基于AR-EMD方法的扩展非平稳船舶运动极短期预报AR模型

准确的极短期预报技术能够提高对船舶摇荡运动敏感的海洋特种作业安全性和效率。自回归（auto-regressive,AR）预报模型由于其自适应性强、计算效率高而被广泛应用于船舶运动的极短期预报研究。但该模型基于平稳随机假设,因而在非平稳船舶运动的极短期预报中存在困难。针对非平稳船舶运动极短期预报,文章提出一种基于AR-EMD方法的扩展AR模型,称为EMD-AR预报模型。其中,AR-EMD方法是指在经验模态分解（empirical mode decomposition,EMD）的过程中,采用AR预报的方法处理端点效应问题。 EMD-AR预报模型将非平稳信号分解成若干平稳的固有模态函数分量及余项,然后对各个分量分别用AR模型预报,得到最终的预报结果,以此克服非平稳性对AR预报模型的影响。研究基于船舶试验数据将EMD-AR模型与线性AR模型、非线性支持向量机回归（support vector regression,SVR）预报模型进行对比分析,结果表明,AR-EMD方法能够有效处理船舶运动非平稳性对AR预报模型的影响,提高该模型的预报精度,且EMD-AR模型预报性能较线性AR模型和非线性SVR模型更优。     

引入经验模态分解的舰船运动非线性极短期预报

船舶运动的极短期预报在船舶系统、设备作业等方面具有重要的意义，采用自回归模型对船舶运动进行预报等预报效果，如精度和时间长度，与实际应用的需要还存在较大距离。在自回归（AR）数学模型中引入经验模态分解（EMD）法，利用该方法将船舶运动的时历数据以“筛分”的方式分解成几个平稳的本征模态函数（IMF），并分别建立每个IMF的AR模型，用AR模型进行预报，然后将每个IMF的预报结果相加，将各预报结果的和作为原始信号的预报结果。采用该方法进行船舶非线性极短期预报对提高预报精度有一定的积极作用。     

舰船运动姿态仿真与多层AR预报研究

舰船运动姿态预报可更好地保障舰船各项作业的顺利进行,提高航行安全性。该文从频域角度仿真随机风浪,据此仿真舰船运动。考虑到舰船运动姿态时域上的非线性、非平稳特点,采用多层AR模型进行舰船运动姿态预报,并根据仿真案例进行预报检验。多层AR方法能有效提高极短期预报的精度。     

基于二阶自适应Volterra级数的船舶运动极短期预报研究

针对随机海浪作用下船舶运动的非平稳、非线性特性,文章提出了基于卡尔曼(Kalman)滤波原理的非线性二阶Volterra级数自适应预报模型.通过把Volterra级数核向量作为状态向量,利用随机游动模型建立系统的状态方程,一步Volterra级数预报模型作为系统的观测方程,从而进一步提高了Volterra级数模型的核估计的收敛速度.同时验证了利用AIC准则对Volterra级数预报模型定阶的可行性,通过迭代法实现了自适应多步预报.仿真结果表明文中提出的基于Kalman滤波算法的自适应预报模型应用于船舶运动极短期预报是可行的,该方法在理论和工程应用方面具有重要的意义.     

基于小波滤波和LSTM神经网络的船舶运动极短期预报研究

为了提高船舶运动极短期预报精度及预报时间长度,本文采用小波多分辨率分析方法,将含有噪声的船舶运动信号进行了多尺度小波变换,通过采用阈值函数法对各尺度下细节信号的小波系数进行处理,对小波分解层数、小波基函数、阈值处理方法进行了深入研究,并通过模型试验数据对滤波效果进行了验证分析,实现了船舶运动信号的小波滤波.进一步针对船舶运动的非线性特性,基于深度神经网络的非线性映射能力,建立了基于LSTM网络的多步直接映射船舶运动极短期预报模型,并采用滤波后的船舶运动数据进行了不同工况下的预报分析.结果表明,不同时间长度的预报与试验结果幅值和相位吻合较好,验证了所建立的极短期预报模型的可行性.     

基于小波_SVR模型的浮体极短期运动预报方法

针对随机海浪作用下浮体运动的非线性和非平稳特性,本文提出一种复合的小波-SVR组合方法。该方法首先对数据进行平稳性分析,然后利用小波分析将原始数据分解成有限个细节信号和逼近信号,将细节信号进行整合。采用SVR模型分别对最低频的逼近信号和整合后的细节信号进行预测,最后把2个预测结果进行叠加,得到最终的运动预测。仿真结果表明,复合的小波-SVR组合方法应用于浮体运动极短期预报可行,该方法在理论和工程应用方面具有重要的意义。     

基于混沌理论与RBF神经网络的船舶运动极短期预报研究

文章基于混沌动力系统相空间重构理论,利用关联维数法和最大Lyapunov指数法,对船舶运动时间序列的混沌特性进行了判定。并利用RBF神经网络较强的非线性映射功能,结合相空间重构理论建立了船舶运动极短期直接多步预报模型。实例预报结果表明,所建立的预报模型应用于船舶运动极短期预报取得了令人满意的预报精度,预报时间可达10 s。     

基于VDM与APSO优化极限学习机的船舶运动姿态预报

为提高船舶在海上运动的耐波性与适航性,并为解决具有非线性、随机性和非平稳性特点的船舶运动姿态难以准确预测的问题,提出运用一种基于变分模态分解和自适应粒子群算法优化极限学习机的组合预测模型。该算法首先利用变分模态分解将船舶运动姿态序列分解为一系列限带内本征模态函数,并且变分模态分解可以避免经验模态分解技术所产生的模态混叠和端点效应,可以降低序列的非平稳性对预测精度的影响;然后对各模态分量分别建立极限学习机预测模型,并用改进的粒子群算法对极限学习机的初始权值和阈值进行优化;最后将各模态分量预测结果进行叠加,得到最终的船舶运动姿态预测值。通过模拟试验测试并与其他传统的预测方法进行比较,结果表明所建立的组合预测模型具有更高的预测精度。     

基于经验模式分解的船舶摇荡运动极短期预报

针对船舶摇荡运动的非平稳、非线性特性,提出了一种基于经验模式分解的预报方法.首先通过经验模式分解方法将船舶摇荡时历分解为若干性态单一的基本模式分量,然后对这些分量分别采用最小二乘支持向量机方法进行预报,最后将各预报结果重构得到摇荡运动的预测值.对某实船摇荡时历的仿真计算表明,采用基于经验模式分解的预报方法,能有效提高预报的精度.     

基于时间序列法的舰船运动预报实验研究

采用线性自回归AR模型、具有首前波观测量的ARMA模型以及非线性自回归NAR模型三种方法分别对舰船运动进行预报,将得到的预报结果与实验测量结果进行验证比较,并对最佳预报模式进行讨论.     

大型豪华邮轮在迎浪中非线性运动预报方法研究

目前工程上通常采用的线性理论耐波性预报方法尚不能够准确地预报船舶非线性运动,而全非线性理论预报又因为耗时长不能广泛应用于实际工程中。现将基于切片理论的频域线性预报方法加以扩展,考虑湿表面变化的非线性因素,在时域中求解船舶非线性运动。通过对某艘大型豪华邮轮的非线性运动耐波特性研究,对其理论计算结果与试验结果比较,表明该预报方法能够较好地评估该船的非线性运动耐波特性。给出的计算方法简便、实用,适用于船舶纵向非线性运动预报,对船舶设计阶段的耐波性能评估具有一定的工程实用价值。     

船舶运动的极短期预报试验

利用自回归模型对船舶运动进行了预报试验研究。试验结果表明,对于直升机稳定平台补偿控制系统来说,由于只需要对船舶未来极短时间内的运动进行预报,所以基于自回归模型的预报方法能满足系统的实际要求,是一种简单、可行的方法。     

基于IPESN的船舶升沉运动预报方法

船舶在复杂海况下的升沉运动具有很强的随机性与非线性特征,为提高船舶升沉运动的预报精度,提出基于内在可塑性回声状态网络(IPESN)的船舶升沉运动预报方法.将具有内在可塑性的神经元引入回声状态网络(ESN)的储备池结构,以提高网络对动态系统的映射能力;采用岭回归的方法对IPESN输出连接权值进行学习,以提高网络的泛化能力.将IPESN应用于3级、4级和5级海况下的船舶升沉运动极短期预报,并将结果与传统ESN和径向基函数网络(RBFN)进行对比.结果 表明,IPESN的平均绝对误差分别为0.0028、0.0039和0.0095;均方根误差分别为0.0035、0.0049和0.0117,优于经典ESN与RBFN的预报精度,验证了改进方法的有效性.     

船舶运动极短期预报方法综述

文章对船舶运动极短期预报技术进行了探讨和评价。论述了极短期运动预报的定义,从不同角度对极短期预报方法进行了分类。并对极短期预报方法的发展进行了叙述及讨论,分析了这些预报方法的优点和缺点,并对今后极短期运动预报技术研究的发展提出了建议。     

基于格型递归最小二乘算法的船舶运动极短期预报

在最小二乘方法(RLS,recursive least square)的基础上,提出利用格型递归最小二乘(LRLS,lattice recursive least square)算法对AR模型参数进行自适应估计.该算法为模块式的多极格型结构,降低了一般RLS算法的计算复杂度.利用实测的动态数据结合AIC准则建立自适应AR预报模型,并将该模型应用于船舶运动预报中,仿真结果表明,相对于最小二乘算法,基于LRLS算法的AR预报模型可有效提高船舶运动预报精度.     

船舶横向运动短期姿态预报数学建模可行性研究

传统的船舶横向运动短期姿态预报数学模型存在着预报性能低的缺陷,为此提出船舶横向运动短期姿态预报数学建模可行性研究。采用平均滤除法对船舶横向运动数据中的不良数据进行去除,完成船舶横向运动数据准备,将得到的船舶横向运动数据进行归一化处理,适应预报函数的需求,将得到的归一化的船舶横向运动数据输入到BP神经网络算法中完成船舶横向运动短期姿态的预报,实现了船舶横向运动短期姿态预报数学模型的建立。通过实验得到,构建的船舶横向运动短期姿态预报数学模型预报误差比传统模型低了21.41%,预报时间比传统模型高出3.25 s,充分说明构建的船舶横向运动短期姿态预报数学模型具备良好的可行性与预报性能。     

船舶运动的自适应预报

本文讨论了船舶在不规则海浪中运动的AR模型描述方法和AR模型阶的选择,并用自适应预报的方法提出了超前k步的自适应预报器。为了进一步改善预报器的性能,采用了三点平滑以及先消除周期性的确定性分量再进行自适应预报的方法。作者对一艘海船的预报与实船试验结果比较表明,本文的预报方法较理想。     

基于三维势流理论的耐波性数值预报

准确预报船体运动响应对于砰击等波浪载荷的计算以及合理结构设计具有重要意义。船舶在大幅波浪中的运动呈明显的非线性,而现阶段耐波性预报多采用线性切片方法。三维水动力分析软件 WASIM基于时域势流理论,采用 Rankine面元法预报船舶在波浪中的运动响应,并考虑了多种非线性因素。本文以标模 DTMB5512为对象,采用 WASIM预报其在不同航速下的耐波性,并与基于线性切片理论的计算结果和模型试验结果进行对比。结果表明：利用 WASIM计算得到的船体运动响应比其他方法更接近试验值,合理体现了船舶在风浪中的实际耐波性能。因此,利用 WASIM能够较好地评估船舶在波浪中的非线性耐波特性。     

基于三维势流理论的耐波性数值预报

准确预报船体运动响应对于砰击等波浪载荷的计算以及合理结构设计具有重要意义。船舶在大幅波浪中的运动呈明显的非线性,而现阶段耐波性预报多采用线性切片方法。三维水动力分析软件WASIM基于时域势流理论,采用Rankine面元法预报船舶在波浪中的运动响应,并考虑了多种非线性因素。本文以标模DTMB5512为对象,采用WASIM预报其在不同航速下的耐波性,并与基于线性切片理论的计算结果和模型试验结果进行对比。结果表明:利用WASIM计算得到的船体运动响应比其他方法更接近试验值,合理体现了船舶在风浪中的实际耐波性能。因此,利用WASIM能够较好地评估船舶在波浪中的非线性耐波特性。     

增强现实AR技术在船舶运动预报中的应用

为了保证船舶的航行安全性,必须使船舶具有良好的耐波性能。船舶的耐波性能是结构设计的重要环节之一,为给设计提供依据,需要对波浪运动进行准确的预报。增强现实技术可将真实与虚拟世界中的信息进行集成,将之用于船舶运动预报,能够提高预报结果的准确性。基于此点,文章从增强现实AR的关键技术分析入手,对增强现实AR技术在船舶运动预报中的应用进行论述。