Россия
В контексте перехода к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создания систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта автоматизация процессов рыболовства требует междисциплинарного подхода с использованием современных информационных технологий. Обоснована возможность использования технологий искусственного интеллекта для решения задач предсказательного моделирования поведения траловой системы в процессе лова на самообучающейся нейронной сети. Приведены уравнения электрического и механического приводов траловых лебедок для управления формоизменяемой конструкцией разноглубинного трала. Рассмотрен вопрос о способах улучшения контрольных характеристик разноглубинной траловой системы путем внедрения архитектуры управления, адаптированной для траловой системы с учетом промышленных требований, и путем разработки математической модели траловой системы, включающей точную модель гидродинамических сил на створках трала.
управление, разноглубинный трал, траловый комплекс, предсказательное моделирование, траловая система, лебедка
Введение Траловый лов, при помощи которого в настоящее время добывается около 40 % мирового улова, сегодня играет важную роль в добыче рыбных ресурсов в рамках укрепления продовольственной безопасности России. По данным ФАО, к 2018 г. общий объем добычи рыбы достиг 96,4 млн т, что является самым высоким показателем за всю историю рыболовства. Экологическую эффективность траления можно определить как отношение величины улова к величине воздействия на окружающую среду. Воздействие рыболовного судна на окружающую среду в основном измеряется расходом топлива и количеством отходов от эксплуатации, в то время как траловые снасти могут привести к удалению и повреждению бентоса – кораллов и губок. Улучшение управляемости траловым комплексом могло бы сделать возможным прицельный лов косяков рыб, а также улучшить маневрирование вблизи препятствий и контроль формы трала для оптимизации эффективности лова. В связи с этим системы более точного управления траловым комплексом должны приводить: к увеличению уловистости; снижению воздействия на морское дно и сокращению взаимодействий с препятствиями; повышению селективности промысла. Разноглубинные траловые комплексы являются сложными техническими сооружениями, управление которыми сопряжено с большими трудностями [1]. Авторами статьи в рамках научного исследования рассматривается постановка задачи разработки системы управления траловой лебедкой. Для решения этой задачи необходимо рассмотреть вопрос о том, как можно улучшить характеристики системы управления траловой лебедкой с учетом промышленных требований к энергосистеме судна, внешних факторов и концепции управления; разработать математическую модель, включающую композицию электродинамической и гидродинамической моделей лебедки. Эта модель должна оценивать как стационарное состояние, так и силы натяжения в ваерах, переходные процессы, временную зависимость нагрузок на двигатель лебедки от сил натяжения, С развитием технологий искусственного интеллекта все большую популярность приобре-тают системы управления, основанные на модели предсказательного моделирования. На их основе в ходе решения поставленной задачи эффективного управления траловым ловом будет предложена новая концепция управления траловой лебедкой с учетом требований к энергопотреблению, надежности и эффективности, основанная на сочетании математической и предсказательной модели [2]. Из-за противоречивых требований к производительности, стабильности и энергоэффективности тралового лова концепция управления должна быть улучшена посредством численной оптимизации, основанной на моделировании временной области траловой системы с учетом промышленных ограничений на энергоснабжение траловых лебедок. Система управления, основанная на модели предсказательного моделирования, должна решать сложные задачи и ограничения, в том числе задачи автоматизации наведения трала на скопление гидробионтов [3]. Чтобы проанализировать автоматизированные системы управления разноглубинным тра-лом (АСУ РТ) [4], мы должны исследовать математические модели управления движением в различных режимах работы разноглубинного трала [4–25]. Движение траловых систем зависит напрямую от промысловых механизмов, которые установлены на палубе рыбопромыслового судна. Чем выше детализация технической системы «судно – разноглубинный трал», тем точнее АСУ РТ (рис. 1). Рис. 1. Разноглубинный траловый комплекс (судно – разноглубинный трал) Материалы исследования В данной статье рассмотрены уравнения электрического и механического приводов тра-ловых лебедок для управления формоизменяемой конструкцией разноглубинного трала. Необ-ходимо охарактеризовать силовое взаимодействие объекта и среды величинами, которые не имели бы зависимости от абсолютных размеров объекта, скорости его движения или скоро-сти, плотности среды, вязкости жидкости и других размерных величин [26–30]. Рассмотрим электропривод и механический привод ваерной лебедки. Ваерная лебедка ПНР WTJ12,5 W290Z1 (номер проекта 4-4015/000) – это электрическая лебедка с червячным редуктором, автоматическими ваероукладчиками и ограничением натяже-ния ваеров при тралении. Ваерная лебедка ПНР WTJ12,5 W290Z1 установлена на судах типа БМРТ проекта В-408 и БАТ проектов 1396 и 1508. Габариты ваерной лебедки 3790 × 6327 × 1950 мм (длина × ширина × высота). Количество барабанов – 1 ваерный. Канатоемкость бараба-на Lб при диаметре ваера dв = 28 мм составляет 4 000 м, а при диаметре ваера dв = 31 мм – 3 200 м. На рис. 2 изображена ваерная лебедка. а б Рис. 2. Ваерная лебедка ПНР WTJ12,5 W290Z1: а – вид сверху: 1 – привод ваероукладчика; 2 – червячный редуктор; 3 – муфта; 4 – стопор; 5 – электродвигатель; 6 – винт ваероукладчика; 7 – каретка; 8 – барабан; 9 – тормозное устройство; б – вид сбоку Ваерная лебедка ПНР WTJ12,5 W290Z1 потребляет постоянный ток напряжением 305 В. Тип привода электрический, мощность привода 290 кВт, управление ваерной лебедкой дистан-ционное. Перегрузочная способность – 1,6. Для управления ваерной лебедкой применяется ти-ристорный преобразователь. Генератор постоянного тока с помощью реостатов регулирует ско-рость вращения вала двигателя ваерной лебедки. В режиме торможения он является генерато-ром. Тяговое усилие на среднем витке ваерной лебедки составляет 122,5 кН. Скорость выборки ваеров составляет 1,87 м/с, скорость травления ваеров – 3,6 м/с. Рассмотрим системы уравнений работы электродвигателя постоянного тока, натяжения в ваере, а также намотки ваера на барабан лебедки. Одним из основных электромеханических преобразователей энергии в регулируемом электрическом приводе является двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) [31–35]. При составлении математической модели ДПТ НВ примем следующие допущения. Считаем, что реакция якоря полностью скомпенсирована (в реальном ДПТ всегда есть компенсационная обмотка либо добавочные полюса), поток возбуждения постоянен, а активное сопротивление якорной цепи не изменяется во время работы двигателя. Уравнение состояния преобразователя не рассматриваем в нашем случае [36, 37]. Динамика вращения барабана лебедки с наматываемым ваером и движения ваера математически задается следующими дифференциальными уравнениями: (1) (2) при начальных условиях где ω – угловая скорость вала; ψ – угол поворота вала; t – время процесса моделирования; D – диаметр барабана; nс – количество намотанных на барабан слоев ваера; hс – шаг слоя намотки; S1 – натяжение в ваере в точке касания барабана; J1 – момент (приведенный) инерции механизма лебедки с ваером, тралом и уловом; i – передаточное отношение редуктора лебедки; C – коэффициент электродвижущей силы и момента ДПТ НВ, имеющий размерность потока магнитной индукции [Нм/А] = [Вс]; I – ток якорной цепи; v – линейная скорость выборки трала; L1 – длина невыбранной части ваера; L0 – общая длина ваера. Запишем дифференциальное уравнение электрического равновесия якорной цепи двига-теля, связывающее силу тока в обмотках якоря с угловой скоростью вращения вала барабана лебедки [29]: (3) при начальных условиях I(0) = 0, где Ld – суммарная индуктивность якорной цепи; R – суммарное активное сопротивление последовательно включенных обмотки якоря и добавочных полюсов в горячем состоянии (при t = 75 оC); U – напряжение, приложенное к обмоткам якоря. Коэффициент электродвижущей силы C вычисляется по формуле (4) где Ф – магнитный поток в зазоре двигателя; c0 – конструктивная постоянная двигателя: (5) где p – количество полюсов электродвигателя; N – число проводников в обмотке якоря; a – число параллельных ветвей обмотки якоря. Угловая скорость вала и линейная скорость выборки трала связаны следующим уравнением: (6) При вращении барабана лебедки приведенный момент инерции механизма лебедки с вае-ром, тралом и уловом вычисляется по формуле (7) где J – момент инерции механизма лебедки (приведенный); m1 – масса улова; m0 – масса трало-вой системы; mп – присоединенная масса траловой системы с уловом: (8) где ρ – плотность воды; ρ0 – усредненная плотность трала с уловом. В формуле (8) предполагается, что присоединенная масса трала с уловом равна массе воды в объеме всех элементов трала с уловом. Натяжение ваера в точке касания барабана, вызванное гидродинамической силой, дей-ствующей на движущееся орудие с уловом со стороны воды, рассчитывается по формуле (9) где Rа – агрегатное гидродинамическое сопротивление траловой системы. Количество намотанных на барабан слоев ваера и шаг слоя hс зависят от ширины барабана lб и шага намотки th: (10) (11) где dв – диаметр ваера. В соответствии с формулами (1)–(11) возможно выполнить математическое моделирова-ние работы электрической траловой лебедки, тем самым решив задачу управления ее скорост-ными и силовыми характеристиками. Заключение Теория управления разноглубинным тралом является основой для разработки автоматизи-рованных систем управления траловыми комплексами – как разноглубинными, так и донными. Для решения задач управления траловой системой, одной из которых является задача управле-ния траловой лебедкой, была предложена математическая модель взаимодействия траловой ле-бедки с рыболовным тралом. Для более эффективного управления всей системой «судно – трал» предложено применение предсказательного моделирования.
1. Баранов Ф. И. Теория и расчет орудий рыболовства. М.: Пищепромиздат, 1948. 436 с.
2. Reite K.-J. Modeling and control of trawl systems. Trondheim: NTNU, 2006. 238 p.
3. Соловьев А. А. Теоретические принципы обеспечения безопасного маневрирования судна при прицельном траловом лове: дис. ... д-ра техн. наук. СПб., 1999. 183 с.
4. Волкогон В. А., Недоступ А. А., Ражев А. О., Кострикова Н. А., Поляко Р. К., Кузин В. И. Обоснование создания тренажерного комплекса по проектированию и моделированию траловых систем // Морские интеллектуальные технологии. 2017. № 4 (38). Т. 2. С. 177-185.
5. Nakasai K., Kawakami T. Mechanical studies on the mid-water trawl gear in operation: bulletin of the faculty of fisheries. Nagasaki university, 1968. N. 26. P. 49-61.
6. Альтшуль Б. А., Фридман А. Л. Динамика траловой системы. М.: Агропромиздат, 1990. 240 с.
7. Lee C.-W., Lee Ju.-H. Modeling of a midwater trawl system // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 1999. 2000. P. 151-161.
8. Зинченко В. П. Численный метод расчета движения траловой системы // Рук. Деп. ВО ВНИЭРХ, реф. опубл. в указат. деп. работ ВИНИТИ № 12. 1998.
9. Altschul B. A., Ermakova T. V. The algoritm of ship speed control when carrying the trawl in the predetermined path at a constant length of veered warp // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2003. 2005. V. 3. P. 137-146.
10. Ермакова Т. В. Математические модели управления движением разноглубинного трала: автореф. дис. … канд. техн. наук. Калининград, 2006. 28 с.
11. Altschul B. A., Ermakova T. V. Equations of trawl system movement at its schematization by two-warp model // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2009. 2010. V. 6. P. 251-258.
12. Кузнецов М. Ю., Шевцов В. И. Использование системы контроля трала SIMRAD FS 20/25 для исследования геометрии трала // Успехи рыболовства: сб. науч. тр., посвящен. 75-летию кафедры пром. рыболовства Дальневосточ. гос. техн. рыбохоз. ун-та. Владивосток: Изд-во Дальневосточ. гос. техн. рыбохоз. ун-та, 2006. С. 73-79.
13. Cha B.-J., Lee C.-W., Cho B.-K. Dynamic simulation of midwater trawl system using a personal computer // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2001. 2002. V. 2. P. 105-111.
14. Cha B.-J., Lee C.-W., Cho B.-K., Kim H.-Y., Won S.-J. Dynamic simulation of a midwater trawl system using a personal computer // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2001. 2002. P. 155-161.
15. Choe M.-L., Lee C.-W., Lee G.-H., Cha B.-J., Gyung H.-P. Modeling of the otter board behavior in consideration of the effects of the ship motion // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2007. 2007. V. 5. P. 77-88.
16. Eiji T., Matuda K., Nobuo H. A simulation model of gear efficiencies of trawlers for flatfish // Nippon suisan gakkaishi. 1991. N. 57 (6). P. 1019-1028.
17. Ferro RST. Computer simulation of trawl gear shape and loading // World symposium on fishing gear and fishing vessel design. 1988. P. 259-263.
18. Hamuro C. Studies on automation of fishing with otter trawls, Danish seines, midwater trawls and purse seines. Design criteria for a midwater type purse seine // FAO. Technical conference on fish finding, purse seining and aimed trawling. FF/70/49. 1970. N. 5. P. 10.
19. Hu F., Shiode D., Wan R., Tokai T. Accuracy evaluation of numerical simulation for mid-water trawl nets // Methods for the development and evaluation of maritime technologies DEMAT 2005. 2006. Rostock. P. 59-70.
20. Kiyoshi A. Study on dynamical response between a ship’s motions and fishing gear (II) // Bull. of the Fac. of fish. Hok. Univ. 1972. V. 23. № 2. P. 102-121.
21. Koyama T. A calculation method for matching trawl gear to towing power of trawlers // FAO. Technical conference on fish finding, purse seining and aimed trawling. FF/70/65. 1970. N. 5. P. 15.
22. Lonnevik M. S. Effects of hanging ratios on trawls // World symposium on fishing gear and fishing vessel design. 1988. P. 314-317.
23. Niedzwiedz G. Computer-aided simulation of shape and strength of trawls after changes in design and operational condition // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 1999. 2000. P. 119-135.
24. Vincent B. A new generation of tools for trawls. Dynamic numerical simulation // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 1999. 2000. P. 99-107.
25. Yoon H.-K., Lee C.-W., Cha B.-J., Lee Ji.-H., Lee M.-K. A fishing effort appreciation nethod of the fishing gears using a computer simulation // Contributions on the theory of fishing gears and related marine systems. DEMaT 2003. 2005. V. 3. P. 37-49.
26. Фесенко В. И. Электрические приводы промысловых судов: учеб. М.: Пищ. пром-сть, 1973. 224 с.
27. Усольцев А. А. Общая электротехника: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГУ ИТМО, 2009. 301 с.
28. Фираго Б. И., Павлячик Л. Б. Теория электропривода: учеб. пособие. Минск: Техноперспектива, 2007. 585 с.
29. Гуляев И. В. Обобщенная электромеханическая система. Саранск: Изд-во Средневолж. мат. о-ва, 2004. Препринт № 69. 12 с.
30. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода: учеб. для вузов. СПб.: Энергоатомиздат, 1994. 496 с.
31. Егоров В. Н., Шестаков В. М. Динамика систем электропривода. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 216 с.
32. Андриенко Л. А. Оптимальное проектирование электромеханических приводов // Динамика систем, механизмов и машин: тез. докл. 3-й Междунар. науч.-техн. конф. Омск, 1999. С. 92.
33. Богатырева Е. В., Ивановская А. В. Совершенствование методов расчета электромеханического привода с учетом переменности нагружения // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2016. Т. 18. № 1 (2). С. 218-223.
34. Бойко А. А., Герасимяк Р. П., Лещев В. А. Анализ и синтез крановых электромеханическх систем: учеб. пособие. Одесса: СМИЛ, 2008. 192 с.
35. Вейц В. Л., Куценко Б. Н. К анализу динамических характеристик управляемых электромеханических приводов // Повышение эксплуатационных свойств деталей машин технологическими методами. Иркутск: ИЛИ, 1980. С. 179-185.
36. Ильинский Н. Ф., Козаченко В. Ф. Общий курс электропривода: учеб. для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1992. 544 с.
37. Рассудов Л. Н., Мяздель В. Н. Электроприводы с распределенными параметрами механических элементов. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 143 с.
