基于混沌理论和改进极限学习机的船舶升沉预报（英文）

船舶升沉运动预报是主动升沉补偿系统中的重要组成部分。为了满足船舶升沉运动预测的实时性和准确性要求,本文提出了一种混沌理论与增强搜索极限学习机相结合的混合方法(CES-ELM)。在混沌动力系统相空间重构的基础上,采用基于误差最小化的方法生成ELM隐藏节点并不断更新权值;利用优化后的模型参数建立船舶运动预测模型。不同海况下的仿真结果表明,该方法的预测平均绝对百分误差小于10%,与传统的ELM和LSSVM模型相比,该模型能有效提高预测精度和鲁棒性。     

基于BP和LSTM组合优化的船舶升沉运动预测

预测船舶升沉运动有助于增强波浪补偿系统的补偿效果,解决补偿系统滞后问题。为提高预测模型的预测精度,提出一种基于误差反向传播（BP）神经网络和长短时记忆（LSTM）神经网络组合优化的船舶升沉运动预测方法。以采用计算流体动力学（CFD）方法获取的船舶在规则波浪作用下的升沉运动和在突发性干扰下的升沉运动为对象,基于PYTORCH框架和LINGO软件,建立以加权方式组合优化BP神经网络和LSTM神经网络的预测模型。研究结果表明,无论是船舶在规则波浪作用下的升沉运动,还是船舶在突发性干扰下的升沉运动,BP-LSTM组合模型的预测精度均高于BP神经网络和LSTM神经网络,有助于提高补偿精度。     

基于联邦LSTM的突遇新频率船舶升沉运动预测策略

由于浮式起重船在海上进行风电设备安装和运维作业期间,离岸距离远且作业时间长,波浪变化多样且不确定,极易产生新频率的船舶运动,使得无法进行精确预测,从而导致海上作业无法安全进行甚至造成设备损坏,因此文章提出基于联邦学习的多变量多步长短期记忆网络（LSTM）预测方法。针对无线数据采集时间间隔不一致,将其和船舶升沉运动数据共同作为双层LSTM预测模型的输入变量并进行多步预测。同时针对突遇新频率船舶运动的情况,采用联邦学习方法联合多家海上风电安装运维企业的船舶升沉运动数据,共同训练适用于复杂海况下的船舶升沉运动LSTM预测模型。使用Stewart六自由度波浪补偿平台模拟浮式起重船的升沉运动,试验结果表明,在遇到新频率船舶运动时,该方法能有效提高船舶升沉运动的预测效果,模型预测精度（RMSE值）至少可达到0.095。     

基于NARX神经网络的船舶升沉运动实时预测方法

[目的]对船舶升沉运动进行预测有助于增强升沉补偿器的补偿效果,减少海浪对作业设备的干扰。为提高升沉预测模型的精度和稳定性,提出一种船舶升沉运动实时预测方法。[方法]基于带外源输入的非线性自回归(NARX)神经网络建立单海况预测模型,利用船舶系统仿真器获取母船升沉运动仿真数据,将NARX模型与卡尔曼(Kalman)模型、普通反向传播(BP)模型的预测结果进行对比。在此基础上,对单海况预测模型进行改进,建立多海况预测模型。[结果]多海况预测模型预测精度较高,且稳定性优于单海况模型,在2～5级海况下的最大预测误差均小于10-4量级。[结论]仿真结果表明,NARX神经网络对复杂海浪环境具有良好的适应性,它的预测速度和精度均优于BP神经网络和传统滤波方法,在高海况下仍可保持高预测精度。     

基于惯性测量和卡尔曼多步观测器的船舶升沉运动测量方法

为了得到精确的船舶升沉运动信息,解决升沉加速度二次积分后的漂移和相位超前现象,基于卡尔曼滤波算法建立船舶升沉运动的多步观测模型,提出一种基于惯性测量和卡尔曼多步观测器的船舶升沉运动测量方法。首先,升沉平台模拟船舶升沉运动,使用惯性测量元件采集升沉加速度,经过滤波二次积分得到升沉位移。然后,对升沉加速度进行误差分析,运用升沉位移与升沉加速度的关系建立船舶升沉运动的状态空间模型并利用状态转移矩阵进行多步观测,消除升沉位移的漂移和延时。实验结果表明,本文所提出的测量方法可以解决不同幅值船舶运动中的偏移和相位超前问题,测量误差在0.01 m之内,体现了测量的精确性。     

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.     

船舶横摇运动预测误差研究

通过对船舶横摇运动的预测误差与输入过去样本长度之间的关系进行研究,提出船舶横摇运动预测误差的经验公式,该公式可用于确定指定预测误差下的最小过去样本长度.采用小波-自回归算法模型进行横摇预测,统计分析预测均方根误差值与输入过去样本长度之间的关系,结果表明,预测过去样本长度与预测均方根误差之间遵循幂函数关系.     

波浪运动补偿平台广义升沉位移的实时预报

具有波浪运动补偿功能的稳定平台可有效减少船舶在风浪中的摇摆和升沉运动对某些海上作业和设备的影响.为了有效地进行波浪运动补偿,需要对该平台的广义升沉位移(横摇、纵摇以及升沉的耦合作用结果)进行极短时预报.本文采用时间序列分析理论中的自回归(AR)模型作为预报模型,对波浪运动补偿平台的广义升沉位移进行极短时预报.在以往的研究中,通常采用递推最小二乘法AR模型进行在线参数估计.但是采用递推最小二乘法进行参数估计容易引起参数爆发,从而影响AR模型的稳定性.针对该问题,本文采用阻尼递推最小二乘法对AR模型进行在线参数估计,并结合实验获得的平台控制点的广义升沉位移数据进行实时建模预报.仿真结果表明,采用阻尼递推最小二乘法进行参数估计能抑制参数爆发,并能提高AR模型实时预报精度.     

电力推进船舶电力负荷预测方法

传统电力负荷预测方法在混度向量模糊场景下,所得到的电力负荷预测结果与实际电力负荷截值之间的误差较大。为了解决上述混沌场景下的预测精准度问题,提出电力推进船舶电力负荷预测方法。实现步骤共分为建立模糊预测量模型、混沌量回归优化与向量机预测输出负荷的优化3部分。通过对预测不同阶段关系量的优化,实现提升预测精准度的效果。与传统预测方法的数据对比表明,提出方法的预测值与实际负荷值之间的误差,明显小于传统预测方法预测值,更适合电力推进船舶电力负荷的预测应用。     

差分方程在船舶电液比例阀控缸机构建模方法

为了克服海洋环境中巨型波浪的恶劣环境,需要为船舶配备升沉运动补偿系统。当前船舶通用的补偿系统是基于一定的控制算法控制液压系统进行广义补偿,使得平台的广义升沉运动大幅度下降,并消除或减弱由波浪引起的船舶横向摇动和纵向摇动。本文主要使用电液比例原理建立电液比例阀控缸机构模型以及升沉补偿系统的数学模型,并用系统识别技术建立了差分方程模型。通过各机构相互的位移及受力模型,解决了船舶升沉补偿系统滞后大、惯性大的问题。     

一种基于改进回声状态网络的船舶摇荡预报

回声状态网络在船舶摇荡运动姿态的预报中得到了广泛的应用,由于远洋风浪环境的复杂性,使得船舶摇荡的非线性程度进一步增加,因此传统回声状态网络的预测精度明显不足。本文利用改进的回声状态网络方法,引入小波函数对数据进行预处理,对船舶的实测摇荡时历进行处理,提高了预报的精度。实验结果表明,与传统回声状态网络方法相比,本方法的预报精度和可靠性得到了提高。     

基于LSTM的舰船运动姿态短期预测

舰船的六自由度运动状态形成复杂的非线性过程,运动姿态会受到耦合作用、不定周期、噪声信号以及混沌特性等因素的干扰,因此很难得到精确的预测结果.为了提升舰船运动姿态的预测精度,利用舰船时间序列的特点,建立了基于长短期记忆单元(LSTM)模型,对其进行了舰船姿态预测仿真,将结果与时间序列分析法的结果进行对比.实例分析表明:基于LSTM模型的预测方法具有精确度高、易实现的特点.这为舰船运动短期预测提供了一个新的思路和方法.     

船舶操纵水动力导数的数值求解及敏感度分析

[目的]为了兼顾船舶操纵运动预报的成本与精度,基于数值计算方法,结合水动力导数敏感度分析,提出一种船舶操纵运动预报方法.[方法]首先,求解RANS方程,应用流体体积(VOF)法捕捉自由液面,采用动态网格方法对DTMB 5415船型进行约束运动的数值计算,并将回归得到的线性水动力导数与试验值进行对比,验证数值方案的有效性...     

Prediction of Stabilization of Ship in Random Wave

In this paper we show thc method of energy in part with which we can get the model of random wave,and predict theroll motion of unstabilized ship and stabilized ship using the wave model.The control parameters of fin stabilizer are determinedaccording to the performance index. The simulation of the system is also made in this paper. The comparison of the simulationwith real ship indicates that the method can be used in the prediction of roll motion of a stabilized ship in random wave.     

The application of modeling and prediction with MRA wavelet network

As there are lots of non-linear systems in the real engineering, it is very important to do more researches on the modeling and prediction of non-llnear systems. Based on the muhi-resolution analysis (MRA) of wavelet theory, this paper combined the wavelet theory with neural network and established a MRA wavelet network with the scaling function and wavelet function as its neurons. From the analysis in the frequency domain, the results indicated that MRA wavelet network was better than other wavelet networks in the ability of approaching to the signals. An essential research was carried out on modeling and prediction with MRA wavelet network in the non-linear system. Using the lengthwise sway data received from the experiment of ship model, a model of offline prediction was estab lished and was applied to the short-time prediction of ship motion. The simulation results indicated that the forecasting model improved the prediction precision effectively, lengthened the forecasting time and had a better prediction results than that of AR linear model. The research indicates that it is feasible to use the MRA wavelet network in the short -time prediction of ship motion.     

水翼辅助推进船舶波浪中运动和增阻特性研究

基于在船首两侧增添（固定）水翼的水翼辅助推进船舶的设想,选取集装箱船型作为研究对象,采用三维面元法对原型和水翼船在规则波中的运动和增阻响应进行了预报,并与试验结果进行比较,验证了计算结果的准确性。研究结果表明水翼能够有效地减小船舶在波浪中的纵摇、垂荡和增阻响应,其中添加水翼船在波浪中的纵摇和垂荡响应峰值分别减少了21%和24%,而增阻响应则减小了80%。此外还对水翼展弦比和安装位置对船舶在波浪中的运动和增阻响应的影响进行了研究。     

高速轻型穿浪双体船纵向运动改善措施研究

针对在改善高速轻型穿浪双体船(WPC)迎浪中波长与船长接近时纵向运动幅度较大的缺点,采用了理论计算与模型试验相结合的方法,对250 t级穿浪双体船开展了水翼改善纵向运动的理论和试验研究,分析了水翼形式、尺度和安装位置等对纵向运动的影响规律。数值计算和试验结果的比较表明,计及水翼—船体水动力干扰影响的切片理论可满足WPC加水翼后波浪中纵向运动计算的需要,但在纵向运动响应峰值处数值计算结果偏高。模型试验表明,250 t级WPC加装水翼后,迎浪纵摇和垂荡有义幅值可减少20%～30%。     

船舶运动姿态测量系统设计与实现

为了获取海上航行船舶及自航模试验中船模的姿态参数,设计一种基于MEMS(微机电系统)技术的波高倾斜一体化传感器的船舶运动姿态测量系统.此系统通过MEMS波高传感器对船舶升沉信息进行采集,利用倾角传感器对船舶的纵摇和横摇姿态信息进行采集,采集到的信息经多路A/D转换后送入单片机进行处理,实时得出船舶运动的升沉、纵摇及横摇变化.经处理后的三组数据由船舶运动姿态测量系统通过RS-485串口送到数据接收处理机存储、分析并实时显示船舶运动的姿态变化曲线,该数据接收处理软件采用VC++编写.经过大量试验及海上测试,该系统性能稳定,测量精度高,具有较大的实用价值.     

水气双重介质共同作用下滑行艇纵向运动预报

为探究滑行艇水气双重介质共同作用下的运动响应情况,针对喷水推进滑行艇的高速运动原理,建立水气双重介质作用下滑行艇非线性的纵向运动数学模型。分析滑行艇在水气双重介质共同作用下滑行过程中的受力特性,确定艇体受到的重力、浮力、动升力和风压阻力等,改进受风面积和风压力臂的计算方法,提出实时计算滑行艇浸湿长度的计算公式。编写滑行艇纵向运动预报程序,并对不同工况下滑行艇运动的预报结果予以了分析。结果显示,当主机输出功率一定时,计入空气比不计入空气时的航速下降5.1%,升沉量下降0.006 m,纵摇角抬升0.2°,阻力增加1 893 N,动升力减小404 N;而计入风的阻力对滑行艇的运动影响较大,航速下降15.3%,纵摇角增加0.6°,升沉量下降0.021 m,动升力下降1 139 N,阻力增加5 472 N。