її вирішення, побудована практична методика вибору оптимальних характеристик КБО, наведені приклади визначення оптимальних характеристик. У ньому наводяться:

1. Показники ефективності і ресурсний показник. Відповідно до принципів військово-економічного аналізу введені в розгляд функції корисності, які присутні в задачах функціонування КБО, і на цій основі як показник ефективності обрана величина Е 1, яка визначається співвідношенням (11).

Як ресурсний показник вибрана вартість життєвого циклу корабля, що розглядається як випадкова величина і визначається рівнянням

,

де ,,,- витрати на проектування, побудову, експлуатацію та утилізацію корабля, задані в зв'язку з варіаціями поточних цін за своїми законами розподілу. Для апроксимації цих законів використані криві Пірсона (тип І, ІІ, ІІІ, ІV). Як метод визначення імовірнісних характеристик показника витрат Sі використаний метод статистичних випробувань (метод Монте-Карло - метод імітаційного моделювання).

2. Критерій ефективності і формулювання оптимізаційної задачі проектування КБО. За цільову функцію оптимізаційної задачі f(X,U) обрано критерій типу дробу "вартість-ефективність" і критерій оптимальності представлено співвідношенням

f(X, U) = Si/Е min,

де U - вектор параметрів задачі проектування; X - вектор незалежних змінних.

Як параметри задачі проектування КБО розглянуті наступні параметри (вектор U): тип КБО, тип головних двигунів, тип засобів виявлення, тип озброєння, район плавання і розміри зони, що охороняється. Значення цих величин або вважаються заданими замовником, або визначеними на основі ретельного вивчення та аналізу сучасного стану і тенденцій розвитку в області проектування й експлуатації КБО.

Як незалежні змінні оптимізаційної задачі проектування КБО прийняті наступні параметри (вектор X): відношення довжини до ширини

X1 = L/B,

ширини до осадки

X2 = B/Т,

висоти до осадки

X3 = H/Т,

коефіцієнт загальної повноти X4 = Сb, водотоннажність X5 = D, швидкість патрулювання X6 = кp, швидкість повного ходу X7=кs, і дальність плавання X8 = Rm.

На компоненти обраних складових вектора {X} накладені двосторонні обмеження виду , , де n - кількість обраних незалежних змінних.

Допустима область пошуку оптимального розв'язку сформована системою тривіальних і функціональних обмежень, яка складається з 22 нерівностей виду gj(X,U) ? 0. До цієї системи віднесені:

- тривіальні однобічні обмеження на значення незалежних змінних задачі, які сформовані з двосторонніх обмежень: Xi Ximin 0; Ximax Xi 0;

- функціональні обмеження, які враховують ефективність безпеки плавання корабля берегової охорони.

До останніх обмежень віднесені: показник охоронної ефективності E, метацентрична висота, що забезпечує плавність хитавиці, та параметри діаграми статичної остійності, які формують у першому наближенні необхідну остійність корабля при великих кутах крену.

Як функціональні обмеження задачі також використані рівняння плавучості, рівняння місткості і рівняння мас, яке виходить з умов міцності.

Загальний вид сформульованої в такий спосіб оптимізаційної задачі представлений виразами (1).

3. Метод вирішення оптимізаційної задачі. У роботі як метод пошуку екстремуму цільової функції обраний відомий метод нелінійного програмування - оптимізаційний алгоритм Пауелла, доповнений для урахування впливу обмежень на вирішення задачі алгоритмом методу штрафних функцій.

4. Практична методика визначення основних проектних характеристик КБО. Наведені вище функціональні обмеження оптимізаційної задачі сформовані таким чином, що модель КБО можна умовно розділити на два блоки: математичну модель корабля і модель функціонування корабля. Блок-схема такої моделі представлена.

За допомогою цієї моделі побудована сукупність алгоритмів вирішення оптимізаційної задачі проектування КБО. Блок-схема сукупності алгоритмів представлена.

Першим блоком схеми вирішення задачі вибору основних проектних характеристик КБО є блок початкових даних корабля, у якому відповідно до початкових даних (незалежні змінні, задані параметри проектування та основні обмеження) задаються для виконання розрахунку наступного блоку.

Другим блоком є блок математичної моделі корабля і показників ефективності, у якому розв'язується система рівнянь проектування (плавучості, мас, ходовості, остійності, хитавиці), обчислюються головні розміри, параметри форми корпуса та інші характеристики проекту. Розрахунок показника ефективності E виконання КБО охоронних операцій визначається за допомогою методу Монте-Карло. Розрахунок математичного сподівання і інших імовірнісних характеристик витрат проводиться за допомогою методу Монте-Карло. Унаслідок вищевказаних розрахунків розраховується відношення M[Sі]/E.

Третім блоком є блок оптимізації.

Основний набір випадкових величин використовується як вихідні дані задачі визначення показника ефективності з виявлення та затримки порушника, а також задачі визначення вартості КБО. Випадковими величинами є: довжини і швидкості суден-порушників, координати їх знаходження в зоні, що охороняється, координати позиції КБО в ОЗ, параметри хвильових режимів ОЗ, вартості складових масового навантаження КБО: металу корпуса, палива, механізмів, систем, озброєння і т.д.

Таким чином, задача визначення критерію ефективності КБО зведена до задачі перетворення законів розподілу зазначених випадкових величин у закон розподілу критерію ефективності.

Як інші показники ефективності можуть бути використані середньоквадратичне відхилення цього відношення M[Sі]/E й імовірність події, що полягає в тому, що це відношення виявиться більше заданої величини.

В п'ятому розділі відзначено, що на основі створеної сукупності алгоритмів вирішення оптимізаційної задачі проектування КБО, блок-схема якої представлена, розроблений комплекс прикладних програм "PatrolShіp". За допомогою цього комплексу зроблена перевірка адекватності і чутливості розробленої моделі, оцінена максимальна похибки обчислень і виконана серія розрахунків. Один із прикладів таких розрахунків приведений у наведеній таблиці.

У додатках наведені: алгоритм розрахунку потужності головного двигуна, розрахунок утрати швидкості на хвилюванні, аналіз алгоритмів пошуку оптимуму, формули для обробки результатів, акти про впровадження результатів роботи.

Таблица 1 Результат оптимізації основних проектних характеристик КБО

Найменування	Проект OPV1000	Оптимальний варіант з вертольотом	Оптимальний варіант без вертольота
Водотоннажність D, т	1229	1128,51	1132,11
Довжина L, м	78	74,337	75,149
Ширина B, м	10,30	10,245	10,270
Осадка Т, м	3,21	3,219	3,208
Коефіцієнт загальної повноти Cb,	0,464	0,449	0,446
Потужність головного двигуна Ne, кВт	29120	18874	18593
Швидкість повного ходу (патрулювання),уз	38(12)	31,85(14,83)	31,76(14,92)
Дальність плавання, миль	4350	5315	5360
Екіпаж	60	60	56
Тип палубного озброєння і система управління зброєю відповідно: Артилерійська установка, мм Вертоліт	1x76 2x630 1ВППл	1x76 2x630 1ВППл	1x76 2x630-
Швидкість вертольота, вуз (автономність, години)	-	125(3)	-
Дальність виявлення КРЛС, миль	-	48	48
Довжина зони, що охороняється, LОУ, миль	-	125	125
Ширина зони, що охороняється, BОУ, миль	-	100	100
Район: Південно - китайське море	-
Імовірність виявлення порушника засобами КРЛС, P1	-	0,872	0,861
Імовірність затримки порушника, P2	-	0,709	0,511
Надійність зони, що охороняється, E = P1P2	-	0,618	0,440
Цільова функція Si/E, млн. $.	-	134,953	167,053

Висновки

1. У дисертації наведені теоретичне узагальнення і нове вирішення наукових задач функціонування і проектування кораблів берегової охорони. При вирішенні задачі функціонування замість апарата теорії ланцюгів Маркова, який використовується у даний час, застосовано апарат теорії безперервних марковских процесів, що дозволило визначити взаємодію КБО зі СП як у часі, так і в просторі зони, що охороняється. Вирішення задачі проектування КБО здійснено з урахуванням впливу на показник його ефективності варіацій цін на складові створення й експлуатації КБО.

2. Стан розглянутої в дисертації проблеми характеризується: нагальною потребою України, В'єтнаму й інших країн у забезпеченні надійної охорони їх прибережних економічних просторів, істотним впливом випадкового характеру вітро-хвильових режимів, засобів виявлення, озброєння і типу корабля на показники ефективності кораблів берегової охорони, існуючою потребою використання математичних моделей, які можуть адекватно відобразити всю складність і різноманітність процесу експлуатації КБО.

3. Головні наукові і практичні результати роботи:

- Уперше застосовано апарат теорії керованості і мореплавності корабля разом з теорією безперервних марковських випадкових процесів для вирішення задачі визначення показників ефективності виконання КБО основних охоронних операцій виявлення і затримки суден-порушників, що дав можливість врахувати такі особливості експлуатації сучасних КБО, як випадкове розташування КБО і СП в зоні, що охороняється, випадковий характер вітро-хвильових впливів і характеристик суден-порушників, і визначити при цьому вплив засобів виявлення, озброєння і типу корабля на результат виконання охоронних операцій.

- Складена методика визначення вартості життєвого циклу КБО, яка використовує апарат перетворення законів розподілу вихідних цін у закон розподілу підсумкової вартості корабля.

- На основі вирішення задачі функціонування КБО і методики визначення його вартості складено критерій оцінки "вартість-ефективність" корабля, що визначає ефективність вкладених коштів у виконання основних охоронних операцій КБО.

- Реалізовано комплексний підхід до визначення оптимальних характеристик КБО, що включає спільне вирішення зовнішньої і внутрішньої задач його проектування, урахування вищевикладених факторів надійності і вартості за весь життєвий цикл у критерії ефективності, а також варіацій цін на ефективність корабля.

- Створена база даних по сучасних кораблях 1980-2002 років побудови, на основі якої отримані формули для наближеного визначення головних розмірів кораблів берегової охорони, проаналізовані характеристики та особливості їх архітектурно-конструктивних типів;

4. Вірогідність теоретичних і прикладних результатів, висновків дисертаційної роботи забезпечується коректною постановкою задачі, використанням для її вирішення теорії корабля, теорії безперервних марковських процесів апарата імітаційного моделювання і нелінійного програмування, порівнянням і близькістю результатів, отриманих автором за запропонованою методикою, з аналогічними даними існуючих технічних проектів перспективних КБО.

5. Рекомендації щодо використання результатів роботи. Найбільш ефективною областю застосування отриманих наукових результатів, розробленої моделі функціонування і програмного комплексу проектування можуть бути прогнозні й інші розрахунки, що виконуються при виборі головних елементів КБО в дослідницько-проектних організаціях і конструкторських бюро суднобудівних заводів і для виконання яких особливо необхідне урахування фактора випадковості і невизначеності майбутніх умов побудови і експлуатації КБО.

6. Рекомендації щодо подальшого розвитку проблеми.

Подальший розвиток розглянутої в дисертації задачі, на думку дисертанта, доцільно проводити в двох напрямках. Перший напрямок і мета подальшої роботи здобувача - це оптимізація характеристик корабля не як окремої споруди, а як функціональної єдиної системи "корабель - озброєння - засоби забезпечення", яка дасть можливість врахувати й оптимізувати не тільки характеристики корабля, але і вузькі місця в процесі функціонування корабля. Другий напрямок - використання при формулюванні і вирішенні задач проектування КБО сучасних досягнень науки і комп'ютерних технологій в області експертних систем і штучного інтелекту.

Публікації за темою дисертації

1. Дам Суан Туан. Мореходные качества кораблей береговой охраны и их основные тактико-технические характеристики // Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. №2 (380).- С.47-59.

2. Дам Суан Туан. Определение показателей надежности корабля береговой охраны при взаимодействии с судном-нарушителем // Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2003. - № 1 (387). - С. 49-60.

3. Дам Суан Туан. Определение экономических характеристик кораблей береговой охраны // Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2003. - № 2 (388). - С. 24 - 36.

4. Dam Xuan Tuan. The new Deep-Vee hulls improved propulsion qualities and seakeeping for high-speed ships // The Transport Journal, 2002. - №8 - P.35-36.

Анотація

Дам Суан Туан. Вибір основних проектних характеристик кораблів берегової охорони. - Рукопис.

Дисертація на змагання ученого ступеня кандидат технічних наук за фахом 05.08.03 - Механіка та конструювання суден - Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2003.

Метою дисертаційної роботи є удосконалювання процесу проектування патрульних кораблів для забезпечення надійної берегової охорони.

Створено базу даних по сучасних кораблях 1980-2002 років будівлі, на основі якої отримані формули для наближеного визначення головних размірів кораблів берегової охорони.

Застосовано апарат теорії керованості і мореплавності корабля разом з теорією марковських випадкових процесів для рішення задачі визначення показників ефективності виконання КБО основних охоронних операцій виявлення і затримки суден-порушників, що дав можливість врахувати особливості експлуатації сучасних КБО і визначити при цьому вплив засобів виявлення, озброєння і типу корабля на результат виконання кораблем охоронних операцій.

Реалізовано комплексний підхід до визначення оптимальних характеристик КБО, що включає спільне рішення зовнішньої і внутрішньої задач його проектування, облік впливу факторів функціональної надійності і вартості життєвого циклу корабля на значення критерію ефективності, а також облік впливу варіацій цін на ефективність.

Ключові слова: Функціонування, корабель берегової охорони, основні проектні характеристики, цільова функція, показник ефективності, критерій ефективності, марковський випадковий процес, метод оптимізації, життєвий цикл, вітро-хвильовий вплив.

Аннотация

Дам Суан Туан. Выбор основных проектных характеристик кораблей береговой охраны. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.03 - Механика и конструирование судов - Украинский государственный морской технический университет имени адмирала Макарова, Николаев, 2003.

Целью диссертационной работы является совершенствование процесса проектирования патрульных кораблей для обеспечения надежной береговой охраны.

Приведены результаты анализа состояния кораблей береговой охраны и перспектив их развития, особенностей архитектурно-конструктивных типов современных патрульных кораблей и основных способов повышения их ходкости и мореходности. Создана база данных по современным кораблям 1980-2002 лет постройки, на основе которой получены формулы для приближенного определения главных размерений кораблей береговой охраны.

Применен аппарат теории управляемости и мореходности корабля совместно с теорией непрерывных многомерных марковских случайных процессов для решения задачи определения показателей эффективности выполнения КБО основных охранных операций обнаружения и задержания судов-нарушителей, который дал возможность учесть особенности эксплуатации современных КБО и определить при этом влияние средств обнаружения, вооружения и типа корабля на исход выполнения кораблем охранных операций.

Произведена оценка влияния на получаемое оптимальное решение размеров охраняемой зоны, ветро-волновых режимов акватории, характеристик судов-нарушителей и средств их обнаружения и задержания.

Составлена методика определения стоимости жизненного цикла КБО, использующая аппарат преобразования законов распределения исходных цен в закон распределения итоговой стоимости.

На основе решения задачи функционирования КБО и методики определения его стоимости составлен критерий оценки "стоимость-эффективность" корабля, определяющий эффективность вложенных средств в выполнение основных охранных операций КБО.

Реализован комплексный подход к определению оптимальных характеристик КБО, включающий совместное решение внешней и внутренней задач его проектирования, учет влияния факторов функциональной надежности и стоимости жизненного цикла корабля на значение критерия эффективности, а также учет влияния вариаций цен на эффективность.

Ключевые слова: Корабль береговой охраны, функционирование, основные проектные характеристики, целевая функция, показатель эффективности, критерий эффективности, непрерывный многомерный марковский случайный процесс, жизненный цикл, метод оптимизации, ветро-волновое воздействие.

Abstract

Dam Xuan Tuan. A choice of the basic design characteristics of the ships of a coast guard. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Candidate of Technical Sciences. on a specialty 05.08.03 - Mechanics and designing of ships - the Ukrainian state sea technical university of a name of admiral Makarov, Nikolaev, 2003.

The purpose of dissertational work is perfection of process of designing of the patrol ships for maintenance of a reliable coast guard.

The database on the modern ships of 1980-2002 years of building is created. On this base the formulas for the approached definition of main dimensions of the ships of a coast guard are received.

Together with the theory of continuous marcovian random processes the apparatus of the theory of manoeuvrability and seakeeping of the ship is applied for the decision of a problem of CGS efficiency parameters definition for performance its basic operations of detection and detention of ships - infringers which has enabled to take into account features of modern CGS operation and to determine thus influence of means of detection, arms and type of the ship on an outcome performance by the ship of security operations.

The complex approach to definition of the CGS optimum characteristics, including the joint decision of external and internal problems of its designing, the account of influence of factors of functional reliability and cost for all life cycle on value of criterion of efficiency, and also the account of influence of variations of the prices for efficiency of the ship is realized.

Key words: the ship of a coast guard, functioning, the basic design characteristics, criterion function, parameter of efficiency, criterion of efficiency, marcovian random process, life cycle, method of optimization, wind-wave influence.

Размещено на Allbest.ru