Научно-технический отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта № П295 от 01.01.01 г (стр. 2 )

Для отдельных задач моделирования внешних воздействий в режиме мелкомасштабной изменчивости используются физико-статистические методы; в частности, это связано с ситуациями, когда гидродинамические характеристики отдельной волны имеют определяющее влияние на объект, а априори восстановить ее профиль не представляется возможным. В частности, такой подход характерен для моделирования волн-убийц и их воздействия на морские объекты и сооружения [33,34]. Однако его применение далеко не всегда оправдано в силу ресурсоемкости вычислений.

Математическое моделирование динамики морского объекта. В настоящее время можно выделить четыре категории моделей морских объектов.

Спектральные линейные и линеаризованные модели динамики судна. Они начали активно развиваться в 60-е годы XX века в связи с накоплением знаний о спектральной структуре морского волнения. Они основаны на предположении об относительной малости колебаний судна и гауссовости их распределения. Такие модели позволяют рассчитать только интегральные характеристики качки и неприменимы (напрямую) для имитационного моделирования. В настоящее время эти модели лежат в основе ряда нормативных документов и методик, например [6, 35]. В ряде случаев их можно обобщить и на случай линеаризованных моделей качки [36].

Нелинейные асимптотические модели динамики судна. В том случае, если динамика судна описывается классическими уравнениями механики, для ряда нелинейных систем в отдельных случаях можно строить их решения на основе асимптотических (аналитических) методов. Несмотря на то, что для регулярного волнения этот подход позволяет в целом получать достаточно полную информацию о структуре нелинейных колебаний [37], прямой перенос его на область нерегулярных колебаний, например, представляя волновое возмущение в форме неканонического разложения, заставляет ограничиться рамками корреляционной теории [38], несмотря на очевидную негауссовость результирующего распределения. По этой причине в настоящее время подобные методы в основном носят качественный (прикидочный) характер и не используются для решения задач имитационного моделирования.

Нелинейные численные модели динамики судна, основанные на уравнениях классической механики. Использование численных методов позволило экстенсивным путем разрешить проблему исследования существенно нелинейных режимов качки, что привело к интенсивному развитию целого семейства моделей и соответствующих им программных реализаций: от иллюстрационных [39,40], на основе изолированных уравнений с постоянными коэффициентами, до достаточно детализированных, с переменными коэффициентами, которые рассчитываются непосредственно в процессе моделирования путем интегрирования по корпусу в рамках текущей ватерлинии в каждый момент времени [41, 42].

Несмотря на кажущуюся монолитность данного подхода, его основной особенностью является нетривиальность модификации уравнений для исследования особых экстремальных задач, обусловленных комплексом (сочетанием) различных условий, например, параметрического резонанса [43] или брочинга [44]. Попытки [45-46] корректно описать эти явления, не меняя структуры модели, по-видимому, носят сугубо качественный характер и не претендуют на универсальность.

Нелинейные численные модели динамики судна, основанные на уравнениях гидромеханики. Данный подход является, по-видимому, наиболее адекватным с точки зрения воспроизведения динамики судна на морском волнении. Это положение связано с корректностью постановки задачи непосредственно в терминах уравнений гидромеханики, что позволяет не ограничиваться упрощенными параметризациями, характерными для уравнений классической механики. С использованием таких моделей связано понятие numerical tank [47], характеризующее степень адекватности данного подхода к моделированию, позволяющую сопоставлять результаты расчетов по точности с экспериментами в опытовых бассейнах. В настоящее время такие модели можно реализовать посредством как специализированных программных систем, например [48], так и пакетов расчета динамики сплошных сред общего назначения (включая отечественную разработку Flow Vision [49]). Однако в последнем случае принципиальный аспект состоит в том, как корректно задать граничные условия на поверхности, учитывая физико-статистические свойства морского волнения [50]. Гидромеханические модели можно эффективно применять для решения и специфических задач экстремальной динамики судна, например, моделирования качки поврежденного судна со свободными поверхностями в отсеках [51,52].

Рассматривая всю совокупность перечисленных методов моделирования внешних возмущений (в первую очередь, ветра и волнения), и их воздействий на морские объекты и сооружения, применительно к специфике проекта можно сделать следующие выводы:

·  В настоящее время математический аппарат моделирования экстремальных гидрометеорологических явлений развит существенно более полно, чем использующие его модели динамики морских объектов. В большинстве случаев для применения современных расчетных методов вполне достаточно гидрометеорологической информации в рамках Справочника Регистра издания 1974 г., не смотря на то, что в настоящее время издано новое поколение Справочников Регистра (например, [25]), которые содержат на порядок более детальную информацию, чем их предшественники. Таким образом, в рамках данного проекта целесообразно преодолеть содержательный барьер, применяя методы моделирования морских динамических объектов, позволяющие наиболее полно использовать текущий уровень представлений о физико-статистических свойствах входных воздействий.

·  Безусловный приоритет гидродинамических моделей качки судна с точки зрения их адекватности не является принципиальным преимуществом, исходя из специфики данного проекта, что связано с ресурсоемкостью расчетов и сложностью подготовки исходных данных для них. Потому в рамках проекта целесообразно разработать механизм ранжирования моделей, который бы позволял применительно к конкретной задаче исследовательского проектирования выбирать наиболее подходящую (достаточную) модель, исходя из совокупности пользовательских требований, включая интерактивность, интерпретируемость и пр. В общем случае, эта задача требует особого рассмотрения в рамках концепции создания ИС.

1.2. Аналитический обзор в области нормативно-правовых схем, связанных с использованием Правил классификации в процессе исследовательского проектирования, и смежные правовые вопросы

Поскольку проектная документация на морской объект должна быть согласована с соответствующим Классификационным обществом, при разработке ИС поддержки исследовательского проектирования необходимо провести анализ соответствующих нормативно-правовых схем. Однако это не является определяющим фактором работоспособности самой системы, поскольку, в принципе, на этапе исследовательского проектирования разрабатывается именно концептуальный проект, который сам по себе согласования не требует. Однако если концептуальный проект по отдельным параметрам не будет учитывать требования Классификационного общества, его дальнейшее развитие может обернуться неудовлетворительными результатами (и соответствующими экономическими потерями).

Другим источником риска, связанным с разработками данного проекта, является схема организации самого программного продукта (интеллектуальной системы), обеспечивающая ее эффективную коммерциализацию. Данная проблема требует рассмотрения двух аспектов: (а) собственно схемы продвижения на рынке, обеспечивающей очевидные конкурентные преимущества и доступность продукта и (б) лицензионной чистоты объекта разработки. По условиям проекта, программа коммерциализации должна детально рассматриваться на последнем этапе выполнения проекта. Однако анализ патентной чистоты целесообразно выполнять именно на этапе постановки задачи, поскольку это позволит детализировать требования к ИС в целом.

1.2.1. Анализ нормативно-правовых схем, связанных с использованием Правил классификации в процессе исследовательского проектирования

Нормативно-правовые вопросы в области судостроения регулируются национальными классификационными обществами и рядом международных организаций. Классификационное общество – это организация, занимающаяся присваиванием судам классов по соответствующим классификационным требованиям и занимающиеся надзором за ними во время строительства и эксплуатации [124]. Некоторые классификационные учреждения приведены в табл. 2.

Таблица 2. Перечень ведущих классификационных учреждений

Классификационным обществом в Российской Федерации является Российский Морской Регистр Судоходства [125]. Морской регистр судоходства является государственной организацией, предмет и цели деятельности которого прописаны в Уставе организации. К основным видам деятельности Регистра относятся:

·  Разработка и издание правил по классификации и постройке судов, морских стационарных платформ, изготовлению материалов и изделий для судов.

·  Классификация судов при их проектировании, постройке и эксплуатации.

·  Подтверждение соответствия и классификация различных типов.

·  Учет судов, классифицированных Регистром

·  Освидетельствование судов, выдача для судов, выходящих в заграничное плавание, судовых документов, предусмотренных международными договорами (конвенциями), в том числе проведение освидетельствования ядерных грузовых и ядерных пассажирских судов.

·  Осуществление функций головной организации по унификации оборудования, материалов и изделий для морских судов и морских стационарных платформ различного назначения, связанных с обеспечением безопасности мореплавания, охраны человеческой жизни на море, сохранения морской среды.

·  Осуществление унификации нормативной базы для проектирования, строительства, ремонта, переоборудования, модернизации и эксплуатации морских судов и морских стационарных платформ различного назначения.

·  Разработка в пределах своей компетенции других документов в дополнение и развитие правил, издаваемых Регистром, проведение разъяснений и консультаций в целях их правильного и единообразного применения, а также определение возможности обоснованных отступлений от них.

Всего в список видов деятельности Регистра входит более 30 пунктов. Данная деятельность осуществляется с целью обеспечения безопасности мореплавания судов, используемых в целях торгового мореплавания, морских стационарных платформ различного назначения, охраны человеческой жизни на море, сохранности перевозимых грузов, экологической безопасности, участия организаций и предпринимателей в международном, экономическом, научно-техническом сотрудничестве и международной торговле [126, 127]. Ежегодно все регистрационные общества выпускают регистровые книги, в которых сообщают сведения о техническом состоянии зарегистрированных у них судов. Самой полной регистровой книгой является книга английского Ллойда (LR), который является старейшей организацией такого типа.

Одним из основных видов деятельности национальных регистров является издание правил по классификации и постройке судов. Правила необходимы для того, чтобы информировать пароходства, проектные бюро и судостроительные верфи об условиях классификации. В них содержатся требования к материалам, размеры и условия изготовления деталей корпуса судна, правила монтажа механических и электрических установок, технология выполнения сварки и клепки, правила по оборудованию и оснащению, обеспечению необходимой остойчивости и защиты от пожаров. Кроме того, издаются Правила для особых типов судов и установок (танкеров, рудовозов и судов для массовых грузов, яхт, трюмных холодильных установок и т. д.). Существуют правила, которые относятся к безопасности эксплуатации и движения судов, такие, как правила по обеспечению непотопляемости, правила содержания радио-, теле - и навигационных установок, предписания или рекомендации по размещению грузов — зерна, руды и т. д. Объем правил, публикуемых классификационными организациями, зависит от возложенных на них задач и данных им прав.

При проведении надзора за постройкой на верфи и классификации судов классификационные органы исходят из соответствующей документации. В документах (чертежах, расчетах, описаниях) должны содержаться все данные, которые необходимы для оценки прочности и надежности судна в целом или отдельных установок и частей оборудования. Постройку новых и переоборудуемых старых судов можно производить только после утверждения всей необходимой для этого документации.

При классификации судна исходят из того, что его корпус, установки, оборудование и устройства должны соответствовать требованиям, имеющим юридическую силу. Класс присваивается судну на несколько лет, если оно находится в удовлетворительном состоянии. На судне проводятся регулярные классификационные осмотры — ревизии. Обычно суда осматриваются раз в год на плаву с целью подтверждения класса и каждые 3-5 лет в доке для обновления класса. От этого правила бывают отклонения: суда с более сильным износом и старые, которые уже не имеют наивысшего класса, осматриваются через более короткие промежутки времени. Пассажирские суда раз в год, а грузовые и прочие морские суда один раз между двумя осмотрами по обновлению класса подвергаются осмотру днища в доке. Наряду с этими регулярными ревизиями проводятся также особые ревизии после аварии, пожара или другого повреждения судна [128].

К организациям, занимающимся вопросами безопасности мореплавания на международном уровне, следует, в первую очередь, отнести Международную Морскую Организацию (ИМО) и Международную Организацию Классификационных Обществ (МАКО).

Международная морская организация (ИМО), начавшая функционировать в 1959 году, отвечает за повышение надежности и безопасности судоходства в области международной торговли и за предотвращение загрязнения моря с судов. ИМО обеспечивает механизмы для сотрудничества между правительствами в формировании норм и правил, связанных с техническими вопросами, влияющими на международное судоходство, для содействия принятию максимально осуществимых стандартов безопасности и эффективности морского судоходства, а также для охраны морской среды через предотвращение и борьбу с ее загрязнением судами [129].

Более 40 конвенций и соглашений, а также около тысячи кодексов и рекомендаций, разработанных ИМО, осуществляются в мировом масштабе. Руководящий орган ИМО ­-Ассамблея в составе представителей всех государств-членов, которая созывается раз в два года. Ассамблея избирает Совет из 40 членов, который собирается дважды в год и является исполнительным органом ИМО [130].

Международная Организация Классификационных Обществ является неправительственной организацией, объединившая в 1968 г. ряд крупных национальных классификационных обществ в целях развития сотрудничества между ними в области технического надзора за судами для обеспечения безопасности мореплавания. Деятельность МАКО направлена на унификацию национальных правил классификации, обмера, постройки, эксплуатации и ремонта морских судов, используемых в судостроении материалов, снабжения морских судов техническими средствами (спасательными, противопожарными и т. п.). В соответствии с уставом, членами МАКО могут быть национальные классификационные общества, имеющие не менее 1000 поднадзорных морских судов общей валовой вместимостью свыше 1 млн. тонн; более чем 20-летний срок деятельности в области технического надзора за морскими судами; хорошую морскую репутацию; определенное количество специалистов; регистровую книгу морских судов, а также свои правила и инструкции по вопросам технического надзора за морскими судами, и другие документы. Членами МАКО являются все организации, перечисленные в таблице 2, а также Российский Морской Регистр Судоходства. К органам управления МАКО относится совет, рабочие и корреспондентские группы [131].

Вступление Российского Морского Регистра Судоходства в 1969 г. в МАКО, куда уже входили ведущие классификационные общества мира, потребовало нового подхода к нормативным документам, то есть углубления научной основы для их разработки. В этот период в Регистре стала динамично развиваться научная деятельность.

Сейчас перед Регистром, как и перед другими членами МАКО, встала новая задача - разработка под эгидой ИМО целевых стандартов на проектирование и строительство новых судов и формирование на их основе правил. Данные правила должны обеспечить такое положение, при котором правильно эксплуатируемое и обслуживаемое судно будет оставаться безопасным в течение всего срока эксплуатации. Кроме того, должны быть предусмотрены приемлемые критерии безопасности на основе оценки риска, при этом уровень риска должен соответствовать уровням риска других отраслей промышленности. В этой ситуации повышается роль классификационных обществ, поскольку только они имеют опыт разработки нормативных документов, которые должным образом смогут реализовать целевые стандарты. Примером может служить разработка общих классификационных правил МАКО для новых танкеров и навалочных судов. Принятие классификационными обществами общих правил, разработанных на основе целевых стандартов, делает прозрачными проектные элементы. Принятие общих правил исключит размеры связей и толщин как средства конкуренции между классификационными обществами, а также сделает значительно более безопасными процессы реклассификации и смены флага судна [132].

Разработка общих правил МАКО как единых требований к конструкции и прочности корпуса была обусловлена, прежде всего, необходимостью устранения постоянно возрастающей конкуренции между классификационными обществами, использующими собственные методы оценки безопасности конструкции.

Для создания двух комплектов Общих правил по конструкции и прочности нефтеналивных и навалочных судов под эгидой МАКО были учреждены два совместных проекта: по нефтеналивным судам (Joint Tanker Project - JTP) и по навалочным судам (Joint Bulker Project - JBP).

Будучи вовлеченным, наряду с шестью другими классификационными обществами, в деятельность совместного проекта по навалочным судам, Российский морской регистр судоходства, с привлечением научно-исследовательских организаций, выполнял научно-техническое редактирование Общих правил, а также тестирование содержащихся в них методик и требований с целью их последующего внедрения в практику проектирования судов.

Методология общих правил основана на применении принципиально новых концептуальных подходов к анализу конструктивной прочности корпуса с учетом опыта использования существующих унифицированных требований МАКО и правил классификационных обществ. Структура новых документов является достаточно сложной и предполагает комплексный анализ безопасности и надежности конструкции корпуса с использованием современного программного обеспечения при выполнении многокритериальных расчетов.

На сегодняшний день наиболее актуальной задачей МАКО и одновременно основным требованием морской индустрии является гармонизация двух комплектов правил с точки зрения применяемых технических методик расчета нагрузок, предельной прочности корпуса, устойчивости и усталостной долговечности элементов.

Следует отметить, что совершенствование и актуализация требований Общих правил МАКО и требований национальных классификационных обществ происходит на регулярной основе и диктуется требованиями времени. Разработка Регистром новых требований основывается на формализованной оценке безопасности (FSA), которая является методологической основой для обеспечения безопасной эксплуатации судов [133].

Вопросы формальной оценки безопасности мореплавания находятся в зоне повышенного внимания ИМО и МАКО. С 1993г. вопрос формальной оценки безопасности судна (ФОБС) постоянно рассматривается Комитетом по безопасности ИМО. С 1995г. в ИМО работает группа специалистов, рассматривающая вопросы ФОБС. В работе этой группы принимают участие представители более 30 государств, межправительственных и неправительственных организаций. На 66, 67 и 68 сессиях Комитета по безопасности на море специально создавалась рабочая группа по ФОБС. Результатом явилось принятие на 68-й сессии Комитета «Промежуточного руководства по применению ФОБС в процессе создания Правил ИМО». В подготовке и обмене мнениями по проекту Руководства по ФОБС участвовал и Российский морской регистр судоходства. Кроме того, в рамках МАКО также была создана рабочая группа, изучающая вопросы ФОБС [134].

Расследования морских аварий показали, что растущие цифры потерь судов связываются, с одной стороны, со значительным ростом мирового флота, а с другой стороны, с недооценкой риска мореплавания и с недостаточными мероприятиями (включая меры правового характера) по его снижению. При рассмотрении во время расследования факторов, влияющих на причины аварий, установлено, что основным, порождающим аварии на море фактором, является человеческий фактор.

Исходя из уровня аварийности, а также из данных о причинах аварий, полученных при их расследованиях в странах-членах ИМО, комитеты ИМО, занимающиеся вопросами безопасности мореплавания, уделяют постоянное внимание проблемам обеспечения безопасности международного судоходства. Одним из конкретных результатов такой деятельности ИМО стал Международный кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращением загрязнения (МКУБ), разработанный совместно Комитетом по безопасности на море и Комитетом по защите морской среды и принятый Резолюцией ИМО № А.741(18) от 4 ноября 1993 г. Цель МКУБ - повысить уровень требований действующих стандартов безопасности и защиты окружающей среды. МКУБ, в частности указывает, что самыми важными условиями предупреждения аварий на море являются проектирование, постройка и, особенно, эксплуатация судов надлежащим образом подготовленными экипажами в соответствии с международными конвенциями и стандартами, а также тщательное и всестороннее расследование всех морских аварий с целью выявления типичных причин и складывающихся тенденций в этой сфере [135].

Применение методик ФОБС в совокупности с МКУБ может дать ощутимый эффект повышения безопасности мореплавания, поскольку применение МКУБ в значительной мере позволяет снизить количество ошибок, вызванных человеческим фактором. Классификационные общества - члены МАКО не только контролируют соблюдение стандартов ИМО и МАКО, но и участвуют в создании унифицированных международных требований и руководств, вносят свои предложения по корректировке и разработке документов ИМО. Вместе с тем действия только контролирующих органов, таких как портовый контроль и инспекции классификационных обществ, не приведут к достижению максимального эффекта, если судовладельцы и операторы не примут активного участия в управлении безопасной эксплуатацией судов в рамках МКУБ.

Следует отметить еще ряд нормативных документов, имеющих непосредственное отношение к созданию и эксплуатации морской техники [136]:

·  Международная конвенция об охране человеческой жизни на море 1974г;

·  Международная конвенция о грузовой марке 1966г.;

·  Международная конвенция по предупреждению загрязнения с судов 1973/78гг;

·  Конвенция ООН по морскому праву 1982г.;

·  Международный кодекс проведения расследований аварий и инцидентов на море 1997г.;

·  Положение о порядке классификации, расследования и учета аварийных случаев с судами 1990 г. (ПРАС-90);

·  Инструкцию по применению Положения о порядке классификации, расследования и учета аварийных случаев с судами 1992 г. (ИПРАС-92);

В последнее время вопрос об ответственности классификационных обществ приобрел особую актуальность. Причем возникает все больше ситуаций, когда иски против классификационных обществ выдвигаются лицами, с которыми они не состояли в имущественных отношениях. Кроме того, иски против классификационных обществ предъявляют также государства.

Международно-правовое регулирование режима ответственности классификационных обществ регулируется межправительственными документами ИМО. В 1993 и 1995 гг. соответственно ИМО были приняты резолюции А.739(18) и А.789(19) о порядке делегирования полномочий Администрации флага признанным организациям (классификационным обществам). Данные резолюции определяют международные требования к признанным организациям и содержат минимальные спецификации для организаций по освидетельствованию и выдаче свидетельств.

К нормативным документам Европейского Союза по режиму ответственности между уполномочивающим государством и классификационным обществом относится Директива 94/57/ЕС по общим правилам и стандартам для организаций, занимающихся проверкой и освидетельствованием судов, и соответствующей деятельности морских организаций [137].

Международная ассоциация классификационных обществ (МАКО) выразила свою позицию в отношении положений об ответственности в Директиве 94/57/ЕС. В докладе под названием “Навстречу будущей морской политике Европейского Союза: европейское видение вклада МАКО по проблемам мирового океана” (“Towards a Future Maritime Policy for the Union: A European vision for the ocean and the seas Contribution by International Association of Classification Societies (IACS)”) МАКО выразила свою поддержку в отношении инициатив ЕС по вопросам морской безопасности, однако указала на ряд проблем, касающихся аспектов ответственности. В п.6.2. данного документа говорится о том, что предоставлению услуг классификационных обществ “грозит существенная возможность наложения на них потенциальной неограниченной ответственности за ошибки упущения, не являющиеся грубой небрежностью”. Поэтому члены МАКО призывают внести поправки в положения об ответственности за ущерб, причиненный неумышленными или неосторожными действиями или бездействием признанной организации, содержащиеся в п.6.2. директивы [138].

Анализ нормативно-правовых вопросов в области строительства и эксплуатации судов показывает, что проектирование является одним из самых важных условий предупреждения аварий на море (исключая, естественно, человеческий фактор). При этом изменения каких-либо нормативно-правовых актов, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией судов, проходит тщательную научно-техническую экспертизу как на национальном уровне (в РФ на уровне Научно-технического совета Регистра), так и на международном уровне силами таких авторитетных организаций как ИМО и МАКО. Именно потому подобные документы могут быть использованы для построения статической базы знаний ИС поддержки исследовательского проектирования в рамках данного проекта.

1.2.2. Патентные исследования: анализ лицензионной чистоты

Для успешной коммерциализации объекта разработки необходимо, чтобы решения, применяемые в ИС поддержки исследовательского проектирования, были свободны от прав третьих лиц. В рамках данного проекта при проведении патентных исследований учитывалось, что предмет настоящего обзора в области патентных исследований связан с анализом имеющихся технических решений при создании ИС для морских исследований и технологий, функционирующих на основе достижений ИИ и новых принципов обработки информации в сложных динамических средах.

Патентный анализ показал, что изобретения в области морских систем искусственного интеллекта весьма немногочисленны. Это относится также и к другим предметным областям, где находят применение технологии ИИ. По существу, это новое направление патентных приложений, достаточно слабо поддержанное техническими решениями и получившее развитие не только у нас, но и за границей только в последние 15 – 20 лет после появления экспертных систем в других областях научно-технических приложений. В общем случае все патенты [72-84] можно разделить на три группы, исходя из предметной составляющей:

Задачи, связанные с определением и контролем динамических характеристик морских объектов, особенно остойчивости судов в условиях эксплуатации.

·  Способ контроля остойчивости судна / (RU). Удостоверение, выданное взамен Авторского свидетельства № 000 от 01.01.2001. Способ позволяет осуществлять непрерывный контроль метацентрической высоты судна в условиях эксплуатации. В результате открываются возможности установления фактического положения центра тяжести судна, знание которого необходимо при реализации процедурной компоненты, обеспечивающей математическое моделирование и визуализацию динамических сцен при функционировании базы знаний ИС навигации и управления.

·  Способ контроля остойчивости судна / (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Способ позволяет осуществлять контроль параметров волнения на основе анализа колебательных режимов морского динамического объекта в условиях нерегулярного волнения. Применение этого способа в навигационной системе и развитие основных идей патента позволяет решать важнейшую задачу ее функционирования при оперативной оценке параметров внешней среды. В результате открываются возможности формулировки экстремальных ситуаций при формализации динамической базы знаний ИС.

·  Способ контроля остойчивости судна / (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Способ обеспечивает реализацию процедуры выбора курсового угла движения морского динамического объекта относительно фронта набегающих волн при функционировании базы знаний ИС. Выбор осуществляется на основе алгоритма, позволяющего учесть требования к важнейшим качествам морских сооружений – остойчивости, качке, ходкости и прочности в условиях эксплуатации. Эта процедура может быть реализована при разработке интерфейса «Оператор – ИС» и открывает возможности решения многокритериальных задач при поддержке принятия решений в системах навигации и управления новых поколений.

·  Способ контроля остойчивости и скорости судна / , (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года.

·  Способ контроля остойчивости судна / , (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Способ позволяет реализовать мероприятия по борьбе с обледенением судов и технических средств освоения океана. Алгоритм, обеспечивающий контроль обледенения, может быть реализован в режиме реального времени и использован при контроле экстремальной ситуации, связанной с интенсивным обледенением морских сооружений, эксплуатирующихся в северных широтах.

·  Способ контроля остойчивости судна / , . (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Техническое решение, поддержанные этим патентом, развивает общий подход к контролю параметров морского волнения на основе данных динамических измерений. Основная идея патента состоит в контроле максимумов спектров волнения и построении процедуры идентификации, обеспечивающей надежную оценку параметров набегающего волнения при движении судна на волнении заданной интенсивности. При использовании в бортовой ИС навигации и управления способ может быть доработан на базе концепции климатических спектров морского волнения.

·  Способ контроля скорости судна при обрастании корпуса /. , , (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Способ обеспечивает оперативный контроль влияния обрастания обшивки корпуса на гидродинамическое сопротивление. Использование этого способа в бортовых ИС навигации и управления позволит повысить эффективность использования морских транспортных средств при плавания в районах интенсивного обрастания, приводящего к существенному снижению скорости судна. Способ позволяет разработать логику функционирования базы знаний ИС навигации и управления, позволяющую в зависимости от интенсивности обрастания предусматривать периодическую очистку корпуса и повысить скорость контролируемого динамического объекта.

Задачи определения и контроля мореходных качеств и непотопляемости в бортовых ИС обеспечения безопасности мореплавания судов и плавучих технических средств освоения океана.

·  Способ контроля непотопляемости судна / (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Способ позволяет реализовать встроенную компоненту навигационной ИС, обеспечивающую оперативный контроль и прогноз развития экстремальных ситуаций, связанных с затоплением отсеков судов и плавучих технических средств освоения океана. Используемые процедуры контроля направлены на оценку опасности ситуации, ее идентификации и прогноз развития в условиях непрерывного затопления различных типов отсеков в рамках классической классификации, принятой в морской практике.

·  Способ прогнозирования качки судна / (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Способ обеспечивает прогноз поведения морского ДО при различном уровне внешних возмущений. Основная идея способа состоит в выделении в последовательности нерегулярных колебаний области незначительной качки. Использование этого способа с навигационной ИС позволит обеспечить надежное проведение морских операций в штормовых условиях, в том числе и контроль посадки летательных аппаратов корабельного базирования.

·  Способ контроля мореходности судна / (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Способ основан на обработке данных динамических измерений колебательного движения судна на морском волнении. Мореходные качества, контролируемые на основе этого патента, включают оценку остойчивости, качки, заливаемости и ходкости, а также экстремальных ситуаций, возникающих в штормовых условиях – основной и параметрический резонанс, брочинг, слеминг, характерные режимы движения судов на ограниченном фарватере. Реализация этого способа в бортовых ИС навигации и управления позволит повысить безопасность мореплавания судов и технических средств освоения океана.

·  Способ контроля мореходности судна /, , (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Техническое решение, представленное в этом патенте, развивает основную идею патента № 000 от 01.01.01 года в направлении расширения функциональных возможностей, уточнения и расширения прикладных задач мореходности, используемых в практике эксплуатации морских судов и технических средств освоения океана. Предлагае­мый способ реализуется на основе бортовой ИС, база знаний которой содержит встроенные процедуры математического моделирования и визуализации экстремальных ситуаций.

·  Морской интеллектуальный тренажер / , , (RU). Патент Российской Федерации № 000 от 01.01.01 года. Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эффективности обучения судоводителей методам принятия решений при контроле экстремальных ситуаций. Тренажер является универсальным средством обучения и предназначен для обеспечения подготовки судоводителей при решении задач навигации и управления как в стационарных условиях (тренажерные центры), так и на борту судов и технических средств освоения океана.

Задачи измерения и контроля прочности и вибрации судов активного ледового плавания как нового класса плавучих технических средств освоения ресурсов континентального шельфа.

·  Способ контроля остойчивости и скорости судна / , , (RU). Патент Российской Федерации. № 000 от 01.01.01 года. Способ обеспечивает контроль прочности судна при эксплуатации в ледовых условиях как многорежимной системы управления. Рассматриваются ситуации движения судна в сплошном ледовом поле, битом льду и в торосах. Используемый алгоритм контроля предусматривает возможность износа обшивки корпуса при оценке прочности судна в ледовых условиях. Реализация этого патента в бортовой ИС навигации и управления позволит повысить эффективность судов, предназначенных для освоения континентального шельфа.

·  Способ контроля прочности и вибрации судна и устройство для его осуществления. , , (RU). Патент Российской Федерации. Решение о выдаче патента по заявке № от 27.года. Способ представляет собой расширение функциональных возможностей патента № 000 от 01.01.01 за счет контроля вибрации судна на основе бортовой ИС навигации и управления. Предлагаемые технические решения патента направлены на решение задач контроля прочности и вибрации судна с помощью бортовой ИС в условиях неопределенности и неполноты исходной информации.

Помимо патентов на изобретения в рамках данной темы определенный интерес представляют такие объекты интеллектуальной собственности, как программы для ЭВМ [85-90], предназначенные для моделирования динамики внешней среды и морских объектов.

·  Программная система анализа пространственно-временной изменчивости синоптических образований в атмосфере и океане «ME¢STORMS» / (RU) № от 01.01.01 г. Программная система предназначена для анализа динамики атмосферы и океана и может быть использована при разработке встроенной процедуры моделирования динамики внешней среды при реализации системы поддержки принятия решений в процессе диалога «Оператор – ИС».

·  Программная система оценивания климатических спектров морского волнения «МЕ2SPECTRA» / , , (RU). № от 01.01.01 г. Программная система предназначена для оценки климатических спектров морского волнения при разработке сценариев взаимодействия ДО с внешней средой в экстремальных ситуациях.

·  Программная система расчета режимных характеристик ветра и морского волнения / , (RU). № от 01.01.01 г. Программная система предназначена для расчета характеристик ветра и морского волнения при разработке сценариев взаимодействия ДО с внешней средой в задачах контроля экстремальных ситуаций.

·  Ядро программного комплекса имитационного моделирования экстремальных гидрометеорологических явлений «МЕ¢SIM» / , , (RU). № от 01.01.01 г. Программная система предназначена для обеспечения имитационного моделирования при оценке экстремальных гидрометеорологических явлений, определяющих динамику ветроволновых возмущений.

·  Программная система расчета экстремальных характеристик гидрометеорологических процессов на основе стохастического моделирования «ME¢BOLIVAR» / , , A. (RU). № от 3 октября 2008 г. Программная система предназначена для обеспечения стохастического моделирования при оценке экстремальных характеристик гидрометеорологических процессов, определяющих динамику взаимодействия в системе «Внешняя среда – ДО».

·  Программная система конструирования моделей совместных распределений гидрометеорологических величин «ME¢COUPLES» / , (RU). № от 3 октября 2008 г. Программная система предназначена для конструирования моделей совместных распределений при оценке характеристик внешних возмущений, определяющих динамику взаимодействия в системе «Внешняя среда – ДО».

В ходе выполненного патентного анализа оказалось, что ни один из найденных объектов в полной мере не может считаться аналогом объекта разработки, поскольку или относится к морским интеллектуальным системам другого класса (в первую очередь – к бортовым системам или интеллектуальным тренажерам), или оперирует только отдельными задачами (например, моделированием отдельных классов гидрометеорологических процессов). Таким образом, можно утверждать, что на настоящий момент не найдено прямых аналогов объекта исследований по функциональным характеристикам, что делает возможным выполнение независимой разработки. Однако повторный патентный поиск должен быть проведен на завершающем этапе работ.

Следует отметить, что ряд объектов, перечисленных в данном разделе, могут использоваться как готовые компоненты для ИС поддержки исследовательского проектирования. Однако в терминологии документа [91] ИС тогда будет являться сложным объектом, включающим несколько результатов охраняемой интеллектуальной деятельности, что потребует разработки дополнительных механизмов ее легитимной коммерциализации (эта работа запланирована на заключительный этап проекта).

1.3. Обобщение результатов предыдущих НИОКР – научный задел коллектива разработчиков

В гг. коллективом разработчиков данного отчета были выполнены три НИОКР в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на годы», непосредственно относящиеся к теме данной работы:

·  Высокопроизводительный программный комплекс моделирования и прогноза экстремальных гидрометеорологических явлений и расчета воздействий на морские объекты и сооружения (НИР).

·  Разработка инструментальной оболочки проектирования высокопроизводительных приложений для Грид-архитектур в целях создания прикладных сервисов компьютерного моделирования и обработки данных (НИР).

·  Создание высокопроизводительного программного комплекса для квантово-механических расчетов и моделирования наноразмерных структур и комплексов (ОКР).

Следует отметить, что, несмотря на то, что только первый проект имеет непосредственное отношение к предметной области проекта, все перечисленные выше разработки могут быть учтены при выполнении дальнейших исследований, поскольку они содержат определенные технологические (программные) решения, которые целесообразно, при определенной доработке, использовать при разработке ИС поддержки исследовательского проектирования.

1.3.1. Высокопроизводительный программный комплекс моделирования экстремальных гидрометеорологических явлений ME2SIM

В инженерной практике экстремальные гидрометеорологические явления характеризуются расчетными сочетаниями скоростей ветра, параметров волнения, скоростей течений и уровня моря, возможными 1 раз в лет, где соответствует классу сооружения. Современная концепция получения информации об экстремальных гидрометеорологических явлениях основана на синтетическом подходе: на основе упорядоченных массивов метеорологической информации за несколько десятков лет выполняется гидродинамическое моделирование полей течений, морского волнения и уровня моря. Эти данные используются для идентификации стохастической модели, на основе которой выполняется экстраполяция расчетных характеристик на период повторяемости T. Практическая реализация концепции расчета характеристик экстремальных гидрометеорологических явлений требует сочетания в одном программном комплексе набора взаимосвязанных функциональных компонент, отвечающих за основные этапы гидродинамического и статистического моделирования. Поскольку компоненты основаны на различных математических моделях и используют различные программные технологии, то принципиальной проблемой является организация взаимодействия (как между компонентами, так и внутри них) таким образом, чтобы обеспечить наиболее эффективное использование ресурсов вычислительной системы.

Программный комплекс ME2SIM является отдельным композитным приложением, в состав которого входит модуль, реализующий некоторые интеллектуальные функции. Это обусловлено тем, что в решаемой задаче состав и последовательность взаимодействия программных компонентов является строго определенным. Потому цели интеллектуализации сводятся только к задаче управления параллельными вычислительными процессами для формирования оптимальной динамической архитектуры. Это позволяет автоматизировать процесс принятия решения, основываясь на наборе знаний, определяющих возможности используемых вычислительных сервисов, а также данных, характеризующих как решаемую в данный момент задачу, так и саму программно-аппаратную вычислительную среду. Оптимальность решения оценивается временем, затраченным на вычисления, проводимые по выбранной схеме. Сложность принятия решений в данном случае определяется разнообразием способов распараллеливания для каждого из используемых вычислительных модулей, отсутствием надежных моделей, описывающих параллельную производительность, а также динамикой вычислительной среды (изменение приоритетов работающих процессов, производительности узлов и пропускной способности каналов и пр.).

Применение интеллектуальных технологий для построения оптимальной динамической архитектуры позволило существенно повысить параллельную производительность расчетов. Например, для Каспийского моря на 128 узлах эффективность композитного приложения составила около 70%, в то время как без использования интеллектуальной составляющей композитное приложение становится неэффективным уже на 32 вычислителях. Подробнее данный проект описан, например, в [92-95].

1.3.2. Инструментальная оболочка проектирования высокопроизводительных приложений в среде Грид iPEG

Инструментальная оболочка iPEG представляет собой интеллектуальную систему поддержки принятия решений разработчиков приложений в распределенных вычислительных средах. В отличие от традиционных систем визуального прототипирования, iPEG обеспечивает автоматизацию самого процесса проектирования, формируя оптимальную по производительности структуру композитного приложения на основе пользовательского описания в терминах предметной области. Пользователю предоставляется возможность создать структуру параллельного композитного приложения (выполнение операций декомпозиции, связывания, агломерации) посредством визуального проектирования с использованием графического языка. Системой выполняется мониторинг среды выполнения с целью выяснения различных ее характеристик, таких как: пропускная способность сети, вычислительные мощности отдельных вычислительных узлов и их доступность, права на исполнение приложений и пр. На основании этих данных производится моделирование процесса исполнения приложения с целью прогнозирования его производительности на этапе проектирования и построения оптимального расписания его выполнения. По расписанию выполняется автоматическая генерация композитного приложения, а также сопутствующих файлов, необходимых для выполнения заданного приложения в Грид.

Поскольку в общем случае преимущества выбора механизмов (или их комбинации) формирования оптимальной архитектуры неочевидны в силу относительно слабой формализации требований и ограничений, изменчивости внешней среды (в данном случае – инфраструктуры Грид) и неопределенности характеристик задачи, оболочка iPEG реализует решение задачи проектирования средствами искусственного интеллекта. Для этого используются экспертные знания о производительности прикладных Грид-сервисов, предоставляемые их разработчиками при регистрации сервиса в Грид, например, в форме параметрической модели времени выполнения в зависимости от параметров задачи и характеристик вычислительной системы. Используя данные мониторинга текущего состояния Грид и известные характеристики пользовательской задачи, на основе этих знаний оценивается время выполнения конкретных сервисов, т. е. формируется набор активных фактов, описывающих различные альтернативы. Эти факты используются для построения системы конкурирующих расписаний; при этом конкуренция обусловлена как различными эвристиками, применяемыми для ускорения процесса построения расписания, так и разнообразием схем распараллеливания в силу применения различных способов распределения данных, балансировки и других механизмов управления параллельной производительностью. Как следствие, выбор оптимального расписания требует выполнения процедуры сопоставления альтернатив путем их ранжирования в условиях неопределенности входных данных, стохастической изменчивости параметров Грид и экспертного характера знаний о производительности.

Таким образом, оболочка iPEG представляет собой основу для распределенной интеллектуальной системы, однако без специфической предметной ориентации. Подробнее данный проект описан в работах [96-99].

1.3.3. Высокопроизводительный программный комплекс квантово-механических расчетов и моделирования наноразмерных атомно-молекулярных структур HPC-NASIS

Высокопроизводительный программный комплекс HPC-NASIS предназначен для проведения расчетов из первых принципов общего характера и для компьютерного моделирования и расчёта наноструктур и наноматериалов с наперед заданными свойствами, а также их поведения в различных условиях эксплуатации, включая основные приоритетные направления развития работ в области нанотехнологий. Он обеспечивает моделирование электронной структуры и расчет ряда физических характеристик исследуемых наносистем и наноустройств, включая энергию возбужденных состояний, силу осцилляторов электронных переходов, плотность фононных состояний, оптические и фотоэлектрические свойства ансамблей наночастиц, степень усиления или подавления комбинационного рассеяния, флуоресценции, переноса возбуждения, транспортные свойства нанотрубок и пр.

Взаимодействие компонентов программного комплекса регламентируется подходом SaaS (Software as a Service), реализуемым посредством SOA. Это дает возможность объединять вместе программные компоненты (как отдельные «черные ящики» - сервисы), разработанные разными авторами, реализованными на различных технологиях и имеющие различную форму распространения и поддержки, интерпретируя их как web-сервисы.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4