Parallel processing based on ship maneuvering in identification of interaction force coefficients

The parallel processing based on the free running model test was adopted to predict the interac-tion force coefficients (flow straightening coefficient and wake fraction) of ship maneuvering. And the multi-population genetic algorithm (MPGA) based on real coding that can contemporarily process the data of freerunning model and simulation of ship maneuvering was applied to solve the problem. Accordingly the optimalindividual was obtained using the method of genetic algorithm. The parallel processing of multi-populationsolved the prematurity in the identification for single population, meanwhile, the parallel processing of the dataof ship maneuvering (turning motion and zigzag motion) is an attempt to solve the coefficient drift problem.In order to validate the method, the interaction force coefficients were verified by the procedure and thesecoefficients measured were compared with those ones identified. The maximum error is less than 5%, and theidentification is an effective method.     

内河船舶避碰路径优化研究

内河船舶碰撞事故导致重大生命及财产损失，已经引起人们的高度关注．提出一种内河船舶自动避碰路径优化的研究方法，建立了内河船舶操纵运动数学模型，将遗传算法运用到内河船舶避碰路径选优中，提出内河船舶避碰路径优化准则，并构建一种考虑内河航道中运动船舶及障碍物的适应度函数．优化结果表明了本方法的可行性。     

Investigation on maneuverability of a twin-screw ship driven by one screw

It is possible for a twin-screw ship that one screw failure occurs during navigation, and the maneuverability in this case should be noticed by ship designers and operators. It is of great significance to evaluate the related risk. Firstly, a mathematical model for the twin-screw ship maneuvering motion with one failed screw is developed based on the maneuvering model group (MMG) equations, and verified by the model test results. Secondly, the maneuvering motions of a twin-screw liquefied natural gas (LNG) ship with one free rotating failure screw or with one locked failure screw are simulated and compared by using the mathematical model. It is shown that the numerical modeling results are in agreement with the model test results. Compared with those of normal navigation, the port turning ability of the ship with one failed port screw is better, but the starboard turning ability and yaw checking ability become worse. The maneuverability of the ship with locked failure screw is better than that with free failure screw, although the ship speed drops obviously.     

双桨双舵船舶操纵性预报研究

采用MMG数学模型，结合双桨双舵船舶的水动力性能特点，建立了双桨双舵船舶在静水中水平面上的操纵运动模拟模型，应用该模型对一艘双桨双舵船舶在满载条件下的定常回转试验、Z形试验和紧急停船试验进行了数值模拟，得到了表征船舶操纵性的指标．通过将预报的操纵性指标和IMO提出的操纵性标准进行比较，实现了对该船操纵性的定性预报．     

基于图像信息检测的船-桥智能避碰系统研究

将避碰决策系统分为船舶运动检测、视觉几何模型和船舶运动态势计算、碰撞预报及预控3部分.针对图像质量问题采取图像预处理增强、中值滤波、直方图均衡处理方法.采用相位相关算法基于背景模态模式静态空间信息记录图像信息,补偿图像抖动.基于视觉几何模型计算船舶运动态势计算船舶目标空间坐标位置、船舶型尺度、船速、船首向等.基于实时运动状态信息和桥区船舶运动态势预报碰撞危险以及避碰决策模式.引入避碰等级术语通过计算桥区船舶操纵避碰相关参数,进行避碰早期预警并得出避碰操纵决策方案.形成合理化的船-桥避碰决策系统,以达到船-桥避碰预警预控的智能效果.     

基于姿态监测的船舶航行安全监控系统研究

利用自主开发的船舶姿态测量平台,以及MMG、SVM和ADRC等技术手段,首次研究开发一种基于船舶六自由度运动姿态,监测的船舶航行安全实时监控系统,解决船舶航行状态下,不能实时调整合理吃水差及准确预报船舶航行状态的问题,摆脱传统意义上的有关船舶航行安全实时监控相关技术的束缚．     

船舶进出港低速航向保持

为了在船舶进出港时,船舶处于浅水域并以低速航行,在风、浪等强扰动作用下,增强航向控制性能,减小能源损耗,选择三阶Nomoto模型,将航速和水深变化反映到模型参数的变化上,基于闭环增益成形算法设计出一种具有适应性的鲁棒PID控制器,建立基于风、浪干扰的非线性船舶运动数学模型,并用S函数来实现。用PID控制器对非线性船舶运动数学模型进行控制,在Simulink环境中对各种水深、船速及海况进行航向控制仿真。从仿真曲线可看出其航向跟踪效果良好,静差为0,且施舵合理,所设计的控制器对非线性船舶运动数学模型具有良好的控制性能。     

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在铁路网络中,列车运行通过车站时可能会受到其他运行线列车运行的干扰,本文对列车运行受干扰时的节能操纵优化进行了研究。根据问题的数学描述和列车运行动力学方程,建立了最优化模型,并采用变长度染色体遗传算法,结合工况序列表,对问题进行了求解。通过仿真计算,给出了受干扰时列车运行的速度距离曲线,与无干扰时的速度距离曲线进行了比较,分析了速度、时间之间的相互变化,并结合能耗距离曲线,揭示了列车节能操纵的一些原则,最后将运算结果与其他方法计算出的结果进行了比较。比较结果表明,变长度染色体遗传算法是一个有效的算法,可以很好地应用在列车节能操纵优化的研究中。     

开阔水域多物标动态自适应智能航行方法

考虑船舶操纵特性、《1972年国际海上避碰规则》和良好船艺要求,提出了动态自适应目标船不协调避碰行动的开阔水域智能航行方法;将物标分类、建模并构建数字孪生交通环境,结合航向控制方法、操纵运动和复航模型构建了自动航行模型,推演了船舶非线性操纵运动;基于自动航行模型量化解析了《规则》要求,探究动态避碰机理,建立了可行航向求取方法;在多目标环境中,提出了目标船机动判别方法,研究了《规则》约束下构成自主航行方案的改向时机、幅度和复航时机等要素求取方法。仿真结果表明:依靠信息秒级更新的滚动计算,提出的智能航行方法可自适应剩余误差和目标船随机运动;提出的智能航行方法能将可行航向区间和改向幅度精确到1°;将程序运行和复航时机计算步长设置为1、10 s,设置多类静态物标和6艘保向保速目标船,在640、1 053、2 561和3 489 s,本船进行右转9°、复航、保向保速和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点;设置目标船在300 s采取不协调转向避让行动,本船在980、2 790、3 622、5 470 s时进行右转9°、左转12°、右转17°和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点。可见,任意初始状态下的船舶均可沿计划航线自动航行至终点,提出的方法能满足多个、多类动静态物标共存的真实开阔水域环境中的智能航行需要。      

集装箱船舶贝内配载和堆场装船顺序协调优化

针对集装箱船舶贝内配载和堆场装船顺序协调优化问题，以堆场贝位和船舶贝位翻箱次数之和最小为优化目标，考虑堆场装船要求和船舶适航性等多种约束条件，建立数学模型. 鉴于问题的NP特性，提出混合演化策略算法(HES)求解模型，设计二维实数编码，提出基于力矩平衡和逐列装载的解码方法. 基于三点交叉互换的重组算子，单点突变的变异算子和互换的局部搜索策略对算法进行改进. 通过计算证明，对不同规模算例，HES算法均能求解出较优的贝内配载方案和堆场装船顺序.HES 算法与传统演化策略算法(ES)、粒子群算法 (PSO)、基于规则的启发式算法(HA-MBSCC)进行对比，进一步验证了算法的优越性.     

基于单参数自调节RM-GO-LSVR的船舶操纵灰箱辨识建模

为实现舵角小、试验数据少条件下船舶操纵辨识建模, 提出了一种船舶操纵运动灰箱模型; 搜集水动力系数已知的船舶运动数学模型作为备选参考模型(RM), 计算被辨识船舶与备选RM的相关系数, 并以此筛选合适的RM; 运用相似准则将观测数据映射到RM的输入值域, 建立被辨识船舶与RM的运动关联, 获得了RM的加速度项, 并使用线性支持向量回归(LSVR)机补偿被辨识船舶和RM加速度项间的误差; 分析了机理模型, 设计了合适的LSVR输入项, 使用全局优化(GO)算法自动调节了LSVR的不敏感边界参数; 基于自航模试验数据训练了灰箱模型, 并与约束模试验(CMT)结果和计算流体力学结果比较, 验证了灰箱模型的泛化能力和预报精度。研究结果表明: 在20°船艏向、20°舵角Z形试验预报中, 灰箱模型所得第一超越角精度至少比CMT、虚拟约束模试验(VCMT)和RM方法所得结果高1°, 灰箱模型所得第二超越角精度至少比CMT和VCMT所得结果高0.4°; 在35°舵角旋回试验预报中, 灰箱模型所得进距精度至少比CMT、VCMT、数值循环水槽试验(NCWCT)和RM方法所得结果高1%, 灰箱模型所得战术直径精度比CMT所得结果低4%, 比NCWCT所得结果高10%;RM方法有助于灰箱辨识建模, GO算法能够优化LSVR的不敏感边界参数, 建立的单参数自调节灰箱辩识建模方法能够实现小舵角、少数试验条件下的船舶操纵辨识建模。      

锚泊船走锚过程的仿真研究

本文采用MMG建模的思想,在锚泊船偏荡运动的基础之上,建立了锚泊船走锚运动数学模型,研究了走锚后船舶的运动姿态;对风中锚泊船偏荡运动中船舶走锚数学模型的建立进行了初步探索,为今后进行更为完善的锚泊船走锚运动过程的仿真研究提供了借鉴。     

集装箱船舶贝内配载和堆场装船顺序协调优化

针对集装箱船舶贝内配载和堆场装船顺序协调优化问题，以堆场贝位和船舶贝位翻箱次数之和最小为优化目标，考虑堆场装船要求和船舶适航性等多种约束条件，建立数学模型. 鉴于问题的NP特性，提出混合演化策略算法(HES)求解模型，设计二维实数编码，提出基于力矩平衡和逐列装载的解码方法. 基于三点交叉互换的重组算子，单点突变的变异算子和互换的局部搜索策略对算法进行改进. 通过计算证明，对不同规模算例，HES算法均能求解出较优的贝内配载方案和堆场装船顺序.HES 算法与传统演化策略算法(ES)、粒子群算法 (PSO)、基于规则的启发式算法(HA-MBSCC)进行对比，进一步验证了算法的优越性.     

Maneuverability Simulations for Twin-Waterjet Propulsion Vessel

Maneuverability is one of the most important sailing performances of vessels. In this article, a motion control model with three degrees of freedom(DoFs) for twin-waterjet propulsion vessel is proposed. The model is developed on the basis of maneuvering model group(MMG) maneuverability equations. A simulation environment is constructed on the Matlab Simulink platform. Standard turning tests and zig-zag tests are simulated by solving the motion control model, and the corresponding maneuverability parameters are calculated. Simulation results demonstrate that the maneuverability parameters are in accordance with the vessel maneuverability standard.The approach may be applied to the rapid prediction of vessel maneuverability.     

自动化集装箱码头双循环AGV与场桥的集成调度研究

针对自动化集装箱码头装卸过程中双循环自动导引车(Automated Guided Vehicle， AGV)和场桥的调度问题，提出基于启发式遗传算法的集成调度方法.根据自动化码头装卸过程中双循环AGV的作业特点，对集装箱在船舶与堆场之间的流动特征进行详细解析，建立相应的数学模型，并分别设计基于“最早可获得时间”和“最短路径”启发式规则的遗传算法进行求解.通过数值仿真，从平均值、最小值、标准方差和求解时间分析任务量、AGV数量等参数对算法性能的影响，结果表明，“最早可获得时间”启发式规则相比于“最短路径”启发式规则更适合双循环AGV与场桥的集成调度.     

应用“五分钟操船法”准确调整船舶预计抵达时间（ETA）

操纵船舶到达港口领港站,对预计抵达时间（ETA）的把握关系到船舶操纵的安全。本文阐述应用＂五分钟操船法＂准确调整ETA,确保船舶航行安全。     

发动机匹配优化算法的研究

依据优化标定方法,设计了基于发动机排放控制的优化方案,并建立了以发动机经济性为目标,排放性作为约束的优化数学模型．对适用于该数学模型的信赖域法、模式搜索算法、遗传算法等优化算法进行了论证．针对实际发动机排放优化问题对各种算法的优劣进行了比较,并在此基础上提出了组合算法的思想．优化结果表明,组合算法全局搜索性和优化结果良好,且计算时间、计算量等较单一优化算法时均有显著改善．     

桥区船舶运动轨迹数值模拟与实船试验对比研究

利用FVM对建立的桥区水流场数学模型进行离散和数值求解,在此基础上,根据建立的船舶运动方程,对桥区船舶运动特性进行了数值模拟.通过实船试验,根据船舶漂移量数学模型,对建桥前后限制航道内的船舶运动轨迹进行了对比研究和深入分析.     

考虑对地航速和航向的船舶典型轨迹提取方法

基于船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)数据的船舶典型轨迹挖掘需要经过两个重要步骤，一是压缩 AIS 数据，二是聚类压缩后的 AIS 数据。传统的DP(DouglasPeucker)压缩算法，只考虑船舶轨迹的压缩形状，忽视了船舶航行中其他重要信息。为解决此问题，把对地航速和航向加入到DP算法的压缩过程中。在AIS轨迹聚类方面，传统谱聚类方法只对船舶轨迹的位置进行相似性度量，没有考虑船舶轨迹的其他维度，针对此问题，提出多属性轨迹相似性度量方法。由于不同的输入参数影响着最终的聚类质量，引入Calinski-Harabasz指标评价谱聚类算法，实现聚类参数的自适应选择。利用山东威海水域的实际AIS数据进行实例研究，并与传统谱聚类算法做比较实验。实验结果表明，利用该方法提取到的典型轨迹符合真实水域的交通情况，相较于传统谱聚类方法具有更高的聚类质量。