Автоматическая оптимизация прокладки курса


Категория Автоматизация судов

Если понимать навигацию как совокупность всех мероприятий, служащих для перемещения судна из одного места земной поверхности в другое, то эту проблему можно решать разными путями.

Располагаемая степень свободы может быть использована для выполнения какого-либо дополнительного условия относительно способа перемещения судна. Следовательно, при этой, предъявляющей высокие требования форме подхода к проблеме, среди допустимых решений должно быть выбрано то, которое является наиболее благоприятным в определенном отношении. Таким образом, имеет место проблема оптимизации.

Прежде чем продолжать рассмотрение этой проблемы, представляется необходимым остановиться на некоторых общих вопросах по оптимизации.

Сущность оптимизации. Оптимизацией в самом широком смысле называется осуществление в какой-либо технической системе в пределах существующих возможностей таких изменений, при которых достигается максимальный эффект в отношении поставленной цели.

В случае так называемой статической оптимизации задача заключается в определении оптимальных заданных значений регулируемых параметров системы. Если же, напротив, необходимо найти оптимальные переходные процессы между режимами работы системы, то говорят о динамической оптимизации.

Цель процесса оптимизации характеризуется соответствующим критерием оценки качества. Следовательно, абсолютного качества не существует и может быть только качество относительно определенного критерия. Критерий качества заключается в представлении качества системы или процесса аналитической формой. Эталон качества должен в любом случае определяться вне системы, т. е. устанавливаться человеком.

В определенный момент времени для системы может существовать только один критерий качества. Удовлетворять нескольким критериям одновременно можно лишь условно. В этом случае отдельные требования, которые могут при определенных условиях противоречить друг другу, надо соразмерить и объединить в общий критерий. При этом оптимизация сводится к отысканию наиболее благоприятного компромисса.

Для оптимизации прежде всего необходимо определить качество системы или процесса посредством принятого за основу критерия.

Метод решения проблем оптимизации зависит от того, известен или не известен в аналитическом виде характер изменения показателя качества в зависимости от входных величин системы и и d. В первом случае в принципе возможно математическое решение. Однако ввиду имеющихся ограничений теоретический оптимум может лежать вне допустимой области . Таким образом, классические методы решения экстремальных задач здесь неприемлемы. Поэтому приходится пользоваться подходящими методами поиска, с помощью которых допустимое пространство решений просматривается на предмет отыскания оптимальной траектории. Пригодными методами решения статической оптимизации являются прежде всего линейное и нелинейное программирование, метод градиентов, а также метод наиболее крутого подъема. Задачи динамической оптимизации могут решаться в первую очередь по методу динамического программирования Беллмана или по принципу максимума Понтрягина .

Оптимизация прокладки курса как проблема динамического программирования. Теперь мы применим изложенные выше положения к задаче оптимизации прокладки курса судна. Эта задача относится к проблеме динамической оптимизации.

Состояние движения тела определяется, как известно, соответ-ующими координатами положения и скорости. В рассматриваемом случае вектор состояния х (t) складывается из координат местонахождения судна, курсового угла и скорости хода. Вектор управления и (t) образуется при этом управляющими воздействиями для перекладки руля и подачи топлива или пара к главному двигателю.

Рис. 1. Изображение неклассической проблемы оптимизации.

Таким же образом необходимо учитывать и ограничения вектора состояния х (t) (характер береговой линии, ограничения фарватера и т. д.).

Рис. 2. Пример изменения во времени параметра управления в проблеме оптимизации расхода топлива.

В этой формулировке теперь можно рассматривать проблему многомерной статической оптимизации. Соответствующий ход решения следует заимствовать из специальной литературы.

На рис. 2 приведен пример изменения во времени параметра управления, оптимизированного по критерию минимального расхода топлива.

Рис. 3. Диаграмма потока сигналов при динамической оптимизации с помощью модели.

Гак как вектор d в значительной мере неизвестен, необходим обучающий алгоритм, который непрерывно приспосабливает модель к реальным условиям путем оценки возникавших ранее возможностей появления неуправляемых входных величин d. Принцип такой оптимизации с адаптизацией модели показан на рис. 4.6. В литературе Уже сообщалось о первых применениях методов адаптации к управлению курсом судна.

Другой подход к решению этой проблемы возможен на основе теории игр. При этом техническая система рассматривается как «игрок», а неизвестный (с точки зрения его поведения) окружающий мир — как «партнер» и в каждой возможной ситуации определяется такой «ход», при котором средний выигрыш «игрока» был бы максимальным.

Следующая особенность навигационной проблемы заключается в том, что на критерий оптимальности прокладки курса в действительности налагаются еще и другие условия. Так, например, при появлении препятствий (других судов, айсбергов и т. д.) необходимо сойти с оптимального курса и временно установить такую последовательность операций управления, которая обеспечит максимальную безопасность столкновения. Другим условием, налагаемым на критерий оптимальности курса судна, может служить, например, избежание высоких нагрузок на его корпус. Таким образом оказывается, что в действительности имеет место целая система критериев различной периодичности, на которые необходимо ориентироваться в зависимости от результата оценки конкретной ситуации.

Анализ показывает, что проблема судовождения является столь многоплановой, что о полной автоматизации в обозримое время, пожалуй, думать не приходится. Однако для обеспечения экономичных условий плавания и максимального предотвращения столкновений все же представляется неизбежным применение в будущем таких автоматических устройств, которые давали бы судоводителям рекомендации в отношении наиболее целесообразных действий. Следует, однако, учитывать, что для этой цели потребуются соответствующие цифровые вычислительные машины.

Работа в области оптимизации судовождения еще только начинает развиваться. Поэтому мы могли здесь дать лишь известный обзор возникающих при этом проблем и показать трудности, которые могут возникать при их решении.


Читать далее:

Категория Автоматизация судов