Реализация основной задачи проектирования в рамках САПР

Основное содержание проектирования – обоснование принимаемых технических решений. При проектировании судовой энергетической установки обосновывается выбор: типа СЭУ, типоразмеров главного двигателя, агрегатов судовой электростанции (СЭС) и вспомогательной котельной установки (ВКУ), схемы передачи мощности от двигателя к движителю и схем энергетических систем, типоразмеров вспомогательного оборудования (насосов, теплообменных аппаратов, сепараторов), арматуры, трубопроводных элементов и др. Собственно выбор и его обоснование и составляют единственное содержание проектирования СЭУ. Прочие, весьма многочисленные и трудоемкие расчеты, графиче­ские построения и экспликации нужны лишь постольку, поскольку они способствуют этому обоснованию или документируют его.

По каждому из выбираемых технических решений могут быть предло­жены несколько вариантов – технически допустимых, способных удовлетворить определенную потребность в рамках судна, СЭУ, энергетического комплекса или системы, не противоречащих существующим ограничениям и отличающихся параметрами, составом или схемой. Очевидно, что среди альтернативных вариантов выбирается техническое решение, предпочтительное по тем или иным соображениям.

Если решение принимается на основе анализа поведения критериев эффективности в области допустимых значений параметров, речь идет об оптимизации, а отобранное решение, соответствующее гарантированно лучшему значению критерия эффективности, называют оптимальным или экстремальным, соответствующим экстремуму функции цели. Иногда выбирают решение не самое оптимальное, но предпочти­тельное по некоторым другим соображениям, не учитываемым критерием эффективности, например, определенно доступное. Такое решение называют рациональным. При любой постановке задачи анализируются значения критериев эффективности, поэтому процесс обоснования технических решений часто называют оптимизацией, или математическим программированием.

СЭУ – подсистема сложной технической системы – судна, поэтому технические решения по СЭУ должны оптимизировать судно в целом – уровень иерархической системы, на котором эффективность реализуется в виде достижения наивысшей прибыли, либо наименьших затрат на перевозку груза, либо другого выражения эффективности в зависимости от назначения судна. В связи с этим при обосновании решений по СЭУ говорят о системной оптимизации – принятии решений, обеспечивающих достижение наивысшей эффективности судна в целом.

Таким образом, системная оптимизация - основное содержание проектирования СЭУ. При автоматизированном проектировании оптими­зация происходит на основе анализа оптимизационной модели – программного комплекса, обеспечивающего определение критерия эффективности для вариантов СЭУ, которые отличаются анализируемыми техническими решениями.

Оптимизационная модель в общем случае должна включать в себя следующие части:

• математическую модель объекта проектирования – программу, связывающую контролируемые технические параметры СЭУ, изменяю­щиеся при изменении варианта оптимизируемого технического решения, с внешними системно-важными параметрами СЭУ, изменение которых оказывает как прямое влияние на составляющие критерия эффективности, так и опосредованное через изменение параметров других подсистем и судна в целом;
• модель системы ограничений – программу(ы), обеспечивающую про­верку допустимости вариантов СЭУ, отличающихся анализируемыми техническими решениями;
• модель критерия эффективности – программу, связывающую системные параметры объекта проектирования с признаком предпочтительности варианта технического решения - критерием эффективности.

Ниже рассмотрены составляющие оптимизационных моделей для обоснования технических решений по судовой энергетике, в том числе: в гл. 2 – математические модели для экономического анализа при проектировании СЭУ; в гл. 4 и 5 – модели для оптимизации технических решений по СЭУ на этапах эскизного и технического проектирования.

Основным методом проектирования СЭУ при любой технологии было и остается ее комплектование из стандартных и унифицированных элементов, развитых в типоразмерные ряды. Для типоразмерного (параметрического) ряда характерно закономерное, в соответствии с принятой системой градации, изменение обычно одного, реже нескольких главных параметров. Обычно это параметры назначения или связанные с ними конструктивные или геометрические параметры. Типоразмеры в параметрическом ряду ранжированы в соответствии с изменением главного параметра. Порядковый номер типоразмера в ряду однозначно определяет его характеристики – параметры назначения и другие характеристики и является той целочисленной переменной, которая варьируется при выборе типоразмера из ряда.

В качестве примера в табл.1.1 приведены данные по типоразмерному ряду шестеренных насосов типа ШФ: J – индекс типоразмерного насоса; марка насоса; Qн – номинальная подача, м3/ч; Pн – номинальный напор, МПа; n – номинальная частота, об/мин; Nн – мощность привода насоса, кВт; L – длина, мм; B – ширина, мм; H – высота, мм; Gс – сухая масса насоса, кг.

Таблица 1.1 Характеристики типоразмеров шестеренных насосов

Индекс типоразмера насоса (или соответствующая ему марка) однозначно определяет комплекс характеристик данного типоразмера и может служить целочисленной переменной, соответствующей этому комплексу свойств. Целочисленность большинства варьируемых переменных является особенностью оптимизации СЭУ.

Отмеченное нисколько не ограничивает эту особенность исключительно областью проектирования СЭУ. Для судов это также характерно: например, шпация является целочисленным измерителем длины судов, так как по длине укладывается целое число шпаций; для листов обшивки характерны определенные толщины в соответствии с сортаментом и др. Однако для СЭУ – это основное правило, а для корпуса это – не частое явление. В то же время и для СЭУ могут быть указаны непрерывные диапазоны параметров, однако здесь этот тип переменных достаточно редок. Это определяет особенности моделей поиска оптимального сочетания контролируемых параметров – применяемые методы математи­ческого программирования. Для оптимизации параметров корпуса судна в [1] рекомендуются метод сопряженных направлений и его реализации в виде пакета прикладных программ «Пауэлл». В условиях преимущественно целочисленных переменных градиентные методы не гарантируют достижения ни глобальных, ни даже локальных экстремумов. Здесь более эффективны методы случайного поиска и их реализации в виде пакета «Slp».

Кроме этого для выбора типоразмеров большинства типов обору­дования СЭУ из типорядов довольно часто допустима их независимая оптимизация, что позволяет проводить оптимизацию методом перебора вариантов.

Важной проблемой является стохастический характер ряда параметров окружающей среды и конъюнктуры рынка [7], [8], когда даже сравнение вариантов не всегда возможно. Эта проблема рассмотрена в параграфе 1.4.