CC BY
345
УДК 55.45.29
ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ ВЫБОРА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ СУДНА А.В. Суханов, Н.С. Сенюшкин, А.В. Зырянов
В статье рассматриваются возможности разработки и применения экспертных систем применительно к судостроительной отрасли. Рассмотрены основные типы энергетических силовых установок судов
Ключевые слова: судно, энергетическая установка, экспертная система
Современное развитие транспортного флота характеризуется созданием
высокопроизводительных грузовых, буксирных и пассажирских судов; повышением их мощности и скорости хода; оборудованием
высокоэффективными и экономичными
механизмами, устройствами, системами, средствами автоматизации и механизации; стандартизацией и унификацией отдельных механизмов и судовых энергетических установок в целом. С ростом грузоподъёмности и скорости хода судов увеличивается их энергооснащённость и мощность главных двигателей.
Судовая энергетическая установка состоит из комплекса оборудования (тепловых двигателей, механизмов, аппаратов, магистралей, систем), предназначенного для преобразования энергии топлива в механическую, электрическую и тепловую энергию и транспортировки её к потребителям. Указанные виды энергии
обеспечивают: движение судна с заданной
скоростью; безопасность и надёжность плавания; работу механизмов машинного помещения, палубных механизмов и устройств; электрическое освещение; действие средств судовождения, управления механизмами, сигнализации и автоматики; общесудовые и бытовые нужды экипажа и пассажиров; выполнение различных производственных операций на транспортных судах, судах технического флота и специального назначения.
Судовая энергетическая установка должна удовлетворять следующим основным техникоэкономическим и эксплуатационным требованиям:
- быть экономичной, т. е. строительная стоимость и эксплуатационные затраты на неё должны быть оптимальными;
- главная силовая энергетическая установка должна обеспечивать заданную скорость хода судна,
Суханов Андрей Владимирович - УГАТУ, магистрант, тел. (347) 2733677, e-mail: [email protected] Сенюшкин Николай Сергеевич - УГАТУ, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, тел. (347) 2733677, e-mail: [email protected]
Зырянов Алексей Викторович - УГАТУ, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, тел. (347) 2733677, e-mail:
обладать достаточными маневренными качествами на всех режимах его движения и иметь высокий моторесурс;
- снабжать потребителей различными видами энергии и холодом при высокой экономичности процессов превращения тепловой энергии в механическую и электрическую;
- процессы управления и регулирования должны быть автоматизированы;
- быть надёжной, т. е. иметь оптимальную
вероятность безотказной работы, требовать
минимальное время на устранение неисправностей и сохранять работоспособность в аварийных ситуациях;
- при работе не оказывать вредного
воздействия на обслуживающий персонал,
пассажиров и не загрязнять окружающую среду;
- иметь малые габариты и массу.
В качестве главных и вспомогательных двигателей в ДЭУ применяются поршневые ДВС -дизели, работающие по отрытому циклу.
Дизельные энергетические установки получили широкое распространение на судах различного назначения вследствие ряда положительных особенностей:
- возможности создания большого диапазона агрегатных мощностей на базе стандартных типоразмеров цилиндров;
- доступности использования различных типов передач;
- сравнительно высокой экономичности;
- относительной простоты автоматизации управления.
Экспертные системы (ЭС)- это яркое и быстро прогрессирующее направление в области искусственного интеллекта (ИИ). Причиной повышенного интереса, который ЭС вызывают к себе на протяжении всего своего существования является возможность их применения к решению задач из самых различных областей человеческой деятельности. Пожалуй, не найдется такой проблемной области, в которой не было бы создано ни одной ЭС или по крайней мере, такие попытки не предпринимались бы.
Экспертные системы - это набор программ или программное обеспечение, которое выполняет функции эксперта при решении какой-либо задачи в области его компетенции. ЭС, как и эксперт-
человек, в процессе своей работы оперирует со знаниями. Знания о предметной области, необходимые для работы ЭС, определенным образом формализованы и представлены в памяти ЭВМ в виде базы знаний, которая может изменяться и дополняться в процессе развития системы.
Экспертные системы (ЭС) возникли как значительный практический результат в применении и развитии методов искусственного интеллекта (ИИ) - совокупности научных
дисциплин, изучающих методы решения задач интеллектуального (творческого) характера с использованием ЭВМ.
Область ИИ имеет более чем сорокалетнюю историю развития. С самого начала в ней рассматривался ряд весьма сложных задач, которые, наряду с другими, и до сих пор являются предметом исследований: автоматические доказательства
теорем, машинный перевод (автоматический перевод с одного естественного языка на другой), распознавание изображений и анализ сцен, планирование действий роботов, алгоритмы и стратегии игр.
ЭС - это набор программ, выполняющий функции эксперта при решении задач из некоторой предметной области. ЭС выдают советы, проводят анализ, дают консультации, ставят диагноз. Практическое применение ЭС на предприятиях способствует эффективности работы и повышению квалификации специалистов.
Экспертная система состоит из базы знаний (части системы, в которой содержатся факты), подсистемы вывода (множества правил, по которым осуществляется решение задачи), подсистемы объяснения, подсистемы приобретения знаний и диалогового процессора.
При создании ЭС возникает ряд затруднений. Это прежде всего связано с тем, что заказчик не всегда может точно сформулировать свои требования к разрабатываемой системе. Также возможно возникновение трудностей чисто психологического порядка: при создании базы
знаний системы эксперт может препятствовать передаче своих знаний, опасаясь, что впоследствии его заменят “машиной”. Но эти страхи не обоснованы, т. к. ЭС не способны обучаться, они не обладают здравым смыслом, интуицией.
Применительно к отрасли судостроения инструментарий и методы решения экспертных систем могут быть полезны для решения задачи выбора энергетической установки судна.
Выбор типа установки зависит от назначении судна, района плавания, экономичности установки, простоты обслуживания, степени безопасности в пожарном отношении и реальности получения механизмов от промышленности [1].
Всю совокупность систем и механизмов судовых энергетических установок (СЭУ) принято условно делить на:
- главную установку, предназначенную для осуществления движения судов;
- вспомогательную - для обеспечения потребности судов в энергии на стоянке, для ввода в действие главной установки;
- электроэнергетическую - для обеспечения судна электроэнергией;
- системы и механизмы общесудового назначения.
Работа типовых СЭУ основана на преобразовании тепловой энергии в механическую работу или электрическую энергию.
Главная СЭУ состоит из главного двигателя, главной передачи, валопровода и движителя. Все эти элементы в совокупности представляют собой машинно-движительный комплекс (МДК). Бесперебойная работа главной СЭУ обеспечивается системами подачи топлива, масла для смазки механизмов, системой охлаждения, газовоздушной, системой подачи сжатого воздуха.
Вспомогательная СЭУ состоит из судовой электростанции (СЭС) и вспомогательной котельной установки (ВКУ) для создания пара низкого давления. В качестве СЭС могут применяться ДВС, паровые или газовые турбины.
Элементы СЭУ, входящие в состав ГЭУ, называются главными. В зависимости от типа ГЭУ в ее состав могут входить: прежде всего главные двигатели (дизели, ГТД. главные паровые котлы или парогенераторы и паровые турбозубчатые агрегаты); главные электрогенераторы и главные передачи (механические, электрические и др.); валопроводы, передающие энергию к судовым движителям; вспомогательные механизмы,
теплообменные аппараты и другое оборудование систем, обслуживающих ГД и передачи (например, главные конденсаторы — ГК, главные питательные насосы — ГПН и т. д.); системы дистанционного автоматического управления (ДАУ), аварийнопредупредительной сигнализации и защиты ГД и электрогенераторов; машины и системы автоматизированного централизованного
контроля параметров.
Таким образом, в состав ПУ входят (вместе с обслуживающими их системами и оборудованием) ГД, передачи, валопроводы и гребные винты.
Вспомогательные ЭУ представляют собой комплексы, предназначенные для удовлетворения энергетических потребностей (в энергии любого вида, за исключением электрической) и обеспечения заданного функционирования ГЭУ к общесудовых потребителей, связанных и не связанных с движением судна (рулевые, якорно-швартовные, грузовые и другие устройства, машины и механизмы; освещение, отопление, вентиляция и установки кондиционирования воздуха в судовых помещениях, холодильные установки, обеспечивающие сохранность перевозимого груза и провизии; противопожарная и другие общесудовые системы и т. д.).
В зависимости от типа судна в состав его ЭУ могут быть включены несколько вспомогательных установок: вспомогательная котельная
(парогенераторная), водоопреснительная, установка
повторного ожижения углеводородных газов (на газовозах) или приготовления и подачи их к ГД, холодильная установка для систем комфортного и технологического кондиционирования и т. д. Кратко рассмотрим лишь основные из них.
Важнейшими потребителями механической энергии кроме судовых движителей являются насосы, компрессоры, вентиляторы, палубные механизмы и др. Непосредственный привод таких потребителей от первичных двигателей — дизелей, паровых или газовых турбин — целесообразен только при больших мощностях двигателей или в случае специфических условий эксплуатации судна (например, на танкерах — паровой турбопривод грузовых насосов, на крупных промысловых базах и специальных судах — турбопривод холодильных центробежных компрессоров и т. д.).
В других случаях более удобен, а часто и более экономичен привод от электродвигателей. Кроме того, на судах много и иных потребителей электроэнергии. Поэтому в составе СЭУ всегда есть электроэнергетическая установка — судовая электростанция, в которую входят: вспомогательные двигатели, электрические генераторы (основные, резервные, аварийные), главный и местные распределительные шиты, специальные устройства (трансформаторы, выпрямители, преобразователи и др.) и кабели для подвода питания к потребителям, системы ДАУ, аварийно-предупредительной сигнализации и зашиты.
В настоящее время примерно 90% мирового гражданского флота оборудовано именно дизельными СЭУ, (в России - около 95%). Первое судно с дизельной СЭУ было построено в России -всего через несколько лет после изобретения этого типа двигателя. Время показало, что такие установки, благодаря относительно малым габаритам и большой мощности, наиболее полно отвечают всем насущным потребностям флота.
Особо нужно сказать о дизель-электрических энергоустановках (ДЭУ). Хотя они менее экономичны, чем обычные дизельные, но при необходимости частой смены режима вращения винтов являются идеальным вариантом. Достоинством этих СЭУ является одинаковый крутящий момент для прямого и обратного хода, причем на малых оборотах он больше, чем у дизельных СЭУ с механическим приводом.
Дизель-редукторные установки устанавливают на малотоннажных судах и быстроходных катерах.
Дизельные установки с гидропередачей используются на судах ледового плавания, речных судах, буксирах, малых паромах, для подруливающих устройств и привода активных рулей на крупнотоннажных морских судах, на специальных судах, где требуется обеспечить возможность работы СЭУ в широким диапазоне нагрузок и высокие тяговые характеристики на пониженных частотах вращения гребного винта.
Дизель-электрические установки [3] целесообразно применять на судах, где требуется быстрое изменение режима работы. К ним относятся
линейные ледоколы, суда активного ледового плавания, большие рыболовные траулеры, паромы и др. Особенно мощные ДЭУ устанавливают на ледоколах.
Электроэнергией судно с ДУ обеспечивается автономными ДГ, утилизационными
турбогенераторами (УТГ) и валогенераторами. Последние могут приводиться от промежуточного вала с помощью текстропной передачи, от ведомой шестерни редуктора (только на ходу судна) или от его ведущей шестерни (как на ходу, так и на стоянке).
Одна из современных тенденций -совершенствование более экономичных и экологичных по сравнению с дизелями двигателей Стирлинга. Принцип их работы основан на внешнем подводе теплоты (любой, начиная от тепла продуктов сгорания топлива и заканчивая солнечной энергией). В качестве рабочего тела двигателей могут быть использованы жидкости или газы. Основным недостатком такой ЭУ является необходимость сверхвысоких давлений для обеспечения параметров, сравнимых с характеристиками ДВС, и большая площадь теплообменных элементов, через которые подводится тепло. Преимущество такой ЭУ -бесшумность, очень низкий уровень вибраций, огромный ресурс за счет простоты конструкции и возможность работы при минимальных градиентах температуры.
В настоящее время такими двигателями оснащен подводный флот Швеции. Российский подводный флот также проводит исследования в этом направлении.
Газовая турбина (ГТ) представляет собой совокупность компрессора, камеры сгорания и собственно турбины. ГТ вобрала в себя преимущества дизельного двигателя и паровой турбины. Как дизельный двигатель ГТ не нуждается в котлах для выработки пара, как паровая турбина -не имеет элементов, совершающих возвратнопоступательное движение. При малом весе, ГТ способна вырабатывать мощность большую, нежели дизельные ЭУ, быстро подготавливается к работе и обладает высокой приемистостью.
Основной недостаток газовых турбин -неэкономичность - может быть преодолен за счет повышения температуры выходящих газов и использования бросового тепла для выработки электроэнергии. Например, при помощи
эффективного термоэлектрического
преобразователя на основе полупроводников. Принцип его действия основан на эффекте генерации электродвижущей силы при равномерном нагреве полупроводника из сульфида самария (БшБ) при отсутствии внешних температурных градиентов. Рабочий образец показывает КПД более 40%, что позволяет говорить о возможности запуска коммерческого проекта.
Паровая турбина - двигатель, в котором тепло подведенного пара превращается в кинетическую энергию, а уже эта энергия используется для
совершения механической работы. В настоящее время паротурбинные (ПТ) установки в качестве основных СЭУ применяются лишь на крупных военных кораблях и на быстроходных и крупных контейнеровозах с мощностью главного двигателя более 40000 л. с. В качестве части комплексных ЭУ применяются на атомоходах.
В состав атомной судовой энергетической установки (АСЭУ) входят ядерный реактор, парогенератор и паровая турбина. В реакторе происходит управляемая реакция деления ядра, цель которой - получение огромного количества тепла. Тепло отводится с помощью охладительного контура к парогенератору, откуда пар подается на турбину, где полученная кинетическая энергия преобразуется в механическую работу. К несомненным достоинствам АСЭУ относится высокая мощность, возможность долгой автономной работы. К недостаткам - дороговизна постройки и эксплуатации [2].
Рассмотрим некоторые виды судов и их энергетических установок.
Плавание во льдах предъявляет особые требования к энергетической установке ледокола. От правильного выбора элементов установки в значительной степени зависит экономичная и безаварийная работа ледокола.
Одно из основных требований, предъявляемых к энергетическим установкам ледокола — необходимость автоматического поддержания постоянства мощности гребной установки во всем диапазоне изменения режимов работы двигателя — от швартовного до хода на свободной воде. Такое требование вытекает из условий работы гребной
установки во льдах, когда сопротивление движению ледокола а даже за сравнительно небольшой отрезок времени меняется в широком диапазоне, что, в свою очередь, приводит к изменению скорости движения ледокола и к изменению момента сопротивления вращению гребного винта.
Атомная (ядерная) энергетическая судовая установка (ЯЭУ) требует мощной биологической защиты, что увеличивает ее вес и усложняет установку; она нуждается в обслуживающем персонале высокой квалификации, требует постройки специальных баз для перезарядки, обслуживания и ремонта. Однако
совершенствование атомных установок приводит к постепенному устранению указанных недостатков.
Энергетические установки, в которых мощность от главных двигателей передается к гребным винтам с помощью электропередачи, принято называть гребными электрическими установками (ГЭУ).
Электрическая передача позволяет обеспечить выполнение одного из основных требований, предъявляемых к энергетической установке ледокола,— сохранения постоянства мощности главного двигателя при изменениях момента на гребном винте. На буксирах применяются дизели различного типа. качеств главных двигателей буксирного флота используются дизели простого действия, рядные или У-образные с газотурбинным наддувом.
Двигатели с числом цилиндров 4—8. как правило, выполняют однорядными, а при 12 и более цилиндрах — У-образными. Наибольшее распространение получили однорядные двигатели с
Обобщенная таблица типов судов и их силовых установок
Судно Т ип судна Страна Год Главные размерения, м Тип энергоустановк и Мощнос ть двигател я, кВт
длина ширина высота
«Г енри Ларсен» Ледокол Канада 1987 99,8 19,7 7,2 ДЭУ 12000/3
«Edda Fides» МЦС Испания 2010 130 27 7 ДЭУ 18060
«Seaspan Resolution» Буксир Канада 2009 30 20 5 Дизель 2х4413
«Queen Mary 2» Пассажирс кое судно Франция 2003 345 41 10 2хГТ 4хДизель 115500
«Austal» Тримаран США 2005 102 26,8 7,6 Дизель + водомет 9105
«FNS Forbin» фрегат Франция 2004 152,8 20,3 5,4 ГТ Дизель 23 010/2 4 321/2
«TCG Heybeliada» корвет Турция 2008 99,0 14,4 3,7 ГТ + Дизель 30 010
«Sej ongdaewang-Ham» эсминец Корея 2010 165,9 21,4 - ГТ 77 230/4
«USS Cape St. George» крейсер США 1992 173 16,8 10,2 ГТ 58 840/4
CVN-77 «Джордж Буш» авианосец США 2006 333 77 11,7 ПТ + 2хЯЭУ 205 900/ 4
«Emma Maersk» Контейнеро воз Англия 2006 396,8 56 30 Дизель 80 910
числом цилиндров 6 и 8. Они обладают хорошей уравновешенностью и достаточно высоким механическим к. п. д. У-образная компоновка позволяет снизить весогабаритные характеристики дизелей, особенно большой мощности.
Энергетические установки лихтеров и барж предназначаются для питания паром или электроэнергией механизмов грузовых устройств и систем, палубных механизмов, а также для других целей (общесудового и специального назначения). Энерговооруженность лихтеров и тем более барж очень низкая. Обычно применяют паровые, дизельные и дизель-электрические установки.
Дизельные установки применяют весьма редко в связи с тем, что дизельный привод не может обеспечить всех нужд судна.
Также существуют и другие типы судов, поэтому перед инженером-проектировщиком при выборе типа энергетической установки для конкретного типа судна стоит непростая задача верного определения типа силовой установки судна, решение которой обеспечит наибольшую экономическую эффективность от использования данной силовой установки. Для облегчения решения данной задачи предлагается использовать инструменты экспертных систем.
Для реализации подхода к решению задачи выбора типа энергетической установки судна с помощью экспертной системы разрабатывается база данных по различным типам судов военного и гражданского назначения, что позволит расширить область применения разрабатываемой экспертной системы. База данных содержит данные о габаритах судов, типе используемой энергетической установки, количеству гребных валов, а так же компоновке энергетической установки в корпусе судна. Экспертная система, анализируя исходные данные по типу и габаритным размерам судна, исходя из заложенных в ее базе данных прототипов судов данного типа выдает рекомендуемый тип энергетической установки, количество гребных валов и компоновку установки в корпусе судна.
В приведенной выше обобщенной таблице типов судов и их силовых установок приведена лишь небольшая часть судов основных типов (по одному судну каждого типа), являющихся характерными представителями своего класса. Следует отметить, что в приведенной таблице находятся суда как гражданского (ледокол, контейнеровоз, буксир, тримаран, пассажирское судно), так и военного (авианосец, крейсер, корвет, фрегат, эсминец) назначения. Т акой широкий спектр типов судов позволяет существенно расширить применимость экспертной системы для различных классов судов и различного применения. Авторами не приводится более полный, расширенный вариант данной таблицы по рассматриваемым типам судов с другими главными размерениями вследствие ее большого объема.
Таким образом, главным достоинством экспертных систем является возможность накопления знаний и сохранение их длительное время. В отличии от человека к любой информации экспертные системы подходят объективно, что улучшает качество проводимой экспертизы. При решении задач, требующих обработки большого объема знаний, возможность возникновения ошибки при переборе вариантов очень мала.
Работы ведутся при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. Зубов Н. Н. Давыдов В. Г. Конструктивные типы и схемы корабельных энергетических установок: СПб: Изд. центр СПбМТУ, 1997.
2. Морская Индустрия России - международный форум по судостроению, судоремонту, портам, судовому оборудованию, судоходству [Электронный ресурс]. [2011] URL: http:// http://www.mir-forum.ru/ (дата обращения 20.02.2011)
3. Судовые энергетические установки / Г. Л. Артемов, В. П. Волошин, Ю. В. Захарок, Л. Я. Шквар. Л.: Судостроение, 1987, 480 с.
У фимский государственный авиационный технический университет
USAGE OF EXPERT SYSTEM WHILE CHOOSING VESSEL PROPULSION MACHINERY A.V. Sukhanov, N.S. Senyushkin, A.V. Zyryanov
The given article observes possibility of elaboration and usage expert system within the sphere of shipbuilding. Basic types of vessel propulsion machinery are carried over
Key words: vessel, propulsion machinery, expert system
