具有外源输入的船舶横摇运动NARX神经网络预测

为了提高船舶在风浪中航行的安全性,需要精确地预测船舶在风浪中的横摇运动,以提高船舶横摇控制效果,本文通过应用一种带外源输入的非线性自回归（NARX）神经网络预测方法预测船舶横摇运动。该方法考虑了实船操纵性试验数据受风、浪、流等外界因素的的影响,将实测的风向、风速、流速、流向、浪向以及浪高的数据作为外源输入,能够有效提高船舶横摇运动的预测精度。基于“育鲲”轮,利用该方法对实际船舶海上横摇运动进行了实时预测实验,并将其实验结果与SAPSO-BP神经网络模型的预测结果进行对比。从对比结果可以看出,本文所提方法对复杂海浪环境具有良好的适应性,NARX模型的预测精度优于普通反向传播（BP）神经网络和自适应粒子群算法优化的普通反向传播（SAPSO-BP）神经网络.     

卡尔曼滤波技术在船舶横摇预测中的应用研究

船舶在海上的航行受到海洋气象和水文条件的影响,会产生垂荡、横摇和纵摇等多种形式的运动,这些复杂运动对舰船航行稳定性和船载精密设备的工作精度有不利影响。因此,对船舶的横摇、纵摇等运动进行短时预测具有重要意义。本文系统介绍卡尔曼滤波技术,并利用滤波技术和随机海浪数学模型,研究一种船舶横摇运动的预测方法。     

波浪影响下船舶横摇运动的时间序列预测数学建模研究

在波浪的影响下,常规的船舶横摇运动时,没有建立横摇运动的模型,降低了预测的精度,不能有效地减小船舶的横摇,存在船舶耐波性较差的问题。当前方法进行船舶横摇运动的建模时,不能减小船舶的横摇,降低了船舶的耐波性。提出一种基于时间序列预测的船舶横摇运动数学建模研究方法。该方法建立波浪扰动船舶横摇运动模型,依据随机的过程理论,求出空间上某固定点波浪倾角的数学模型,依据横摇运动模型得出横摇运动的数据。对船舶横摇运动进行时间序列预测克服了传统方法存在的弊端,运用时间序列的分析方法建立AR模型,应用于船舶横摇运动的时间序列的预测,减小船舶的横摇性,提高了船舶的耐波性,完成对波浪影响下船舶横摇运动的时间序列预测数学建模的研究。实验的结果表明,利用该方法能有效地减小船舶的横摇,提高船舶的耐波性。     

基于神经网络和随机森林的船舶横摇预测

本文针对船舶在随机海浪中的运动,通过分析海浪波能谱、海浪波倾角谱、海浪有效波倾角谱和船舶受力运动,建立随机海浪模型,并用Matlab对海浪波倾角、有效波倾角以及船舶横摇运动进行仿真实验。根据实验数据,采用BP神经网络与随机森林分别及融合预测方法对船舶横摇运动进行预测。通过船舶实际横摇与预测结果对比分析可知,BP神经网络与随机森林组合预测方法更为精准,为船舶横摇预测控制及船舶稳定平台控制奠定了基础。     

船舶横摇阻尼的CFD数值模拟研究

船舶横摇阻尼是影响参数横摇和瘫船稳性等大幅横摇运动的关键参数.文中基于非定常RANS方程在静水中对模型2792进行了自由横摇衰减的数值模拟,该模型是船舶第二代完整稳性衡准制定中瘫船稳性研究的国际标准船模,数值模拟中采用了两种网格类型,一种是滑移网格,另一种重叠网格.计算结果表明,数值模拟的自由横摇衰减曲线和模型试验结果吻合良好,另外CFD计算的横摇阻尼与试验值的误差小于Ikeda's经验公式计算的误差,证明非定常RANS方程可用于预报横摇阻尼.     

船舶非线性横摇运动分析的Lyapunov特性指数法

将Lyapunov特性指数用于船舶非线性横摇运动稳定性分析,阐述了Lyapunov特性指数的计算方法.将Lyapunov特性指数作为船舶非线性运动混沌态的判据,给出了Lyapunov特性指数与船舶运动状态之间的关系,通过仿真试验验证了该算法的有效性,并进一步采用Lyapunov特性指数精确寻求船舶非线性横摇运动的阈值,分析了船舶非线性横摇运动的全局稳定性.     

基于GPC的气控被动式减摇水舱研究

在建立减摇水舱内气体和液体两相流动的运动模型基础上,研究了水舱顶部气体连通道的截面面积大小与水舱内液体振荡参数之间的关系.利用广义预测控制(Generalized Predictive Control, GPC)对水舱内液体运动参数进行在线滚动寻优计算,并通过调节截面开口大小实现参数的调节,以此控制水舱内液体的流动,使之与船舶横摇运动相适应,对抗外部海浪干扰.仿真研究表明,与传统的开关式气阀控制策略相比,新的控制策略可以明显提高被动可控式减摇水舱的减摇效果,在较宽的频率范围内对船舶进行有效减摇.     

一种基于实时预测算法的船舶姿态控制器设计

在船舶研发和改进过程中,研究减摇设备是重要课题之一。传统减摇设备的滞后性导致其不能有效避免波浪引起的船舶侧翻等灾害,故本文设计一种基于实时预测算法的船舶姿态控制器。将不规则波分解为大量规则波叠加建立波面模型,分析波倾角并建立船舶的传递模型。基于卡尔曼滤波算法设计船舶的横摇预测系统,再以减摇鳍为核心设计姿态控制器,最后进行模拟仿真。结果表明,预测系统预测结果准确,预测值误差较小,姿态控制器减摇效果良好,浪向角120°下横摇角被控制在5°以内。     

船舶横摇阻尼的CFD数值模拟研究（英文）

船舶横摇阻尼是影响参数横摇和瘫船稳性等大幅横摇运动的关键参数。文中基于非定常RANS方程在静水中对模型2792进行了自由横摇衰减的数值模拟,该模型是船舶第二代完整稳性衡准制定中瘫船稳性研究的国际标准船模,数值模拟中采用了两种网格类型,一种是滑移网格,另一种重叠网格。计算结果表明,数值模拟的自由横摇衰减曲线和模型试验结果吻合良好,另外CFD计算的横摇阻尼与试验值的误差小于Ikeda’s经验公式计算的误差,证明非定常RANS方程可用于预报横摇阻尼。     

船舶运动亚谐共振动力学行为的研究

船舶运动时的阻尼和刚度非线性，导致船舶大幅运动时横摇和纵摇之间的耦合，本文依据作者建立的船舶纵摇与横摇耦合的非线性方程，考虑强海浪激励情况以及纵摇和横摇的频率特征存在2：1的内共振关系，采用非线性动力学中的多尺度方法，求出了横摇和纵摇运动的摄动解，研究了亚谐共振发生的条件，给出了亚谐共振状态下船舶纵摇与横摇运动的动力学特征。研究表明，船舶亚谐共振的发生取决于波浪遭遇频率和纵摇频率的比值以及波浪激励的大小；船舶运动发生亚谐共振时，船舶出现大幅运动甚至倾覆。     

基于混沌理论和改进极限学习机的船舶升沉预报

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.     

Calculation of vaulted magnetic field above ship using equivalent surface magnetic charge北大核心CSCD

[目的]为了获得舰船上方不同高度平面磁场数据,解决舰船上方拱顶磁场推算到平面磁场的问题,提出用面磁荷法进行舰船上方的磁场推算。[方法]从等效源理论出发,利用拱顶磁场数据进行反演建模,将舰船磁场等效为面磁荷产生的磁场,用面磁荷正演舰船上方的磁场。将面磁荷法推算出的磁场与舰船实际磁场进行对比,验证面磁荷法的可行性。[结果]通过数值仿真计算,舰船磁场垂直分量推算的相对均方根误差为0.44%;利用磁性船模进行实验分析,磁场垂直分量推算的相对均方根误差为7.64%。[结论]仿真和船模实验分析表明,利用面磁荷法进行磁场推算,其推算值与测量值较为吻合,推算的相对均方根误差较小,具有较高的精度,可用于实际工程计算。     

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.     

基于CFD分析的船舶横摇运动统计特征

船舶大幅度横摇的准确预报一直是船舶工程界关注的热点研究方向之一。基于CFD软件Fluent对船舶横摇问题进行了数值模拟研究,建立了船体自由横摇运动的有限体积模型。通过对一系列船体于静水中作不同初始横摇角的自由横摇运动进行数值模拟,分析得出船体横摇非线性过程中横摇角幅值存在一定的统计规律,并提出基于此统计规律对船体的大幅横摇运动进行数值预报的方法。     

15000t半潜船耐波性分析和短期预报

基于三维势流理论,运用流体动力软件SESAM对某15000t半潜船在零航速时满载状态下的耐波性进行了计算和分析.并结合半潜船实际航行的国内近海航区,对其在典型海况下的耐波性进行短期预报.计算结果表明,此半潜船在横浪下垂荡和横摇较剧烈,各个浪向角下纵摇较接近,首斜浪下易引起甲板上浪.     

水下圆柱壳自由场声辐射特性的获取

  目的  为了进一步提高鱼雷通过声自导识别复杂水面目标的精度,对随机起伏海面及水面船舶运动姿态下的声散射特性进行模拟研究。  方法  基于Kirchhoff近似和六自由度运动分解合成的方法,建立水面船舶目标多路径声散射简化预报模型。在该模型中,海面波浪对船舶六自由度运动幅度和周期的影响由经验统计值描述,通过旋转矩阵和平移矩阵,实现目标各顶点在连续运动状态下的坐标变换。基于此,利用所建预报模型,分析不同水平探测角下船舶六自由度运动分别对声散射特性的贡献度和影响。  结果  研究表明：横摇和艏摇对正横探测方位角的声散射影响较大,纵摇对艏、艉向声散射影响较大。此外,建立了船舶运动姿态与目标声散射回波特性的关系。  结论  研究结果可为声呐设备对水面目标主动声探测提供技术支撑。     

船舶运动安稳期预报技术综述

船舶运动安稳期的准确预报对提高舰载直升机着舰、无人水下航行器的布放与回收等海上作业的作业效率具有重要影响。首先,通过模拟计算说明进行船舶运动安稳期预报的可行性;其次,对国内外船舶运动安稳期预报技术的研究现状进行回顾与总结,进而阐述船舶运动安稳期预报技术的原理;再次,对船舶运动安稳期预报技术的3个主要环节:波浪测量及波浪场重构技术、波浪传播预报技术以及船舶运动预报技术进行分析。最后,对未来船舶运动安稳期预报技术的发展予以了展望。     

IMM-SCKF算法在海面扩展目标跟踪中的应用

  目的  针对船舶运动状态变化复杂场景下扩展卡尔曼滤波（EKF）的误差不稳定,以及单一运动模型的表征能力受限等问题,提出一种基于交互式多模型（IMM）平方根容积卡尔曼滤波（SCKF）的船舶轨迹跟踪算法。  方法  引入SCKF,并代替EKF来执行自动识别系统（AIS）数据的轨迹跟踪;采用交互式多模型框架将恒速直线模型（CVM）、当前统计模型（CSM）和恒定转向率模型（CTM）及改进的CTM模型进行交互融合,形成3种组合模型来表征AIS轨迹的运动状态,并进行船舶轨迹跟踪实验。   结果  结果显示,对于航向、航向率和航速均发生变化的轨迹,采用组合模型1跟踪时,在轨迹6中SCKF相比EKF的位置信息的均方根误差变化幅度小,精度提高了30.06%;采用组合模型3跟踪时,相比EKF和SCKF,其在轨迹6中位置信息的均方根误差波动的范围最小,误差减小了60.80%,组合模型3的性能最好,但计算量也最大;对于航速不发生变化的复杂轨迹,采用组合模型2跟踪的性能接近组合模型3。  结论  所提方法能够提高AIS数据的精度并保证AIS数据误差波动的稳定性,为提高船舶运动跟踪和监测提供了可能性。     

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。     

参数横摇下大型集装箱船外飘砰击的近似计算方法（英文）

Since the research of flare slamming prediction is seldom when parametric rolling happens, we present an efficient approximation method for flare slamming analysis of large container ships in parametric rolling conditions. We adopt a 6-DOF weakly nonlinear time domain model to predict the ship motions of parametric rolling conditions. Unlike previous flare slamming analysis, our proposed method takes roll motion into account to calculate the impact angle and relative vertical velocity between ship sections on the bow flare and wave surface. We use the Wagner model to analyze the slamming impact forces and the slamming occurrence probability. Through numerical simulations, we investigate the maximum flare slamming pressures of a container ship for different speeds and wave conditions. To further clarify the mechanism of flare slamming phenomena in parametric rolling conditions, we also conduct real-time simulations to determine the relationship between slamming pressure and 3-DOF motions, namely roll, pitch, and heave.