DEVELOPMENT OF AGENT SIMULATION MODEL OF A PROCESS DESCRIBING THE HYDRAULIC DEVELOPMENT OF SOIL FOR DREDGING
Rubrics: ENGINEERING AND NATURAL SCIENCES
Authors:
1.
Institute of Caspian Sea and River Transport, Federal branch of Volga State University of Water Transport
(Senior Lecturer of the Department of Shipbuilding Disciplines)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Caspian Institute of Sea and River Transport
Type:
Article
Pages:
from 45
to 48
Status:
Published
Received:
10.10.2018
Accepted:
15.10.2018
Published:
15.10.2018
Subject area:
UDK 519.213.1
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
dredging, hydraulic soil development, simulation modeling, agent, environment, system dynamics
Abstract (English):
The article describes the process of hydraulic soil development when performing dredging operations in terms of a probabilistic process. To give the mathematical description of this process, the stochastic differential Langevin equation is used, which makes it possible to determine the velocity of the particle moving along the spatial axis in case of multiple collisions with other soil particles. In order to establish the adequacy of this approach with the experimental data obtained through the utility model there has been developed an agent simulation model. A population of agents containing a module of the system dynamics realizing the differential equation is integrated into the structure of the model.
The article describes the process of hydraulic soil development when performing dredging operations in terms of a probabilistic process. To give the mathematical description of this process, the stochastic differential Langevin equation is used, which makes it possible to determine the velocity of the particle moving along the spatial axis in case of multiple collisions with other soil particles. In order to establish the adequacy of this approach with the experimental data obtained through the utility model there has been developed an agent simulation model. A population of agents containing a module of the system dynamics realizing the differential equation is integrated into the structure of the model.
Keywords:
dredging, hydraulic soil development, simulation modeling, agent, environment, system dynamics
dredging, hydraulic soil development, simulation modeling, agent, environment, system dynamics
Введение В настоящее время актуальной становится задача, связанная с выполнением дноуглубительных работ при помощи грунтозаборных устройств с гидравлическими рыхлителями грунта. Гидравлическое воздействие имеет импульсную природу, что вполне естественно является энергоэффективным по сравнению с стационарными (продолжительными во времени) воздействиями [1, 2]. Остаётся открытым вопрос, связанный с определением временных интервалов между гидравлическими импульсами с целью обеспечения максимальной плотности грунтовой взвеси для дальнейшей её откачки. Процесс дноуглубления зависит от множества независимых и функциональных параметров (состав, однородность и связанность грунта; конструкторские особенности рыхлителей грунта, диаметр сопла и их количество и т. д.). Необходимо отметить, что данная статья посвящена обоснованию имитационного подхода к математическому моделированию процесса дноуглубления с позиций динамической системы, на которую осуществлено воздействие, и последствия отклика системы рассматриваются с позиций возникающих стохастических процессов. Состояние проблемы и постановка задачи Рассматривается процесс гидравлического разрыхления грунта с позиции случайного процесса динамической системы, при котором исходными являются уравнения не для вероятностей перехода, определяющих систему физических состояний, а для самого случайного отклика x(t). Этот подход был введён П. Ланжевеном в связи с теорией броуновского движения [3]. Рассмотрим случай динамической системы, описываемый дифференциальным уравнением где f (t) - внешняя сила, а - линейный дифференциальный оператор, который в общем случае тоже зависит от времени t через коэффициенты при производных: (параметрическое воздействие). Кроме того, необходимо уточнить, что на функцию x(t) тоже наложены определённые ограничения: она (функция) рассматривается при данной постановке задачи как случайная функция с независимыми приращениями, т. е. приращения на непересекающихся интервалах времени являются независимыми случайными величинами. Для описания скорости u одномерного движения частицы массы m в среде с вязким трением h под воздействием случайной силы F(t) определено уравнение (1) Из уравнения (1) можно перейти к форме записи, привычной для уравнения Ланжевена, а именно: (2) где u = x(t), и . Фактически определено неоднородное линейное дифференциальное уравнение первого порядка, которое имеет общее решение в виде где х0 = х(0). Таким образом осуществляется описание фазы процесса, когда частицы грунта после импульсного удара гидравлической струи движутся, постоянно сталкиваясь с другими частицами грунта, в дальнейшем процесс переходит в следующую фазу, которая описывается минимальным столкновением частиц, что в свою очередь описывается уравнением (2) при . Методы и результаты исследования Разработана агентная имитационная модель процесса гидравлической разработки грунта. Модель реализует взаимодействие АГЕНТ-СРЕДА [4, 5], где в качестве агентов рассматриваются частицы грунта, имеющие форму шара с различным радиусом и плотностью. Среда представляет собой жидкость с постоянной вязкостью. Гидравлический импульсный удар возникает в вязкой среде и взаимодействует с частицами грунта. В имитационную модель интегрированы агенты двух типов Main и Particle. Описание структуры агента типа Particle, имитирующего частицу грунта, на которую воздействует единичный гидравлический импульс. Функциональное ядро данного агента включает в себя модуль системной динамики, состоящий из потока flow, накопителя Speed, двух динамических переменных Viscosity (задаётся вязкость среды), Pulse (единичный импульс, воздействующий на частицу грунта), а также соответствующих связей между объектами и пользовательской функции Function End Phase (с помощью функции осуществляется переход между фазами: в первой учитываются столкновения между взвешенными частицами, а во второй столкновения не учитываются). Модуль системной динамики позволяет моделировать процесс, описанный в уравнении (2). Кроме того, в структуре агента используются параметры: - Particle Radius (хранит инициализированное значение радиуса частицы); - Particle Density (хранит инициализированное значение плотности частицы); - Interval Phase (является входным параметром пользовательской функции). Также в агент интегрировано циклическое событие event, с помощью которого осуществляется импорт данных с целью последующей аппроксимации. На рис. 1 представлена блок-схема агента типа Particle. Рис. 1. Блок-схема агента типа Particle Описание структуры агента типа Main - основного агента, который имитирует среду. В структуру агента интегрирована популяция particle[..] объектов типа Particle, при этом размер популяции может быть эквивалентен 103, что обосновывает применение подхода, связанного с кластеризацией, позволяющего моделировать общее поведение достаточно большого количества частиц грунта. Также используется элемент управления - поле ввода, с помощью которого задаётся значение применённого к СРЕДЕ гидравлического импульса. Параметр Total Weight используется для хранения суммарного рассчитанного веса всех объектов популяции с учётом кластеризации. Объект data является набором данных для гистограммы плотности грунтовой взвеси. На рис. 2 представлена блок-схема агента типа Main. Рис. 2. Блок-схема агента типа Main Набор данных является двухмерной величиной: первое измерение определяется моделированным путём частицы, а второе измерение содержит вес частицы, таким образом, оценивается геометрическая плотность грунтовой взвеси верхней полусферы, в центр которой направлен гидравлический импульс. Заключение Для математического описания гидравлической разработки грунта при выполнении дноуглубительных работ с позиций вероятностного процесса используется стохастическое дифференциальное уравнение Ланжевена, позволяющее определить скорость движения частицы вдоль пространственной оси направления в случае множественных соударений с другими частицами грунта. Введённая в рассмотрение имитационная модель разработана для согласования эмпирических данных, полученных на модели (стенде), с реальным процессом гидравлической разработки грунта при дноуглублении с целью установления адекватности выбранного математического аппарата.
1. Nurok G. A. Processy i tehnologiya gidromehanizacii otkrytyh gornyh porod. M.: Nedra, 1973. 133 s.
2. Roschupkin D. V. Issledovanie processa gruntozabora plavuchimi zemlesosnymi snaryadami. M. Nedra, 1958. 295 s.
3. Levakov A. A. Stohasticheskie differencial'nye uravneniya. Minsk: BGU, 2009. 231 s.
4. Katalevskiy D. Yu. Osnovy imitacionnogo modelirovaniya i sistemnogo analiza v upravlenii: ucheb. posobie. M.: MGU, 2011. 433 s.
5. Sterman J. D. All models are wrong: reflections on becoming a systems scientist. Forrester J. W. Prize Lecture // System Dynamics Review. 2002. Vol. 18. N. 4. P. 501-531.
