автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование процессов управления ресурсосбережением и безопасностью плавания транспортных судов

Введение.

Глава 1. Транспортные суда как сложные объекты управления.

1.1 Основные характеристики транспортного процесса.

1.2 Взаимодействие транспортных судов при движении.

1.3 Характеристика судна как объекта автоматизированного управления.

1.4 Судовые комплексы как человеко-машинные системы.

Глава 2. Алгоритмы оценки ресурсосбережения при динамическом управлении дизельной энергоустановкой

2.1 Основные цели разработки алгоритмов управления.

2.2 Управления дизельной энергетической установкой, обеспечивающие сближение с лидирующем судном.

2.3 Управление боковым смещением судна

2.4 Управление ДЭУ и рулевым устройством при расхождении судов.

2.5 Управление режимами работы ДЭУ при изменении внешней среды в функции времени.

2.6 Управление режимами работы ДЭУ при изменении параметров внешней среды в функции пути.

2.7 Управление режимами работы ДЭУ при нелинейном изменении параметров судового комплекса.

Глава 3. Обратные задачи в ресурсосбережении.

3.1 Определение минимального расхода топлива ДЭУ.

3.2 Управление процессом ресурсосбережения при движении по фарватеру с переменной глубиной.

3.3 Управление процессом ресурсосбережения при движении по судоходному каналу

3.4 Влияние условий эксплуатации ДЭУ на выполнение программы автоматизированного управления.

Глава 4. Основные принципы реализации алгоритмов управления режимами работы ДЭУ.

4.1 Автономность в информационных системах управления.

4.2 Классификационные признаки систем неавтономного управления.

4.3 Понятие избыточности неавтономных систем управления

4.4 Автономная система аварийной защиты быстроходного судового дизеля.

4.5Особенности адаптации системы автоматизации быстроходных дизелей.

В диссертации исследованы вопросы автоматизированного управления ресурсосбережением и безопасностью плавания.

Исследования преследовали следующие цели: совершенствование ресурсосберегающих технологий за счет совместного автоматизированного управления дизельной энергетической установкой и рулевым комплексом, что позволяет минимизировать разрушающее воздействие судна на фарватер и гидротехнические сооружения, осуществить заданное время движения на отдельных участках - фарватера, включая и судоходные каналы, обеспечить безопасность обгона, расхождения особенно на опасных участках водного пути, получить существенную экономию топлива дизельной энергетической установкой, повысить ее надежность, моторесурс и защитить от перегрузок.

Выполнение этих целей производится на основе системотехнического подхода, так как он позволяют с большей объективностью учесть влияние окружающей среды, взаимозависимость критериальных оценок, иерархию управляющих воздействий, наличие возможных резервов.

Управление движением судна осуществляется человеком-оператором путем воздействия на задающие органы систем управления энергетической установкой и рулевого устройства.

Всю рутинную работу по регулированию (стабилизация частоты вращения гребных винтов, курса судна и т. п. параметров) выполняют автоматические системы. Человек здесь выполняет роль звена принимающего решения, т.е. в данной человеко-машинной системе имеет место акт принятия решения. Это означает, что на основании поступающей информации человек выбирает маршруты движения, режимы работы энергоустановки, решает задачи обгона; расхождения, входа и выхода из шлюза, обеспечивает безопасность плавания в сложных метеоусловиях.

Подобные человеко-машинные системы называются большими [37]. Исследование данных систем наиболее эффективно осуществляется с помощью математических моделей. В связи с тем, что эксперименты над всей системой затруднены с позиций технологических и экономических факторов, исследования отдельных частей такой системы не позволяют дать целостной картины из-за не сводимости свойств этих частей к свойствам их совокупности [37].

Транспортное судно в процессе перевозки грузов взаимодействует с внешней средой. Оно рассматривается как подсистема другой более высокой или низкой по вертикальной иерархии системы, которая является внешней несобственной по отношению к собственной.

Отсюда под внешней средой далее будем понимать все материальные, информационные, энергетические устройства, объекты, процессы, с которыми осуществляется взаимодействие собственного транспортного судна.

Взаимодействия судна со средой могут быть случайными или детерминированными.

Случайные взаимодействия возникают при действии на судно ветра, волнения водной поверхности, глубины и ширины фарватера. Получение управлений здесь связано с вероятностными оценками.

Детерминированные взаимодействия могут быть предсказаны достаточно точно по времени и фазовым координатам. Они носят технологический характер, объективно необходимый, без которого немыслимо выполнение заданной цели движения судна. Примерами таких взаимодействий является шлюзование, движение по судоходному каналу, расхождение со встречными судами, обгон, движение в строю. Целью данных взаимодействий является вход и выход из шлюза за минимальное время, движение без простоев с максимальным обеспечением безопасности.

Взаимодействия технологического характера существуют в течение отрезка времени, который определяется выполнением данной операции или их совокупностью.

Рассматривая взаимодействия собственного судна со средой, следует придерживаться принципа относительности. В соответствии с ним выделенная для анализа подсистема может рассматриваться как самостоятельная и как часть другой системы, в которую она входит. Это важно при разработке методов исследования процесса движения судов и создания алгоритмов и программ управления данным движением. Такой принцип позволяет создавать теоретические модели автономного движения судна с учетом его взаимодействия с внешней средой на основе известных заранее конструкций информационных связей. Цели и задачи данных исследований состоят: в исследовании характеристик, лежащих в основе ресурсосберегающих режимов работы дизельных энергетических установок; в создании критериальных оценок автоматизированного управления режимами движения судов и дизельной энергетической установкой в различных условиях плавания; в выявлении экстремальных возможностей дизельной энергетической установки при автоматизированном управлении; в разработке методик оценки расхода топлива для меняющихся условий плавания; в исследовании динамических свойств многовальной энергетической установки, работающей в условиях быстроменяющейся нагрузки; в получении алгоритмов автоматизированного управления дизельной энергетической установкой судна (ДЭУ) с помощью собственных и стационарных (несобственных) систем при реальных ограничениях на выходные координаты и управляющие воздействия; в исследовании и разработке алгоритмов автоматизированного управления группой судов при обгоне, расхождении, проходе судоходных каналов и при движении в строю; в создании теоретических основ для синтеза технических средств и выбора аппаратного обеспечения систем автоматизированного управления, как отдельным судном, так и группой судов; в научном обосновании разработки и создания конкретных систем автоматизированного управления ДЭУ.

На защиту выносятся следующие научные положения: характеристики дизельной энергетической установки как объекта автоматизированного управления, лежащие в основе ресурсосберегающих режимов движения судов и безопасности плавания; критерии автоматизированного управления режимами работы ДЭУ судов в различных условиях плавания; способы формализации нагрузок, действующих на судно в процессе управляемого движения; динамические и статические свойства многовальной энергетической установки как объекта автоматизированного управления, работающей в условиях быстроменяющейся нагрузки; алгоритмы автоматизированного управления дизельной энергетической установкой с помощью собственных и стационарных (несобственных) систем при ограничениях на фазовые координаты и управляющие воздействия; алгоритмы автоматизированного управления группой судов, которые обеспечивают безопасность плавания в сложных условиях.

Методологией проводимых исследований является системный подход, позволивший наиболее эффективно выполнить анализ влияния на управляемое движение судна комплекса факторов, как внешнего, так и внутреннего характера. Получить качественные и количественные оценки их взаимодействия, целе-обусловленности, иерархии.

Исследования проводились на основе теории оптимального управления применительно к сложным системам, к которым относится транспортное судно и их совокупности.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе дается описание решаемой в работе задачи. Анализируются качественные характеристики водного транспорта и его роль в транспортном

Основные выводы:

1. Исследованы вопросы автономности в автоматизированных системах управления режимами работы ДЭУ и режимами движения судном. Показано, что уменьшение степени автономности приводит к более эффективному выполнению поставленных целей.

2. Разработаны классификационные признаки систем неавтономного управления на основе рассмотрения перечня задач, решаемых этими системами, и в частности предложено шесть вариантов классификаций;

3. Введено понятие информационной избыточности неавтономных систем, что позволяет обосновано решать проблемы проектирования информационных каналов по заданным критериальным оценкам;

4. Приведено описание систем автоматизации ресурсосберегающих режимов работы ДЭУ, разработанных при непосредственном участии автора и внедренных на транспортных судах Речфлота и Морфлота.

Датчик расхода ДРТ1-ЗВ

Пульт-индикатор ИР4-1

Система измерения массового расхода топлива СИРТ9-1 для легкого самолета М-101Т «Гжель»

Заключение

На основании проведенных в диссертации исследований:

1. получены характеристики, лежащие в основе ресурсосберегающих режимов работы дизельной энергетической установки и движения транспортного судна, что позволило объективно сформулировать постановку задачи исследований, выбрать пути ее решения и способы технической реализации систем управления;

2. выявлены экстремальные возможности судовых энергетических установок, как составной части судовых комплексов, с позиций экономии топлива, увеличения моторесурса, повышения надежности главных дизелей, обеспечения безопасности плавания, как объектов автоматизированного управления;

3. разработаны методы оценки энергетических затрат для изменяющихся условий плавания включая глубину и ширину фарватера, течение, ветровол-новые условия, изменение водоизмещения судна, износ системы дизель-вал-гребной винт;

4. исследованы динамические и статические свойства многовальной энергетической установки, работающей в условиях быстроменяющейся нагрузки, что позволило объективно сформулировать критерии качества управления, в основе которых лежат минимальный расход топлива, безопасность плавания, надежность ДЭУ, увеличение моторесурса дизелей;

5. получены параметрические и временные программы автоматизированного управления ДЭУ и судном с помощью автономных и неавтономных систем, при ограничениях на фазовые координаты и управляющие воздействия и с учетом изменения параметров внешней среды в больших пределах;

6. синтезированы алгоритмы автоматизированного управления группой судов, что позволило обосновано решить вопросы безопасности плавания, связанные с выбором минимального расстояния между транспортными судами движущимися в строю с учетом маневренных свойств и параметров внешней

168 среды, выбора безопасного расстояния между бортами судов при обгоне и расхождении на основе минимизации действия силы «присасывания»;

7. с помощью разработанных параметрических и временных программ управления созданы теоретические основы синтеза технических средств и выбора аппаратного обеспечения процессов автоматизации дизельной энергетической установкой и рулевым комплексом, как автономных, так и неавтономных систем;

8. разработаны и внедрены на транспортных судах информационно-измерительные и системы автоматизации ресурсосберегающих режимов работы ДЭУ и безопасности плавания;

9. результаты исследований внедрены в производственных и проектных организациях и в частности в НПФ «Меридиан», в ОАО «Звезда», НПО «Алмаз», ОАО «Канонерский судоремонтный завод».

1. Автоматизация судовых энергетических установок / Р. А. Нелепин, О. П. Демченко, В. И. Агеев, В. J1. Бондаренко; Под ред. Р. А. Нелепина. - Л.: Судостроение, 1975. - 534 с.

2. Атанс М., Фалб П. Оптимальное управление. М.: Машиностроение, 1968.-765 с.

3. Атлас единой глубоководной системы Европейской части РСФСР. Том 8, Волго-Донской водный путь, от Волгограда до Азовского моря. Минречфлот РСФСР. Управление Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина. ДСП. 1978.

4. Атлас единой глубоководной системы Европейской части РСФСР. Том 8, река Волга от Саратовского гидроузла до Астрахани. Минречфлот РСФСР. Главводпуть, Волжское бассейновое управление пути. ДСП. 1982.

5. Басин А. М. Ходкость и управляемость корабля. М.: Транспорт, 1967.-255 с.

6. Басин А. М., Анфимов В. Н. Гидродинамика судна. М.: Транспорт, 1961.-654 с.

7. Баскин А. С., Москвин Г. И. Береговые системы управления движением судов. М.: Транспорт, 1986. - 160 с.

8. Блехман И. И. Синхронизация динамических систем. М.: Наука,1971.-494 с.

9. Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. М.: Стройиздат,1972.-648 с.

10. Брук М. А., Рихтер А. А. Режимы работы судовых дизелей. Л.: Судпромгиз, 1963. - 320 с.

11. Ваганов Г. И. О соотношении габаритов судового хода и толкаемых составов. М.: Речной транспорт, 1962. - 22 с.

12. Васильев А. В., Белоглазов В. И. Управляемость винтового судна. -М.: Транспорт, 1966. 167 с.

13. Водоэнергетические расчеты методом Монте-Карло. Под ред. Резниковского А. М. М.: Энергия, 1969. - 303 с.

14. Воронов А. А. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. М.: Наука, 1979.-320 с.

15. Габасов Р. Ф., Кириллова Ф. М. Качественная теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1971. - 508 с.16.' Габасов Р. Ф., Кириллова Ф. М. Оптимизация линейных систем. -Минск: изд-во БГУ имени В. И. Ленина, 1973. 245 с.

16. Габасов Р. Ф., Кириллова Ф. М. Особые оптимальные управления -М.: Наука, 1973. -256 с.

17. Гиттис В. Ю., Бондаренко В. J1. Теоретические основы эксплуатации судовых дизелей. М.: Транспорт, 1965. - 376 с.

18. Гофман А. Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плавания. JL: Судостроение, 1971. - 255 с.

19. Гурман В. И. Вырожденные задачи оптимального управления. М.: Наука, 1977.-309 с.

20. Д. Дрю. Теория транспортных потоков и управление ими. М.: Транспорт, 1972. - 424 с.

21. Дружинин В. В., Конторов Д. С. Проблемы системологии. М.: Советское радио, 1976. - 296 с.

22. Жевнин А. А., Глушко Ю. В. Синтез алгоритма управления нелинейными, нестационарными объектами на основе обратной задачи динамики. Доклады АН СССР, 1981. т. 256, № 5, с. 1057 1061.

23. Звонков В. В. Судовые тяговые расчеты. М.: Речной транспорт, 1956.-320 с.

24. Земляновский Д. К. Расчет элементов маневрирования для предупреждения столкновения судов // Тр. ин-та / Новосибирский институт инженеров водного транспорта. 1960. - 46 с.

25. Земляновский Д. К. Теоретические основы безопасности плавания судов. М.: Транспорт, 1973. - 223 с.

26. Зигель А., Вольф Дж. Модели группового поведения в системе человек-машина. М.: Мир, 1973 - 262 с.

27. Иносэ X., Хамара Т. Управление дорожным движением. М.: Транспорт, 1983. - 248 с.

28. Климов Е. Н., Попов С. А., Сахаров В. В. Идентификация и диагностика судовых технических систем. Д.: Судостроение, 1978. - 176 с.

29. Козлов И. Т. Пропускная способность транспортных систем. М.: Транспорт, 1986. - 240 с.

30. Коренев Г. В. Цель и приспособляемость движения. М.: Наука, 1974.-528 с.

31. Красовский Н. Н. Теория управления движением. М.: Наука, 1968. -476 с.

32. Крутько П. Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. Линейные модели. М.: Наука, 1987. - 268 с.

33. Кулибанов Ю. М. Динамические модели в обратных задачах управления движением флота / Сб. научных трудов "Управление в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1995. с. 90-97.

34. Кулибанов Ю. М. Исследование и построение математической модели системы автоматического управления курсовыми углами речного судна при возмущенном движении // 25 научно-техническая конференция ЛИВТ: Сб.' докл.-Л., 1971.-с. 256-265.

35. Кулибанов Ю. М. Оптимизация эксплуатационных режимов работы дизельных энергетических установок судов внутреннего плавания /

36. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -Л. 1990. с.

37. Кулибанов Ю. М. Основы системотехники. Учебное пособие. Л.: ЛИВТ, 1988.-46 с.

38. Кулибанов Ю. М. Судно как объект многосвязного регулирования при оптимальном управлении главными двигателями // Тр. ин-та: Экономика и организация перевозок / ЛИВТ. 1966. часть I. - с. 78 - 88.

39. Кулибанов Ю. М., Кулибанов М. Ю. Групповое поведение в системах человек-машина / Сб. научных трудов "190 лет транспортного образования" СПб.: СПГУВК, 1999. с.184-188.

40. Кулибанов Ю. М., Кулибанов М. Ю. Особые управления в задачах оптимизации расхода энергии при движении транспортных судов / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1998. с. 131-136.

41. Кулибанов Ю. М., Кулибанов М. Ю. Особые управления в человеко-машинных системах оптимизации расхода топлива / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" выпуск II, СПб.: СПГУВК, 1998. с. 78-83.

42. Кулибанов Ю. М., Кулибанов М. Ю., Амами Хатем. Экосистема как объект автоматизированного управления / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1998. с. 137141.

43. Маршрутное описание Водных путей Донского Бассейна. Минречфлот РСФСР. Управление Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина. ДСП. 1975.

44. Маслов Ю. В., Фурмаков Е. Ф., Гусев В. С. Аварийная защита быстроходного судового двигателя. «Авиационно-космическая техника и технология». Сборник научных трудов. Вып. 23, Харьков, 2001 г., с. 158-162.

45. Маслов Ю. В., Фурмаков Е. Ф., Гусев В. С. Некоторые особенности адаптации системы автоматизации быстроходных дизелей. «Авиационно-космическая техника и технология». Сборник научных трудов. Вып. 26, Харьков, 2001 г., с. 252-255.

46. Маслов Ю. В., Фурмаков Е. Ф., Гусев В. С. Система автоматизации аварийной защиты быстроходных судовых двигателей. «Прикладная математика в инженерных и экономических расчетах». Сборник научных трудов. СПб, 2001 г., с. 67-73.

47. Мейстер Д. Эргономические основы разработки сложных систем. -М.: Мир, 1979.-456 с.

48. Месарович М., Махо Д., Тахахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973. - 344 с.

49. Михайлов А. В. Внутренние водные пути. М.: Стройиздат, 1973.328 с.

50. Моисеев Н. Н. Численные методы в теории оптимальных систем. -М.: Наука, 1971.-424 с.

51. Морозов В. П., Дымарский Я. С. Элементы теории управления ГАП.- JL: Машиностроение, 1984. 333 с.

52. Небеснов В. И. Вопросы совместной работы двигателей, винтов и корпуса судна. Л.: Судостроение, 1965. - 247 с.

53. Небеснов В. И. Динамика содовых комплексов. J1.: Судостроение, 1967.-294 с.57. ' Небеснов В. И. Оптимальные режимы работы судовых комплексов. -М.: Транспорт, 1974. 200 с.

54. Николаев В. И., Брук В. М. Системотехника: методы и приложения.- Л.: Машиностроение, 1985. 200 с.

55. Олыиамовский С. Б., Земляновский Д. К., Щепетов И. А. Организация безопасности плавания судов. М.: Транспорт, 1972. - 215 с.

56. Павленко В. Г. Элементы теории судовождения на внутренних водных путях. Часть 1, 2. М.: Транспорт, 1962. - 300 с.

57. Пашков Н. Н., Долгачев Ф. М. Гидравлика. Основы гидрологии. -М.: Энергия, 1977.-407 с.

58. Петров Ю. П. Оптимальное управление движением транспортных средств. Л.: Энергия, 1969. - 96 с.

59. Петров Ю. П. Оптимальные регуляторы судовых силовых установок (теоретические основы). Л.: Судостроение, 1974. - 117 с.

60. Петров Ю. П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.

61. Понтрягин Л. С., Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Л. В., Мищенко Е.' Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969. - 384 с.

62. Пушкин В. Г. Кибернетические принципы самоорганизации. Л.: ЛГПИ, 1974.-350 с.

63. Растригин JI. А., Пономарев Ю. П. Экстраполяционные методы проектирования и управления. М.: Машиностроение, 1986. - 116 с.

64. Рыжов Л. М. Управляемость толкаемых составов. М.: Транспорт, 1969.-128 с.

65. Рыжов Л. М., Соларев Н. Ф. Маневренность речных судов. М.: Транспорт, 1967. - 144 с.

66. Соларев Н. Ф. Безопасность маневрирования речных судов и составов.-М.: Транспорт, 1980.-215 с.

67. Соларев Н. Ф., Сорокин Н. А. Инерционные характеристики и безопасность расхождения судов и составов. М.: Транспорт, 1972. - 136 с.

68. Стечкин С. Б., Субботин Ю. Н. Сплайны в вычислительной математике. -М.: Наука, 1976. 248 с.

69. Тарасов М. А., Ляхов К. С. Организация движения флота. М.: Транспорт, 1985.-288 с.

70. Фурмаков Е. Ф., Коломнин В. В., Петров О. Ф., Степанян Н. М., Маслов Ю. В. Заявление о выдаче патента РФ на изобретение. «Способ определения запаса топлива на борту маневренного самолета» 13.08.2001 г.

71. Фурмаков Е. Ф., Коломнин В. В., Петров О. Ф., Степанян Н. М., Маслов Ю. В. Решение о выдаче свидетельства на полезную модель (заявка №2001118785/20(020208) 09.07.2001 г. «Топливоизмерительная система»

72. Хатем А., Кулибанов М. Ю. Окружающая среда как объект автоматизированного управления / Сб. научных трудов "Информационная поддержка систем контроля и управления на транспорте" СПб.: СПГУВК, 1998. с. 60-67.

73. Цибулевский И. Е. Человек как звено следящей системы. М.: Наука, 1981.-288 с.