автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Проблема синтеза моделей механизма предвидения для экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна

На правах рукописи

Юдин Юрий Иванович

ПРОБЛЕМА СИНТЕЗА МОДЕЛЕЙ МЕХАНИЗМА ПРЕДВИДЕНИЯ ДЛЯ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ БЕЗОПАСНУЮ ЭКСПЛУАТАЦИЮ СУДНА

05 22 19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Мурманск - 2007

003065943

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет"

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Скороходов Дмитрий Алексеевич, доктор технических наук, профессор Соловьев Андрей Аркадьевич, доктор технических наук, профессор Развозов Сергей Юрьевич

Ведущая организация - ЗАО "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота"

Защита состоится СРП"ир Я 2007 года часов на заседании

диссертационного совета ДМ 30/ 002 02 по присуждению ученой степени доктора технических наук при ФГОУ ВПО "Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота" (БГАРФ) по адресу

23&029,

Калининград, ул Молодежная, д 6, зал заседаний Ученого совета (ауд 201)

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим высылать в БГАРФ по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан года

Ученый секретарь диссертационного совета д-р пед наук, профессор

Н Ю Бугакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертационной работы определяется ее направленностью на решение одной из важнейших проблем мирового судоходства - обеспечение безопасной эксплуатации судов Высокий уровень аварийности судов, катастрофы на морском транспорте, приводящие к гибели людей, серьезным экономическим потерям и негативным экологическим последствиям, - все это свидетельствует о том, что проблема безопасной эксплуатации судов требует пристального внимания к ней как ученых, так и практиков, работающих над изучением и решением задач, связанных с безопасностью судовождения

Практическая значимость решения задач, связанных с обеспечением безопасности судовождения в современных условиях, убедительно подтверждается результатами анализа состояния и перспектив развития транспортных операций по перевозке нефти и нефтепродуктов в Арктических морях Географические особенности этих районов делают опасной, дорогостоящей и, следовательно, экономически невыгодной перекачку нефти

по трубопроводу, поэтому предпочтение отдается танкерному флоту — * \ » - » 1 Около 50 % транспортируемой морем нефти приходится на нефть,

добытую на континентальном шельфе Таким образом, танкерный флот, по сути, является структурной единицей технологического процесса добычи и переработки углеводородного сырья При существующих в настоящее время способах добычи нефти и газа в прибрежных районах Арктических морей можно считать танкерные перевозки главным, а порой и единственным способом доставки нефти из района промысла на перерабатывающие предприятия и береговые терминалы

Использование танкерного флота для транспортировки нефти в сложных гидрометеорологических условиях создает определенный риск возникновения аварий и, как следствие, экологических катастроф Любая авария на танкере или в районе его погрузки может привести к необратимым экологическим последствиям, к которым весьма чувствительна природа Севера.

Об определенной вероятности аварии свидетельствуют статистические данные, характеризующие общее состояние аварийности судов, плавающих под российским флагом Согласно данным, опубликованным в журнале "Морской флот" в 2003 г, за 10 лет она увеличилась в четыре раза По классификации Российского морского регистра судоходства,

основными причинами аварийных случаев являются недостаточное знание судоводителями маневренных характеристик судна и правил плавания в сложных навигационных и гидрометеорологических условиях

Экологические последствия танкерных перевозок нефти, риск и статистика аварий подробно рассмотрены в хорошо известных публикациях Нельсона-Смита (1977) и Международной морской организации (1993) Вероятность аварий танкеров водоизмещением более 10 тыс т оценивается в 2 3 % на каждые 10 млн т дедвейта По данным ИМО, удельная аварийность танкеров водоизмещением более 6 тыс т в конце XX века составляла 2 % Основными причинами аварийности танкерного флота, занятого перевозкой углеводородного сырья (большей частью сырой нефти), являются посадки танкеров на мель и столкновения с другими судами Каждый второй случай посадки на мель или столкновения является следствием неучета или неправильного учета влияния внешних факторов на маневренные характеристики судна Этот факт весьма существенен при постановке задачи планируемого исследования

Известны случаи танкерных аварий непосредственно в зоне эксплуатации нефтяных месторождений Такие аварии еще более опасны, так как происходят в районе большого скопления нефти (нефтехранилища, нефтепроводы и т п ) Показательна в этом отношении авария, произошедшая в 1978 г у берегов Шетландских островов, когда танкер "Esso Вегтнса" полупил пробоину во время швартовки На ликвидацию последсгвий аварии ушло более шести месяцев

Катастрофическими по своим последствиям могут быть аварии в особо чувствительных в силу природных особенностей районах, к которым относятся в первую очередь Арктические Так, в марте 1989 г на мелководье в одном из проливов у южного побережья Аляски потерпел крушение нефтяной танкер "Exxon Valdiz 'со 170 тыс т нефти, добытой на арктическом шельфе моря Бофорта В общей сложности вылилось около 40 тыс т нефти, которые превратили уникальную по чистоте и природным богатствам прибрежную полосу протяженностью в несколько сотен миль в зону экологического бедствия Расходы на ликвидацию последствий экологической катастрофы с учетом всех сопутствующих затрат составили 15 млрд долларов

Приведенные примеры заставляют задуматься о тех опасностях, которые вероятны при промышленной добыче нефти на шельфе Баренцева

и Карского морей Транспортировка добытого на этих месторождениях углеводородного сырья будет осуществляться в основном танкерным флотом, состоящим из танкеров ледового класса водоизмещением от 25 до 120 тыс т и более

Статистика аварийности судов мирового флота за последние годы привлекла внимание ИМО к теоретическим вопросам в области обеспечения безопасной эксплуатации судов вообще и безопасности судовождения в частности Это нашло отражение в Протоколах и Резолюциях ИМО, в применимых Международных конвенциях, направленных на создание общих принципов и единых методов оценки и определения условий безопасной эксплуатации судов на всех стадиях ее обеспечения, включая проектирование, строительство и эксплуатацию

Заметные успехи в области разработки и создания сложных судовых технических систем не только при проектировании, строительстве и эксплуатации, но и в организационно-техническом плане способствуют надежному управлению безопасной эксплуатацией судов Прогресс в этой области требует проведения исследований, в которых оценивается взаимодействие судовых технических систем, с одной стороны, и человека-оператора (судоводителя), использующего их в управлении судном, с другой При этом формируются научные направления как в области проектирования судовых технических систем, учитывающих определенные особенности судоводителя, так и в области разработки элементов его поведения, способствующих повышению надежности функционирования сложной социотехнической системы

Интерес к таким направлениям в исследовании и проектировании связан в первую очередь с тем, что повышение надежности функционирования социотехнической системы "сдерживается" человеческим фактором или в соответствии с терминологией ИМО - человеческим элементом Поэтому следует признать весьма актуальной дальнейшую активизацию исследований, связанных с формированием элементов поведения судоводителя как при восприятии им информации от систем отображения с мультимедийным способом представления информационных переменных, так и при управлении состоянием сложного объекта, которым является современное судно, особенно в условиях выполнения им ключевых судовых операций, к которым с большой долей уверенности можно отнести, например, швартовные операции, выполняемые в условиях открытого моря

Так, точечная швартовка к приемному устройству нефтепровода осуществляется, как правило, в условиях открытого моря и далеко не всегда в благоприятных гидрометеорологических условиях Остановить судно большого тоннажа в заданной точке, в заданном положении даже в маловетрие, при отсутствии волнения, минимальном течении - задача непростая, требующая от судоводителя большого мастерства и высоких профессиональных навыков Если же в районе складываются неблагоприятные гидрометеорологические условия, выполнение маневра еще больше осложняется, особенно в тех случаях, когда судоводитель недостаточно представляет последствия воздействия внешних факторов на маневренные характеристики судна Без прогнозирования поведения судна перед выполнением действий по его управлению невозможно в полной мере достичь цели управления, при этом вероятны частые прерывания уже начавшегося движения, корректировка траектории и, как следствие, в лучшем случае -непроизводительные затраты времени, в худшем - аварийная ситуация

Необходимость исследований, связанных с формированием элементов поведения судоводителя при использовании им информации, поступающей от судовых технических средств, в целях обеспечения безопасных режимов управления судном, можно мотивировать статистическими данными, приведенными Wold Casualty Statistics and Lloyd's Casualty Week Publication за период с 1994 по 2004 гг В результате аварий мирового флота погибло 6 693 человека, было потеряно 2 225 средних и крупных судов

Соотношение морских аварий в мировом флоте за этот период можно дать в виде следующего перечня

опасный крен - 3 95 % потеря водонепроницаемости - 3 11%,

погодные явления - 1 43 %, пожары, взрывы - 13 65 %, повреждения - 1 44 %, опрокидывание - 3 62 %,

навалы - 3 66 %, столкновения - 14 78 %,

технические причины - 17 05 %, кораблекрушения - 23 22 %, разрушение - 10 28 %, остальные виды - 3 81 %

В общей сложности причиной 80 % перечисленных аварий является человеческий фактор, поэтому все исследования, направленные на уменьшение влияния этого фактора, снижение аварийности при управлении такими сложными объектами, как судно, и поддержание состояния их безопасной эксплуатации на уровне, определенном действующими морскими Международными конвенциями, можно классифицировать как актуальные

Объектом исследования диссертационной работы является социо-техническая система управления безопасным состоянием судна, включающая в себя техническое средство (судно), его идентифицированные математические модели (ММ), а также человека-оператора (судоводителя), осуществляющего управление системой, которая, в частности, обеспечивает состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций В этом случае объект исследования, представленный как система управления, имеет структуру вида г| = (У, I, X, Я, Ц), где Г - элементное множество системы, в состав которого в качестве отдельного элемента входит судно как управляемый элемент, / - алгебраическая система, определенная с помощью линейной или нелинейной алгебры с вырожденной системой отношений, X ~ множество процессов, идущих в системе, К - цель управления системой, С/ - закон управления системой В структуре этой системы пара множеств {Я, Ц) образует механизм функционирования Ми социотехнической системы управления в целом

Область исследования определяется, исходя из необходимости наличия в общем алгоритме управления социотехнической системой модели механизма предвидения (МП) развития ситуации при выполнении судоводителем управляющих действий Следовательно, разработка оптимальной модели МП социотехнической системы управления, реализуемой в интеллектуальном и (или) программном виде, и является областью исследования данной диссертационной работы При этом МП Мх = {К, Х0} должен создавать определенные ограничения для механизма функционирования Ма = {К, Ц] социотехнической системы управления при условии поддержания в ней состояния безопасности судна, в частности, занятого выполнением ключевых судовых операций С формальной точки зрения область исследования, представленная в диссертационной работе, может быть определена как задача синтеза процессов предвидения социотехнической системы, заданных на паре множеств {Я, Ха} = Мх с М„ = {Я Щ, где Х0 с: X-законы движения состояния судна, реализующие заданную цель управления Я при заданном законе управления ¡7, и определенных с помощью обладающих прогностическими способностями математических моделей судна, которые учитывают влияние внешних факторов, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом

Целью исследования является разработка научного направления, связанного с целенаправленным синтезом оптимальных с точки зрения безопас-

ности выполнения ключевых судовых операций моделей механизма предвидения Мх = {К, Хц) социотехнической системы управления г\ = (У, /, X, К, СУ) на базе идентифицированных, обладающих прогностическими способностями математических моделей судна, которые учитывают влияние внешних факторов, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие исследовательские задачи

1 Анализ существующего процесса универсализации ММ судна и оценка свойства устойчивости решений этих моделей, необходимого для разработки прогностических алгоритмов, образующих модели МП социотехнической системы управления с учетом взаимодействия судна с внешней средой, которая представлена в виде аддитивного и мультипликативного "белого" шума

2 Разработка методики бинарной декомпозиции элементного множества универсальной ММ управляемого объекта (судна), позволяющей определить доминирующие элементы объекта с доминирующими связями между ними и синтезировать на основе этих взаимосвязанных элементов малопараметрические модели, достоверно описывающие изменения параметров, характеризующих состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций

3 Определение возможных ограничений, накладываемых на малопараметрические ММ судна, которые являются основой модели МП социотехнической системы управления состоянием безопасности судна, выполняющего ключевую судовую операцию в данных эксплуатационных условиях

4 Разработка методики целенаправленного синтеза альтернативных вариантов моделей МП, представляющей его методологическую основу при фиксированной целевой функции управления с учетом возможных ограничений, накладываемых на ММ судна

5 Разработка алгоритма выбора оптимальной для заданных условий безопасного выполнения ключевой судовой операции модели МП с использованием универсального комбинаторного метода "ветвей и границ"

6 Разработка методов идентификации малопараметрических моделей судна, определяющих характер взаимодействия доминирующих элементов с доминирующими связями по эмпирической обучающей выборке,

а также идентификации маневренных характеристик судна, составляющих основу моделей МП

7 Разработка моделей, определяющих зависимость динамических характеристик судна от его геометрических параметров, а также моделей, определяющих влияние факторов внешней среды, представленных в виде аддитивного и мультипликативного "белого" шума, на параметры, характеризующие состояние безопасности судна, выполняющего ключевую судовую операцию

Методология теоретических исследований, выполненных в диссертационной работе, базируется на использовании методов и терминологии дифференциального и интегрального исчисления, теории случайных последовательностей с применением элементов теории вероятности и математической статистики, а также теории графов, матричного исчисления и методов ветвления.

Экспериментальная часть работы заключалась в проведении многочисленных (около 130) натурных экспериментов на судах трех типов РТ типа "И Шаньков", РТ типа "Моонзунд", т/к типа "Астрахань" Данные экспериментальных исследований обрабатывались методами математической статистики

Новизна научного направления определяется научной новизной задач, решенных в диссертационной работе, а именно

1 Впервые показано, что универсализация моделей судна, осуществляемая за счет неконтролируемого расширения элементного множества и усложнения алгебраической системы ММ с учетом взаимодействия судна с внешней средой, представленной аддитивным и мультипликативным "белым" шумом, входит в противоречие со способностью этих моделей к прогнозированию

2 Впервые разработана методика бинарной декомпозиции универсальной ММ судна, позволяющая выделять доминирующие элементы объекта управления и доминирующие связи между ними и с учетом этих связей формировать малопараметрические модели, позволяющие прогнозировать изменения параметров, определяющих состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций

3 Разработана методика целенаправленного синтеза моделей МП и выбора оптимальной из альтернативного множества модели МП, соот-

ветствующей заданным и текущим условиям безопасного выполнения ключевой судовой операции с использованием метода "ветвей и границ"

4 Впервые дано теоретическое обоснование и приведены практические примеры решения задач параметрической идентификации малопараметрических моделей судна и его маневренных характеристик по эмпирической обучающей выборке для целенаправленного синтеза адекватных моделей МП

5 Разработаны математические и программные методы формирования базы данных, необходимых для определения исходных значений параметров ММ судна, являющихся основой моделей МП и устанавливающих зависимость динамических характеристик судна от геометрических параметров его подводной и надводной частей при данном варианте загрузки

6 Составлены ММ взаимодействия объекта управления и флуктуирующих факторов внешней среды, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом

Практическая ценность. Характеризуя область практического применения выполненных разработок, прежде всего следует назвать судовождение, где результаты работы позволяют повысить уровень безопасной эксплуатации судна за счет снижения влияния человеческого фактора на результаты управления судном при выполнении ключевых судовых операций

Полученные результаты могут быть полезны также при выполнении исследовательских работ, связанных с разработкой комплексных тренажеров и экспертных систем в области судовождения

На защиту выносятся следующие результаты работы

1 Доказательство противоречия универсализации ММ судна, осуществляемой за счет неконтролируемого расширения элементного множества и усложнения алгебраической системы ММ объекта управления при учете действия внешней среды, представленной аддитивным и мультипликативным "белым" шумом, и способности этих моделей к прогнозированию

2 Методика бинарной декомпозиции универсальной ММ судна, позволяющая выделять доминирующие элементы и доминирующие связи между ними и в рамках принятой алгебраической системы формировать малопараметрические модели, описывающие изменения отдельных компонент, которые характеризуют состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций

3 Методика целенаправленного синтеза моделей МП и выбора оптимальной из альтернативного множества модели МП, соответствующей

заданным и текущим условиям безопасного выполнения ключевой судовой операции с использованием метода "ветвей и границ"

4 Теоретическое обоснование решения задач параметрической идентификации малопараметрических моделей судна и его маневренных характеристик по эмпирической обучающей выборке для целенаправленного синтеза адекватных моделей МП

5 Математические и программные методы формирования базы данных, необходимых для определения исходных значений параметров ММ судна, являющихся начальной основой моделей МП и определяющих зависимость динамических характеристик судна от геометрических параметров его подводной и надводной частей при данном варианте загрузки

6 ММ взаимодействия объекта управления и флуктуирующих факторов внешней среды, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом

Внедрение результатов работы

1 Результаты научных исследований, представленные в диссертационной работе, положены в основу разработки профессионального тренажера для обучения судоводителей танкерного флота приемам маневрирования при подходе танкера к нефтяному терминалу, подключения к системе погрузки нефти и безопасного маневрирования при стоянке на шланге-швартове Тренажер установлен и эксплуатируется в тренажерном центре ОАО "Мурманское морское пароходство"

2 На основе материалов исследований, выполненных в рамках диссертации, разработаны математические модели судов, принадлежащих НПП "Вега" и ОАО "Мурманский траловый флот" Были выполнены модельные эксперименты по определению маневренных характеристик судов в заданных условиях плавания в соответствии с рекомендациями ИМО, представленными в циркулярном письме М8С/Схгс 644, Резолюциях А 601(15) п 3 3 и А 715(18) п 5 2

3 Результаты работы используются в учебном процессе при изучении дисциплины "Теория устройства судна", а также при проведении исследований в рамках дипломного проектирования

Апробация результатов работы Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе, были представлены на научно-технических и практических конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ и ГМА им адм С О Макарова (в 1998-2006 гг ), на 3-й и 4-й

Международных конференциях по управлению безопасностью мореплавания и подготовке морских специалистов (Калининград, 2003, 2004 гг) и на I Международной конференции "Наука и технологии Шаг в будущее - 2006" (Белгород, 2006 г )

Публикации. Результаты работы отражены в 49 научных статьях, восьми отчетах о хоздоговорных и госбюджетных НИР, в десяти авторских свидетельствах, патентах Из общего числа публикаций 16 опубликованы в журналах, включенных в списки ВАК

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованной литературы Работа изложена на 229 страницах машинописного текста (основное содержание составляет 208 страниц), содержит 39 рисунков и 21 таблицу, список литературы из 193 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, определены объект, область и цель исследования, а также сформулированы задачи, которые следует решить для достижения поставленной цели

В первом разделе разработана процедура синтеза оптимальной с точки зрения безопасности выполнения ключевой судовой операции модели МП

Для исследования особенностей, возникающих при синтезе модели МП, социотехническая система управления задана в виде структуры

ц = (11)

где У - элементное множество системы, I - система действий, правил, обеспечивающих безопасное управление судном, X - параметры, характеризующие процессы, идущие в системе т], Я - цели управления, С- законы управления

Формально разработка модели МП Мл- рассматривается с позиции решения задачи синтеза прогнозирующих алгоритмов, на выходе которых будущее состояние судна прогнозируется так, чтобы выполнялось обязательное условие, представленное формализованной зависимостью

Мь = {К, Ц] с {Я, Х0} = Мх, (1 2)

где Мь - принятый на этапе планирования ключевой операции механизм функционирования объекта управления, Ха с X - множество параметров, характеризующих возможные траектории состояния объекта управления, реализующего заданную цель Я при выбранном законе управления и из множества II

В структуре системы (11) существует объект управления % е т|, в нашем случае это судно с адекватной ему ММ и соответствующей структурой

r\0 = (Y0,J,Xo), (13)

причем Y(, с Y, J с I— алгебраическая система, включающая в себя некую алгебру и вырожденную систему отношений

Абстрактную ММ движения состояния маневрирующего судна в рамках структуры (1 3) можно записать следующим образом

У0 (1 4)

В том случае, когда удается зафиксировать начальное и конечное взаимодействие в процессе (1 4), структуру (1 3) можно трансформировать в структуры вида

%' = (У0,1,Х0), (14а)

где L е (¥0 х Х0) - оператор, преобразующий входное воздействие Y0 в реакцию системы на выходе Хо

Введение в элементное множество Y0 аддитивно и мультипликативно флуктуирующих объектов среды является одним из обязательных условий, при которых осуществляется практическая реализация прогнозирующих алгоритмов модели МП

Для оценки возможности практической реализации модели МП Мх универсальная ММ движения судна представлена в виде феноменологической системы дифференциальных уравнений

dx / At = F, „[*(/)] + G[x{t)} W{f) (1 5)

Рассмотрены три варианта условий, при которых возможно функционирование модели МП

Первый вариант - все случайные возмущения, действующие на судно со стороны окружающей среды, пренебрежимо малы

Второй вариант - детерминированный процесс, описывающий "поведение" объекта (1 3), искажается только за счет случайных возмущений окружающей среды, носящих аддитивный характер

dx / dt = Л>(0] + G[x(t)] W{(), (I б)

где [х(/)] - «-мерный вектор параметров состояния маневрирующего судна, F[x(f)] - нелинейная л-мерная вектор-функция, определяющая детерминированную часть силового воздействия на судно, G[jc(i)] - матричная функция, характеризующая случайные возмущения входного воздействия на судно, ЩО - п-мерный вектор "белого" шума с нулевым математическим ожиданием

Третий вариант - случайная компонента С|Х0] ЩО распределена только по составляющим нелинейной я-мерной вектор-функции /7[х(г)]

с]хШ = Рт[х№ (17)

где Х(/) - стационарный случайный процесс

В результате проведенного исследования установлено, что универсализация ММ объекта, представленного структурой (1 3) с учетом аддитивного "белого" шума, не сказывается на общем прогностическом свойстве модели МП, хотя и приводит к снижению точности прогнозирования состояния маневрирующего судна из-за "размывания" плотности распределения вероятности р(х) в окрестности устойчивых детерминированных стационарных решений системы уравнений вида (1 6)

В общем случае универсализация ММ судна за счет расширения ее описательных возможностей способна повысить прогнозирующие способности модели МП Расширение алгебраической системы модели при использовании в ней нелинейной алгебры реально унифицирует МП, позволяя применять его для оценки безопасности управления при выполнении не только одной конкретной ключевой судовой операции, но и целого класса таких операций. При этом универсализация ММ требует, чтобы модель МП Мх обладала переменной структурой и вероятностным идентификатором траекторий состояния

Расширение элементного множества нелинейной модели, связанное с учетом действий на судно аддитивных и ограниченных пороговым уровнем мулышишкативных флуктуации, "размывает" распределение плотности вероятности траектории состояния и самого состояния маневрирующего судна, что в итоге приводит к ухудшению прогнозирующих свойств модели МП

Учет в элементном множестве модели действий не ограниченных по уровню мультипликативных флуктуаций уменьшает вероятность прогнозирования траектории состояния маневрирующего судна и еще более снижает прогностические свойства модели МП

При разработке ММ судна для работы в составе модели МП необходимо использовать подсистемы, образованные значимыми элементами и значимыми связями между ними, которые входят в состав элементного множества Го объекта (I 3)

Для выделения значимых элементов и их связей из элементного множества Уо, входящего в структуру объекта (1 3), в работе использован принцип бинарной декомпозиции, который обеспечивает переход от структуры (1 3) к структуре (1 4а)

Для иллюстрации возможностей бинарной декомпозиции открытых по информации элементов модели объекта (13) рассмотрена простейшая взаимосвязь между сильно инерционным корпусом судна и его рулевым комплексом В результате использования операторного уравнения Х0 = Ь[У0] выделенное "сильное" взаимодействие представлено простейшей моделью управляемости судна, содержащей минимальное число (два) определяющих параметров

Проведенное исследование показывает, что в модели объекта, представленного структурой (1 3), реально могут существовать открытые по информации малопараметрические математические объекты, которые в совокупности с консервативными элементами способны обеспечить решение задачи целенаправленного синтеза модели МП для прогнозирования движения судна при выполнении им ключевых судовых операций

При формировании модели МП необходимо учитывать ограничения, определяемые условиями, в которых выполняется любая ключевая судовая операция Связанная со сложным маневрированием ключевая судовая операция выполняется в условиях предельно малых скоростей, что неизбежно увеличивает относительное влияние ветра на управляемость судна В этом смысле не являются исключением и швартовные операции, на примере которых формулируются ограничения, накладываемые на кинематические параметры движения судна

В качестве примера расчета взят танкер (т/к) среднего тоннажа типа "Астрахань" Рассмотрен характер поведения судна при его движении с малой скоростью в условиях ветрового воздействия и оценено состояние его управляемости

Моделирование движения судна выполнялось на базе ММ, представленной системой нелинейных дифференциальных уравнений йхз _ „ „ . | т + Л,, т + Л22

<к т + Лп Л V

соз /?--1_5Ш Р + ^:^п. - и» 5Ш 2р

р

' эш Р +-со ¡р

т + Л,

(т + Л„ 2 т + Л,, г | ,,

+ -— йш р +-— сси /? <», (18)

\т + Ли т + Л1г )

йт М. !й~ I

где и - линейная скорость судна, (3 - угол дрейфа, Рх, Ру, М- - сумма продольных и поперечных составляющих сил, действующих на судно при его движении, и сумма моментов этих сил относительно оси г, т - масса

судна, /г - момент инерции, Хц, Х22 - присоединенные массы судна, Х&, -присоединенный момент инерции

Моделирование сводилось к определению отношения скорости ветра к скорости судна, при котором средний угол перекладки руля аг, необходимый для прямолинейного движения судна, равен допустимому углу перекладки руля агд В итоге исследования системы ограничений, учитывающих динамические характеристики объекта управления и параметры внешнего воздействия, получена диаграмма для определения допустимой минимальной скорости движения судна при различных скорости ветра и состоянии его загрузки (рис 1 1)

О. м/с

-,--, , , , ,-----,--1

!

2

/

,__^__1____1______!___ ____|

V и/с

Рис 1 1 Диаграмма для определения минимальной скорости движения судна 1 - судно в грузу, 2 - судно в балласте

При использовании носового подруливающего устройства (НПУ) ограничения, определенные по результатам проведенного исследования, должны быть скорректированы Такая корректировка связана с уменьшением отрицательных последствий воздействия ветра на управляемость судна (угол перекладки руля уменьшается), что подтверждается результатами моделирования движения судна при одновременном использовании руля и НПУ для удержания судна на прямом курсе Однако ширина диапазона возможных значений скорости ветра, при котором возможно устойчивое движение судна, существенно не увеличивается Более того, при определенном сочетании начальных условий движения судна уменьшение угла перекладки руля за счет использования НПУ сочетается с существенным ростом угла дрейфа, что также должно быть учтено при синтезе модели МП

Таким образом, условия, при которых процесс (1 4) будет обладать достаточной универсальностью в сочетании с "хорошими" характеристиками прогнозирования, методика бинарной декомпозиции модели объекта (1 3), реализуемая как на элементном (1 3), так и на процессном уровне (14), а также система ограничений, накладываемая на кинематические параметры движения судна, позволили приступить к целенаправленному синтезу модели МП

Задача синтеза модели МП условно разбита на два этапа

- первый этап - формирование множества альтернативных вариантов модели МП и выбор из их состава модели МП, отвечающего условиям

In0 n Int ф 0, (1 9)

Ф(1поо1п0 externum, (1 10)

где Ino, Ini - естественный и искусственный интеллекты, представленные как объекты, соответственно, Ф(1п0о1п1) - некая величина пересечения, характеризующая степень использования оператором программного обеспечения экспертной системы и ограничений, вытекающих из решений дифференциальных уравнений вида (1 6), (1 7),

- второй этап - выбор оптимального варианта модели МП с точки зрения рассматриваемых условий безопасного управления судном

Формальное описание задачи синтеза базируется на теоретико-множесгвенном подходе, в соответствии с которым элементы модели МП X — {X1, Х2, , Хк} связаны с элементами ММ судна D

X=F[D],

D = Fl[X], (111)

FFS = 1

Причем X\ = (х1ь ,x,„),X2 = (x2i, ,xIm~), ,Xi = (xn, , xkp), где xn, ,xu, X2u , x2m, Xkb , xkp - маневренные характеристики судна При этом каждая маневренная характеристика выражается через конечное множество числовых параметров

Х\\ - {x\i, ,х1ц},

(1 12)

- {х kp, , x"k[>}

Тогда с учетом (1 II) под моделью МП экспертной системы (1 2) можно понимать некоторое множество А, полученное с помощью объединений определенных множеств X

Образовав некоторое новое множество X» на упорядоченных множествах Ах, А2, , А.ь мы можем определить на нем собственное подмножество Хг которое представляет собой набор альтернативных моделей МП

Вариант конкретной модели МП, определенный на альтернативном множестве Хг, обозначим как л? и, учитывая, что

х2 е Хъ (1 13)

получим

хг={х\х\. ,х\} (114)

С учетом отношений Р = {Р\, Рг, , Р,,}, связывающих элементы модели МП с элементами ММ, конкретный вариант МП в силу однозначности преобразований (1 10) формализуется следующим образом хг = {хаи х?2, ,хуь},

хг^Хг(Р11) (115)

Второй этап синтеза модели МП рассмотрен в детерминированной постановке Это значит, что для фиксированных условий внешней среды с каждым альтернативным вариантом модели МП Хг сопоставляется критерий качества J, выраженный действительным числом

Введенный критерий качества в общем случае является функцией случайных аргументов, для расчета числовых характеристик которой необходимо знать законы распределения случайных факторов внешней среды В этой связи задача синтеза ("доводка" модели МП) разбивается на две подзадачи первая - определение законов распределения случайных факторов внешней среды, вторая - поиск оптимального варианта модели МП на множестве X, для которого известны законы распределения или числовые характеристики случайных факторов внешней среды

В общем виде задача "доводки" варианта модели МП формулируется так /(хь х% , л*) —> ехй-ешиш, (116)

g\{xъx г, ,хк)^а,

g2(x ихг, ,хк)>Ь,

(1 17)

хг=(хихъ (118)

где а, b - граничные значения, накладываемые на модель МП (1 15) и определяемые особенностями безопасного выполнения ключевой судовой операции

Для решения поставленной задачи (1 16)-(1 18) использован метод "ветвей и границ"

В заключительной части данного раздела определена позитивная полнота отображения эволюции ключевой судовой операции 81 как некая функция двух видов информации

^ = (/ь/2), (119)

где - априорная информация об объекте управления и окружающей среде, используемая в модели МП, т. е информация, которая задается заранее и не изменяется сравнительно длительное время, /2 - текущая информация, получаемая судоводителем в процессе управления объектом и направляемая на дальнейшее совершенствование модели МП

Из выражения (119) следует, что максимальный эффект от использования модели МП следует связывать с решением двух информационных задач

- структурной и параметрической идентификации объекта управления, снижающей текущий уровень энтропии в моделях МП,

- поиска необходимой и достаточной априорной информации относительно взаимодействия объекта управления и среды, в которой находится этот объект

Решение этих информационных задач приведено во втором и в третьем разделах диссертационного исследования

Второй раздел диссертации посвящен разработке методов идентификации элементов модели МП

ММ судна, входящая в состав модели МП как открытый по информации элемент, в общем случае представлена в виде

=№> С,У= Я^О), (2 1)

где / - независимая переменная (время), X- внутренние переменные модели, С - вектор параметров (констант) модели, V - вектор наблюдений, некоторые функции

Идентификация ММ судна (2 1) по экспериментальным данным М д (матрица наблюдений) определена как задача отыскания таких числовых значений С, при которых расчетные значения откликов модели наилучшим образом согласовались бы с откликами, полученными экспериментально

тДр - Мд|), (2 2)

обеспечивая минимум отклонения в выбранном метрическом базисе

ММ судна, описывающая процесс его движения, представлена системой дифференциальных уравнений вида

du/dî =/ц(и, р, со, С), dp/d/ =/р (и, р, со, С),

dco/dí =/й(и, р, со, Q, dT/dí =/у(о, р, со, С),

dA7d/ р, го, С), d!7d/ =/Хи, Р, со, С) (2 3)

Для минимизации выбран функционал

mf{ í [a^dug/dí -/„ (иэ, рэ, саэ, С))2 + a2(àÇ>jàt -/р (иэ, рэ, соэ, С))2 + + a3(d(Q3/dí -/„(иэ, Рз, шэ, С))2] di} = mf{<D(o3, рэ, шэ, С) di} (2 4)

Весовой коэффициент первого уравнения системы (2 3) а) = 0, а коэффициенты a2 = а3 = 1 На этом основании система (2 3) представлена в виде dp/dz = С,ю - С2 p(u/¿) - С3 P|P|(u/L) - С4 РН + + С5 co|co|/(u/L) + С6 a/u/Z),

dœ/d/ = С7 Р(и/Г)2 - С8 co(u/¿) - С9 p2©(u/¿) - С10 PM(o/¿) -- Сцрсо2 - С\2 со|со| + С]3 a,(u/L)2 (2 5)

а функционал (2 4) - в виде

mf {Za[P7 - (Ci ахк +С2ап + С3 аък + С4 а4к + С5 ask + С6 a6k)f + + [ш'/t - (С7 а1к + Cg агк + С9 а9к + С,0 аш + Спаи+ С12 с]2 + + C13a13i)]2}=mf{<ï>(C)} (2 6)

Варьируя в некоторой области D идентифицируемые параметры Ср мы добиваемся минимума функционала Ф(С) при условии его существования внутри этой области В противном случае мы можем достичь наименьшего значения функционала на границе области D

Процедура формирования базы данных для решения задачи идентификации ММ судна предусматривает проведение натурных экспериментов Условия, в которых они выполняются, далеко не всегда идеальные, поэтому дальнейшие исследования были посвящены разработке методов идентификации кинематических параметров движения судна и его маневренных характеристик, полученных в ходе натурных экспериментов

Проведен сравнительный анализ результатов использования различных методов обработки экспериментальных данных, таких как интерполяционный метод, метод полиномиальной аппроксимации, метод сплайн-аппроксимации В частности, интерполяционный метод построен на использовании полинома

Ньютона для установленного количества точек функции у = у(х), например пяти

у(х) = уг + (х - ХОА^ХЬ х2) + (х - хО(х - х2 )Ai(jcb хъ *з) + + (х - xi)(x - х2)(х - Хз)Дз(дгь х2, х3, х4) + (х - xi)(x - х2) (х - Хз) х X (х - X4)At(Xl, х2, Хз, Х4, Xs) (2 7)

Здесь хк, yh - значения аргумента и функции в выбранных пяти точках, Дk - конечные разности различных порядков Они строятся рекуррентно, начиная с разности первого порядка Al(xb х2) = (у2 -yi)/(x2-xi),

Mxi, ,х4л.1) = (Д1_1(х2, ,хь) - Ak-i(xi, ,xk.i))/(xk-x{) Далее рассмотрено использование ортогональных полиномов на множестве из тех же пяти точек Такой набор из четырех полиномов на отрезке [-2, +2] хорошо известен P0{t) = 1, Pit) = f/2, P2{t) = {i - l)/2, Pit) = (5? - 17)/6 Их парные произведения обладают свойством ортогональности на совокупности равномерно распределенных на указанном отрезке из пяти точек--2,-1,0,+1,+2

Y.kPltk)Pj(tk) = 0, г Д = 1, , 5 (2 8)

Чтобы воспользоваться приведенными полиномами для обработки произвольных данных х^, применяется преобразование переменных t = 2(2х — а - b)/(b - а), где а и b - начальная и конечная точки интервала, т е в нашем случае а = х\(t = -2), b - х5

Рассмотрен также метод сплайн-аппроксимации, сплайн представлен в виде кусочного полинома

ф(х) = Kj.i (Xj -xy/6hj +Kj (х-xjAf/6hj +

+ (x, - x)^- Kjh'je) + (x - x^yhfyj - А^/б), (2 9)

где cp(x) - средняя кривизна сплайна, К, - коэффициенты сплайна, х е (х,_ь Xj), hj = -Xj-uj = 2, , Л''

Применение всех трех методов для обработки экспериментальных данных, полученных в идеальных условиях, дает одинаковые и достаточно точные результаты При проведении эксперимента в реальных условиях плавания ни один из методов не может с высокой точностью восстановить значения, например, курса судна и, как следствие, его производных В этих условиях преимущества метода сплайн-аппроксимации достаточно оче-

видны, поскольку в образовании сплайна участвуют одновременно все точки, а такая полнота информации, естественно, ведет к более высокой точности результатов

Кроме рассмотренных методов восстановления экспериментальных данных, в работе предложен альтернативный способ решения данной задачи, не столь чувствительный к погрешностям исходной информации и, на наш взгляд, лучше учитывающий априорную информацию о ММ Таким способом является один из характерных для поиска минимума методов спуска, в частности градиентного В этом методе ищется локальный минимум функционала, иными словами минимум в гиперпространстве идентифицируемых параметров Движение к минимуму начинается от некоторой заданной точки этого пространства в направлении, обратном градиенту гиперповерхности Ф(С) = const Первой отправной точкой С0 и является точка, соответствующая априорным значениям идентифицируемых параметров Процесс вычисления носит итерационный характер. Вначале в точке Со вычисляются значение функционала Ф(Со) и частные производные (ЗФ/с'С,)о по всем параметрам Начальным значениям параметров дается приращение s(3<J>/dC,)o, и новое значение каждого параметра определяется формулой

Су = Со, - stmdQ) о,у = 1, , 13 (2 10)

Здесь s > 0 означает величину, которая определяет перемещение вдоль антиградиента

Получив новые значения параметров Cj, еще раз вычисляют Ф(С;) и сравнивают с исходным значением Ф(С0) Если Ф(Q < Ф(С0), то движение в этом направлении можно продолжить, увеличив шаг s. Если новое значение функционала превышает исходное, предыдущее значение возвращается и движение в выбранном направлении заканчивается Итерационный процесс завершается тогда, когда даже при очень малом шаге s значение Ф увеличивается Полученные результаты подтвердили наши предположения об особенностях структуры гиперповерхности минимизируемой функции в районе минимума Именно эти особенности приводят к низкой эффективности методов минимизации, будь то обычная процедура с использованием полинома Ньютона или более "изысканные" спусковые процедуры Это привело к необходимости обратиться к иным способам, которые дают не точечные значения идентифицируемых параметров, а оперируют их интервальными значениями подобно доверительной оцен-

ке в теории вероятности Представленная в работе практическая реализация этой идеи основана на использовании фундаментального принципа максимума академика JT С Понтрягина.

Параметры ММ судна С) выбираются из некоторой закрытой области Dc С е Dc

Минимизируется функционал

пт{| [а,0Г-Хэ)2+aiY- Y3f+а3(о-иэ)2+

+ a4CP-%)2]di}=mm{i/0d/}, (2 11)

где Х3, Уэ. иэ, - измеренные в процессе натурного эксперимента значения кинематических параметров, X, Y, и, f - их значения, определяемые в соответствии с выбранной ММ и потому зависящие от вектора параметров С, tf— заданное время слежения за объектом, А = {аь а2, аз, (Х4} - весовой нормированный (Ха1) вектор, компоненты которого устанавливают значимость для нас того или иного кинематического параметра

Гамильтониан (функцию Гамильтона) для решаемой задачи равен

H^-ft+Pvfv+Pbfv + Pvfv + pvfv+pJi+Pyf) (2 12)

Это значит, что задача поиска минимума исходного функционала сводится к задаче управления подбирая коэффициенты MM Q, т е "управляя" моделью с помощью вектора параметров С, достигается максимум гамильтониана Н

Если параметры ММ входят в нее линейно, то линейно от них зависит и гамильтониан Следовательно, его максимальное значение фактически будет наибольшим в области Dc, так как линейная функция параметров не имеет по ним локальных максимумов внутри области Наибольшее значение достигается на границе закрытой области возможных "управлений" С, там, где гиперплоскость Н{С) = const либо касается границы области Dc, либо в какой-то точке происходит совпадение гиперплоскости с частью ее границы Из этого следует, что оптимальным "управлением" будет значение вектора С, соответствующее той вершине области Dc, в которой гиперплоскость ее касается Для плоскости общего положения такая вершина всегда существует и в каждый момент она единственна, что доказывает существование и единственность решения поставленной задачи Это же доказывает и релейный характер решения как оптимального "управления" - при определенной смене условий функционирования модели (плавания) возможен только "перескок" в "управлении" от одной вершины области Dc к другой

С использованием этих общих идей решены частные задачи идентификации малопараметрических моделей, например задача разгона (торможения) и поворота судна Решение задач методом прогонки построено в пакете МаЛСас! 7 0 в интерактивном режиме, некоторые из полученных результатов решения приведены на графиках (рис 2 1) а Ъ

Рис 2 1 а- графики изменения скорости хода, пройденного расстояния и гамильтониана (1 - расчетная скорость V, 2 - расчетный путь 3 - гамильтониан Н, 4 ~ опытная скорость V, 5 - опытный путь 5), Ь - графические результаты по изменению курса во времени (1 - опытный курс, 2 - расчетный курс) Вверху - формулировка задачи в среде МаАСа<17 О

Общая задача идентификации ММ МП, обладающего позитивной полнотой, является весьма сложной и не всегда разрешимой для практического использования В то же время практика судовождения при выполнении критических ключевых судовых операций и совершении конкретных маневров часто не нуждается в том, чтобы МП обладал этой позитивной полнотой Для решения практических задач обычно достаточно модели МП, состоящей из упрощенных, частных ММ или отдельных маневренных характеристик судна И то. и другое представляет собой более простую задачу и, следовательно, может решаться более эффективно, чем задача полной идентификации ММ МП

Тем не менее даже проблема идентификации только маневренных характеристик, например циркуляции, не так проста, как это кажется

СЭ

на первый взгляд Хотя установившаяся циркуляция и входит в стандартные испытания судна, но определяемые по ее результатам маневренные характеристики (прежде всего радиус установившейся циркуляции) содержат существенные погрешности Они связаны с обработкой "на глаз" результатов испытаний, при этом весь объем траекторной информации, полученной в ходе испытаний, практически не используется Вторая проблема связана с невозможностью провести испытания в идеальных гидрометеорологических условиях, поскольку на любой акватории действует ветер той или иной силы Обе проблемы решаются за счет использования предложенных методов обработки результатов испытаний

Имея координаты траектории маневра как пары (Хк, Ук) в количестве Л7, можно получить на их основании радиус циркуляции К, и координаты ее центра (Хс, У,) Для каждой точки траектории (Хк, У/:) можно найти квадрат расстояния до окружности циркуляции (X - Хс)2 + (У - Ус)2 = К? Квадрат отклонения определяется зависимостью

4 = (Хк - Хс)2 + № - Ус)2 - дД (2 33)

в которой параметры окружности являются неизвестными и их следует найти по траекторным измерениям

В реальных условиях точки, полученные при проведении натурных испытаний, не попадают на окружность в результате погрешностей измерений и других факторов (течение, ветер, волнение, рыскание судна), которые не позволяют провести испытания в идеальных условиях Поэтому задача выбора параметров окружности (Хс, Ус) и Яс сформулирована как задача минимизации квадрата суммарного отклонения точек реальной траектории от точек выбранной окружности

ттда У0Яс)}= шт{1А.^2} =шш{Ь[(^-Хс)2 + (^-Г,)2-Кс2]2} (2 14)

Процедура минимизации формально проста и сводится к нахождению точки минимума функции трех переменных

Результат обработки одной из экспериментальных циркуляций РТ "Борис Зайцев" представлен на рис 2 2, полученные значения параметров циркуляции приведены в подрисуночной надписи

а - по полному массиву точек (Хс = -78 м, ¥с = -54 м, Яс = 52 м), Ь - по сокращенному массиву точек (Хс - -69 м,Ус = -61 м, = 44 м)

Идентификация параметров циркуляции в реальных условиях ветрового воздействия есть задача более сложная Ее можно решить, применяя метод наименьших квадратов, но не к круговой траектории, а к некоторой спиралевидной траектории Судно одновременно движется по окружности, при этом сама окружность сносится с некоторой скоростью У*(УХ, Р1) в некотором направлении а При этом подходе имеем четыре требующих определения параметра - радиус циркуляции угловая скорость циркуляции со, компоненты скорости ветрового дрейфа Ух и К Формальное решение задачи идентификации траектории движения судна сводится к выполнению условия минимума квадрата отклонений опытных точек траектории судна (Хк, Ук) от траектории сносимого ветром круга циркуляции

тт{Д7т, У„ Лс)} = тш{£ [(Дс-Яс соб (СО?,) + К (к~Хк)2 +

+ (В.с яп (со4) + Уу% - У*)2]} (2 15)

С учетом зависимости двух кинематических характеристик Кс и © поиск минимума переводится из безусловного в условный с дополнительным условием в форме юЯс - и = О Вводится коэффициент Лагранжа X и ищется безусловный минимум для модифицированной следующим образом функции

тт{ЯГ„ К-, Яс) ~ А- (со^с- и)} (2 16)

Еще один важный вариант минимизации возникает при двух дополнительных краевых условиях равенства координат реальной и идентифицированной кривых Это типичная задача минимизации с краевыми условиями или, иначе, двухточечная краевая задача Эти краевые условия выглядят так Rc - Rc cos (ш tN) +VxtN = XN,

Rc sm (a tN) +VytN= YN, (2 17)

где tN - момент времени, в который уравниваются координаты

Выберем момент уравнивания координат, соответствующий полному циклу движения по окружности, т е tN - 2п/а В этом случае выражения (2 17) существенно упрощаются и получают форму, которую мы и используем в новой функции для минимизации VxtN-XN = О,

VytN-YN= 0 (2 18)

Эта функция содержит два коэффициента Лагранжа и соответствует двум дополнительным условиям (2 18)

mm[F(Vx, V„ Rc) - X,{VxtN-XNf - l2(KtN-YNf ] (2 19)

На рис 2 3 приведены траектории циркуляции судна без ветра и в условиях действия ветра (скорость иа = 16 м/с, направление qa = 60 град), курс судна в начале циркуляции Ч* = 0 град, скорость и = 4 уз

Рис 2 3 Траектории циркуляции 1 - без ветра {Яс = 279 м, со = 24 7 град/мин), 2 - идентифицированная = 285 м, со = 24 град/мин, У„= 0 47 м/с, а = 207 град), 3 - при ветре (о„ = 16 м/с, да = 60 град)

Идентификации были проведены для различных направлений действующего ветра. Наилучшие, с пашей точки фения, результаты идентификации получены при направлении негра цс = 60 град. Именно такой курсовой угол ветра можно рекомендовать для натурных экспериментов с целью последующей обработки предложенным методом для получения радиуса "чистой" циркуляции.

Диаграмма управляемости по сути является отражением этого мореходного качества и можег быть использована для идентификации параметров ММ судна. В диссертации разработан метод идентификации диаграммы управляемости судна по результатам грех установившихся циркуляции. Классическая теория утверждает, что для подобного построения необходимо провести четыре испытания, при этом один из коэффициентов модели следует найти независимо, из испытания иного, не циркуляционного типа. Предложенный метод построения диаграммы управляемости судна по результатам только трех установившихся циркуляций показал его практическую реализуемость и гем самым позволил уменьшить число натурных испытаний. И тем на менее близость решаемой при ЭТОМ задачи к некорректным задачам требует производить испытания с повышенной точностью или использовать трас игорные измерения и обрабатывать их результаты предложенными выше способами. На рис. 2.4 представлена диаграмма управляемости, построенная с использованием разработанного метода для !'Т "Ь. Зайцеи".

ч

Рис. 2.4. Диафамма управляемости, построенная по данным трех циркуляций: 1,2- диаграмма управляемости, построенная как гипербола и обычным образом

Третий раздел диссертационной работы посвящен разработке консервативных по информации моделей, входящих в модель МП, а именно

- моделей, определяющих зависимость динамических характеристик судна от его геометрических парамегров,

- модели гидродинамических процессов в винторулевом комплексе судна и подруливающем устройстве,

- модели, определяющей влияние ветра на динамические характеристики судна,

- модели, определяющей влияние волнения на динамические характеристики судна,

- модели, определяющей влияние мелководья на динамические характеристики судна

Для описания моделей, определяющих зависимость динамических характеристик судна от его геометрических параметров, использованы заданные в табличной форме координаты точек поверхности корпуса судна (в качестве примера использованы данные по т/к типа "Астрахань") Выбор количества шпангоутных сечений определялся характером кривизны поверхности корпуса танкера, общее количество выбранных сечений - 50

Предложенный способ формирования базы данных существенно упростил работу по формированию ММ судна при изменении состояния его загрузки Одним из показательных примеров рационального использования полученной указанным образом базы данных является определение присоединенной массы (\2г) и момента инерции (Х6б) В диссертационной работе создан алгоритм расчета присоединенных масс и момента инерции судна, учитывающий геометрические параметры его корпуса В основу расчетного способа положен метод плоских сечений При этом форма контура конкретного шпангоутного сечения представлена в виде параметрических уравнений

z = [dmJ(\ +р + q)] [(1 -р) cos а + q cos За], (3 1)

у - [<4,n/(l +Р + <?)] [(1 + р) sin а - q sin За] (3 2)

Здесь а - угол поворота радиуса-вектора по отношению к горизонту, р, q - безразмерные коэффициенты, значения которых зависят от основных, с точки зрения влияния на присоединенные массы, параметров шпангоутов - отношения 2dmn/bm¡¡ и коэффициента полноты площади погруженной части шпангоута ршп = «>uJ{bmr4mu) (где сошп - площадь погруженной

части шпангоута, dmn - осадка на шпангоуте, Ьшп - ширина шпангоута на уровне действующей ватерлинии)

Формулы для определения значений р, q получены из уравнений (3 1), (3 2), исходя из их общего решения

р - ~ У^шп ~ 2/шп р 2,)

J'um

д = -(]+рЬша) (3 4)

Метод плоских сечений предусматривает предварительное определение присоединенных масс шпангоутных сечений Х22шп (*) с последующим их суммированием

+LÍ2 +V2

Х22=Х2 J X22u¡n(x)dx, Х66=Хв j X22¡B¡l(x)x2dx, (3 5)

-Ll 2 -иг

^22шп = О 25ря6шгДдп (3 6)

При этом характер реального обтекания учтен введением в расчет поправочных коэффициентов Х2, Хв, значения которых определяются по формулам

Х2 = 1 0 - 0 505 (B/L), (3 7)

Хб = 0 987 - 1 551(B/L) + 1 135(£/¿)2 - 1 804(£/L)3 (3 8)

Формирование моделей гидродинамических процессов в винторуле-вом комплексе судна и носовом подруливающем устройстве (НПУ), выполнено на примере т/к типа "Астрахань". Определены зависимости ГДХ руля С„(аг),Сг),(а,) для двух основных режимов движения судна

- при движении передним ходом

Crt(ar) = 8 958 Ю"3-6 012 lOV + 4 107 10"4аД (3 9)

С0(аг) = -3 333 10"4 + 36 10"3а, +4 214 юЛхД

- при движении задним ходом

С,Лаг) = 0085-756 10"3аг + 8 929 10-4«/, (310)

С,у(аг) = -6 042 Ю-3+ 58 10~V-9 012 10'4аг2 Получено выражение для определения коэффициента поперечной составляющей гидродинамической силы на руле с учетом влияния корпуса и работающего гребного винта

Сп (аг) = 0,027 + 0,021аг + 2,195 10"5аг2-3,316 (3 11)

Для моделирования работы НПУ использованы диаграммы серийных испытаний гребных винтов в цилиндрической трубе

Значение поперечной силы на корпусе судна, образующейся при работе НПУ Ург, определяется величиной тяги подруливающего устройства Т^ которая равна

7;,г=(1 + 0^гр£>>\ (3 12)

где Врг, п - диаметр и обороты винта НПУ соответственно, ктрг - коэффициент нагрузки по упору, значение которого определяется зависимостью, полученной по результатам серийных испытаний

(н Л

^=0,39-^-0,072, (3 13)

v рг ) где Нр, - шаг винта НПУ

Таким образом, в ММ судна работа НПУ нашла отражение в виде зависимости

Ур,=ТгргкХ + ^ер1, (3 14)

где ка - коэффициент, учитывающий влияние формы корпуса в районе расположения НПУ, ко - коэффициент, учитывающий влияние продольной составляющей скорости судна в районе НПУ, АТерг - поправка, учитывающая влияние поперечной составляющей скорости судна в районе НПУ

В данной работе получены следующие аналитические выражения

- при движении судна передним ходом

ки-\ 095 — 2 382(охпуЧг) + 0 гвЗ^пуЧ--)2 + 0 853(игпу/ирг)3, (3 15)

- при движении судна задним ходом

к„= 1 03 + 1 856(и, пуЧ,) + 4 347(и,Пу/ирг)2 + 1 532(и,ПУ/и;)г)3, (3 16)

- для определения поправки

АТерг= 1 205и>го |и„пу1, (3 17)

где и^пу ~ поперечная составляющая скорости судна в районе НПУ

Значение момента силы Ур, определяется по формуле

Мрг=Ургхрг, (3 18)

где хрг ~ абсцисса точки пересечения оси НПУ с диаметральной плоскостью судна

При разработке модели ветрового воздействия на судно скорость и направление ветра были представлены детерминированной функцией времени Из множества рекомендуемых функций, описывающих процесс изменения скорости и направления ветрового потока во времени ца (?), мы использовали функции, графически представленные на рис 3 1

Они построены для следующих интервалов времени (в с) t2 - t\ = U - h = = 4 -t% = h ~ h = 10, h -12 = /7 - к = 60, /5 - ¿4 = 300, í9 - ts = 70 c, ¿i = 70

"a _

tz fe Í4 fe fe Í7 fe fS -»- t

<7a

-ТТЛ

-К ,

Рис 3 1 Зависимости скорости и направления ветра от времени

Величина средней скорости ветра v>a (в м/с) в пределах надводной части судна рассчитывается по аппроксимационной формуле

ц, = [0,17(za -d)fu (1,36Б + 0,108Б2), (3 19)

где za - аппликата центра парусности, d - средняя осадка, Б - балльность ветра по шкале Бофорта

В результате сравнительного анализа существующих расчетных способов определения аэродинамических коэффициентов с учетом материалов натурного эксперимента в качестве основной принята схема расчета, разработанная на основе регрессивных уравнений, предложенных Ишервудом

Используя данную схему расчета как базовую, мы разработали более удобный, на наш взгляд, вид аналитических зависимостей для определения значений аэродинамических коэффициентов Они представлены в виде функций курсового угла кажущегося ветра qn и выгладят следующим образом

ст = Ка sm 9r + кх sm + К2 sin 3qR+Ky sm 4qR + K4 sm 5qR , (3 20) c<™ = M0smqR+M¡sm2qR+M2sm3qR+Af1sm4qR+Mism5qR, (3 21) cax sm qR + N2 sm 2qR+N3 sin3qR + N4 sm 4qR + N¡ sm 5qR (3 22)

Числовые значения коэффициентов К„, М„, Ы„, полученные, например, для т/к типа "Астрахань", представлены в табл 3 1

Таблица 3 1

Значения коэффициентов К„, М,„ К

загрузки судна Кц Мц ЛГо Кх Ых лг, Кг Мг N2 кг Мг % К4 м4 Я* ЛГ5

0 8517 0 0182 0 0274 -0 01 -00115

В балласте -0 0088 0 0836 -0 0052 0 0071 0 0014 -0 085

0 068 0 712 3 506 10"3 0 03 -0 018

0 7984 0 0005 0,0126 -0 0087 -0 0076

В грузу -0 015 0 07 -0,006 0 009 0 001 -0 107

0 1 0 852 3 133 10"4 -8 231 103 -0 037

Модель, учитывающая влияние волнения на динамику судна, разрабатывалась с учетом особенностей волнения (развивающееся, развитое, затухающее в виде мертвой зыби) в районах выполнения ключевых операций, в качестве спектральной плотности волновых ординат на глубокой воде нами принята спектральная плотность в виде суммы двух составляющих

51(со,1Л%) = 0>°6227-^

® г

— ехр со.

-0,52725

5*2 (со,,, Азу ) = 0,00080312-М-а

ехр

-0,1688

г со

(3 23) (3 24)

(3 25)

Здесь сол - частота волны, со(/г1%) = 1,903995/,

средняя частота нерегу-

лярного волнения (где Нз % - высота волны 3 %-й обеспеченности)

Параметры спектров ^(сд,,, й3%) и ^(со,,, А3%), рассчитанные для =3, 4, 5 м, показаны на рис 3 2 Здесь же приводятся соответствующие суммарные спектральные плотности, определенные с учетом выражения (3 23)

м2 с

Рис 3 2 Спектры волнения для Аз % = 5 м (1, 2, 3), /г3 % = 4 м (4,5, 6), йз % = 3 м (7, 8, 9), 1, 4, 7 — высокочастотные составляющие, 2, 5, 8 - низкочастотные составляющие, 3, 6,9- суммарные спектральные плотности

Для расчета спектральной плотности морского волнения на мелководье нами был использован спектр ТМА, форма которого одновременно учитывает развитие ветровых волн в условиях моря конечной глубины и смешанный характер волнения (ветровое волнение и зыбь) Спектральная модель ТМА представляется в виде

5™'(со„,/г,ОЛ,Я) = Ф(ш„,Я)5^(ш„Л%), (3 26)

где 5,™Л1(шв,/г3%,Я) - спектральная плотность волнения на мелководье,

5^(а„,/г3- спектральная плотность волнения на глубокой воде с использованием аппроксимации спектра вида КЖ8'\¥АР,

Ф(сон,Я) =

£(<»„, Я)

Зк{ш^,Н)/дю„ ЗАг(<в„, со) / <3ши

поправка Китайгородского

для мелководья

Здесь к(т„,Н) = (2п/ Л)Л(2жН /X) - волновое число, соответствующее

частоте со1Г на глубине Н, к{азт, то) - волновое число, соответствующее частоте ф„ на глубокой воде После дифференцирования

гг. ,.ю„Я. со2Н ,_2.о),Яч Ф(соК,Н) = Ж(-2—)+—х—с1г (—1—)

её ё

(3 27)

В расчетах используется следующее аналитическое представление спектра JONSWAP

(со, ,1г3%) = 0 059015— | ехр оа ( ш

-0 391

, ^ехр[-104375(<а, о~0 748)!] ^ 23)

Результаты расчета спектра (3 26) показаны на рис 3 3

с

3 о

л

■20

1 0

I 3

2 I

08 10 °>.с'

04 06

Рис 3 3 Спектральная чтотность волнения с учетом мелководья 1 - Ь3% = 1,25 м, 2 - йо% = 2,0 м, 3 - А3% = 3,5 м,4 - 1ц.и = 4,8 м

Для определения дополнительного сопротивления при движении судна в условиях нерегулярного волнения на основании результатов модельных экспериментов, выполненных японскими исследователями Муром и Мюрдеем, разработана следующая расчетная зависимость

(3 29)

где (¿0 — функция влияния осадки, (о) - функция влияния скорости,

- функция по физическому смыслу, характеризующая отклонение зависимости (й3%) от квадратичной

Данные функции представляют собой выражения, которые были получены в результате анализа данных, приведенных в работах Мура и Мюрдея

/х (£*) = (0 678 + 017Ы - 0 01Ы1 + 0 00074с/3) 10~2 (3 30)

/;(г>) = -г>2 + 20Н-5 0, (3 31)

й^ = 1 28^/(1 +0 25м/)5, (3 32)

где и; = 2,37^4 (здесь г - коэффициент, определяющий зависимость сопротивления от степени развитости волнения, значение коэффициента может быть рассчитано по формуле

=(1 2-0 1а05)-(2 9а05 - 1 9)Ег, (3 33)

где а - коэффициент полноты ватерлинии)

На основании материалов экспериментов, представленных в работе Миямото, функция влияния курсового угла представлена нами в виде аналитической зависимости

/1 (?.) = «* «рИМ» -с',У\+(1<н (3 34)

Ряд числовых значений коэффициентов данной функции определены для нескольких переменных значений и г Окончательно среднее дополнительное сопротивление при произвольном курсовом угле встречи волн определяется из соотношения

Л,1,, =К, /,(<?„,) (3 35)

Стационарный случайный процесс, характеризующий воздействие боковой возмущающей силы и момента рыскания для условий нерегулярного волнения, может быть представлен суммой гармонических воздействий, каждое из которых является произведением амплитуды гармоники ,,М() на косинус или синус частоты встречи судна с г-й гармонической волной, т е

__щ

(0 = IX(т^ + 52,),

/=1

—.

АГ„(0 = ]ГМ, вт (со^^ + 53,), «1

где 5и,621>53, — фазы, являющиеся случайными числами, равномерно распределенными в интервале от 0 до 2п, - частота встречи судна с волной (кажущаяся частота волны).

Для определения амплитуд и частот составляющих гармоник рассчитываются спектральные плотности процессов ^ (0> ^ЛО, т е ¿У,

и их совместная спектральная плотность Брм

Спектральные плотности 5^-, 5/?«-, например, для т/к типа "Астрахань" при 5-балльном волнении представлены на рис 3 4

Вт

Г™ I Г ! [- (......—|-1-;-г

04 06 08 10 со с'

Рис 3 4 Спектральные плотности 1 - 5-, 2 - , 3 - (д* = 135 град, г) = 4 уз)

Оценку изменения сопротивления движению судна на мелководье можно произвести по величине изменения его скорости В частности, Лекенби предложил следующую полуэмпирическую формулу для определения потери скорости при движении судна на мелководье при > 0,05

Ди =г>я

О 1242^-0 +

(3 35)

где а>м - площадь погруженной части мидель-шпангоута

С учетом выражения (3 35) получена формула, позволяющая редуцировать зависимость и(<), определенную во время ходовых испытаний на глубокой воде, в зависимость х>н(/), характеризующую разгон (торможение) при движении в условиях мелководья

«о т

н

(3 36)

где введено условное обозначение Н„ = ——, условная функциями), представленная в выражении (54), определяется зависимостью

Ди) = [>(#„)]°5-0 1242^-0 05^-1 0 (3 37)

Пример редукции показан на рис 3 5

разгон

торможение

I___

Рис 3 5 Редукция скорости разгона (1, 2) и торможения (3,4) 1,3- изменение скорости при разгоне и торможении на глубокой воде, 2,4 - то же, при Я= 12м (танкер в балласте)

Для учета влияния мелководья в ММ судна разработан алгоритм расчета гидродинамических характеристик корпуса с использованием результатов экспериментов, опубликованных в работах В И Когана и А Д Гоф-

мана В частности, значения присоединенных масс и момента инерции танкера на мелководье определены в соответствии с зависимостями

= 1„> ^22,, =^бб„Абя> (3 38)

где , 'k22j, , 'кПп, Х22и, лб6ц - присоединенные массы и момент инерции судна при движении на глубокой воде и мелководье соответственно

Для расчета значений коэффициентов кПи,к22и,к66н = fidlH) разработаны аналитические выражения.

X 1н = 1 004 - 0 275(rf / Я) + 2 798(rf / Я)2,

■ к22н - 0 998 + 0 403(if /Я) -1 586(<f / Я)2 + 5 487(J / Я)3, (3 39)

К6„ = 0 997+0 358(rf / Я) + 0 814(i/ / Я)2 + 2 271(</ / Я)3

Увеличение значений гидродинамических сил и их момента в математической модели судна представлено коэффициентами, которые возрастают преимущественно вследствие увеличения на мелководье эффективного удлинения судна как крыла малого удлинения и полноты эпюры поперечной нагрузки на корпусе

В доволновых режимах движения (FrH < 0,6) изменения гидродинамических сил и момента определялись с помощью коэффициентов

' ,f" ' № (3 40)

— ! Г* ¡Г* — C"0 ! C™

значения которых рассчитывались по формулам, полученным по результатам исследований В И Когана

¿f =0921 + 0 742^ + 2 179^ +4594^0 , ki =0 399 + 4 753^-11 858^0 + 16 86l|j|j ,

0 953 + 0 694^-2 667|J0 +2 240^|rj , С = 0 997 + 0 054^-0 j +0 816[^)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тема диссертационной работы определена с учетом ее направленности на решение проблемы обеспечения безопасной эксплуатации судов, в частности, на снижение аварийности при выполнении ключевых судовых операций за счет уменьшения влияния человеческого фактора при оценке ситуации и принятия решения по управлению судном

В качестве объекта исследования в данной диссертационной работе выбрана социотехническая система управления безопасным состоянием судна, включающая в себя техническое средство (судно), его идентифицированные ММ, а также человека-оператора (судоводителя), осуществляющего управление системой При этом область исследования определена необходимостью наличия в общем алгоритме управления социотехниче-ской системой (при осуществлении судоводителем управляющих действий во время выполнения ключевых судовых операций) модели МП развития ситуации

На основе анализа результатов выполненных работ можно сделать вывод, что цель исследования - разработка научного направления, связанного с целенаправленным синтезом оптимальных с точки зрения безопасности выполнения ключевых судовых операции моделей механизма предвидения Мх = {Л, Х0} социотехнической системы управления г\ = (У, I, X, И, Ц) на базе идентифицированных, обладающих прогностическими способностями математических моделей судна, учитывающих влияние внешних факторов, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом, - достигнута в результате решения следующих исследовательских задач

1 Анализа существующего процесса универсализации ММ судна и оценки свойства устойчивости решений этих моделей, необходимого для разработки прогностических алгоритмов, образующих модель МП социотехнической системы управления при взаимодействии судна с внешней средой, которая представлена в виде аддитивного и мультипликативного "белого" шума

2 Разработки методики бинарной декомпозиции элементного множества универсальной ММ управляемого объекта (судна), позволяющей определить доминирующие элементы объекта с доминирующими связями между ними и синтезировать на основе этих взаимосвязанных элементов малопараметрические модели, достоверно описывающие изменения пара-

метров, характеризующих состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций

3 Определения возможных ограничений, накладываемых на малопараметрические ММ судна, которые являются основой модели МП социо-технической системы управления состоянием безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций

4 Разработки методики целенаправленного синтеза альтернативных вариантов моделей МП, представляющей его методологическую основу при фиксированной целевой функции управления, с учетом возможных ограничений, накладываемых на ММ судна

5 Разработки алгоритма выбора оптимальной для заданных условий безопасного выполнения ключевой судовой операции, модели МП с использованием универсального комбинаторного метода "ветвей и границ"

6 Разработки методов идентификации малопараметрических моделей судна, определяющих характер взаимодействия доминирующих элементов с доминирующими связями по обучающей выборке, а также идентификации маневренных характеристик судна, составляющих основу оптимальной модели МП

7 Разработки моделей, определяющих зависимость динамических характеристик судна от его геометрических параметров, а также моделей определяющих влияние факторов внешней среды, представленных в виде аддитивного и мультипликативного "белого" шума, на параметры характеризующие состояние безопасности судна, выполняющего ключевую судовую операцию

Практическая значимость результатов диссертационной работы убедительно подтверждается результатами анализа состояния и перспектив развития транспортных операций по перевозке нефти и нефтепродуктов в Арктических морях и связанной с этим безопасностью судовождения

Основное содержание диссер гации опубликовано в работах: Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1 Юдин, Ю И Обработка результатов натурных испытаний с учетом траекторных наблюдений маневров / Ю И Юдин, Р Г Степахно // Вестник МГТУ. Труды Мурман гос техн ун-та -2002 -Т 5, ч 2 - С 213-218

2 Юдин, Ю И Моделирование расчета опасности навала при швартовой операции / Ю.И Юдин, В И Меньшиков, А Ю Юдин // Вестаик МГТУ Труды Мурман гос техн ун-та. - Мурманск, 2003 - Т 6, № 1 - С 65-66

3 Учет волнения в математической модели судна с целью оценки его влияния на маневренные характеристики / Г И Мартюк, ЮИ Юдин, А Ю Юдин // Вестник МГТУ Труды Мурман гос техн ун-та - Мурманск, 2004 -Т 7, № 3 -С 340-369

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

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

6 Сравнение математических моделей с точки зрения коэффициентов влияния /СИ Позняков, Ю И Юдин // Вестник МГТУ Труды Мурман гос техн ун-та - Мурманск, 2006 -Т 9, №2 - С 241-245

7 Юдин, Ю И Использование принципа максимума для параметрической идентификации математической модели судна / Ю И Юдин, С В Пашенцев//Наука и техника транспорта -2006 -№2 -С 100-107

8 Юдин, Ю И Процедура синтеза (схематизации) механизма предвидения экспертных систем / Ю И Юдин // Наука и техника транспорта -2006 -№ 4 - С 22-26

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

10 Юдин, Ю И Разработка алгоритма расчета геометрических параметров подводной и надводной частей судна / Ю И Юдин // Вестаик МГТУ Труды Мурман гос техн ун-та.- Мурманск, 2006 -Т 9,№2 -С 209-212

11 Юдин, Ю И Определение расчетной схемы для моделирования работы движительно-рулевого комплекса т/к "Астрахань" / Ю И Юдин, А Ю Юдин, Г И Мартюк // Вестник МГТУ Труды Мурман гос техн ун-та - Мурманск, 2006 -Т 9, №2 -С 213-219

12 Юдин, ЮИ Математическое моделирование работы подруливающего устройства / Ю И. Юдин, А Ю Юдин, Г И Мартюк // Вестник МГТУ Труды Мурман гос техн ун-та - Мурманск, 2006 -Т 9, №2 - С 220-223

13 Юдин, Ю И Определение минимально допустимой скорости танкера при выполнении швартовой операции в условиях ветра / Ю.И Юдин, А Ю Юдин, Г И Мартюк // Вестник МГТУ Труды Мурман гос техн ун-та - Мурманск, 2006 -Т 9, №2 -С 224-228

14 Юдин, Ю И Моделирование выхода танкера в условную точку по заданной траектории / Ю И Юдин, А Ю Юдин, Г И Марпок // Вестник МГТУ Труды Мурман гос техн ун-та.-Мурманск, 2006 -Т 9, №2 -С 229-233

15 Юдин, Ю И Маневренные характеристики судна как функции параметров его математической модели / Ю И Юдин, С И Позняков // Вестник МГТУ Труды Мурман гос техн ун-та - Мурманск, 2006 - Т 9, №2 -С 234-241

16 Юдин, Ю И Механизм предвидения в организационно-технических системах управления судовыми ключевыми операциями / Ю И Юдин // Наука и техника транспорта - 2007 - № 1 - С 74-79

Статьи в материалах международных, всероссийских конференций

17 Юдин, Ю И Идентификация модели судна - важнейший элемент управления безопасностью мореплавания / Ю И Юдин, Р Г Степахно // Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN, 2002 материалы 3-й междунар конф (Калининград, 27-29 ноября 2002)/БГАРФ - Калининград, 2003 -С 274-283

18 Построение диаграммы управляемости судна по результатам трех установившихся циркуляций / Р Г Степахно, Ю И Юдин // Межвузовский сборник трудов по материалам Всерос науч -техн конф "Наука и образование-2003" / Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2003 -С 245-253

19 Юдин, Ю И Принципы экспертного оценивания качества выполнения судоводителем динамических операций / Ю И Юдин, Г И Мартюк // Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN, 2004 материалы 4-й междунар конф (Калининград, 9-10 июня 2004 г ) / БГАРФ - Калининград, 2004 - С 14-18

20 Юдин, ЮИ Идентификация параметров тренажерной модели движения танкера / Ю И Юдин, Г И Мартюк // Управление безопас-

ностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN, 2004 материалы 4-й междунар конф (Калининград, 9-10 июня 2004 г) / БГАРФ -Калининград, 2004 -С 154-159

21 Юдин, Ю И. Расчет присоединенных масс судна / ЮИ Юдин, С И Позняков // "Наука и образование - 2005" материалы Междунар науч -техн конф (Мурманск, 6-14 апреля 2005 г ) в 7 ч / Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2005 - Ч. 7 -С 76-80

22 Использование принципа максимума акад Л С Понтрягина для параметрической идентификации математической модели судна / С В Па-шенцев, Ю И Юдин // "Наука и образование - 2005" материалы Междунар науч-техн конф.(Мурманск, 6-14 апреля 2005 г) в 7 ч / Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2005 -Ч 7 - С 115-118

23 Юдин, Ю И Оценка способов расчета гидродинамических характеристик руля / ЮИ Юдин, С H Кислый // "Наука и образование-2005" материалы Междунар науч-техн конф (Мурманск, 6-14 апреля 2005 г) в 7ч /Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2005 -Ч 7 -С 134-137

24 Юдин, Ю И К вопросу о парусности судна [Электроннный ресурс] / Ю И Юдин, А А. Анисимов, А H Анисимов // МГТУ Электрон текст дан (16 Мб) - Мурманск МГТУ, 2006 - Междунар науч-техн конф "Наука и образование - 2006" - С 930-932 - НТЦ "Информ-регистр", № 0320501517, св 7081 от 28 11 2005 г

25 Юдин, Ю И Решение задач идентификации математической модели прямолинейного движения судна с использованием принципа максимума Понтрягина [Электронный ресурс] / Ю И Юдин, С И Позняков // МГТУ Электрон текст дан (16 Мб) - Мурманск МГТУ, 2006 - Междунар науч -техн конф "Наука и образование - 2006" - С 978-980 -НТЦ "Информрегистр", № 0320501517, св 7081 от 28 11 2005 г

Тезисы докладов на конференциях

26 Юдин Ю И Управляемость на волнении / Ю И Юдин, А А Са-мусев // Тезисы докл 9-й науч -техн конф МГТУ (Мурманск, 20-30 апреля 1998 г) В2ч Ч 2/Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 1998 - С 71

27 Юдин, Ю И Информационные технологии в системе управления безопасности компании / Ю И Юдин, А В Лихачев // Тезисы 10-й науч -техн конф МГТУ (Мурманск, 2-30 апреля 1999 г) / Мурман гос техн ун-т -Мурманск, 1999 -С 337

28 Юдин, Ю И Расчеты управляемости буксирной системы / ЮИ Юдин // Тезисы 10-й науч.-техн конф МГТУ (Мурманск, 2-30 апреля 1999 i )/Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 1999 - С 345

29 Юдин, Ю И Построение диаграммы управляемости судна по результатам трех установившихся циркуляций / Ю И Юдин, Р Г Степахно // "Наука и образование - 2003" материалы Всерос науч -техн конф (Мурманск, 2-16 апреля 2003 г ) в 5 ч / Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2003 -Ч 5 -С 12-13

30 Юдин, Ю И Сравнительная оценка точности в определении положения точек судна для одноточечной и двухточечной навигации / ЮИ Юдин, АЮ Юдин//"Наукаи образование-2003" материалы Всерос науч -техн конф (Мурманск, 2-16 апреля 2003 г ) в 5 ч / Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2003 -Ч 5 -С 13-14

31 Разработка программного комплекса моделирования движения судна в реальных условиях плавания /ИИ Сотников, JI В Яковлева, Ю И Юдин // Сб тез студ науч -техн. конф (Мурманск, 6 апреля 2004 г ) / Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2004 - С 7-8

32 К вопросу обеспечения безопасности плавания в стесненных водах / Ю И Юдин, В И Меньшиков, А А Анисимов, А H Анисимов // Тезисы докл науч -техн конф проф -преп состава ГМА им адм С О Макарова - СПб , 2006 - С 423^25

33 Юдин, Ю И Оценка влияния параметров математической модели судна на его маневренные характеристики / Ю И Юдин, С И Позняков // "Наука и технологии Шаг в будущее - 2006" материалы 1-й между нар науч -практ конф (Белгород, 20-31 марта 2006 г ) / Роснаучкнига - Белгород, 2006 -Т 14 -С 58-59

Свидетельства на программы для ЭВМ, патенты

34 Эксплуатационные расчеты остойчивости на базе данных судна типа РТ "И Шаньков" свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2001611720, Россия / Ю И Юдин, M M Лукашевич, правообладатель Мурман гос техн ун-т -№200611440 , заявл 18 09 01, опубл 17 12 01 -29 с

35 Расчет статических характеристик судна свидетельство об офиц регистрации программы для ЭВМ № 2003610016, Россия / Мурман гос техн ун-т, Ю И Юдин [и др ] - Заявл 28 10.2002 , зарег 04 01 2003

36 Обработка натурных экспериментов и идентификация параметров математической модели судна свидетельство об офиц регистрации программы для ЭВМ № 2003611468, Россия / Мурман. гос техн ун-т, Г И Мартюк, С В Пашенцев, Ю И Юдин, заявл 24 04 2003 , зарег 19 06 2003

37 Юдин, Ю И. Способ управления движущимся объектом пат № 2263606, Россия, МПК 7 В63Н 25/00 / Ю И Юдин, С В Пашенцев , заявитель и патентообладатель Мурман гос техн ун-т - № 2004112114/11 , заявл 20 04 04 , опубл 10 11 05

38 Управление судном с произвольной математической моделью и визуализация его движения на плоскости и пространстве в аппаратной системе с тремя мониторами свидетельство об офиц регистрации программы для ЭВМ № 2006612407, Россия / С В Пашенцев, Ю И Юдин , заявитель Мурман гос техн ун-т , заявл 10 05 2006 , зарег 10 07 2006

39 Юдин, Ю И Способ управления движением судна пат № 2297362, Россия, МПК 7 В63Н 25/00 / Ю И Юдин, С В Пашенцев , заявитель и патентообладатель Мурман гос техн ун-т - № 2005139961/11, заявл 20 12 05 , опубл 20 04 07

Депонированные статьи

40 Юдин, Ю И Оценка управляемости судна при выполнении швартовых операций в открытом море / Ю И Юдин , Мурман высш инж мор уч-ще -Мурманск, 1990 - 9 с -Деп вВНИИРХЗ! 05 90, № 1108-рх-90

41 Разработка математической модели танкера "Саратов" / Ю И Юдин, С В Пашенцев, Г И Мартюк, А Ю Юдин , Мурман гос техн ун-т -Мурманск, 2003 -25 с - Деп в ВНИИРХ 10 02 2003, № 1391-рх-2003

42 Юдин, Ю И Разработка математической модели движения буксирной системы / Ю И Юдин, А А Котов, А Ю Юдин , Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2003 - 37 с - Библиогр 19 назв - Деп в ВНИИРХ 10 02 03, № 1390-рх-2003

43 Юдин Ю И Использование судовой спутниковой навигационной аппаратуры СНС "НАВСТАР GPS" для определения маневренных элементов судна и поправки лага / Ю И Юдин, А Ю Юдин , Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2003 - 40 с. - Библиогр 12 назв - Деп в ВНИИРХ 10 12 03, № 1398-рх-2003

44 Решение задач идентификации математической модели прямолинейного движения судна с использованием принципа максимума Понтря-

гина /СИ Позняков, Ю И Юдин, Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2006 - 24 с - Деп в ВИНИТИ 07 03 06, № 226-В2006

45 Юдин, Ю И Построение и численная апробация обобщенной математической модели плоскопараллельного движения судна / Ю И Юдин, И И Сотников , Мурман гос техн ун-т - Мурманск, 2006 - 44 с - Деп в ВИНИТИ 07 11 06, № 1308-В2006

Отчеты о НИР

46 Разработка математической модели движения буксирной системы отчет о НИР / Мурман гос техн ун-т, рук Ю И Юдин, исполн С Е Смирнов -Мурманск, 1998 -31с -№ГР0197009020 -Инв №02980004931

47 Разработка программного обеспечения расчета мореходных качеств судна в условиях эксплуатации отчет о НИР / Мурман гос техн ун-т , рук Ю И Юдин , исполн А А Самусев - Мурманск, 1998 - 24 с -№ГР 01970009018 -Инв №02980005665

48 Проблемы безопасности буксировки морем крупногабаритных объектов отчет о НИР (закл ) РТО / Мурман гос техн ун-т рук ЮИ Юдин -Мурманск, 2002 -23 с - Инв №02200206206

49 Разработка и установка на оборудовании заказчика компьютерной программы маневрирования танкера типа "Саратов" при подходе, стыковке к шлангу-швартову и при погрузке нефти через шланг-швартов на полигоне отгрузки "Варандей" отчет о НИР / Мурман гос техн ун-т, рук ЮИ Юдин -Мурманск, 2004 - И с -Инв №02200405945

г, U

Издательство МГТУ 183010 Мурманск, Спортивная, 13 Сдано в набор 05 2007 Подписано в печать 01 06 2007 Формат 60х84'/!б Бум типографе4^ Уел печ л 2,79 Уч-изд л 2,18 Заказ 285 Тираж 100 экз

ВВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ 1. ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫЙ СИНТЕЗ МОДЕЛЕЙ

МЕХАНИЗМА ПРЕДВИДЕНИЯ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КЛЮЧЕВЫХ СУДОВЫХ ОПЕРАЦИЙ.

§. 1.1. Математические модели судна и пути их универсализации.

§ 1.2. Особенности практической реализации моделей механизма предвидения в экспертных системах, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна.

§ 1.3. Методика бинарной декомпозиции универсальной математической модели судна.

§ 1.4. Малопараметрические открытые по информации математические модели судна.

§ 1.5. Определение ограничений, накладываемых на параметры движения судна при выполнении ключевых судовых операций.

§ 1.6. Методика целенаправленного синтеза моделей механизма предвидения для экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна.

РАЗДЕЛ 2. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

МОДЕЛЕЙ МЕХАНИЗМА ПРЕДВИДЕНИЯ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ.

§ 2.1. Точечная параметрическая идентификация элементов моделей механизма предвидения экспертных систем.

§ 2.2. Условия формирования базы данных для решения задачи точечной идентификации.

§ 2.3. Интервальная параметрическая идентификация элементов моделей механизма предвидения экспертных систем.

§ 2.4. Идентификация маневренных характеристик судна по результатам натурных экспериментов.

§ 2.5. Идентификация диаграммы управляемости судна по результатам трех установившихся циркуляций.

РАЗДЕЛ. 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОНСЕРВАТИВНЫХ ПО ИНФОРМАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ

МЕХАНИЗМА ПРЕДВИДЕНИЯ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ.

§ 3.1. Модели, определяющие зависимость динамических характеристик судна от его геометрических параметров при данном варианте загрузки.

§3.2. Модель гидродинамических процессов в винторулевом комплексе судна и его подруливающем устройстве.

§ 3.3. Модель влияния ветра на динамические характеристики судна.

§ 3.4. Модель влияния волнения на динамические характеристики судна.

§ 3.5. Модель влияния мелководья на динамические характеристики судна.

Актуальность темы диссертационной работы определяется ее направленностью на решение одной из важнейших проблем мирового судоходства - обеспечение безопасной эксплуатации судов. Высокий уровень аварийности судов, катастрофы на морском транспорте, приводящие к гибели людей, серьезным экономическим потерям и отрицательным экологическим последствиям - все это говорит о том, что проблема безопасной эксплуатации судов требует пристального внимания к ней как ученых, так и практиков, работающих над изучением и решением задач, связанных с безопасностью судовождения.

Большая практическая значимость решения задач, связанных с обеспечением безопасности судовождения в современных условиях, убедительно подтверждается результатами анализа состояния и перспектив развития транспортных операций по перевозке нефти и нефтепродуктов в Арктических морях. Географические особенности этих районов делают опасной, дорогостоящей и, следовательно, экономически невыгодной перекачку нефти по трубопроводу, поэтому предпочтение отдается танкерному флоту.

Около 50 % транспортируемой морем нефти приходится на нефть, добытую на континентальном шельфе [38]. Таким образом, танкерный флот, по сути, является структурной единицей единого технологического процесса добычи и переработки углеводородного сырья. При существующих в настоящее время способах добычи нефти и газа в прибрежных районах Арктических морей можно считать танкерные перевозки главным, а порой и единственным способом доставки нефти из района промысла на перерабатывающие предприятия и береговые терминалы [53].

Использование танкерного флота для транспортировки нефти в сложных гидрометеорологических условиях создает определенный риск возникновения аварий и, как следствие, экологических катастроф. Любая авария на танкере или в районе его погрузки может привести к необратимым экологическим последствиям, к которым весьма чувствительна природа Севера.

Об определенной вероятности аварии свидетельствуют статистические данные, характеризующие общее состояние аварийности судов, плавающих под российским флагом. Согласно данным, опубликованным в журнале "Морской флот" [97], за 10 лет (1993-2003 гг.) она увеличилась в четыре раза. По классификации Российского морского Регистра судоходства, основными причинами аварийных случаев являются недостаточное знание маневренных характеристик и правил плавания в сложных навигационных и гидрометеорологических условиях.

Экологические последствия танкерных перевозок нефти, риск и статистика аварий подробно рассмотрены в известных публикациях Нельсона-Смита [65] и Международной морской организации (ИМО) [1^4]. Вероятность аварий танкеров водоизмещением более 10 тыс. т оценивается в 2.3 % на каждые 10 млн. т дедвейта. По данным ИМО, удельная аварийность танкеров водоизмещением более 6 тыс. т в конце XX века составляла 2 %.

Основными причинами аварийности танкерного флота, занятого перевозкой углеводородного сырья (в большинстве случаев сырой нефти), являются посадки танкеров на мель и столкновения с другими судами. Каждый второй случай посадки на мель или столкновения являются следствием неучета или неправильного учета влияния внешних факторов на маневренные характеристики судна [183]. Этот факт весьма существенен при постановке задачи планируемого исследования.

Известны случаи танкерных аварий непосредственно в зоне эксплуатации нефтяных месторождений. Такие аварии еще более опасны, так как происходят в районе большого скопления нефти (нефтехранилища, нефтепроводы и т. п.). Показательна в этом отношении авария, произошедшая в 1978 году у берегов Шетландских островов, когда танкер "Esso Bernica" получил пробоину во время швартовки. На ликвидацию последствий аварии потребовалось более шести месяцев.

Более катастрофическими по своим последствиям могут быть аварии в особо чувствительных в силу природных особенностей районах, к которым учные направления как в области проектирования судовых технических средств, учитывающих определенные особенности судоводителя, так и в области разработки элементов его поведения, способствующих повышению надежности функционирования сложной социотехнической системы управления безопасным состоянием судна [122].

Интерес к таким направлениям в исследовании и в проектировании связан, в первую очередь, с тем, что повышение надежности функционирования социотехнической системы сдерживается человеческим фактором или в соответствии с терминологией ИМО - человеческим элементом (Резолюции А.680(17), А.742(18), А.772(18), А.850(20); циркулярные письма MSC/Circ.763, MEPC/Circ.313). Поэтому следует признать весьма актуальной дальнейшую активизацию исследований, связанных с формированием элементов поведения судоводителя, как при восприятии им информации от систем отображения с мультимедийным способом представления информационных переменных, так и при управлении состоянием сложного объекта. В данном случае сложным объектом является современное судно, находящееся в условиях выполнения им ключевых судовых операций, к которым с большой долей уверенности можно отнести, например, буксирные операции, постановку на якорь, швартовные операции, выполняемые в условиях открытого моря. В частности, точечная швартовка к приемному устройству нефтепровода (монобую) [53] осуществляется, как правило, в условиях открытого моря и далеко не всегда в благоприятных гидрометеорологических условиях. Остановить судно большого тоннажа в заданной точке, в заданном положении даже в маловетрие, при отсутствии волнения, минимальном течении - задача не простая, требующая от судоводителя большого мастерства и высоких профессиональных навыков. Если же в районе наблюдаются неблагоприятные гидрометеорологические условия, выполнение маневра еще больше осложняется, особенно в тех случаях, когда судоводитель недостаточно представляет последствия воздействия внешних факторов на маневренные характеристики судна [144]. Без прогнозирования поведения судна при предпринимаемых управляющих воздействиях невозможно целенаправленно им управлять, при этом вероятны частые прерывания уже начавшегося движения, корректировка траектории и, как следствие, в лучшем случае - непроизводительные затраты времени, в худшем - аварийная ситуация.

Необходимость исследований, связанных с формированием элементов поведения судоводителя при использовании им информации, поступающей от судовых технических средств, в целях обеспечения безопасных режимов управления судном, можно также мотивировать статистическими данными, приведенными Wold Casualty Statistics and Lloyd's Casualty Week Publication за период с 1994 по 2004 годы. В результате аварий мирового флота погибло 6 693 человека, было потеряно 2 225 средних и крупных судов. Соотношение морских аварий в мировом флоте за этот период можно дать в виде следующего перечня: опасный крен - 3,95 %; потеря водонепроницаемости -3,11 %; погодные явления - 1,43 %; пожары, взрывы - 13,65 %; повреждения - 1,44 %; опрокидывание - 3,62 %; навалы - 3,66 %; столкновения - 14,78 %; технические причины - 17,05 %; кораблекрушения - 23,22 %; разрушение - 10,28 %; остальные виды - 3,81 %.

В общей сложности причиной 80% перечисленных аварий является человеческий фактор, поэтому все исследования, направленные на уменьшение влияния этого фактора, снижение аварийности при управлении такими сложными объектами как судно и поддержание состояния их безопасной эксплуатации на уровне, определенном действующими морскими Международными конвенциями, можно классифицировать как актуальные.

Одно из направлений решения проблемы совершенствования управления судном для обеспечения безопасности судовождения относится к области создания современных судовых информационных систем. С нашей точки зрения, такая информационная система должна выполнять следующие основные функции: определять текущие значения параметров, характеризующих динамические свойства судна при заданных управляющих действиях в конкретных условиях плавания; идентифицировать математические модели и маневренные характеристики судна с учетом полученных значений указанных выше параметров; использовать идентифицированные модели и маневренные характеристики судна для адекватного прогнозирования (предвидения) развития ситуации при любом планируемом управлении судном [59], [169]. С учетом указанных функций такую информационную систему можно отнести к классу экспертных систем.

Прогнозирование движения любой динамической системы основывается на результатах математического моделирования процесса движения этой системы с использованием ее идентифицированной универсальной математической модели или нескольких частных, также идентифицированных математических моделей. Прогнозирование движения судна в данном случае не является исключением. При этом необходимо иметь в виду, что для обеспечения безопасности движения судна, выполняемого в конкретных условиях плавания и с определенной целью, требуется соблюдение ряда условий организационно-технического характера, в определенном смысле ограничивающих свободу его движения. Кроме того, любой маневр, выполняемый отдельно или в рамках осуществляемой ключевой судовой операции, например швартовки, не приведет к достижению поставленной цели, если будет проигнорировано или не верно учтено влияние внешних факторов в районе выполнения маневра на динамические характеристики судна. Таким образом, прогнозировать приходится не движение без ограничений, а движение с заданной целью при соблюдении установленных норм и правил как организационного, так и технического характера, а также с учетом текущих условий плавания.

Предвидение развития ситуации в процессе выполнения сложного маневрирования с учетом всех перечисленных выше факторов - достаточно сложная задача, решение которой требует нетрадиционного подхода. В частности, для адекватного прогнозирования развития ситуации при любом планируемом управлении судном с целью его безопасного маневрирования в конкретных условиях плавания или выполнения ключевой судовой операции необходимо наличие экспертной системы в структуре социотехнической системы управления безопасным состоянием судна. В свою очередь, в структуре экспертной системы, обеспечивающей безопасную эксплуатацию судна, должен функционировать механизм предвидения развития ситуации при выполнении судоводителем управляющих действий, представленный его математической моделью в общем алгоритме управления социотехнической системой.

Учитывая вышесказанное, в качестве объекта исследования диссертационной работы выбрана социотехническая система управления безопасным состоянием судна, включающая в себя техническое средство (судно), его идентифицированные математические модели и маневренные характеристики, а также человека-оператора (судоводителя), осуществляющего управление системой, которая, в частности, обеспечивает состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций. В этом случае объект исследования может быть представлен структурой вида r| = {Y,I,X, R, U), где Y- элементное множество системы, в состав которого в качестве отдельного элемента входит судно как управляемый элемент; I - алгебрагическая система, определенная с помощью линейной или нелинейной алгебры с вырожденной системой отношений; Х - множество процессов, идущих в системе; R - цель управления системой; U — закон управления системой. В структуре этой системы пара множеств {R, U) образует механизм функционирования Ми социотехнической системы управления в целом.

Выбрав объект исследования, можно достаточно определенно установить область исследования, исходя из необходимости наличия в общем алгоритме управления социотехнической системой модели механизма предвидения развития ситуации при выполнении судоводителем управляющих действий. Следовательно, разработка оптимальной модели механизма предвидения социотехнической системы управления, реализуемой в интеллектуальном и (или) программном виде, является областью исследования в данной диссертационной работе. При этом модель механизма предвидения должна создавать определенные ограничения для механизма функционирования Мы = {R, U] социотехнической системы управления при условии поддержания в ней состояния безопасности судна, в частности, занятого выполнением ключевой судовой операции. С формальной точки зрения область исследования, представленная в диссертационной работе, может быть определена как задача синтеза процессов предвидения социотехнической системы, заданных на паре множеств {R, Х0] =М^сМ„={Л,17}, где Xq cz X - законы движения состояния судна, реализующие заданную цель управления R при заданном законе управления U и определенные с помощью прогностических с признаками универсальности математических моделей судна.

В данном случае целью исследования является разработка научного направления, связанного с целенаправленным синтезом оптимальных с точки зрения безопасности выполнения ключевых судовых операций моделей механизма предвидения Мх = {R, Х0} социотехнической системы управления г| = (Y, /, X, R, U) на базе идентифицированных, обладающих прогностическими способностями математических моделей судна и его маневренных характеристик с учетом влияния внешних факторов, представленных аддитивным и мультипликативным "белым" шумом.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие исследовательские задачи:

1. Провести анализ существующего процесса универсализации математической модели судна и оценку свойства устойчивости решений этих моделей, необходимого для разработки прогностических алгоритмов, образующих модель механизма предвидения социотехнической системы управления безопасным состоянием судна с учетом взаимодействия судна с внешней средой, которая представлена в виде аддитивного или мультипликативного "белого" шума.

2. Разработать методику бинарной декомпозиции элементного множества универсальной математической модели управляемого объекта (судна), позволяющую определить доминирующие элементы объекта с доминирующими связями между ними и синтезировать на основе этих взаимосвязанных элементов малопараметрические модели, достоверно описывающие изменения параметров, характеризующих состояние безопасности судна при выполнении им ключевых судовых операций.

3. Определить возможные ограничения, накладываемые на малопараметрические математические модели судна, которые являются основой модели механизма предвидения социотехнической системы управления состоянием безопасности судна, выполняющего ключевую судовую операцию в определенных эксплуатационных условиях.

4. Разработать методику целенаправленного синтеза альтернативных вариантов моделей механизма предвидения, представляющую его методологическую основу при фиксированной целевой функции управления с учетом возможных ограничений, накладываемых на математические модели судна.

5. Разработать алгоритм выбора оптимальной для определенных условий безопасного выполнения ключевой судовой операции, модели механизма предвидения с использованием универсального комбинаторного метода "ветвей и границ".

6. Разработать методы идентификации малопараметрических моделей судна, определяющих характер взаимодействия доминирующих элементов с доминирующими связями по обучающей выборке, а также методы идентификации маневренных характеристик судна, составляющих основу моделей механизма предвидения.

7. Разработать модели, определяющие зависимость динамических характеристик судна от его геометрических параметров, а также модели, определяющие влияние факторов внешней среды, представленных в виде аддитивного и мультипликативного "белого" шума, на параметры, характеризующие состояние безопасности судна, выполняющего ключевую судовую операцию.

В качестве методологической основы теоретических исследований планируется использовать совокупность методов и терминологии дифференциального и интегрального исчисления, теории случайных последовательностей с применением элементов теории вероятности и математической статистики, а также теории графов, матричного исчисления и универсального комбинаторного метода "ветвей и границ".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объектом диссертационного исследования является социотехническая система управления безопасным состоянием эксплуатации судна, включающая в себя:

- техническое средство (судно) с его математическими моделями и маневренными характеристиками;

- экспертную систему, способствующую уменьшению влияния человеческого фактора на безопасность эксплуатации судна за счет использования в ней механизма предвидения;

- оператора (судоводителя), который в рамках этой системы осуществляет безопасное судовождение, в частности, при выполнении ключевых судовых операций.

Область исследования данной диссертационной работы определена сформулированным в ней научным направлением, которое связано с решением задачи синтеза моделей механизма предвидения, реализуемых в экспертной системе, обеспечивающей безопасную эксплуатацию судна. Использование экспертной системы с функционирующей в ней моделью механизма предвидения, входящей в общий алгоритм управления социотехнической системой, вносит определенные ограничения в механизм функционирования этой системы, тем самым способствуя поддержанию в ней безопасной эксплуатации судна. Поэтому с формальной точки зрения область исследования, представленную рассмотренным в диссертационной работе научным направлением, можно определить как задачу синтеза моделей механизма предвидения в экспертной системе безопасной эксплуатации судна, определенных на паре множеств {R, Х0] = Мх с Ми = {R, U}. Причем Х() а Х- законы движения состояния объекта управления, способствующие достижению заданной цели управления R при заданном законе управления U, определяются с помощью прогностических с признаками универсальности идентифицированных математических моделей и маневренных характеристик судна как объекта управления.

В ходе исследований, выполненных автором диссертационной работы, были получены следующие научные результаты:

- показано, что существующий и широко распространенный процесс универсализации математических моделей маневрирующего судна не обеспечивает устойчивости и точности их решениям, которые необходимы для разработки прогностических алгоритмов, формирующих модели механизма предвидения экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна;

- установлено, что процесс универсализации математической модели судна существенно усложняет процедуру ее идентификации, а при существующих в настоящее время судовых средствах измерения параметров движения судна порой делает ее просто невыполнимой, что, в свою очередь, ограничивает возможности синтеза адекватных моделей механизма предвидения;

- разработана методика бинарной декомпозиции элементного множества универсальной математической модели объекта управления, позволяющая выделять структуры процессов, описываемых с помощью малопараметрических математических моделей, используя которые можно адекватно прогнозировать изменения параметров, характеризующих состояние безопасности маневрирующего судна при выполнении им ключевых судовых операций;

- сформулированы ограничения, которые должны учитываться в процессе синтеза моделей механизма предвидения экспертной системы, обеспечивающей безопасное управление маневрирующим судном, осуществляющим выполнение ключевой судовой операции;

- разработана методика целенаправленного синтеза альтернативных вариантов математических моделей механизма предвидения экспертной системы и методики выбора оптимального варианта модели механизма предвидения с использованием математического метода "ветвей и границ";

- разработаны методы идентификации малопараметрических моделей судна, определяющих характер взаимодействия доминирующих элементов с доминирующими связями по обучающей выборке, а также идентификации маневренных характеристик судна, составляющих основу моделей механизма предвидения;

- разработаны модели, определяющие зависимость динамических характеристик судна от его геометрических параметров, а также модели, определяющие влияние факторов внешней среды, представленных в виде аддитивного и мультипликативного "белого" шума, на параметры, характеризующие состояние безопасности судна, выполняющего ключевую судовую операцию.

Полученные результаты исследования обладают определенной научной новизной, заключающейся в том, что впервые определено научное направление, в рамках которого разработана методология целенаправленного синтеза оптимальных с точки зрения безопасности выполнения ключевых судовых операций моделей механизма предвидения Мх = {R, Xq} экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна. При этом модели механизма предвидения синтезируются на базе идентифицированных малопараметрических, обладающих прогностическими способностями математических моделей судна и его маневренных характеристик, с учетом влияния факторов внешней среды, представленных в виде аддитивного и мультипликативного "белого" шума. Оптимальная модель механизма предвидения включается в общий алгоритм управления социотехнической системы г| = (У, I, X, R, U), создавая определённые ограничения в работе её механизма функционирования Ми = {R, U} для поддержания в системе состояния безопасной эксплуатации судна. Рассматриваемому научному направлению присущи следующие признаки научной новизны:

- неограниченная универсализация математических моделей маневрирующего судна за счет расширения их элементного множества и усложнения алгебраической системы математического объекта, а также учета действия внешней среды, моделируемого аддитивным и мультипликативным "белым" шумом, не способствует обеспечению требуемой устойчивости и точности прогноза;

- бинарная декомпозиция математического объекта, представленного в виде универсальной математической модели маневрирующего судна, способна обеспечить формирование адекватных малопараметрических моделей процессов, описывающих изменения отдельных компонент состояния судна при выполнении на им ключевых судовых операций;

- целенаправленный синтез прогностических моделей процессов с признаками универсальности может быть основан на принципе ветвления в заданных границах и представлен с помощью достаточно простой и наглядной методики;

- приемы параметрической идентификации малоразмерных по параметрам моделей процессов, в том числе и по эмпирической обучающей выборке, описывают изменения отдельных компонент состояния судна с достаточной для прогнозирования точностью.

Элементы новизны, в свою очередь, позволили автору разработать инновационные программные продукты двойного назначения, которые могут использоваться как в тренажерной технике, так и в качестве отдельных модулей в моделях механизма предвидения экспертных систем, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судна. Инновационный характер программных продуктов подтверждён соответствующими авторскими свидетельствами, а их практическое использование - актами внедрения.

Актуальность, практическая значимость и научная новизна результатов теоретических исследований, выполненных в диссертационной работе, подтверждена экспериментально. Экспериментальная часть работы основана на результатах многочисленных модельных экспериментов на базе разработанных в ходе научных исследований идентифицированных математических моделей судов с моделированием наиболее вероятных эксплуатационных условий (ветер, волнение, мелководье и др.), а также натурных экспериментов. Натурные эксперименты проводились в 2002-2004 гг. по разработанным автором программам (было выполнено около 130 натурных экспериментов по четырем программам) в различное время года, при различных погодных условиях, в разных районах Баренцева моря, имеющих определенные географические особенности. В основном их выполнение было связано с разработкой специализированного профессионального тренажера для обучения командного состава судов танкер

208 ного флота ОАО "Мурманское морское пароходство", а также с целью идентификации математических моделей промысловых судов ОАО "Мурманский траловый флот". Для проведения экспериментов были выбраны три типа судов: принадлежащие ОАО "Мурманский траловый флот" РТ типа "И. Шаньков" и РТ типа "Моонзунд" и т/к типа "Астрахань", принадлежащий ОАО "Мурманское морское пароходство". Кроме того, для проведения исследований в рамках диссертационной работы были использованы результаты натурных экспериментов, выполненных в связи с разработкой и совершенствованием способов управления судном при выполнении швартовных операций в условиях открытого моря. Указанные эксперименты проводились автором при работе над кандидатской диссертацией. Результаты натурных экспериментов обрабатывались методами математической статистики.

209

1. Ананьев, Д.М. Некоторые задачи теории управляемости судна на волнении / Д.М. Ананьев // Труды / Томск, политехи, ин-т. - Томск, 1962. -Вып. 194.-С. 17-31.

2. Ананьев, Д.М. Об устойчивости судна на курсе в условиях волнения / Д.М. Ананьев // Материалы по обмену опытом / НТО судостр. пром-сти им. акад. А.Н. Крылова. Д., 1964. - Вып. 54 : Мореходные качества судов. -С. 84-93.

3. Анисимова, Н.И. Позиционные гидродинамические характеристики судов при произвольных углах дрейфа / Н.И. Анисимова // Судостроение. 1968. - № 5.

4. Асиновский, В.А. Об оценке управляемости судов / В.А. Асиновский,

5. A.Д. Гофман // Материалы по обмену опытом / НТО судостр. пром-сти им. акад. А. Н. Крылова. Л., 1967. - Вып. 90. - С. 47-59.

6. Афремов, А.Ш. О выборе закона работы авторулевого при движении судна на нерегулярном волнении / А.Ш. Афремов, Ю.П. Васильев // Труды / ЦНИИ им. А.Н. Крылова. 1966. - Вып. 232 : Сборник статей по динамике судна. - С. 22-34.

7. Афремов, А.Ш. Рыскание судов на волнении / А.Ш. Афремов // Труды / ЦНИИ им. А.Н. Крылова. 1966. - Вып. 232 : Сборник статей по динамике судна. - С. 3-21.

8. Бард, И. Нелинейное оценивание параметров / И. Бард; пер. с англ.

9. B.C. Дуженко, Е.С. Фоминой ; под ред. и с предисл. Е.Г. Горского. М.: Статистика, 1979. - 349 с. - (Математико-статистические методы за рубежом).

10. Басин, A.M. Гидродинамика судов на мелководье / A.M. Басин, И.О. Веледницкий, А.Г. Ляховицкий. Л. : Судостроение, 1976. - 319 с.

11. Басин, A.M. Ходкость и управляемость судов / A.M. Басин. М.: Транспорт, 1968. -255 с.

12. Березин, С .Я. Системы автоматического управления движением судов по курсу / С.Я. Березин, Б.А. Тетюев. Л. : Судостроение, 1974. - 264 с.

13. Болтянский, В.Г. Математические методы оптимального управления / В.Г. Болтянский. М. : Наука, 1969. - 378 с.

14. Большаков, В.П. К теории управляемости корабля / В.П. Большаков // Труды / ВМАКВ им. А.Н. Крылова. Л, 1959. - Вып. 19. - С. 3-19.

15. Бородай, И.К. Мореходность судов: методы и оценки / И.К. Бородай, Ю.А. Нецветаев. Л. : Судостроение, 1982. -287 с.

16. Буксировка крупнотоннажных объектов морем : отчет о НИР (проме-жуточ.) / Мурман. гос. техн. ун-т; рук. Ю.И. Юдин ; исполн. А.А. Котов. -Мурманск, 2000. 48 с. - № ГР 01200000379. - Инв. № 02200100037.

17. Ваганов, A.M. Общее устройство судов / A.M. Ваганов, А.Б. Карпов. -Л. : Судостроение, 1965. 268 с.

18. Ваганов, Г.И. Тяга судов : методика и примеры выполнения судовых тяговых расчетов : учеб. пособие для ин-тов трансп. / Г.И. Ваганов, В.Ф. Воронин, В.К. Шанчурова. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1986. - 199 с.

19. Вагущенко, Л.Л. Обработка навигационных данных на ЭВМ / Л.Л. Вагущенко. М. : Транспорт, 1985. - 145 с. - (Библиотека судоводителя).

20. Васильев, А.В. Управляемость судов / А.В. Васильев. Л. : Судостроение, 1989. - 328 с.

21. Ветер и волны в океанах и морях : справ, данные. Л. : Транспорт, Ленингр. отд-ние, 1974. - 360 с. - (Регистр СССР).

22. Власов, В.Г. Собрание трудов. В 5 т. Т. 1. Остойчивость надводного корабля / В.Г. Власов. Л. : Судпромгиз, 1959. - 312 с.

23. Вознесенский, А.И. Теоретические и методологические основы исследования особенностей поведения корабля на морском волнении : автореф.дис. . д-ра техн. наук : 05.220 / А.И. Вознесенский ; Ленингр. кораблестр. ин-т. -Л., 1969.-47 с.

24. Войткунский, Я.И. Сопротивление движению судов : учебник / Я.И. Войткунский. 2-е изд., доп. и перераб. - Л. : Судостроение, 1988. - 288 с.

25. Войткунский, Я.И. Справочник по теории корабля / Я.И. Войткунский, Р.Я. Першиц, И.А. Титов. Л. : Судостроение, 1973. - 682 с.

26. Вудсон, У. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов / У. Вудсон, Д. Коновер; пер. с англ. А.М. Пашутина; под ред. с предисл. В.Ф. Венда. М.: Мир, 1968. - 518 с.

27. Вьюгов, В.В. Управляемость водоизмещающих речных судов / В.В. Вью-гов. Новосибирск : НГАВТ, 1999. - 260 с.: ил.

28. Гире, И.В. Аэродинамические характеристики речных судов / И.В. Гире, A.M. Сарибин // Судостроение. 1939. - № 9. - С. 87-90.

29. Гленсдорф, П. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций / П. Гленсдорф, И. Пригожин; пер. с англ. Н.В. Вдовиченко, В.А. Онищука ; под ред. Ю.А. Чизмаджева. -М.: Мир, 1973. 280 с.

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

31. Гофман, А.Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плавания / А.Д. Гофман. Л. : Судостроение, 1971. - 256 с.

32. Гребенников, А.И. Метод сплайнов и решение некорректных задач теории приближений / А.И. Гребенников. М.: Изд-во МГУ, 1983. - 208 с.: ил.

33. Гроп, Д. Методы идентификации систем / Д. Гроп; пер с англ. В.А. Васильева, В.И. Лопатина; под ред. Е.И. Кринецкого. М. : Мир, 1979. -302 с.

34. Девнин, С.И. Аэрогидромеханика плохообтекаемых конструкций: справочник / С.И. Девнин. Л.: Судостроение, 1983. - 331 с.: ил.

35. Зайков, В.И. Единая математическая модель маневрирующих судов /

36. B.И. Зайков // Крыловские чтения : тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. / НТО судостр. пром-сти им. акад. А.Н. Крылова. Л., 1983. - С. 55—57.

37. Зайков, В.И. Прогнозирование траектории движения судна в условиях ветра и течения / В.И. Зайков // Труды / Ленингр. кораблестр. ин-т. Л, 1982. -Вып. 175.-С. 60-68.

38. Зотова, В. Отечественные судостроители готовы реализовать проект первого российского танкера ледового плавания / В. Зотова // Морская биржа. -2003.-№2.-С. 36-37.

39. Использование априорной информации для построения полиномиальных моделей комплекса "судно трал" / B.C. Солодов, Ю.И. Юдин // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. - Мурманск, 2006. - Т. 9, № 2. -С.191-194.

40. Исследование движения судна на якоре : отчет о НИР / Мурман. гос. акад. рыбопром. флота ; рук. и испол. Ю.И. Юдин. Мурманск, 1993. - 33 с. -№ ГР 0193002258. - Инв. № 0293005496.

41. Исследование и выработка рекомендаций по эксплуатации авторулевых на TP типа "И. Айвазовский" : отчет о НИР / МВИМУ ; рук. О.Н. Аронов. -Мурманск, 1969. 88 с.

42. К вопросу обеспечения безопасности плавания в стесненных водах / Ю.И. Юдин, В.И. Меньшиков, А.А. Анисимов, А.Н. Анисимов // Тезисы докл. науч.-техн. конф. проф. преп. состава ГМА им. адм. С.О. Макарова. СПб., 2006.

43. Кацман, Ф.М. Эксплуатационные испытания морских судов / Ф.М. Кацман, Г.М. Музыкантов, А.В. Шмелев. -М. : Транспорт, 1970. 272 с.

44. Коган, В.И. Присоединенные массы судов внутреннего плавания на глубокой и мелкой воде / В.И. Коган, М.К. Бочин // Труды / ЛИИВТ. М., 1968. - Вып. 98 : Гидромеханика судна. - С. 53-60.

45. Корн, Г. Справочник по высшей математике для научных работников. Определения, теоремы, формулы / Г. Корн, Т. Корн. М. : Наука, 1978. - 831 с.

46. Короткин, А.И. Присоединенные массы судна : справочник / А. И. Короткий. JI. : Судостроение, 1986. - 312 с.

47. Костюков, А.А. Сопротивление воды движению судов / А.А. Костюков. — Л. : Судостроение, 1966. 448 с.

48. Кочин, Н.Е. Теоретическая гидромеханика : учеб. для ун-тов : в 2 ч. / Н.Е. Кочин, И.А. Кибель, Н.В. Розе ; под ред. И.А. Кибеля. Изд. 4-е, перераб. и доп. -М.: Физматгиз, 1963.

49. Куликов, Н.В. Погрузка танкеров в условиях Крайнего Севера позволяет ускорить освоение нефтяных месторождений северных регионов России / Н.В. Куликов // Морские порты России. 2003. - № 1. - С. 66-68.

50. Ладенко, И.С. Проектирование интеллектуальных систем в хозяйственной деятельности / И.С. Ладенко, В.Г. Поляков. Новосибирск : Изд-во НГУ, 1990. -176 с.

51. Ланцош, К. Практические методы прикладного анализа: справ, руководство / К. Ланцош ; пер с англ. М.З. Кайнера ; под ред. A.M. Лопшица. М. : Физматгиз, 1961. - 524 с.

52. Липис, В.Б. Гидродинамика гребного винта при качке судна / В.Б. Липис. Л. : Судостроение, 1975. - 264 с.

53. Липис, В.Б. Расчет дополнительного сопротивления движению судна на нерегулярном волнении / В.Б. Липис // Труды / ЦНИИМФ. Л., 1977. - Вып. 221 : Мореходные качества судов. - С. 43-61.

54. Локк, А.С. Управление снарядами / А.С. Локк; при участии Ч. Г. Доджа и др.; пер. с англ. Г.В. Коренева. М. : Физматгиз, 1958. - 776 с. - (Основы проектирования управляемых снарядов).

55. Лукомский, Ю.А. Системы управления морскими подвижными объектами : учебник / Ю.А. Лукомский, B.C. Чугунов Л. : Судостроение, 1988. -272 с.

56. Лушников, Е.М. Теоретическое обоснование методов и средств обеспечения навигационной безопасности мореплавания : автореф. дис. . д-ра техн. наук : 05.22.16. Щецине, высш. мор. школа. СПб., 2000. - 46 с.

57. Мастушкин, Ю.М. Управляемость промысловых судов / Ю.М. Мастуш-кин.-М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1981. 232 с.

58. Миниович, И .Я. Действие гребного винта в косом потоке / И.Я. Миниович // Труды / ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Л., 1946. - Вып. 14. - С. 74-86.

59. Моисеев, Н.Н. Численные методы синтеза оптимальных управлений / Н.Н. Моисеев. М. : Наука, 1979. - 443 с.

60. Небеснов, В.И. Вопросы современной работы двигателей, винтов и корпуса судна : исследования на ЭВМНД / В.И. Небеснов. Л. : Судостроение, 1965. - 247 с.

61. Нельсон-Смит, А. Нефть и экология моря : пер. с англ. / А. Нельсон-Смит. М. : Прогресс, 1977. - 302 с.

62. Носач, В.В. Решение задач аппроксимации с помощью персонального компьютера / В.В. Носач. СПб. : Бином и др., 1994. - 380 с. - (Современные математические методы в прикладных исследованиях (теории, алгоритмы, программы)).

63. Павленко, В.Г. Маневренные качества речных судов : Управляемость судов и составов : учеб. пособие для ин-тов водн. трансп. / В. Г. Павленко. -М. : Транспорт, 1979. 184 с.

64. Павленко, Г.Е. Сопротивление движению судов / Г.Е. Павленко. М. : Мор. транспорт, 1956. - 507 с.

65. Панов, Д.Ю. Построение систем управления и проблем инженерной психологии / Д.Ю. Панов, В.П. Зинченко // Инженерная психология : сб. ст. : пер. с англ. / под ред. Д.Ю. Панова, В.П. Зинченко. М., 1964. - С. 5-31.

66. Першиц, Р.Я. Управляемость и управление судном / Р.Я. Першиц. -JI. : Судостроение, 1983. 272 с.

67. Поспелов, Д.А. Прикладная семиотика новый подход к построению систем управления и моделирования / Д.А. Поспелов, А.И. Эрлих // Материалы семинара "Динамические интеллектуальные системы в управлении и моделировании" / ЦРДЗ. - М., 1996. - С. 30-33.

68. Применение методов планирования активного эксперимента для идентификации судового комплекса /B.C. Солодов, Ю.И. Юдин // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2006. - Т. 9, № 2. - С. 187-190.

69. Применение методов планирования активного эксперимента для идентификации комплекса "судно-трал" / B.C. Солодов, Ю.И. Юдин // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2006. - Т.9, № 2. -С.195-199.

70. Проблемы безопасности буксировки морем крупногабаритных объектов : отчет о НИР (промеж.) / МГТУ; рук. Ю.И. Юдин. Мурманск, 2001. -41 с. - Инв. № 02200100037.

71. Проблемы безопасности буксировки морем крупногабаритных объектов : отчет о НИР (закл.) РТО / Мурман. гос. техн. ун-т : рук. Ю.И. Юдин. -Мурманск, 2002. 3 с. - Инв. № 02200206206.

72. Пушкин, В.Н. Оперативное мышление в больших системах / В.Н. Пушкин. -М. : Энергия, 1965. 375 с.

73. Пшеничный, Б.Н. Численные методы в экстремальных задачах / Б.Н. Пшеничный, Ю.М. Данилин. -М. : Наука, 1975. 319 с.

74. Разработка кранцевой защиты буровых судов проекта РР2014 типа "В. Шашин" : отчет о НИР / Мурман. высш. инж. мор. уч-ще ; рук. Б. И. Сорокин ; исполн. :Ю.И. Юдин. Мурманск, 1986. - 96 с. - № ГР 01850035758. -Инв. №02860057617.

75. Разработка математической модели движения буксирной системы : отчет о НИР / Мурман. гос. техн. ун-т ; рук. Ю.И. Юдин ; исполн. С.Е. Смирнов. -Мурманск, 1998. 31 с. - № ГР 0197009020. - Инв. № 02980004931.

76. Разработка математической модели танкера "Саратов" / Ю.И. Юдин, С.В. Пашенцев, Г.И. Мартюк, А.Ю. Юдин ; МГТУ. Мурманск, 2003. - 25 с. -Деп. в ВНИЭРХ 10.02.03, № 1391-рх-2003.

77. Разработка программного обеспечения расчета мореходных качеств судна в условиях эксплуатации : отчет о НИР / Мурман. гос. техн. ун-т; рук. Ю.И. Юдин; исполн. А.А. Самусев. Мурманск, 1998. - 24 с. -№ ГР 01970009018. - Инв. № 02980005665.

78. Расчет статических характеристик судна: свидетельство об офиц. регистрации программы для ЭВМ. № 2003610016, Россия / Мурман. гос. техн. ун-т ; Ю.И. Юдин и др.. Заявл. 28.10.2002 ; зарег. 04.01.2003.

79. Решение задач идентификации математической модели прямолинейного движения судна с использованием принципа максимума Понтрягина / С.И. Позняков, Ю.И. Юдин ; Мурман. гос. техн. ун-т. Мурманск, 2006. - 24 с. - Деп. в ВИНИТИ 07.03.06, № 226-В2006.

80. Риман, И.С. Присоединенные массы тел различной формы / И.С. Ри-ман, И.А. Крепе // Труды / Центр, аэрогидродинам. ин-т. М., 1948. - № 635. -С. 24-27.

81. Севастьянов, Б.А. Ветвящиеся процессы / Б.А. Севастьянов. М. : Наука, 1971.-297 с.

82. Семенов-Тян-Шанский, В.В. Статика и динамика корабля: учебник для вузов / В.В. Семенов-Тян-Шанский. JI. : Судостроение, 1973. - 608 с.

83. Слижевский, Н.Б. Гидродинамика криволинейного движения судна: автореф. дис. . д-ра техн. наук / Н.Б. Слижевский ; ЛКИ. Д., 1982. - 48 с.

84. Соболев, В.Г. Управляемость корабля и автоматизация судовождения : Гидродинамика криволинейного движения и регулирование курса : учеб. для вузов / В.Г. Соболев. JI. : Судостроение, 1976. - 478 с.

85. Соболь, И.М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями / И.М. Соболь, Р.Б. Статников. М. : Наука, 1981. - 110 с.

86. Состояние аварийности на флоте и меры ее профилактики // Мор. флот. 2003.- № 1. - С. 14-15.

87. Способ экспериментального определения коэффициентов математической модели судна: пат. № 2151713. Россия, МПК В63Н 25/52, 605 В 23.02. Острецов Г.Э., Клячко JI.M., Дюжев А.В. № 99123651/09 ; заявл. 12.11.99 ; опубл. 27.06.2000.

88. Справочник по теории корабля. В 3 т. Т. 1. Гидромеханика. Сопротивление движению судов. Судовые движители / под ред. Я.И. Войткунского. JI. : Судостроение, 1985. - 768 с.

89. Справочник по теории корабля. В 3 т. Т. 2. Статика судов. Качка судов / под ред. Я.И. Войткунского. JI.: Судостроение, 1985. - 440 с.

90. Справочник по теории корабля. В 3 т. Т. 3. Управляемость водоизме-щающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания / под ред. Я.И. Войткунского. JI. : Судостроение, 1985. - 544 с. : ил.

91. Сравнение математических моделей с точки зрения коэффициентов влияния / С.И. Позняков, Ю.И. Юдин // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2006. - Т. 9, № 2. - С. 241-245.

92. Средства активного управления судами / Э.П. Лебедев и др. : под ред. А.А. Русецкого. Л. : Судостроение, 1969. - 264 с.

93. Ю4.Степахно, Р.Г. Еще раз об уравнении управляемости Номото / Р.Г. Степахно // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. 2003. - Т. 6, ч. 1.-С. 69-74.

94. Техническая эксплуатация авторулевых / Д.И. Мардовченко и др.. -М.: Транспорт, 1980. 104 с.

95. Тихонов, А.Н. Методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов, В .Я. Арсенин. М. : Наука, 1974. - 223 с.

96. Тихонов, В.И. Марковские процессы / В.И. Тихонов, М.А. Миронов. -М. : Сов. радио, 1977. 488 с.

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

98. У правление судном : учеб. для вузов / С.И. Демин и др.; под ред. В.И. Снопкова. -М. : Транспорт, 1991. 359 с.

99. Устройство для управления движением судна при выполнении сближения по заданной траектории: а. с. 1295935 СССР: МКИ В63Н25/00/ Ю.И. Юдин, В.М. Хасиев; Мурм. высш. инж. мор. уч-ще им. Ленин, коме. -№ 3921804 ; заявл. 02.07.85 ; опубл. 08.11.86.

100. Устройство для управления движением судна при выполнении сближения по заданной траектории: а. с. № 1367730 СССР: МКИ В63Н25/00/ Ю.И. Юдин, С.М. Мелеш; Мурм. высш. инж. мор. уч-ще им. Ленин, коме. -№ 4036786 ; заявл. 01.03.86 ; опубл. 15.09.87.

101. Устройство для управления судном при швартовке: а. с. 142538 СССР : МКИ В63Н25/00 / Ю.И. Юдин ; Мурм. высш. инж. мор. уч-ще им. Ленин. коме. /. № 4175214 ; заявл. 05.01.87 ; опубл. 15.05.88.

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

103. Учет волнения в математической модели судна с целью оценки его влияния на маневренные характеристики / Г.И. Мартюк, Ю.И. Юдин, А.Ю. Юдин // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2004. - Т. 7, № 3. - С. 340-369.

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

105. Федяевский, К.К. Управляемость корабля : учеб. пособие / К.К. Федя-евский, Г.В. Соболев. Л. : Судпромгиз, 1963. - 375 с.

106. Хаскинд, М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля / М.Д. Хас-кинд. М. : Наука, 1973. - 327 с.

107. Хаскинд, М.Д. Теория сопротивления при движении судна на волнении / М.Д. Хаскинд // Изв. АН СССР. 1959. - № 2. - С. 46-56.

108. Чкония, В.А. Оценка достоверности представления базы данных судовому специалисту в интегрированной системе ходового мостика / В.А. Чкония, В.И. Меньшиков // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. 2003. -Т. 6, № 1. - С. 81-86.

109. Швартовый кнехт: а. с. 1347328, СССР, Мурман. высш. инж. мор. уч-ще им. Ленин, коме. / Ю.И. Юдин, Б.И. Сорокин. заявл.05.02.86 ; опубл. 22.06.87.

110. Шифрин, Л.С. Моделирование на ЭВМ дополнительного сопротивления судна в условиях морского волнения / Л.С. Шифрин // Судостроение. -1975. -№ 1.-С. 13-18.

111. Шифрин, Л.С. Приближенный расчет дополнительного сопротивления на регулярном волнении / Л.С. Шифрин // Судостроение. 1973. - № 12. - С. 5-7.

112. Штейнберг, Ш.Е. Идентификация в системах управления / Ш.Е. Штейнберг. М. : Энергоатомиздат, 1987. - 80 с. - (Библиотека по автоматике ; вып. 668).

113. Эйкхоф, П. Основы идентификации систем управления / П. Эйкхоф. -М.: Мир, 1975.-432 с.

114. Юдин, Ю.И. Анализ траекторий сближения швартующихся на ходу судов / Ю.И. Юдин ; Мурман. высш. инж. мор. уч-ще. Мурманск, 1990. - 45 с. - Библиогр. 8 назв. - Деп. в ВНИЭРХ 31.05.90, № 1109-рх-90.

115. Юдин, Ю.И. Влияние ветра и волнения на инерционно-тормозные характеристики судна / Ю.И. Юдин // Материалы семинара "Безопасность швартовых и грузовых операций в открытом море"/ СФ РДЭНТП. Севастополь, 1986.

116. Юдин, Ю.И. Влияние ветра и волнения на управляемость судна в условиях швартовки на ходу : информ. листок ЦНТИ 4-99 / Ю.И. Юдин. Мурманск : ЦНТИ, 1999. - 6 с.

117. Юдин, Ю.И. Динамика движения судна по кривой погони при выполнении маневра швартовки на ходу / Ю.И. Юдин; Мурман. высш. инж. мор. уч-ще. Мурманск, 1984. - 22 с. - Деп. в ЦНИИТЭИРХ 15.02.84, № 569-рх-Д84.

118. Юдин, Ю.И. Информационные технологии в системе управления безопасности компании / Ю.И. Юдин, А.В. Лихачев // Тезисы 10-й науч.-техн. конф. МГТУ (Мурманск, 2-30 апреля 1999 г.) / Мурман. гос. техн. ун-т. Мурманск, 1999.-С. 337.

119. Юдин, Ю.И. Использование принципа максимума для параметрической идентификации математической модели судна / Ю.И. Юдин, С.В. Пашен-цев // Наука и техника транспорта. 2006. - № 2. - С. 100-107.

120. Юдин, Ю.И. Маневренные характеристики судна как функции параметров его математической модели / Ю.И. Юдин, С.И. Позняков // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2006. - Т. 9, № 2. -С. 234-241.

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

122. Юдин, Ю.И. Математическое моделирование работы подруливающего устройства / Ю.И. Юдин, А.Ю. Юдин, Г.И. Мартюк // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2006. - Т. 9, № 2. - С. 220-223.

123. Юдин, Ю.И. Механизм предвидения в организационно-технических системах управления судовыми ключевыми операциями / Ю.И. Юдин // Наука и техника транспорта. 2007. - № 1. - С. 74-79.

124. Юдин, Ю.И. Моделирование выхода танкера в условную точку по заданной траектории / Ю.И. Юдин, А.Ю. Юдин, Г.И. Мартюк // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2006. - Т. 9, № 2. - С. 229-233.

125. Юдин, Ю.И. Моделирование расчета опасности навала при швартовой операции / Ю.И. Юдин, В.И. Меньшиков, А.Ю. Юдин // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2003. - Т. 6, №. 1. - С. 65-66.

126. Юдин, Ю.И. Обработка результатов натурных испытаний с учетом траекторных наблюдений маневров / Ю.И. Юдин, Р.Г. Степахно // Вестник МГТУ: Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2002. - Т. 5, № 2. -С. 213-218.

127. Юдин, Ю.И. Определение дистанции начала выравнивания скоростей при выполнении швартовых операций в открытом море / Ю.И. Юдин ; Мурман. высш. инж. мор. уч-ще. Мурманск, 1985. - 22 с. - Деп. в ЦНИИТЭИРХ, № 656-рх-Д85.

128. Юдин, Ю.И. Определение минимально допустимой скорости танкера при выполнении швартовой операции в условиях ветра / Ю.И. Юдин, А.Ю. Юдин, Г.И. Мартюк // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. -Мурманск, 2006. Т. 9, № 2. - С. 224-228.

129. Юдин, Ю.И. Определение расчетной схемы для моделирования работы движительно-рулевого комплекса т/к "Астрахань" / Ю.И. Юдин, А.Ю. Юдин, Г.И. Мартюк // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. -Мурманск, 2006. Т. 9, № 2. - С. 213-219.

130. Юдин, Ю.И. Определение скорости сближения судов при выполнении маневра швартовки на ходу / Ю.И. Юдин; Мурман. высш. инж. мор. уч-ще. Мурманск, 1983. - 11 с. - Деп. в ЦНИИТЭИРХ 31.01.83, № 454-рх-Д83.

131. Юдин, Ю.И. Оценка управляемости судна при выполнении швартовых операций в открытом море / Ю.И. Юдин ; Мурман. высш. инж. мор. уч-ще. -Мурманск, 1990. 9 с. - Деп. в ВНИЭРХ 31.05.90, № 1108-рх-90.

132. Юдин, Ю.И. Построение и численная апробация обобщенной математической модели плоскопараллельного движения судна / Ю.И. Юдин, И.И. Сотников ; Мурман. гос. техн. ун-т. Мурманск, 2006. - 44 с. - Деп. в ВИНИТИ 07.11.06, № 1308-В2006.

133. Юдин, Ю.И. Процедура синтеза (схематизации) механизма предвидения экспертных систем / Ю.И. Юдин // Наука и техника транспорта. 2006. -№ 4. - С. 22-26.

134. Юдин, Ю.И. Разработка алгоритма расчета геометрических параметров подводной и надводной частей судна / Ю.И. Юдин // Вестник МГТУ : Труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2006. - Т. 9, № 2. - С. 209-212.

135. Юдин, Ю.И. Разработка математической модели движения буксирной системы / Ю.И. Юдин, А.А. Котов, А.Ю. Юдин ; Мурман. гос. техн. ун-т.

136. Мурманск, 2003. 37 с. - Библиогр. : 19 назв. - Деп. в ВНИЭРХ 10.02.03, № 1390-рх2003.

137. Юдин, Ю.И. Расчет присоединенных масс судна / Ю.И. Юдин, С.И. Позняков // "Наука и образование 2005" : материалы Междунар. науч.-техн. конф. (Мурманск, 6-14 апреля 2005 г.): в 7 ч. / Мурман. гос. техн. ун-т. -Мурманск, 2005. - Ч. 7. - С. 76-80.

138. Юдин, Ю.И. Расчеты управляемости буксирной системы / Ю.И. Юдин // Тезисы 10-й науч.-техн. конф. МГТУ (Мурманск, 2-30 апреля 1999 г.) / Мурман. гос. техн.ун-т. Мурманск, 1999. - С. 345.

139. Юдин, Ю.И. Совершенствование управления судном при выполнении швартовых операций на ходу в открытом море : автореф. дис. . канд. техн. наук / Ю.И. Юдин ; Мурман. высш. инж. мор. уч-ще. Мурманск, 1987. - 24 с.

140. Юдин, Ю.И. Совершенствование управления судном при выполнении швартовых операций на ходу в открытом море: дис. . канд. техн. наук / Ю.И. Юдин ; Мурман. высш. инж. мор. уч-ще. Мурманск, 1987. - 216 с.

141. Юдин, Ю.И. Способ управления движением судна: пат. № 2297362, Россия, МПК 7 В63Н 25/00 / Ю.И. Юдин, С.В. Пашенцев ; заявитель и патентообладатель Мурман. Гос. техн. ун-т. № 2005139961 ; заявл. 20.12.05 ; опубл. 20.04.07.

142. Юдин, Ю.И. Способ управления движущимся объектом: пат. № 2263606, Россия, МПК 7 В63Н 25/00 / Ю.И. Юдин, С.В. Пашенцев ; заявитель и патентообладатель Мурман. гос. техн. ун-т. № 2004112114/11 ; заявл. 20.04.04; опубл. 10.11.05.

143. Юдин Ю.И. Управляемость на волнении / Ю.И. Юдин, А.А. Самусев // Тезисы докл. 9-й науч.-техн. конф. МГТУ (Мурманск, 20-30 апреля 1998 г.). В 2 ч. Ч. 2 / Мурман. гос. техн. ун-т. Мурманск, 1998. - С. 71.

144. Юфа, A.JL Автоматизация процессов управления маневрирующими надводными объектами / А.Л. Юфа. Л. : Судостроение, 1987. - 288 с.

145. Anonymous. Exxon under attack again // Mar. Pollut. Bull. 1994 - Vol. 28, № 5. - P. 272.

146. Asrom, K.J. Identification and Adaptive Control Applied to Ship Steering / K.J. Asrom; Lund Institute of Technology. Sweden, 1979. - 192 p.

147. Chislett, M.S. Influence of ship speed on the effectiveness of a lateral-thrust unit / M.S. Chislett // Ну A Report. 1979. - № 8. - P. 107-115.

148. Denis, St. On the motion of ships in confused seas, Trans / St. Denis, W.I. Pierson // SNAME. 1953. - Vol. 61. - P. 280-332.

149. Gerritsma, J. Propulsion in regular and irregular waves / J. Gerritsma, J.J. Bosh, W. Beukelman // Int. Shipbuilding Progress. 1961. - Vol. 8, № 82. -C. 101-129.

150. IMO. Petroleum in the marine environment: Document MEPS 30/INF. 13 submitted by the United States / GESAMP // Impact of oil and related chemicals and wastes on the marine environment: GESAMP Reports and Studies N. 50. London : IMO, 1993.- 180 p.

151. Inoue, S. Hydrodynamic derivatives on ship manoeuvring / S. Inoue, M. Hirano, K. Kijima // Int. Shipbuilding Progress. 1981. - Vol. 28, № 321. -P. 17-21.

152. Isherwood, R. Wind resistance of merchant ships / R. Isherwood // TRINA. 1973. - Vol. 115. - P. 327-335.

153. Kempf, G. Measurements of the propulsive and structure Characteristics of ship / G. Kempf. SNAME, 1932. - 95 p.

154. Lackenby, H. The effect of shallow water on ship speed / H. Lackenby // The Shipbuilder and Marine Enginebuilder. 1963. - № 9. - P. 13-19.

155. Manen, van J.D. Effect of radial load distribution on the performance of shrouded propellers / J.D. van Manen // Int. Shipbuilding Progress. 1962. -Vol. 9,№93.-P. 192-196.

156. Mariuo, H. Resistance in waves research on seakeeping qualities of ships in Japan, ch. 5 / H. Mariuo // SNAJ. 1963. - Vol. 11 - P. 67-102.

157. Martin, L.L. Ship manoeuvring and control in wind / L.L. Martin // SNAME Tr. 1980. - Vol. 88. - P. 257-281.

158. Miyumoto, M. On approximate Calculation of thrust increase in irregular head waves / M. Miyumoto // JKSNA. 1972. - № 145. - P. 62-74.

159. Moor, D. Motions and Propulsion of screw models in head seas / D. Moor, D. Murday // TRINA. 1970. - Vol. 112. - P. 121-164.

160. Moor, D. Motions and propulsion of single screw models in head seas / D. Moor, D. Murday // TRINA. 1968. - Vol. 110. - P. 403-446.

161. Nomoto, K. A review of methods of defining and measuring the manoeuvrability of ships / K. Nomoto, N. Norrbin // ITTC, Manoeuvrability Committee Report, 1969.-P. 19-43.

162. Nomoto, K. On the steering qualities of ships / K. Nomoto, T. Taguchi, S. Hirano // International Shipbuilding Progress. 1957. - Vol. 4, № 35. - P. 56-64.

163. Okada, S. Effect of the propeller race upon the performance of rudders / S. Okada // Хитачи Джосен Гико. 1959. - Т. 20, № 3. - P. 69-90.

164. Okada, S. On the Results of experiment of rudders placed behind the vessel / S. Okada // Rep of the Hitachi Shipbuilding Co. 1959. - P. 19-61.229

165. Schlichting, О. Schffiswiderstand auf Beschraukter Wassertiefe. Wider-stand von Seeschiffen auf flachen Wasser / O. Schlichting // Jahrbuch STG. 1934. -Bd. 35.-P. 127-148.

166. Shearer, K.D.A. Wind tunnel test on models of merchant ships / K.D.A. Shearer, W.M. Linn // NE Coast Inst, of Engineers and Shipbuilders. 1960. -Vol. 76.-P. 5.

167. Swaan, W.A. Speed loss as a function of longitudinal weight distribution / W.A. Swaan, H. Rijken // Trans. North East Coast Inst, of Eng. and Shipbuilders. -1963. Vol. 7. - № 4. - P. 194-215.

168. Swaan, W.A. The influence of principal dimension on ship behavior in irregular waves / W.A. Swaan // Int. Shipbuilding Progr. 1961. - Vol. 8, № 82. -P. 117-129.