автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Оптимизация характеристик транспортных судов с учетом технических, эксплуатационных и экономических случайных факторов на начальных стадиях проектирования

г/

На правах рукописи

Китаев Максим Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНЫХ СУДОВ С УЧЕТОМ ТЕХНИЧЕСКИХ, ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ СЛУЧАЙНЫХ ФАКТОРОВ НА НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.08.03 - «Проектирование и конструкция судов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Нижний Новгород 2013

005540691

005540691

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет», г. Владивосток

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Антоненко Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: Любимов Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», г. Нижний Новгород, профессор

Двойченко Юрий Александрович,

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный

технический университет им. P.E. Алексеева»,

доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре

государственный технический университет»

Защита состоится «19» декабря 2013 г., в 12® часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева, 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ауд. 1258

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева

Автореферат разослан «¿5 » ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Грамузов Евгений Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективность морских транспортных судов определяется значениями их эксплуатационно-экономических показателей, во многом зависящих от расчетных методов и методик, а также характера и достоверности исходных данных, использованных на начальных стадиях проектирования. При этом большая часть расчетов, выполняемых на начальных стадиях проектирования, производится в предположении, что данные, характеризующие как само судно, так и условия его проектирования и эксплуатации, являются неизменными на протяжении всего срока службы.

Очевидным является тот факт, что внешняя среда по отношению к судну является вероятностной и большинство процессов, связанных с проектированием, постройкой и эксплуатацией транспортных судов, носят вероятностный характер. Вследствие этого выполнение проектных расчетов без учета вероятностного характера исходных данных приводит к искажению представлений об истинной экономической эффективности вновь создаваемых судов и не позволяет учитывать динамику окружающей среды, а также региональные и временные особенности судоходных линий.

Тем не менее, большинство существующих методик проектирования транспортных судов не учитывают вероятностный характер исходных данных. Отдельные попытки учета сводятся либо к моделированию процесса эксплуатации судна под воздействием случайных факторов на основе методов имитационного моделирования и использования теоретических законов распределения, либо к оценке влияния отдельных параметров из числа исходных данных, чаще всего экономических нормативов, на основные эксплуатационно-экономические показатели функционирования транспортных судов.

Для современного состояния мировой экономики характерно глобальное разделение производства, при котором морские перевозки приобрели качественно новое направление, характеризующееся использованием специализированных судов, интенсивно эксплуатируемых на определенных транспортных линиях. Отсутствие простых и доступных инженерных методик обработки случайных факторов, характеризующих региональные и временные особенности судоходных линий, существенно влияет на достоверность оценки эффективности таких судов. Использование на начальных стадиях проектирования теоретических законов распределения случайных величин не всегда и не в полной мере позволяет отражать и учитывать наблюдаемые особенности условий проектирования, постройки и эксплуатации судна.

Современные тенденции в области проектирования говорят о необходимости использования вероятностных методов и методов теории надежности при проектировании и оценке эффективности транспортных судов.

Современные компьютерные технологии и математические методы оптимизации в совокупности с традиционными методами и методиками проектирования позволяют решать задачи оптимизации транспортных судов на качественно ином уровне, связанном с возможностью использования современного информационного и вычислительного потенциала. Подобный интегрированный подход позволяет значительно повысить качество решений, принимаемых на

начальных стадиях проектирования. В связи с этим появляется необходимость разработки и использования на начальных стадиях проектирования транспортных судов новых методов и методик оценки их функциональной эффективности.

В свете современных достижений в области проектирования судов и информационных технологий возникает вопрос о целесообразности разработки методики оптимизации характеристик транспортных судов, позволяющей на начальных стадиях проектирования учитывать как случайные факторы и внешние воздействия со стороны внешней среды, так и региональные, временные особенности судоходных линий, характерные для всего срока службы судна.

В работе рассматривались технические, эксплуатационные и экономические случайные факторы (далее - случайные факторы), а основные положения предлагаемой методики проиллюстрированы на примере морских грузовых судов (танкеры, балкеры и контейнеровозы).

Объектом исследования являются морские транспортные суда.

Предмет исследования - математические методы и методики оптимизации характеристик, элементов транспортных судов и их подсистем.

Цель работы - разработка методики оптимизации характеристик транспортных судов с учетом технических, эксплуатационных и экономических случайных факторов на начальных стадиях проектирования.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Систематизированы и проанализированы существующие методы, модели и методики оптимизации характеристик транспортных судов и их подсистем.

2. Разработана методика формализации случайных факторов, позволяющая на начальных стадиях проектирования транспортных судов учитывать региональные и временные особенности судоходных линий.

3. Разработана имитационная модель функционирования транспортного судна, учитывающая случайные факторы, оказывающие влияние на его эффективность в процессе эксплуатации.

4. Разработана математическая модель проектирования транспортного судна и его подсистем с нелинейными зависимостями для оценки влияния случайных факторов на целевую функцию и оптимизируемые переменные.

5. Разработана технология численной оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов.

6. Проведены численные эксперименты, на основе анализа результатов которых даны практические рекомендации по разработке математических моделей оптимизации транспортных судов и по выбору их проектных характеристик и элементов с учетом случайных факторов.

Методы исследования. В работе использованы методы теории корабля и проектирования судов, математического и имитационного моделирования, численные методы оптимизации, теории принятия решений, теории вероятностей, математической статистики и регрессионного анализа.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций диссертации обеспечивается использованием традиционных методов теории проектирования судов, апробированных численных методов и подтверждается решением тестовых задач, проверенных путем сопоставления полученных результатов с данными других авторов и согласованностью результатов

численных экспериментов с характеристиками, элементами и показателями, полученным при проектировании и эксплуатации реальных судов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика формализации случайных факторов, позволяющая учитывать в моделях оптимизации характеристик транспортных судов региональные и временные особенности судоходных линий.

2. Разработана методика оптимизации характеристик транспортных судов, позволяющая на начальных стадиях проектирования учитывать влияние технических, эксплуатационных и экономических случайных факторов на проектные характеристики, элементы транспортных судов и их подсистем и критерии эффективности.

3. Разработана имитационная модель, предназначенная для численной оценки влияния случайных факторов на эффективность функционирования транспортных судов.

4. Предложена математическая модель проектирования транспортного судна, предназначенная для оптимизации характеристик, элементов транспортных судов и их подсистем с учетом случайных факторов в рамках единой задачи.

5. Предложена технология численной оптимизации характеристик транспортных судов, обобщающая методы оценки влияния случайных факторов на проектные характеристики транспортных судов и критерии их эффективности.

6. Систематизированы результаты оценки влияния технических, эксплуатационных и экономических случайных факторов на целевую функцию и оптимизируемые переменные в задаче оптимизации характеристик транспортных судов.

Практическая ценность работы заключается в решении важной научно-практической задачи, связанной с совершенствованием методов, методик проектирования и оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов, оказывающих влияние на эффективность их функционирования.

В работе показана эффективность применения методики оптимизации с учетом случайных факторов при обосновании проектных характеристик, элементов транспортных судов и их подсистем в сравнении с детерминированным подходом.

Предлагаемая методика обеспечит повышение качества проектно-конструкторских работ и научных изысканий, проводимых на начальных стадиях проектирования транспортных судов.

Разработанные алгоритмы, модели, методики и программы ориентированы на автоматизацию начальных стадий проектирования морских транспортных судов и могут использоваться в специализированных САПР проектирования судов, а также при подготовке специалистов в области судостроения и морской техники.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Методика формализации случайных факторов.

2. Имитационная модель функционирования транспортного судна.

3. Математические модели оптимизации характеристик транспортных судов.

4. Методика оптимизации характеристик транспортных судов с учетом технических, эксплуатационных и экономических случайных факторов на начальных стадиях проектирования.

5. Результаты численных экспериментов и практические рекомендации по разработке математических моделей оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов и выбору их проектных характеристик.

Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены

- на российских и международных научно-технических конференциях в 2006 -2013 гг.: Международная научно-практическая конференция «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (г. Владивосток, МГУ имени адм. Г.И. Невельского), 2007 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Приоритетные направления развития науки и технологий» (г. Тула, РХО им. Д.И. Менделеева), 2007; II Российская научно-практическая конференция судостроителей. Единение науки и практики (НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. Санкт-Петербург), 2010 г.; Международная конференция с элементами научной школы для молодежи стран АТР по судостроению (ДВГТУ, Владивосток), 2010 г.; Международная конференция APHydro, Asia Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics (Япония, г. Осака), 2010 г.; Международная конференция TEAM (Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures) (Корея, г. Сеул), 2006 г., (Тайвань, г. Гаосюн), 2009 г., (Тайвань, г. Килунг), 2013 г.

- на научно-технических семинарах и расширенном заседании кафедры: «Кораблестроения и океанотехники» (ДВФУ, Владивосток) 2013 г.; «Теории корабля и гидромеханики» и «Кораблестроения и авиационной техники» (НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород) 2013 г.

Результаты исследования внедрены в учебный процесс по направлению подготовки магистров 180100.68 - «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры», использовались при выполнении научно-исследовательских работ в рамках федеральной целевой программы: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» Государственный контракт от «25» июня 2009 г. № 02.740.11.0167 (№ госрегистрации 01200905982), Государственный контракт от «03» августа 2009 г. № П464 (№ госрегистрации 01200905983), Государственный контракт от «06» августа 2012 г. № 14.А18.21.0404 (№ госрегистрации 01201280076) и программы развития ДВФУ на 2010-2019 годы, соглашение от «17» января 2013 г. № 12-08-13021-21/13, а также в проектно-конструкторской деятельности: ОАО ЦС «Дальзавод», ООО «Мортест» и ООО СК «Павино», что подтверждено актами внедрения.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 16 научных статей, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 170 страницах машинописного текста и включает 65 рисунков, 18 таблиц, 121 наименование отечественных и зарубежных литературных источников и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются ее цель, задачи, методы исследования, научная новизна, практическая ценность и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе приведены результаты обзора методов, моделей и методик оптимизации характеристик транспортных судов и их подсистем, используемых на начальных стадиях проектирования, в детерминированных условиях и с учетом случайных факторов. Выполнено обобщение работ, посвященных оптимизационному проектированию транспортных судов, для чего были рассмотрены и проанализированы модели и методики оптимизации характеристик, элементов и отдельных подсистем транспортных судов. Для более полного понимания текущего состояния, выявления общих тенденций и перспектив развития и совершенствования методологического аппарата оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов в диссертации рассмотрены и проанализированы работы как отечественных, так и зарубежных исследователей.

В отечественной практике проектирования основоположниками развития, внедрения и практического использования методов оптимизации явились В.В. Ашик, Л.Б. Бреслав, A.B. Бронников, В.Г. Бугаев, А.Н. Вашедченко, М.В. Войлошников, А.И. Гайкович, B.C. Дорин, И.Г. Захаров, В.И. Краев, В.М. Пашин, Ю.Н. Поляков, А.И. Раков, В.П. Соколов, Л.Ю. Худяков, Б.А. Царев и др.

В зарубежной печати наиболее известны научные работы таких авторов, как Н. Benford, V. Bertram, М. Buxton, K-Ch. Choi, J.P. Comstock, R.O. Goss, P. Cudina, K.W. Fisher, A.W. Gilfillan, T. Lamb, R.D. Murphy, M.G. Parsons, P.A. Rigo, R.L. Scott, R.J. Taylor, D. M. Watson, L. Xuebin, V. Zanic и др.

Анализ литературных источников показал, что вопросы, связанные с разработкой современных методов и методик проектирования транспортных судов с учетом случайных факторов, являются актуальными. В результате проведенного анализа установлено, что детерминированные методы и методики оптимизации характеристик, элементов транспортных судов и их подсистем являются фундаментом для разработки методик оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов. При этом выявлены основные недостатки, в большей или меньшей степени присущие как детерминированным, так и стохастическим методам и методикам оптимизации характеристик транспортных судов:

1. Детерминированные методы и методики не учитывают динамику окружающей среды и вероятностную природу исходных данных.

2. Оптимизация характеристик и элементов судна выполняется раздельно ввиду сложности согласования проектных решений, относящихся к различным системным уровням проектирования.

3. Задачи оптимизации элементов судна и его отдельных подсистем решаются раздельно.

4. Основу математических моделей оптимизации характеристик транспортных судов и элементов их подсистем составляют как линейные, так и нелинейные зависимости.

5. В задачах многокритериальной оптимизации характеристик транспортных судов в качестве целевых функций рассматриваются второстепенные по влиянию на общую экономическую эффективность судна величины.

6. В расчетах используются теоретические законы распределения случайных величин не отражающие особенностей реальных условий проектирования и эксплуатации судна.

В результате анализа научных работ и выявленных недостатков существующих методов и методик оптимизации характеристик транспортных судов в детерминированных условиях и с учетом случайных факторов, сформулированы цель и задачи исследования. Достижение поставленной цели и задач исследования возможно лишь в случае практической реализации методики оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов, что подразумевает решение ряда вопросов, определяющих состав основных структурных составляющих предлагаемой методики, а именно:

1. Разработка методики формализации случайных факторов, предназначенной для обработки исходных статистических данных, характеризующих факторы, оказывающие влияние на судно в процессе эксплуатации, и преобразовании их в форму, подходящую для использования в моделях оптимизации характеристик транспортных судов.

2. Разработка имитационной модели, предназначенной для моделирования функционирования транспортных судов на заданной линии в течение определенного периода времени, с возможностью учета воздействия случайных факторов и оценкой текущих значений основных технических, эксплуатационных и экономических показателей.

3. Разработка математических моделей проектирования транспортных судов и отдельных их подсистем, основу которых составляют нелинейные зависимости, определяющие взаимосвязь между основными техническими, эксплуатационными и экономическими показателями судна и оптимизируемыми переменными.

4. Разработка технологии численной оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов, обобщающей численные методы решения задач анализа влияния случайных факторов на рассматриваемые проектные переменные и целевую функцию оптимизационной задачи.

5. Обобщение результатов и выработка практических рекомендаций по разработке математических моделей оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов, методам решений подобных задач, выбору проектных характеристик и элементов транспортных судов.

Указанные вопросы подробно рассмотрены в диссертации и составляют основу предлагаемой методики оптимизации характеристик транспортных судов с учетом технических, эксплуатационных и экономических случайных факторов, позволяющей на начальных стадиях проектирования учитывать региональные и временные особенности судоходных линий и срока службы судна в целом.

Во второй главе рассмотрены основы методики формализации случайных факторов, предназначенной для обработки данных, представленных в виде исходных статистических распределений рассматриваемых случайных факторов, характеризующих влияние на судно внешней среды, и преобразования их в форму, подходящую для использования в моделях оптимизации транспортных судов.

Под формализацией в данном случае понимается сбор, обработка статистических данных и их представление в виде аналитических законов распределения вероятностей, пригодных для автоматизации проектных расчетов и

дальнейшего использования в моделях оптимизации транспортных судов. То есть формализация случайных факторов представляет собой алгоритм сбора, обработки и преобразования исходных статистических данных.

Помимо использования в моделях оптимизации транспортных судов известных теоретических законов распределения случайных величин, методика формализации случайных факторов допускает обработку и дальнейшее использование оригинальных статистических распределений в виде статистически репрезентативных выборок, что не исключает требований к плавности и непрерывности зависимостей, характеризующих такие данные.

Случайные факторы, действующие на транспортные суда со стороны внешней среды и оказывающие влияние на проектные характеристики и основные показатели функционирования транспортных судов, были объединены в три группы:

Эксплуатационные - факторы, обусловленные природными воздействиями на судно со стороны внешней среды и зависящие от района и условий эксплуатации, например: ветер, волнение, глубина фарватера, течения, ледовая обстановка и др.

Экономические - факторы, обусловленные политической и экономической обстановкой в стране, в мире в целом и выражаемые посредством цен на основные товары и услуги, например: стоимость топлива, масла для ГД, норматив заработной платы, ставки портовых сборов, стоимость работ по проектированию судна и др.

Технические - факторы, обусловленные неопределенностью процессов, связанных с обеспечением функционирования транспортных судов, например: продолжительность и количество ремонтов судна, время бункеровки и маневрирования, нормы проведения погрузо-разгрузочных работ и др.

Согласно предлагаемой методике случайные факторы, представленные в результате обработки соответствующими законами распределения, формируются в вектор (структурированный массив случайных величин), входящий в состав исходных данных В общем случае вектор случайных факторов должен включать величины, учитывающие специфику проектирования, постройки и эксплуатации судна. Каждый элемент вектора \ учитывается в определенном блоке модели оптимизации судна, а проблема учета вероятностной природы исходных данных сводится к установлению вида закона распределения вероятностей рассматриваемого показателя эффективности функционирования судна как функции случайных аргументов с целью дальнейшего формирования вероятностного критерия.

Для иллюстрации основных положений предлагаемой методики формализации случайных факторов в работе рассмотрены факторы, принадлежащие к трем вышеуказанным группам:

- ветроволновые воздействия (скорость ветра - ув, высота волн - Ав, направление действия ветра - а);

- вспомогательное время (время оформления документации и маневрирования) - ¿вс;

- продолжительность периода навигации судна - г„ав;

- стоимость топлива для ГД - р/,

- нормы проведения погрузо-разгрузочных операций - ди.

В графическом виде алгоритм методики формализации случайных факторов представлен в виде блок-схемы на рисунке 1.

Рисунок 1 - Алгоритм методики формализации случайных факторов

Согласно рисунку 1 методика формализации случайных факторов подразумевает выполнение следующих действий:

1. Определение наиболее значимых факторов из числа исходных данных.

2. Определение источника и сбор данных на основе обзора справочных и других литературных источников, либо использование оригинального статистического материала, характеризующего рассматриваемое явление или процесс.

3. Пространственно-временной анализ состава и структуры рассматриваемых статистических данных, предназначенный для выявления особенностей исходного статистического материала применительно к различным районам эксплуатации судна, портам, рабочим линиям и т.п. Здесь данные подразделяются на отдельные группы или объединяются по выбранному признаку.

4. Построение гистограмм и оценка информативности исходных статистических данных I (репрезентативности выборки) на основе оценки плавности гистограмм, отображающих закон распределения исходных статистических данных. В случае недостаточной информативности выполняется процедура частотной интерполяции, обусловленная дискретностью исходного статистического материала.

5. Тестированные данных на соответствие теоретическому закону распределения на основе численной оценки значений логарифмической функции правдоподобия и принятие решения относительно использования теоретического закона распределения плотности вероятности с параметрами, наилучшим образом

удовлетворяющими исходному распределению случайной величины. В противном случае используется оригинальный закон распределения случайной величины.

Применительно к обработке ветроволновых данных в качестве исходного статистического материала выступают массивы повторяемостей высот волн РА и скоростей ветра Р„ для районов и повторяемости скоростей ветра по направлениям Ра для отдельных районов рассматриваемого моря, а методика формализации случайных факторов в этом случае позволяет осуществлять следующие действия:

- объединение данных по сезонам;

- объединение данных по районам;

- объединение данных по сезонам и районам;

- использование исходного статистического материала для каждого сезона и отдельного района рассматриваемой судоходной линии.

Весовые коэффициенты, характеризующие удельный вес каждого отдельно взятого района моря, океана, определяются по формуле:

к,=4-, (1)

Z'.

i=i

где /, - протяженность /-го района; ¿-число районов судоходной линии.

Объединение данных осуществляется по формулам: d _

- по сезонам: = = 1 ,т. (2)

j-i

-по районам: Ря = ^КкPs.

к=I

где Рs, Рд - интегральные векторы повторяемостей, полученные в результате объединения данных по сезонам и районам соответственно; ру - исходные массивы повторяемостей высот волн и скоростей ветра для рассматриваемых районов и направлений; т - количество данных, характеризующих ветроволновые воздействия в определенном районе моря для каждого сезона; п - количество сезонов.

Интегральные векторы повторяемостей Ря характеризуют годовые ветроволновые воздействия на рассматриваемой судоходной линии.

Итоговые векторы, характеризующие частоту появления каждого рассматриваемого параметра ветра и волнения, формируются по формуле вида:

Е, = а/ ■ ones(l, i= 1,..., т. (3)

где а/ - интерполированные значения данных, характеризующих высоту волн h, скорость ветра vB и направление действия ветра а, взятые с учетом шага дискретизации; ones - функция, реализующая числовой массив заданной длины, элементами которого являются единицы; р%, - повторяемости, соответствующие

интерполированным значениям элементов векторов Р«, характеризующих h, va и а.

В качестве примера на рисунке 2 показаны результаты обработки статистических данных, характеризующих годовое распределение скорости ветра для первого района Японского моря. На рисунке 2, а красная штрихпунктирная линия характеризует результаты интерполяции, вертикальные линии с маркерами в виде кружков - исходные данные (частоты скоростей ветра). На рисунке 2, б приведены результаты тестирования данных на соответствие теоретическому закону распределения и показана функция распределения для логнормального закона.

б)

0.2 0.15 0.1 0.05 0

а

6 8 10 V м/с

2 4 6 8 10 12 у«> м'с

Рисунок 2 - Результаты обработки ветроволновых данных а) - интерполяция данных по скорости ветра; б) - подбор закона распределения

В результате численных экспериментов установлено, что ветроволновые воздействия, характерные для определенных участков морей и океанов, имеют свои региональные особенности, выраженные в индивидуальности статистических распределений, что подтверждает целесообразность использования предлагаемой методики формализации случайных факторов в моделях оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов.

В третьей главе рассмотрены математические оптимизационные модели проектирования транспортных судов и отдельных их подсистем с учетом случайных факторов, имитационная модель, алгоритмы оценки мореходных качеств судна, алгоритм оптимизации и особенности формирования вероятностного критерия.

Задание на проектирование судна во многом определяет принадлежность модели к определенному системному уровню, состав и структуру аналитических зависимостей, составляющих ее основу, а также вектора оптимизируемых переменных, ограничений, требований к переменным и др. В общем виде модель оптимизации судна представляет собой упорядоченную совокупность математических выражений, равенств и неравенств, характеризующих основные свойства, качества судна и учитывающих взаимосвязи последних с его элементами, характеристиками и критерием эффективности.

В работе рассмотрены четыре вида моделей оптимизации транспортных судов, относящихся к разным системным уровням и учитывающих случайные факторы:

1. Модель оптимизации характеристик транспортного судна.

2. Модель оптимизации элементов транспортного судна.

3. Модель оптимизации подсистем транспортного судна (на примере движительно-рулевого комплекса - ДРК).

4. Смешанная модель оптимизации характеристик, элементов судна и его подсистем в рамках единой задачи.

В общем случае математическую модель задачи оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов представим в следующем виде:

F(x, с, е) —» extr

при условиях

й(х)= 0,у = 1,.--, те\ (4)

gi(x)<Q,j = те+ 1,..., т\

Xj min — — Xj щах

где х - вектор оптимизируемых переменных; с - вектор исходных данных; е - вектор случайных факторов; Дх, с, е) - скалярная целевая функция векторных аргументов х, с, е; #(х) — ограничения в виде равенств и неравенств; те - ограничения в виде равенств; т - ограничения в виде неравенств; хы„ и х1тах - нижняя и верхняя границы диапазона изменения оптимизируемых переменных соответственно.

В предлагаемой методике оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов структурная схема, соответствующая оптимизационной задаче (4) и определяющая состав основных вычислительных блоков рассмотренных в работе математических моделей показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Обобщенная структурная схема моделей оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов

Согласно рисунку 3 отличия математических моделей, относящихся к различным системным уровням, заключаются в составе векторов исходных данных и оптимизируемых переменных, структуре аналитических зависимостей, составляющих основу модели проектирования судна и его подсистем, критерии, а также в составе требований и ограничений, предъявляемых к судну. Так, при решении задачи оптимизации характеристик судна учитываются требования к обеспечению заданного объема перевозок, плавучести, вместимости и скорости. При решении задачи оптимизации элементов судна (равно как и при решении смешанной задачи оптимизации) учитывают гораздо большее количество ограничений: к плавучести, вместимости, метацентрической высоте, допустимой осадке, углу крена при бортовой качке и др. В модели оптимизации ДРК это требования отсутствия кавитации, прочности, обеспечения заданной скорости (равенство тяги, развиваемой движителем, сопротивлению судна).

В качестве оптимизируемых переменных рассматривались:

- в модели оптимизации ДРК: диаметр £)„ и обороты винта пв;

- в модели оптимизации характеристик: скорость У!, грузоподъемность

- в модели оптимизации элементов: длина L, ширина В, осадка Т, высота борта Н, коэффициент общей полноты Сь, DB и и„ (при заданных значениях Vs и Pg)\

- в смешанной модели оптимизации: L, В, Т, Н, Сь, V,, DB и я, (при заданных пределах изменения грузоподъемности судна).

Оптимизация элементов ДРК в модели оптимизации элементов судна и смешанной модели осуществляется на каждой итерации основного алгоритма во вложенных циклах модели проектирования судна.

В качестве целевых функций при оптимизации рассматривались:

- в модели оптимизации ДРК - пропульсивный коэффициент полезного действия:

¡д 1 — W 2ll Кд

где /V и ig — коэффициенты влияния неравномерности поля скоростей на упор и момент соответственно; t и w — коэффициенты засасывания и попутного потока соответственно; J - поступь гребного винта; Кт и Kq - гидродинамические коэффициенты упора и момента гребного винта соответственно.

- в моделях оптимизации характеристик, элементов транспортных судов и смешанной модели оптимизации рассматривались несколько критериев:

Стоимость перевозки одной тонны груза на заданном направлении: * = §■ (6)

где С - годовые эксплуатационные расходы; Q - годовой объем перевозок. Критерий необходимой фрахтовой ставки:

^СЧСЯ]* (7)

Q

где CR- фактор возмещения капитала; К— первоначальные капиталовложения. Фактор возмещения капитала:

= = (8) к (i+0 -i

где А - годовой доход до уплаты налога; i - эквивалентная процентная ставка; N -срок службы судна.

Критерий вновь созданной стоимости:

NPV = V—--К, (9)

где А\ - годовой доход после уплаты налога; i — коэффициент дисконтирования.

В отличие от оптимизации в детерминированных условиях, оптимизация с учетом случайных факторов подразумевает использование вероятностного критерия эффективности, в качестве которого в работе рассматривались:

- вероятность получения значения целевой функции не ниже заданного порогового значения (для максимизируемых показателей);

- вероятность получения значения целевой функции не выше порогового значения (для минимизируемых показателей).

Основу для численной оценки вероятности отклонения текущего значения целевой функции от ее порогового значения (задаваемого проектантом) составляют результаты имитационного моделирования, представленные в виде частотных гистограмм соответствующих экономических показателей (6) - (9).

Имитационная модель в данном случае представляет собой формализованное

описание логики функционирования транспортного судна как сложной технической системы и отражает последовательность типовых операций, как показано на рисунке 4. Основное назначение имитационной модели - расчет продолжительности каждой типовой операции и определение эксплуатационно-экономических показателей

функционирования судна как на каждой отдельно взятой типовой операции, так и в течение достаточно продолжительного периода времени - года.

В результате этого для вычисления значений вероятности у'-й целевой функции не выше порогового значения а используется следующее выражение:

Р,(У)= |/,(Ж>',У = 1,..,т. (10)

где Ду) - функция плотности распределенияу'-го критерия.

Р(у) характеризует площадь под кривой распределения, расположенную слева от порогового значения а рассматриваемого критерия Р(у < а) = Р(-со< у < а) и позволяет оценить эксплуатационную надежность функционирования судна и степень риска инвестора. Под эксплуатационной надежностью понимается свойство судна сохранять значения технических, эксплуатационных и экономических показателей его функционирования в заданных пределах.

В случае решения многокритериальной задачи оптимизации эксплуатационная надежность судна определяется с помощью выражения:

= (П)

Решение задачи векторной оптимизации запишется в виде:

РьЛ^') = тах Рп(Ч)- (12)

В четвертой главе рассмотрена технология численной оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов, обобщающая численные методы решения задач анализа влияния случайных факторов на оптимизируемые переменные и целевую функцию оптимизационной задачи. Для этого рассмотрены и проанализированы три способа решения задач подобного вида:

1. Параметрический анализ.

2. Имитационно-оптимизационное моделирование.

3. Оптимизационно-имитационное моделирование.

В рамках параметрического анализа оценка влияния случайных факторов на проектные характеристики транспортных судов и целевую функцию оптимизационной задачи осуществляется посредством последовательного

Рисунок 4 - Структурная схема имитационной модели

изменения значений параметров оптимизационной модели, входящих в состав исходных данных и характеризующих условия эксплуатации транспортного судна.

Имитационно-оптимизационное моделирование подразумевает проведение численных экспериментов в соответствии с алгоритмом:

1. Имитация случайных факторов.

2. Оптимизация проектных характеристик судна и его подсистем для каждого отдельно взятого сочетания значений случайных факторов.

3. Построение гистограмм, выделение совокупности судов, соответствующих моде полученного статистического распределения.

4. Формирование множества компромиссных решений (оптимальных по Парето).

5. Поиск оптимально-компромиссного решения, удовлетворяющего требованиям проектанта и заказчика (решение многокритериальной задачи выбора).

Оптимизационно-имитационное моделирование выполняется в два этапа в соответствии со следующим алгоритмом:

Этап 1. Оптимизация в детерминированных условиях:

1. Поиск оптимального варианта судна в детерминированных условиях, определение значений вектора х* и значения критерия Р*.

2. Оценка полученного решения средствами имитационного моделирования.

Этап 2. Оптимизация в стохастических условиях:

1. Формирование вектора х0 = х .

2. Задание пороговой величины вероятностного критерия эффективности.

3. Оптимизация проектных характеристик судна и его подсистем с оценкой эффективности функционирования под воздействием случайных факторов в имитационной модели во внутреннем цикле модели проектирования судна.

4. Анализ и оценка полученного решения.

Оптимизационно-имитационное моделирование - наиболее трудоемкий способ оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов. Для оценки вероятностного критерия на каждой итерации алгоритма оптимизации выполняется полный цикл итераций имитационной модели, параллельно осуществляется оптимизация подсистем в модели проектирования судна.

Далее приведем результаты, иллюстрирующие работоспособность рассмотренных выше способов решения задач анализа влияния случайных факторов на оптимизируемые переменные и целевую функцию оптимизационной задачи.

В качестве примера в таблице 1 для наливного судна приведены результаты анализа влияния изменения значений параметров, характеризующих цену на топливо р/1, скорость проведения грузовых операций ду и протяженность рабочей линии судна Л на значение целевой функции 5, рассчитанной по формуле (6).

Таблица 1 - Анализ изменения значений ( ¡ункции 5 при изменении параметров на 1 %

Величина Исх. значение Приращение Изменение в %

долл./т 600 606 1

51, долл./т 13,43 13,50 0,537

<7и, м3/ч 6000 6060 1

5, долл./т 13,43 13,42 -0,020

Я, миль 2500 2525 1

51, долл./т 13,43 13,55 0,894

Для сопоставимости результатов приращение каждого параметра в таблице 1 принято 1 %. Изменение 5 также оценивалось в процентах. Аналогичные расчеты выполнены для критериев ЛЕЯ, А'РУи СЯР, рассчитанных по формулам (7) — (9).

Помимо анализа влияния изменения значений параметров на значения целевых функций (6) - (9), в работе выполнена численная оценка влияния указанных параметров на оптимальные сочетания значений характеристик транспортных судов -скорости и грузоподъемности. Также средствами параметрического анализа показана возможность учета динамики окружающей среды и выполнена оценка функциональной эффективности судна в течение периода, равного сроку службы судна (25 лет) до момента его списания. Рассматривались два варианта постановки задачи: в первом случае цена на топливо принималась постоянной в течение всего срока службы судна, во втором - цена на топливо изменялась ежегодно в соответствии с прогнозными оценками, полученными для периода с 2000 по 2025 гг. При этом учитывались воздействия прочих случайных факторов, рассматриваемых в работе и характеризующих влияние на судно внешней среды. Для оценки полученных проектных решений использовался критерий приведенной стоимости:

™ = К + (13)

В результате расчетов критерия Р1У эксплуатационные затраты, характерные для каждого года эксплуатации судна, представляются в виде частотных гистограмм, что позволяет определить наиболее вероятные значения годовых эксплуатационных затрат С для каждого года эксплуатации судна с учетом воздействия случайных факторов и динамики окружающей среды.

На рисунке 5 показаны результаты оптимизации и оценки влияния случайных факторов (СФ) на проектные характеристики транспортных судов (при фиксированных значениях грузоподъемности судна) и значения критерия Л/Г/?, полученные в результате имитационно-оптимизационного моделирования.

2 3 4 5 и 1 2 3

х104 Р*'т хЮ4

Рисунок 5 - Результаты имитационно-оптимизационного моделирования: ■ оптимальные решения (детерминированная оптимизация); б — сравнительный анализ; в - разница между имитацией и оптимизацией с учетом СФ в %

Средствами имитационного моделирования оценивалась степень влияния случайных факторов на критерий ЯРЯ для оптимальных вариантов судов, полученных в детерминированных условиях при фиксированных значениях Рк, и судов, оптимизированных с учетом случайных факторов. Численная оценка

отклонения результатов имитационного моделирования от результатов оптимизации с учетом случайных факторов показана на рисунке 5, в.

В результате сопоставительных расчетов установлено, что учет случайных факторов на начальных стадиях проектирования транспортных судов позволяет улучшить проектное решение, полученное в детерминированных условиях при средних значениях СФ. С увеличением водоизмещения судов влияние СФ снижается до 2 - 3 %, т.к. уменьшается влияние гидрометеорологических воздействий.

Применительно к имитационно-оптимизационному моделированию в работе рассмотрен пример определения оптимального варианта судна, принадлежащего бину, характеризующему моду полученного распределения экономического критерия и содержащего множество наиболее вероятных допустимых решений задачи оптимизации судна с учетом случайных факторов. В этом случае целесообразно оценивать альтернативные варианты проектных решений с различных позиций, т.е. решать многокритериальную задачу выбора оптимальной проектной альтернативы. В работе рассмотрены следующие критерии: фрахтовая ставка ЯРЯ, годовой объем перевозок <2 и стоимость судна К.

На рисунке б показано решение многокритериальной задачи выбора методом идеальной точки, согласно которому оптимальным считается ^ решение, расположенное в пространстве критериев ближе всего к идеальной точке г :

*=1

где д -весовые коэффициенты; г* -текущее значение к-го критерия; - идеальная точка.

х ю

2.2 2

ч с:

§ 18 * 1.6

х 10

0-

о

а-

оо

- - ^ - ^ .а «

О ОЯа

О тш(Ми)

• тах(О)

о т1п(К)

о Рагсю

* Ид.Точка

-I- в"

3.5 25.5

25.6

25.7

£?,т ЯЛЯ. долл./т

Рисунок 6 - Поиск оптимально-компромиссного решения методом идеальной точки

Зеленые точки на рисунке 6 соответствуют доминируемым решениям, красные - компромиссным (оптимальным по Парето), идеальная точка, координаты которой приняты равными наилучшим значениям каждого критерия в отдельности, изображена звездочкой. Оптимально-компромиссное решение, характеризующее равную значимость всех критериев для проектанта (у[ = у2 = Уз = 0,333), отмечено черной точкой и соединено с идеальной точкой штриховой линией. Кроме того, в работе проанализировано изменение положения оптимально-компромиссного решения, характеризующего оптимальный вариант судна с учетом предпочтений проектанта и заказчика, в зависимости от значений весовых коэффициентов у.

В рамках исследования особенностей методов оптимизационно-имитационного моделирования применительно к оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов в работе выполнена оценка проектных решений при различном сочетании факторов, оказывающих влияние на судно в процессе эксплуатации, а также оценка влияния задаваемого порогового значения

рассматриваемого критерия эффективности на вероятностную целевую функцию.

На рисунке 7 приведены результаты оптимизации транспортного судна (навалочника) с учетом случайных факторов. Детерминированному варианту соответствует решение = = 10,54 долл./т., для которого оптимизируемые переменные равны: Ь = 206,14 м; В = 34,36 м; Н= 14,50 м; Т = 10,85 м; К = 14,0 уз.; Сь = 0,842. Результатам имитационного моделирования соответствует гистограмма 1 со средним значением критерия 5 = Гт = 12,16 долл./т. Решению, полученному посредством оптимизационно-имитационного моделирования с учетом СФ, соответствует гистограмма 2 со средним значением критерия 5 = Ктор, = 11,76 долл./т и значениями оптимизируемых переменных: Ь = 219,64 м; В = 36,60 м; Н = 15,98 м; Т = 11,88 м; V, = 14,0; Сь = 0,852. Разница между результатами имитации и оптимизации с учетом случайных факторов равна: - Ртор1 = 0,391 долл./т.

В результате анализа результатов численных экспериментов, проведенных в соответствии с основными положениями предлагаемой методики оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов и рассмотренной выше технологии численной оптимизации в частности, в работе сделаны следующие выводы и практические рекомендации:

1. Использование методики оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов позволяет на начальных стадиях проектирования учитывать случайные воздействия со стороны внешней среды, региональные и временные особенности судоходных линий.

2. Суда, оптимизированные с учетом случайных факторов, в среднем имеют лучшие показатели функционирования в сравнении с судами, оптимизированными в детерминированных условиях без учета случайных факторов (эффект порядка 5%).

3. Наибольшее влияние на характеристики транспортных судов и критерии Б, ЛТК, МРУ и СЙР, отражающие эффективность их функционирования, оказывает протяженность рабочей линии, вторым по важности параметром является цена топлива для ГД, третьим - скорость проведения грузовых операций.

4. С увеличением протяженности рабочей линии транспортные расходы возрастают, при этом для судов с большей грузоподъемностью расходы возрастают менее интенсивно, чем для судов меньшего водоизмещения.

5. Для каждого значения грузоподъемности существует оптимальное значение проектной скорости хода судна, соответствующее конкретной цене на топливо для ГД. При этом общая тенденция такова, что с увеличением стоимости топлива оптимальное значение проектной скорости хода судна уменьшается.

Ч

хш

.!* Г

10 11 12 13 14 15 16 Б, долл./т

Рисунок 7 - Результаты оптимизационно-имитационного моделирования

6. С увеличением грузоподъемности судна транспортные расходы снижаются, а оптимальные значения скоростей хода, соответствующие конкретным значениям цены на топливо для ГД, смещаются в сторону больших значений.

7. С увеличением протяженности рабочей линии значения грузоподъемности и скорости, соответствующие оптимальным значениям критерия ТУ<7?, увеличиваются, а сами оптимальные значения критерия ЛЕЯ при этом возрастают.

8. С увеличением скорости грузовых операций значения грузоподъемности и скорости судна, соответствующие оптимальным значениям критерия НТК увеличиваются, а само оптимальное значение критерия ЯЕЯ уменьшается.

9. С увеличением цены топлива значения грузоподъемности растут, скорости уменьшаются, а соответствующие им оптимальные значения критерия Д/7? увеличиваются.

10. С увеличением грузоподъемности, а соответственно и водоизмещения транспортных судов, влияние гидрометеорологических факторов уменьшается.

11. Оптимизацию подсистем целесообразно выполнять во вложенных циклах модели проектирования судна, что устраняет необходимость дальнейшей корректировки проектных решений, относящихся к рассматриваемой подсистеме.

12. Использование на начальных стадиях проектирования транспортных судов средних значений, равных математическому ожиданию исходных статистических распределений случайных величин, повышает точность расчетов и приближает их к результатам оптимизации с учетом случайных факторов.

13. Использование в проектных расчетах законов распределения случайных факторов, близких к нормальному, при моделировании приводит к незначительному отклонению статистических характеристик получаемых распределений экономических показателей от их среднего значения.

14. Методы имитационно-оптимизационного моделирования более предпочтительны для оценки влияния случайных факторов на оптимизируемые переменные и критерии эффективности судна при произвольном количестве оптимизируемых переменных. Для анализа судов-претендентов указанные методы позволяют учитывать критерии, характеризующие различные свойства и качества судна.

15. При имитационно-оптимизационном моделировании для создания множества оптимальных вариантов судов-претендентов рекомендуется использовать бин, соответствующий моде полученного распределения, а для сокращения количества анализируемых вариантов использовать принцип оптимальности по Парето.

16. При решении задачи оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов средствами оптимизационно-имитационного моделирования, при задании порогового значения целевой функции необходимо ориентироваться на значение результатов имитационного моделирования и детерминированной оптимизации, т.к. в случае некорректного задания порогового значения целевая функция переходит в плоскость, что исключает поиск оптимального решения.

17. Для сокращения времени вычислений при оптимизационно-имитационном моделировании целесообразно использовать рабочие станции, поддерживающие технологию параллельных вычислений.

18. Для более полной и разносторонней оценки проектных альтернатив с учетом случайных факторов средствами оптимизационно-имитационного моделирования целесообразно решать задачу многокритериальной оптимизации.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертации, определяющие ее научную новизну и практическую ценность.

В представленной диссертационной работе решена важная научная задача, имеющая прикладное значение и направленная на разработку и совершенствование методик проектирования транспортных судов с учетом случайных факторов, а именно, разработана методика оптимизации характеристик транспортных судов с учетом технических, эксплуатационных и экономических случайных факторов на начальных стадиях проектирования. Предложенные решения позволяют на начальных стадиях проектирования транспортных судов учитывать случайные воздействия на судно со стороны внешней среды, а также региональные и временные особенности судоходных линий и жизненного цикла судна в целом.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Систематизированы и проанализированы существующие методы, модели и методики оптимизации характеристик транспортных судов и их подсистем.

2. Разработана методика формализации случайных факторов, позволяющая на начальных стадиях проектирования транспортных судов учитывать региональные и временные особенности судоходных линий.

3. Разработана имитационная модель функционирования транспортного судна, учитывающая случайные факторы, оказывающие влияние на его эффективность в процессе эксплуатации.

4. Разработана математическая модель проектирования транспортного судна и его подсистем, с нелинейными зависимостями для оценки влияния случайных факторов на целевую функцию и оптимизируемые переменные.

5. Разработана технология численной оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов, обобщающая численные методы решения задач анализа влияния случайных факторов на оптимизируемые переменные и целевую функцию задачи проектирования судна.

6. Проведены численные эксперименты, на основе анализа результатов которых даны практические рекомендации по разработке математических моделей оптимизации транспортных судов и по выбору их проектных характеристик и элементов с учетом случайных факторов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

Публикации в изданиях перечня ВАК:

1. Китаев, М.В. Учет требований к параметрической надежности при проектировании судов / М.В. Китаев // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. - 2007.- № 10. - С. 23 - 24.

2. Китаев, М.В. Определение характеристик движительного комплекса судов на основе имитационного моделирования / М.В. Китаев // Журнал «Морские интеллектуальные технологии», г. Санкт-Петербург. - 2010. II Российская научно-практическая конференция судостроителей. Единение науки и практики 2010. НТО судостроителей им. Академика А.Н. Крылова. (Спецвыпуск). - С. 92 - 97.

3. Китаев, М.В. Методика формализации экспериментальных ветроволновых данных для моделей оптимизации проектирования судов с учетом случайных факторов / C.B. Антоненко, М.В. Китаев // Морские интеллектуальные технологии. - 2011. - №1 (Спецвыпуск).-С. 34-40.

4. Китаев, М.В. Оптимизация элементов и характеристик судов с учетом случайных факторов / В.Г. Бугаев, М.В. Китаев // Морские интеллектуальные технологии. - 2011. - №1. (Спецвыпуск). - С. 41 - 47.

5. Китаев, М.В. Методика оценки влияния параметров оптимизационной модели на основные характеристики транспортных судов / В.Г. Бугаев, М.В. Китаев // Морские интеллектуальные технологии. - 2013. - № 2. (Спецвыпуск). - С. 13-18.

6. Китаев, М.В. Оценка влияния параметров модели оптимизации характеристик транспортных судов на оптимальное решение и значения критериев экономической эффективности / В.Г. Бугаев, М.В. Китаев // Морские интеллектуальные технологии. -2013. - № 2. (Спецвыпуск). - С. 19 - 24.

Публикации в сборниках трудов российских и международных конференций и научных трудов высших учебных заведений:

7. Китаев, М.В. Выбор типа пропульсивного комплекса для судов с несколькими режимами движения / C.B. Антоненко, М.В. Китаев // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: Сб. науч. тр. / под ред. Быкова В.И., Луценко В.Т., Турмова Г.П. Вып. 46. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006.-С. 38-47.

8. Китаев, М.В. Проектирование объектов морской техники с учетом параметрической надежности / М.В. Китаев, В.Г. Бугаев // Сб. докладов. Всероссийская науч. техн. конф. «Приоритетные направления развития науки и технологий». Тула. - РХО им. Д.И. Менделеева, 2007. - С. 184 - 186.

9. Китаев, М.В. Учет требований к надежности функционирования при проектировании морских судов / М.В. Китаев // Материалы VII международной науч. практ. конф. «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (FEBRAT - 2007), Академия транспорта РФ, Владивосток, 2007. - С. 102 - 104.

10. Китаев, М.В. Теоретические и практические аспекты модернизации и поддержания работоспособного состояния судов / М.В. Китаев // Proceedings of International Conference With the Element of Science School in the Field of Shipbuilding

for Youth of Asian-Pacific Region Countries/ Far-Eastern National Technical University. -Vladivostok, 2010. - P. 6 - 15.

11. Китаев, M.B. Использование современных методов оптимизации для решения внешней задачи проектирования судов / М.В. Китаев, М.О. Латухин // Proceedings of International Conference With the Element of Science School in the Field of Shipbuilding for Youth of Asian-Pacific Region Countries/ Far-Eastern National Technical University. - Vladivostok, 2010. - P. 82-86.

12. Kitaev, M.V. Design features of screw propeller designing for ships with a several regime of movement / S.V. Antonenko, M.V. Kitaev // Proceedings of the 20,h Asian Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures (TEAM - 2006), Seoul, Korea, October 15- 18, 2006. - P. 407 - 413.

13. Kitaev, M.V. Methodological Principles of Transport Ship Optimization Design with Taking into Account the Random Factors/ V.M. Dorozhko, M.V. Kitaev // Proceedings of the 23d Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures (TEAM-2009). Kaohsiung, Taiwan, 2009. - P. 500 - 507.

14. Kitaev, M.V. New Method for Screw Propeller Type and Characteristics Substantiation / S.V. Antonenko, M.V. Kitaev // Proceedings of the 23d Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures (TEAM-2009). Kaohsiung, Taiwan, 2009. - P. 112 - 120.

15. Kitaev, M.V. The Research of Aerodynamic Characteristics of Ship's Superstructures / M.V. Kitaev, M.O. Latukhin // Proceedings the 5th Asia Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics, Osaka, Japan, July 1-4, 2010. - P. 79 - 82.

16. Kitaev, M.V. Method of accounting of experimental wind and wave data in early stages of a ship design process / M.V. Kitaev, V.G. Bugaev, S.V. Antonenko // Proceedings of the 27lh Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures (TEAM-2013), Keelung, Taiwan, September 9 - 12, 2013. - P. 339 -345.

Китаев Максим Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНЫХ СУДОВ С УЧЕТОМ ТЕХНИЧЕСКИХ, ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ СЛУЧАЙНЫХ ФАКТОРОВ НА НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.11.2013. Формат 60х84'/16 Усл. печ. л. 1 Уч. изд. л. 1 Тираж 120 экз. Заказ 607

Отпечатано в Дирекции публикационной деятельности ДВФУ 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ)

04201450850

На правах рукописи

Китаев Максим Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНЫХ СУДОВ С УЧЕТОМ ТЕХНИЧЕСКИХ, ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ СЛУЧАЙНЫХ ФАКТОРОВ НА НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.08.03 - Проектирование и конструкция судов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Антоненко С.В.

Владивосток 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1 Обзор методов и методик оптимизации характеристик транспортных судов учитывающих

случайные факторы..............................................................................................................................................10

1.1 Автоматизация начальных стадий проектирования и виды задач оптимизации судов.....................10

1.2 Методы и методики оптимизации характеристик транспортных судов в детерминированных условиях..................................................................................................................................................................12

1.2.1 Методы и методики оптимизации подсистем транспортных судов..................................................14

1.2.2 Методы и методики оптимизации характеристик и элементов транспортных судов....................19

1.2.3 Недостатки детерминированных методов и методик оптимизации характеристик транспортных судов........................................................................................................................................................................26

1.3 Методы и методики оптимизации характеристик транспортных судов, учитывающие случайные

факторы...................................................................................................................................................................27

1.3.1 Недостатки методов и методик оптимизации характеристик транспортных судов, учитывающих случайные факторы..............................................................................................................................................33

1.4 Постановка цели и задач исследования, структурная схема работы.....................................................34

Глава 2 Методика формализации случайных факторов................................................................................39

2.1 Общие положения..........................................................................................................................................39

2.2 Классификация случайных факторов.........................................................................................................40

2.3 Алгоритм и основные положения методики формализации случайных факторов............................42

2.4 Формализация экономических и технических случайных факторов....................................................45

2.5 Формализация эксплуатационных случайных факторов........................................................................50

2.5.1 Особенности формализации ветроволновых данных...........................................................................50

2.5.2 Обработка исходных статистических данных и генерация случайных ветровых и волновых воздействий............................................................................................................................................................51

2.6 Выводы по главе.............................................................................................................................................61

Глава 3 Модели оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов................................62

3.1 Общие положения..........................................................................................................................................62

3.2 Классификация моделей оптимизации транспортных судов.................................................................63

3.3 Модель оптимизации элементов движительно-рулевого комплекса....................................................67

3.4 Модель оптимизации характеристик транспортных судов.....................................................................75

3.5 Модель оптимизации элементов транспортных судов и смешанная модель оптимизации.............82

3.5.1 Основные модельные представления......................................................................................................82

3.5.2 Алгоритм расчета водоизмещения и строительной стоимости транспортного судна....................87

3.5.3 Алгоритм определения элементов бульбовой носовой оконечности................................................89

3.5.4 Алгоритм определения высоты надводного борта................................................................................92

3.5.5 Алгоритм определения параметров бортовой качки судна.................................................................94

3.5.6 Алгоритм определения характеристик остойчивости судна...............................................................96

3.5.7 Технология формирования геометрической модели корпуса судна..................................................98

3.6 Имитационная модель функционирования транспортных судов..........................................................99

3.7 Алгоритм оптимизации...............................................................................................................................103

3.8 Особенности формирования вероятностного критерия в моделях оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов...............................................................................................................106

3.9 Выводы по главе...........................................................................................................................................108

Глава 4 Технология численной оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов...............................................................................................................................................................109

4.1 Основные положения...................................................................................................................................109

4.2 Параметрический анализ.............................................................................................................................112

4.2.1 Использование методов параметрического анализа для проектирования подсистем..................112

4.2.2 Оценка влияния параметров оптимизационных моделей на характеристики и критерии эффективности транспортных судов...............................................................................................................115

4.2.3 Учет случайных факторов и динамики окружающей среды средствами параметрического анализа..................................................................................................................................................................125

4.3 Имитационно-оптимизационное моделирование...................................................................................129

4.3.1 Оценка влияния случайных факторов на суда различной грузоподъемности...............................129

4.3.2 Оптимизация элементов транспортного судна с учетом случайных факторов средствами имитационно-оптимизационного моделирования........................................................................................132

4.4 Оптимизационно-имитационное моделирование...................................................................................139

4.4.1 Оптимизация элементов транспортного судна с учетом случайных факторов средствами оптимизационно-имитационного моделирования.......................................................................................139

4.4.2 Сравнительная оценка результатов оптимизации с учетом случайных факторов с базовым судном...................................................................................................................................................................147

4.5 Алгоритм методики оптимизации характеристик транспортных судов с учетом технических,

эксплуатационных и экономических случайных факторов........................................................................149

4.5 Выводы по главе...........................................................................................................................................150

Выводы и практические рекомендации..........................................................................................................151

Заключение...........................................................................................................................................................153

Литература...........................................................................................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................................................................162

Введение

Актуальность темы исследования. Эффективность морских транспортных судов определяется значениями их эксплуатационно-экономических показателей, во многом зависящих от расчетных методов и методик, а также характера и достоверности исходных данных, использованных на начальных стадиях проектирования. При этом большая часть расчетов, выполняемых на начальных стадиях проектирования, производится в предположении, что данные, характеризующие как само судно, так и условия его проектирования и эксплуатации, являются неизменными на протяжении всего срока службы.

Очевидным является тот факт, что внешняя среда по отношению к судну является вероятностной и большинство процессов, связанных с проектированием, постройкой и эксплуатацией транспортных судов, носят вероятностный характер. Вследствие этого выполнение проектных расчетов без учета вероятностного характера исходных данных приводит к искажению представлений об истинной экономической эффективности вновь создаваемых судов и не позволяет учитывать динамику окружающей среды, а также региональные и временные особенности судоходных линий и жизненного цикла судна в целом. Тогда как современные тенденции в области проектирования судов говорят о необходимости использования вероятностных методов и методов теории надежности при проектировании и оценки функциональной эффективности транспортных судов [7, 8, 39, 79, 92, 120, 121].

Для современного состояния мировой экономики характерно глобальное разделение производства, при котором морские перевозки приобрели качественно новое направление, характеризующееся использованием специализированных судов, интенсивно эксплуатируемых на определенных транспортных линиях. Отсутствие простых и доступных инженерных методик обработки случайных факторов, характеризующих региональные и временные особенности регулярных судоходных линий, существенно влияет на достоверность оценки эффективности таких судов. В результате этого возникает необходимость разработки методики оптимизации транспортных судов с учетом случайных факторов, позволяющей на начальных стадиях проектирования учитывать динамику окружающей среды, региональные и временные особенности конкретных судоходных линий.

Большинство существующих методов и методик оптимизации транспортных судов не учитывают вероятностный характер исходных данных [10, 12, 13, 20, 26, 42, 43, 46, 60, 68,]. Отдельные попытки учета сводятся либо к моделированию случайного характера условий эксплуатации судна на основе методов имитационного моделирования [2, 7, 40,48, 66, 77], либо к оценке влияния отдельных параметров из числа исходных данных (чаще всего экономических

нормативов) на эксплуатационные и экономические показатели, характеризующие функциональную эффективность судна [6, 36 — 38,43, 81, 82, 117].

Следует особо подчеркнуть отсутствие простых инженерных методик оптимизации транспортных судов, учитывающих случайные факторы и региональные и временные особенности судоходных линий, что существенно влияет на достоверность оценки их эксплуатационной эффективности. Попытки создания подобных методик сводятся к тому, что в проектных расчетах используют известные теоретические законы распределения случайных величин, которые не отражают реальных условий проектирования постройки и эксплуатации судна [14, 61, 39, 8, 92, 95].

В отечественной практике проектирования основоположниками развития и практического использования методов оптимизации явились В.В. Ашик, Л.Б. Бреслав, A.B. Бронников, В.Г. Бугаев, А.Н. Вашедченко, М.В. Войлошников, А.И. Гайкович, B.C. Дорин, И.Г. Захаров, В.И. Краев, В.М. Пашин, Ю.Н. Поляков, А.И. Раков, В.П. Соколов, Л.Ю. Худяков, Б.А. Царев и др.

В зарубежной печати наиболее известны научные работы таких авторов, как Н. Benford, V. Bertram, М. Buxton, K-Ch. Choi, J.P. Comstock, R.O. Goss, P. Cudina, K.W. Fisher, A.W. Gilfillan, T. Lamb, R.D. Murphy, M.G. Parsons, P.A. Rigo, R.L. Scott, R.J. Taylor, D.M. Watson, L. Xuebin, V. Zanic и др.

Настоящая работа является дальнейшим развитием работ В.Г.Бугаева и М.В. Войлошникова в области параметрической надежности функционирования транспортных судов и оценки их экономической эффективности при проектировании с позиций инвестора.

Проблема учета случайного характера исходных данных при проектировании и оптимизации транспортных судов до определенного момента сдерживалась и осложнялась отсутствием достаточного вычислительного ресурса и соответствующего программного потенциала, что обусловливалось необходимостью многократного повторения оптимизационно-имитационных процедур в алгоритмах оптимизации проектных характеристик и элементов транспортных судов. Более того, в свое время имитационное моделирование считалось бесперспективным методом, т.к. требует больших затрат машинного времени [56].

Так, с целью сокращения объема и времени вычислений одни исследователи прибегают к упрощению алгоритмов оптимизации проектирования судов с учетом случайных факторов, используя, например, методы восстановления функции распределения рассматриваемого критерия эффективности по известным моментам распределений исходных данных [52, 56]. Другие, вместо оптимизационно-имитационных процедур, направленных на непосредственный поиск оптимального решения, используют только имитационные модели с дальнейшим анализом полученных вариантов решений [2, 48, 66, 77].

В общих чертах задачу учета вероятностной природы исходных данных в моделях оптимизации и проектирования судов можно разделить на два этапа [56]:

1. Определение величин, носящих случайный характер и оказывающих существенное влияние на эксплуатационно-экономические показатели функционирования судов.

2. Установление вида распределения вероятностей принятого критерия эффективности как функции случайных аргументов.

При этом неотъемлемыми составляющими методик оптимизационного проектирования транспортных судов являются: математическая модель проектирования судна, имитационная модель функционирования судна и алгоритм оптимизации. Именно эти три составляющие определяют специфику и трудоемкость оптимизационной задачи.

Использование современных компьютерных технологий и развитие математических методов оптимизации позволяет решать задачи оптимизации судов на качественно ином уровне, связанном с возможностью использования современного информационного и вычислительного потенциала, полной или частичной автоматизацией проектно-конструкторских и производственных задач, что ведет к сокращению сроков проектирования, повышению качества, технологичности и эффективности вновь создаваемых судов.

Из вышесказанного следует, что в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к развитию и совершенствованию методологического аппарата теории проектирования судов в области проектной оптимизации. Дальнейший прогресс в решении научно-исследовательских и производственных задач в области судостроения в значительной мере будет определяться развитием не только систем автоматизированного проектирования, используемых на более поздних стадиях разработки проектов судов, но и специализированных моделей, методов и методик оптимизации судов, используемых на начальных стадиях проектирования. Таким образом, высокая степень динамичности окружающей среды и указанные особенности требуют разработки и использования при проектировании новых методов и подходов к оценке функциональной эффективности судов и учету специфики, региональных и временных особенностей судоходных линий.

В свете современных достижений в области проектирования судов и информационных технологий возникает вопрос о целесообразности разработки методики оптимизации транспортных судов, позволяющей на начальных стадиях проектирования учитывать как случайные факторы и внешние воздействия со стороны внешней среды, так и региональные и временные особенности судоходных линий и жизненного цикла судна в целом.

В работе рассматривались технические, эксплуатационные и экономические случайные факторы (далее - случайные факторы), а основные положения предлагаемой методики проиллюстрированы на примере морских грузовых судов (танкеры, балкеры и контейнеровозы).

Объектом исследования являются морские транспортные суда.

Предмет исследования — математические методы и методики оптимизации характеристик, элементов транспортных судов и их подсистем.

Цель работы - разработка методики оптимизации характеристик транспортных судов с учетом технических, эксплуатационных и экономических случайных факторов на начальных стадиях проектирования.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Систематизированы и проанализированы существующие методы, модели и методики оптимизации транспортных судов и их подсистем.

2. Разработана методика формализации случайных факторов, позволяющая на начальных стадиях проектирования транспортных судов учитывать региональные и временные особенности судоходных линий в течение всего срока службы судна.

3. Разработана имитационная модель функционирования транспортного судна, учитывающая случайные факторы, оказывающие влияние на его эффективность.

4. Разработана математическая модель проектирования транспортного судна и его подсистем с нелинейными зависимостями для оценки влияния случайных факторов на целевую функцию и оптимизируемые переменные.

5. Разработана технология численной оптимизации характеристик транспортных судов с учетом случайных факторов.

6. Проведены численные эксперименты, на основе анализа результатов которых даны практические рекомендации по разработке математических моделей оптими