ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΕΥΑΓΓΕΛΙΑΣ Π. ΛΟΥΚΟΓΕΩΡΓΑΚΗ Διπλωματούχου Πολιτικού Μηχανικού ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΗΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΠΛΩΤΩΝ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2007
ΕΥΑΓΓΕΛΙΑΣ Π. ΛΟΥΚΟΓΕΩΡΓΑΚΗ Διπλωματούχου Πολιτικού Μηχανικού ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΗΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΠΛΩΤΩΝ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Τομέας Υδραυλικής και Τεχνικής Περιβάλλοντος Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: 20 Ιουνίου, 2007 Εξεταστική Επιτροπή: Καθηγητής Δ. Αγγελίδης, Επιβλέπων Καθηγητής X. Κουτίτας, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής Γ. Μανώλης, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής Β. Πετρίδης, Εξεταστής Καθηγητής Π. Αναγνωστόπουλος, Εξεταστής Καθηγητής Ι. Γκανούλης, Εξεταστής Καθηγητής Κ. Μέμος, Εξεταστής
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η διαμόρφωση ενός ολοκληρωμένου συστήματος αναγνώρισης και βέλτιστης, υπό την έννοια ικανοποίησης των επιμέρους απαιτήσεων - συνιστωσών σχεδιασμού, ρύθμισης της συμπεριφοράς και της αποτελεσματικότητας του κλασσικού τύπου των πλωτών κυματοθραυστών (αγκυρωμένοι πλωτήρες ορθογωνικής διατομής), υπό τη θεώρηση ύπαρξης μεμονωμένου πλωτού σώματος. Το προτεινόμενο σύστημα αντανακλά την ανάπτυξη και υιοθέτηση μίας νέας «δυναμικής μεθόδου σχεδιασμού» των πλωτών κυματοθραυστών. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή η αύξηση της αποτελεσματικότητας του πλωτού κυματοθραύστη στο μεγαλύτερο δυνατό βαθμό λαμβάνεται υπόψη ως πρωταρχική απαίτηση, ως στόχος σχεδιασμού, ενώ η απαίτηση για αποφυγή αστοχίας των καλωδιώσεων αγκύρωσης και έντονης επιπόνησης αυτών λαμβάνονται ως πρωτεύων και δευτερεύων περιορισμός αντίστοιχα. Επιπλέον, η βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς και της αποτελεσματικότητας του πλωτού κυματοθραύστη επιτυγχάνεται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του, μέσω της επί τόπου άμεσης εκμετάλλευσης και μεταβολής της δυσκαμψίας και της συρτικής απόσβεσης των καλωδιώσεων αγκύρωσης και κατ" επέκταση των δυναμικών αποκρίσεων και των λοιπών δυναμικών χαρακτηριστικών της αγκυρωμένης πλωτής κατασκευής. Κλειδί για την ανάπτυξη του παραπάνω συστήματος αποτελεί η κατάλληλη και ολοκληρωμένη αριθμητική μοντελοποίηση της υδροδυναμικής συμπεριφοράς και της αποτελεσματικότητας του αγκυρωμένου πλωτού κυματοθραύστη, η οποία πραγματοποιείται μέσω συζευγμένης εφαρμογής δύο επιμέρους αριθμητικών μοντέλων. Το πρώτο μοντέλο σχετίζεται με την υδροδυναμική ανάλυση του πλωτού σώματος, η οποία πραγματοποιείται σε πεδίο συχνοτήτων και σε τρεις διαστάσεις (επίδραση πεπερασμένου μήκους), υπό την επίδραση γραμμικών κυματισμών, προσομοιώνοντας πλήρως το πρόβλημα της περίθλασης των κυματισμών γύρω από το πλωτό σώμα και το πρόβλημα των ακτινοβολούμενων εξαιτίας της κίνησης του σώματος κυματισμών. Το δεύτερο αριθμητικό μοντέλο αφορά στην ανάλυση της στατικής και της δυναμικής, σε πεδίο συχνοτήτων, συμπεριφοράς του συστήματος των καλωδιώσεων αγκύρωσης. Στο μοντέλο αυτό ο υπολογισμός τόσο της δυσκαμψίας των καλωδιώσεων αγκύρωσης, που σχετίζεται με την προκαλούμενη λόγω των στατικών μετακινήσεων του πλωτού κυματοθραύστη μεταβολή των στατικών εντάσεων αυτών, όσο και της συρτικής απόσβεσης των καλωδιώσεων αγκύρωσης πραγματοποιείται κατόπιν αναλυτικής εξαγωγής εξισώσεων υπολογισμού των αντίστοιχων μητρώων στους έξι βαθμούς ελευθερίας του
πλωτού σώματος. H συζευγμένη εφαρμογή των δύο παραπάνω αριθμητικών μοντέλων συνίσταται στην υιοθέτηση κατάλληλης επαναληπτικής διαδικασίας, η οποία αναπτύσσεται στην παρούσα διατριβή, ώστε να υπάρχει σύγκλιση τόσο στις τιμές των σταθερών δυνάμεων δευτέρας τάξης όσο και στις τιμές των αποκρίσεων της πλωτής κατασκευής. H επικύρωση των αριθμητικών μοντέλων μέσω σύγκρισης με αριθμητικά και πειραματικά αποτελέσματα άλλων ερευνητών καταδεικνύει την εγκυρότητα και την αξιοπιστία τους και τη δυναμική συμβολή αυτών, καθώς και των εξαγόμενων εξισώσεων υπολογισμού της δυσκαμψίας και της συρτικής απόσβεσης των καλωδιώσεων αγκύρωσης και της υιοθετούμενης διαδικασίας σύζευξης στην ολοκληρωμένη και αποτελεσματική προσέγγιση του φυσικού προβλήματος. Τα δύο παραπάνω αριθμητικά μοντέλα μέσω της διαδικασίας σύζευξής τους εφαρμόζονται για την υλοποίηση εκτεταμένων παραμετρικών αναλύσεων, στοχεύοντας: (α) στην ολοκληρωμένη και αριθμητικά τεκμηριωμένη κατανόηση του φυσικού προβλήματος, δηλαδή της μεταβολής της υδροδυναμικής συμπεριφοράς και της αποτελεσματικότητας του αγκυρωμένου πλωτού κυματοθραύστη ώστε να ικανοποιούνται οι επιμέρους συνιστώσες (στόχος και περιορισμοί) του σχεδιασμού του, (β) στην κατάδειξη της δυνατότητας ανάπτυξης και διαμόρφωσης του προτεινόμενου στην παρούσα διδακτορική διατριβή συστήματος και (γ) στην εξαγωγή των απαιτούμενων για την ανάπτυξη του εν λόγω συστήματος δεδομένων. Συγκεκριμένα στις εν λόγω παραμετρικές αναλύσεις, θεωρείται η διάταξη ενός, ήδη τοποθετημένου σε θαλάσσια περιοχή, πλωτού κυματοθραύστη, ο οποίος αποτελείται από μεμονωμένο πλωτό σώμα συγκεκριμένων γεωμετρικών χαρακτηριστικών και αγκυρώνεται στον πυθμένα με καλωδιώσεις αγκύρωσης συγκεκριμένων χαρακτηριστικών. H προαναφερθείσα διάταξη του κυματοθραύστη μεταβάλλεται στη συνέχεια μέσω τροποποίησης του ολικού μη διατεταμένου μήκους των καλωδιώσεων αγκύρωσης (L tot ), με τρόπο που να επιφέρει ταυτόχρονη μεταβολή του βυθίσματος του πλωτού σώματος. Τα αριθμητικά αποτελέσματα των παραμετρικών αναλύσεων καταδεικνύουν, ότι η παραπάνω διαδικασία μεταβολής, η οποία οδηγεί στη διαμόρφωση διαφορετικών συνθηκών (καταστάσεων) των καλωδιώσεων αγκύρωσης, επιφέρει μεταβολή της δυσκαμψίας και της συρτικής απόσβεσης αυτών, με άμεσο αποτέλεσμα τη μεταβολή της υδροδυναμικής συμπεριφοράς και της αποτελεσματικότητας του πλωτού κυματοθραύστη (μεταβολή ιδιοσυχνοτήτων b μεταβολή δυναμικών αποκρίσεων b μεταβολή ακτινοβολούμενων κυματισμών).
Επιπλέον, καταδεικνύεται η δυνατότητα επιλογής βέλτιστης, υπό την έννοια ικανοποίησης των συνιστωσών σχεδιασμού, διάταξης του πλωτού κυματοθραύστη. H εν λόγω επιλογή πραγματοποιείται για συγκεκριμένη διεγερτική κυματική συχνότητα μέσω ανάπτυξης και υιοθέτησης μίας συγκεκριμένης διαδικασίας αποφάσεων, λαμβάνοντας υπόψη την αύξηση της αποτελεσματικότητας ως στόχο σχεδιασμού και την απαίτηση για αποφυγή αστοχίας των καλωδιώσεων αγκύρωσης και έντονης επιπόνησης αυτών ως πρωτεύοντα και δευτερεύοντα περιορισμό αντίστοιχα. H παραπάνω διαδικασία αντικατοπτρίζεται στο Πλαίσιο Αποφάσεων που διαμορφώνεται, για την επιλογή της βέλτιστης διάταξης του πλωτού κυματοθραύστη στην περίπτωση κάθετης πρόσπτωσης κυματισμών, το οποίο αποτελεί και τη βάση για την ανάπτυξη και τη διαμόρφωση του προτεινόμενου στην παρούσα διδακτορική διατριβή συστήματος. Παράλληλα, για συγκεκριμένη κυματική συχνότητα, αποδεικνύεται η ύπαρξη μονοσήμαντης αμφίδρομης σχέσης μεταξύ των αποκρίσεων του πλωτού κυματοθραύστη και του μήκους, L tot, των καλωδιώσεων αγκύρωσης, καθώς επίσης και η γενικότερη εξάρτηση, με μονοσήμαντο τρόπο, όλων των φυσικών μεγεθών περιγραφής της υδροδυναμικής συμπεριφοράς και της αποτελεσματικότητας αυτού από την παραπάνω μεταβλητή. Επομένως, η συμπεριφορά και η αποτελεσματικότητα του πλωτού κυματοθραύστη ή ισοδύναμα η κατάσταση αυτού, για κάθε κυματική συχνότητα, μπορεί να περιγραφεί από την αντίστοιχη τιμή του L tot. Το εν λόγω, λοιπόν, ολοκληρωμένο σύστημα αναγνώρισης και βέλτιστης ρύθμισης της συμπεριφοράς και της αποτελεσματικότητας αγκυρωμένων πλωτών κυματοθραυστών επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς και της αποτελεσματικότητας των εν λόγω κατασκευών μέσω μεταβολής της τρέχουσας (για τη συγκεκριμένη κυματική συχνότητα) τιμής του ολικού μη διατεταμένου μήκους των καλωδιώσεων αγκύρωσης, L tot cur, σύμφωνα με τη διαδικασία που αναφέρθηκε προηγουμένως και λαμβάνοντας ως δεδομένα τις τιμές των πλατών των επιταχύνσεων του πλωτού κυματοθραύστη και την τρέχουσα κυματική συχνότητα. Το σύστημα αυτό αποτελείται από δύο επιμέρους, άμεσα συνδεδεμένες, συνιστώσες. H πρώτη συνιστώσα σχετίζεται με την αναγνώριση της υφιστάμενης κατάστασης του πλωτού κυματοθραύστη, η οποία περιγράφεται από την τιμή L tot cur. H συνιστώσα αυτή υλοποιείται αριθμητικά μέσω χρήσης Τεχνητού Νευρωνικού Δικτύου (ΤΝΔ) τύπου Multi-Layer Perceptron (MLP), κατόπιν έκφρασης του προβλήματος της αναγνώρισης της υφιστάμενης κατάστασης του πλωτού κυματοθραύστη ως προβλήματος κατηγοριοποίησης προτύπων, γεγονός που επιτρέπει την ορθή επίλυση του εν λόγω φυσικού προβλήματος, μέσω
αποτελεσματικής αντιμετώπισης των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών - δυσκολιών του προβλήματος αυτού (αδυναμία διαμόρφωσης της συνάρτησης απεικόνισης μεταξύ αιτιατού και αιτίου σε αναλυτική μορφή, διακριτή μορφή συνάρτησης απεικόνισης). Ως στοιχεία των διανυσμάτων προτύπων λαμβάνονται το μέτρο των πλατών των επιταχύνσεων του πλωτού κυματοθραύστη και η τρέχουσα κυματική συχνότητα. Ορισμένοι από τους παράγοντες που σχετίζονται με τη δομή και τη λειτουργία του MLP, όπως για παράδειγμα η μορφή και το είδος του διανύσματος εισόδου και εξόδου του MLP, των κριτηρίων απόδοσης κ.λ.π., καθορίζονται με αναλυτικό και τεκμηριωμένο τρόπο. Επιπλέον, η επιλογή του βέλτιστου αλγορίθμου εκπαίδευσης του MLP, καθώς και της βέλτιστης αρχιτεκτονικής και των βέλτιστων τιμών των συναπτικών βαρών και των κατωφλιών αυτού πραγματοποιείται μέσω ανάπτυξης μίας συμπαγούς μεθοδολογίας, λαμβάνοντας υπόψη ως δεδομένα τα αποτελέσματα των παραμετρικών αναλύσεων για την περίπτωση της κάθετης πρόσπτωσης κυματισμών. Με βάση την υφιστάμενη κατάσταση του πλωτού κυματοθραύστη, L tot cur, και την τρέχουσα κυματική συχνότητα, η δεύτερη συνιστώσα του προτεινόμενου συστήματος περιλαμβάνει τον υπολογισμό της νέας βέλτιστης κατάστασης του πλωτού κυματοθραύστη (L opt cur tot ) και της αντίστοιχης απαιτούμενης μεταβολή του L tot (ΔL opt tot ), ώστε να ικανοποιούνται ο στόχος και οι περιορισμοί σχεδιασμού του. H συνιστώσα αυτή υλοποιείται αριθμητικά μέσω ανάπτυξης ενός αλγορίθμου βελτιστοποίησης, ο οποίος επιτρέπει τη διαμόρφωση επιμέρους υποσυνόλων εφικτών και μη εφικτών λύσεων, με βάση τον υπολογισμό και την αποτίμηση των τιμών της αντικειμενικής συνάρτησης και των περιορισμών, σε δύο επιμέρους στάδια. Συγκεκριμένα, στο πρώτο στάδιο ως νέα βέλτιστη κατάσταση του πλωτού κυματοθραύστη θεωρείται εκείνη η οποία επιφέρει ελαχιστοποίηση της διαδιδόμενης κυματικής ενέργειας στην περιοχή κατάντη του πλωτού κυματοθραύστη (βέλτιστη ικανοποίηση στόχου σχεδιασμού) και ταυτόχρονα ικανοποιεί τους πρωτεύοντες φυσικούς περιορισμούς των καλωδιώσεων αγκύρωσης (απαίτηση για αποφυγή αστοχίας του πλωτού συστήματος). Ωστόσο, εάν περισσότερες από μία καταστάσεις του πλωτού κυματοθραύστη μπορούν να επιφέρουν μείωση της διαδιδόμενης m κυματικής ενέργειας κάτω από προκαθοριζόμενα ελάχιστα επιθυμητά όρια (K b min ), ο δευτερεύων περιορισμός των καλωδιώσεων αγκύρωσης λαμβάνεται υπόψη (απαίτηση για αποφυγή έντονης επιπόνησης του πλωτού συστήματος) και υλοποιείται το δεύτερο στάδιο του αλγορίθμου βελτιστοποίησης. Στην περίπτωση αυτή, ως νέα βέλτιστη κατάσταση του πλωτού κυματοθραύστη θεωρείται εκείνη η οποία επιφέρει ελαχιστοποίηση των δυνάμεων που ασκούνται στο σημείο
αγκύρωσης και ταυτόχρονα ικανοποιεί τους προαναφερθέντες πρωτεύοντες φυσικούς περιορισμούς των καλωδιώσεων αγκύρωσης. H παραπάνω βέλτιστη κατάσταση οδηγεί σε μείωση της διαδιδόμενης κυματικής ενέργειας κάτω από τα προκαθοριζόμενα ελάχιστα επιθυμητά όρια (ικανοποίηση στόχου σχεδιασμού), χωρίς να αποκλείεται και η ταυτόχρονη επίτευξη ελαχιστοποίησης της διαδιδόμενης κυματικής ενέργειας. Ο εν λόγω αλγόριθμος, παρόλη την απλότητά του, επιτρέπει την αποτελεσματική επίλυση του αντίστοιχου φυσικού προβλήματος, καθώς είναι προσαρμοσμένος στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά προβλήματος αυτού (πρόβλημα βελτιστοποίησης σε δύο επιμέρους διαδοχικά στάδια, δύο επιμέρους προβλήματα μονοδιάστατης βελτιστοποίησης διακριτής μορφής με περιορισμούς). Παράλληλα, εκτός από τον παραπάνω αλγόριθμο βελτιστοποίησης, η αριθμητική μοντελοποίηση της δεύτερης συνιστώσας του προτεινόμενου συστήματος, περιλαμβάνει Πίνακες Αναζήτησης, για τον υπολογισμό των μεγεθών που εμπλέκονται στο πρόβλημα βελτιστοποίησης. Οι δύο παραπάνω συνιστώσες χρησιμοποιούνται και για την τελική διαμόρφωση του συνολικού, ολοκληρωμένου αριθμητικού μοντέλου του προτεινόμενου συστήματος. H εφαρμογή του εν λόγω μοντέλου για την περίπτωση προσπιπτόντων κυματισμών κάθετης διεύθυνσης και η επικύρωση του προτεινόμενου συστήματος για την εφαρμογή αυτή αποδεικνύουν την δυναμική και την ακρίβεια του προτεινόμενου συστήματος στον υπολογισμό των εξαγόμενων αποτελεσμάτων. Επιπλέον, η παραπάνω εφαρμογή καταδεικνύει τη δυνατότητα του εν λόγω συστήματος για τη διαμόρφωση καμπυλών σχεδιασμού που σχετίζονται με τη βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς και της αποτελεσματικότητας του πλωτού κυματοθραύστη. Για συγκεκριμένη τιμή του K b m min, οι καμπύλες αυτές απεικονίζουν για κάθε τιμή της αδιάστατης κυματικής συχνότητας, την επιτευχθείσα αύξηση της ασφάλειας του πλωτού κυματοθραύστη και την αντίστοιχη επιτευχθείσα μείωση της αποτελεσματικότητας αυτού, σε σχέση με την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα (μέγιστη δυνατή αποτελεσματικότητα) που επιτυγχάνονται χωρίς να λαμβάνεται υπόψη ο δευτερεύων περιορισμός των καλωδιώσεων αγκύρωσης. H παραπάνω επιτευχθείσα αύξηση της ασφάλειας της πλωτής κατασκευής και η αντίστοιχη μείωση της μέγιστης δυνατής αποτελεσματικότητας αυτής μπορούν να εμφανιστούν στις περιπτώσεις, όπου η ελαχιστοποίηση της επιπόνησης των καλωδιώσεων αγκύρωσης έναντι της ελαχιστοποίησης της διαδιδόμενης κυματικής ενέργειας, θεωρείται ως ο καθοριστικός παράγοντας για τον προσδιορισμό της τελικά βέλτιστης κατάστασης του πλωτού κυματοθραύστη.