Geometry modeling of ship hull based on non-uniform B-spline

In order to generate the three-dimensional (3-D) hull surface accurately and smoothly, a mixed method which is made up of non-uniform B-spline together with an iterative procedure was developed. By using the iterative method the data points on each section curve are calculated and the generalized waterlines and transverse section curves are determined. Then using the non-uniform B-spline expression, the control vertex net of the hull is calculated based on the generalized waterlines and section curves. A ship with tunnel stern was taken as test case. The numerical results prove that the proposed approach for geometry modeling of 3-D ship hull surface is accurate and effective.     

基于NURBS的三维船体曲面重构

针对重大件货仿真系统中船体曲面造型问题, 给出了基于NURBS (非均匀有理B样条方法) 技术重构船体曲面的主要步骤。对于给定的船舶型值点, 用累加弦长参数化方法构造节点矢量, 用非均匀有理B样条方法进行横剖线和水线的全局插值, 并构造出规整的船体曲面的插值点网格, 进而重构出以NURBS为统一数学表达式的船体曲面。仿真结果表明应用NURBS方法重构出的三维船体具有高度真实感。     

非流形造型的主船体快速分舱方法

为解决自底向上逐一生成舱室的分舱方法需要花费大量时间,提出了一种自顶向下的船舶参数化分舱方法,利用舱壁位置参数与内壳折点位置参数驱动生成分舱理论面,再用分舱理论面切割主船体,利用非流形造型技术及其布尔运算生成舱室.分析结果表明:该方法只需舱壁位置与内壳折点信息,即可进行参数化分舱,避免了大量舱室型值信息的输入,降低了舱室定义的复杂性;通过非流形造型记录了分舱时的过程信息,修改模型时只需对这些信息重组即可,实现了分舱模型的快速重塑.可见,该方法能够快速实现船舶分舱与舱容计算,为船舶三维参数化设计奠定了基础.     

30m级内河双体浮油回收船船型优化及快速性试验研究

30m级内河双体浮油回收船为我国内河首艘专业浮油回收船,要求该船当辖区内出现重大溢油事故时能够快速到达指定地点,并有效承担溢油清除任务。本文简要介绍该船在研发设计中,针对该船既要满足25km/h（13.5kn）的应急响应航速,又要在溢油清除作业1～4 kn低速时保持稳定,同时具备良好的操纵性能,在船舶快速性方面所做的试验研究工作。在研发设计中,针对该船设计方案选用单体或双体船型、尾部线型优化、带导管全回转舵桨和不带导管全回转舵桨等不同船型方案所进行的船模试验和分析研究,也对目前国内外较先进的收油机做一简单介绍。     

船舶航速优化综述

从航速优化模型、油耗预测模型、航速优化模型求解方法与船舶能效管理系统方面, 分析了国内外航速优化研究现状, 探讨了航速优化存在的问题, 并针对这些问题提出了建议。研究结果表明: 在航运市场持续萎靡的情况下, 经济航行将被更广泛应用, 针对航速优化的研究仍然具有重要的意义; 在航速优化模型方面, 目前多集中在以碳排放政策、不确定因素的影响、排放控制区政策、船队调度等为单一优化目标建立航速优化模型, 优化目标主要为成本最小化和利润最大化, 未来应将航速与航线、纵倾、船队部署联合优化, 考虑多种不确定因素、多种优化目标建立航速优化模型; 在油耗预测模型方面, 预测模型主要分为白盒模型、黑盒模型和灰盒模型, 白盒模型具有更好的可解释性, 黑盒模型的预测性能更好, 灰盒模型弥补了白盒模型和黑盒模型的缺点, 将成为未来的研究重点, 未来应基于精确的船舶数据和先进的人工智能算法进行数据学习, 提升油耗预测模型预测准确性; 在优化算法方面, 由于航速优化模型的复杂性, 大多采用启发式算法进行优化求解, 这种算法可以减少优化求解时间和提高求解质量, 未来需要探索更加精确高效的求解算法; 在优化策略方面, 采用大数据分析可以识别天气对航行的影响, 动态优化策略可以补偿环境因素引起的扰动, 能够进一步提升船舶能效水平; 在船舶能效管理系统方面, 船舶能效管理系统主要包括航行数据采集、数据传输、数据储存、数据分析与智能决策等功能, 由于其成本高昂, 目前尚未在船舶上大规模运用。     

Shape optimization of bow bulbs with minimum wave-making resistance based on Rankine source method

The hull form optimization concerns one of the most important applications of wave-making resistance theories. In recent years, scholars can determine the hull form by using the optimization method based on the computational fluid dynamics (CFD) and other mathematical techniques. In this paper, the hull form optimization method based on the Rankine source method and nonlinear programming (NLP) is discussed; in the optimization process, a hull form modification function is introduced to represent an improved hull surface and to generate a new smooth hull surface by changing its frame lines and bow stem profiles under the prescribed design constraints. Numerical example is given for a practical container hull form. Finally, shape optimization of bow bulls is shown for non-protruding and protruding bow bulls. This study presents a simplified and practical design method to the select frame lines of bow bulls.     

多特征融合的船舶轨迹相异度模型分析与优选

基于船舶自动识别系统轨迹,构建了船舶轨迹静态相异度模型、动态相异度模型以及组合相异度模型,包括轨迹起点和终点相异度模型、轨迹长度相异度模型、轨迹空间分布相异度模型、轨迹航速均值相异度模型、轨迹航向均值相异度模型、轨迹航速标准差相异度模型和轨迹航向标准差相异度模型;采用KNN分类算法进行轨迹分类,分析了单个相异度模型的有效性和时效性,对比了单个相异度模型和组合相异度模型下轨迹分类效果,研究了组合相异度模型中相异度模型的类别和权重对轨迹分类的影响;分别以内河航道和港口水域船舶轨迹进行试验。试验结果显示：在采用单个相异度的情况下,就分类效果而言,轨迹起点和终点相异度模型和轨迹航向均值相异度模型在内河航道和港口水域船舶轨迹分类效果均优于其他模型,而基于轨迹航速均值相异度模型和轨迹航速标准差相异度模型的轨迹分类效果最低,就分类效率而言,基于航速、航向均值和标准差的相异度模型耗时明显低于其他3个相异度模型;采用组合相异度进行轨迹分类,内河航道和港口水域船舶轨迹分类结果的基于精确率和召回率的宏平均值和微平均值均能接近99%;将组合相异度中相异度类别数由4个增加到7个,轨迹分类评估结果进一步得到提高。因此,单个相异度模型中以轨迹起点和终点相异度模型、轨迹航向均值相异度模型以及轨迹空间分布相异度模型分类效果最优且稳定,而轨迹空间分布相异度模型和轨迹长度相异度模型耗时明显高于其他方式,各相异度模型在不同场景中的适应性基本相似,通过增加组合相异度中相异度类别能够提高轨迹识别效果。     

基于应变能的结构拓扑优化设计

基于在优化结构边界和孔洞周围附加人工材料的思路, 结合传统渐进结构优化法和单元应变能分析, 研究了基于应变能的结构拓扑优化方法, 给出了结构拓扑优化的基本原理, 导出了具有单元增、删功能的渐进结构优化基本公式。对具有各向同性的均质材料的桥墩和桥梁结构进行了仿真设计, 结果显示结构的最大与最小应变能的差距显著减小, 其拓扑解类似于工程中出现的结构, 表明该方法的基本原理可行、有效。     

基于单目视觉的水面船舶多目标定位方法

针对水面船舶的多目标实时定位, 提出了一种定位和运动参数求解算法, 采用固定位置和视角的单目摄像机采集船舶图像, 对采集的图像进行高斯滤波和图像畸变校正, 提出了基于船舶颜色、尺寸与运动学特征同时识别多个船舶目标(每个船舶目标独立识别)的方法, 构建了图像坐标与真实环境坐标的转换模型与实时航速、航向和轨迹的计算模型, 在水池环境下搭建了实时定位系统, 开发了实时定位程序, 并验证了定位方法的定位精度和轨迹跟踪性能。验证结果表明: 在存在外界干扰的情况下, 定位算法能实现对2艘船舶的精确识别; 修正前坐标点横、纵坐标平均误差分别为0.058、0.209m, 修正后分别为0.038、0.124m;摄像机定位数据更新频率为8 Hz, 满足船舶控制需要; 算法能实现对船舶位置、航速和航向的准确、实时计算, 轨迹平滑且未出现异常点。     

Engineering design optimization based on intelligent response surface methodology

An intelligent response surface methodology （IRSM） was proposed to achieve the most competitive metal forming products, in which artificial intelligence technologies are introduced into the optimization process. It is used as simple and inexpensive replacement for computationally expensive simulation model. In IRSM, the optimal design space can be reduced greatly without any prior information about function distribution. Also, by identifying the approximation error region, new design points can be supplemented correspondingly to improve the response surface model effectively. The procedure is iterated until the accuracy reaches the desired threshold value. Thus, the global optimization can be performed based on this substitute model. Finally, we present an optimization design example about roll forming of a ＂U＂ channel product.     

基于粒子群算法的双目标可靠性网络设计

用离散的路段通行能力变量来刻画路网的随机性, 建立了网络设计的双层规划模型。上层模型为基于路网期望总走行时间最小和路网净经济效益可靠度最大的双目标规划模型, 下层模型为弹性需求下的用户平衡配流模型。采用增设多余需求路段的方法求解下层模型, 采用基于向量的粒子群算法(VEPSO)求解整个双层规划模型。计算结果表明: 所得到的解为一组Pareto解, 路网期望总走行时间和净经济效益可靠性为2个相悖目标; 随着期望总走行时间下降, 可靠度也有所降低; 在可靠度不变的情况下, 减少期望总走行时间, 会导致总投资额的增加。在进行网络设计时, 应结合总投资额和现实需要来选取最优解作为网络设计方案。     

基于动态面控制的船舶动力定位控制律设计

针对水面船舶动力定位控制问题, 考虑带有未知界的时变环境扰动, 将动态面控制技术与矢量逆推方法相结合, 设计了船舶动力定位系统的自适应鲁棒非线性控制律。引入动态面控制技术, 利用一阶滤波器的微分项代替虚拟控制矢量的微分项, 使得在控制律设计过程中的微分运算被简单的代数运算所替代, 简化了计算, 易于工程实现。为阻止自适应参数漂移, 采用包含基于σ-修正泄漏项的自适应律估计未知扰动的界。应用Lyapunov函数证明了所设计的控制律能迫使船舶的位置和艏向角达到并保持在期望值, 保证船舶动力定位闭环系统中所有信号最终一致有界。仿真结果表明: 在水平面上, 当船舶初始位置偏离期望位置25m时, 利用设计的控制律能迫使船舶在50s内达到期望的目标位置, 因此, 所设计的控制律是有效的。     

基于AIS数据的受限水域船舶领域计算方法

为获取受限水域船舶领域, 提出一种利用海量AIS数据建立模型的方法。选取目标船舶的AIS数据, 将其附近水域网格化, 考虑了船舶尺寸, 计算了他船船体出现在每一个网格中的频数, 提取单船网格频数图, 将同一类型的目标船舶网格频数图叠加, 形成了特定类型船舶的网格频数图。将网格频数图按频数填充颜色, 可清晰地显示船舶领域的形状, 利用断面分析测量船舶领域长度。选用上海港南槽水域的AIS数据对方法进行验证, 统计了60~79、80~99、100~119、120~139、140~159m共5类不同长度船舶的船舶领域。分析结果表明: 由于考虑了船舶尺寸, 5类船舶的领域在长轴方向较船首向存在向左舷偏转的夹角, 角度分别为3.37°、9.46°、17.53°、10.78°、8.13°; 船舶领域长度与船舶长度的比值依次递减, 比值分别为6.00、5.80、5.67、5.43、5.13。可见受限水域内船舶领域形状为不规则椭圆, 且船舶领域长度与船舶长度的比值并非为定值。     

基于时间延迟模型的多目标优化检查决策方法

根据某航空公司货运机队的某型发动机HPTACC系统在某一周期内的预防性检查计划、检查发现的缺陷以及失效维修记录, 分析了系统在运行过程中将缺陷延迟发现时间作为安全性优化目标、将检修费用作为经济性优化目标的可行性。在预防性检查时刻发现缺陷的检修策略下, 推导了在各检查时刻基于时间延迟模型的缺陷数期望值和缺陷延迟发现时间期望值概率计算式。在缺陷退化为失效被及时发现并进行更换维修的检修策略下, 推导了在各检查间隔期内基于时间延迟模型的失效发生次数期望值概率计算式。基于2种检修策略下的概率公式, 建立了系统在给定寿命周期内的似然函数, 建立了检修费用和缺陷延迟发现时间的期望值双优化目标函数式, 运用了改进的非支配排序遗传算法优化得到双目标函数的Pareto最优解集。根据决策者的目标偏好及其分界值对应的检修费用及缺陷延迟发现时间的经验估计值, 分别确定了系统在寿命周期内的检修费用和缺陷延迟发现时间的目标偏好函数, 通过目标偏好函数划分区间确定Pareto最优解集中各最优解的偏好区间。基于收集的检修信息和提出的方法, 对决策者将缺陷延迟发现时间期望值目标偏好定为一般、将检修费用期望值目标偏好定为很好的偏好要求进行实例分析。分析结果表明: 最优检查间隔决策约为67、70或77次起降循环, 这些检查间隔为决策者进行多目标相对最优的精确决策提供细化和更精简的选择参考。     

基于CCS规范船体结构设计中几个要点的处理

民用船舶通常依照CCS规范完成船体结构设计,设计要取得CCS的认可,就必须注意一些关键性技术问题的妥善处理.本文就此阐述了自己的观点.     

基于DM6467的视频处理软件设计与优化

针对视频处理系统的实时性要求及视频压缩编码算法的现状,本文给出了基于TIDM6467的嵌入式视频处理软件及关键算法的优化实现.TMS320DM6467 ARM＋DSP的ARM核进行实时采集与传输视频数据,DSP内核进行视频处理;软件基于嵌入式Linux操作系统,采用达芬奇软件框架实现视频采集和编码服务器的设计.为了提高压缩效率,本文提出一种快速半像素运动估计算法,在最佳整像素点周围通过计算直接推导出最佳半像素点的位置,避免全搜索的大运算处理,快速半像素运动估计算法所用时间为标准全搜索算法所用时间的41％～57％.本文所设计的视频处理软件能达到实时进行高清视频的采集与压缩处理,并将处理的结果存入U盘,同时能通过扩展实现多路视频的处理.实现系统控制与存储等功能.     

船撞桥最小二乘支持向量机预测方法

为了提高桥梁与桥区通航船舶的安全性, 提出了一种船撞桥概率智能预测方法。以桥墩跨径、水流速度、水流方向与桥墩连线法线方向夹角以及航道弯曲度为系统输入, 以单航次船撞桥事故率为系统输出, 应用最小二乘支持向量机进行了船撞桥概率估算。结合实际航道, 选择了长江和黑龙江上12座桥梁的洪水期、中水期和枯水期3个时段的样本数据进行验算, 并与神经网络船撞桥概率估算结果进行对比。对比结果表明: 支持向量机方法能准确地预报船撞桥概率, 具有全局最优解, 并且收敛性和学习效率均优于神经网络。     

Containership structural design and optimization based on knowledge-based engineering and Gaussian process

Knowledge-based engineering （KBE） has made success in automobile and molding design industry, and it is introduced into the ship structural design in this paper. From the implementation of KBE, the deterministic design solutions for both rules design method （RDM） and interpolation design method （IDM） are generated. The corresponding finite element model is generated. Gaussian process （GP） is then employed to build the surrogate model for finite element analysis, in order to increase efficiency and maintain accuracy at the same time, and the multi-modal adaptive importance sampling method is adopted to calculate the corresponding structural reliability. An example is given to validate the proposed method. Finally, the reliabilities of the structures＇ strength caused by uncertainty lying in water corrosion, static and wave moments are calculated, and the ship structures are optimized to resist the water corrosion by multi-island genetic algorithm. Deterministic design results from the RDM and IDM are compared with each separate robust design result. The proposed method shows great efficiency and accuracy.     

基于傅汝德-克雷洛夫力非线性法的规则波浪中船舶运动数学模型

为准确预报规则波浪中船舶的运动, 提出基于四叉树划分的自适应网格法, 以生成船舶瞬时湿表面, 在船舶瞬时湿表面上计算傅汝德-克雷洛夫(F-K)力与静恢复力; 对于与波面相交的面元, 由于F-K力在波面处剧烈波动, 采用四叉树划分法进一步细分面元; 基于线性理论, 采用瞬时自由面格林函数在船舶平均湿表面上计算扰动力; 为避免瞬时自由面格林函数在自由液面处剧烈波动产生严重数值误差, 舍去扰动势所满足边界积分方程中的水线项, 并对迎浪前进速度为傅汝德数0.2的WigleyⅠ型船舶进行数值计算。计算结果表明: 对低于瞬时波面以下的船体部分, F-K力非线性法所需面元数更少, 为细网格法的1/4~1/8;除不规则频率外, 舍去与未舍去水线项所得水动力系数与试验值的相对误差分别小于33.4%、54.8%, 因此, 舍去水线项所得水动力系数更接近试验结果; 当入射波波幅为0.018 m, 波长与船长比为1.25时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低3.2%、17.0%, 波长与船长比为2.00时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低6.7%、13.5%, 可见, 采用F-K力非线性法能够准确地仿真规则波浪中船舶的运动。     

论船舶造型中的色彩设计

船舶造型是功能与美的统一,船舶色彩设计是造型的重要手段.笔者从色彩的心理感觉、船舶色彩的功能、船舶外观和内装色彩特点几方面,阐述了搞好船舶色彩设计的思路和手法.