автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическое и алгоритмическое обеспечение систем автоматизированного управления судами в стесненных условиях плавания

Введение.

Глава 1. Основные характеристики транспортного потока.

1.1. Макроскопические модели движения.

1.1.1. Макроскопические параметры транспортного потока.

1.1.2. Зависимость между скоростью, плотностью и интенсивностью движения.

1.1.3. Зависимость между скоростью, плотностью и интенсивностью движения.

1.2. Микроскопические модели.

1.2.1 Линейная теория следования за лидером.

1.2.2. Нелинейная теория следования за лидером.

1.2.3. Статические свойства транспортного потока.

Актуальность темы исследований непосредственно связана с увеличением эффективность работы водного транспорта, которая зависит от многих факторов. Под ней понимается эффективность работы транспортных узлов, гидротехнических сооружений, пароходств и судоходных компаний, эффективность взаимодействия с другими видами транспорта. Однако основным фактором является работа судов как транспортных единиц. Эффективность транспортных судов определяется безопасностью движения, точностью выполнения расписания, количеством израсходованного топлива, затратами труда на управление судном. Причем работа того или иного теплохода на оптимальных значениях эксплуатационных характеристик зависит не только от степени автоматизации судовой силовой установки и рулевого комплекса, от профессионализма экипажа, но и от внешних условий. Под внешними условиями будем понимать, например, метеорологическую обстановку, характеристики фарватера, плотность движения.

С ростом численности флота увеличивается плотность движения на водных трассах. В этой обстановке вопросы оптимального, использования судовых комплексов связаны с организацией движения, с управлением режимами работы судовых силовых установок, с решением задач расхождения на узких и извилистых фарватерах, с осуществлением управления при проходе гидротехнических сооружений. Перечисленные задачи не могут быть эффективно решены только собственными системами управления.

Имеются достаточно удачные попытки организации движения некоторым рациональным образом на водном транспорте. К ним относится применение береговых радиолокационных станций для проводки судов по узким фарватерам (в портах г. г. С. Петербурга, Находки, Ильичевска,

Мурманска). С помощью этих радиолокационных станций осуществляется автоматизированное управление движением, которое включает следующие основные операции: измерение координат каждого отдельного судна, контроль за его скоростью, предупреждение о встречных судах, выдача информации о наличии препятствий и рекомендаций о их преодолении.

• Эти примеры показывают, что современной тенденцией развития управления подвижными объектами является использование несобственных систем управления. То есть систем, которые управляют сразу некоторой группой объектов. Управляющаяся и информационная часть таких систем является общей для данной совокупности объектов.

Несобственные системы обладают значительно большей разрешающей способностью, относительно меньшей стоимостью по сравнению с собственной системой объекта, предназначенной для подобных же целей.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в разработке комплекса математических моделей, как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях для исследования процесса движения судов в стесненных условиях плавания и на основе полученных результатов в создании алгоритмов автоматизированного управления для неавтономных систем.

Для выполнения этой цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Проанализировать основные параметры движения транспортных судов в стесненных условиях плавания.

2. Разработать макроскопические и микроскопические модели движения транспортных потоков судов.

3. Исследовать явления, происходящие в. транспортных потоках при движении и в частности ударные волны, их последствия и причины возникновения.

4. Разработать алгоритмы оптимального распределения транспортных потоков на основе моделей распределения и целевых функций.

5. Исследовать способы получения информации о параметрах движения судов, получить оценки и тесты для интенсивности движения.

6. Синтезировать алгоритмы управления на основе полученных математических моделей для автоматизированного управления судами на трассах большой и малой протяженности в стесненных условиях.

Методы исследования. При решении данных задач использовались методы математического моделирования, основанные на теории больших систем, математическом аппарате принятия решений, теории вероятностей и случайных процессов. Основной теоретической базой для создания алгоритмов управления судами в стесненных условиях плавания использованы положения гидромеханики и гидродинамики судна и методы оптимизации: линейное и нелинейное программирование, принцип максимума.

Научная новизна. Основными научными положениями являются:

- характеристики явлений и параметров движения транспортных судов в стесненных условиях плавания,

- макроскопические и микроскопические математические модели движения потоков транспортных судов как объектов управления,

- алгоритмы оптимального распределения транспортных потоков на основе моделей распределения и целевых функций,

- методики получения информации о параметрах движения судов, оценки и тесты характеристик интенсивности движения,

- алгоритмы для автоматизации управления потоками судов в условиях стесненного движения.

Результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Явления и их параметры, которыми определяется движение потоков транспортных судов в стесненных условиях плавания.

2. Макроскопические и микроскопические математические модели движения потоков транспортных судов, позволяющие исследовать ударные волны в транспортном потоке, получить статистические свойства объектов управления.

3. Алгоритмы оптимального распределения транспортных потоков на основе моделей распределения и целевых функций, с помощью которых выполняется минимизация времени перемещения судна при заданной интенсивности движения.

4. Основы получения информации о параметрах движения судов, оценки и тесты характеристик интенсивности движения, которые позволяют более объективно решать задачи управления в стесненных условиях плавания.

5. Алгоритмы для автоматизации управления потоками судов в условиях стесненного движения, обеспечивающие безопасность и предназначенные для использования в автономных системах.

Практическая значимость исследований. Анализ параметров движения судов в стесненных условиях плавания позволил получить характеристики такого явления как ударные волны при следовании за лидером и тем самым обосновать время движения при разных интенсивностях транспортного потока и обеспечить безопасность, а также разработать алгоритмы управления судовой энергетической установкой и рулевым комплексом.

Реализация и внедрение результатов. Основные результаты работы использовались при анализе транспортных потоков судов и создании систем автоматизированного управления для условий стесненного движения в НПФ «Меридиан», ОАО «Техприбор», Волго-Балтийском и ВолгоДонском водных путях России. 7

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на одной международной научной конференции по наукоемким технологиям (г. Москва), всероссийской конференции (г. Санкт - Петербург), на отраслевых семинарах в СПГУВК, ОАО «Техприбор» и НПФ «Меридиан» (г. Санкт - Петербург), на секции по наукоемким технологиям Дома ученых им. М. Горького (г. Санкт -Петербург).

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты опубликованы в 9 статьях и 2 тезисах докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка использованной литературы, работа содержит 140 страниц печатного текста, 30 рисунков.

Основные результаты работы внедрены в НПФ «Меридиан», в ВолгоДонском Государственном бассейновом управлении водных путей и судоходства.

Заключение

На основании проведенных исследований, изложенных в диссертации, получены следующие результаты:

1. Выполнен анализ основных параметры движения транспортных судов в стесненных условиях плавания.

2. Разработаны макроскопические и микроскопические модели движения транспортных потоков судов.

3. Исследованы явления, происходящие в транспортных потоках при движении и в частности ударные волны и их последствия и причины возникновения.

4. Разработаны алгоритмы оптимального распределения транспортных потоков на основе моделей распределения и целевых функций, с помощью которых выполняется минимизация времени перемещения судна при заданной интенсивности движения.

5. Исследованы и предложены способы получения информации о параметрах движения судов, получены оценки и тесты для интенсивности движения при разной насыщенности транспортного потока.

6. Синтезированы алгоритмы управления для использования в неавтономных системах при автоматизированном управлении режимами продольного и бокового движения на трассах большой и малой протяженности в стесненных условиях плавания.

1. Автоматизация судовых энергетических установок / Р. А. Нелепин, О. П. Демченко, В. И. Агеев, В. Л. Бондаренко; Под ред. Р. А. Нелепина. - Л.: Судостроение, 1975. - 534 с.-2. Атанс М., Фалб П. Оптимальное управление. М.: Машиностроение, 1968.-765 с.

2. 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.

3. 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.

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

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

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

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

8. Богомолов А. П., Михайлов К. А. Гидравлика. М.: Стройиздат,1972.-648 с.

9. Брук М. А., Рихтер А. А. Режимы работы судовых дизелей. Л.: Судпромгиз, 1963. - 320 с.1.. Ваганов Г. И. О соотношении габаритов судового хода и толкаемых составов. М.: Речной транспорт, 1962. - 22 с.

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

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

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

13. Габасов Р. Ф., Кириллова Ф. М. Качественная теория оптимальных процессов. -М: Наука, 1971. 508 с.

14. Габасов Р. Ф., Кириллова Ф. М. Оптимизация линейных систем. -Минск: изд-во БГУ имени В. И. Ленина, 1973. 245 с.

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

16. Габриэлян А. С. Задачи экстраполяции движения. / Сб. научных трудов "Прикладная математика в инженерных и экономических расчетах", СПб.: СПГУВК, 2001. с.26-30.

17. Габриэлян А. С. Математическая модель управления шлюзованием. / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" Выпуск VI, СПб.: СПГУВК, 2002. с.34-35.

18. Габриэлян А. С. Управление дизельной энергетической установкой, обеспечивающие сближение с лидирующем судном. / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" Выпуск VI, СПб.: СПГУВК, 2002. с.30-33.

19. Габриэлян А. С., Быков А. А. Управление движением судна в межшлюзовых бьефах. / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" Выпуск VI, СПб.: СПГУВК, 2002. с.35-42.

20. Габриэлян А. С., Завьялов Н. М. Основы формирования и использования информационных ресурсов в автоматизированных системах. / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" Выпуск VI, СПб.: СПГУВК, 2002. с.42-46.

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

22. Гофман А. Д. Теория и расчет поворотливости^ судов внутреннего плавания. Л.: Судостроение, 1971. - 255 с.

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

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

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

26. 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

38. 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.

39. Кулибанов Ю. М. Оптимизация эксплуатационных режимов работы дизельных энергетических установок судов внутреннего плавания / Диссертация на соискание ученой степени доктора Технических наук. -Л. 1990. с.

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

41. 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.

42. 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.

43. 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.

44. 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.

45. 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.137-141.

46. Маршрутное описание Водных путей Донского Бассейна. Минреч-флот РСФСР. Управление Волго-Донского судоходного канала им. В. И. Ленина. ДСП. 1975.

47. Маслов Ю. В. Ресурсосбережение в системах управления режимами работы дизельной энергетической установкой. «Прикладная математика в инженерных расчетах на транспорте». Сборник научных трудов. СПб., 2001 г., с. 26-28.

48. Маслов Ю. В. Управление дизельной энергетической установкой и рулевым устройством при расхождении судов. «Прикладная математика в инженерных расчетах на транспорте». Сборник научных трудов. СПб., 2001 г., с. 19-25.

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

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

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

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

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

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

55. Небеснов В. И. Динамика содовых комплексов. Л.: Судостроение, 1967.-294 с.

56. Небеснов В. И. Оптимальные режимы работы судовых комплексов, -М.: Транспорт, 1974. 200 с.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

73. 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.

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

75. 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.

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

77. Шалютин С. М. Искусственный интеллект. М.: Мысль, 1985. - 200с.

78. Шанчуров П. Н., Соларев Н. Ф., Щепетов И. А. Управление судами и составами. М.: Транспорт, 1971. - 352 с.

79. Шеридан Т. В., Феррел У. Р. Системы человек-машина. М.: Машиностроение, 1980. - 400 с.

80. Юфа A. JI. Автоматизация процессов управления маневрирующими надводными объектами. JL: Судостроение, 1987. — 288 с.

81. Chandler R. Е. et al. Traffic dynamics. Studies in car following. Opns. res., 1958, vol. 6, pp. 165-185.

82. Herman R., Montroll E. W., Potts R. Traffic dynamics. Analysis of stability in car following. Opns. res., 1959, pp. 86 - 106.• 88. Pao С. P. Линейные статистические методы и их применение. М.: Наука, 1968.