SYSTEM PODEJMOWANIA DECYZJI WSPOMAGAJĄCY DOBÓR NASTAW UKŁADU NAPĘDOWEGO STATKU ZE ŚRUBĄ NASTAWNĄ

Transkrypt

1 Krzysztof Rudzki, Wiesław Tarełko 1 SYSTEM PODEJMOWANIA DECYZJI WSPOMAGAJĄCY DOBÓR NASTAW UKŁADU NAPĘDOWEGO STATKU ZE ŚRUBĄ NASTAWNĄ Wstęp Armatorzy statków są zainteresowani jak najmniejszymi kosztami ich eksploatacji związanymi głównie ze zużyciem zasobów materiałowych, np. paliwa oraz czasowych, np. czas żeglugi do wyznaczanego celu. Zatem zachodzi konieczność efektywnego gospodarowania tymi zasobami. Pojawia się problem racjonalnego doboru parametrów pracy układu napędowego złożonego z silnika spalinowego i śruby napędowej. Z uwagi na różnorodne warunki odbywania żeglugi, podjęcie takiej decyzji jest zadaniem wyjątkowo trudnym, szczególnie w sytuacji dużej niepewności dotyczącej np. warunków meteorologicznych. Z tego względu celowe byłoby wspomaganie podejmowania takich decyzji. To z kolei wymaga pozyskania danych niezbędnych do budowy systemu wspomagania decyzji. Dane te można pozyskać przeprowadzając odpowiednie badania, najlepiej na statku rzeczywistym, dla którego wymienione parametry często ulegają zmianie, wpływają w istotny sposób na efektywność żeglugi oraz nie przyczyniają się do ponoszenia istotnych strat eksploatacyjnych. Temu wymaganiu odpowiadają statki żaglowe, dla których, jedną z opcji żeglugowych jest pływanie na silniku jako zasadniczym źródłem napędu. W ich układach napędowych wyróżnia się dwa rodzaje pędników: śruby stałe i śruby nastawne. W przypadku pływania na silniku, podstawowym problemem decyzyjnym jest dobór parametrów układu napędowego zapewniający: najkrótszy czas dopłynięcia do wyznaczonego punktu, minimalne zużycie paliwa przez jednostkę. Przedstawione problemy są sobie przeciwstawne. Można wiec pokusić się o poszukanie rozwiązania kompromisowego, które umożliwiłoby w sposób bardziej elastyczny zaplanować żeglugę. W przypadku układu napędowego statku ze śrubą nastawną decydujące znaczenie mają jej nastawy, tzn. prędkość obrotowa oraz skok. Analiza literatury przedmiotu przeprowadzona w [1] pokazuje, że nie opracowano systemu decyzyjnego doboru nastaw rozpatrywanego układu napędowego statku. Kapitan statku żaglowego dobiera takie nastawy samodzielnie, wykorzystując w tym celu swoje doświadczenie oraz wypracowane zasady postępowania w określonych przypadkach meteorologicznych. W związku z tym musi on przeanalizować wszelkie dostępne informacje dotyczące warunków żeglugi i na tej podstawie dobrać nastawy układu napędowego, które z kolei mogą być nieracjonalne. W celu wyeliminowania takich sytuacji, został zbudowany system podejmowania decyzji wspomagający dobór nastaw układu napędowego statku żaglowego ze śrubą nastawną. Jego głównym elementem jest model podejmowania decyzji. Modelowanie procesu decyzyjnego doboru nastaw układu napędowego statku ze śrubą nastawną Z punktu widzenia fizyki statek jest obiektem stałym znajdującym się na granicy dwóch ośrodków wody i powietrza, zwykle pozostających we względnym ruchu oraz zanurzony częściowo w każdym z tych ośrodków. Podczas pływania na silniku, na ruch statku będą oddziaływały czynniki wynikające z ruchu względnego wody, powietrza oraz samego statku tworzące pewien układ (Rys. 1.). 1 Dr inż. K. Rudzki, wykładowca, Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny, Katedra Podstaw Techniki Prof. dr hab. inż. W. Tarełko, prof. zw., Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny, Katedra Podstaw Techniki 1098 Logistyka 6/2014

2 Rys. 1. Czynniki oddziałujące na ruch statku W każdym elemencie zaprezentowanego układu, a także w każdej relacji między jego elementami, mogą pojawić się grupy czynników wpływających na jego ruch, takie jak w przypadku: statku: rodzaj i struktura systemu napędowego; kształt kadłuba; wyporność statku; gładkość poszycia kadłuba; konstrukcja pędnika i steru; kształt aerodynamiczny nadbudówek itp., wody: pływy i prądy morskie, temperatura i gęstość wody itp., powietrza: wiatr, temperatura itp., relacji statek żaglowy-woda: fale okrętowe wywołane ruchem statku, relacji statek żaglowy-powietrze: przechył i przegłębienie statku wywołane wiatrem oddziałują-cym na ożaglowanie, relacji woda-powietrze: falowanie wiatrowe. Wyróżnione elementy oraz relacje przedstawionego układu mają charakter ogólny. W celu wyznaczenia czynników wpływających na ruch statku pogrupowano je na następujące zbiory: relacje niepodlegające obserwacji i sterowaniu, relacje podlegające obserwacji i nie poddające się sterowaniu, relacje podlegające obserwacji i poddające się sterowaniu, relacje informacyjne. Relacje niepodlegające obserwacji i sterowaniu stanowią tzw. parametry ustalone lub narzucone, które wynikają z zapewnienia hierarchicznie ważniejszych właściwości, np. mocy, prędkości itp. Są one zadane i ich wartość jest niezmienna w procesie modelowania. W danym przypadku do tej grupy można zaliczyć: czynniki związane z budową statku, których wartości zostały określone podczas procesu projektowania, czynniki eksploatacyjne niepodlegające obserwacji, których pojawienie się wpływa na ruch statku. Do pierwszej grupy czynników należy zaliczyć wymiary i kształt hydrodynamiczny kadłuba; wyporność statku; liczba i kształt hydrodynamiczny płatów śruby napędowej; wymiary i kształt hydrodynamiczny steru; wymiary i kształt aerodynamiczny statku jego nadbudówek wraz z otaklowaniem masztów itp. Do drugiej grupy czynników należy zaliczyć zanurzenie statku (zależne od stanu załadowania statku i zasolenia wody morskiej), zmianę kształtu podwodnej części kadłuba (odkształcenia poszycia związane z uderzeniami o inne przedmioty), sposób umiejscowienia dodatkowych rzeczy na pokładzie (wpływają na zawirowania powietrza nad pokładem) itp. Oczywistym jest, że wymienione grupy czynników nie będą brane pod uwagę podczas modelowania, ponieważ ich obserwacja może być bardzo utrudniona, a czasami wręcz niemożliwa. Relacje podlegające obserwacji i niepoddające się sterowaniu stanowią grupę czynników, które ulegają zmianie podczas ruchu statku, lecz nie istnieje możliwość oddziaływania na ich wartości. Do tej grupy należy zaliczyć: kierunek i prędkość prądów morskich; temperaturę i zasolenie wody; kierunek i prędkość wiatru; temperaturę powietrza; wysokość, długość i okres fali okrętowej; wysokość, długość i okres fali wiatrowej; stan porastania kadłuba. Relacje podlegające obserwacji i poddające się sterowaniu stanowią grupę czynników zapewniających pożądane parametry ruchu statku. Do nich należy zaliczyć wielkości związane z nastawami roboczymi śruby nastawnej, tj. wartości jej prędkości obrotowej oraz skoku. Relacje informacyjne stanowią grupę czynników pozwalających określić efektywność wspomagania podejmowania decyzji dotyczących doboru nastaw układu napędowego. Są to czynniki charakteryzujące zużycie paliwa oraz czas żeglugi do wyznaczonego celu. W modelu decyzyjnym doboru nastaw układu napędowego statku żaglowego ze śrubą nastawną obiektem badania jest ruch statku żaglowego. W ujęciu ogólnym model ten może być przedstawiony w postaci tzw. czarnej skrzynki, na którą oddziałują różnorodne czynniki (Rys. 2). W rozpatrywanym modelu zmienne decyzyjne XD modelu (relacje podlegające obserwacji i poddające się sterowaniu) stanowią czynniki zapewniające pożądane parametry ruchu statku tj. nastawy prędkości obrotowej oraz skoku śruby. Logistyka 6/

3 Opracowanie wspomaganego komputerowo systemu doboru nastaw układu napędowego statku wymaga zbudowania matematycznego modelu decyzyjnego. Rozpatrywany problem podejmowania decyzji można sformułować w następującym brzmieniu: jakie powinny być wartości zmiennych decyzyjnych X D (prędkość obrotowa oraz nastawa skoku), aby zapewnić pożądane wartości zmiennych wyjściowych Y (zużycie paliwa oraz prędkość statku) dla zadanych wartości zmiennych niesterowalnych X N modelu (warunki nautyczne, meteorologiczne oraz eksploatacyjne). Rozwiązanie przedstawionego problemu wymaga rozwiązania następujących zadań cząstkowych: zbudowania modeli funkcjonalnych wiążących wyróżnione zmienne decyzyjne XD oraz zmienne niesterowalnych XN z wyróżnionymi zmiennymi wyjściowymi Y, zbudowania modelu decyzyjnego umożliwiającego wyznaczenie takich wartości zmiennych decyzyjnych XD, aby spełniały one sformułowany problem decyzyjny. Natomiast grupę zmiennych niesterowalnych X N modelu tworzą różnorodne czynniki oddziałujące na ruch statku, których wartości ulegają zmianie na skutek zmian warunków metrologicznych, nautycznych i eksploatacyjnych (relacje podlegające obserwacji i niepoddające się sterowaniu). Mogą to być zarówno czynniki przeciwdziałające (np. składowa wiatru skierowana przeciwnie do kierunku ruchu) jak i sprzyjające (np. składowa prądu morskiego zgodna z kierunkiem ruchu statku) ruchowi statku. Pozostałe czynniki oddziałujące na ruch statku tj. parametry projektowe statku żaglowego oraz czynniki eksploatacyjne (relacje, które nie podlegają obserwacji i sterowaniu) stanowią zakłócenia Z modelu decyzyjnego. Jako zmienne wyjściowe Y modelu przyjęto czynniki charakteryzujące zużycie zasobów podczas ruchu statku (relacje informacyjne), czyli zużycie paliwa oraz prędkość statku. Biorąc pod uwagę przedstawiony podział czynników oddziałujących na ruch statku, postać ogólna modelu decyzyjnego doboru nastaw układu napędowego statku żaglowego ze śrubą nastawną przyjmie postać: (1) 1100 Rys. 2. Model decyzyjny w postaci czarnej skrzynki gdzie: Y j zmienne wyjściowe, X Dn zmienne decyzyjne, X Nm zmienne niesterowalne, Z o zakłócenia. Logistyka 6/2014 Zmienne modelu decyzyjnego doboru nastaw układu napędowego statku ze śrubą nastawną Analiza literatury przedmiotu, przyjęte założenia oraz doświadczenie zebrane podczas pływania, pozwoliły wyselekcjonować zmienne wyjściowe Y i oraz zmienne decyzyjne X D i niesterowalne X N modelu decyzyjnego (Tabela 1). Tabela 1. Zmienne modelu decyzyjnego Nazwa zmiennej Zmienna Jednostka godzinowe zużycie paliwa Y 1 [dm 3 /godz] chwilowa prędkość statku względem dna Y2 [w] prędkość obrotowa silnika napędowego X D1 [obr/min] nastawa skoku śruby nastawnej XD2 [działka] kierunek wiatru w stosunku do osi wzdłużnej statku XN3 [ o ] prędkość wiatru X N4 [w] stan morza XN5 [ o ] kierunek prądu morskiego w stosunku do osi statku X N6 [ o ] prędkość prądu morskiego XN7 [w] czas od ostatniego dokowania X N8 [miesiące] Jako zmienne wyjściowe Y i przyjęto czynniki charakteryzujące zużycie zasobów podczas ruchu statku, czyli zużycie paliwa oraz prędkość statku. Natomiast czynniki zapewniające pożądane parametry ruchu statku, tj. nastawy prędkości obrotowej silnika i skoku śruby nastawnej) włączono do modelu, jako zmienne decyzyjne X D. Jako zmienne niesterowalnych X N przyjęto czynniki oddziałujące na ruch statku, których wartości ulegają zmianie na skutek zmian warun-

4 ków metrologicznych, nautycznych i eksploatacyjnych. Ich wybór został przeprowadzony z uwzględnieniem następujących założeń: duży, możliwy do zarejestrowania, zakres ich zmienności, pomiar ich wartości powinien być przeprowadzony za pomocą przyrządów pomiarowych standardowo lub dodatkowo zainstalowanych na statku. Do budowy modeli funkcjonalnych procesu decyzyjnego doboru nastaw układu napędowego statku ze śrubą nastawną zastosowano sztuczne sieci neuronowe (SSN). Wykorzystano przy tym zmienne modelu decyzyjnego przedstawione w tabeli 1 oraz wartości tych zmiennych uzyskane podczas przeprowadzonego eksperymentu na statku żaglowym Pogoria. Statek ten wyposażony jest w silnik napędowy o mocy nominalnej 255 kw, który poprzez przekładnię redukcyjną napędza dwupłatową śrubę nastawną. Dobór nastaw prędkości obrotowej silnika oraz skoku śruby nastawnej przeprowadzany jest za pomocą dwóch dźwigni umiejscowionych na mostku nawigacyjnym. Zmiana położenia pierwszej dźwigni powoduje zmianę dawki paliwa podawanej na wtryskiwacze, a to zmienia prędkość obrotową silnika, zaś zmiana położenia drugiej dźwigni powoduje przesterowanie mechanizmu zmieniającego skok śruby nastawnej. Pomiary przeprowadzono podczas normalnej eksploatacji tego statku w różnych warunkach nautycznych, meteorologicznych i eksploatacyjnych dokonując łącznie 315 serii pomiarowych. Wykorzystując uzyskane dane oraz postępując zgodnie z sugestiami zwartymi w [2], utworzono dwie oddzielne sieci neuronowe dla dwóch zmiennych wyjściowych, tj. Y 1 godzinowe zużycie paliwa oraz Y 2 chwilowa prędkość statku względem dna morskiego. Sieci te, tworzące modele funkcjonalne procesu decyzyjnego doboru nastaw układu napędowego statku ze śrubą nastawną, zostały wykorzystane do budowy modelu optymalizacji dwukryterialnej układu napędowego statku. W danym przypadku, kryteriami optymalizacji są obie zaprezentowane zmienne wyjściowe. Wartość pierwszego z kryteriów (zużycie paliwa) powinna być jak najmniejsza, zaś wartość drugiego (prędkość statku) powinna być jak największa. Jako funkcję celu przyjęto kryterium zastępcze będące sumą ważoną kryteriów. Do wyznaczenia wartości optymalnych nastaw układu napędowego statku zastosowano metodę przeglądu zupełnego ze względu na niewielką liczbę (289 kombinacji) możliwych nastaw układu napędowego statku. Dla każdej kombinacji nastaw wyznaczano minimum funkcji celu wykorzystując modele funkcjonalne zbudowane z wykorzystaniem SSN. Obliczenia optymalizacyjne przeprowadzono za pomocą pakietu matematycznego Matlab wykorzystując standardowe funkcje matematyczne i operacje matematyczne na macierzach. Przeprowadzono szereg obliczeń optymalizacyjnych dla różnych warunków meteorologicznych i eksploatacyjnych. Szczegółowe wyniki modelowania przedstawiono w [1]. Wnioski Zbudowany system podejmowania decyzji doboru nastaw układu napędowego statku ze śrubą nastawną: wspomaga dobór nastaw układu napędowego zapewniający założony czas dopłynięcia do wyznaczonego punktu przy minimalnym zużyciu paliwa, umożliwia dobór tych nastaw w dialogu decydenta z komputerem, przy czym: decydent podejmuje odpowiednie decyzje dotyczące doboru nastaw, zaś komputer przetwarza pozyskane dane i udostępnia propozycję doboru nastaw, zapewnia wielokrotność użytkowania, w tym możliwość doboru nowych nastaw w przypadku nagłej zmiany warunków meteorologicznych. Streszczenie Armatorzy statków są zainteresowani jak najmniejszymi kosztami ich eksploatacji. Są one głównie związane ze zużyciem zasobów takich jak: paliwo oraz czas żeglugi do wyznaczanego celu. Zatem zachodzi konieczność efektywnego gospodarowania tymi zasobami. Pojawia się wówczas problem racjonalnego doboru nastaw pracy układu napędowego złożonego z silnika spalinowego i śruby napędowej. Z uwagi na różnorodne warunki odbywania żeglugi, podjęcie takiej decyzji jest zadaniem wyjątkowo trudnym, szczególnie w sytuacji dużej niepewności dotyczącej warunków meteorologicznych. Z tego względu został zbudowany system podejmowania decyzji wspomagający dobór tych nastaw. Jego głównym elementem jest zaprezentowany model podejmowania decyzji. Abstract Ship-operators are interested in decreasing their operational costs. They are mainly connected with expenditure of resources such as: fuel and sailing time to reach a destination. Therefore there is a necessity to manage them in an effective way. Then it appears a problem of optimal selection of settings for engine ship propulsion compounded from both the marine engine and the controllable pitch propeller. In such a case, making decision regarding the mentioned prob- Logistyka 6/

5 lem is a very difficult task due to changeable marine conditions. Therefore we have developed a method for building the computer aided-system supporting selection of these settings. Its main part is the presented decision-making model. Literatura 1. Rudzki K.: Dwukryterialna optymalizacja nastaw silnikowego układu napędowego statku ze śrubą nastawną z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych. Rozprawa doktorska, Akademia Morska w Gdyni, Gdynia Tadeusiewicz R.: Notatki z wykładów, Sieci neuronowe, Kurs StatSoft Polska, Kraków Logistyka 6/2014