船舶航行速度高精度控制的数学模型研究

现有模型无法适应不同荷载的航速需求,存在着控制精度低、控制时延长的缺陷。为此,提出船舶航行速度高精度控制的数学模型研究。分析船舶航行速度影响因素,构建船桨系统、柴油机以及附加阻力数学模型,以此为基础,基于PID技术设计航行速度控制器,制定船舶航行速度控制规则,通过执行控制规则,应用PID控制器实现了船舶航行速度的高精度控制。设置干扰环境,准备实验对象相关数据,进行船舶航行速度控制仿真实验。实验结果表明,与现有模型相比,本文构建模型航速控制精度较高,航速控制时延较短,表明构建模型航速控制效果更佳。     

多船舶同时航行中的调度数学模型设计与实现

在多船舶同时行进航道水上交通网络中,船舶拥堵容易导致水上安全事故,需要进行水上航道船舶航行调度。本文针对当前调度模型的吞吐量低,时滞较大的问题,提出一种基于船舶航行流量分簇预测的多船舶同时行进中的调度数学模型。构建多船舶同时行进的通行流量的信息感知模型,采用RFID标签识别技术进行船舶航行流量的数学统计,构建船舶进出港的交通态势预测多元状态方程,以历史测量信息作为先验统计量对方程进行优化求解,实现船舶航行流量分簇预测,以此为信息统计量进行交通调度。仿真结果表明,采用该模型进行多船舶同时行进调度,能提高单位时间内的航道通行量,且对航道船舶流量的预测精度较高,调度的时间开销较小。     

内河航道船舶航行操纵平面二维数值模拟初步研究

船舶航行操纵数学模型包括水流数学模型和船舶航行数学模型,其中水流数学模型是船舶航行模拟的基础。基于船舶航行操纵数学模型的基本原理,研究开发了船舶航行操纵平面二维数学模型,其中水流数学模型采用贴体坐标系下的平面二维水流数学模型,采用有限体积法对水流基本控制方程进行了离散,在求解过程中采用了欠松弛技术和逐线迭代法,船舶航行数学模型采用比较流行的"组合型"水动力模型,并采用有限差分法离散求解船舶运动方程。根据实船或船模在静水条件及均匀流条件下的航行试验资料,对所建立的船舶航行操纵数模进行了验证和参数率定,结果表明该船舶数模能够正确模拟船舶的航行操纵性能。     

嵌入式船舶导航系统航行轨迹智能控制方法

传统船舶航行轨迹智能控制方法存在控制精准度低的缺点,为此提出嵌入式船舶导航系统航行轨迹智能控制方法。采用双坐标系对船舶航行轨迹模型进行建立,以建立的船舶航行轨迹模型为依据,利用传感器对船舶航行轨迹数据进行采集与处理,通过采集的数据计算船舶航行轨迹偏差,采用船舶航行轨迹控制算法对航行轨迹偏差进行调整,实现了嵌入式船舶导航系统航行轨迹的控制。通过实验可得,提出的嵌入式导航系统航行轨迹智能控制方法控制精准度比传统方法高28%,说明提出的嵌入式导航系统航行轨迹智能控制方法具备极高的有效性。     

船舶航向非线性控制的数学模型与分析

传统的船舶航向控制模型存在着航向控制精确度的缺陷,为此提出船舶航向非线性控制数学模型研究与分析。建立船舶航向分析坐标系对船舶航向参数进行确定,根据确定的参数建立船舶航向非线性运动数学模型,以上述模型为基础采用粒子群算法对船舶航向非线性控制程序进行编写与执行,实现了船舶航向非线性控制数学模型的建立。通过实验得到,建立的船舶航向非线性控制数学模型航向控制精确度比传统模型高出30.8%,说明建立的船舶航向非线性控制数学模型具备极高的有效性。     

基于港航联动的船舶航行计划优化

针对船舶航行成本受航速影响较大的问题,设计一种港航联动机制,旨在降低船舶航行成本。在港航信息互通的基础上,建立以最大程度降低航线总成本为目标的多阶段优化模型,得出船舶航行成本优化效果随规划距离变动的关系曲线,并分析航行成本优化效果同规划距离之间的关系,证明该联动机制的可行性。计算结果表明:在通过该联动机制对船舶航行计划和对航行速度进行优化后,船舶航行成本能够获得有效的降低,并通过计算获得该机制下存在的最优规划距离。因此,该联动机制能够更好地对船舶航行计划进行优化,满足船舶航行的实际需求。     

在VTS中利用回归分析方法预测研究

为提高船舶航行安全性,减少船舶碰撞事故,本文基于国内外船舶碰撞事故以及相关数据,采用数学统计理论对其进行数学建模,并基于VTS分析系统与数理统计模型,对船舶碰撞过程中的诸多因素进行分析。相关计算表明,本文建立的回归模型经过误差训练后,其误差能够迅速收敛,并且达到较高的收敛精度,能够可靠地用于船舶碰撞预测研究,为提高船舶航行安全性提供参考。     

LSTM网络在船舶航行轨迹预测中的应用

针对传统船舶航行轨迹预测算法,计算得到的轨迹预测量的回归适应性差,导致预测结果与实际轨迹之间的误差较大,严重影响船舶航线调度与航行安全的问题,提出LSTM网络在船舶航行轨迹预测中的应用。利用LSTM网络模型的梯度传递特性,建立航行轨迹进行LSTM网络模型,优化轨迹预测学习器预测学习量,采用高斯回归算法,增强预测量的自适应性,减小预测误差,整合网络预测数据,完成轨迹预测输出计算。实验数据表明,提出的预测方法的预测结果与实际轨迹之间的误差较小,能够有效提升轨迹预测精准度。     

航行安全技术下全驱动船舶操纵系统防撞控制方法

传统的全驱动船舶操纵系统防撞控制效果差,发生碰撞次数较多,为此设计一种航行安全技术下全驱动船舶操纵系统防撞控制方法。利用船舶操纵性的网络分析模型充分分析船舶航行中的干扰项,分别建立动力学模型以及运动模型,并设定船舶操纵系统防撞控制目标,以此实现航行安全技术下全驱动船舶操纵系统防撞控制。实验证明,此次设计的航行安全技术下全驱动船舶操纵系统防撞控制方法比传统方法控制后的发生碰撞次数少,证明了此次设计方法的有效性,具备实际应用意义。     

基于云模型的舰船动力定位控制系统设计

船舶动力定位控制是保证船舶平稳运行的关键。本文首先研究了云模型理论,对云模型控制进行深入分析,在船舶动力定位系统数学模型和云模型的基础上,建立了动力定位云模型控制器,并且利用基于遗传算法的粒子群算法进行控制因子的优化,最后进行控制系统仿真,实验结果表明,本文算法能够对船舶动力定位起到很好的控制作用。     

基于统计数学理论的船舶航行流量预测

船舶航行流量与多种因素相关,使得船舶航行流量变化复杂,对其进行预测面临巨大的挑战。为了解决当前船舶航行流量预测结果不理想的缺陷,以提高船舶航行流量预测精度为目标,提出基于统计数学理论的船舶航行流量预测方法。首先分析影响航行流量的因素,找出航行流量变化规律,然后收集航行流量历史数据,采用统计数学理论对航行流量历史数据进行分析,建立可以描述其变化规律的模型,最后对航行流量预测方法的有效性和优越性进行了测试与分析。结果表明,本文方法的船舶航行流量预测值与实际的航行流量值之间的偏差小,航行流量预测误差小于5%,提高了航行流量预测精度。     

船舶冰区航行动态建模

冰区航行船舶操纵仿真训练平台的建立,可完善现有航海操纵模拟器的操船训练功能。针对船舶冰区航行特点,运用微元法建立船舶冰区航行动态数学模型,并将该模型加载到航海操纵模拟器的平台开发中。利用微元法对船舶与冰层接触部分进行分析研究,得出船舶纵向、横向和垂向3个方向上冰层对船舶的冲击速度,从而得出船舶各个方向上受到冰块冲击力的大小,并将其加入到分离型船舶操纵运动数学模型中。通过对给定船型进行旋回仿真实验,实验结果表明本文建立的船舶冰区航行运动数学模型的误差在20%以内,可以应用于现有的航海操纵模拟器开发应用当中。     

内河航道船舶航行操纵平面二维数值模拟在复杂流态下的应用

基于平面二维水流数学模型和船舶航行操纵数学模型的基本原理,开发了适合内河航道的曲线拟合坐标系下的船舶航行操纵平面二维数学模型,其中水流数学模型采用贴体坐标系下的平面二维水流数学模型,船舶航行操纵数学模型采用比较流行的"组合型"水动力模型。在实船和船模在静水条件及均匀流条件下的航行试验验证的基础上,通过复杂流态河段船舶航行操纵数值模拟的研究,表明该船舶数模基本能够模拟船舶在复杂流态下的航行操纵情况。     

基于曲线拟合的船舶航行路径长度预测研究

针对传统船舶航行路径长度预测方法存在路径长度预测性能较差的问题,设计一种基于曲线拟合的船舶航行路径长度预测方法。针对船舶航行路径实施环境建模,以处理和获取空间船舶航行路径的环境信息。利用构建的环境模型确定船舶航行路径的代价函数,函数中包括过大转弯角个数函数、平滑度函数与航程函数3个因素。根据船舶航行路径代价函数,基于曲线拟合对船舶航行路径长度进行预测,首先需要基于曲线拟合对船舶航行路径长度进行量化,接着通过明示距离法对船舶航行路径长度进行预测。为了证明基于曲线拟合的船舶航行路径长度预测方法的路径长度预测性能较强,将传统船舶航行路径长度预测方法与该方法进行对比实验。实验结果证明该方法的路径长度预测性能优于传统方法,实现了性能突破。     

船舶运动的数学模型构建与验证研究

针对船舶在海面航行运动的复杂情况,构建一种用于船舶运动仿真控制分析的数学模型。分析船舶运动中的坐标系运动变化过程,并给出运动坐标系中作用力、力矩、重心速度、角速度等模型变量。研究数学模型中运动坐标系的移动过程,并适度调整运动方程的参量值,以更好地实现数学模型对船舶航行运动的控制作用。仿真验证结果表明,在提出的数学模型控制下,船舶的航行轨迹更接近于理想航线,在外界环境更加恶劣的条件下优势更为明显。     

多港口多船舶同时行进下航行调度的数学模型设计

为了提高多港口多船舶同时行进下船舶航行的畅通性,进行航行调度数学模型的优化设计,提出一种基于并行网格控制的多港口多船舶同时行进下航行调度的数学模型,采用均匀阵列分布模型构建船舶航行的网格结构模型,在齐次Sobolev空间构建船舶均衡调度的非线性微分控制方程,采用对合Cauchy-Hadamard积分控制方法进行调度模型渐进寻优,在Lyapunove有限域中得到全局调度的平衡性边界条件,实现船舶航行的并行优化调度。仿真结果表明,采用该模型进行船舶航行调度能提高港口的吞吐量,航线的运载能力增强,调度模型的稳定性较好。     

动态规划和模糊算法在船舶航速最优调度中的应用

随着海洋网络复杂度及对船舶节能性要求的提高,对船舶航行速度的控制要求也越来越精确。目前的航速调节主要是基于经验,不能够最大限度地提高航行效率和降低能源消耗。因此为了获得船舶行驶的最优速度,本文将动态规划算法和模糊算法应用于船舶,通过对船舶航行建立动力模型,然后使用优化的算法模型进行处理,获取船舶航速最优调度方法,使得船舶在有效航程中油耗最少。     

大浪条件下船舶航行阻力估计的数学模型设计

精确估计船舶航行阻力能够有效节省航行燃料,传统的阻力估计模型不能完全考虑风浪对船舶阻力的动态影响,导致模型的估计数值与实际值偏差较大、模型可信度低,不能用于估计风浪对船舶航行的阻力。针对以上问题,研究了大浪条件下船舶航行阻力估计的数学模型,利用插值三次B样条曲线对船舶受力面进行网格划分。积分计算船舶静水航行时受到的静水航行阻力。将风浪对船舶的作用视为动态增阻,以平均增阻量估计船舶受到的风浪阻力。计算静水阻力与动态增阻之和,即为船舶在大浪条件下受到的阻力,完成对模型的设计。在3种风浪条件下,进行与传统阻力估计模型的对比实验。结果表明,设计的模型在大浪条件下估计值与实际值的偏差是传统模型的1/50,即设计的模型估计的数值更精确,模型计算值更可信。     

人工智能在船舶航行数学建模中的应用

为保障船舶在海上安全航行,提出人工智能在船舶航行数学建模中的应用。使用Maklink图论方法描述海上作业点分布,建立作业点Maklink连接图,生成船舶在作业水域内可航行网络图。建立船舶在海上作业区域航线规划数学模型,并设置约束条件;利用Dijkstra算法求解船舶在海上作业危险区域航线规划模型,得到船舶航行初始航线;利用人工智能算法内的蚁群优化算法对船舶航行初始航线实时优化处理,得到船舶航行最终航线,为船舶穿越海上作业区域实时导航。实验结果表明,该方法可有效生成船舶在作业水域航行网络图,得到初始航线并对初始航线优化处理,应用效果较佳。     

基于自适应学习误差模型的船舶柴油机调速方法分析

传统船舶柴油机调速方法,存在调速误差较大的问题。导致船舶航行过程中速度控制精准度下降,影响船舶航行效率,同时为船舶航行安全留下隐患。通过对调速过程参量的分析发现,导致调速控制误差较大的根源,在于调速控制算法中的控制变量自适应性低。基于上述问题产生原因,提出基于自适应学习误差模型的船舶柴油机调速方法分析。首先对柴油机调速过程中的误差量进行模型计算,然后对误差数据网络络结构进行分析计算。最后,通过自适应学习算法,对误差结构变量进行优化,从而实现提升调速控制精准度,降低误差的效果。通过与传统控制方法的对比,证明提出方法具有解决传统方法不足的效果。