Разработка методики генерирования судовых обводов судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты

Применение ЭВМ для решения сложных технических задач растет с каждым годом, что приводит к необходимости пересмотра традиционных методов проектирования. Стремление решать задачи последовательно и в комплексном объеме привело к созданию систем автоматизированного проектирования (САПР). Так как кораблестроение является одним из передовых направлений научно-технической мысли, то подобные изменения происходят и в практике проектирования и постройки судов. В современной теории проектирования широкое применение находят методы системного анализа, искусственного интеллекта, теории выбора и принятия решений и т. д. [27,43,88].

Важнейшим этапом проектирования судна является создание формы поверхности корпуса, поскольку она оказывает самое существенное влияние на мореходные качества корабля. Логическим завершением этой стадии проектирования в прошлом являлось изготовление теоретического чертежа корпуса судна. В наши дни существует множество программных средств, которые тем или иным способом проектируют чертеж или его согласовывают, но задача именно генерирования корпуса однозначного решения в наши дни не имеет. Решается она разными способами и в зависимости от способа имеет ту или иную ценность и практическую применимость. В настоящей работе предлагается проектировать поверхность с применением методов теории принятия решений, как одного из способов отбора благоприятных вариантов и оптимизации получаемого результата. Применение указанных методов не может быть единственным путем решения проблемы, его использование опирается на результаты расчетов, анализа и других данных, полученных при использовании других подходов, таких как методы эмпирического и аналитического проектирования судовой поверхности [13,55].

Тем не менее, выбор и проектирование обводов корпуса остается главной и наиболее сложной задачей на этом этапе. Следует отметить значительный вклад в решение данного вопроса таких ученых, как A.A. Богданов, A.A. Курдюмов, И. А. Яковлев, Г. Е. Павленко, В. А. Первов, А. Ш. Готман, JIM. Ногид, В. В. Ашик, А. Б. Карпов, В. А. Ковалев, Б. А. Троицкий, Е. Канторович, Дж. Кервин, Г. Купер, Дж. Гилмер и др. [6,27,32,77,80].

Необходимость исследований в данной области продиктована тем фактом, что разработка вопросов, связанных с проектированием судов с большим коэффициентом общей полноты ведется в недостаточном количестве, в то время, как количество подобных судов постоянно увеличивается. Имеются значительные пробелы в знании сопротивления полных судов, проектировании форм оконечностей и т. д. Недостаточно разработаны приемы аналитического описания обводов и их реализации на компьютере. Подобная ситуация требует создания метода генерирования судовой поверхности, в котором будут решены указанные задачи.

Весомой трудностью является принцип параметризации судовой поверхности, поскольку большинство авторов по-разному задают параметры геометрии и их количество, тогда как эти параметры прямо влияют на построение аналитического описания обводов. Во многих методах параметрами выступают формальные величины (коэффициенты многочленов, показатели степеней и т. д.), изменение которых осуществляется посредством сложной, а иногда и неоднозначной зависимости между параметрами и исходными данными, что усложняет управление кривыми и лишает уравнения «физичности». Поскольку критерием эффективности является применение на практике, то метод генерирования должен, по возможности, проще переводиться в плоскость программирования и создания конкретных работающих сред разработки проектов судов.

В последние годы в различных областях получили широкое применение разнообразные интеллектуальные системы: поддержки принятия решений, экспертные, обучающие, тренажерные и др., являющиеся в своей основе системами обработки знаний. Системы обработки знаний (или основанные на знаниях) ориентированы, прежде всего, на решение плохоформализуемых, слабоструктурированных задач, свойственных человеку и характеризующихся некоторой нечеткостью, неопределенностью, противоречивостью поступающей информации, субъективизмом процесса принятия решений. Именно такие задачи часто требуется решать при генерировании судовой поверхности [25,34,72].

Другой современной, интенсивно развивающейся тенденцией, является разработка и интеграция баз технических знаний в комплексные системы проектирования, производство и контроль технических объектов. Определение принципов построения и основ функционирования интеллектуальных систем в области сложных производственных технологий, без которых затрудняется развитие систем автоматизированного проектирования и производства (CAD/CAM), а также комплексных систем управления качеством [25,75].

Таким образом, разрабатываемый метод должен определять следующие базовые положения:

— геометрическую сущность метода;

— математический аппарат метода;

— аппарат методов теории принятия решений;

— технологию реализации математического аппарата метода на ЭВМ.

Из всего вышесказанного можно заключить, что создание современного метода генерирования судовой поверхности судов с высоким коэффициентом общей полноты является актуальной задачей для современной судостроительной науки и производства.

Цель работы. Целью данного научного исследования является создание методики генерирования судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты. Для выполнения данной задачи подлежали решению следующие вопросы:

— разработка системы параметров геометрии для описания всего комплекса судовых обводов;

— разработка математической модели описания судовых обводов;

— статистическая обработка данных по судам с полными обводами и установление зависимостей между параметрами геометрии;

— определение расчетных формул для определения параметров геометрии;

— разработка метода использования эмпирических знаний;

— разработка способа устранения неопределенности на различных этапах проектирования на основе теории принятия решений;

— разработка программного комплекса для генерирования судовой поверхности.

Объект научного исследования. Объектом данного научного исследования является судовая поверхность судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты.

Предмет научного исследования. Предметом данного научного исследования является генерирование судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты.

Методы исследования. В ходе работы применялись следующие методы исследования:

— элементы математического анализа (для определения возможности применения полиномов и дуг эллипсов для описания судовых обводов);

— численные методы (для составления зависимостей между параметрами геометрии);

— статистические методы (для исследования выборки судов);

— методы теории вероятностей (для устранения неопределенностей при проектировании);

— методы нечеткой логики (для использования знаний экспертов в виде правил);

— методы теории принятия решений (для выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна);

— элементы теории множеств (для создания объектной модели судовой поверхности);

— методы вычислительной математики (при составлении алгоритмов для реализации на ЭВМ);

Математические модели и методики разрабатывались до создания программ для расчета на ЭВМ.

Научная новизна. В итоге проведенных в работе исследований получен ряд новых научных результатов:

— предложена новая система параметров геометрии, позволяющая, в отличии от имеющихся систем, описывать весь комплекс судовых обводов;

— доработан метод полиномиального описания обводов и впервые распространен на суда с высоким коэффициентом общей полноты;

— предложен новый подход в описании обводов указанных судов с помощью дуг эллипса;

— впервые проведено статистическое исследование судов с полными обводами и установлены зависимости между параметрами геометрии;

— предложены новые расчетные формулы для определения параметров геометрии современных полных судов при практическом применении;

— разработан метод оценки параметров геометрии на основе теории принятия решений;

— предложен новый способ выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна;

— разработана архитектура программного комплекса, реализующего указанные выше подходы.

Таким образом, на защиту выносятся результаты комплексного научного исследования, посвященного разработке метода генерирования судовой поверхности.

Основные положения, выносимые на защиту:

— описание обводов с высоким коэффициентом полноты полиномами и эллипсами;

— практические рекомендации по выбору параметров геометрии корпуса;

— методика построения судовых обводов;

— способ оценки неопределенности при выборе параметров геометрии судовой поверхности;

— метод выбора прототипа для проектируемого судна;

— архитектура программного комплекса, использующего эмпирические знания.

Практическое значение. Разработан практический метод описания судовой поверхности судов с эллипсоидными обводами при помощи полиномов и дуг эллипсов. Даны практические рекомендации по выбору параметров геометрии корпуса, а также применимые на практике способы оценки влияния неопределенности при выборе параметров судна. Предложен способ выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна. Все указанные методы и приемы реализованы в специально разработанном программном комплексе.

Достоверность. Достоверность результатов исследования подтверждается близостью результатов, получаемых с помощью предложенных подходов, с характеристиками судов, находящихся в настоящее время эксплуатации. Обоснованность научных положений, достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается представленными в работе тестовыми расчетами.

Апробация работы. Результаты работы были доложены:

— На V, VI, VII, VIII и IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний.

Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 годах;

— На Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета имени P.E. Алексеева, Нижний Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009 г.

По теме диссертации опубликовано восемь работ.

Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Кораблестроение и авиационная техника» НГТУ им. P.E. Алексеева. Настоящая работа выполнена под руководством заведующего кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника», д.т.н., профессора В. А. Зуева, которому автор выражает глубокую признательность за помощь и создание благоприятных условий для выполнения работы. Автор также считает своим долгом выразить благодарность д.т.н., проф. Е. М. Грамузову, к.т.н., доц. Ю. А. Двойченко и к.т.н., доц. Калининой Н. В., принимавших участие в обсуждении результатов исследований на различных стадиях и сделавших ряд полезных советов и предложений.

Результаты исследования, отраженные в данной главе являются базовыми для разрабатываемой методики генерирования судовой поверхности и определяют все ее основные аспекты.

4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА.

4.1 Обоснование выбора средств программирования.

В двух предыдущих главах была разработана методика описания судовой поверхности. Для непосредственного использования ее в практике современного проектирования необходимо создать программную интерпретацию всех указанных алгоритмов, т. е. разработать программный комплекс для решения указанных задач, которые создается при помощи средств программирования, под которыми понимается язык, ИСР, технологии (ADO, ООП и т. д.).

Для создания программы необходимо использовать язык программирования (Basic, С/С++, Pascal, Java и т. д.), для чего следует выбрать его конкретную реализацию (Visual Basic, ObjectPascal и т. д) и реализующую ее среду программирования (Microsoft Visual Basic, Borland Delphi, MS Visual С++ и т. д.). Синтаксис и семантика языка программирования зафиксированы в стандарте языка, а среда программирования предоставляет свой интерпретатор или компилятор с этого языка, который зачастую допускает использование конструкций, не фиксированных в стандарте, а также набор средств для редактирования исходных текстов, генерирования исполняемого кода, отладки, управления проектами и т. д. [3,11,29].

При реализации некой задачи необходимо подбирать средства проектирования (язык и среду) исходя из следующих положений:

— характера задачи и технических требований;

— набора инструментария и библиотек, предоставляемых ИСР;

— возможности языка (технологии программирования).

Для программирования большинства технических задач подходят языки высокого уровня, предоставляющие стандартный набор концепций (парадигм) и ИСР, позволяющие создавать необходимый пользовательский интерфейс (Delphi, C++Builder, Visual Studio и т. д.). Для решения некоторых специфических задач (математической логики, обработки определенных структур данных) предпочтительнее использовать специализированные языки (Prolog, Lisp и т. д.). Но в простых вариантах указанных задач (как в данном исследовании), адекватные результаты можно получить, используя универсальные языки.

Для решения задач данной работы следует выбрать наиболее распространенные универсальные ИСР и языки — Basic, Delphi, С++. Рассмотрим подробнее каждый вариант.

Basic, несмотря на свою распространенность и популярность является значительно слабее Delphi и С++, поскольку имеет ряд негативных для своего качества решений (отсутствие типизации, нумерация строк и неструктурные переходы, отсутствие ООП и т. д.). Кроме того, даже наиболее мощная его реализация (MS VB) имеет довольно слабые возможности по проектированию интерфейса и набор библиотек.

Delphi, входящий в состав Embarcadero RAD Studio, обладает мощной ИСР, предоставляющей все необходимые для решения практически любой задачи инструменты, типы данных и библиотеки, а также является довольно простым в применении языком. Основными недостатками являются отсутствие некоторых возможностей низкоуровневого программирования и относительная громоздкость конструкций [30].

С/С++, наиболее распространенный в виде MS VC++ и Borland С++ Builder, является наиболее мощным из рассматриваемых языков и лишен указанных недостатков. Он обладает расширенными возможностями по перегрузке операций и функций, работе с памятью и т. д., что отсутствует в Basic и Delphi. Но отрицательной стороной этих возможностей является увеличение возможности совершения ошибки, а также значительное усложнение в работе с некоторыми важными структурами данных, прежде всего с массивами.

Дальнейший анализ будем проводить для Delphi и С++, реализованных в Embarcadero RAD Studio, а также Basic, реализованный в MS Visual Studio. Наиболее важные для анализа характеристики языков и сред сведены в таблицу 4.1.1, проанализировав которую, сделаем выбор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Тема диссертационной работы относится к одной из наиболее актуальных задач проектирования судов — проектированию судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты. Задача решается с помощью методов математического анализа, математической статистики, теории принятия решений и теории вероятностей.

В ходе проведенного диссертационного исследования получены следующие основные результаты:

1. Исследована возможность описания судовых обводов с высоким коэффициентом полноты с помощью полиномов различных степеней.

2. Разработан способ описания и управления полиномами для описания подобных обводов.

3. Разработан прием описания различных судовых обводов с высоким коэффициентом полноты дугами эллипса.

4. Проведено статистическое исследование проектов судов смешанного плавания для определения зависимостей между параметрами корпуса.

5. На основе данных зависимостей даны рекомендации по определению параметров геометрии судовой поверхности.

6. Создан способ учета неопределенности при выборе параметров геометрии.

7. Создан метод выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна.

8. Разработана структура программного комплекса, использующего различные эмпирические знания. 9. Разработана структура базы данных проектов судов и принцип обработки информации в ней для получения зависимостей между параметрами геометрии.

10. Разработан прием написания правил, содержащих эмпирические сведения.

11. Разработана база правил, используемая для хранения эмпирических знаний и правил обработки различной информации в программном комплексе.

12. Разработан программный комплекс, реализующий идеи и результаты проведенного исследования.

13. Разработана методика построения полного комплекса судовых обводов на основе предложенных выше подходов.

14. Произведен численный эксперимент в виде проектирования судовых обводов реального проекта с применением предложенных средств.

— 15. Показана удовлетворительная сходимость результатов, полученных при использовании разработанных математических моделей и данных проекта.

Результаты выполненных в диссертации исследований использованы кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева в учебной деятельности для разработки студентами теоретических чертежей судов и ОАО НОКБ «Лед» для инженерных разработок. Предложенные методы рекомендуются к использованию при проектировании судов смешанного плавания с эллипсоидными обводами с высоким коэффициентом общей полноты.