Математические модели, вычислительные схемы анализа и компьютерное моделирование движения судна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Сотников, Игорь Игоревич

• Сотников, Игорь Игоревич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сотников, Игорь Игоревич

Введение

Глава 1. Обзор и анализ существующих подходов к математическому моделированию движения судна

1.1. Общий вид математической модели управляемой системы

1.2. Специфика задачи моделирования движения судна

1.3. Общая структура системы уравнений движения судна

1.4. Зависимости для гидродинамических сил на корпусе судна. Линейные и нелинейные модели

1.5. Другие силы и моменты в существующих математических моделях движения судна

1.6. Выявленные недостатки существующих моделей

Глава 2. Построение обобщенной математической модели движения судна

2.1. Принципы построения обобщенной модели

2.2. Система уравнений обобщенной математической модели движения судна

2.3. Учет задержек срабатывания средств управления в обобщенной модели

2.4. Входные и выходные данные модели. Начальные условия при решении прямой задачи моделирования

2.5. Моделирование авторулевого

Глава 3. Вычислительные эксперименты и анализ их результатов

3.1. Выбор численного метода

3.2. Стандартные маневры и их выходные характеристики

3.3. Методика анализа результатов вычислительных и натурных экспериментов

3.4. Отклонения выходных данных неоткалиброванной модели от экспериментальных данных

3.5. Калибровка модели и ее результаты

3.6. Коридор допустимых значений выходных характеристик, обусловленный погрешностями экспериментов

3.7. Контрольные вычислительные эксперименты и их результаты

Глава 4. Разработка программного комплекса Ship Simulator 1.02 для компьютерного моделирования движения судна

4.1. Общая характеристика программного комплекса

4.2. Выбор среды разработки

4.3. Структурная схема программного комплекса

4.4. Программная реализация

4.5. Состав действующего программного продукта

4.6. Пользовательский интерфейс программы

4.7. Управление режимами работы программы

4.8. Редактирование моделей судов и карт

4.9. Модуль регистрации и переопределения параметров 164 Заключение 168 Литература 171 Приложение 1. Система обозначений для параметров движения судна 176 Приложение 2. Акт о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математические модели, вычислительные схемы анализа и компьютерное моделирование движения судна»

Математическое и компьютерное моделирование управляемых объектов, функционирующих при наличии возмущающих воздействий внешней среды, в частности, моделирование движения морского или речного судна, представляет собой весьма актуальную научно-практическую задачу.

Решение достаточно большого количества задач, связанных с безопасностью судовождения, требует проведения сложных экспериментов, выполнение которых в натурных условиях порой невозможно или экономически нецелесообразно. В настоящее время ряд таких задач может эффективно решаться с помощью математического моделирования движения судна в компьютерном варианте с возможностью задания или воспроизведения в модели реалистичной картины внешних условий плавания. Актуальность таких задач за последние десятилетия существенно повышается в связи с возрастанием интенсивности мореплавания, а также повышением объемов перевозок опасных грузов, в частности, на танкерном флоте. Моделирование движения судна в таких задачах, связанных с исследованиями на предмет безопасности маневрирования, имеет некоторую специфику и предъявляет дополнительные требования к используемым математическим моделям. Как правило, рассматривается движение судна или какой-либо маневр в стесненной акватории или вблизи других судов, причем зачастую это происходит при комбинированном воздействии нескольких внешних факторов, в частности, ветра, течения, волнения, мелководья. Часто в таких задачах приходится моделировать движение судна с большими углами дрейфа и со сравнительно малой линейной скоростью в условиях, когда возмущения скорости судна, вызванные внешними факторами, становятся соизмеримы с собственной скоростью судна, вызванной работой главных движителей, или превышают эту скорость и когда маневры осуществляются на пределах технических возможностей средств управления судном.

В этих условиях чисто интуитивные подходы к принятию решений судоводителями, а также подходы, основанные на использовании графиков и таблиц из формуляра стандартных маневренных характеристик судна, предварительно составленных для стандартных условий плавания, не всегда приводят к ожидаемому результату, а время, отведенное на принятие решений, во многих случаях жестко ограничено. В этой связи перспективным решением представляется использование бортовой компьютерной системы типа «ассистент капитана», которая будет осуществлять моделирование движения судна в ускоренном масштабе времени, чтобы воспроизвести и спрогнозировать тот или иной маневр до начала его выполнения на реальном судне. Для решения этих задач неэффективны простейшие линейные или частично линеаризованные модели движения судна, разработанные различными авторами в 50-ые - 70-ые годы и описанные в большинстве литературных источников по данной тематике. Как правило, такие математические модели изначально разрабатывались для решения принципиально иных - более простых задач, связанных с движением судов в открытом море, как правило, на больших ходах, с вопросами исследования ходкости и устойчивости на курсе, удержания судна на заданном курсе при неблагоприятных внешних условиях плавания, оптимизации расхода топлива при движении судна между заданными пунктами и т. п. и были оптимизированы под слабые возможности вычислительной техники того периода в ущерб качеству моделирования более сложных маневров, что не удовлетворяет современным требованиям. В этой связи предлагаемая в диссертационной работе обобщенная математическая модель движения судна с возможностью моделирования сколь угодно сложных маневров с любыми углами дрейфа, а также с возможностью калибровок под тот или иной конкретный тип судна имеет несомненный практический смысл.

В настоящей работе были проанализированы существующие подходы к математическому моделированию движения судна, построена обобщенная модель на основе заимствований некоторых эмпирических формул из работ различных авторов, внесения поправок на моделирование некоторых режимов движения судна, а также калибровочных параметров, подбор значений которых позволяет минимизировать отклонения между выходными данными модели и натурного эксперимента по интересующему типу судна. В качестве основного метода исследования применялись вычислительные эксперименты, а достоверность моделирования подтверждается сравнением их результатов с результатами натурных экспериментов по двум типам судов. Также автором работы предложены критерии и методика анализа той или иной математической модели движения судна на эффективность.

Кроме того, в рамках данной диссертационной работы была разработана пилотная версия программного продукта для математического моделирования движения судна с использованием как предлагаемой обобщенной математической модели, так и иных моделей, который потенциально может быть использован для следующих целей:

- для прогнозирования возможности совершения того или иного маневра в заданных внешних условиях, что в перспективе может быть использовано в бортовой системе типа «ассистент капитана»;

- для разбора судоводительских причин аварий на морском и речном транспорте;

- для выполнения исследований при проектировании нового типа судна в проектно-конструкторских организациях с целью выяснения поведения проектируемого типа судна в той или иной ситуации при выполнении того или иного стандартного маневра и исследования возможности изменения мореходных качеств судна путем изменения технических параметров средств управления или геометрической формы корпуса судна.

С практической точки зрения не менее актуальной задачей является разработка сравнительно недорогих навигационных тренажеров для учебных заведений морского профиля. В связи с этим стоит отметить возможность использования разработанного программного продукта, функционирующего на стандартных

ЮМ РС-совместимых компьютерах, также в режиме навигационного тренажера с поддержкой необходимой минимальной базовой функциональности и с возможностью переключения между несколькими различными моделируемыми типами судов.

Диссертационная работа состоит из 4 глав. В диссертации используется сквозная нумерация для формул, таблиц и рисунков и двухуровневая нумерация для глав и пунктов внутри каждой главы.

Автор работы выражает глубокую признательность заведующему кафедрой судовождения МГТУ к. т. н. Юдину Юрию Ивановичу за содействие в постановке задач, в ознакомлении с проблематикой, в получении экспериментальных данных и за ценные указания в процессе выполнения настоящей работы.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Сотников, Игорь Игоревич

Выводы:

1) таким образом, разработанный программный комплекс позволяет моделировать необходимый минимум функциональных возможностей, связанных с управлением судном, и может использоваться, во-первых, в учебных целях в режиме навигационного тренажера, во-вторых, для проведения исследований, связанных с маневренными качествами судна, с воспроизведением в модели той или иной ситуации из судоводительской практики, в-третьих, для тестирования самих математических моделей на адекватность;

2) существенной особенностью программного комплекса Ship Simulator 1.02 является возможность простой модификации моделируемых объектов. В частности, могут быть изменены характеристики судна, акватории и внешних условий плавания. В этом плане разработанный программный комплекс выгодно отличается от существующих навигационных тренажеров, и это позволяет о нем говорить как о практически значимой разработке.

168

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе были решены следующие задачи:

1) проанализированы существующие подходы к математическому моделированию движению судна, выявлены их недостатки, указаны пути совершенствования математических моделей. При этом основное снимание уделялось критическому анализу моделей на предмет их качественной адекватности при различных сложных маневрах с большими углами дрейфа и/или малыми линейными скоростями;

2) предложена обобщенная математическая модель движения судна, построенная на основе полуэмпирических зависимостей для разных сил и моментов, заимствованных из нескольких существующих математических моделей, и некоторых дополнительных поправок и способная описывать движение судна при маневрах с любыми углами дрейфа и с любыми линейными скоростями в различных внешних условиях с учетом ветра, течения, волнения, мелководья с возможностью калибровки под конкретный тип судна. Обобщенная модель способна обеспечивать качественную адекватность моделирования в том числе и при таких условиях, когда возмущения скорости судна, вызванные различными факторами, становятся соизмеримы или превышают собственную скорость судна, вызванную работой его движителей, что подтверждается целым рядом вычислительных экспериментов. Эти свойства обобщенной модели делают ее актуальной в том числе и для исследований, связанных с обеспечением безопасности мореплавания в таких условиях, когда многие маневры совершаются на пределах технических возможностей средств управления судном;

3) разработана пилотная версия программного продукта для математического моделирования плоскопараллельного движения судна с использованием различных математических моделей, которая может использоваться в учебных целях, а также для проведения исследований поведения того или иного судна в определенных ситуациях, встречающихся в судоводительской практике, и для тестирования самих математических моделей. Программный продукт разработан в среде визуального программирования Borland Delphi 5.0 с использованием некоторых дополнительных свободно распространяемых компонентов. Разработанный программный продукт обладает удобным пользовательским интерфейсом с использованием современных средств трехмерной компьютерной графики;

4) проведены вычислительные эксперименты с использованием существующих математических моделей и разработанной автором обобщенной модели. По итогам сравнения их результатов с результатами ранее проведенных натурных экспериментов по двум различным классам судов, а также со стандартами на маневренные качества судов доказана более высокая эффективность обобщенной модели по большинству практически значимых критериев по сравнению с существующими математическими моделями, ранее предложенными различными авторами;

5) предложена методика анализа погрешностей и расхождений между выходными данными натурных экспериментов и выходными данными моделирования.

На дальнейшую перспективу по теме настоящей работы намечены совершенствование функциональных возможностей программного продукта, дальнейшее повышение эффективности математической модели путем ее калибровок при наличии новых, более всесторонних результатов натурных экспериментов, а также постановка и решение некоторых обратных задач к прямой задаче моделирования. В частности, одной из целей дальнейшего исследования является численное решение задачи о построении рационального маршрута движения судна из одной точки в другую и последовательности необходимых для его реализации управляющих воздействий - и программная реализация решения этой задачи при любых заданных условиях. Такая задача рассматривается с учетом требуемых координат, углов курса и дрейфа, линейной и угловой скорости, которые должны быть достигнуты в конечной точке. Постановка задачи распространяется и на случай с множественными целями, которые считаются равноценными, а также с движущимися целями и с изменяющимися во времени препятствиями, ограничениями и внешними факторами, влияющими на движение судна. Постановка этой задачи и предполагаемый подход к ее решению описаны автором в работах [29], [30]. В настоящее время необходимый инструментарий для таких обратных задач уже имеется, поскольку составлена обобщенная математическая модель движения судна, обладающая практически приемлемой точностью во всех возможных режимах ее функционирования, и разработан программный продукт, в котором достаточно эффективно реализовано численное решение прямой задачи моделирования.

Результаты настоящей диссертационной работы, в частности, разработанная пилотная версия программного комплекса Ship Simulator 1.02, к настоящему времени внедрены в учебном процессе на кафедре судовождения МГТУ. Акт внедрения прилагается (см. Приложение 2).

171

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сотников, Игорь Игоревич, 2007 год

1. Васильев, А. В. Гидромеханика судов внутреннего плавания : учеб. пособие : в 2 ч. / А. В. Васильев, В. Н. Савинов, П. Н. Ершов ; Нижегород. гос. техн. ун-т. - 2-е изд., перераб. и доп. - Н. Новгород : НГТУ. - 1997. -2 ч.

2. Васильев, А. В. Управляемость винтового судна / А. В. Васильев, В. И. Белоглазов. М.: Транспорт, 1966. - 167 с. + черт.

3. Васильев, А. В. Управляемость судов : учеб. пособие / А. В. Васильев. -Л.: Судостроение, 1989. 328 с.: ил.

4. Войткунский, Я. И. Справочник по теории корабля. Судовые движители и управляемость / Я. И. Войткунский, Р. Я. Першиц, И. А. Титов. -Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: Судостроение, 1973. - 512 с.

5. Вьюгов, В. В. Приближенный метод расчета присоединенных масс речных судов / В. В. Вьюгов, В. Г. Павленко // Вопросы гидродинамики речных судов и составов : труды / НИИВТ. Н. Новгород, 1989. - С. 4-7.

6. Вьюгов, В. В. Экспериментальное определение присоединенных масс пассажирских и грузовых судов / В. В. Вьюгов, Б. В. Палагушкин // Совершенствование гидромеханических качеств судов и составов : труды / НИИВТ. Н. Новгород, 1995. - С. 87-98.

7. Вьюгов, В. В. Присоединенные массы транспортных судов при криволинейном движении / В. В. Вьюгов, Б. В. Палагушкин //Проблемы комплексного развития регионов Казахстана : тез. докл. науч. конф. / КазгосИНТИ. Алматы, 1996. - С. 211-216.

8. Вьюгов, В. В. Об адекватности математической модели движения судна В. В. Вьюгов, Б. В. Палагушкин // Проблемы комплексного развития регионов Казахстана : тез. док. науч. конф. / КазгосИНТИ. Алматы, 1996. - С. 217-222.

9. Гофман, А. Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна : справочник / А. Д. Гофман. Л.: Судостроение, 1988. - 360 с.

10. Зубов, В. И. Лекции по теории управления / В. И. Зубов. М.: Наука, 1975.-496 с.

11. Короткое, С. Н. Двумерная теория движения судна на мелководье : труды / С. Н. Короткое ; Новосиб. гос. акад. вод. трансп. Новосибирск : Изд-воНГАВТ, 1995.- 112 с,: ил.

12. Лукомский, Ю. А. Навигация и управление движением судов : учебник / Ю. А. Лукомский, В. Г. Пещехонов, Д. А. Скороходов. СПб. : Элмор, 2002. - 360 с.

13. Мартюк, Г. И. Учет ветра в математической модели судна с целью оценки его влияния на маневренные характеристики / Г. И. Мартюк, Ю. И. Юдин, А. Ю. Юдин // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. -Мурманск, 2004. Т. 7, № 3. - С. 375-380.

14. Мартюк, Г. И. Учет волнения в математической модели судна с целью оценки его влияния на маневренные характеристики / Г. И. Мартюк, Ю. И. Юдин, А. Ю. Юдин // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. -Мурманск, 2004. Т. 7, № 3. - С. 381-389.

15. Мартюк, Г. И. Учет мелководья в математической модели судна с целью оценки его влияния на маневренные характеристики / Г. И. Мартюк, Ю. И. Юдин, А. Ю. Юдин // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2004. Т. 7, № 3. - С. 390-397.

16. Мастушкин, Ю. М. Управляемость промысловых судов / Ю. М. Мастушкин. Л.: Лег. и пищ. пром-сть, 1981. - 232 с.

17. Острецов, Г. Э. Испытания системы автоматического управления движением судна по заданной траектории / Г. Э. Острецов, Э. В. Дюжев, A. JL Клячко // Судостроение. 2000. - № 4. - С. 37-39.

18. Острецов, Г. Э. Метод прогнозирования фазового состояния судна специального назначения / Г. Э. Острецов // Судостроение. 2001. - № 6. - С. 43^4.

19. Острецов, Г. Э. Методика определения коэффициентов математической модели движения судна / Г. Э. Острецов // Сборник трудов XXVII Всесоюз. конф. по управлению движением / ИПУ РАН. М., 2000. - С. 3.

20. Павленко, В. Г. Маневренные качества речных судов : учеб. пособие для вузов водного транспорта / В. Г. Павленко. М.: Транспорт, 1979. - 183 с.

21. Палагушкин, Б. В. Приближенный теоретический метод определения присоединенных масс транспортных судов : труды / Б. В. Палагушкин ; Новосиб. гос. акад. вод. трансп. Новосибирск : НГАВТ, 1996. - 61 с.: ил.

22. Перщиц, Р. Я. Управляемость и управление судном / Р. Я. Першиц. Л.: Судостроение, 1983. - 272 с.

23. Соболев, Г. В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения : учебник для вузов / Г. В. Соболев. Л.: Судостроение, 1976. - С. 3-179.

24. Справочник по теории корабля : в 3 т. / под ред. Я. И. Войткунского. -Л.: Судостроение, 1985. 3 т.

25. Теория и устройство судов : учебник / Ф. М. Кацман, Д. В. Дорогостайский, А. В. Коннов, Б. П. Коваленко. Л. : Судостроение, 1991. -416 с.: ил.

26. Тумашик, А. П. Расчет гидродинамических характеристик судна при маневрировании / А. П. Тумашик // Судостроение. 1978. - №5. - С. 13-15.

27. Федяевский, К. К. Управляемость корабля / К. К. Федяевский, Г. В. Соболев. Л.: Судпромгиз, 1963. - 376 с.

28. Юдин, Ю. И. Математические модели плоскопараллельного движения судна : Классификация и критический анализ / Ю. И. Юдин, И. И. Сотников // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2006. - Т. 9, №. 2. - С. 200-208.