разработка методики генерирования судовых обводов судов

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. Алексеева
УДК 629.12.001
КОРЯКИН
Андрей Александрович
На правах рукописи
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СУДОВЫХ
ОБВОДОВ СУДОВ СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ С
ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ОБЩЕЙ ПОЛНОТЫ
Специальность 05.08.03 – проектирование и конструкция судов
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород
2011
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Кораблестроение и
авиационная
техника»
ГОУ
ВПО
«Нижегородского
государственного
технического университета им. Р.Е. Алексеева» (НГТУ им. Р.Е. Алексеева).
Научный руководитель:
д.т.н., профессор
Зуев Валерий Андреевич
Официальные оппоненты: д.т.н., профессор
Ваганов Александр Борисович
к.т.н., доцент
Шмаков Виктор Михайлович
Ведущая организация:
ОАО КБ «Вымпел», г. Нижний Новгород
Защита состоится 12 октября 2011 г., в 12 часов в ауд. 1258 НГТУ им.
Р.Е. Алексеева на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 по
специальности 05.08.03 – Проектирование и конструкция судов.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ им. Р.Е.
Алексеева.
Отзывы просим направлять в двух экземплярах, заверенных печатью
на имя Ученого секретаря диссертационного совета Д 212.165.08 по адресу:
603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24. Факс: (831) 436-94-75
Автореферат разослан «____»_____________ 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук
Грамузов Е.М.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Применение ЭВМ для решения сложных
технических задач растет с каждым годом, что приводит к необходимости
пересмотра традиционных методов проектирования и широкому применению
методов системного анализа, искусственного интеллекта, теории выбора и
принятия решений и т.д.
Важнейшим этапом проектирования судна является создание формы
поверхности корпуса. Существует множество программных средств, которые
проектируют судовую поверхность, но задача именно ее генерирования
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, в качестве способа 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.
Следует отметить значительный вклад в решение данного вопроса
таких ученых, как Алексанов А.В., Алымов И.П., Афанасьев В.И., Ашик В.В.,
Бесполов Ф.Е., Богданов А.А., Бубнов И.Г., Васильев Д.Н., Ваганов А.Б.,
Гайкович А.И., Готман А.Ш., Карпов А.Б., Ковалев В.А., Курдюмов А.А.,
Ничипоров М.Н., Ногид Л.М., Павленко Г.Е., Первов В.А., Рейнов М.Н.,
Троицкий Б.А., Ханович И.Г., Яковлев И.А., Гилмер Дж., Кервин Дж.,
Купер Г., Тейлор Д. и др.
Необходимость исследований в данной области обусловлена недостаточной
проработкой различных вопросов, связанных с проектированием судов с
большим коэффициентом общей полноты, тогда как количество подобных
судов растет. 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. Во многих методах параметрами выступают
формальные величины (коэффициенты многочленов, показатели степеней и
3
т.д.), которые управляются сложными и неоднозначными зависимостями между
параметрами и исходными данными.
Математический аппарат метода генерирования должен, по возможности,
проще реализовываться на ЭВМ. В последние годы в судостроении получили
широкое применение системы обработки знаний (или основанные на знаниях)
ориентированные на решение плохоформализуемых, задач, свойственных человеку
и характеризующихся неопределенностью, противоречивостью поступающей
информации, субъективизмом процесса принятия решений. Именно такие задачи
часто требуется решать при генерировании судовой поверхности.
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.
4
Объект
исследования
научного
исследования.
Объектом
данного
научного
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
применения
обводов);
полиномов и дуг эллипсов для
возможности
описания
судовых
 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 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 подход в описании обводов указанных судов с помощью
дуг эллипса;
5
 проведено статистическое исследование судов с полными обводами и
установлены зависимости между параметрами геометрии;
 предложены расчетные формулы для определения параметров
геометрии современных полных судов при практическом применении;
 разработан метод оценки параметров геометрии на основе теории
принятия решений;
 предложен способ выбора
проектируемого судна;
наиболее
близкого
прототипа
для
 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
корпуса;
рекомендации
по
выбору
параметров
геометрии
 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
6
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 научнотехнической конференции «Будущее технической науки», Нижний
Новгород, НГТУ им. Р.Е. 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 Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород,
НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009 г.
Публикации. Основные материалы исследования отражены в восьми
публикациях автора, в том числе две статьи в «Сборнике трудов 1 ЦНИИ МО
РФ», входящем в перечень, рекомендованный ВАК РФ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти
глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа
содержит 236 страниц основного машинописного текста, в том числе 56
рисунков и графиков, 16 таблиц, список литературы из 107 наименований, 5
приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного
исследования, описываются
основные результаты
научных работ
предшественников, излагаются цели настоящего исследования и приводится
краткое описание содержания работы.
Первая глава посвящена аналитическому обзору методов генерации
судовой
поверхности. Рассмотрены
проектирования судовой поверхности:
различные
подходы и приемы
 Эмпирические, под которыми подразумеваются методы, основанные на
опыте, статистической обработке данных и т.д. Необходимость анализа
данных методов обусловлена тем, что это первые методы, применявшиеся в
7
практике
проектирования
судовых обводов,
и многие
их аспекты
используются и в современных методах. Кроме того, в
любом
проектировании заложен как опыт человека непосредственно создающего
объект, так и опыт предыдущих исследователей данного вопроса, что
учитывается в эмпирическом подходе.
 Аналитические
методы
описания
судовой
поверхности
являются
базовыми методами, поскольку на их основе строятся все способы
генерации и согласования судовых обводов. Рассмотрены основные
аналитические методы, проанализированы их достоинства и недостатки.
При этом сделан акцент на методах, которые позволяют генерировать
обводы, но также рассматриваются методы, разработанные для
аппроксимации точек, образующих обводы (сплайн-функции и иные,
базирующиеся на них методы). Подобный интерес к сплайнам связан с тем,
что любую методику необходимо реализовать на ЭВМ, что можно
наилучшим образом выполнить при помощи сплайнов.
 Методы искусственного интеллекта
и
теории принятия решений
позволяют производить проектирование и расчеты при наличии разного
рода неопределенностей и знаний, которые трудно формализовать. Одним
из рассматриваемых направлений являются способы, позволяющие
минимизировать перебор возможных решений, методики сравнения и
выбора оптимального решения. Подобные методы существенно помогают
решить проблему нехватки входной информации для проектирования.
Также рассмотрены:
Особенности обводов судов с высоким коэффициентом общей полноты.
При стремлении коэффициента общей полноты к большим значениям (0,9
и выше), обводы корпуса приобретают цилиндрический (эллипсоидный) или
бульбовый вид (см. рисунок 1, а и б соответственно).
Рисунок 1 – Варианты обводов судов с высоким δ.
8
Кормовые обводы имеют, как правило, более сложную форму, что
существенно усложняет их генерирование. Исследование указанного набора
судов показало, что объем скега составляет 0,05-0,09 % от водоизмещения
судна, что значительно меньше допустимой погрешности вычислений.
Влияние скега на основные линейные параметры формы (ХС, Хf и т.д.) не
превышает 0,01%. Таким образом, скег не оказывает существенного
влияния на геометрию корпуса судна, поэтому генерация поверхности без
скега, с возможным последующим его добавлением, является возможной.
Структура современной САПР. Любой метод генерации судовой
поверхности должен быть реализован в виде программного комплекса. Для
выполнения этой задачи был произведен анализ структуры и методов
построения современных САПР (модульность, применение объектноориентированного программирования, различных технологий использования
баз данных и т.д.).
Вторая глава посвящена разработке математической модели генерации
судовой поверхности.
Для описания обводов корпуса необходимо определить обозначения
и ввести необходимые термины. Современная идеология проектирования
технических средств предполагает параметрический подход. Это означает,
что вид проектируемого объекта зависит от неких параметров, изменение
которых приводит к автоматическому изменению зависимых параметров и
всего объекта в целом. Для реализации параметрического подхода была
определена геометрия корпуса судна и его обводов, а также составлены
необходимые зависимости между параметрами геометрии судовой
поверхности.
Произведено обобщение метода полиномиального описания обводов.
Большинство исследователей описывали корабельные обводы при помощи
полиномов, на которые накладывались граничные условия для обеспечения
приемлемости получаемой формы кривой. Был использован подход,
предложенный Ковалевым, когда функция для описания корабельных
обводов определяется как решение краевой задачи дифференциального
уравнения,
правая часть
которого
зависит
d2y
 f ( x, a i ),
dx 2
0  x 1.
от
вектора
параметров
ai  (a1 , a2 ,..., ak ) :
(1)
9
Наложением граничных условий и двукратным
интегрированием
получим функцию, которая может содержать произвольное количество
параметров и имеющая вид, приемлемый для корабельной кривой:
m
y ( x)   ai x ni  c1 x  c 2 .
(2)
i 1
При
наложении
граничных
условий,
позволяющих
применять
функцию (1) для описания части обвода
(см. рисунок 2), получим:
m
y ( x)   ai x ni  x   .
(3)
i 1
Из (3) можно получить полиномы
различного
вида.
При
описании
Рисунок 2 – К определению
граничных условий полинома
корабельной
кривой
несколькими
полиномами
необходимо связать
коэффициенты
полнот и
центры
тяжести
отдельных
участков
с
аналогичными параметрами для кривой в целом. Поскольку практически
любой обвод можно описать монотонно-убывающей функцией (определенно
расположив систему координат), то свяжем указанные параметры обводов
соответственно следующими выражениями:
n
n
2
i i
 i l i  i

i 1
 max
 l  x
и XC 
i
i 1
ci
.
n
 l 
i i
(4)
i
i 1
Для описания какого-либо обвода
при помощи выражения
(3),
необходимо наложить на него граничные условия, в результате чего получим
систему уравнений. Решив ее, найдем коэффициенты полинома.
Приведенные выше рассуждения касаются какой-либо части обвода (носовой
или кормовой). Проведенные исследования показывают, что одним полиномом
нельзя описать оконечность с высоким коэффициентом полноты, поскольку в
нуле функция должна быть горизонтальна, а в единице угол наклона
приближается к 90 градусам. Для решения был предложен метод описания
одной оконечности двумя полиномами третьей степени (см. рисунок 3).
При подобном подходе накладываются граничные условия, аналогичные
описанным выше. Расчет коэффициентов полиномов ведется также аналогично.
10
Применение указанного метода для построения обводов существующих
судов показало, что значение параметра k должно лежать в интервале
[0.75;0.85], а для более корректного описания обводов значения  и 1
необходимо поправлять на величину  = 0.1 и 1 = 0.2.
Также был предложен другой
метод описания подобных обводов –
дугами эллипса,
поскольку
они
полностью удовлетворяют указанным
граничным условиям. Несомненным
плюсом описания обводов эллипсами
является математическая простота, а
отрицательным
фактором – слабая
Рисунок 3 – К описанию
оконечности обвода двумя
полиномами
варьируемость эллипсоидных кривых.
Основным
недостатком
описания
обводов
эллипсоидными
кривыми
является постоянство коэффициента
полноты и центра тяжести площади
под кривой (для четверти эллипса π/4 и 4/(3π) соответственно).
Для
обеспечения
большей
гибкости
метода
обобщить
y ( x)  b 1 
было
предложено
уравнения
x2
a2
эллипса
следующим образом:
b 
x 2 
y ( x)  1  (k  1) 1  2
k 
a 
(5)
где a, b – полуоси эллипса;
k – параметр, определяющий
степень ''приполнения'' кривой (см.
рисунок 4).
Накладывая
Рисунок 4 – Схема преобразования
эллипса
k
на
(5)
граничные
условия получим выражения для
определения
значения
параметра
 / 4 1
. Для выполнения необходимой точности расчетов (обычно 0,5%),
 / 4 
значение k должно быть
k  20 . В
тех случая, когда коэффициент k
11
превышает допустимые значения и погрешность становится больше 0,5%,
следует заменить часть участка кривой на сплайн.
Для
реализации
предложенных
методик
было
осуществлено
статистическое исследование судов с высоким коэффициентом общей полноты
и получены зависимости между параметрами геометрии. В качестве основных
зависимостей приняты зависимости различных параметров формы (lНО, lKO,
XC и т.д.) от коэффициента общей полноты δ (см. рисунок 5). Исследования
проводились для судов с эллиптическими и бульбовыми обводами. Ниже
представлены основные зависимости для эллипсоидных обводов (для носовой
оконечности):
Рисунок 5 – Порядок поиска
параметров формы судовых
обводов.
lНО = – 3,47δ + 3,32 ± 0,03
(6)
xC = – 0,28δ + 0,27 ± 0,02
xf = – 0,66δ + 0,59 ± 0,02
xb = 0,193δ – 0,155 ± 0,001
δНО = 3,05δ – 1,97 ± 0,03
γНО = 3,09δ – 2,06 ± 0,03
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
αНО = 3,14δ – 2,13 ± 0,03
lБНО = – 1,66δ + 1,57 ± 0,02
(12)
(13)
lВНО = – 0,299δ + 0,334 ± 0,02
xС(НО) = 0,18δНО + 0,22 ± 0,02
xb(НО) = 0,22γНО + 0,21 ± 0,02
(14)
(15)
(16)
xf(НО) = 0,27αНО + 0,19 ± 0,02
(17)
Используя зависимости (6)-(17) и главные размерения построим
диаметральный батокс, шпангоут наибольшего сечения и конструктивную
ватерлинию. Для построения промежуточных ватерлиний используются
строевые по ватерлиниям отдельных участков каждой ватерлинии в виде
зависимостей коэффициентов полнот площадей оконечностей ватерлиний
от аппликаты (осадки). Имея множество ватерлиний можно получить все
остальные обводы и сечения.
Третья глава освещает построение модели программного комплекса
(САПР), который автоматизирует реализацию описанных выше методов.
Для наиболее эффективной разработки программного комплекса и
использования
объектно-ориентированного
программирования
было
проведено исследование предметной области с позиций системного
подхода. Все основные объекты и их взаимодействие были описаны в рамках
12
теории
множеств:
конструктивная
корпус
ватерлиния,
в
целом,
каркас
(диаметральный
шпангоуты наибольшего сечения,
батокс,
палуба),
промежуточные обводы (шпангоуты, ватерлинии, батоксы), а также способы
получения одних обводов через другие (рассечение множества одних обводов
соответствующими плоскостями).
Далее была разработана структура программного комплекса с учетом
принципа модульности (т.е. независимые процессы и вычисления отнесены в
разные модули), а также предложена схема взаимодействия модулей (см.
рисунок 6).
Рисунок 6 – Принципиальная структура САПР
Пользователь вводит исходные данные – L, B, T, H и т.д., который в
общем случае неполный, недостаточный для формирования набора данных
для расчета геометрических параметров. Для дополнения исходных данных
до необходимого комплекта используется модуль выбора прототипа, после
чего
данные
прототипа пересчитываются
для
соответствия
исходным
данным. В результате получаем набор данных для построения, из которого,
при совместной обработке с эмпирическими зависимостями модулем
13
расчета геометрических параметров, получаем геометрические параметры
(lНО , lКО и т.д.).
Для создания эмпирических зависимостей и расчетных формул, а
также для выбора прототипа используется база знаний, которая состоит из
базы банных проектов судов-прототипов и базы правил. База данных
обрабатывается модулем статистической обработки, в результате чего
получаем зависимости и законы распределения различных параметров.
Правила обработки, различные условия и ограничения хранятся в базе
правил.
Для
получения
расчетных зависимостей
статистическая
информация обрабатывается модулем логической обработки с учетом
правил из базы правил. Итогом работы статистического и логического
модуля является комплект расчетных формул, достаточных для расчета
геометрических данных, достаточных (конечных) для построения обводов.
Геометрические данные получаются обработкой геометрических параметров
модулем расчета геометрии. Геометрические данные представляют собой
точки и характеристики кривых (углы наклона и т.д.), которые
аппроксимируются сплайнами
графического модуля.
и
отображаются
на
экране с помощью
База данных состоит из одной главной таблице и n (по числу
проектов в главной таблице) вспомогательных таблиц с геометрическими
данными каждого проекта. В главной таблице содержатся основные данные
по проекту (номер, класс, размерения, водоизмещение, скорость хода ит.д.), во
вспомогательных таблицах хранится информация о геометрии отдельных
участков корпуса.
Для реализации
вероятностного
подхода в определении и использовании
величин,
полученных
статистическим
путем,
необходимо
получить
закон
распределения (см. рисунок 7). При этом,
наиболее вероятным будет значение,
которое получается из зависимости,
Рисунок 7 – Распределение
параметра геометрии
полученной по той же самой выборке, а
остальные значения будут менее вероятны
(реже встречаются в выборке). Для
определения, на сколько менее вероятно
14
одно значение от другого, используем функцию приближения (18):
n
Q   wi Ri ,
(18)
i 1
wi - весовой
коэффициент i-го параметра; Ri 
P( i )
- частный
P ( pi )
критерий
эффективности, характеризующий отклонение частного параметра
наиболее вероятного. Для удобства запишем (18) в виде
от
n
Q   wi ( Ri  1) .
(19)
i 1
Тогда, если проектируемое
судно
описывается
наиболее
вероятными
значениями параметров, то значение отношений Ri будет равно единице, а
значение функции приближения (19) нулю, т.е. Q( xi ) x   0 .
i
i
Значение весовых коэффициентов сильно влияет на окончательный
результат. Основная задача весовых коэффициентов – определить
количественную составляющую приоритета одних данных над другими.
Предлагается также весовой коэффициент назначать в виде функции от
критерия эффективности wi  f ( Ri ) . В этом случае (19) будет выглядеть как
n
Q   f ( Ri )( Ri  1) . В этом случае весовые коэффициенты могут быть назначены
i 1
путем обработки базы данных или при помощи правил из базы правил.
Другим аспектом применения вероятностного подхода является выбор
прототипа для проектируемого судна,
который
является источником
информации при неполном наборе исходных данных. Выбор прототипа
производится из базы данных судов-прототипов в два этапа. На первом этапе
производится отсев вариантов по ограничениям параметров (размерения,
класс, район плавания и т.д.), в результате получаем множество судов, из
которых необходимо выбрать наиболее близкий к проектируемому судну: А =
{А1, А2,…, Аj,…, АN}. Для этого воспользуемся функцией приближения (18),
которую запишем в виде:
n
К j   wi ( Ri  1) ,
(20)
i 1
где Кj – коэффициент приближения прототипа к проекту;
wi – весовой коэффициент i-го признака.
Ri – относительное отклонение показателей прототипа от проекта.
Для вычисления Ri используем следующее выражение:
15
 a ji
 , a ji  pi
 pi
.
Ri  
p
i
 , a p
ji
i
 a ji
(21)
Далее необходимо вычислить коэффициенты К для всех прототипов
из А и выбрать наименьший, т.е. минимизировать (20) К  min . Для того,
чтобы в расчетах не участвовали отрицательные данные (например центр
величины), было предложено нормировать подобные параметры (р)
в
L
 1 p
абсолютном ~p   p , или относительном p  
виде.
2
2
L
Для подбора прототипа необходимо задать весовой коэффициент каждого
параметра геометрии. Если все параметры равноценны, то весовые
коэффициенты будут равны единице. С ростом числа параметров растет
неоднозначность результата, т.к. второстепенные параметры начинают
влиять на значение коэффициента приближения, поэтому при значительном
числе параметров необходимо задавать весовые коэффициенты. Проведенные
исследования показывают, что максимальное число примерно одинаковых
по важности параметров (т.е. имеющих одинаковые весовые коэффициенты),
которое не влияет на окончательный результат, равно пяти. Для получения
адекватных результатов в случае отсутствия информации, позволяющей
корректно задать весовые коэффициенты, следует отобрать для расчета
примерно одинаковые по важности величины и произвести расчет по ним.
При этом параметры разбиваются на группы, и каждой группе присваивается
значение весового коэффициента. Тогда каждому параметру из группы будет
соответствовать одинаковое значение весового коэффициента.
Можно назначать весовые коэффициенты с определенным шагом, для чего
необходимо
определить
границы
интервала
изменений
весовых
коэффициентов W и разделить на количество групп (подмножеств) m-1, в
результате получим величину шага:
dW 
sup W  inf W
.
m 1
Тогда значение весового коэффициента
находится по следующему выражению:
wi  inf W  dW (i  1),
(21.1)
для каждого
i  1 m .
подмножества
(21.2)
16
Разумеется,
подобные
методы
можно
использовать
только
для
предварительных исследований или на начальных этапах работы. Для
получения
более
адекватных
и
корректных
результатов
необходимо
назначать весовые коэффициенты для каждой группы параметров или для
каждого параметра отдельно.
Для реализации описанных выше методов обработки информации в
программном комплексе используется
база правил, содержащая
формализованные знания экспертов и различные зависимости, представленные
в виде структурированного текста:
Правило 1 : ЕСЛИ [Условие 1] ТО [Заключение 1] (K1)
Правило 2 : ЕСЛИ [Условие 2] ТО [Заключение 2] (K2)
………………………………………………………………..
(22)
Правило n : ЕСЛИ [Условие n] ТО [Заключение n] (Kn),
где Ki – коэффициенты определенности или весовые коэффициенты
соответствующих правил.
Зависимости условно разделим на используемые при проектировании и
при проверке результата (для выдачи заключения или рекомендации). Все
зависимости, используемые в виде правил при создании обводов корпуса,
будем подразделять на ''рекомендации'' и ''формулы''. Разница состоит в
степени формализации и однозначности входящих в зависимость величин
и получаемых результатов. Все ''формулы'' в конечном итоге являются
''рекомендациями'', поскольку все уравнения имеют диапазон приемлемых
значений аргументов, что автоматически добавляет неравенства в
выражение.
Разделение на проектировочные и проверочные правила позволяет
создать более эффективный программный комплекс для проектирования
обводов судна, поскольку дает возможность одновременно использовать
различные правила и зависимости, т.к. существует значительное количество
зависимостей для нахождения какой-либо величины, используемой при
расчетах. Вычисление можно производить по одной формуле, а проверять
при помощи других. Проверка всей совокупности зависимостей позволяет
наиболее адекватно оценить правильность полученного значения.
В правилах используются три типа данных:
17
– целые
числа
(как
правило, это количество
чего-либо – винтов,
шпангоутов, контейнеров и т.д., или обозначение типов и пр.);
– действительные числа (практически
все
расчетные
величины
выражаются в действительных числах);
– символьные данные (символами обозначаются сущности, которые
затруднительно или нецелесообразно представлять целыми числами –
символы класса, марки оборудования и т.д.).
Использование правил позволило использовать в расчетах слабо
формализуемые данные и повысить эффективность предлагаемой методики.
Четвертая глава посвящена описанию программного комплекса,
созданного на основе результатов и подходов, отраженных в предыдущих
главах.
Для выбора средств программирования был произведен анализ
существующих языков программирования, сред разработки программ,
технологий работы с базами данных и т.д. В результате было принято решение
создавать программный комплекс в интегрированной среде разработки
приложений для Windows Delphi 7. Для работы с базами данных применяется
система управления базами данных MS Access и технология ADO,
позволяющая представлять данные из баз данных в объектно-ориентированном
виде, который является основной парадигмой программирования. В некоторых
случая применяется процедурная концепция.
Программный комплекс имеет модульную структуру, при которой части
программного комплекса, которые могут или должны работать автономно,
разнесены в разные модули. Подобный подход позволяет развивать
комплекс более эффективно. Модульный подход предполагает, что код
приложения каждого модуля содержится в отдельных файлах, не
зависящих напрямую от остальных файлов программы. В ходе разработки
программного комплекса была разработана структура, позволившая
эффективно решить поставленные задачи.
Каждый модуль приложения состоит из файлов кода, которые хранятся
в отдельных директориях. Кроме основных файлов кода, используются
также различные библиотеки и файлы с вспомогательным кодом, которые
хранятся в специализированной директории Source.
В основе программы лежит классовая архитектура, обеспечивающая работу
приложения. Классы приложения (кроме классов окон) представлены в таблице
1.
18
Таблица 1 – Назначение основных классов, определенных в
программном комплексе.
Класс
Назначение
TShip
Содержит базовую информацию о параметрах проекта
(главные размерения, коэффициенты полнот и т.д.).
TShipProto
Содержит информацию о прототипе.
TIntermedLines
Описывает промежуточные обводы судовой поверхности.
TLinesPlan
Описывает
теоретический чертеж
судна, получаемый
обработкой судовой поверхности.
TShipWireFrame Описывает каркас судовой поверхности.
TShipRelations
Содержит данные о зависимостях межу геометрическими
параметрами, а также функции получения и обработки
зависимостей.
TMind
Содержит
переменные, функции
и
структуры,
необходимые для получения и обработки правил.
TShipProbability
Инкапсулирует поля и методы, необходимые для
реализации вероятностного подхода.
TFrame
Класс, описывающий шпангоут при занесении нового
проекта в БД проектов судов.
THull
Класс, описывающий весь корпус (набор шпангоутов).
TLine
Класс, описывающий линию в составе шпангоута.
Для удобства пользователя был спроектирован дружественный интерфейс,
позволяющий эффективно использовать программу. Интерфейс состоит из
восьми основных окон, необходимых для реализации всех описанных выше
методов. Классы соответствующих окон и их описание представлено таблице 2.
Таблица 2 – Назначение основных окон, определенных в программном
комплексе.
Класс
TFormInData
Назначение
Класс главного окна.
TFormDBprior Класс окна, управляющего выбором прототипа.
TFormACAD
Класс окна, обеспечивающего построение судовых обводов
в AutoCADe.
19
Класс окна, обеспечивающего построение зависимостей
TFormRelat
между параметрами геометрии.
TForm3View
Класс окна, отображающего обводы вновь вносимого проекта
TFormKnow
Класс окна, управляющего правилами.
TFormStat
Класс окна, управляющего статистическими исследованиями
TFormC
Класс окна, позволяющего создавать модель вновь
вносимого в БД судна.
Использование программного комплекса позволяет получить качественные
судовые обводы в трехмерном виде и теоретический чертеж, пример которых
представлен на рисунке 8.
Рисунок 8 – Трехмерная модель подводной части судовой поверхности в
AutoCAD и теоретический чертеж, созданный по ней.
Пятая глава посвящена оценке адекватности разработанных методов,
т.е. их верификации. Проведена оценка адекватности математической модели
генерирования судовых обводов, для чего был спроектирован полный комплекс
судовых обводов реального судна и получены приемлемые результаты (см.
рисунок 9). Обводы описывались полиномами и дугами эллипса, после чего
были построены в AutoCAD при помощи сплайнов.
20
21
Рисунок 9 – Полный комплекс судовых обводов в подводной части корпуса.
Проверка адекватности метода подбора наиболее близкого прототипа
производилась с использование базы данных судов-прототипов. Среди
используемых прототипов будем иметь в наличии заведомо самый близкий
к проектному, чтобы правильность выбора была очевидной.
Проверка велась в двух вариантах:
1. Все параметры принимаются равнозначными, поэтому значения
весовых коэффициентов для любого из параметров будем считать
равным единице, т.е. wi = 1.0 = const.
2. Весовые коэффициенты будем назначать
в
соответствии
с
методикой, предложенной ранее, т.е. разбив все параметры на
группы по степени важности и назначив каждой группе весовых
коэффициентов.
Результаты проверки показали приемлемость предложенного метода и
подтвердили важность корректного назначения весовых коэффициентов.
Для проверки адекватности методики вероятностного подхода были
использованы данные, полученные
в
предыдущем
расчете. Расчет
произведен, предполагая, что значения параметров подчиняются нормальному
закону распределения. Расчет производился в трех вариантах:
1. Все параметры принимаются равнозначными, поэтому значения
весовых коэффициентов для любого из параметров будем считать
равным единице, т.е. wi = 1.0 = const.
2. Весовой коэффициент для каждого параметра назначим
соответствии с законом распределения этого параметра.
в
3. ВК назначим, разбив все параметры на группы по степени важности
и назначив каждой группе весовых коэффициентов.
Верификация показала адекватность и корректность предложенной
методики оценки приближения существующих или проектных параметров
геометрии судовой поверхности к расчетным.
Оценка корректности обработки правил производилась при помощи
расчетов, осуществленных с использованием простых и однозначно
трактуемых правил, которые задействовались по одному или небольшими
группами.
22
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
следующие основные результаты:
исследования
получены
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
геометрии.
выборе
параметров
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.
23
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. Р.Е. 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.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА
I.
В издании, входящем в перечень ВАК РФ
1. Корякин А.А. Исследование геометрических характеристик обводов
судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей
полноты. Сборник трудов 1 ЦНИИ МО РФ, №4, СПб, 2010 г, с. 201-208.
2. Корякин А.А. Обобщенный подход к полиномиальному описанию
судовых обводов. Сборник трудов 1 ЦНИИ МО РФ, №4, СПб, 2010 г, с.
208-216.
II.
Прочие издания
3. Корякин А.А. Новые способы генерирования теоретического чертежа
судна. / Тезисы докладов V международной молодежной научнотехнической конференции "Будущее технической науки". НГТУ им. Р.Е.
Алексеева, Н.Новгород, 2006, с. 167-168.
4. Корякин
А.А.
Исследование
особенностей
аналитического
проектирования поверхности судов с высоким коэффициентом общей
полноты. / Тезисы докладов VI международной молодежной научнотехнической конференции "Будущее технической науки". НГТУ им. Р.Е.
Алексеева, Н.Новгород, 2007, с. 160-161.
24
5. Корякин А.А. Применение интеллектуального поиска решения при
проектировании поверхности судов с полными обводами. / Тезисы
докладов
VII
международной
молодежной
научно-технической
конференции "Будущее технической науки". НГТУ им. Р.Е. Алексеева,
Н.Новгород, 2008, с. 162.
6. Корякин А.А. Интеллектуальный поиск решения при проектировании
поверхности судов с полными обводами. // Морская газета, специальный
выпуск № 24 «Оборонный заказ», 23 сентября 2009, с. 25-27.
7. Корякин А.А. Использование методов искусственного интеллекта при
разработке исследовательской САПР для проектирования поверхности
судов с полными обводами. / Сборник докладов Всероссийской научнотехнической
конференции
''Современные
технологии
в
кораблестроительном
и
авиационном
образовании,
науке
и
производстве'', посвященной 75-летию факультета морской и
авиационной техники Нижегородского государственного технического
университета имени Р.Е. Алексеева 17-20 ноября 2009г., Нижний
Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009, с. 64-71.
8. Корякин А.А. Применение параметризации для
проектирования
поверхности судов с высоким коэффициентом общей полноты. / Тезисы
докладов IX
международной молодежной научно-технической
конференции "Будущее технической науки". НГТУ им. Р.Е. Алексеева,
Н.Новгород, 2010, с. 208.
25
КОРЯКИН
Андрей Александрович
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СУДОВЫХ ОБВОДОВ
СУДОВ СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ С
ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ОБЩЕЙ ПОЛНОТЫ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
26