Судно как математическая модель — ученые из России разработали новый метод проектирования — Медиапалуба

Судно как математическая модель — ученые из России разработали новый метод проектирования

Мы живем в эпоху цифровизации. И несколько консервативная отрасль судостроения не может игнорировать развитие технологий: компании уходят от бумажных чертежей, повсеместно внедряется система электронного документооборота, в Петрозаводске реализуется целый проект цифровой верфи. Еще разрабатываются цифровые модели судов.

Так, ученые ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова, Томского политехнического университета с коллегами из российских вузов нашли новый способ проектирования судна в виде единой системы сведений, а не привычных нам разрозненных данных обо всех узлах судна. По мнению авторов, полученную информацию можно использовать в современных интеллектуальных цифровых платформах поддержки и принятия решений на морском транспорте, а также при разработке новых типов судов.

Иллюстрация: КБ «Адомат».

Редакция «Медиапалубы» заинтересовалась инновацией и поговорила с ее авторами — кандидатом технических наук, доцентом ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова Анной Гринек, кандидатом технических наук, представителем компании Tazmar Maritime Игорем Бойчуком и кандидатом технических наук, доцентом Томского политехнического университета Никитой Мартюшевым.

Публикацию научной статьи на английском можно прочитать здесь.

П: Коллеги, расскажите подробнее о разработке. Для чего она нужна и чем полезна?

Н. М.: Разработка представляет собой многосвязный комплекс структурно-параметрических моделей объектов и систем управления ими. Существует достаточно много решений, которые позволяют смоделировать отдельные элементы судна и судовые системы. Существуют модели для энергосистемы судов, электродвигателей, системы управления и т.д. Но объединение всех этих подсистем в единую структуру сопряжено с существенными трудностями. Все эти системы имеют совершенно различные входные и выходные параметры.

Примером таких параметров могут быть, нагрузка, параметры сети, износ и состояние элементов механических систем, и т.д. Все они имеют различный характер связи между собой, и объединить их одной общей моделью крайне сложно. Но сделать это необходимо, так как все эти системы работают в рамках одного судна и их работа взаимозависима.

Например, модельный анализ используется на стадии проектирования или постройки судна для исключения резонансных частот. Примером такой проблемы может служить ход солдат по мосту. Солдатам приказывают не идти в ногу, когда они проходят через мост, так как собственная частота моста может совпасть с колебаниями вызываемыми строевым шагом. Это вызовет резонанс, и мост разрушится.  Нельзя допускать таких режимов работы, которые будут приводить к выходу из строя систем корабля. То есть полученные резонансные частоты исключаются из работы главного двигателя, либо используются в проектировочных расчетах.

Например, модель главного распределительного щита может быть адаптирована для различных типов систем и согласована с производителем. В нее могут поступать динамические данные о работе электрооборудования, и, в свою очередь, сформирован «цифровой потрет» текущего состояния.

Безопасная и эффективная эксплуатация морского транспорта строится на основе систем мониторинга и прогнозирования состояния судна как системы. Такой «цифровой двойник судна» поможет создать техническую систему для обеспечения безэкипажного судоходства.

А. Г.: Подобные математически насыщенные научные работы совместно с «умными» системами оперативной обработки и хранения больших данных могут способствовать развитию беспилотных технологий. При работе над задачами проекта происходило междисциплинарное взаимодействие вузов из Государственного морского университета им. адм. Ф. Ф. Ушакова, специалистов-машиностроителей Томского политехнического университета и, непосредственно, разработчиков/производителей таких систем, которые занимаются морскими изысканиями из Tazmar Maritime, что наиболее эффективно способствует развитию отечественного беспилотного судостроения. Уже сейчас многие компании активно внедряют концепцию создания «цифровых двойников» физических объектов.

П: На каких знаниях базировались работы по разработке? Возможно, в вузе есть судостроительное направление или кружки? 

А. Г.: Экспериментальными исследованиями алгоритмов навигации, электрических процессов, вопросами конструкционной проработки активно курсанты и студенты вузов занимаются в рамках научных сообществ морского университета. Тематика научно-исследовательских работ аспирантов также посвящена вопросам разработки и моделирования подобных энергетических систем судна. Часть задач может быть решена в условиях университета, но нуждается в доработке в промышленных условиях, что могут обеспечить промышленные партнеры из Tazmar Maritime.

Изображение: Tazmar Maritime

П: Чем обусловлен выбор разработки в этой отрасли?

И. Б.: Безэкипажные морские автономные объекты, в зависимости от сложности и функционального назначения, должны быть снабжены программно-аппаратными высокотехнологичными системами удаленного мониторинга и прогнозирования состояния судна.

Исследования и разработки в области навигации уже значительно продвинулись и получили практическое применение, однако, вопрос в создании единой модели электрической и механической части проработан не так хорошо. Должны быть разработаны новые схемы защиты, резервирования и анализа состояния систем, например, автономного судна. Прогнозные модели состояния способствуют повышения надежности в целом.

П: Кто участвовал в разработке помимо Томского политеха? Какими конкретными задачами занимались коллеги?

А.Г.: Игорь Бойчук из компании Tazmar Maritime внес основной вклад в разработку математических моделей систем управления, я занималась вопросами математического обеспечения и программной реализации подсистем, Никита Мартюшев из Томского политехнического университета внес ценный вклад в оценку износоустойчивости элементов А, например, виртуальный тренажер электроэнергетической системы и модель валопровода были темами научных работ аспирантов и курсантов, что особенно ценно.

П: Есть ли какие-то статистические данные или расчеты, какой эффект дает применение методики в работе или насколько она эффективна по сравнению с традиционными способами проектирования?

А. Г.: В цифровом двойнике применены параметры реальных судовых систем. Например, в алгоритмических моделях  оборудования, моделях регуляторов в системах управления, физические константы в моделях нижнего уровня. Сложные с точки зрения физических процессов модели, которые связывают износ элементов главного двигателя с режимами работы, в таком решении, получены на результатах многолетней статистики. Эту информацию специалисты собирали при работе с судовыми малооборотными двигателями. Получить аналитически информацию о текущем износе поршневых колец, проблематично. Состояние элементов  главного двигателя может быть предсказано, и экономия от профилактики ремонта будет весьма значительна.

Многие судовые электроэнергетические системы снабжены системами регистрации данных о функционировании, например, генераторы, насосы, двигатели и т.д. Сбор данных и их обработка делает возможных предсказательную диагностику и внедрение их на суда.

Представление проекта в береговом учебно-тренажерном центре ГМУ.

Н. М.: Предложенный подход позволяет объединить методики инженерных расчетов на стадиях жизненного цикла судна: проектирования, постройки и эксплуатации. Нейросетевая модель износа поршневых колец построена с использованием данных с судовых дизелей. Следует отметить сложность сбора таких статистических данных  для  морского транспорта.

П: Опишите вид методики — это единое программное обеспечение или компиляция разных программ, которые собирают данные в едином месте? Что вообще из себя сейчас представляет ваша разработка?

Н. М.: Комплекс моделей выполнен во многих разноуровневых программах математического/численного моделирования: от моделей электромагнитного взаимодействия (ANSYS) до объектно-ориентированного моделирования в российским пакете SimInTech.

В дальнейшем видится перспективным вариант объединения существующих методик в единую платформу на единой шине, которая бы объединила подобные модели. Этот вопрос уже сегодня может быть решен с учетом импортозамещения зарубежного программного обеспечения, например, того же междисциплинарного ANSYS. С использованием этой методики могут быть проведены  цифровые виртуальные испытания при помощи цифровых испытательных стендов. Кроме того, это непосредственная база для создания тренажеров операторов автономного судна.

П: Опирались ли вы на какие-то аналоги из других промышленностей? На какие-то зарубежные разработки в области судостроения?

А. Г.: В последние годы активно идет создание цифровых двойников, например, в автомобилестроении, судостроении, в сфере создания цифровых портов. Так, компания ABB предлагает коммерческие продукты для цифрового порта: удаленные места операторов крана, логистические системы автоматизированной погрузки. Что касается судовых систем, например, система ENSaver  предназначена для оптимизации энергопотребления судна и  реализована на основе комплекса моделей и алгоритмов состояния судна.

П: Сейчас разработка касается только механических и электрических процессов, которые протекают на судах. Планируется ли ее расширение, задействовав другие узлы в проектировании судов?

А. Г.: Развитие подобного подхода цифрового двойника судовой системы затруднено из-за проблем с верификации и валидации разработанных моделей и  программного обеспечения. Эта проблема может и должна быть решена путем создания двухсторонних связей судна с его моделью. Для этого, конечно, необходимо, плотное сотрудничество с отечественным морским транспортом.

В дальнейшем планируется детализация предложенного подхода и разработка моделей других систем и узлов. Возможна парадигма модульного подхода, когда осуществляется компоновка элементов систем в зависимости от типа судна и его функций, для этого необходимо создание базы данных цифровых элементов всех проектов судов, которые сегодня строятся в России.

Представление проекта в береговом учебно-тренажерном центре ГМУ.

П: Есть ли заинтересованные компании в вашей разработке? Например, сейчас Санкт-Петербургский кораблестроительный университет и Онежский судостроительно-судоремонтный завод заняты развитием проекта цифровой верфи. Может ли ваша инновация быть полезна им?

И. Б.: Одно из направлений развития цифровой верфи – разработка цифровых двойников судна или его систем. Оптимизация вопросов проектирования и моделирования поведения судна невозможна без подобных моделей. Будучи встроенными в платформу цифровой верфи, разработанные модели и алгоритмы помогут оптимизировать жизненный цикл изделия. Кроме того, становится возможным моделирование сценариев развития событий на судне с использованием предложенного подхода.

П: Какие дальнейшие перспективы и планы у разработки?

А. Г.: В дальнейших планах команды ученых  — внедрение подобных моделей в разрабатываемые системы оn-line мониторинга и прогнозирования состояния энергетических и механических систем судна.

Теги
Компании
Похожие новости