автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Выбор рационального варианта главной энергетической установки судна-носителя поисково-обследовательского комплекса

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КОЛЕСНИКОВ Андрей Игоревич

На правах рукописи Для служебного пользования * V

Экз. №-

Инв. № 02

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ВАРИАНТА ГЛАВНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ СУДНА-НОСИТЕЛЯ ПОИСКОВО-ОБСЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО КОМПЛЕКСА

05.08.05 — судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

1 Л С-\

Диссертационная работа выполнена на кафедре судовых энергетических установок, систем и оборудования Государственного морского технического университета (г. Санкт-Петербург).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

НИКОЛАЕВ В. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КАМКИН С. В.; кандидат технических паук РАВПН А. А.

Ведущее предприятие Западное проектно-копструкторское бюро.

Защита диссертации состоится « » и.Н?нЯ 1992 г.

в часов в аудна заседании специализированного совета

Д053.23.02 по присуждению ученых степенен доктора технических наук при Государственном морском техническом университете по адресу: 190008, г. Санкт-Петербург, Лоцманская ул.. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного морского технического университета.

Автореферат разослан « » 1992 г.

Ученый секретарь специализированного сонета канд. техн. наук, доцент ДИДЕНКО В. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настояние вреыя выбор рационального варианта главной энергетической установки (ГЭУ) судна-носителя (СН) при проектировании поисково-обследовательских комплексов (ПОК) осуществляется на основе спектра эксплуатационных мопщостных реников ГЭУ, который имел кзсто при эксплуатации коы-плекков-прототипов. Однако в реальной эксплуатации скоростнга режимы судна-носителя и нощностные регашы ГЭУ сильно зависят от многих факторов конкретной поисковой операции. Такиы образом, выбор проектного варианта ГЭУ осуществляется без учета изменений спектра эксплуатационных регааюв ГЭУ, вызванных изменениями внешних условий эксплуатации проектируемого комплекса по сравнению с комплексом-прототипом, а тага® без учета изменений характеристик тех подсистем БОК, которые могут оказать влияние на этот спектр. Кроме того,проектант при выборе ГЭУ СН ориентируется на жесткую щпшэграшу будугзэго использования комплекса, построенную в предположении,что комплекс будет иметь минимально-необходимые стоянки в базе,а в остальное время эксплуатироваться по прямому назначению. Однако в реальной эксплуатации необходимость в использовании комплекса возникает эпизодически. Таким образом, проектант ГЭУ не учитывает реальную интенсивность будующего исшшьвования ПОК. Все это иотяет привести к ошибкам при выборе параметров отдельных подсистем комплекса ,в том числе главной энергетической установки. Эти ошибки приводят к неоправданным затратам средств уме в период эксплуатации соз- -данного комплекса Положение усугубляется- тем , что на стадии проектирования многие факторы использования ПОК имеют существенную неопределенность. В настоящее время не существует реальной методики, которая позолила бы на стадам проектирования учесть указанные недостатки и проводить многовариантные исследования с варьированием основных неопределенных факторов. Такта исследования могут -бьп-ь проведены только с помощью методики, рассматривавши в настоящей диссертационной работе.

Целью диссертационной работы является создание методики, которая поаволила бы проектант1/ осуществлять, количественно обоснованный выбор рационального варианта главной энергетической установки судна-носителя поисково-обследовательского комплекса на ранних стадиях проектирования с учетом влияния на спектр эксплуатационных режимов ГЭУ совокупности многих факторов : параметров внешних условий эксплуатации,характеристик подсистем комплекса и используемых алгоритмов поиска. Цэтодика позволяет проводить многовариантные исследования с варьированием основных неопределенных факторов. В основу разработанной автором методики положэна имитационная математическая модель,воспроизводящая работу комплекса и ГЭУ его судна-носителя на протяжении всего жизненного цикла от ввода в состав флота и до списания.

Цгтоды исследования. При разработке методики использованы следувдге методы: метод имитационного шделирован^я , штеыати-чеегазй аппарат планирования экспериментов , регрессионный ана-.S3, элементы теории поиска , шгоды численного интегрирования.

Еаучная ковкзна . В диссертационной работе создана штодика xuSopa рационального варианта главной энергетической установки судна-носителя поисково-обследовательского комплекса,отличительными особешюстяии которой являются:

- использование иаигационнсй катештической модели эксплуатации поисково-обследовательского комплексами ГЭУ его судна--носителя,созданной впервые и сосгавявдэй основу настояний методики ;

- высокая комплексность, т.е. учет совместного влияния на спектр эксплуатационных режимов главной энергетической установки большой совокупности факторов .описывающих внешние условия эксплуатации,подсистемы комплекса и алгоритмы его использования. В результате.оценивается эффективность использования комплекса в целом.;

- высокая детализация воспроизведения процесса эксплуатации ГШ.

Обоснованность и достоверность результатов.изломанных в диссертации , подтверждается

- тщательным обоснованием алгоритма имитационной штеьати-ческой модели, включаяцем в себя обоснование критериев оценки эффективности,высокую степень детализации и точности воспроизведения процесса эксплуатации, моделированиие случайных параметров и протесов реальной эксплуатации строгими математическая методами;

- экспериментальной проверкой имитационной модели,заключавшейся 1) в исследования чувствительности, основанной на анализе значимости исследуемых переменных, 2) исследования адекватности, основанной' на анализе качества генерации значений не-определеннных величин,описываемых законами распределения и исследовании адекватности воспроизведения работы комплекса по условиям натурной поисковой операции и 3) в проверке иетодики на примере реиения проектной задачи.

Практическая ценность работы. Практическая ценность заключается в использовании методики н ее программного обеспечения, разработанного применительно к наиболее распространенным в промышленности типам компьютеров, для сравнительного технн-ко-экономического анализа проектных вариантов ГЗУ и других подсистем ПОК на ранних стадиях проектирования в условиях неполная и неточной информации о будуюцем использовании комплекса, экономический эффект от внедрения работы по данным прошгдленности со ссылкой на зарубежный опыт иояет достигать нескольких миллионов рублей на один проект. Кроме того,по мнению специалистов промышленности модель целесообразно использовать на бортовом компьютере судна-носителя для выбора наиболее рациональных алгоритмов поиска в конкретной поисковой ситуации и для оценки затрат ресурсов на ее проведение.

Реализация результатов исследования. Разработанная методика реализована в виде комплекса программ, поставлена на ЭШ и используется в Западной ПКБ, ЦНИИ "Гидроприбор" и в/ч 20914.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V всесоюзной конференции " Технические средства изучения и освоения океана" в 1985 г.,на Всесоюзной школе " Технические средства и методы ис-

следования liîpoBoro Океана" в 1S87 году, на Всесоюзной НТК "Актуальные проблэш технического прогресса еудовъгх турбинных установок" в 1989 году, на сешнаре в Западном ПКБ в 1S89 году, в Институте повышения квалификации руководящих работников и специалистов судостроительной промышленности в 1991 году и конференциях профессорско-преподавательского состава ЛКИ .

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях в 2 научно-технических отчетах,а также в опубликованных тезисах доквадов на 4 всесоюзных научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четьгрег глав .заключения и содержит 179 страниц машинопие-писного текста, 10 таблиц, 39 иллюстраций, 2 приложения на 11 страницах. Список использованных источников • содержи 109 наименований.

Основные гюдохэшшд! .выносимыш на зациту , являются :

- югодика выбора рационального варианта главной энергетической установки судна-носителя поисково-обследовательского ьхшгзкса;

•- юапацконпая ыатекатическая модель функционирования ком-дьзкса и главной энергетической установки его судка-носителя.

- ирограианая реализация имитационной ¿гатехгатической шде-лл л программное обеспеченна методики в целоы;

- результаты экспериментальной проверки правильности и аригодаости нияацконной модели и методики в целом.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Зо введении обоснована актуальность теш диссертации, сформулирована обобщенная постановка задачи , определена методология ее ревения,приведены основные результаты выполненной работы. Актуальность темы обусловлена тем,что создание каддого ноБейшего поисково-сбсхадоватедьского комплекса обходится в десятки миллионов рублей. До настоящгго времени на ранних стадиях проектирования основные технические рзсэния по подсистемам

БОК, определявшие будущую эффективность главной энергетической установки СН и комплекса в целом, принимаются на Сазе опыта эксплуатации комплексов-прототипов и судов близкого к ШК назначения . 15>и этом решения принимается без количественного исследования влияния изменений условий использования и характеристик подсистем вновь создаваемого комплекса по отношению к комплексу-прототипу. Это приводит к неоптимальным решениям по ГЭУ и другим подсистемам комплекса и увеличивает затраты на его создание и использование . На ранних стадиях проектирования внешние условия будущей эксплуатации ч характеристики подсистем ПОК обладают существенной неопределенностью и решения необходимо принимать в условиях неполной и неточной информации. Поэтому для избежания ошибок в выборе проектного решения по главной энергетической установке СН и другим подсистемам ГОК и проведения для этого количественных сравнительных исследований с варьированием основных неопределенных на ранних стадиях проектирования факторов необходима разработка специальной методики. Для количественной оценки эффективности основных проектных решений в основу такой методики доллна быть полояэна имитационная математическая модель,воспроизводящая процесс эксплуатации ШК и главной энергетической установки его судна-носителя на протяжении всего жизненного цикла,поскольку учесть всю совокупность случайных и детерминированных факторов другими методами не представляется возможным.

В первой главе приведено описание объекта исследования, рассмотрены основные особенности использования поисково-обследовательских комплексов,которые приводят к необходимости учета будущих условий использования и других факторов на выбор рациональных проектных решений по одной из важнейших подсистем комплекса-главной энергетической установки при " исследовательском проектировании ПОК. На основе анализа литературных источников выделены оснбвные факторы и определены механизмы их влияния на выбор рационального варианта ГЭУ при проектировании.

Основными особенностями эксплуатации поисково-обследовательских комплексов,которые должны учитываться при выборе про-

ектного варианта ГЭУ являются :

1. Особый спектр эксплуатационных мощностных режимов ГЭУ. Всего можно выделить пять основных характерных режимов работы ГЭУ при проведении ГШ поисковых работ в районе,которые представлены в таблице 1.

Таблица 1

N Режим Транспортные Судно-носитель

суда , X ГОЖ оценка), X

1 Полный ход 92 5 - 10

2 Экономический и

средний ход . 4 .15 - 25

г Малый ход 4 30-50

4 Динамическое

позиционирование - 20-30

5 Дрейф - 0-10

В данной таблице приведены сравнительные данные относительных суммарных продолжгельностей ре лотов работы ГЭУ для транспортных судов и судов-носителей ЮК Оценки продолиитедьностей режимов для ГЭУ СН существенно зависят от внешних условий использования ЮК и поэтому приведены в виде диапазонов, построенных на основе экспертных оценок специалистов промышленности с учетом условий использования комплексов-прототипов. Таблица показывает, что спектр эксплуатационных молдаостных режимов ГЭУ смещен в сторону 'мощностей,соответствующих малому ходу судна-носителя. Это связано с тем, что комплекс осуществляет поиск объектов при движении СН на очень малых скоростях ( 1-4 уз ),а длительность каждой поисковой операции моле г быть значительна ( до нескольких недель ). Таблица также показывает,что для судов-носителей ГОК характерны особые режимы ГЭУ,которые не свойственны для транспортных судов. К таким режимам относятся : рекиы дина-

мического позиционирования и режим дрейфе судна-носителя.

Другой отличительной особенностью поисково-обследовательских комплексов является эпизодичность их использования;В настоящее время проектант ГЭУ ориентируется на жесткую циклограмму использования ГОК,построенную в предположении,что комплекс в период эксплуатации будет иметь минимально-необходимые стоянки в базе- ,а все остальное время эксплуатироваться по прямому назначению. Таким образом,проектант не учитывает реальную интенсивность будущего использования ГОК.

Кроме того,при проектировании принимается гипотеза,что ГОК будет выполнять рейсы с длительностью, соответственней его полной автономности.В реальной ие эксплуатации длительность рейса существенно зависит от поисковой ситуации и других внешних условий и южет быть как иенызе назначенного значения автономности комплекса,гак и превышать его. В последнем случае комплекс осуществляет дозаправки от танкера прямо в районе проведения поисковых работ. При этом возрастают эксплуатационные затраты.

Соотношения длительностей основных режимов ГЭУ в период эксплуатации зависит, во-первых, от условий использования ШК таких как -.удаленность районов поиска от базы,размеры районов поиска, гидрометеорологические условия,размеры искомых объектов и т.д. и,во-вторых, от характеристик такта подсистем комплекса как : подводные аппараты, приборы, установление на них.спус-ко-подъеыные устройства,навигационная система ГОК и др. Крова того,на значения абсолютных и относительных длительностей режимов могут оказать влияние так называемый алгоритмы поиска, т. е. схемы маневрирования ГОК и последовательности его отдельных действий при проведении поисковых работ. При проектировании ГОК,особенно на ранних стадиях .когда приниизхггся основные технические ревения по составу комплекса, определяйте эффективность его будуирго использования .многие из указанных факторов имеют существенную'неопределенность. Для цаскрыгия неопределенностей требуется методика которая позволяла бы проводить многовариантные исследования с варьированием неопределенных факторов.

8 .

Таким образом, практика промышленного проектирования и анализ литературных источников показывает,что на сегодняшний день такая методика,которая позволяла бы учесть указанные выше недостатки и проводить многовариантные исследования при выборе рационального варианта ГЗУ на стадии исследовательского проектирования ГОК, отсутствует.

Поэтому в диссертации была поставлена следующая задача: создать методику,позволяющую проектанту осуществлять количественно-обоснованный выбор рационального варианта главной энергетической установки судна-носителя поисково-обследовательского комплекса .учитывающую влияние на выбор проектного варианта ГЭУ - внешних условий эксплуатации .параметров подсистем комплекса и алгоритмов использования ГОК, то есть методику,позволяющую проводить многовариантные исследования с варьированием основных неопределенных факторов. В основу такой методики должна быть положена имитационная математическая модель,воспроизводяшэя процесс эксплуатации комплекса и функционирования главной энер-- гетической установки его судна-носителя на протяжении всего казненного цикла от ввода комплекса в строй до списания, и вычисляющая значения количественных 1фитериев сравнения вариантов, поскольку учесть всю совокупность случайных и неопределенных факторов,функция и процессов другими математическими методами не представляется возможным.

Вторая глава посвящена описанию результатов теоретических исследований и обоснованию алгоритма имитационной математической модели;положенной в основу методики.

В обобщенном.виде имитационная математическая модель может быть представлена так:

кр-пхл.г.А)

где Кр - количественный критерий эффективности проектных _ вариантов ГЭУ ;

X - вектор-характеристика параметров ГЭУ и других элементов СЭУ СН;

У - вектор-характеристика параметров подсистем ЮК и _ параметров эксплуатационно-ремонтных циклов; 2 - вектор-характеристика параметров внешних условий _ эксплуатации ПОК ;

А - вектор-характеристика параметров, описывающих алгоритмы поиска.

В качестве показателей эффективности приняты два основных:

- математическое ожидание среднегодовых приведенных затрат ЕСЗ];

- математическое ожидание времени выполнения поисковой операции от выхода из Сазы до обнаружения объекта поиска ЕС ЪпЗ и один вспомогательный показатель :

- вероятность проведения всех поисковых операций(предел отношения числа фактически проведенных комплексом'поисковых операций к числу вызовов ПОК на поиск) - Рпо.

Для сравнения проектных вариантов использован подход,основанный на минимизации затрат при обязательном обеспечении уровня функциональной эффективности. Последний количественно задается в виде ограничений:

Е^Ш < Ьп з

Рпо > Рпо з

где ЕСШ - математическое ожидание времени выполнения поисковой операции ;

Рпо - вероятность выполнения всех поисковых операций; 1п з и Рпо з - граничные значения показателей функциональной эффективности ПОК.

Для вычисления значений показателей эффективности строится имитационная математическая модель,воспроизводящая процесс эксплуатации ПОК я ГЭУ его СН на протяжении жизненного цикла. Схе>.'д моделирования жизненного цикла ГОК, заложенная в алгоритм имитационной модели показана на рис. 1.

т

1 ! 1

Г~ШГ

ш

шр

-1— tз

1— и

ъ

I

ьг

! 1 1 1® 1 1 .

АР 1ШР АР /

"ЕГ

-> Процесс ш?ала моьзнтов -> вызовов

Ь5

Ь7

/ 1 ''//Л

^ I ДР |ШР ЗР *) АР

годы

Условшг обозначзши

л

Рис. 1

АР

5

вгга 6

др

Ш

ЗР

8 9

ШР

1 - ГЬреход б -.Заводской ремонт

2 - Аварийный реюнт 7 - Дежурство в районе

3 - Шисковвз работы в районе 8 - Стоянка з базе

4 - Дэкоаый реизнт 9 - Меялоходовый ремонт

5 - дасстановхзиле работоспособности в море

.Имитационная ^тематическая модель зкивненного цикла ПОК воспроизводится как случайный процесс,непрерывный во времени и дискретный по состояниям. Основными состояниями, в которых мо лет находиться ГОК, как сложная техническая система, являются: поиск,дежурство, стоянка в' баве, мегаоходовый, доковый, заводской и аварийный ремонты,а также восстановление работоспособности в море. Каждое основное состояние ПОК включает несколько подсосгояний. Так основное состояние "дежурство" включает подсостояния "переход" в район н "дежурство в районе", основное состояние "поиск" включает подсостояния "переход" в район и "поисковые работы в районе". Последнее подсостояние, в свою очередь, таюве имеет ряд подсостояний и т^д. Более подробно все моделируемые подсостояния для одного из основных состояний приведены низке на рис.2. На ркс. 1 на нижней шале отмечены моменты времени возникновения вызовов ПОК :на поисковые работы в район. Шток вызовов комплекса

3

7

4

па поиск обладает свойстваыя п воспроизводится в надели как простейпий пуассоновский поток событий по характерному для него закону распределения интервалов вредин вэпду событиям. Интенсивность noroica задается на вкодз в шдель.

Одной га составляла критерия эффективности являются затраты на горючесмазочные ютергллы ( ГСЦ). Расходы ГСЫ на ГЭУ и другие элементы СЭУ в период эксплуатации определяются длительностями основных 1Ю5ЯОСТИЫХ реетыов ,8качэвпшш попростей эле-iîshtob СЭУ и значениями удельных расходов топлива на них. Суммарные расходы топлива и длительности основных режимов СЭУ определяются в »¡одели для каэдого отдельного этапа работы ПОП

Относительные сукыарные длительности основных реякшв работы ГЭУ на переходе в район и при проведении дежурства воспроизводятся в шдели ыэтодоы статистических испытаний по заданным законам распределения вероятностей. Всего выделено четыре осноз-яых релога, соотЕетствукггж основнтм скоростным реляшы двигэ-ния судна-носителя : полному, экоЕошческоиу.кргаиу ходу и маневренному релиму.

Для определения корректной статистической оценки значения математического огадания времени выпзлпенкя поисковой операции, ( являющегося одним та основных показателей эффективности) и значений суммарных длительностей основных иэггюстных режимов ГЭУ в период проведения поисковых работ, необходкшх для вычисления критерия, в имитационную модель встроен сложный блок,детально воспроизводящий работу кошлекса и ГЭУ его СН в периоды проведения поисковых работ. На ркс. 2 для примера показан граф смены основных состояний ГОК при про веде ют поисковых работ с использование« буксируемого подводного алпарата( БПА). Анализ работы главной энергетической установки в этот перетд показал,что для ГЭУ характерны пять основвлх регяшв, соответствующих полно-му( ПХ), эконоиичеекому( ЭХ), калоиу ходу( ИХ), а твкяе рехииу динамического позициояирзваяия(Д11) и релнму дрейфа(ДР) судна-носителя. В диссертации приведены соотнопеяия ¡¿евду суммарными длительностями пребьшания ШК в каждом из состояний,соответствув-дах рис. 2, и суммарными длительностям основных реетшов ГЭУ:

пх

эх

их

да

2 3

ДР

•15

Т Т

где пх, эх,... - суммарная длительность соответствующего режима ГЭУ за операцию ;

- суммарная длительность ¡-го состояния за операцию ;

- суммарная продолжительность переходов ПОР между местами установки ыаяков-ответчикоЕ (Ю) и погружений ДО соответственно.

П. г;

Рис. 2

Условные обозначения: 51 - Пэреход в район Б10 -

Б2 - Контрольное эхолотирование Б11 -БЗ - Промер района 312 -

34 - Установка маяков-ответчиков Б13 -Б5 - Шреход в квадрат Б14 -

Б6 - Шреход внутри квадрата 515 -57 - Спуск ЕЛА Б16 -

38 - Работа БПА на галсе 317 -

39 - Циркуляция ПП -

йэдъем БПА Спуск ПП Работа в точке Буксировка Ш Пэдъем ПП Ожидание

Обратный переход Предварит, обследование Шгружная платформа

При воспроизведении в модели очередной поисковой операции каждый раз методом статистических испытаний разыгрывается новое случайное положение объекта поиска в районе,положение контактов, похожих по своим свойствам на искомый объект,свойства контактов, гидрометеорологическая обстановка в районе поиска и т.д. ив новых условиях воспроизводится маневрирование ГОК. Это позволяет получать более корректные статистические оценки времени выполнения поисковой операции. При воспроизведении отдельной операции в модели воспроизводятся как отдельные состояния ГОК,так и события .переводящие систему из одного состояния в другое.

На длительности отдельных состояний ГОК( например, время спуска БПА до рабочего горизонта,время переходов СН с одного поискового галса на другой и др.) и,следовательно,на время всей поисковой операции ,а также на время работы ГЭУ на основных режимах, оказывают влияние параметры буксирумой системы в период буксировки подводного аппарата: длина стравленной части кабель-буксира и отставание БПА от кормы СЕ Значения этих параметров получены в имитационной модели методом численного интегрирования системы дифференциальных уравнений, описываших постоянный установившийся режим движения буксируемой системы. Интегрирование выполнено ».методом Рунге-Кутта

Суммарная длительность режима дрейфа оказывает влияние как на расходы топлива на СЭУ в период выполнения поиска и,следовательно, на эксплуатационную составляющую приведенных затрат,так и на оценку математического ожидания времени выполнения поисковой операции, т. е. на основные показатели эффективности проектных вариантов ГЭУ. Длительность этого режима определяется возможностями оборудования коштлекса (например,допустимой балльностью работы спуско-подъешшх устройств ) и гидрометеорологическими условиями в районе выполнения работ. Поэтому для моделирования гидроиетеоусловий в период проведения комплексом поискоеых работ разработан специальный алгоритм,основанный на многолетних справочных данных по повторяемостям реальных высот воли в различных районах 1йрового Океана. Всего в модели выделено 140 ра-

бонов с характерными гидрометеорологическими условиями, охваты-• вагхдах практически весь Мировой Океан,а также прибрежные моря СССР. Шделирование по созданному алгоритму показало близость качественной картины смены состояний водной поверхности. Дня реализации алгоритма в имитационную модель встроена база данных, хранящая информацию о' повторяемостях высот волн в выделенных районах.

Готовность ГОК к выполнению стоящих перед- ним задач определяется суммарной длительностью пребывания ПОК в состоянии ремонтов и допустимым временем ожидания вызовами своего выполнения. Поэтому для определения показателя вероятности проведения всех поисковых операций Рпо , и для определения затрат, связанных с выполнением всех проводимых ПОК рейсов в имитационной модели воспроизводится четыре вида ремонтов ГОК,показанных на рис. 1. Параметры энергетической установки в наибольшей степени определяют сроки наступления .трудоемкость и длительность ыек-походового ремонта, когда выполняется переборки и замены элементов СЗУ. Длительность межпоходового ремонта определяется в модели по принятой в Министерстве Морского Флота методике, основанной на статистических моделях регрессионного анализа. Для определения срока наступления межпоходового ремонта в моделк сравниваются текущие наработки элементов СЗУ (главной энергетической установки и дизель-генераторов электроэнергетической установки) с предельными значениями, требующими их переборки или замены. Периодичность и длительность проведения доковых и заводского ремонтов задаются на входе в имитационную модель.

йэдель' учитывает и безотказность подсистем ПОК. С точки зрения безотказности все оборудование ПОК разделено на шесть групп,оказывающее влияние на способность ГОК выполнять свои за/ дачи, то есть на его функциональную эффективность. Такими группами являются: энергетическая установка судна-носителя,система навигации,спуско-подъемное оборудование,гидроакустическая станция судна-носителя, а такие подводные аппараты: буксируемый и телеуправляемый. В модели воспроизводятся случайные потоки аварийных событий для каждой из перечисленных групп оборудования.

Аварийные события разделены з модел! на две группы : еткггы (восстановление работоспособности шгзт быть осуг^ствлэио в из-ре) и аварии, требующее выполнения аврийного реизнта в базе. Группа аварийного события разыгрывается ютодом статкстпчэс-гаос испытаний по значении вероятности.

Для генерации значений неопределенных величия» котор»гэ ьо-гуг быть описаны законами распределения, (например, отпосптелышх длительностей регимов ГЭУ на переходе я дежурстве,интервалов времени медду событиями в потоках,положения объекта в районе иоис:са .пологюнкя контактов и др.) проведен анализ алгорстгзэз генерации и построены датчики псевдослучайных чисел. Описанные в диссертации датчики позволят генерировать значения случайных величии по семи основным законам распределения : кор^гально-му, равновероятно^, логнорюлыюиу, зкспоненщгальноыу, закону Вэй-булла, Гамиа и Бета-законам распределения.

В третьей главе приведено описание программного сбесЕОЧЗ-•п:я методики. Оно состоит из основного и вспомогательного программного обеспечения (ПО). Основное ПО,предстазгясгзе собоЯ собственно имитационную затештическую шдель эксплуатации ГОК, построено по блочному принципу с использованием притцтоз структурного програынировагая и ныее? иерархическую структуру. Основное ГО реализовано в двух кодификациях : 1) прнмэни-тельно к болыеты ЭЕЫ серии ЕС ( ЕС1033,ЕС1045,ЕС1060 и т.п.) я 2) применительно к наиболее распространенному в проныяленности персональному компьютеру типа 1ЕЫ РС,в том числе отечественному ПК типа ЕС1841. Имитационная модель реализована на универсальном алгоритмическом языке Фортран. Еагрузочный }«здуль с использованием оверлейной структуры занимает не более 500 Кбайт оперативной памяти.

Вспомогательное преграшное обеспечение включает :

- подсистему интерактивного диалога с пользователем ;

- подсистему графического представления информации ;

- подсистему планирования имитационного эксперимента ( генерации знаковой матрицы планирования эксперимента );

- подсистему обработки результатов имитационных экспери-

:б

ментов.

Вспомогательное ПО реализовано применительно к компьютеру IBM PC на базе транслятора Турбо-Си.

Непосредственно автору диссертации принадлежит разработка, отладка и тестирование порядка 70% программных модулей первой модификации основного ПО и все 100% модулей - второй,а также всего вспомогательного ПО.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки имитационной модели и методики в целом.

Проверка пригодности модели заключалась в оценке точности, чувствительности и адекватности модели и в апробации ее на расчетном примере.

Точность модели определялась на основе построения доверительных интервалов для показателей эффективности. Для достижения требуемой точности в имитационной математической модели реализовано правило автоматического останова,согласно которому останов моделирования осуществляется в тот момент,когда величина расчетного доверительного интервала,построенного по результатам I имитационных прогонов на полный жизненный цикл,становится меньше заданного значения.

При проведении сравнительных исследований эффективности вариантов ГЭУ величина расчетного доверительного интервала для математического ожидания значения среднегодовых приведенных затрат Е[3] не превышала 5 т. руб. /год, что составляет 1-2 2, от суммы тех составляющих 3 ,на которые оказывают влияние параметры ГЭУ СН.

Проверка чувствительности модели осуществлялась на базе математического аппарата планирования экспериментов. Для оценки чувствительности показателей эффективности к изменению основных факторов,описыващих внешние условил эксплуатации,!, е. факторов, обладающих наибольшей неопредс^шюстью на стадии исследовательского проектирования, был испаЕьзовал насыпанный ортогональный план эксперимента Елакетта-Бзриана Исследовалось влияние 12 основных факторов.описываюсда внеснко условия эксплуатации комплекса. С целью получения оценки дисперсии статистических

оценок значений коэффициентов уравнения регрессии в план введено- 7 фиктивных факторов. Анализ чувствительности к изменению исследуемых факторов осуществлялся на базе анализа значимости соответствующих коэффициентов уравнения регрессии с использованием ^критерия. Для уменьшения дисперсии статистических оценок эксперимент проводился в двух репликах. Проведенный анализ чувствительности показал,что на основные показатели эффективности значимое влияние (с уровнем значимости 0,05) оказывают б из 12 исследованных факторов. При проведении исследований по выбору проектного варианта ГЭУ для раскрытия неопределенности необходимо проводить варьирование значимых факторов внешних условий.

В связи с отсутствием экспериментального материала и невозможностью прямого сравнения модельных значений критерия эффективности с натурными наблюдениями анализ адекватности осу-прствлялся в три этапа: 1) путем проверки адекватности генерации в модели значений неопределенных величин,описываемых законами распределения; 2) на уровне отдельных функциональных зависимостей, заложенных в алгоритм имитационной .математической модели, и путем проверки результатов работы отдельных модулей, 3) путем проверки адекватности наиболее сложного и комплексного блока имитационной модели,воспроизводящего функционирование ПОК и ГЭУ его СН в период проведения поисковой операции.

Проверка адекватности воспроизведения значений неопределенных величин,описываемых законами распределения,заключалась в-проверке статистической гипотезы Н.что случайная величина,представленная сгенерированной в«5оркой, подчинена известному закону ее распределения. Проверка выполнялась с использованием критерия хи-квадрат для семи законов распределения при различных сочетаниях параметров отдельных законов. Всего было сформировано 12 вариантов генерации. Выполненное исследование показало,что значение вероятности принятия гипотезы Н для различных вариантов лежат в пределах от 65,3 до 99,5 % ,что говорит об очень высоком качестве генерации.

Проверка адекватности на уровне отдельных функциональных зависимостей и блоков имитационной математической модели была

\

осуществлена в ходе тестирования программного обеспечения и показала полное совпадение ревультатов ручных расчетов и результатов, полученных на имитационной модели при одинаковых эначе-ниях входных данных.

Проверка адекватности блока моделирования поисковой операции заключалась в генерации на модели выборки значений времени поиска при задании на входе в модель значений параметров поисковой ситуации,соответствующих условиям натурного поиска, и в сравнении выборочных значений с точкой,соответствующей натурному поиску. Выполненная проверка показала,что указанная точка лежит в пределах диапазона выборочных значений,причем отличие значения времени реального поиска от значения выборочного среднего составило 10Z. Таким образом, гипотеза об адекватности воспроизведения моделью реальной поисковой операции не отвергается.

Апробация методики осуществлялась на примере выбора проектного варианта главной энергетической установки судна-носителя гипотетического поисково-обследовательского комплекса,основные характеристики которого близки характеристикам реального проекта ГОК. Для судна-носителя было сформировано 9 проектных вариантов ГЭУ. В качестве двигателей для них использовались среднеоборотные дизели,выпускаемые финской фирмой Wartsila Vasa и французской - SEMT Píelstiok.a такие один из отечественных СОД Двигатели различались мощностью,удельными расходами топлива на основных рабочих режимах спектра эксплуатационных мощностей, стоимостью, массой, параметрами надежности. Исследование проводилось при варьировании неопределенных факторов, как выявленных в ходе анализа чувствительности ,так и других .представляющих интерес для проектантов СЭУ. В ходе проведения исследования вначение расчетного доверительного интервала математического ояздания времени поисковой операции не превышало 2-х часов,а вначение доверительного интервала матемзтического олиданкя среднегодовых приведенных эатрат - 5 т. руб./год, что позволило обеспечить значимое различие значений критерия эффективности для основных проектных вариантов ГЭУ при варьировании неопреде-

ленных факторов. В диссертации приведены результаты имитационных экспериментов, подтвердивших влияние на эффективность проектных вариантов ГЭУ таких факторов как скорость буксировки в период проведения поиска, дальность действия гидролокатора бокового обзора БПА, удаленность районов поиска от Сазы, глубина и размеры районов поиска,интенсивность потока вызовов ГКЖ, Для базового варианта входных параметров,описывающих внешние условия использования ГОК,сформировано ограничение по функциональной эффективности. Данному ограничению не удовлетворял лишь один из сравниваемых вариантов ГЭУ,двигатели которого имели наименьшую мощность. Различия в значении критерия эффективности для сравниваемых вариантов ГЭУ при близких значениях мощностей достигали 70 т. руб. /год.

В целом проведенные исследования подтвердили,что на выбор рационального варианта ГЭУ оказывают влияние как внешние условия эксплуатации ПОК,так и характеристики его подсистем. А главное, выполненные исследования показали возможность й необходимость использования разработанной методики при исследовательском проектировании' ГОК для выбора рационального варианта ГЭУ СН ,а также для регешга других задач, которые без использования описываемой имитационной математической модели решены быть не

могут. *

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных ьютодологических,теоретических и экспериментальных исследований получены следутале результаты :

1. Создана методика количественного обоснования выбора рационального варианта главной энергетической установки судка-носителя поисково-обследовательского комплекса на стадии проектирования в. условиях неполной и неточной инфор*4ации о будусэй эксплуатации .

2. Главным теоретическим результатом работы являются созданные алгоритмы имитационной математической модели, положнные в основу настоящей методики .разработанной для объектов данного

20

типа впервые.

3. Созданная математическая модель отличается высокой степенью детализации и учетом большого числа случайных и детерминированных параметров. Модель позволяет варьировать около трехсот входных параметров и дает на выходе оценки значений 76 технико-экономических параметров, представляющих собой показатели эффективности, их составляющие и параметры, описывающие процесс эксплуатации ПОК и ГЭУ его СН

4. На базе разработанных алгоритмов создано и оттестировано программное обеспечение методики. Создание действующей имитационной модели в двух модификациях,в том числе для наиболее распространенного персонального компьютера семейства IBM, и вспомогательного программного обеспеспечения определило практическую ценность настоящей работы.

5. Выполненное экспериментальное исследование по оценке чувствительности имитационной модели,адекватности ее на натурных данных поисковой операции,и апробация методики на конкретном расчетном примере подтвердили правильность методики и необходимость ее использования при практическом проектировании поисково-обследовательских комплексов ;

6. Проведенные исследования показали, что модель может быть использована как для решения основной задачи .поставленной в диссертации,так и для решения других задач ( в частности, для более корректных оценок эффективности поиска и для выбора режимов использования комплекса при проведении поисковой операции). Например, методика и имитационная модель использовались для оценки эффективности поисковой операции по обнаружению АШ "Комсомолец" и получили положительную оценку специалистов промышленности. Кроме того,модель использовалась для обоснования рационального состава поисково-обследовательского комплекса.

7. ГЪ мнению специалистов промышленности программное обеспечение настоящей методики целесообразно использовать на бортовой ПЭВМ судна-носителя для решения задач оптимизации режима! поиска.

8. Прямая оценка экономического эффекта в настоящее врем*

невозио.тна, однако по предварительной оценке она ¡asi составить 2- 3 2 стоимости коиплекса ,т. е. несколько миллионов рублей на один проект.

Содерканг:е диссертационной работы • отракэно в следугсзх тубликецтах:

1. Исследовать зсаиоигость создания универсального глубо-юзводпого необитаетго подводного аппарата ( " Подеодный спут-епк " ) для исследования и освоения глубин океана до 6000 и с автономностью до 15 суток. Разработать, изготовить и испытать цейсвуЕйИй макет. Сравнительное исследование комплексов "СН-НПА",выполненное на ж.сггациоююй иодели. ( Отчет ) / ЛОЬ рук. теш Бгколаев RII , :шв. N 0286. 0078793 , Л : 1984 .ВШГГЦ,- 54 с.

2. Последовать зозюжссть создания универсального глубоководного необитаемого, подводного аппарата ( " ШдгодпыЯ спут-п*к " ) для псслэдовалия и освоения глубин океана до 6000 м с штоношюстью £0 15 сутс$.Разработать,изготовить м испытать ;ейсвухгяй пакет, "^-т.тацпонкая модель эксплуатации комплекса 'СЭ-HHV. Сравнительное исслздоЕапяе эффективности ¡таетлексоа С Л-ЕЛА". "CH-AIIA". ( Отчет )/ЛКЯ: рук. теш Николаев B.IL, чнв.

' 0287. 0004785 , Л: 1985, EBíTJL -127 с.

3. Еааэлаев В. II, Страутмзя *L О. , Яолесников Д. И. Техин-э-эгашоиическое обоснование рациональной автономности иселедо-::тельского аппарата, выполненное ::а имитационной »одеял. Теэн-ы докладов V Всесоюзной конференции " Технические средства зученкя и освоения океана '*. - Л. , 1085. - пыл. 1, с. 143-144."

4. Колесников А. Я. , Страутыэн И. О. Моделирование состояний эдной поверхности океана з агитационной шделл эксплуатации аучно-яееледовательского судна дгя его проецирования . Труды гИ : "Автокатизадая проектирования СЗУ", 1985. - с. 46-52.

5. Николаев R й- .Страутизн ;L Ф. , колесников А. II Оценка эй>-гктивности технических средств освоения океана на основе ими-тионной шдели. Тезисы докладов Всесоюзной еколы " Техничес-ie средства и методы иследования мирового океана ",т. II.M.: 7.0

22

АН СССР,1987. - с. 96.

6. Страутман И. Ф.. Колесников А. И. Модель для оценки эффективности буксируемого носителя аппаратуры . - Тезисы докладов Всесоюзной школы " Технические средства и методы иследования мирового океана г. II, М.: ЙО АН СССР, 1987.- с. 11а

7. Николаев & И., Страутман И. Ф.,Колесников А. И. .Иванов И.У. .Демченко С.Е кэдель для выбора рацонального варианта энергоустановки поискового судна Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы технического прогресса судовых турбинных установок " , Л, 1989 , 2 с.

8.' Колесников А. И., Николаев Е И., Страутман И. Ф., Иванов И. к. Основные принципы выбора рационального варианта энергетической установки поисковых комплексов судно-носитель - подводный аппарат. Труды ЛКИ : "Автоматизация проектирования судовых энергетических установок" , 1989 , с. 25-32 .

9. Страутман И. Ф. , Колесников А. И. , Иванов И. М. Критерии оценки эффективности поискового судна и его энергетической установки. Труды ЛКИ : Автоматизация проектирования судовых энер-

" гетических установок , 1989 , с. 32-38 .

10. Страутман К Ф., Колесников А. И., Иванов И. М. Основные принципы моделирования энергоустановок .судов-носителей и исследовательских аппаратов . - Сборник трудов Всесоюзного НТО им. акад. А. Н. Крылова , вып.470 ,Л, 1989, с. 14-23 '.

11. Страутман И. Ф., Колесников А. И., Иванов И. И: Исследование техникоэкономических характеристик комплексов " Судно-носитель - исследовательский аппарат " на имитационной модели. Сборник трудов Всесоюзного НТО им. акад. А. Н. Крылова , вып. 470 Д. 1989, с. 23-33 .

12. Колесников А. И. Имитационная модель для выбора рацио нального варианта СЭУ поискового судна. -Труды ЛКИ: Судова энергетика, 1990 , о. 108-113 .

Зак.Р-1. Тир.90. Уч.-изд.л.I. 23.03.1992. ППО "Пегас". Лоцманская, 10.