CC BY
30
УДК 004
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА И ИМИТАЦИОННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АПТ ДЛЯ ЗАГРУЗКИ-ВЫГРУЗКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ НА ТАНКЕРНЫЕ СУДА БЕЗ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
В.С. Палто, С.М. Кабанов, Г.В. Фридлендер
Рассматривается реализация задачи моделирования позиционирования танкерного судна, автоматизированного подводного терминала и других морских объектов окружающей среды относительно друг друга. Предлагается решение задачи расчёта шланговой линии для погрузки-выгрузки углеводородного сырья. Описаны основные проблемы и способы их решения в рамках визуализации и совмещения с результатами имитационного моделирования при создании программно-вычислительного комплекса.
Ключевые слова: имитационное математическое моделирование, автоматизированный подводный терминал, Unity3D, шланговая линия.
В рамках разработки программного комплекса была проведена опытно-конструкторская работа по теме «Разработка программного обеспечения для реализации комплексной имитационной модели автоматизированного подводного терминала (АПТ) для загрузки-выгрузки углеводородного сырья посредством АПТ на танкерные суда без динамического позиционирования». В результате были сформулированы следующие цели:
разработка программного обеспечения для реализации комплексной имитационной модели элементов автоматизированного подводного терминала;
отработка на стенде технических решений по конструкции АПТ на основе комплексной имитационной математической модели.
Для достижения указанных целей были решены следующие задачи: создание имитационных математических моделей АПТ, средств погрузки-выгрузки, танкерного судна и окружающей среды;
создание имитационных моделей взаимодействия элементов системы, таких, как
средства погрузки-выгрузки; танкерное судно и окружающая среда. Расчёт моделей и их взаимодействие
Система представляет собой сложносвязанную структуру с взаимодействием отдельных её частей через шину обмена данными, соответствующую стандарту IEEE 1516. Моделирование выполняется в одном или нескольких модулях, подключенных к шине обмена данными. Эти модули, называемые федератами, могут обмениваться данными через шину. Тем
самым обеспечивается возможность взаимодействия имитационных моделей друг с другом. Именованный набор приложений федератов называется федерацией. Взаимодействие федерата с шиной осуществляется посредством TCP/IP протокола. Каждый отдельный федерат может выполняться на отдельном вычислительном устройстве, благодаря чему обеспечивается возможность распределённого имитационного моделирования.
Система визуализации является частью федерации - федератом визуализации данных. Данные, необходимые для правдоподобной визуализации, поступают от федератов имитационного моделирования вфедерат визуализации, представленный отдельным набором программ и плагинов (рис. 1).
Рис. 1. Схема взаимодействия федератов программного комплекса
Визуализация изменения состояния моделей. Взаимодействие и объединение в единый комплекс осуществляется посредством нескольких федератов системы имитационного моделирования.
В общем случае федераты визуализации можно разделить на следующие основные группы:
федераты управления ходом имитационного моделирования (рис. 2);
федераты математических расчётов, обеспечивающих максимально точное вычисление физико-динамических показателей и данных, используемых в дальнейшем другими федератами (рис. 3);
федерат визуализации данных имитационного моделирования в виртуальной трёхмерной среде.
Для управления процессом имитационного моделирования в системе присутствует федерат запуска и остановки процесса моделирования (рис. 2) и федерат с графическим интерфейсом пользователя (рис. 3). Интерфейс максимально приближен к внешнему виду существующего пульта управления стыковкой.
Рис. 2. Федерат запуска и остановки моделирования
С помощью федерата запуска и остановки моделирования пользователь может запустить процесс имитационного моделирования с заданными входными параметрами, а также указать масштаб времени, ускоряя или замедляя скорость моделирования. Изменение скорости моделирования позволяет как сэкономить время при незначительных изменениях модели с продвижением во времени, так и более детально изучать особенности поведения модели в быстропротекающих процессах посредством замедления скорости продвижения времени, устанавливая масштаб времени, меньший единицы.
Федерат управления стыковкой позволяет оказывать воздействие на процесс имитационного моделирования, изменяя в режиме реального времени состояние моделей и тем самым меняя ход моделирования.
Это позволяет:
изучать ход процесса стыковки;
обучать пользователя правильной последовательности управления процессом стыковки и расстыковки;
моделировать аварийные ситуации и обучать пользователя правильному поведению в случае возникновения аналогичной ситуации в реальности.
Федерация включает модель шланга по перекачке нефтепродуктов. Шланг является сложным физическим объектом, поэтому его моделированием занимается отдельный федерат с вызовом специальных подпрограмм вычисления состояния шланга.
Рис. 3. Федерат управления стыковкой
Федерат взаимодействия отображает расчётные данные натяжения шланговой линии в свободном состоянии и при соединении с танкером. Вычисление этих состояний производится во внешней программе, написанной на языке Python 2.7, и вызывается федератом взаимодействия в момент необходимости этих данных для обеспечения корректного моделирования.
Все результаты моделирования оказывают влияние на основные физические параметры, такие, как положение в пространстве, состояние, скорость и другие. Эти данные поступают вфедерат трёхмерной визуализации, где пользователь может оценить состояние модели в интуитивно понятном для него виде - трёхмерной среде (рис. 4).
Рис. 4. Программа визуализации состояния моделей. Вид стыковочного устройства, робота и танкера
117
В трёхмерной среде присутствуют модели танкера (рис. 5), робота и стыковочного устройства (рис. 4), буя, шланга, плоскость воды! и др. (рис. 6).
Рис. 5. Программа визуализации состояния моделей. Водная поверхность и танкер
Рис. 6. Операция зацепления буя роботом
Данные о положении каждой трёхмерной модели соответствуют текущему состоянию моделей в федерации. Трёхмерные модели подготавливаются заранее с помощью дополнительного программного обеспечения (catia, 3dsmax, Unity3D).
Для полноты картины предоставлена возможность просмотра лога технологических операций (рис. 7), которые произошли за время имитационного моделирования.
раии* к.
[14.123]: Отправлен запрос на идентификацию с АПТ. [14.172]: АПТ начинает идентификацию танкера. [15.178]: АПТ идентифицировал танкер. [15.216]: Танкер идентифицирован АПТ. [378.992]: ТНПА спускается к стыковочному устройству-[51 9.854]: Трос закреплён на стыковочном устройстве. [519.854]: ТНПА возвращается на танкер. [519.854]: Танкер начинает стыковку с АПТ-[519.854]: Двигатель лебёдки приостановлен. [519.854]: Выполняется подъём стыковочного устройства. [686.869]: ТНПА возвращён на танкер.
[1011.509]: Стыковочное устройство готово к присоединению [1011.509]: Выполняется присоединение стыковочного устройства к танкеру.
[1014.629]: Танкер соединён с шланговой лининей АПТ. [1014.819]: АПТ пристыкован к танкеру и готов к началу
Рис. 7. Вывод технологических операций в программе визуализации
118
С помощью задания конфигурации сцены в специальном конфигурационном файле программы визуализации можно определить правила генерации ледовой обстановки. Ледовая обстановка существует только в программном комплексе визуализации и не оказывает влияния на моделирование в рамках федерации (рис. 8).
Точный расчёт шланговой линии, соответствующий физическим параметрам заданного шланга, занимает достаточно продолжительное время и не может быть выполнен в режиме реального времени при визуализации. Математическое моделирование и соответствующий расчёт такой шланговой линии выполняются только в критически важные моменты времени, при этом вызывается внешняя программа вычисления и математического моделирования шланговой линии и её физико-параметрических составляющих. Однако во время визуализации отображается правдоподобная шланговая линия, позволяющая корректно оценивать текущее состояние модели (рис. 9).
Рис. 8. Визуализация ледовой обстановки
Рис. 9. Построение правдоподобного шланга в визуализации
119
Для визуализации правдоподобной шланговой линии был разработан уникальный алгоритм расчёта по следующим параметрам: длина шланга; диаметр шланга;
положение начала и конца шланга;
набор эмпирических физико-динамических характеристик шланга. Данные о положении начала и конца шланга соответствуют данным федерации.
Эмпирические физико-динамические характеристикишланга в системе визуализации задаются программистом в специальной секции конфигурационного файла программы визуализации посредством эмпирических коэффициентов. Такой шланг может дать достаточно правдоподобное представление во время симуляции и оказать влияние на принятие решений пользователем по управлению имитационной моделью черезфедерат управления и взаимодействия.
Математическое моделирование
В данной работе в рамках рабочей модели шланговой линии принимаются следующие допущения [1]:
поперечные нормальные сечения шланга, плоские до деформации, остаются нормальными и плоскими и после деформации (гипотеза Бернул-ли);
размеры поперечного сечения считаются малыми по сравнению с длиной шланга и радиусом кривизны оси шланга;
осевая линия шланга считается нерастяжимой; справедлив принцип Сен-Венана, который утверждает, что различные, но статически эквивалентные, локальные нагрузки вызывают в шланге одно и то же напряженное состояние;
внешние силы, действующие на шланг со стороны жидкости, описываются моделью Морисона [2] без учета силы присоединенной массы жидкой среды.
Также считается, что композитный материал шланга подчиняется закону Гука, и тогда решения задач справедливы, если максимальные нормальные напряжения, возникающие в шланге, остаются меньше предела пропорциональности для данного материала.
С учетом вышеперечисленных допущений уравнение статического равновесия для малого элемента шланговой линии в связанной системе координат запишется в матричном виде [3] так:
к£ = Р(5,¥), (1)
где У = [хугО.^2^зТ5п5ьвф]Т ~ вектор неизвестных переменных*; 5 -Лагранжева координата оси шланга; матрица К содержит в себе массовые и жесткостные характеристики шланга и навесных конструкций; вектор Р-суть совокупности внешних сил, действующих со стороны водной среды и
силы притяжения; [TSnSb]T - вектор натяжения шланга; [П1П2^з\Г ~ вектор Дарбу; в, ф - Эйлеровы углы перехода из глобальной системы координат в локальную [3].
Сложность численного решения системы уравнений (1) заключается в нелинейности действующих на шланг внешних сил, неравномерно распределенной массы вдоль оси шланга (в случае прикрепления на шланг буев избыточной плавучести), а также в нестандартныхграничных условиях в случае шарнирного закрепления двух концов шланговой линии.На основе метода пристрелки и использования адаптивной явно-неявной схемы интегрированияразработан алгоритм численного решения такого рода задач. Причем на каждой новой итерации метода пристрелки численно формируется Якобиан системы (1) в виде LU-разложения. Это требование повышает скорость сходимости алгоритма пристрелки. На каждой итерации метода пристрелки происходит интегрирование системы (1) при помощи явно-неявной схемы.
На рис. 10 представлены результаты расчета трех плоских статических конфигураций шланговой линии с учетом касания дна. Верхний конец шланговой линии закреплен в точке 40 и 90 м по горизонтали и вертикали соответственно в случае (а), 50 и 90 мв случае (Ь)и 60 и 90мв случае (с). Остальные параметры шланговой линии приведены в табл. 1.
На рис. 11 приведено сравнение трехмерных конфигураций шланговой линии с равномерно распределенным отрезком избыточной плавучести и одиночным буем. Верхний конец шланга закреплен в точке 50 и 20 м вдоль осей х и у соответственно, глубина моря 90 м. Остальные параметры шланговой линии, навесных конструкций и линейная интерполяция профиля скоростей от глубины приведены в табл. 1 и 2.
Алгоритм расчета статических конфигураций реализован в программной среде Python 2.7 в виде расчетного модуля, взаимодействующего с федератом визуализации посредством шины взаимодействия.
V :(а) СЬ) (с)
snabrd
и 10 20 ии АО ьи 00 /0
Х-сосгс1|паЪг (т)
Рис. 10. Двумерные конфигурации шланговой линии с учетом касания дна
10 у ™ 30 40
X-coorrtinate(m) ^
Рис. 11. Трехмерные конфигурации шланговой линии с равномерно распределенным отрезком плавучести, с буем под разными углами
обзора
Таблица 1
Параметры шланговой линии
Длина, м 120
Диаметр, м 0,3
Масса в воде, кг/м 89
Осевая жесткость, Н 5 • 109
Изгибная жесткость, Н м2 6,6 • 103
Торсиальная жесткость, Н м2 8,5 • 104
Плотность воды, кг/м3 1025
Гидродинамический коэф. Cdt 0,05
Гидродинамический коэф. Cdn 1,01
Таблица 2
Параметры навесных конструкций и профиль скоростей
Скорость (вдоль оси х), м/с 0 1 1
Скорость (вдоль оси у), м/с 0 1 2
Высота, м 0 60 90
Конструкция Избыт.масса в воде, кг/м Длина/ диаметр, м Координата крепления, м
Отрезок 222,5 24 48
Буй сферический 2225 3 48
Заключение
В результате опытно-констукторской работы была создана имитационная модель АПТ танкерного судна и других объектов окружающей среды. Данная система может быть использована для компьютерного моделирования поведения системы в различных ситуациях (входных параметров имитационных моделей). Это позволяет выявлять возможные конструкторские недостатки системы и проводить обучение персонала по использованию имитируемой системы.
Программный комплекс в дальнейшем может быть адаптирован и дополнен более точными моделями отдельных элементов системы АПТ, танкерного судна и влияния окружающей среды.
Список литературы
1. Светлицкий В.А. Механика стержней: учебник для втузов: в 2 ч. Ч. 1. Статика. М.: Высш. шк., 1987. 320 с.
2. J.R. Morison, M.P. O'Brien, J.W.Johnson, S.A. Schaaf. The force exerted by surface waves on piles // Petroleum Transactions. 1950. 189. P. 149— 154.
3. Gobat J.I., Grosenbaugh M.A. Time-domain numerical simulation of ocean cable structures [J] // Ocean Engineering. 2006. 33(10). P. 1373-1400.
Палто Виктор Сергеевич, инж.-программист, Palto VS@yandex. ru, Россия, Москва, АО «Системнаядинамика»,
Кабанов Сергей Михайлович, гл. инж.-математик, smka-hanovainhox.ru, Россия, Москва, АО «Системная динамика»,
Фридлендер Григорий Владимирович, инж.-математик, fridle-nder.g. vagmail.com, Россия, Москва, АО ««Системная динамика»
DEVELOPMENT OF THE INTEGRA TED SIMULA TION SOFTWARE AND IMITA TION MATHEMATICAL MODEL OF THE AUTFOR LOADING AND UNLOADING OF CRUDE OIL BY THE A UT ON TANKER VESSELS WITHOUT DYNAMIC POSITIONING
V.S. Palto, S.M. Kahanov, G.V. Fridlender
This paper presents the computational simulations and applications of tanker vessel positioning, automated underwater terminal (AUT) and other marine environmental objects relative to each other. The article proposes a solution the mooring line profile estimation for loading and unloading crude oil. It presents the visualization and numerical simulations results combining problems and offers its solutions while creation of software and computing system.
Key words:computational simulation, automated underwater terminal, tanker ship, Unity3D, mooring line.
Palto Viktor Sergeevich, software engineer, Palto VS@yandex. ru, Russia, Moscow, JSC "System dynamics",
Kabanov Sergej Mihajlovich, chief engineer-mathematician, smka-banov@inbox. ru, Russia, Moscow, JSC "System dynamics",
Fridlender Grigorij Vladimirovich, engineer-mathematician, fridle-nder.g.v@gmail.com, Russia, Moscow, JSC "System dynamics"
УДК 336.74
ПРОИЗВОДСТВО БАНКНОТ
Я.Р. Голубничая, В. А. Селищев
Представлена информация о банкнотном производстве, технологии получения банкнотной бумаги. Рассмотрены возможности применения полимерных материалов и гибридных субстратов для повышения долговечности банкнотной подложки.
Ключевые слова: банкнотная бумага, бумагоделательная машина, способы печати, полимерные деньги, гибридные субстраты.
Деньги, в том числе золотые и серебряные монеты, известны с древних времен. Бумажные деньги появились гораздо позже, в Китае, во время правления династии Юань (1271 - 1368 гг.). Известно, что в 1396 г. примеру китайцев последовали вьетнамцы, а в Европе бумажные деньги появились лишь в XVII столетии. Иногда в силу специфических местных условий или чрезвычайных обстоятельств денежные знаки печатались на коже, ткани, дереве, картоне или других материалах, но основой для изготовления банкнот является бумага.
Производство банкнот стало массовым на рубеже XVIII - XIX вв. Сначала бумага отливалась вручную на специальных станках, основной деталью которых были ручные черпальные формы с сетчатым дном. Первую бумагоделательную машину с непрерывным циклом работы («самочерпалку») изобрел механик Л.-Н. Робер в 1798 г. во Франции [1]. Производительность машины была около 100 кг бумаги в сутки, бумажное полотно могло быть длиной до 15 м. В 1800 г. Л.-Н. Робер построил машину, производящую в день 80 листов бумаги, около 6 м каждый лист (рис. 1).
В России производством бумажных денег занимается Гознак -Федеральное государственное унитарное предприятие при Министерстве финансов России. Гознак имеет восемь филиалов - производственные предприятия (Московский и Санкт-Петербургский монетные дворы, Санкт-Петербургская и Краснокамская бумажные фабрики, Московская
