Оптимізація управління судном при заметі кошількового невода

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

(О Н М А)

05.22.13 - Навігація та управління рухом

УДК 656.61.052

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОПТИМІЗАЦІЯ УПРАВЛІННЯ СУДНОМ ПРИ ЗАМЕТІ КОШІЛЬКОВОГО НЕВОДА

Івановський

Микола Володимирович

Одеса

2010

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

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

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Мальцев Анатолій Сидорович,

Одеська національна морська академія,

завідуючий кафедрою управління судном

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Воробйов Юрій Леонідович,

Одеський національний морський університет, завідуючий кафедрою теорії корабля

кандидат технічних наук, доцент

Пазиніч Георгій Іванович,

Керченський державний морський технологічний університет,

завідуючий кафедрою судноводіння

Захист дисертації відбудеться 3 березня 2010 р. об 11.00 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 27 січня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор

Тарапата В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За даними Міжнародної продовольчої організації видобуток риби у світі, в якому беруть участь близько 1200 тис. одиниць суден, становить 100 млн. т. Існує майже 10 способів її лову, серед яких друге місце займає лов кошільковими неводами - до 15% світового вилову. В Україні кошільковий спосіб застосовується в Азово-Чорноморському басейні для видобутку риби в обсязі 30 тис. т. щорічно.

Однак він має специфічні особливості управління судном, які характеризуються швидкоплинністю процесу постановки знаряддя лову. Саме цей фактор визначає ефективність процесу видобутку, оскільки він потребує від судноводія обробки значної кількості інформації про параметри руху судна, об'єкта і стану знаряддя лову та прийняття рішення по віддачі команд на засоби управління.

Недостатнє вивчення алгоритмів інтелектуальної діяльності судноводія призводить до помилок під час управління промисловим судном при роботі з неводом і невиправданих витрат енергії та зносу судна та знаряддя лову, внаслідок чого близько 40% заметів кошількового невода є невдалими.

Відсутні також науково обґрунтовані методи, прийоми і засоби управління судном, які б давали відповіді на виникаючі запитання практики та вирішували б проблему неефективного використання судна й засобів лову.

За даних обставин наукові дослідження, спрямовані на удосконалення методів і прийомів ефективного управління суднами під час їх промислової роботи, є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Важливість проведення досліджень в області удосконалення способів управління промисловими суднами й, зокрема, забезпечення безпеки й ефективності їх роботи підтверджується рядом урядових постанов і концептуальних рішень, таких як закон України № 1516-IV від 19.02.2004 р. "Про загальнодержавну програму розвитку рибного господарства України на період до 2010 р." та Концепція безперервної національної транспортної політики розвитку всіх видів транспорту на 2007 - 2014 роки (наказ МТС України від 5.05.2007р., № 360). Тема дисертаційної роботи та спрямованість досліджень здобувача тісно пов'язані з держбюджетними НДР: "Вплив підготовки спеціалістів на безпеку мореплавства суден транспортного та промислового флоту" (ДР № 0107U007673); "Удосконалення теорії та методів розрахунку, проектування та експлуатації техніки промислу водних біоресурсів" (ДР № 0107U002484); "Підвищення надійності, технічної ефективності та економічності електроустаткування, електропостачання та автоматики суден" (ДР № 0104U009623), в яких автор був виконавцем окремих розділів.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення продуктивності роботи риболовецького судна шляхом оптимізації управління та зниження кількості невдалих заметів кошількового невода. Як робочу гіпотезу прийнято, що максимальна ефективність промислового судна кошількового лову досягається у тому разі, коли запланована траєкторія його руху мінімізує ймовірність виходу об'єкта лову - косяка риби - за межі простору, утвореного неводом.

Головна задача дослідження - створення алгоритму оптимального управління судном при заметі кошількового невода. Вона потребує вирішення чотирьох допоміжних задач:

§ аналіз процесу управління судном при заметі кошількового невода;

§ дослідження елементів системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову";

§ розробка математичної моделі процесу управління судном при виконанні морської операції по замету кошількового невода;

§ розробка алгоритму пошуку оптимального рішення по управлінню судном при заметі невода.

Об'єктом дослідження є процес управління рухом судна.

Предмет дослідження - параметри маневрування промислового судна під час замету кошількового невода.

Методи досліджень:

§ системного аналізу - при здійсненні інформаційного пошуку, виборі теми і постановці задач дослідження та його технології, а також узагальненні отриманих результатів;

§ теоретичної механіки й гідромеханіки - для розрахунку впливу знаряддя лову на траєкторію руху судна, а також для побудови моделі занурення кошількового невода;

§ математичного й геометричного аналізу - для створення математичних моделей елементів системи;

§ планування експерименту й обробки статистичних даних - при проведенні лабораторних і виробничих досліджень;

§ математичного й фізичного моделювання - при дослідженні технологічних процесів;

§ оптимізації - при дослідженні цільової функції на екстремум.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що вперше запропоновано: а) розглядати процес управління судном при заметі невода у взаємозв'язку з іншими елементами єдиної системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову", б) метод оперативного управління рухом судна, яке виступає як управляючий орган системи.

У результаті досліджень вперше:

§ отримано аналітичне рішення, яке дозволяє: а) оцінити час занурення елементарної ділянки невода на задану глибину у залежності від співвідношення діаметра нитки до кроку вічка полотна сіті, маси "відданої" ділянки та коефіцієнта гідродинамічного опору нижньої підбори кошількового невода; б) на підставі отриманого аналітичного рішення планувати оптимальну траєкторію руху судна;

§ встановлено кількісну залежність ефективності процесу управління маневруванням судна при заметі кошількового невода від співвідношення упору гвинта і сили опору невода, що змінюється під час його занурення, а також алгоритму управління кермом і гвинтом судна;

§ встановлено кількісну залежність характеру впливу зміни опору невода на траєкторію руху судна, що дозволяє отримати координати центра маси судна з урахуванням впливу троса "провідник";

§ встановлено кількісну залежність характеру зміни курсового кута об'єкта лову від дистанції до судна.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що завдяки ним забезпечено підвищення ефективності технологічного процесу видобутку риби за рахунок попереднього планування траєкторії руху і оперативного керування упором гвинта й кермом з урахуванням характеру поведінки об'єкта видобутку та зміни опору знаряддя лову, що "віддається".

Розроблено:

§ коректну імітаційну модель процесу видобутку, яка дозволила встановити, що при існуючій схемі замету невода за рахунок впливу "провідника" радіус циркуляції судна зменшується в середньому на 15%;

§ методику параметричної ідентифікації моделі судна з використанням маневру "Симетричний зиґзаґ";

§ методику планування маневрових операцій судна при виконанні морської операції по замету кошількового невода з використанням інверсного методу;

§ тренажер оператора судна кошількового лову;

§ систему підтримки прийняття рішень оператором судна.

Практичні результати дисертаційної роботи впроваджено: на промислових суднах Азово-Чорноморського басейну (акт від 10.09.2008); в учбово-тренажерному центрі КДМТУ (акт від 29.08.2008); в навчальному процесі КДМТУ (акт від 18.06.2008).

Особистий внесок здобувача в отримання наукових результатів, що викладені у роботі та виносяться на захист, полягає у самостійному виконанні інформаційного пошуку, теоретичних і практичних розробок, постановці й виконанні лабораторних і виробничих експериментів з наступною обробкою даних, впровадженні результатів у виробництво та навчальний процес.

З дев'яти публікацій 5 написано без співавторів.

Апробація результатів дисертації здійснена на науково-методичних та науково-практичних конференціях:

§ III , IV і V міжнародні науково-практичні конференції "Морські технології: проблеми й рішення", м. Керч, 2004 - 2007 р.;

§ міжнародна науково-практична конференція "Математичні методи й інформаційні технології в управлінні, освіті, науці й виробництві", м. Маріуполь, 2005 р.;

§ V і VI міжнародні конференції "Прикладні завдання математики у механіці, економіці, екології", м. Севастополь, 2007 - 2008 р.;

§ щорічні науково-методичні конференції професорсько-викладацького складу КДМТУ та на науковій конференції Одеської національної морської академії у 2008 р.

Практична розробка - тренажер судноводія судна кошількового лову - була представлена на міжнародній виставці "Агро-2009" (м. Київ) і одержала бронзову медаль.

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 9 робіт, з них 8 - у наукових виданнях, які входять до Переліку ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, списку використаної літератури зі 127 найменувань та додатків. Загальний обсяг роботи - 234 стор., у тому числі: 178 стор. основного тексту, 46 стор. додатків, 10 стор. списку використаних джерел; містить 50 рис., 10 таблиць.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У першому розділі аналізуються поточні розробки в області управління судном при заметі кошількового невода. Згідно з робочою гіпотезою, це являє собою процес управління системою "судно - кошільковий невід - об'єкт лову", кожний з елементів котрої до наступного часу розглядався окремо. У зв'язку з цим для формалізації названих елементів системи перший розділ поділено на три частини.

У першій частині виконано огляд наукової літератури з судноводіння для оцінки стану теорії та практики маневрування промислового судна й вибору напрямку досліджень. Проаналізовано стан промислового судноводіння, підходи до опису процесів маневрування, сучасні способи формалізації змістовних моделей маневрування при заметі невода, методи дослідження маневрування та їх інформаційне забезпечення.

Проблема формалізації руху судна є актуальною. У цьому напрямку проблемною залишається гідродинаміка судна, яка у систематизованому вигляді представлена в роботах В.Г. Сізова. Розв'язанню крайових задач гідродинамічної теорії хитавиці в стиснутому фарватері присвячено роботи Ю.Л. Воробйова. Основи теорії, принципи моделювання й синтезу широкого класу систем управління у систематизованому вигляді представлені в роботах В.О. Некрасова. Концепція, особливості управління та методи прийняття рішень при маневруванні суден у складних гідрометеорологічних умовах відображені в роботах Ю.І. Нечаєва. Дослідженню гідродинамічних процесів криволінійного руху судна присвячені роботи М.Б. Сліжевського. Особливістю розглянутих досліджень є можливість використання їхніх результатів для номінальних і екстремальних режимів руху судна. Виконано аналіз робіт А.М. Басіна, А.В. Васильєва, А.Д. Гофмана, Ю.М. Мастушкіна, В.Г. Павленко, Р.Я. Першіца, Г.В. Соболева, К.К. Федяєвського, Бішопа, Клейтона, Ньюмена, Номото, Інуї та інших.

Підвищенню рівня навігаційної безпеки присвячені дослідження А.С. Мальцева. Питання комплексної автоматизації процесів судноводіння у систематизованому вигляді відображені в роботах Л.Л. Вагущенко. Розробці інтелектуальних систем підтримки прийняття рішень при управлінні судном присвячені роботи Кондратенко Ю.П., Бень А.П.

Незважаючи на те, що існуючі змістовні моделі, у цілому, адекватно описують процес маневрування, вони не дозволяють створити коректні математичні моделі для дослідження й синтезу систем управління рухом судна при заметі кошількового невода. Розроблені за ними формалізовані моделі не підходять для опису процесу через те, що не розглянуто специфіку процесу управління судном при заметі кошількового невода. У результаті чого, у класичні моделі, що описують процес руху судна, можна внести ряд припущень, які спрощують модель, при цьому вона не втрачає своєї адекватності. До всього іншого, в існуючих моделях розглядається тільки судно, але в нашому випадку необхідно розглядати систему "судно - кошільковий невід", тому що невід впливає на траєкторію руху судна. На даний момент часу цього зроблено не було, тому існуючі моделі повністю неможливо узагальнити на досліджуваний процес.

У другій частині виконано огляд наукової літератури з формалізації процесу занурення кошількового невода. Велика практична цінність даного завдання залучила до її розв'язку багатьох вчених.

У роботах Ф.І. Баранова, М.М. Андрєєва отримані перші практичні результати вирішення даного завдання. Надалі ці рішення були удосконалені в роботах М.І. Гуревича, Г.М. Степанова та М.Л. Великанова.

З аналізу цих робіт можна зробити такі висновки. Існуючі класичні рішення апробовані, широко використовуються в навчальній і технічній літературі та якісно відповідають експериментальним даним. Однак кількісно результати розрахунків істотно відрізняються від даних експериментів. З іншого боку, дуже мало робіт, орієнтованих на побудову просторової картини занурення невода. У роботі О.М. Кручініна робиться спроба побудови просторової моделі невода. Отримана модель є дискретною, але в якості розрахунку занурення елементарної ділянки взята спрощена модель, яка дає істотні кількісні похибки.

У третій частині виконано аналіз сучасного стану завдання формалізації руху об'єкта лову в просторі, обмеженому кошільковим неводом.

У роботах О.І. Ракова, В.М. Пукова дано опис поведінки об'єкта лову в просторі, обмеженому неводом. Виявлено основні стратегії в поведінці об'єкта лову при зустрічі зі стінкою невода. Аналізу впливу акустичного поля судна на поведінку риби присвячені дослідження О.М. Кручініна. Питання кінематики руху об'єкта лову розглянуто в роботах В.І. Меншикова та В.І. Яковлева.

З аналізу робіт, спрямованих на дослідження поведінки об'єкта лову в зоні замету кошількового невода, можна зробити наступні висновки: накопичено великий банк знань про поведінку об'єкта лову в зоні замету невода; частково здійснено статистичну обробку результатів досліджень, на підставі якої отримано ряд моделей, які описують реакцію поведінки риби на акустичні шуми; виявлено основні стратегії в поведінці косяка риби при зустрічі зі стінкою невода; розроблено рекомендації по управлінню судном залежно від поведінки об'єкта лову. З іншого боку, відсутні комплексні моделі поведінки об'єкта лову в зоні замету невода, що враховують усі основні зовнішні подразники, а також, поведінкові особливості конкретного типу риби.

У підсумку, можна зробити наступні висновки: операторській діяльності при вирішенні завдань управління маневруванням судном при заметі невода достатньої уваги не приділяється. Ця діяльність залишається на практичному рівні процесу управління, є недостатньо вивченою, а тим більше детермінованою й алгоритмізованою. Залишаються невирішеними питання створення концепції планування руху з появою змінних обмежень, не вивчені питання впливу знаряддя лову на траєкторію руху судна. Тому формалізовані моделі коректування заданого алгоритму управління маневруванням створені частково, а комплексна модель управління маневруванням судна при заметі кошількового невода не знайшла свого завершення.

У другому розділі в результаті вибору теми дослідження за ознаками важливості, актуальності, наукової новизни, економічності, відповідності профілю наукової школи кафедри управління судном і можливості реалізувати результати дослідження й ряду наукових напрямків, пов'язаних з управлінням маневруванням рибодобувних суден при виконанні морських операцій на промислі, сформована тема дослідження, визначені об'єкт і предмет дослідження.

Використовуючи системний підхід як замкнутий цикл наукового пізнання від мети до наукового положення, сформульовано мету й поставлено завдання наукового дослідження. Для реалізації мети висунуто гіпотезу з наступними припущеннями й твердженнями: до технологічних процесів операції замету кошількового невода відносяться занурення кошількового невода, управління рухом промислового судна; занурення кошількового невода відбувається незалежно від руху судна, верхня підбора невода повторює траєкторію руху судна, швидкість скидання невода дорівнює швидкості руху судна; невід можна розглядати як сукупність елементарних ділянок, при цьому процес занурення кожної ділянки невода відбувається незалежно від суміжних ділянок; невід не впливає на лінійну швидкість судна, а у випадку застосування троса "провідника" змінює його кутову швидкість; рух системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову" можна спрогнозувати, що дозволить знайти оптимальну стратегію поведінки екіпажа промислового судна.

Головне завдання дослідження - розробка оптимального алгоритму управління судном при заметі кошількового невода.

Для вирішення головного завдання необхідне рішення ряду допоміжних завдань, які описують поведінку системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову". Причому, основна увага зосереджена на виробітку алгоритму управління судном, яке виключає невдалі замети невода і, як наслідок, підвищує продуктивність експлуатації рибальського судна.

Першим допоміжним завданням є аналіз процесу управління судном при заметі кошількового невода, дослідження основних закономірностей поведінки системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову", а також визначення основних факторів впливу на дану систему. Тому при вирішенні першого допоміжного завдання було використано системний аналіз.

Науковим результатом вирішення першого допоміжного завдання є встановлення причин невдалих заметів кошількового невода й відпрацювання нових принципів побудови системи управління судном при заметі невода. Для її вирішення була здійснена систематизація накопичених знань з даної проблеми, їх аналіз, а також проведено опитування експертів (капітанів суден кошількового лову).

Друге допоміжне завдання присвячене дослідженню елементів системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову".

Науковим результатом вирішення другого допоміжного завдання стали результати теоретичного аналізу елементів системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову". Для її рішення використано основні закони динаміки, гідромеханіки, теорії гнучкої ниті, теорії корабля, регресійного аналізу, а також методи чисельного розв'язку задач.

Дослідження третього допоміжного завдання спрямовані на розробку математичної моделі процесу управління судном при виконанні морської операції по замету кошількового невода. Для її рішення використовувались: метод математичного моделювання; закони теорії автоматичного управління.

Науковим результатом третього допоміжного завдання є встановлення зв'язків між елементами системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову" і, як наслідок, одержання математичної моделі досліджуваної системи з одним керуючим впливом - кутом перекладки керма. Для перевірки її адекватності проведено імітаційне моделювання й виконано порівняння його результатів з натурними випробуваннями.

Четверте допоміжне завдання присвячено розробці алгоритму пошуку оптимального рішення по управлінню судном при заметі невода.

Для рішення цього допоміжного завдання застосована теорія диференціальних ігор, елементи варіаційного обчислення, а також інверсний метод, розроблений професором А.С. Мальцевим.

Науковим результатом рішення четвертого допоміжного завдання є методика оптимального планування траєкторії руху судна при заметі невода, де як основний критерій виступає мінімум імовірності виходу об'єкта лову за межі простору, обмеженого неводом.

Науковим результатом рішення головного завдання дослідження є розробка алгоритму управління судном, який мінімізує число невдалих заметів кошількового невода.

Наукова значимість даного дослідження полягає в удосконаленні методології керування маневруванням промислового судна кошількового лову у взаємозв'язку зі знаряддям лову й об'єктом промислу.

Практична значимість роботи пов'язана з розробкою тренажера судноводія судна кошількового лову, системи підтримки прийняття рішень, методики планування маневрових операцій при заметі невода, а також математичної моделі руху системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову".

У третьому розділі наведені дослідження й розробка моделі занурення одного з об'єктів системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову": кошількового невода.

Отримано математичну модель занурення ділянки кошількового невода (1), (2).

(1)

(2)

У цих рівняннях: mНП - маса 1м нижньої підбори; mСН - маса 1м2 полотна сіті; qСН - вага у воді 1м2 полотна сіті; CxНК - безрозмірний коефіцієнт опору нижнього краю; D - діаметр нижнього краю; BC - ширина неводного майданчика; - кут повороту першої ділянки; HН - висота невода, z - глибина занурення невода.

Дана модель передбачає чисельне рішення. Проведене імітаційне моделювання на основі моделі (1) і (2), результати якого наведені в роботі [1], добре узгоджується з експериментальними даними.

У третьому розділі також наводяться дослідження процесу занурення кошількового невода, коли глибина моря, де ведеться промисел, менша за його висоту. Результати цих досліджень наведено в роботі [2].

Очевидно, що чисельна модель дає найкращий результат, тому що враховує найбільшу кількість факторів, але її застосування в режимі реального часу ускладнено, тому що вимагає великих затрат часу на обчислювальні операції. Метою наших досліджень є одержання програмного комплексу, який повинен у реальному часі здійснювати імітаційне моделювання даного процесу. Тому, на підставі чисельного моделювання було виявлено всі істотні фактори, що впливають на процес занурення ділянки невода й отримано простіше аналітичне рішення (3), (4), найбільш наближене до чисельної моделі (1), (2).

(3)

, (4)

де - відношення діаметру нитки до кроку вічка полотна сіті.

Після оцінки часу занурення елементарної ділянки кошількового невода на задану глибину ми можемо оцінити розподіл висот невода по всій його довжині як функцію від часу.

Для цього необхідно вирішити завдання визначення часу проходження судном даної ділянки траєкторії при довільному законі зміни швидкості.

В результаті отримано залежність (5), яка дозволяє для будь-якого моменту часу оцінити глибину занурення заданої ділянки невода.

, , ,

(5)

На основі (5) розроблено математичну модель занурення кошількового невода.

Дана модель є однією зі складових комплексної моделі руху системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову".

Зміст цього розділу відображено в роботах автора [1-3].

У четвертому розділі отримано математичну модель руху судна на етапі замету кошількового невода з урахуванням дії сили опору троса "провідник". У даній моделі лінійна швидкість описується виразом (6), де враховується падіння швидкості на циркуляції. Зміна кута курсу визначається диференціальним рівнянням (7).

(6)

(7)

У цих рівняннях: v₀ - швидкість у точці початку замету; - відносна довжина судна; ? - кут курсу судна; a - кут перекладки керма; k_c2 - коефіцієнт, що враховує вплив троса "провідник", алгоритм розрахунку якого наводиться в дисертаційній роботі. Інші параметри моделі визначаються з натурних випробувань або розраховуються теоретично.

На основі моделі (6), (7) проведено імітаційне моделювання, результати якого добре узгоджуються з натурними спостереженнями.

У процесі експлуатації судна відбувається зміна його основних параметрів. До всього іншого, промислове судно в процесі промислу змінює свої інерційні характеристики за рахунок прийому на борт вилову. Очевидно, відбувається перерозподіл маси, і, як наслідок, змінюється момент інерції судна. А це впливає, у першу чергу, на його повороткість, що в нашому випадку істотно.

У зв'язку з цим необхідно здійснювати ідентифікацію параметрів моделі судна в реальній промисловій обстановці. Тому в роботі отримано новий прийом параметричної ідентифікації моделі промислового судна кошількового лову, який дозволяє одержати параметри моделі за легко вимірюваною часовою характеристикою процесу - часом нульового відхилення курсу. По суті, було удосконалено алгоритм обробки результатів маневру "симетричний зиґзаґ". Попереднє рівняння (7) моделі було спрощено (8), обґрунтування цих перетворень наведені в дисертаційній роботі.

(8)

Параметри моделі (8) і визначаються із системи рівнянь (9), (10):

, (9)

, (10)

де T - період і - час нульового відхилення курсу.

Модель (8) є нелінійною, тому для її розв'язання потрібне використання чисельних методів, що пов'язано з певними проблемами при розробці програмної реалізації моделі. З іншого боку, якщо розбити весь часовий інтервал замету невода на ділянки ?t = 1 с, то два вхідних параметри моделі (8) ?_p і M можна приблизно вважати постійними в межах даного інтервалу часу. В результаті одержимо наступну квазілінійну модель процесу руху судна при заметі кошількового невода

, (11)

де

M_t-1 - обертальний момент, обумовлений силами взаємодії судна з неводом; ?_Pt-1 - кут перекладки керма. Нижній індекс t - 1 означає, що даний параметр на інтервалі (t - 1) - t не змінюється й дорівнює своєму значенню в момент часу t _ 1. Тоді розв'язок рівняння (11) при нульових початкових умовах має такий вигляд:

(12)

Отримане рекурентне співвідношення (12) дозволяє моделювати процес замету кошількового невода при будь-якій діаграмі сили натягу провідника, а також при будь-якому законі перекладки керма. Проведене імітаційне моделювання з використанням залежностей (8) і (12) показало практично повний збіг результатів.

Для побудови формалізованої моделі управління судном на етапі замету невода необхідно одержати модель руху об'єкта лову, що враховує його кінематичні параметри, поведінкові особливості при зустрічі зі стінкою невода, а також динаміку зміни курсу залежно від дистанції з судном. А це, у першу чергу, пов'язане з обробкою натурних спостережень за поведінкою конкретного виду риби. У результаті аналізу експериментальних даних було виявлено, що стабільним проявом реакції риби в зоні лову можна вважати зміну напряму руху косяка при зближенні з судном:

Якщо

, то, (13)

де D - відстань (дистанція) між судном і косяком, м; ш_р - напрямок руху косяка, градусів.

В результаті обробки натурних спостережень основних видів риб, які добуваються даним методом, отримано універсальне співвідношення (14) - зміна курсу судна в залежності від дистанції з судном.

(14)

Для оцінки параметрів ?₀, ?₁ і D₀ необхідно проведення натурних експериментів для кожного виду риби.

Координати центру косяка визначаються наступними формулами:

; ; (15)

; ; (16)

Координати ЦВ судна при русі в горизонтальній площині вздовж довільної траєкторії визначаються з наступних формул

; ; (17)

; . (18)

У результаті ми маємо повний алгоритм розрахунку, який дозволяє імітувати процес керування судном при заметі кошількового невода. За допомогою отриманої кібернетичної моделі, здійснено імітаційне моделювання системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову" у середовищі MathCad 14. Результати імітаційного моделювання наведено на рис. 2.

В результаті проведених досліджень, встановлено, що точність планування траєкторії маневрування судна при заметі кошількового невода може бути покращена за рахунок попереднього імітаційного моделювання за допомогою кібернетичної моделі.

Основні результати розділу відображено в роботах автора [4-7].

У п'ятому розділі наведене рішення четвертого допоміжного завдання. Розглянуто роль і місце результатів досліджень у системі управління маневруванням, тренажер судноводія, система підтримки прийняття рішень судноводієм промислового судна кошількового лову.

a) t = 50 с; b) t = 100 с; c) t = 200 с.

При побудові системи управління маневруванням судна при заметі кошількового невода (СУМЗКН) вводяться нові елементи, функції яких інтегровані на всіх рівнях ієрархії. На нижньому рівні ієрархії працює кібернетична система забезпечення декларативними даними про маневрові властивості об'єкта управління. На підставі отриманих даних система планування траєкторії визначає моменти зміни режиму руху й планує технологічні завдання маневрування. З появою змінних обмежень система передає процедурні дані для зміни заданого алгоритму управління процесом маневрування. Це забезпечує системі адаптованість алгоритму її роботи до нових умов плавання.

Запропонована структура нової гіпотетичної СУМЗКН розширює перелік даних про об'єкт управління. Основною відмінністю СУМЗКН є те, що в ній є інформація про параметри стану системи й знання того, як забезпечити управління маневруванням за рахунок удосконалення структури й функціональних зв'язків, чого немає в існуючій системі управління маневруванням.

Алгоритм інтелектуальних дій судноводія при рішенні завдань маневрування реалізований у системі підтримки прийняття рішень "ЗАМЕТ".

У результаті проведених досліджень отримано комплексну математичну модель оптимального планування траєкторії руху промислового судна на етапах пошук - зближення - замет.

Постановка завдання пошукової операції. Нехай у результаті спостережень (авіація або інші судна) були виявлені координати об'єкта лову. Були визначені його курс і швидкість руху. Ця інформація була передана по радіозв'язку на промислове судно. Після цього інформація про об'єкт лову відсутня, тобто слід припускати, що він може змінити напрямок руху.

Ставиться завдання при наявності цієї невизначеності наздогнати об'єкт лову, тобто перебувати у зоні, в якій об'єкт лову буде визначатися гідролокатором. Для цього використаємо криву "погоні"

Траєкторія руху судна на етапі пошуку, визначається наступною залежністю

, (19)

На основі отриманого закону (19) здійснено імітацію погоні промислового судна за об'єктом лову при співвідношенні швидкостей 5:1 (рис. 3). планування рух іспитовий судноводій

Вихід судна в точку початку замету виконується за законом, який визначається системою (20), (21).

(20)

(21)

Де

D - відстань між судном і точкою віддачі невода, - курс судна, - кут дрейфу, _P - курс об'єкта лову, V_C - швидкість судна, V_Р - швидкість об'єкта лову.

На вибір траєкторії руху судна при заметі невода накладається ряд обмежень: довжина траєкторії повинна дорівнювати довжині невода плюс довжина самого судна; судно повинно перебувати на відстані від об'єкта лову, обумовленій зоною нечутливості риби до шумів судна. У зв'язку з цим завдання пошуку оптимальної траєкторії руху судна можна сформулювати таким чином: необхідно знайти таку замкнену траєкторію руху судна, довжина якого дорівнює довжині невода, при цьому область, що обмежує дану криву, мала б найбільшу площу. Для розв'язання даної задачі було використано методи варіаційного обчислення. У полярній системі координат рівняння оптимальної траєкторії руху має такий вигляд:

, (22)

де C - константа, визначена з початкових умов; V_C - швидкість судна, V_Т - швидкість течії.

Рівняння (22) визначає еліпс, а при нульовому значенні швидкості зносу судна -- коло, що теоретично підтверджує існуючу практику.

Після визначення оптимальної кривої траєкторії судна необхідно визначитися з початковою точкою замету невода. Для цього необхідно врахувати наступне обмеження:

, (23)

де t₁ - час ходу судна до точки C₁, t_H - час занурення невода на задану глибину, V_P - швидкість об'єкта лову.

Параметр - випередження, що визначає відстань між неводом і об'єктом лову, необхідне для занурення стінки невода на глибину, під якою не зможе зануритися риба. Методика розрахунку часу t_H, викладена в роботі [3]. Таким чином, на екрані монітора формується заборонна зона за межі, якої судно не може заходити.

В результаті судноводій, вибираючи довільно точку початку замету на колі, накладає окружність на заборонну зону й, обертаючи її, може знаходити множину припустимих рішень вибору початкової точки замету.

Як видно з рис. 4, траєкторія руху судна в нашому випадку трохи відходить від кола. Це пояснюється тим, що на другому проміжку замету невода ми зменшили радіус циркуляції на 15%. Тим самим забезпечили запас на керуючі впливи на випадок помилок у керуванні на першому етапі. На завершальному етапі -- ділянці гальмування -- ми маємо пряму лінію, що є дотичною до кола в точці початку замету.

Розрахунок координат точок A і B траєкторії замету виконується на основі інверсного методу, що викладено в роботі [8].

Тренажер судноводія промислового судна кошількового лову, розроблений автором, дозволяє проводити підготовку учнів морських навчальних закладів, перепідготовку судноводіїв за напрямком: управління маневруванням судна при виконанні промислових операцій.

Результати виконаних досліджень дозволили побудувати систему управління маневруванням судна при заметі кошількового невода шляхом створення трьохрівневої інтегрованої системи управління й окреслити коло необхідних заходів для її реалізації.

Зміст цього розділу відображено в роботах автора [8, 9].



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вперше вирішено прикладну задачу судноводіння - створено теоретичні основи побудови системи управління маневруванням судна при заметі кошількового невода. Відмінність отриманих результатів від раніше відомих полягає в тому, що в них уперше запропоновано розглядати процес управління судном при заметі невода у взаємозв'язку з іншими елементами єдиної системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову", а також запропоновано метод оптимального управління рухом судна, яке виступає як управляючий орган системи.

У результаті досліджень:

§ отримано аналітичне рішення, яке дозволяє: а) оцінити час занурення елементарної ділянки невода на задану глибину в залежності від співвідношення діаметра нитки до кроку вічка полотна сіті, маси "відданої" ділянки та коефіцієнта гідродинамічного опору нижньої підбори кошількового невода; б) на підставі отриманого аналітичного рішення планувати оптимальну траєкторію руху судна;

§ встановлено кількісну залежність ефективності процесу управління маневруванням судна при заметі кошількового невода від співвідношення упору гвинта і сили опору невода, що змінюється під час його занурення, а також алгоритму управління кермом і гвинтом судна;

§ встановлено кількісну залежність характеру впливу зміни опору невода на траєкторію руху судна, що дозволяє отримати координати центра маси судна з урахуванням впливу троса "провідник";

§ встановлено кількісну залежність характеру зміни курсового кута об'єкта лову від дистанції до судна;

§ розроблено коректну імітаційну модель процесу видобутку, яка дозволила встановити, що при існуючій схемі замету невода за рахунок впливу "провідника" радіус циркуляції судна зменшується в середньому на 15%;

§ розроблено методику параметричної ідентифікації моделі судна з використанням маневру "Симетричний зиґзаґ", яка дозволяє одержати параметри моделі (8) за легко вимірюваною часовою характеристикою процесу - часом нульового відхилення курсу;

§ розроблено методику оптимального планування маневрових операцій судна при виконанні морської операції по замету кошількового невода з використанням інверсного методу;

§ розроблено тренажер оператора судна кошількового лову;

§ розроблено систему підтримки прийняття рішень оператором судна.

Практичні результати дисертаційної роботи впроваджено: система підтримки прийняття рішень на промислових суднах Азово-Чорноморського басейну (акт від 10.09.2008); тренажер судноводія судна кошількового лову в учбово-тренажерному центрі КДМТУ (акт від 29.08.2008); методика розрахунку параметрів руху елементів системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову" в навчальному процесі КДМТУ (акт від 18.06.2008).



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць за темою дісертації

1. Ивановский Н.В. Численное моделирование процесса погружения нижней подборы кошелькового невода // Рыбное хозяйство Украины, 2004. - №7. - С. 33-45.

2. Ивановский Н.В. Математическая модель процесса погружения кошелькового невода на глубинах меньших его высоты //Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий: Сб. науч. тр. /Керченский морской технологический институт. - Керчь, 2005, выпуск 6. - С. 166 - 174.

3. Ивановский Н.В. Погружение элемента нижней подборы кошелькового невода на заданную глубину // Рыбное хозяйство Украины, 2007. - №1/2. - С. 15-17.

4. Ивановский Н.В. Математическая модель системы "судно - кошельковый невод - объект лова" на этапе замета кошелькового невода //Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий: Сб. науч. тр. /Керченский морской технологический институт. - Керчь, 2007, выпуск 8. - С. 3 - 17.

5. Ивановский Н.В. Динамика системы "судно - кошельковый невод" на этапе замета кошелькового невода с применением проводника // Рыбное хозяйство Украины, специальный выпуск, 2007. - С. 11-18.

6. Ивановский Н.В. Идентификация модели промыслового судна кошелькового лова / Н.В. Ивановский, А.С. Мальцев // Рыбное хозяйство Украины, специальный выпуск, 2008. - С. 9-11 (здобувачем запропонована нова методика планування й обробки результатів випробувального маневру "симетричний зиґзаґ").

7. Мальцев А.С. Формализованная модель управления судном при замете кошелькового невода / А.С. Мальцев, Н.В. Ивановский // Судовождение: Сб. научн. трудов / ОНМА Вып.. 15 - Одесса: "ИздатИнформ", 2008. - С. 116-129 (здобувачем розроблено математичну модель)

8. Мальцев А.С. Аналитический метод построения траектории маневрирования инверсным методом / А.С. Мальцев, Н.В. Ивановский // Рыбное хозяйство Украины, 2008. - №5(58). - С. 53-56 (здобувачем знайдено аналітичне рішення задачі планування траєкторії інверсним методом).

9. Мальцев А.С. Компьютерный тренажер судоводителя промыслового судна кошелькового лова / А.С. Мальцев, Н.В. Ивановский // Морское образование, 2008. - №1/2. - С. 24-28 (здобувачем запропоновано варіант реалізації кібернетичної моделі системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову").



АНОТАЦІЯ

Івановський М.В. Оптимізація управління судном при заметі кошількового невода. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.13 - Навігація та управління рухом. - Одеська національна морська академія. - Одеса, 2010.

Дисертація присвячена оптимізації управління судном при заметі кошількового невода, а метою є підвищення продуктивності рибальського судна шляхом зниження числа невдалих заметів кошількового невода.

Для досягнення мети було вирішене головне завдання - розробка оптимального алгоритму управління судном при заметі кошількового невода. У результаті рішення приватних завдань розроблені: способи оптимального планування траєкторії руху судна при заметі кошількового невода; модифікований іспитовий маневр "симетричний зиґзаґ"; математична модель зміни кутової швидкості у функції кута повороту, з урахуванням впливу невода, що дає можливість обґрунтовано планувати траєкторію руху судна; математична модель руху системи "судно - кошільковий невід - об'єкт лову".

Створено перспективну систему управління маневруванням судна при заметі кошількового невода за рахунок: запасу управляючих впливів за швидкістю руху і куту перекладки при плануванні руху; вибору початкової точці замету невода з використанням попереднього імітаційного моделювання; планування процесу руху інверсним методом; забезпечення маневреними характеристиками при плануванні траєкторії для того стану, при якому відбувається маневрування, і перерахунку характеристик для поточних положень органів керування.

Практична значимість роботи пов'язана з розробкою тренажера судноводія судна кошількового лову, системи підтримки прийняття рішень, методики планування маневрових операцій при заметі невода. Результати можуть бути використані й впроваджені: на промислових судах кошількового лову, а також в учбово-тренажерних центрах.

Ключові слова: оптимізація, управління судном, кошільковий невід, замет, інверсний метод, планування траєкторії, цілеспрямованість вибору, алгоритми, система, підвищення ефективності.



АННОТАЦИя

Ивановский Н.В. Оптимизация управления судном при замете кошелькового невода. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.13 - Навигация и управление движением. - Одесская национальная морская академия. - Одесса, 2010.

Диссертация посвящена оптимизации управления судном при замете кошелькового невода, а целью является повышение производительности рыболовного судна путем снижения числа неудачных заметов кошелькового невода. Для достижения цели была решена главная задача разработка оптимального алгоритма управления судном при замете кошелькового невода. В результате решения частных задач разработаны: способы оптимального планирования траектории движения судна при замете кошелькового невода; модифицирован испытательный маневр "симметричный зигзаг"; математическая модель изменения угловой скорости в функции угла поворота, с учетом влияния невода, которая дает возможность обоснованно планировать траекторию движения судна; математическая модель движения системы "судно - кошельковый невод - объект лова".

В работе решена задача выработки стратегии поведения экипажа промыслового судна с момента получения информации о месте нахождения объекта лова. С этого момента весь процесс управления судном разбивается на следующие этапы: поиск, сближение с точкой начала замета, замет.

На каждом этапе получено решение по оптимальному управлению судном. Каждый из этапов имеет свой критерий оптимизации. Поисковая операция, в условиях неопределенности, должна гарантировать успех погони судна за объектом лова. На втором этапе решается похожая задача. Задачи управления судном на первом и втором этапе относятся к классу задач теории дифференциальных игр. Оптимальное планирование реальной траектории при замете невода, с учетом специфики объекта управления, осуществляется с использованием инверсного метода, что позволило обеспечить минимизацию вероятности ошибки попадания судном в начальную точку замета невода, при его возвращении, за счет введения запаса по управляющим воздействиям.

Создана перспективная система управления маневрированием судна при замете кошелькового невода за счет: запаса управляющих воздействий по скорости движения и углу перекладки руля при планировании движения; выбора начальной точки замета невода с использованием предварительного имитационного моделирования; планирования процесса движения инверсным методом; обеспечения маневренными характеристиками при планировании траектории для того состояния, при котором происходит маневрирование, и перерасчете характеристик для текущих положений органов управления. Научная значимость данного исследования заключается в совершенствовании методологии управления маневрированием промыслового судна кошелькового лова во взаимосвязи с орудием лова и объектом промысла.

Практическая значимость работы связана с разработкой тренажера судоводителя судна кошелькового лова, системы поддержки принятия решений, методики планирования маневровых операций при замете невода, а также математической модели движения системы "судно - кошельковый невод - объект лова".

Результаты могут быть использованы и внедрены: на промысловых судах кошелькового лова, а также в учебно-тренажерных центрах.

Ключевые слова: оптимизация, управление судном, кошельковый невод, замет, инверсный метод, планирование траектории, целенаправленность выбора, алгоритмы, система, повышение эффективности.



THE SUMMARY

Ivanovsky N.V. Optimization of ship control at setting of purse net. - Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of candidate of technical sciences on a specialty - 05.22.13 - Navigation and motion control. - Odessa National Maritime Academy, Odessa, 2010.

Dissertation is devoted to optimization of ship control at setting of purse net, and the increase of productivity of catcher boat by force of decrease in number unsuccessful setting of net.

For achievement of purpose was decided main task development of optimum algorithm of ship control at setting of net. As a result of decision of private tasks developed: ways of optimum planning of a trajectory of movement of ship a on the setting of net stage; a tester maneuver "symmetric zigzag" is modified; the mathematical model of change of angular speed in the function of corner of turn, taking into account influencing of purse seine, which enables grounded to plan the trajectory of motion of ship; the mathematical model of movement of system "ship - purse seine - object of catch".

The perspective control system by maneuvering of ship is created at setting of net for the account: supply of managing influences on speed motions and corner of course variation at planning of motion; choice of initial point of setting of net with the use of preliminary imitation design; planning of process of motion by an inversion method; providing by maneuvers descriptions at planning of trajectory for that state which maneuvering is at, and re-calculation of descriptions for current positions of control.

The scientific importance of the given research consists in perfection of methodology of control by maneuvering of catcher boat for purse catch in interrelation with the fishing gear and object of a catch.

The practical importance of work is connected to development of a simulator of the navigator of a ship for purse catch, systems of support of decision-making, a technique of planning of shunting operations at setting of purse nets, and also mathematical model of movement of system "ship - purse seine - object of catch". Results can be used and inculcated: on the commercial ships of purse catch, and also in educational-trainers centers.

Keywords: optimization, ship control, purse net, setting of net, inversion method, planning of trajectory, purposefulness of choice, algorithms, system, increase of efficiency.

Размещено на Allbest.ru