автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.17, диссертация на тему:Обоснование и оптимизация проектных характеристик рыболовных тралов

и !) 9 %

калининградский технический институт

рыбной промышленности и хозяйства

На правах рукописи УДК 63Э.2.081.117.21.001.63(043.3;

РОЗЕНШТЕИН Михаил Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЫБОЛОВНЫХ ТРАЛОВ

Специальность: 05.18.17.- Промышленное рыболовство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Калининград - 1991

/

Работа выполнена в Калининградском техническом институте рыбной промышленности и хозяйства

Официальные оппоненты:

1 .Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Севастьянов Н.Б. Калининградский технический институт рыбной промышленности и хозяйства.

2. Доктор технических наук, профессор Г.Штенгель. Ростокский университет (Германия).

3. Доктор технических наук, профессор Приц А.К. Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, г. Калининград.

на заседании специализированного ученого совета Д.117.05.01. при Калининградском техническом институте рыбной промышленности и хозяйства (236000, Калининград, ул. проф. Баранова, 43, КТИРПХ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КТИРПХ.

Заверенные отзывы в двух экземплярах просим направлять в адрес КТИРПХ.

Ведущее предприятие: Калининградское управление тралового флота.

Автореферат разослан Защита диссертации состоится

,20 „ марта 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н.

В.М.Минько

Общая характеристика работы

Основная научная

Совершенствование отечественного промышленного рыболовства, увеличение

направленность.

производительности труда рыбаков неразрывно связаны с дальнейшим развитием методов проектирования орудий лова, повышением научного уровня и качества проектных разработок.

Среди применяемых в современном отечественном промышленном рыболовстве орудий лова тралы являются основными орудиями, т.к. траловый лов дает около 70% всей рыбы, добываемой советским промысловым флотом. Несмотря на ухудшение сырьевой базы и изменение правового режима в Мировом океане, определяющая роль тралового лова сохранится и в будущем. Поэтому дальнейшее развитие добывающей отрасли рыбной промышленности неразрывно связано с совершенствованием и развитием тралового лова рыбы.

Проектирование траловых орудий представляет собой комплексную проблему, включающую в себя решение большого числа разнообразных по характеру задач. Главные задачи проектирования связаны с обоснованием основных характеристик разрабатываемого орудия: его формы, габаритных размеров, размеров раскрытия устья, скорости траления, возможной силы сопротивления при движении в воде. Необходимость первоочередного обоснования именно этих характеристик объясняется тем, что, как следует из результатов многочисленных теоретических и экспериментальных исследований, они оказывают решающее влияние на эффективность работы траловых орудий. Специфические особенности орудий лова как инженерных сооружений требуют выполнения указанных обоснований в двух аспектах. Во-первых, они должны осуществляться, исходя из требований, предъявляемых к орудию объектом промысла.Во-вторых, в

процессе проектирования необходимо решать технические задачи, связанные с учетом требований, предъявляемых к орудию характеристиками рыбопромысловой системы и входящих в нее элементов. Из-за противоречивости требований, предъявляемых к основным характеристикам создаваемого тралового орудия, возникает необходимость параллельной проработки многих вариантов проекта, их анализа и выбора на этой основе оптимального для данных условий варианта. Несмотря на значительное развитие методов проектирования орудий лова, большая часть задач обоснования проектных характеристик тралов не решена, а оптимизационные задачи не ставились еще совершенно.

В связи со сказанным настоящая диссертационная работа посвящена исследованиям, направленным на создание теории и методов обоснования и оптимизации указанных выше основных характеристик траловых орудий.

Актуальность Актуальность выполненных исследований

исследования. определяется необходимостью дальнейшего

развития методов проектирования траловых орудий с целью повышения научно-технического уровня и качества проектных работ.

Исследуемая проблема имеет важное народохозяйственное значение, т.к. ее решение и внедрение результатов в пестику проектирования способствуют увеличению эффективности отечественного океанического рыболовства и темпов его развития.

Цель и задачи Цель диссертации состоит в создании

исследования. теории обоснования и оптимизации проектных характеристик тралов в рамках общей проблемы проектирования этих орудий лова, в разработке на ее основе инженерных методов и

алгоритмов, позволяющих осуществлять системное автоматизированное проектирование тралов.

В число основных задач исследования входит:

- обоснование и анализ структуры и содержания процесса проектирования траловых орудий лова;

- анализ современного состояния методов проектирования тралов и определение основных направлений их развития;

- анализ существующих математических моделей процесса работы траловых орудий лова рыбы, их совершенствование и развитие;

- разработка теории обоснования и оптимизации проектных характеристик тралов с учетом требований, предъявляемых к ним как особенностями поведения и распределения объектов лова, так и характеристиками элементов рыбопромысловой системы;

- разработка методов и алгоритмов решения проектных задач, связанных с обоснованием основных технических характеристик тралового орудия на основе учета особенностей поведения и распределения объекта лова;

разработка методов и алгоритмов решения задач проектирования глубоководных траловых орудий;

- постановка задач анализа вариантов проекта трала;

- обоснование методов и алгоритмов поиска оптимального варианта проекта тралового орудия.

Общая методика Диссертационная работа обобщает

исследования. многолетние теоретические и

экспериментальные исследования автора в области проектирования траловых орудий лова.

В первую очередь были обоснованы структура и содержание процесса проектирования тралов, определено содержание

составляющих его задач, установлены основные направления развития методов проектирования траловых орудий, связанных с решением задач обоснования и оптимизации проектных характеристик.

Затем выполнен анализ всех известных математических моделей процесса лова рыбы тралом, выявлены их достоинства и недостатки, разработана схематизация этого процесса. На этой основе создана усовершенствованная детерминированная модель, которая использована в дальнейших исследованиях по выработке теоретического подхода к решению задач обоснования и оптимизации проектных характеристик трала.

Далее путем проведения теоретических и экспериментальных исследований последовательно поставлены и решены задачи обоснования характеристик и оптимизационные задачи анализа вариантов проекта тралового орудия. Для постановки последней группы задач использован теоретико-множественный подход.

В заключении проведены статистические исследования траловых уловов, позволившие установить адекватность принятой для решения указанных задач математической модели. На основе численных экспериментов выполнена оценка эффективности разработанных методов оптимизации и устойчивость оптимального проектного решения.

Научная Научная новизна работы состоит в постро-

новизна. ении теории обоснования и оптимизации

проектных характеристик тралов, позволяющей учесть как особенности поведения и распределения объекта лова, так и технические характеристики элементов рыбопромысловой системы тралового лова.

В число основных научных разработок, обладающих новизной.

входят математические модели, постановки задач, целевые функции и ограничения, алгоритмы, составляющие существо решения задач обоснования характеристик проектируемого орудия на основе учета данных о поведении облавливаемых скоплений, задач проектирования глубоководного трала, задач оптимизации проектных решений.

Практическая Практическая ценность диссертации

ценность. состоит в разработке инженерных методов и

алгоритмов выполнения проектных процедур обоснования и оптимизации характеристик тралов. Разработанные методы позволяют проектировщикам предъявлять и реализовывать обоснованные требования к геометрическим, кинематическим и динамическим характеристикам создаваемых ими траловых орудий, а также - к тягово-скоростным параметрам траловых лебедок и промыслового судна. Указанные методы и алгоритмы ориентированы на автоматизацию проектных работ, на выполнение параллельной проработки большого числа вариантов проекта и выбор оптимального варианта в широком диапазоне изменения основных характеристик орудия.

Реализация Результаты исследований нашли применение

работы. в практике проектно-конструкторских и

научно-исследовательских работ проектных, исследовательских организаций и ВУЗов Министерства рыбного хозяйства СССР.

Материалы диссертации послужили научно-методической базой для создания в головной проектной организации по промышленному рыболовству в системе Министерства рыбного хозяйства СССР - НПО по технике промышленного рыболовства - первой очереди САПР техники промышленного рыболовства, которая была принята в

промышленную эксплуатацию 29 декабря 1990 г. Кроме того, материалы диссертации пошли в "Методические указания по расчету основных элементов трала" для проектных организаций отрасли, разработанные при участии автора, которые разосланы в проектные, конструкторские и научно-исследовательские организации Министерства рыбного хозяйства СССР. Упомянутые организации дали положительные отзывы на это методическое пособие, оно утверждено и введено в действие Министерством рыбного хозяйства СССР.

Материалы диссертации широко используются при подготовке и повышении квалификации специалистов по промышленному рыболовству в ВУЗах Министерства рыбного хозяйства СССР. Они вошли в учебную программу курса "Теория и проектирование орудий промышленного рыболовства", в учебник А.Л.Фридмана по упомянутому курсу (М.:"Пищевая промышленность, 1969 г. и 1981 г.), в учебное пособие по этой дисциплине "Сборник задач и упражнений по теории и проектированию орудий промышленного рыболовства (М.:Агропромиздат, 1987 г.), в методические указания по курсовому проектированию - "Проектирование орудий лова" (Калининград, 1989 г.), в методические указания по изучению раздела "Оптимизация проектных характеристик орудий промышленного рыболовства" указанного выше курса (Калининград, 1990 г.). Материалы диссертации использованы для создания в КТИРПХ учебной САПР техники промышленного рыболовства. Они составили основу учебной программы новой дисциплины "Теория и методы обоснования и выбора оптимальных проектных решений при создании орудий промышленного рыболовства" для слушателей курсов повышения квалификации инженеров-проектировщиков и конструкторов всех категорий по созданию орудий промышленного рыболовства.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на 5-ой и

7-ой Международных научно-технических конференциях по развитию флота -рыбной промышленности и промышленного рыболовства социалистических стран (Ленинград, 1978,1989 г.г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Современное состояние и пути развития отечественного рыболовства в Мировом океане" (Москва, 1972 г.), на консультативных совещаниях специалистов СССР и ГДР по теме "Совершенствование методов проектирования орудий лова и режимов их эксплуатации" (Калининград, 1972-1978 г.г., Росток. ГДР, 1973-1977 г.г.), на объединенной отчетной сессии ВНИРО по морским рыбохозяйственным исследованиям (Москва, 1975 г.), на бассейновых конференциях по определению основных направлений развития орудий и методов промышленного рыболовства (Калининград, 1976 г., 1977 г.), на международном симпозиуме по судовой технике (ГДР, Университет г.Ростока, 1987 г.), на научно-технических конференциях КТИРПХ и межвузовских МиНрыбхоза СССР (Калининград, 1966-1990 г.г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 2-х

монографиях ("Проектирование и испытание тралов", в соавторстве с А.Л.Фридманом и В.Н.Лукашовым; "Расчет элементов глубоководной траловой системы"), в учебном пособии для курсантов и студентов, обучающихся по специальности "Промышленное рыболовство" ("Сборник задач и упражнений по теории и проектированию орудий промышленного рыболовства", в соавторстве с А.Л.Фридманом) и в 32-х других печатных работах.

Объем Диссертация состоит из введения, семи

работы. глав и заключения. Она изложена на . ."Г

страницах, содержит 38 рисунков и . таблиц, библиография - 260 наименований, из них 225 - на русском языке. В приложения включены исходные данные для оценки эффективности решения задач анализа вариантов проекта глубоководного тралового орудия лова рыбы; статистические данные уловов разноглубинными тралами; акты, подтверждающие использование материалов диссертации в проектной практике и для подготовки специалистов.

Краткое содержание работы

Во введении реферируемой диссертации обоснована актуальность выполненных исследований, кратко изложено их содержание, дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена анализу и обоснованию структуры и содержания процесса проектирования траловых орудий лова. В этих целях даны содержательные описания (структурные модели) трала как элемента рыбопромысловой системы (РПС) и как системы, которые позволили установить место и вертикальную соподчиненность орудия в рамках системы, его функциональные связи с внешней средой, с другими подсистемами и блоками РПС. В этой связи на проектные характеристики трала, как элемента РПС, должен быть наложен комплекс ограничений и требований, диктуемых как внешними связями с характеристиками поведения и распределения объекта лова, района промысла, так и внутренними связями с подсистемами, блоками и элехюнтами, образующими ГОС.

С учетом составленных структурных моделей РПС и трала выполнен анализ технологического процесса проектирования траловых

орудий лова рыбы. Этот процесс сформирован в виде научно и логически обусловленной последовательности проектных процедур и операций.

В • соответствии со сложившейся практикой проектирования орудий промышленного рыболовства процесс их создания включает в себя две стадии: стадию научно-исследовательских работ (НИР) и стадию опытно-конструкторских работ (ОКР).

Стадия НИР разбита на 4 проектных процедуры: определение и формализация цели проектирования трала, обоснование конструкции, обоснование проектных характеристик тралов, оптимизация проектных характеристик. В свою очередь, каждая из указанных проектных процедур состоит из ряда последовательно выполняемых или альтернативных проектных операций.

Задача стадии ОКР заключается в детальной проработке всех элементов трала. Поэтому состав входящих в нее проектных процедур определяется, в первую очередь, структурной моделью трала. В этой связи стадия ОКР разбита на 9 проектных процедур: расчет конструкции канатно-сетной части трала, расчет оснастки подбор, расчет распорных устройств, расчет кабельной оснастки, расчет ваеров, расчет формы и нагрузок канатно-сетной части трала, расчет режимных показателей, расчет экономических показателей, подготовка технической документации.

Изложенная технология выполнения процесса проектирования трала ориентирована на многовариантное, автоматизированное (с применением ЭВМ) проектирование трала. Необходимость в многовариантном проектировании вытекает из самого существа системного подхода, требующего учета всех тех требований и ограничений, которые налагаются на проектные характеристики трала многочисленными внешними и внутренними связями орудия с объектом

лова и элементами РПС. Реализация же многовариантного проектирования практически возможна лишь при наличии автоматизированных проектных процедур и операций.

Во второй главе рассмотрено современное состояние методов проектирования траловых орудий лова и основные направления их развития.

В этих целях в последовательности, диктуемой структурной схемой выполнения процесса проектирования тралов, выполнен обзор отечественной и зарубежной литературы, связанной с вопросами проектирования этих орудий лова. Анализ показывает, что из числа рассмотренных задач проектирования траловых орудий лова наиболее глубоко разработаны решения задач, составляющих стадию ОКР, в то время как задачи стадии НИР разработаны не достаточно. Мевду тем, именно проектные процедуры стадии НИР оказывают решащее влияние на качество проектных разработок, степень достижения поставленной цели проектирования орудия лова и величину доставляемого им в эксплуатации полезного эффекта.

В этой связи из составленной последовательности проектных процедур выделены две основные: обоснование и оптимизация проектных характеристик трала. Процедура обоснования проектных характеристик трала состоит в определении таких сочетаний их численных значений, которые отвечают всем предъявляемым к орудию лова данными конкретными условиями требованиям. До недавнего времени задачи обоснования проектных характеристик решались, главным образом, эмпирическим методом проб и последовательных приближений.

Существо метода проб и последовательных приближений, изложенного в работах П.А.Старовойтова, H.Stengel, H.I.Fischer. В.М.Наумова, заключается в разработке теоретического и

раскроечного чертежей сетной -части трала на основе соображений о его желаемом раскрытии, форме в воде и т.д. По полученным данным разрабатывается техническая документация нового орудия и осуществляется постройка опытного образца. Последний проходит испытания в море, по результатам которых выбранные значения характеристик элементов корректируются, а техническая документация соответствующим образом перерабатывается. Путем последовательных приближений проект дорабатывается до такого состояния, когда эмпирическим путем удается обеспечить решение поставленных задач проектирования (подобрать необходимые размеры сетной части трала, размеры и форму отдельных пластин, размеры деталей каркаса). Однако эффективность этого метода не высока, т.к. осуществление последовательных приближений требует весьма больших затрат времени и материальных средств.

Метод проектирования орудий лова по прототипу, разработанный

А.Л.Фридманом, открыл принципиально новые возможности в решении

задач обоснования проектных характеристик трала. В■соответствии с

этим методом прототип и проектируемое орудие рассматриваются как

конструкции, подобные в своих основных чертах. В связи с этим

соотношения между их характеристиками должны представлять собой

масштабы линейных размеров, скоростей, действующих сил и прочих

физических величин, которые связаны между собой зависимостями,

вытекающими из условия выполнения соответствующих данному случаю

определяющих критериев подобия. При проектировании тралов

основным уравнением связи масштабов подобия является индикатор

Ньютона, который совместно с соображениями о соответствии

с

сопротивления трала располагаемой тяге траулера и об обейечении необходимой прочности сетного полотна позволяет получить следующие системы выражений для определения масштабов:

- для донного (сетного) трала

5/2 3

с, .сп.с. .с .

к р 1 V

с .с

п их

С...С .с

СТ а

- для разноглубинного (канатно-сетного) трала

2 3 4

С, *СЛ»С >С. .С ■ С

С к р п 1 V их В = - - »

К с„.с .с

О а иу

к-Рр^> - СН-«Н'

(2)

где С^ - масштаб сил;

К

V

масштаб сопротивления, .сетей;

гидродинамических

коэффициенто?

Ср- масштаб плотности воды; Сх~ масштаб линейных размеров; С - масштаб скорости траления; С - масштаб коэффициентов запаса прочности сетей; С - масштаб шага ячеи сетей;

а

С0- масштаб допускаемых напряжений в сетном полотне; Сих,Сиу~ ыасштабы коэффициентов посадки сетей;

располагаемая тяга траулера;

V

сила сопротивления при движении в воде трала-прототипа;

к- коэффициент использования располагаемой тяги

траулера;

V - скорость траления. Здесь и далее индексом "н" обозначены характеристики

С

и

трала-прототипа, индексом "и" - характеристики проектируемого орудия. В системах (I) и (2) масштабы Ск и Ср обычно в первом приближении принимают равными единице; масштабы Сп,Со,Сих,0иу, величины к, а также зависимость Рр(?) предполагают известными из технического задания на проектирование. Масштаб Са может быть рассчитан по соответствующей методике. Таким образом, два выражения в системах (1) и (2) содержат три неизвестных масштаба Ср,С1>С7. Для их определения автор предлагает два метода. Первый предполагает задание значения возможной скорости буксировки проектируемого трала V на основе промыслового опыта или результатов соответствующих экспериментальных исследований. Второй - представляет собой метод вариаций, в соответствии с которым рассчитываются несколько вариантов сочетаний значений масштабов (^.С ,СН. Из их числа необходимо выбрать лучший вариант, что требует решения задачи анализа.

Рассмотренные методы обоснования проектных характеристик трала не позволяют решить главную задачу: обосновать проектные характеристики на основе тех требований, которые предъявляются к орудию особенностями поведения и распределения объекта лова. Теоретической основой для решения таких задач является теория уловистости орудий промышленного рыболовства. Некоторые результаты работ этого направления, изложенные в трудах Ф.И.Баранова, Н.Н.Андреева, С.Б.Гюльбадамова, В.А.Ионаса, Ю.С.Сергеева. В.Н.Лукашова, Ю.В.Кадильникова, В.Н.Мельникова, проанализированы в диссертации.

Выполненный в диссертации анализ позволил определить основные направления развития методов проектирования траловых орудий лова. Они связаны с разработкой теории и методов решения проектных задач, существо которых состоит в определении

технических характеристик орудия на основе требований, предъявляемых к нему поведенческими характеристиками объекта лова и характеристиками других подсистем и блоков РПС (в том числе -промысловых механизмов), а также задач анализа альтернативных вариантов сочетания значений характеристик проектируемого тралового орудия, полученных в процессе их обоснования.

Третья глава посвящена анализу и совершенствованию математических моделей процесса лова рыбы тралом. В этих целях осуществлена классификация всех разработанных к настоящему времени моделей. Последние разделены на общие и частные модели. В свою очередь как общие, так и частные модели делятся на детерминированные и вероятностные. Все указанные виды моделей проанализированы в диссертации.

Показано, что выполнение процедур обоснования и оптимизации проектных характеристик трала требуют использования лишь общих математических моделей. Выполненный анализ свидетельствует, что применять вероятностные модели в указанных целях не правомерно из-за отсутствия сведений о законах распределения случайных параметров поведения объекта лова. По этой причине для установления связей между искомыми проектными характеристиками трала и параметрами поведения и распределения объекта лова выбрана детерминированная модель, разработанная автором диссертации. Эта модель получена в результате дальнейшего развития детерминированных моделей В.А.Ионаса и В.Н.Лукашова. Однако в отличие от последних она базируется на наиболее полной схематизации процесса лова рыбы тралом, построенной на базе всех известных в настоящее время сведений о поведении объектов лова в зоне действия орудия.

Процесс лова рыбы донкым тралом характеризуется

коэффициентом уловистости <р (абсолютной уловистостью, по Ф.И.Баранову) и состоит из трех операций: управления поведением рыб, захвата облавливаемого косяка сетной частью трала, удержания захваченных рыб в сетном мешке. Каждая из этих операций также характеризуется коэффициентами соответственно управления поведением рыб а, захвата рыбы (3 и удержания рыбы б. В реферируемой работе показано, что коэффициент уловистости ср донного трала может быть представлен в виде[П,29]

Ф = а . (3 . 8 (3)

Процесс лова рыбы разноглубинным тралом отличается от рассмотренного выше отсутствием операции управления поведением рыб. Поэтому он рассматривается как частный случай процесса работы донного трала, когда а = 1.

Для определения зависимости коэффициента а от характеристик трала и поведения рыб в зоне облова использовалась экспериментально подтвержденная гипотеза В.Н.Честного о механизме управляющего воздействия турбулентных шлейфов от движущихся по грунту траловых досок на объект лова. В результате получено следующее выражение:

а = -с

1, если 0 < v ^

1 +

V

sine

V

(2--£

v

1 +

sine

(4)

sine

если v >

sine

где т - скорость ухода рыбы от надвигающегося турбулентного шлейфа, создаваемого траловой доской;

9 - угол между внутренней кромкой турбулентного шлейфа и направлением движения трала (угол атаки кабеля);

v

1

к

1к- длина кабеля;

Ь - горизонтальное раскрытие устья трала.

Связь между коэффициентом (3 и характеристиками орудия и

объекта лова определена в виде выражения:

АР-у

1--если V > V ;

= Ч У (5)

ЛТ?

1 —, если V ^ V , - *>

где ¥у - площадь устья канатно-сетной части трала;

ЛР - часть площади устья, в границах которой рыбы уходят от трала со скоростью ур.

Наименее изученной является операция удержания захваченных рыб в сетной части трала. Имеющиеся данные подводных наблюдений за процессом ухода рыб из трала не позволяют еще осуществить его схематизацию таким образом, чтобы на ее основе определить форму связи коэффициента б с характеристиками орудия и объекта лова. Шесте с тем, установленно (В.К.Коротков, А.С.Кузьмина), что наибольшее влияние на интенсивность выхода рыб из трала из числа технических факторов оказывает скорость траления. Существуют некоторые "критические" значения скорости траления , при которых энергетического запаса для выхода из трала у рыб не хватает. Таким образом, если обеспечивается буксировка трала на скоростях V > УКр , то можно полагать, что бз1. В настоящее время для многих промысловых видов рыб имеются сведения о значениях скорости траления, обеспечивающих удержание рыб в трале.

На основании выражений (3) - (5) найдена зависимость коэффициента уловистости <р от технических характеристик трала. Из ее анализа вытекает, что для каждого объекта и донного трала существует оптимальная скорость траления, обеспечивающая

максимальное значение коэффициента уловистости Фтах- Однако -е количественной оценке коэффициентов ф, а, (3, а также поиску значений оптимальной скорости траления, соответствующей величине '■> Фтах. препятствуют трудности, вызванные отсутствием данных о скоростях ур ухода рыб в процессе лова от канатно-сетной части трала и деталей оснастки. Тем не менее, выполненное описание процесса лова рыбы тралом использовано для обоснования технических характеристик проектируемого трала и анализа вариантов проекта.

Четвертая глава посвящена разработке теории и методов обоснования и расчета основных характеристик трала на основе учета особенностей поведения и распределения объекта лова.

Из-за разнообразия требований, предъявляемых к проектируемому орудию различными объектами промысла, особенностей их поведения и распределения в водном пространстве, методы обоснования проектных характеристик трала, отвечающих указанным требованиям, не могут быть универсальными. Поэтому все многообразие возникающих на практике вариантов проектирования сведено к нескольким типовым случаям, каждый из которых определяется соответствующим стереотипом поведения определенной группы объектов лова. В диссертации исследуется три таких типовых случая проектирования.

Первый из них связан с проектированием донного трала, характеристики которого определяются по найденному значению оптимальной скорости траления. Как указывалось выше, для аналитического решения такой задачи отсутствуют необходимые предпосылки. Поэтому наиболее достоверным представляется такой метод определения оптимальной скорости, в основе которого лежит эксперимент в условиях промысла. Методика эксперимента

разработана в диссертации и апробирована решением задачи определения оптимальной скорости траления при облове мерланга в Северном море 32/22,5-метровым тралом с судов типа СРТ. Обоснованный выбор скорости буксировки проектируемого трала позволяет найти масштаб скорости а затем на основании системы (1) масштабы Сн и С2 Г 1-3,23,27],

Второй типовой случай предполагает расчет характеристик проектируемого трала по результатам обоснования его линейных размеров. В диссертации разработан теоретический подход и метод решения задачи определения размеров раскрытия устья проектируемого трала по заданной вероятности совмещения площади устья и площади поперечного сечения косяка в процессе его облова Ш. При этом принято, что плотность распределения случайных отклонений (х, у) продольной оси косяка от центра площади устья канатно-сетной части трала соответствует нормальному закону (правомерность такого допущения была экспериментально подтверждена опытами В.К.Саврасова), а форма устья представляет собой прямоугольник длиной Ь (горизонтальное раскрытие устья) и высотой Н (вертикальное раскрытие). Существо исследований состояло в оценке вероятности попадания продольной оси косяка в некоторую назначенную область В? также, имеющую форму прямоугольника, через центр которого проходят оси координат, и составляющую часть от площади устья трала. Размеры прямоугольника В (Ь и Ь) однозначно связаны с размерами устья.

На основе решения этой задачи получена следующая зависимость вероятности обеспечения указанного выше взаимного расположения облавливаемого косяка и орудия от относительных линейных размеров устья последнего:

Ь Ь

РГ(ХД)сВ] = -)•$(-), (6)

2-Е 2-Е

х 7

где Ф - приведенная функция Лапласа;

• Ех.Еу- вероятные отклонения продольной оси косяка от центра площади устья трала соответственно по горизонтали и вертикали.

Для неавтоматизированного решения задачи обоснования линейных размеров проектируемого орудия выражение (6) представлено в виде кривых равного уровня вероятности Р для двух переменных отношений Ь/2-Ех и Ь/2•Е^. Задавшись значением вероятности Р, можно выбрать одно из соответствующих ему сочетаний величин отношений Ь/2-Ех и Ь/2-Еу. Выбор указанного сочетания не может быть произвольным, т.к. проектирование осуществляется по прототипу, характеризуемому определенным соотношением горизонтального и вертикального раскрытий его устья. Для обоснования линейных размеров проектируемого трала построена •рабочая диаграмма, в которой кривые равного уравня вероятности Р совмещены с пучком прямых равного уровня отношения Ь-Еу/Ь-Ех. Точки их пересечения являются расчетными; по величине ординат и абсцисс этих точек находятся линейные размеры устья проектирумого трала, соответствующие принятому уровню вероятности РГ23].

При автоматизированном решении задачи искомый масштаб линейных размеров трала находится из уравнения:

К.тН -С ь к ;Н-С

аЬ5[ ^ Д-.—Н^/о аЬз [ У Н З/О

2 Ц. х г 2 у

2

тс

«н

ехр(- -)с!г

22

г2

ехр(--)с1г- Р[ (Х,У)еВ)=0

2

СП

где К - вертикальное развитие облавливаемого косяка;

Нн,Ьн- вертикальное и горизонтальное раскрытие устья трала-прототипа;

г -независимая переменная подинтегральной функции.

Обоснованный выбор линейного размера канатно-сетной части трала позволяет определить- линейный масштаб подобия С1 и, следовательно, однозначно решить систему (1) или (2).

Третий типовой случай предполагает расчет характеристик, исходя из условия обеспечения равенства коэффициентов уловистости проектируемого разноглубинного трала и его прототипа. Имея ввиду, что значение искомой скорости траления соответствует ограничению V., > V и V., > у„_. , из указанного условия с учетом выражения (5)

М Р' м ]>и •

определена связь между масштабами подобия скорости траления и линейных размеров канатно-сетной части проектируемого трала, при надачии которой имеет место равенство коэффициентов уловистости проектируемого орудия и его прототипа, в виде [1о]

С .(х+1 )-2-т)

С = —|-, (8)

' С^ • [ (у+1 )-2 >т) 1

где % ~ безразмерный коэффициент, характеризующий форму устья сетной части трала, определяемый по данным трала-прототипа;

1} - безразмерный коэффициент, характеризующий дальность реакции рыб на детали трала.

Зависимость (8) является дополнительным уравнением связи масштабов подобия, которая при совместном решении с системой (2) позволяет найти значение масштабов С., С и В диссертации изложен применяемый в этих целях графо-аналитический метод.

Пятая глава диссертации посвящена разработке теории и

методов расчета основных характеристик глубоководного тралового орудия. Постановка этой задачи предусматривает поиск такого сочетания значений характеристик трала, при котором обеспечивается заданный горизонт его движения. Особый подход к определению возможных характеристик глубоководного трала вызван тем, что лебедки существующих траулеров обладают относительно малой ваероемкостью.

В реферируемой работе на основе соответствующего анализа установлен перечень технических характеристик трала (перечень независимых переменных), которые определяют горизонт его хода У. В этот перечень вошли: величина и направление силы Т0, возникающей при буксировке орудия на конце ваера, рабочая длина ваера Б, его диаметр с^ и вес единицы длины ваера в воде q, скорость буксировки орудия 7. В результате зависимость горизонта движения трала от его характеристик определяется следующим — . выражением:

У = НБ.Тц.Оо.у.аз.я), (9)

где «0 - угол, характеризующий направление силы Т . Задача в принятой постановке состоит в подборе такого сочетания численных значений аргументов функции (9), которое соответствует заданной величине 1У] (т.е. выполнению условия У = [У]).

В диссертации проанализированы известные теоретические решения задачи о форме ваера, которые позволяют определить выражение (9) в явном виде, и разработан упрощенный метод расчета горизонта движения орудия.

Для оценки относительной точности теоретических расчетов ординаты нижнего конца ваера рассматриваемыми методами была выполнена большая серия экспериментов (опыты проведены под руководством автора работы к.т.н. Б.Е.Зайцевым) со

схематизированными моделями трала. Опыты проведены в широком диапазоне изменения физических условий, характерном для работы натурных орудий. Схематизация заключалась в том, что канатно-сетная часть трала моделировалась сетным конусом, посаженным на круговой обруч. В диссертации обоснованы условия подобия, которые должны быть выполнены при моделировании схематизированного тралового орудия, и на этой основе найдены соотношения между масштабами подобия. По результатам анализа полученных экспериментальных данных выполнена оценка относительной точности методов расчета горизонта движения трала.

Задача проектирования глубоководного трала в указанной выше постановке не имеет однозначного решения, т.к. заданной величине горизонта хода трала соответствует бесчисленное множество сочетаний значений переменных, стоящих под знаком функции (9). Для получения однозначного решения необходимо к искомым характеристикам предъявить дополнительные требования. В этой связи в диссертации рассмотрены два типовых случая. В первом из них дополнительным требованием является обеспечение максимально-возможной величины У. При этом предполагаются известными характеристики ваерных лебедок и, следовательно, рабочая длина ваера, его диаметр, вес в воде. В результате исследования функции 1 = 1(Тп,а ) установлено, что указанное выше требование реализуется при прямолинейной форме ваера. На этом обстоятельстве базируется следующий метод определения основных элементов проектируемого глубоководного трала, названный в реферируемой работе "экспресс-методом".

Исходя из условия статического равновесия ваера прямолинейной формы, получена система зависимостей, связывающих возможную глубину траления с длиной ваера. его весом и

сопротивлением в воде, а также с сопротивлением трала и скоростью его буксировки. На их основе для конструкций ваеров, используемых на промысле, построены рабочие графики, которые позволяют проектировщику определить для заданной длины ваера, его диаметра и глубины траления возможную скорость буксировки трала и силу его сопротивления. В диссертации показано, что предложенный метод не универсален. Его использование целесообразно в случаях, когда заданная глубина траления близка к предельной для данной длины и характеристик ваеров, а также при проектировании тралов, предназначенных для поиска и разведки скоплений рыбы на больших глубинах, т.к. характеристики трала, полученные из условия прямолинейности ваера, сделают возможным его эксплуатацию в наиболее широком диапазоне глубин траления.

Второй типовой случай проектирования глубоководного трала, рассмотренный в диссертации, предполагает наличие следующего дополнительного требования, предъявляемого к характеристикам, стоящим под знаком функции (9): их изменение для достижения заданной глубины траления по сравнению с некоторыми исходными значениями (соответствующими прототипу) должно быть минимальным. Это требование вызвано тем, что изменение характеристик

трала с целью достижения больших глубин траления связано с уменьшением силы его сопротивления, и, следовательно, - линейных размеров или скорости траления, что отрицательно сказывается на характеристиках его уловистости.

Поставленная задача решается в диссертации на основе использования градиентного метода поиска оптимума (метода Бокса -Уилсона), в соответствии с которым максимальное приращение функции (9) при минимальном изменении переменных у (1=1,2,...,к) характеристик трала находится в результате движения вдоль линии

градиента этой функции

эу ЗУ :у

qгati У ---ш +--п + ... +--р, (10)

дУ. Эуг Зук

где т,п,р - единичные векторы в направлении координатных осей в к-мерном пространстве;

к - число искомых переменных.

Для радикального упрощения громоздкого процесса определения градиента У реальная функция (9) может быть заменена ее линейной моделью. Ошибки, вызванные такой заменой, будут, очевидно, тем меньше, чем уже интервал варьирования искомых переменных. Для линейной функции оценками частных производных являются ее коэффициенты, по соотношению которых определяется направление градиента. Оценка адекватности линейной модели осуществляется по ¿"-критерию Фишера, учитывающему не только погрешности, связанные с линеаризацией теоретической зависимости, но и степень соответствия последней опытным данным, полученным в результате описанных выше экспериментов.

Значения переменных, соответствующих движению по градиенту, находятся на основе использования шагового принципа. Величина шага показывает, каким образом необходимо изменять переменные для достижения заданного значения функции. Искомые характеристики трала определяются далее на основании анализа зависимости величины У от числа выполненных шагов.

Шестая глава посвящена разработке теории и методов анализа вариантов проекта тралового орудия. В этих целях выполнен обзор методов оптимизации проектных решений, применяемых в различных отраслях техники, и выявлены особенности рассматриваемой задачи в приложении к орудиям промышленного рыболовства.

Для решения задачи анализа осуществлено формальное описание

трала как системы. Оно исходит из того, что трал определяется соответствующим набором элементов. Каждый элемент представлен многомерным вектором, компонентами которого являются соответствующие характеристики элемента. На этой основе сформулирована задача анализа вариантов проекта трала ят> при этом основными проектными характеристиками разноглубинного трала являются линейный размер канатно-сетной части (полупериметр устья) 1 и скорость траления V, т.е.

хт = {1,у} (11)

Для донного трала имеем:

хт = {1,у,1к,9> (12)

Вариант проекта глубоководного трала определяется в виде:

где Т02,Т - горизонтальная и вертикальная составляющие натяжения в нижней точке ваера.

В диссертации проведены исследования, направленные на обоснование критериев оптимизации. В этих целях определен ряд требований, которым должны отвечать критерии в рассматриваемом случае. В работе показано, что упомянутым требованиям хорошо отвечает показатель, представляющий собой математическое ожидание величины улова за траление 0. Однако целесообразность его

ИСПОЛЬЗОВаНИЯ В РОЛИ Критерия Оптимизации ооиисит от пплтапта«"

задачи анализа.

В этой связи в диссертации рассмотрены две возможных постановки задачи анализа вариантов проекта трала. В первой постановке анализ вариантов проекта представляет собой подзадачу при выполнении анализа вариантов проекта системы более высокого

уровня (РПС) и записывается в виде:

Q(xT) -- max, (14)

где Хт- множество допустимых вариантов проекта.

Во второй постановке анализ вариантов проекта представляет собой самостоятельную задачу, решаемую вне рамок анализа вариантов надсистемы. В этом случае в роли критерия оптимизации предлагается использовать показатель, численно прямо пропорциональный математическому ожиданию улова за траление. По физическому смыслу он представляет собой ту часть протраленного за траление объема вода, из которого рыбы попали в улов, и потому в дальнейшем именуется эффективным протраленным объемом воды W. Во второй постановке задача поиска оптимального варианта проекта трала формализуется следующим образом:

W(xT) -• шах, (15)

*тбХт

Далее в диссертации составлены целевые функции и ограничения для решения задач оптимизации проектных характеристик тралов. При этом выделены два типовых случая в решении задач анализа, в которых варианты проекта трала определяются зависимостями (11) и (13).

Для решения задач оптимизации в первой постановке и для первого типового случая получены следующие целевые функции:

- для разноглубинного трала

Q = -ч

р-1 • [£-Iе1 -v-1 -v. (г2+г1 J+ji^r^+r^^+r^)). если 0<v^v;., p-t • [£-v-1 -v • (г_,+г )+vV • (i^+r„-г +г2)), если v>v ,

р \ W р {_ с. 1 1 р

- для донного трала

К sin9 ? ? ?

p-t- (1н-*--) • I ? • 1 • V—1 • V • (гр+Г ) + 4/3-v(if+r_.r1 +r?)l,

1 лГгУТ1 2 2 11

если 0<v«:v ,

р

lk sln9

р *t * (1 -I —•-——)■[;■!-.y-i.у (Гр+г. )+4/з-у(г?+г -г' +r?) i,

1 р — 1 у <- 1 1

если y <v<v /sin9, lv 1 v v 1 э р р

*____Е. (g_Р._)i. rf л2 .

1 -Глч1 v v sln0

+4/з-vp- (r^+гр'г^г^)], если v>vp/sin9.

(17)

p-t-Пн—s--—E.(2-E--)] • Ц -1 -v-1 -v • (Гр+r, ) +

1 I^m tt TT r.4vrQ P 1

В выражениях (16) и (17) принято:

р - плотность облавливаемых косяков;

1; - время траления;

5,11 - безразмерные коэффициенты, связывающие площадь устья и вертикальное его раскрытие с полупериметром устья;

1*2«^- максимальное и минимальное значение дальности реакции рыб на трал и его элементы.

В целевых функциях заложено (на основании анализа литературных данных), что случайные значения дальности реакции рыб распределены по закону равномерной плотности.

Для глубоководных тралов следует также использовать целевые функции (16) и (17), в которых независимую переменную 1 следует заменить ее значением в соответствии с выражением:

I т

1 = ! —--(—^ - с-т .) , (18)

где к,- размерный коэффициент сопротивления канатно-сетной части трала,

С - размерный коэффициент, определяющий гидродинамические, грунтодкнамические (для донного трала) и

иассо-габаритные характеристики траловых досок и грузов-углубителей.

Решение задачи поиска оптимального варианта проекта трала во второй постановке не требует определения абсолютного значения критерия оптимизации. В этом случае достаточно получить относительные оценки для Я, позволяющие сравнивать варианты между собой и на этой основе выбирать один из них, соответствующий наибольшему значению V. Поэтому и для коэффициента <р достаточно получить относительную оценку.

Для разноглубинного трала при 7>УКр ф=(3 и, как видно из первого выражения (5), связь между коэффициентом ф и случайной величиной ур линейная. Относительной оценкой коэффициента ф принято отношение полного приращения функции Ф = 1(п,у), где п = Д^у»

к величине ур. Это отношение при условии, что у>у_ имеет вид:

Дф Пп ДУ Лп - = —9------, (19)

р О 1 1

• п0,у0- значения соответствующих аргументов для одного из вариантов проекта трала, принятого в качестве базы сравнения;

У1-значение скорости траления в любом 1-том варианте, отличном от базового;

Ау - приращение скорости траления в любом 1-том варианте по сравнению с базовым;

Дп - приращение аргумента п в любом 1-том варианте по сравнению с базовым.

На этом основании целевая функция имеет вид:

= Е-(-^-Ду±-Дп±).М^, (20)

уо

где Е константа, равная 1 м/с.

Для донного трала коэффициент уловистости определяется из выражений (3), (4), (5). Для условий у>ур и у>ур/з1п0 зависимость коэффициента <р от случайной величины ур не линейная. Поэтому для приближенной относительной оценки коэффициента ср функция ф=:Г(ур) линиаризовывалась. На этой основе получено выражение для относительной оценки <р:

Дф в± В0

У П."У. п -у,_

р 11 о о

(21)

где В,- коэффициент линейного уравнения, соответствующий i-тому варианту проекта трала, в котором переменная п=п1;

BQ- коэффициент линейного уравнения, соответствующий базовому варианту, в котором n=nQ.

В работе приведены результаты расчетов коэффициентов В для широкого диапазона значений параметров lk/L и 9, включающего в себя все реальные для практики случаи, а также относительные погрешности линиаризации.

Целевая функция для донного трала принимает вид:

В1 ВП I I 1

. W = E-(--±---9_).i .v .(£.1 4. t .1 .smej (22)

n -у n -v

l vi о о J T|

Поиск оптимальных значений характеристик трала, которые максимизируют величины критериев Q и W, следует вести в некоторой области, определяемой ограничениями, накладываемыми на значения этих характеристик.

Ограничения, накладываемые на значения скорости траления, связаны с областью определения целевых функций (16) и (17). На значение полупериметра устья 1 накладывается следующее ограничение, вытекающее из физического смысла характеристики устья AF:

1 >---^—?—1- (23)

3 Г2+Г1

На искомые характеристики 1 и V накладываются также ограничения располагаемой тягой траулера. Аппроксимируя последнюю линейным уравнением, а также имея в виду, что расчет проектных характеристик трала ведется с использованием прототипа и, следовательно, - на основании зависимостей (1) и (2) указанное ограничение может быть представлено в виде следующих условий: - для сетного (донного) трала

15/2.у3.

" • -^572 + к-Ь.у ■ « к-а ; (24)

с0'са'си,г V1«

- для канатного (разноглубинного) трала .

С -Сих 1Ц 13.у4- -п--^ + к.ь.у ✓ к.а (25)

Со-Са-Сиу '¿-Ч

где а,Ь коэффициенты линейного уравнения, аппроксимирующего зависимость располагаемой тяги судна от скорости траления.

В реферируемой работе показано, что задача поиска оптимального варианта проекта тралового орудия относится к классам задач дискретного и выпуклого программирования.Для их решения, помимо полного перебора вариантов, использован, во-первых, метод ветвей и границ и, во-вторых, - градиентный метод выпуклого программирования. На основе указанных методов разработаны алгоритмы решения задач оптимизации.

Значительные исследования были посвящены разработке метода определения верхней границы (наибольшего значения) критерия оптимизации на множестве вариантов проекта. Поскольку критерий оптимизации представляет собой функцию к-того числа независимых переменных, целевая функция определяет некоторую к-мерную

поверхность, которая в области определения аргументов может иметь любую сложную конфигурацию. В диссертации принята гипотеза, подтвержденная затеи результатами исследований, что при некоторых значениях параметров целевой функции к-мерная поверхность представляет собой участок, на котором функция только растет (или только убывает) при увеличении (или уменьшении) численных значений аргументов. Тогда верхняя граница целевой функции на рассматриваемом участке равна ее значению, соответствующему максимальным и минимальным значениям аргументов в области их определения.

В результате исследований установлено, что для

разноглубинного трала и целевых функций (16) оценка верхней

границы С критерия оптимизации 0 на некотором множестве вариантов

проекта X находится по следующему правилу:

= Е(1(тах),7(тах)). (26)

При этом на переменную 1 должно быть наложено ограничение:

г +г

1 > ——— . (27)

с

Для целевой функции (20) оценка критерия оптимизации № также находится по правилу (26). При этом характеристики назначенного базовым варианта должны отвечать условию:

21 (28)

у0 2-М1.у1

При проектировании глубоководного трала оценка верхней границы находится по правилу:

Г(Х) = р(Т!тах)# 1 т!п ) у (т!п (29)

^ Ох Оу

Если в качестве критерия используется величина 0, то на характеристики разноглубинного трала должны быть наложены ограничения:

Т >

Ох

к •(г +г Т

[—---—-— + С*Т- ]«у , если О < v ^ V ,

8»? о у • ^ р.

к • (г +г )2

£ -тг + С «Т., • V , если V > V

р Оу ' р з

Т 12 ■ ? Т 1

+ С-Т ).--_ с-Т )

V2 07 к. V2 ^ -3-:- > 1, если 0<у<у ■ (31)

(г^г^-С-Т^

<тох+с-У> • у е • -

Ур.к,.^)-^

>1, если у>у (32)

Если в качестве критерия используется величина V, то необходимо выбрать базовый вариант таким образом, чтобы его характеристики отвечали условиям:

по г+г —^ > 2 1--(33)

с'то,'72)'

по (г+г).Т

> ----г—1 • (34)

0 (тл +с-тп •у )•

Ох Оу

В диссертации получены также ограничения, которые необходимо наложить на характеристики базового варианта в процессе оптимизации характеристик донного трала.

Метод ветвей и границ позволяет существенно сократить объем вычислительной работы по сравнению с полным перебором вариантов. Однако он обладает существенным недостатком: найденный оптимальный вариант, соответствующий максимуму целевой функции (в области ее определения, а не на множестве ранее сформированных вариантов) может быть не найден. Следовательно, задача оптимизации на основе метода ветвей и границ (так же как и при полном переборе вариантов) решается с некоторым приближением.

Вместе с тем, метод ветвей и границ (равно как и полный перебор вариантов) обладает тем достоинством, что при его использовании число оптимизируемых проектных характеристик трала может быть сколь угодно большим.

Повышение точности решения задач оптимизации значений проектных характеристик трала может быть достигнуто путем применения методов выпуклого программирования. В разработанном в этих целях алгоритме найден способ достижения максимума значений целевых функций кратчайшим путем.

По свойству целевых функций (16), (17) и ограничений (24), (25) первый шаг движения из начальной точки А(10,у0) в направлении максимума целевой функции целесообразно осуществлять непосредственно на границу допустимой области, определяемой располагаемой тягой судна. Такой переход следует выполнить таким образом, чтобы скорость возрастания целевой функции была наибольшей, что определяется значениями проекции градиента в данной точке на плоскости, параллельные осям координат 1 и V. Следовательно, выбор направления перехода из начальной точки А(1 ,7 ) на границу области может быть осуществлен из условия

--'17! >--; Д11 (35)

37 «И

Если условие (35) для начальной точки выполняется, то переход должен быть произведен в направлении оси 7, в противном случае -вдоль оси 1. Здесь ду, Д1 - единичные приращения переменных.

Дальнейшее движение к максимуму целевой функции должно осуществляться вдоль ограничения, определяемого неравенством (24) или (25). В диссертации получено условие для выбора направления такого' движения, которое имеет вид:

соба б1е

----------->-------. (36)

'. ЛУ '1: •: '.к (-V) • :.У

где угол а между касательной х кривой, определяемой ограничениями (24) и (25) в соответствующей точке, и абсциссой находится на основании известных правил аналитической геометрии. На этой основе найдены формулы для расчета угла а при оптимизации характеристик разноглубинного и донного тралов.

В диссертации показано, что целесообразно осуществлять движение в направлении максимума целевой функции не непосредственно вдоль кривой-ограничения, а вдоль прямой, секущей кривую-ограничение. Получены формулы для определения шага изменения искомых переменных при таком движении.

Седьмая глава диссертации посвящена оценке эффективности разработанных методов оптимизации проектных решений при создании тралового орудия. В качестве упомянутой оценки принято относительное приращение численного значения критерия оптимизации для выбранного варианта по сравнению с другими вариантами из числа анализируемых. Материалом для осуществления оценки послужили результаты решения задач анализа вариантов проекта глубоководного трала, выполненные автором по заказу НПО промышленного рыболовства. Полученные расчетные данные свидетельствуют о достаточно высокой ожидаемой эффективности использования в проектной практике разработанных методов определения оптимального варианта проекта.

Достоверность полученной оценки определяется, главным образом, адекватностью целевых функций. Для ее оценки проведены соответствующие статистические исследования, цель которых заключалась в установлении корреляционной связи меаду значениями математического ожидания величины улова рыбы промысловыми тралами и соответствующими им значениями критерия оптимизации (эффективного протраленного за определенный

промежуток времени объема воды). Материалом для предпринятых статистических исследований послужили промысловые журналы траулеров типа РТМ-Т, РТМ-А, БМРТ и СРТМ Всесоюзных рыбопромышенных объединений "Азчеррыба" и "Запрыба", содержащих статистику уловов указанных добывающих судов за период их эксплуатации в 1973, 1974, 1976 г.г. в двух районах промысла: на шельфе северо-западного побережья Африки и в районе Северо-Западной Атлантики. Результаты статистических исследований убедительно свидетельствуют о наличии тесной связи между значениями математического ожидания уловов и эффективного протраленного объема воды (коэффициент корреляции для указанных районов оказался равным соответственно 0,94 и 0,98), что является доказательством адекватности целевых функций.

Основные результаты В диссертации получены следующие основные результаты, определяющие научную новизну работы, ее практическую ценность и являющиеся предметом защиты:

1. Разработана научная концепция дальнейшего развития общей методологии проектирования траловего орудия лова рыбы как элемента рыбопромысловой системы. Она исходит из того, что для обепечения максимального полезного эффекта при эксплуатации орудия искомые характеристики должны отвечать требованиям, предъявляемым к ним параметрами объекта лова, промысловых механизмов и судна в целом. В связи с этим задачу поиска наилучшего варианта проекта целесообразно решать в два этапа: на первом (процедура обоснования проектных характеристик) - осуществляется обоснование допустимых вариантов проекта с учетом требований и ограничений, накладываемых на искомые характеристики особенностями поведения и распределения объекта лова и характеристиками других элементов

РПС; на втором этапе (проектная процедура оптимизации значений проектных характеристик) определяется оптимальный вариант проекта. Указанная концепция реализована в виде теории обоснования и оптимизации проектных характеристик тралов.

2. Теория обоснования проектных характеристик исходит из того, что встречающиеся на практике варианты выполнения этой проектной процедуры могут быть сведены к решению следующих типовых задач (выполнению проектных операций):

- обоснование скорости траления и расчет характеристик донного трзлз!

- обоснование линейного размера и расчет характеристик разноглубинного трала;

- расчет характеристик методом вариаций;

- расчет характеристик, исходя из условия обеспечения равенства значений коэффициентов уловистости проектируемого разноглубинного трала и его прототипа;

- расчет характеристик глубоководного трала.

Результаты решения перечисленных задач, как правило, не однозначны, что требует поиска оптимального варианта проекта.

3. Теория оптимизации проектных характеристик включает следующие основные положения:

- трал представляется некоторым набором элементов;

каждый элемент представлен многомерным вектором, компонентами которого являются соответствующие характеристики элемента; в свою очередь каждая компонента представляет собой конечное множество чисел;

- допустимые варианты проекта трала представляют собой множество сочетаний численных значений характеристик элементов и трала в целом, связанных между собой, а также с характеристиками

внешней среды и элементами РПС определенными отношениями.

4. Реализация изложенного теоретического подхода связана с выполнением следующих исследований и решением ниже перечисленных проектных задач:

- решена задача определения линейных размеров трала, исходя из условия обеспечения заданной прицельности лова. На этой основе разработан алгоритм для автоматизированного расчета и рабочая диаграмма для неавтоматизированного расчета горизонтального и вертикального раскрытия проектируемого трала. В результате научно обоснован метод расчета характеристик проектируемого трала по выбранному линейному размеру;

- решена задача определения оптимальной скорости траления донным тралом, что позволило научно обосновать метод расчета характеристик проектируемого трала по выбранной скорости траления;

проведены теоретические исследования по вопросам уловистости тралов, которые позволили дать аналитические описания связей технических характеристик трала и характеристик поведения объекта лова. На этой основе разработан метод расчета характеристик разноглубинного орудия, исходя из условия обеспечения равенства значений коэффициентов уловистости проектируемого трала и его прототипа;

впервые поставлена и решена задача проектирования глубоководного трала. На этой основе разработан метод расчета характеристик глубоководного трала, отвечающих следующим требованиям: обеспечение заданного горизонта движения при ограниченной длине вытравленных ваеров; обёйечение минимального отклонения значений характер-листик проектируемого трала от значений характеристик прототипп;

- проведены теоретические исследования зависимости горизонта хода трала от его технических характеристик. Установлены условия, обеспечивающие максимальный горизонт движения трала при постоянной длине вытравленных ваеров. На этой основе разработан "экспресс-метод" расчета характеристик глубоководного трала, который целесообразно использовать при проектировании поисковых орудий лова;

- впервые поставлены и решены задачи поиска оптимального варианта проекта трала, включающие в себя: формализацию варианта проекта, постановку задач анализа как задач дискретного и выпуклого программирования, обоснование критериев оптимизации, определение целевых функций и ограничений, обоснование методов поиска оптимального варианта проекта;

на основе выполненных теоретических исследований установлены правила определения верхней границы критериев оптимизации на множестве вариантов проекта трала для разноглубинного, донного и глубоководного лова при использовании метода ветвей и границ;

разработаны алгоритмы определения оптимального варианта проекта трала на основе полного перебора вариантов и с использованием метода ветвей и границ;

разработан алгоритм определения оптимального варианта сочетания значений проектных характеристик трала на основе градиентного метода выпуклого программирования.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в диссертации, позволили сформулировать следующие основные выводы:

1. Связь между искомыми проектными характеристиками трала и параметрами поведения объекта лова устанавливает детерминированная модель в форме зависимостей (3), (4), (5).

2. Процесс управления поведением рыб описывается зависимостью (4), связывающей коэффициент --1 с техническими характеристиками трала (горизонтальным раскрытием устья, длиной кабеля, /''том ого атаки, сиростью траления). Процесс захвата рыб тралом »автол завис;«'-»¿ты: (5), связывающей коэффициент ¡3 с сс/огно,:!:;'!!^-.! скоростей дни «ни:; трлла и рыбы, размерами устья трала, да нл'О'.тью реактпш р';б на лриблляагацееся орудие.

3. йз а^ылиьа характарп св.: .¡и коэффициента уловистости ф с безразмерной скоростью траления вытекает, что при эксплуатации донного трала существует значение скорости траления, максимизирующее величину коэффициента ф. Значение оптимальной скорости траления может быть найдено путем исследования на максимум эмпирической зависимости величины улова рыбы тралом в единицу времени от скорости буксировки орудия.

4. Вероятность попадания продольной оси косяка рыб в назначенную область площади устья трала определяется формулой (6) или интегральным уравнением (7), из которых могут быть найдены необходимые значения горизонтального и вертикального раскрытия устья трала.

5. Связь масштабов линейных размеров и скорости траления, обеспечивающая равенство значений коэффициентов уловистости проектируемого орудия и его прототипа, определяется выражением (8).

6. Характеристики трала для глубоководного лова, максимизирующие глубину траления, находятся из условия прямолинейности ваера.

7. Характеристики трала для глубоководного лова, обеспечивающие заданную глубину траления и имеющие минимум отклонений от характеристик прототипа, находятся градиентным

методом. Направление, в котором следует изменять значения характеристик прототипа для обеспечения заданной глубины траления и выполнения указанного условия, определяется выражением (10). Поиск проектных характеристик может быть радикально упрощен при ликеаразации функции (9), связывающей глубину траления и значения характеристик трала.

8. Выбор критерия оптимизации проектных характеристик, трала зависит от постановки задачи, которая может быть осуществлена в двух вариантах. В первой постановке поиск оптимального варианта проекта трала выполняется в рамках решения задачи оптимизации характеристик рыбопромысловой системы или ее блока и записывается в виде (14). Во второй постановке анализ вариантов проекта трала представляет собой самостоятельную задачу, записываемую в виде (15). В зависимости от указанной постановки задачи критерием оптимизации трала могут быть приняты или математическое ожидание величины улова рыбы б за назначенный промежуток времени траления, или эффективный протраленный за единицу времени объем воды Ю.

9. Целевые функции для решения задач оптимизации проектных характеристик разноглубинного трала по критерию 0 могут быть представлены в виде зависимостей (16), для поиска оптимального варианта проекта донного трала - в виде зависимостей (17). Для решения задач оптимизации проектных характеристик по критерию О для глубуководного трала могут быть использованы те же целевые функции, в которых переменная 1 должна быть заменена ее значением в соответствии с выражением (18).

Целевая функция для решения задач оптимизации по критерию V? для разноглубинного трала имеет вид зависимости (20), для донного трала - зависимости (22). Для глубоководного трала могут использоваться те же зависимости с заменой переменной 1 ее

значением в соответствии с выражением (18).

Ограничения, накладываемые на значение скорости траления особенностями поведения объекта лова, представляют собой неравенства, определяющие область существования целевых функций (16) и (17). На значение полуперимегра устья накладывается ограничение (23). Ограничения, накладываемые тяговыми возможностями траулера, имеют вид неравенств (24) и (25).

10. Для разноглубинного трала относительной численной оценкой коэффициента уловистости (3 может служить полное приращение первой функции (5) двух аргументов: отношения площадей ДР/Ту и скорости траления ч. Упомянутая оценка определяется в соответствии с выражением (9), в котором следует учитывать, что зависимость дР от величины дальности реакции рыбы г представляет собой функцию случайной величины г. Для определения математического ожидания значения площади дР получена формула, в основу которой положен закон равномерного распределения случайной величины г.

11. Для приближенной относительной оценки коэффициента уловистости ф донного трала следует использовать выражение (21),

полученное на основе линеаризации функции <р = X(V ). Результаты

р

оценки погрешностей линейной аппроксимации показывают, что для абсолютного большинства случаев проектирования донных тралов соответствующая относительная ошибка не превышает 5%.

12. Результаты теоретического анализа целевых функций свидетельствуют, что для расчета верхних границ критериев оптимизации проектных характеристик тралов всегда могут быть найдены такие диапазоны численных значений проектных характеристик или такие условия для задания базы сравнения (п,./у( ), при которых многомерная целевая функция является

монотонно возрастающей (или убывающей) функцией в области определения ее аргументов. Это позволило разработать правила расчета верхних границ С значений критериев оптимизации на множестве вариантов проекта в рамках использования метода ветвей и границ.

13. Если вариант проекта определяется выражением (11), то верхняя граница находится по правилу (26), которое справедливо как для донного трала, так и разноглубинного, а также - при использовании любого из предложенных критериев оптимизации . (О и V). Если вариант проекта определяется выражением (13), то верхние границы находятся по правилу (29), также являющемуся универсальным по отношению к типу трала (разноглубинный, донный) и виду критерия (ОД).

14. При расчете верхних границ по правилу (26) для решения задачи оптимизации проектных характеристик разноглубинного трала по критерию 0 искомое значение полупериметра устья 1 должно отвечать ограничению (27), при использовании критерия № база сравнения должна назначаться таким образом, чтобы выполнялось условие (28). При расчете верхних границ по правилу (29) для решения задач оптимизации проектных характеристик разноглубинного глубоководного трала по критерию 0 искомые значения ,Т,

иХ Цу

должны отвечать ограничениям (30), (31), (32). Если в качестве критерия используется величина И, то характеристики базы сравнения должны отвечать требованиям (33) и (34).

15. Разработанный комплекс методов оптимизации значений проектных характеристик разноглубинных, донных и глубоководных тралов позволяет получить:

приближенное решение (на основе предварительного формирования допустимых вариантов) при неограниченном числе

искомых характеристик путем применения полного перебора вариантов или метода ветвей и границ;

- точное решение при ограниченном числе (2-4) искомых характеристик градиентным методом выпуклого программирования.

Целесообрказной сферой применения полного перебора допустимых вариантов проекта являются оптимизационные задачи, в которых число таких вариантов не велико (в пределах нескольких десятков) при использовании любого критерия оптимизации из числа предложенных. Метод ветвей и границ целесообразно применять при большом числе допустимых вариантов и использовании критерия оптимизации №. Градиентный метод выпуклого программирования следует применять при отсутствии предварительно сформированных допустимых вариантов проекта и использовании критерия оптимизации О.

16. Результаты статистических исследований траловых уловов свидетельствуют о наличии тесной корреляционной связи между математическим ожиданием величины уловов и - эффективным - — протраленным объемом воды. Это доказывает, что математическая модель процесса лова рыбы, использованная при разработке методов обоснования и оптимизации проектных характеристик рыболовных тралов, является адекватной.

Основные научные результаты и выводы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Определение оптимальной скорости траления донным тралом // - Рыбное хозяйство. - 1963. - N-1. - С.18-23.

2. О влиянии скорости траления на уловистость трала // Труды КТИРПХ. - 1964. - Вып.17. - С.226-236.

3. Методика определения оптимальной скорости траления донным тралом // Рыбное хозяйство. - 1966. - 11-5. - С.24-26.

4. Исследование возможности увеличения глубины траления без модернизации промыслового оборудования // Труда КТИРПХ. - 1971. Вып.32. - С.15-29.

5. К расчету возможной глубины траления // Труды КТИРПХ. -1971. - Вып.32. - С.30-36.

6. О методах расчета длины ваера и горизонта хода трала // Труда КТИРПХ. - 1973. - Вып.53. - С.3-14. (в соавторстве с Алексеевым Г.В.).

7. Проектирование и испытание тралов. - М.: Пищевая промышленность, 1973. - 263 с. (соавторы: А.Л.Фридман - главы 1,2; М.М.Розенштейн - главы 3-7; В.Н.Лукашов - глава 8).

8. К методике определения линейных размеров проектируемого трала // Труды КТИРПХ. - 1975. - Вып.57. - С.31-36.

9. Применение метода вариаций при проектировании глубоководных тралов // Труды КТИРПХ. - 1975. - Вып.57. -С.37-48.

10. К методике проектирования разноглубинного трала по прототипу // Труды КТИРПХ. - 1975. - Вып.57. - С.49-55.

11. Расчет элементов глубоководной траловой системы. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 189 с.

12. О критериях качества траловой системы // Труда КТИРПХ. -1978. Вып.79. - С.30-39.

13. Методы проектирования и совершенствования эксплуатации глубоководных траловых систем // Докл. на 5-ой научно-технической конференции по развитию флота рыбной промышленности и промышленного рыболовства социалистических стран. - Л.,1978. -С.1-30 (в соавторстве с А.Л.Фридманом и В.П.Карпенко).

14. Постановка задачи поиска оптимального варианта проекта тралового орудия лова // Рыбное хозяйство. - 1979. - N-12. -С.42-44.

15. Методы численной оценки коэффициентов уловистости тралов // Труды КТИРПХ. - 1979. - Вып.84. - С.15-23 (в соавторстве с Б.Е.Зайцевым).

16. К методике поиска оптимального варианта проекта трала // Труды КТИРПХ. - 1980. - Вып.89. - С.7-12.

17. Решение задачи поиска оптимального варианта проекта тралового орудия лова // Труды КТИРПХ. - 1981. - Вып.95. - С.3-9.

18. Некоторые результаты анализа статистических исследований траловых уловов // Труды КТИРПХ. - 1981. - Вып.95. - С.77-84 (в соавторстве с А.А.Косовым).

19. Математическая модель для обоснования характеристик рыбопромысловой системы на предпроектной стадии // Труды КТИРПХ. - 1983. - Вып.103. - С.57-64 (в соавторстве с А.Л.Тучинским и Ю.С.Альтманом).

20. Постановка задачи обоснования характеристик рыбопромысловой системы на предпроектной стадии // Теория, проектирование и эксплуатация рыболовных систем: Труды КТИРПХ. -1983. - Вып.103. - С.84-90 (в соавторстве с А.Л.Тучинским).

21. Обоснование иерархии критериев оптимизации рыбопромысловой системы тралового лова // Расчет элементов рыболовных систем: Сб. научных трудов КТИРПХ. - 1984. - С.16-28 (в соавторстве с А.Л.Тучинским).

22. О возможностях использования методов оптимизации проектных характеристик добывающего блока рыбопромысловой системы тралового лова // Расчет, проектирование и эксплуатация рыбопромысловой техники: Сб. научных трудов КТИРПХ, ВНИРО. -1986. - С.19-26.

23. Сборник задач и упражнений по теории и проектированию орудий промышленного рыболовства. - М.: Агропромиздат, 1987.

- 48 -

255 с. (в соавторстве с А.Л.Фридманом).

24. Оптимизация проектных характеристик трала: Докл. на международной симпозиуме по судовой технике // Fischerei-Forschung. - Rostock. - 1988. - N-26. - S.11-13.

25. Разработка правил оценки верхних границ целевых функций для оптимизации проектных характеристик донных тралов методом ветвей и границ // Сб. тезисов докладов 17-ой межвузовской научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных и инженерно-технических работников, аспирантов Калининградских вузов Минрыбхоза СССР. - 1989. - С.98.

26. Методика увязки характеристик трала, промысловых механизмов и промыслового судна в рамках добывающего блока рыбопромысловой системы // Сб. тезисов докладов 17-ой межвузовской научно-технической конференции профессорско -преподавательского состава, научных и инженерно-технических работников, аспирантов Калининградских вузов Минрыбхоза СССР. -1989. - С.99.

27. Теория и проектирование орудий промышленного рыболовства: Методические указания к курсовому проекту по разделу "Проектирование орудий лова" для высших учебных заведений по специальности 3115 "Промышленное рыболовство". - Калининград, 1989. - 70 с.

28. Оптимизация проектных характеристик трала // Докл. на 7-ой научно-технической конференции по развитию флота рыбной промышленности и промышленного рыболовства социалистических стран. - Л., 1989. - C.I-I5.

29. Оптимизация проектных характеристик орудий промышленного рыболовства: Методические указания для студентов факультета промышленного рыболовства. -^Калининград, 1990. - 144 с.

Подписано к печати 6.02.92 г. Заказ 21.Объем ЗЛ.уч.изд.л.

Бумага 60x84 I/I6. Тираж 100 окз.____

РТП УОП КТИРПХ.236000.Калининград обл..Советский пр-т, 1