基于船舶操縱性試驗(yàn)分析的辨識(shí)建模研究.pdf

1、船舶操縱性是船舶重要的水動(dòng)力性能之一，與航行安全緊密相關(guān)。隨著造船和航運(yùn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，船舶呈現(xiàn)出大型化、多樣化等特點(diǎn)，操縱復(fù)雜度和難度越來(lái)越大，發(fā)生海上事故的概率也在增大。為此，早在1985年，國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)就提出了估算船舶操縱性能的初步指南，規(guī)定了船舶操縱性的基本要求。之后，IMO在1993年和2002年分別頒布了船舶操縱性暫行標(biāo)準(zhǔn)和船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)船舶

2、操縱性提出了明確的定量要求。
　　 根據(jù)IMO的要求，為了提高船舶航行安全性，避免設(shè)計(jì)、建造不滿足操縱性基本要求的船舶，應(yīng)該在船舶初始設(shè)計(jì)階段就對(duì)船舶操縱性進(jìn)行預(yù)報(bào)。船舶操縱性預(yù)報(bào)的方法主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)或經(jīng)驗(yàn)公式方法、自航模試驗(yàn)方法、船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型加計(jì)算機(jī)模擬的方法和基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)的直接數(shù)值模擬方法。其中，數(shù)學(xué)模型加計(jì)算機(jī)模擬的方法是目前應(yīng)用最廣和最有效

3、的方法之一。應(yīng)用該方法，精確確定數(shù)學(xué)模型中的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)和操縱性指數(shù)是提高預(yù)報(bào)精度的關(guān)鍵。
　　 目前，有四種方法可用于在船舶設(shè)計(jì)階段確定數(shù)學(xué)模型中的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù):數(shù)據(jù)庫(kù)或經(jīng)驗(yàn)公式方法、約束模試驗(yàn)方法、理論與數(shù)值計(jì)算方法以及結(jié)合模型試驗(yàn)的系統(tǒng)辨識(shí)方法。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)或經(jīng)驗(yàn)公式方法受船型影響較大，應(yīng)用受到限制。約束模試驗(yàn)方法不僅需要特殊的試驗(yàn)設(shè)施，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且存在“尺度效應(yīng)”的問(wèn)題。理論與數(shù)值計(jì)算方法可以計(jì)算作用在船體上的流體水動(dòng)力

4、和力矩，但要計(jì)算所有的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，特別是非線性水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，目前還有很大的困難，不能滿足所需要的工程精度。結(jié)合模型試驗(yàn)的系統(tǒng)辨識(shí)方法是一種船舶操縱運(yùn)動(dòng)建模的有效方法，有很長(zhǎng)的發(fā)展和應(yīng)用歷史，隨著現(xiàn)代試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)和系統(tǒng)辨識(shí)方法的不斷發(fā)展，該方法得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
　　 船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型主要有兩大類，即水動(dòng)力模型和響應(yīng)模型。水動(dòng)力模型包括Abkowitz模型和MMG模型。Abkowitz模型又稱為整體型模型，它是把作用在船-

5、槳-舵系統(tǒng)上的水動(dòng)力看作為一個(gè)整體，并將水動(dòng)力表達(dá)式在直航運(yùn)動(dòng)狀態(tài)平衡點(diǎn)附近按Taylor級(jí)數(shù)進(jìn)行展開(kāi)。MMG模型又稱為分離型模型，它把水動(dòng)力分解為作用在船體、螺旋槳和舵上的三部分，并充分考慮了船體、螺旋槳和舵之間的相互干擾影響。響應(yīng)模型可以由線性的水動(dòng)力模型導(dǎo)出，它反映的是船舶對(duì)操舵的轉(zhuǎn)首運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，主要被應(yīng)用于自動(dòng)舵的設(shè)計(jì)，但也可以應(yīng)用于簡(jiǎn)單的操縱運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)。
　　 本論文應(yīng)用一種新型的系統(tǒng)辨識(shí)方法——支持向量機(jī)(Support

6、 Vector Machines，SVM)對(duì)船舶操縱性試驗(yàn)進(jìn)行分析，包括自航模試驗(yàn)分析和約束模試驗(yàn)分析，由此對(duì)船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行辨識(shí)建模。SVM主要包括最小二乘支持向量機(jī)(Least Square-SVM，LS-SVM)、ε-支持向量機(jī)(ε-SVM)、v-支持向量機(jī)(v-SVM)等。本論文主要以Abkowitz模型為對(duì)象，針對(duì)船舶操縱性試驗(yàn)分析過(guò)程中出現(xiàn)的非線性問(wèn)題，應(yīng)用ε-SVM和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模型中的非線性函數(shù)關(guān)系進(jìn)行辨識(shí)研究;在

7、船舶操縱性試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，應(yīng)用素有“數(shù)學(xué)顯微鏡”之稱的小波分析方法進(jìn)行船舶操縱性試驗(yàn)數(shù)據(jù)消噪。
　　 在自航模試驗(yàn)分析方面，對(duì)ε-SVM方法及其應(yīng)用進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，應(yīng)用ε-SVM對(duì)仿真的自航模試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。仿真試驗(yàn)類型為仿真Z形試驗(yàn)，所采用的數(shù)學(xué)模型為Abkowitz模型和響應(yīng)模型。通過(guò)對(duì)仿真試驗(yàn)進(jìn)行分析，首次應(yīng)用基于線性核的ε-SVM辨識(shí)了數(shù)學(xué)模型中的模型參數(shù)，并利用所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了船舶Z形操縱運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào);通過(guò)將

8、模型參數(shù)辨識(shí)結(jié)果及操縱運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果分別和用于仿真試驗(yàn)的模型參數(shù)值及仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了ε-SVM方法應(yīng)用于船舶操縱自航模試驗(yàn)分析的可行性。在響應(yīng)模型的辨識(shí)建模中，采用的模型為線性響應(yīng)模型;為了研究ε-SVM的不敏感因子ε對(duì)船舶操縱性試驗(yàn)分析的影響，應(yīng)用具有不同不敏感因子ε的ε-SVM對(duì)線性響應(yīng)模型進(jìn)行了回歸并對(duì)船舶Z形操縱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)，結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)不敏感因子ε值，ε-SVM具有同時(shí)達(dá)到學(xué)習(xí)效率和預(yù)報(bào)精度最佳的能力。在Ab

9、kowitz模型的辨識(shí)建模中，為減緩辨識(shí)建模過(guò)程中出現(xiàn)的參數(shù)漂移，采取了向訓(xùn)練樣本對(duì)中添加隨機(jī)數(shù)序列的方法，結(jié)果表明，該方法有效地抑制了參數(shù)漂移。
　　 在數(shù)學(xué)模型非線性函數(shù)關(guān)系辨識(shí)方面，為了克服經(jīng)典BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固有缺陷，如收斂速度慢，容易陷入局部極小值等，本論文開(kāi)發(fā)了一種新型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——基于切比雪夫(Chebyshev)正交基的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱“切比雪夫(Chebyshev)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，并將其首次應(yīng)用于船舶操縱數(shù)學(xué)模型非線性

10、函數(shù)關(guān)系的辨識(shí)，該網(wǎng)絡(luò)模型以一組Chebyshev正交多項(xiàng)式作為隱含層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BP算法導(dǎo)出了權(quán)值修正的迭代公式。文中以舵角和操縱運(yùn)動(dòng)變量為輸入，以水動(dòng)力為輸出，分別應(yīng)用ε-SVM、經(jīng)典BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Chebyshev神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)Abkowitz模型中的非線性函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了辨識(shí)，利用辨識(shí)得到的非線性函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了水動(dòng)力預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果的比較表明，ε-SVM學(xué)習(xí)性能最優(yōu)，Chebyshev神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)次之，經(jīng)典BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最差。

11、
　　 在約束模試驗(yàn)分析方面，以國(guó)際拖曳水池會(huì)議(Internatioanl Towing Tank Conference，ITTC)操縱性技術(shù)委員會(huì)推薦的用于比較研究的超大型油輪KVLCC1船型為對(duì)象，利用韓國(guó)海事及海洋工程研究所(MOERI)船模水池的斜拖試驗(yàn)結(jié)果和意大利羅馬水池（INSEAN）的純橫蕩試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)ε-SVM方法及其應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)約束模試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首次應(yīng)用ε-SVM回歸了Abkowitz模型

12、中的水動(dòng)力表達(dá)式，并應(yīng)用所得到的水動(dòng)力表達(dá)式對(duì)不同工況下的水動(dòng)力進(jìn)行了預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果和約束模試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了ε-SVM方法應(yīng)用于船舶操縱約束模試驗(yàn)分析的可行性。在純橫蕩試驗(yàn)分析過(guò)程中，為了消除水動(dòng)力表達(dá)式變量之間的高度線性相關(guān)性，將水動(dòng)力表達(dá)式進(jìn)行了等價(jià)變換，有效地避免了參數(shù)漂移。
　　 在船舶操縱性試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，本文首次在國(guó)際上應(yīng)用小波分析方法進(jìn)行了船舶操縱性試驗(yàn)數(shù)據(jù)消噪研究。為驗(yàn)證該方法的有效性，以響應(yīng)模型為對(duì)象，

13、通過(guò)向仿真的Z形試驗(yàn)數(shù)據(jù)中添加隨機(jī)數(shù)序列，獲得了含有野值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而應(yīng)用小波分析方法對(duì)含有野值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪;基于含有野值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)消噪處理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用ε-SVM辨識(shí)了響應(yīng)模型中的模型參數(shù)，并利用辨識(shí)得到的模型進(jìn)行了船舶Z形操縱運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào);通過(guò)將模型參數(shù)辨識(shí)值及運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果分別和用于仿真試驗(yàn)的模型參數(shù)值及運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了小波分析方法應(yīng)用于船舶操縱性試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理的有效性。
　　 本文工作的創(chuàng)新點(diǎn)如下:

14、
　　 1.在國(guó)際上首次應(yīng)用ε-SVM進(jìn)行了基于船舶操縱性試驗(yàn)分析（包括自航模試驗(yàn)分析和約束模試驗(yàn)分析）的辨識(shí)建模研究。
　　 2.開(kāi)發(fā)了一種新型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——基于切比雪夫(Chebyshev)正交基的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱“切比雪夫(Chebyshev)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，并在國(guó)際上首次將其應(yīng)用于Abkowitz模型中的非線性函數(shù)關(guān)系辨識(shí)。
　　 3.在國(guó)際上首次應(yīng)用小波分析方法對(duì)船舶操縱性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)該方法的有效

15、性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 4.在自航模仿真Z形試驗(yàn)分析過(guò)程中，采用向訓(xùn)練樣本對(duì)中添加隨機(jī)數(shù)序列的方法來(lái)減弱Abkowitz模型變量之間的線性相關(guān)性，有效地減緩了Abkowitz模型辨識(shí)建模過(guò)程中出現(xiàn)的參數(shù)漂移;在約束模純橫蕩試驗(yàn)分析過(guò)程中，通過(guò)對(duì)Abkowitz模型的水動(dòng)力表達(dá)式進(jìn)行等價(jià)變換，有效地消除了水動(dòng)力表達(dá)式中變量之間的高度線性相關(guān)性，避免了參數(shù)漂移。
　　 本文對(duì)基于操縱性試驗(yàn)分析的ε-SVM方法及其在船舶操縱運(yùn)動(dòng)