Разработка высокопроизводительных алгоритмов для систем поддержки принятия решений при контроле безопасности поврежденного и неповрежденного морского объекта (часть 1: фундаментальные исследования): 2019 г. этап 2

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

Основным результатом фундаментальной части данного этапа можно считать разработку математической модели взволнованной морской поверхности, которая учитывает отражение набегающих волн от подвижного корпуса судна, а также излучение волн корпусом судна, вызванное его качкой. Эта модель призвана уточнить и сделать более физически правдоподобным описание взаимодействия судна и морских волн, которое ранее делалось с помощью метода присоединенных масс, который фактически искусственно увеличивает массу тела для компенсации отсутствия модели отражения и излучения волн.

Основным результатом прикладной части данного этапа можно считать создание масштабных моделей судов из базы данных, а также вспомогательных программ, которые будут использованы для верификации Виртуального полигона. Полная верификация Виртуального полигона позволить использовать его для проведения экспериментов и испытаний в виртуальной среде, которые нецелесообразно и экономически невыгодно проводить в реальной среде: исследование динамики движения поврежденного морского объекта, исследование влияния затопленных отсеков на качку суда и др. Также после верификации Виртуальный полигон можно будет использовать для наполнения базы знаний систем поддержки принятия решений, которая помогает бороться за живучесть судна в критических ситуациях.

Помимо этого в Виртуальном полигоне были реализованы модели винта и руля, модели затопления отсеков, а также новый формат описания геометрии корпуса на основе поверхностей из базисных сплайнов. Эти разработки будут использованы на следующем этапе проекта для наполнения базы знаний системы поддержки принятия решений.

описание для неспециалистов

Основным результатом фундаментальной части данного этапа является новая модель описания поведения судна на морском волнении, в которой к обычным морским волнам добавляются волны, полученные в результате отражения набегающих морских волн от корпуса судна, а также излучаемые подвижным корпусом судна волны. Эта модель более точная по сравнению с классической моделью, которая носит название метода присоединенных масс.

Основным результатом прикладной части данного этапа является создание уменьшенных в размерах трехмерных моделей судов, с помощью которых была произведены проверка корректности работы программы "Виртуальный полигон". Данная цель была достигнута путем записи параметров качки судна с помощью датчиков смартфона, помещенного в центр масс уменьшенной модели судна, и сопоставления записанных таким образом параметров с параметрами, полученными напрямую из Виртуального полигона.

Помимо этого Виртуальный полигон был улучшен путем добавления в него возможности установить винт и руль, а также возможности затопить и осушить произвольно выбранный отсек. Эти возможности будут использованы на следующем этапе проекта для настройки системы поддержки принятия решений, разрабатываемой в рамках проекта.

основные результаты по этапу (подробно)

Основным результатом фундаментальной части данного этапа можно считать разработку математической модели взволнованной морской поверхности, основанной на трохоидальных волнах Герстнера, в которой учитывается отражение от корпуса судна набегающих морских волн, а также излучение волн корпусом судна, вызванное его качкой на морском волнении. Эта модель является решением системы уравнений в частных производных (уравнение неразрывности, уравнение движения), описывающей движение свободной поверхности жидкости, с граничным условием для поверхности, описывающей замкнутый объем, положение и ориентация которой в пространстве зависит от времени. Полученное решение удовлетворяет закону сохранения массы, импульса и для него можно вывести дисперсионное отношение, т.е. это решение можно использовать в качестве математической модели взволнованной морской поверхности наравне с классическим решением этой системы уравнений (волнами Герстнера), в котором отражение волн от корпуса судна не учитывается.

Математическую модель, учитывающую отражение волн от корпуса судна, планируется использовать в качестве замены классическому методу присоединенных масс, который применяется для учета сопротивления жидкости при моделировании качки и движения судна. Метод присоединенных масс основан на упрощенном описании взаимодействия жидкости и тела, находящегося в ней, которое сводится к искусственному увеличению массы тела. Новая модель призвана уточнить это описание и сделать его более физически правдоподобным: вместо искусственного увеличения массы тела моделируется реальное физическое взаимодействие набегающих морских волн и корпуса судна.

Основным результатом прикладной части данного этапа можно считать создание масштабных моделей судов из базы данных, а также вспомогательных программ, которые будут использованы для верификации Виртуального полигона. Масштабные модели были созданы с помощью технологий трехмерной печати. Это позволило использовать трехмерное описание геометрии корпуса из базы данных судов Виртуального полигона напрямую, т.е. в точности воссоздать виртуальную модель судна в реальности. Для создания синхронных записей параметров качки масштабных моделей (угловая скорость, угловое ускорение, положение в пространстве и др.) была написана программа для операционной системы Android, использующая показания датчиков, встроенных в смартфон. Во время экспериментов с масштабной моделью судна, смартфон помещался в центр масс судна и запускалась данная программа. После окончания эксперимента выходные файлы программы копировались на компьютер для последующей обработки.

Эксперименты с масштабными моделями судов показали, что декремент затухания амплитуды колебаний масштабной модели сопоставим с виртуальной моделью (вычисленный на компьютере). В будущем планируется больше экспериментов, которые верифицируют больше аспектов качки судна на взволнованной поверхности, а также излучение корабельных волн во время движения судна.

Помимо верификации и моделирования отражения волн в рамках проекта были получены следующие результаты.

1. Модель авторегрессии скользящего среднего (АРСС) для отражения волн от корпуса судна. Исследована возможность применения данной модели для статистического описания взволнованной морской поверхности вблизи корпуса судна и принято решение о переходе к Лагранжевым координатам в данной модели, поскольку описание прогрессивных волн вблизи корпуса судна в координатах Эйлера приводит к непредсказуемому расхождению данной модели. На следующем этапе проекта планируется вместо моделирования поверхности, перейти к моделированию поля скоростей жидкости, что должно сделать модель сходящейся.

основные результаты по этапу (кратко)

Основным результатом фундаментальной части данного этапа можно считать разработку математической модели взволнованной морской поверхности, которая учитывает отражение набегающих волн от подвижного корпуса судна, а также излучение волн корпусом судна, вызванное его качкой. Эта модель призвана уточнить и сделать более физически правдоподобным описание взаимодействия судна и морских волн, которое ранее делалось с помощью метода присоединенных масс, который фактически искусственно увеличивает массу тела для компенсации отсутствия модели отражения и излучения волн.

Основным результатом прикладной части данного этапа можно считать создание масштабных моделей судов из базы данных, а также вспомогательных программ, которые будут использованы для верификации Виртуального полигона. Полная верификация Виртуального полигона позволить использовать его для проведения экспериментов и испытаний в виртуальной среде, которые нецелесообразно и экономически невыгодно проводить в реальной среде: исследование динамики движения поврежденного морского объекта, исследование влияния затопленных отсеков на качку суда и др. Также после верификации Виртуальный полигон можно будет использовать для наполнения базы знаний систем поддержки принятия решений, которая помогает бороться за живучесть судна в критических ситуациях.

описание вклада в работу каждого из участников, допустима оценка в процентах (учётная форма ЦИТиС)

1. Александр Борисович Дегтярев
◦ Разработка математических моделей и численных методов, используемых в проекте.
◦ Верификация и экспертная оценка текстового и графического вывода программного комплекса.
◦ Общее руководство проектом.
2. Иван Геннадьевич Ганкевич
◦ Математическая модель отражения волн от подвижного корпуса судна.
◦ Тесты производительности.
◦ Статьи по результатам работы.
◦ Руководство разработкой программного комплекса.
◦ Руководство экспериментами с масштабной моделью судна.
3. Василий Николаевич Храмушин
◦ Численный метод отражения волн от подвижного корпуса судна.
◦ Верификация и экспертная оценка текстового и графического вывода программного комплекса.
◦ Статья по результатам работы.
4. Александр Владимирович Богданов
◦ Математические модели волн-убийц.
◦ Статьи по результатам работы.
5. Владимир Владимирович Мареев
◦ Математические модели и численные схемы для волн-убийц.
◦ Статьи по результатам работы.
6. Антон Александрович Гавриков
◦ Участие в экспериментах с масштабной моделью судна.
7. Иван Владимирович Петряков
◦ Программная реализация модели отражения волн от корпуса судна на процессоре.
◦ Ускорение программной реализации на видеокарте.
◦ Участие в экспериментах с масштабной моделью судна.
8. Артемий Сергеевич Григорьев
◦ Разработка элементов графического пользовательского интерфейса.
◦ Разработка приложения для записи параметров качки масштабной модели судна для мобильной операционной системы Android.
◦ Разработка приложения для управления движителем масштабной модели судна для мобильной операционной системы Android.
9. Денис Александрович Егоров
◦ Верификация модели качки судна, используемой в Виртуальном полигоне, по результатам экспериментов с масштабной моделью судна.
◦ Программная реализация модели затопления отсеков судна на процессоре.
10. Киав Лвин Тхурейн
◦ Модульное тестирование.

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

нет

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

нет

обоснование междисциплинарного подхода

Судно, подводная лодка, плавучая платформа и любой другой большой морской объект являются результатом работы множества специалистов из различных областей науки, и для создания системы поддержки принятия решений, от корректности работы которой зависит живучесть таких объектов, необходимы знания и экспертиза этих специалистов. Такие сложные задачи, как определение равновесной посадки и параметров волнения по синхронным записям датчиков, установленных на морском объекте, где учитывается целый ряд техногенных и природных факторов, не могут быть решены специалистом в одной области в одиночку — здесь требуется знания из нескольких областей одновременно.
Короткий заголовокGZ-2019
АкронимM3_2018 - 2
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания12/03/1931/12/19

Ключевые слова

  • система поддержки принятия решения
  • интеллектуальная обработка данных
  • высокоэффективный алгоритм
  • виртуальный полигон
  • морской объект
  • суперкомпьютер
  • бортовая система
  • безопасность мореплавания

Награды

Best paper award ICCSA 2019

Дегтярев, Александр Борисович (Получатель), Храмушин, Василий Николаевич (Получатель), Ганкевич, Иван Геннадьевич (Получатель), Петряков, Иван Владимирович (Получатель), Гавриков, Антон Александрович (Получатель) & Григорьев, Артемий Сергеевич (Получатель), 4 июл 2019

Награда: премия, приз, диплом лауреатавне категорий

Файл

Виды деятельности

  • 1 выступление с устной презентацией

International Conference "Mathematical Modeling and Computational Physics"

Александр Борисович Дегтярев (Основной докладчик)

1 июл 20195 июл 2019

Деятельность: выступлениевыступление с устной презентацией