CC BY
8УДК 004.09:639.2.081.117.21
А.А. Недоступ, А.О. Ражев
Калининградский государственный технический университет, Калининград, 236022 e-mail: [email protected]
МУЛЬТИФИЗИЧЕСКОЕ ПОДОБИЕ ТРАЛОВОГО КОМПЛЕКСА
Синтез соотношений физического и математического моделирования позволит проводить исследования с траловой системой в ее целостности, объединить данные, полученные с различных дисциплин (гидромеханики, электродинамики, термодинамики, акустики, оптики и др.), привести к возникновению новых постулатов и законов, обосновать возможность применения технологий искусственного интеллекта для задач предсказательного моделирования поведения траловой системы в процессе лова на самообучающейся нейронной сети. На основании теории подобия авторами получены масштабы механических, гидродинамических, грун-тодинамических, трибологических, электродинамических, термодинамических, акустических, световых, оптических величин. Синтезированы физическое, математическое и компьютерное моделирование процессов, протекающих в траловой системе. В статье приводятся силовые масштабы мультифизического подобия физических величин - математической базы для выполнения динамического подобия сложной технической системы - разноглубинного трала и рыболовного судна (судно-трал).
Ключевые слова: подобие, траловый комплекс, искусственный интеллект, предсказательное моделирование.
A.A. Nedostup, A.O. Razhev
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, 236022 e-mail: [email protected]
MULTIPHYSICAL TRAWL COMPLEX SIMILARITY
Synthesis of the relationships of physical and mathematical modeling will allow to study the trawl system in its entirety, to combine the data obtained from different disciplines (mechanics, electrodynamics, thermodynamics, acoustics, optics, etc.), to lead to new postulates and laws that will allow to justify the possibility of using artificial intelligence for predictive modeling task behavior trawl system in the process of fishing on a self-learning neural network. Based on the similarity theory, the scales of mechanical, hydrodynamic, ground-dynamic, tribological, electrodynamic, thermodynamic, acoustic, light, and optical quantities were obtained. The physical, mathematical and computer modeling of the processes occurring in the trawl system were synthesized. The force scales of the multiphysical similarity of physical quantities - the mathematical basis for performing the dynamic similarity of a complex technical system - a multi-depth trawl and a fishing vessel (a trawl vessel) are presented in the article.
Key words: similarity, trawl complex, artificial intelligence, predictive modeling.
В общетеоретическом смысле физическое моделирование означает воспроизводство на физической модели процессов, присущих натуре, т. е. если в натурных траловых системах имеет место быть гидродинамический процесс, то и на модели должен быть воссоздан гидродинамический процесс при условии равенства критериев подобия [1, 2]. Физическое моделирование получило широкое распространение при исследовании сложных инженерных сооружений, для которых описать мультифизические процессы невозможно по причине сложного их определения, а также влияния процессов друг на друга, к примеру, акустического и гидродинамического и т. д. Особо важная роль принадлежит физическому моделированию орудий рыболовства, в частности тралам [3-8].
В настоящее время с помощью дифференциальных уравнений описаны гидродинамические процессы, протекающие в ставных орудиях внутреннего и прибрежного рыболовства. Но что
Природные ресурсы, их современное состояние, охрана., промысловое и техническое использование
касается активных орудий океанического рыболовства, то чисто аналитическое исследование является, как правило, только принципиальной возможностью, фактически не реализуемой из-за большой сложности возникающих задач и высоких требований к точности и детальности решения. Вычислительный эксперимент возможен только для определения общих закономерностей [9, 10]. Синтез соотношений физического и математического моделирования позволит проводить исследования с траловой системой в ее целостности, объединять данные, полученные с различных дисциплин (гидромеханики, электродинамики, термодинамики, акустики, оптики и др.), привести к возникновению новых постулатов и законов, синтезируя научные знания, необходимые для самообучающейся нейронной сети управления процессом тралового лова. Это и есть междисциплинарность изучаемого процесса, которая позволит обосновать возможность применения технологий искусственного интеллекта для задач предсказательного моделирования поведения траловой системы в процессе лова на самообучающейся нейронной сети.
Большинство существующих методов моделирования мультифизических процессов опирается на большие наборы данных, промаркированных вручную. Разработка методов, способных предсказывать перемещение без меток, имеет приложения в задачах распознавания действий и прогнозирования, а также при изучении предсказательной модели, которая затем может быть использована для планирования и принятия решений. Однако обучение предсказанию физических явлений ставит перед нами множество задач, так как реальные физические явления в реальном мире не всегда могут быть описаны математически. Взаимодействия, как правило, являются сложными и стохастическими, и обучение требует предварительной обработки входных, выходных и промежуточных данных в реальном времени.
На основании теории подобия физических величин [3, 6, 11, 12] получены масштабы сил: механических величин; гидродинамических величин; грунтодинамических величин; трибологи-ческих величин; электродинамических величин; термодинамических величин; акустических величин; световых величин; оптических величин, или
- механический процесс
С*, (1)
- гидродинамический процесс
- грунтодинамический процесс
- трибологический процесс
- электродинамический процесс
где С - масштаб силы тока;
- термодинамический процесс
С*, (2)
С*, (3)
С*, (4)
Ск = С,, (5)
СК=СК, (6)
где Ск - масштаб разности конечной и начальной температур;
- акустический процесс
Ск = С<2%, (7)
где Сдх -масштаб спектральной плотности звуковой энергии;
- световой процесс
С = С^, (8)
где Сдц - масштаб спектральной плотности световой- и радиоэнергии излучения;
- оптический процесс
С* = Сее, (9)
где Сде - масштаб спектральной плотности энергии излучения.
Таким образом, выраженные масштабы сил Се для всех процессов в рамках ТС обеспечивают мультифизическое подобие тралового комплекса, а также междисциплинарность и когнитив-ность, так как
СК С1
(10)
где С1 - масштаб геометрических размеров траловой системы.
Выбор масштаба геометрических размеров С1 траловой системы обеспечивает подборку силового масштаб Ск. При этом масштаб Сг подбирается из расчета рабочего участка гидроканала или гидролотка, а если моделируется траловая конструкция на полигоне, то тогда из расчета тяги на гаке судна рассчитывается силовой масштаб Ск и определяется из выражения (10) геометрический масштаб
С = с
(11)
На рис. 1 изображена траловая система. Опишем физические величины процессов: механических величин (натяжение в ваерах, кабелей, голых концах, подборах, канатных связей, веревках, нитках и др. элементах; крутящий момент на валу промысловых механизмах;); гидродинамических величин (сопротивление траловой системы и ее элементов); грунтодинамических величин (грунтодинамическое сопротивление грунтропа и др.); трибологических величин (трение о слип рыболовного судна тралового мешка, фрикционное взаимодействие элементов траловой системы с поверхности промыслового механизма и др.); электродинамических величин (параметры промысловых механизмов, сила тока, напряжение и др.); термодинамических величин; акустических величин (звуковая волна от датчиков и ее характеристики; характеристики гидролокатора и эхолота); световых величин (световые характеристики под водой); оптических величин (видимость траловой системы под водой).
Рис. 1. Разноглубинная траловая система
Мультифизическое подобие возможно при обеспечении подобия: механических величин; гидродинамических величин; грунтодинамических величин; трибологических величин; электродинамических величин; термодинамических величин; акустических величин; световых величин; оптических величин. Только в этом случае можно прийти к определению ряда зависимостей физических величин, установить систему отношений, выражающих основные количественные закономерности параметров траловых систем (донной и разноглубинных).
Для решения поставленной задачи синтезированы физическое, математическое и компьютерное моделирование процессов, протекающих в траловой системе. Для разработки правил мультифизического подобия траловых систем с применением предсказательного моделирования на нейронной сети разработана компьютерная программа «Масштабы мультифизического подобия процессов рыболовства» (рис. 2).
Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование
Рис. 2. Компьютерная программа «Масштабы мультифизического подобия процессов рыболовства»
Компьютерная программа «Масштабы мультифизического подобия процессов рыболовства» предназначена для анализа зависимостей между масштабами подобия в мультифизической области (механическими, гидродинамическими, грунтодинамическими, трибологическими, электродинамическими, термодинамическими, световыми, акустическими, оптическими) применительно к процессам рыболовства, в том числе визуального в трехмерном представлении. Зависимости мультифизических величин отображаются в цилиндрической системе координат, вертикальная ось (ось высоты) которой соответствует масштабу Cl, расстояние на ортогональной проекции от центра координат до точки на поверхности графика соответствует масштабу подобия мультифизической величины, а углу на ортогональной проекции ставится в соответствии номер мультифизической величины.
Смоделировать работу тралового комплекса, а именно трала в сложной ситуации (штормовые условия, боковые течения, аварийная ситуация), или установить график работы систем управления, предвидеть поведение гидробионтов в зоне действия трала - для решения этих и многих других задач можно использовать предсказательное моделирование. В данной статье приводятся силовые масштабы мультифизического подобия физических величин -математической базы для выполнения динамического подобия сложной технической системы -разноглубинного трала и рыболовного судна (судно-трал).
Литература
1. Новик И.Б. Моделирование сложных систем. - М.: Мысль, 1965. - 315 с.
2. Хорафас Д.Н. Системы и моделирование. - М.: Мир, 1967. - 414 с.
3. Недоступ А.А. Физическое моделирование гидродинамических процессов движения орудий рыболовства // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. - № 3(19). - Томск, 2012. - С. 55-67.
4. Недоступ А.А. Физическое моделирование орудий и процессов рыболовства: Монография. Калининград: Издательство ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2012. - 375 с.
5. Недоступ А.А., Ражев А.О. К теории электродинамического подобия промысловых механизмов // Известия КГТУ. - 2020. - № 56. - С. 61-70.
6. Недоступ А.А., Ражев А.О. К теории термодинамического подобия установок замкнутого водоснабжения для выращивания гидробионтов // Известия КГТУ. - 2020. - № 57. - С. 40-53.
7. Обоснование правил подобия разрывной нагрузки рыболовных крученых изделий / А.А. Недоступ, П.В. Насенков, А.О. Ражев, К.В. Коновалова, С.В. Федоров // Вестник Астрахан-
ского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - Астрахань: АГТУ, 2020. - № 1.- С. 38-45.
8. Обоснование правил подобия изгибной жесткости рыболовных крученых изделий / А.А. Недоступ, К.В. Коновалова, П.В. Насенков, А.О. Ражев, С.В. Федоров // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - Астрахань: АГТУ, 2020. - № 1. - С. 77-85.
9. Недоступ А.А., Ражев А.О. Моделирование орудий и процессов рыболовства. Часть I: Учебное пособие. - Калининград: Изд-во ФГБОУ ВО «КГТУ», 2019. - 433 с.
10. Недоступ А.А., Ражев А.О. Моделирование орудий и процессов рыболовства. Часть II: Учебное пособие. - Калининград: Изд-во ФГБОУ ВО «КГТУ». 2019. - 444 с.
11. Недоступ А.А., Ражев А.О. К теории термодинамического подобия установок замкнутого водоснабжения для выращивания гидробионтов // Известия КАТУ. - № 57. - 2020. - С. 40-53.
12. Недоступ А.А., Ражев А.О., Хрусталев Е.И. Обоснование масштабов подобия световых величин установок замкнутого водоснабжения для выращивания гидробионтов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - Астрахань: АГТУ, 2020. - № 3. - С. 61-69.
