基于船舶操縱性的船舶海上航行安全研究.pdf

1、船舶操縱性作為船舶重要的航行性能之一，一直以來(lái)與船舶海上航行安全有著緊密的聯(lián)系，受到了國(guó)際海事組織、各國(guó)政府以及專(zhuān)家學(xué)者們的廣泛關(guān)注。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，近十年來(lái)與船舶操縱性有關(guān)的海上交通事故類(lèi)型的事故數(shù)占海上交通事故總數(shù)超過(guò)30％，凸顯出船舶操縱性在船舶海上航行安全中的重要性。同時(shí)，隨著未來(lái)船舶向著智能化和無(wú)人化的趨勢(shì)發(fā)展，降低了人為因素的影響，船舶操縱性在船舶海上航行安全中的重要性將逐漸增加。基于上述原因，為了減少與船舶操縱性相關(guān)的海上交通安

2、全事故的發(fā)生數(shù)量，降低相應(yīng)的海上人員和財(cái)產(chǎn)損失，保護(hù)好海洋生態(tài)環(huán)境，本文基于船舶操縱性，從以下三部分開(kāi)展了船舶海上航行安全研究工作，首先利用實(shí)船操縱性試驗(yàn)獲得的靜態(tài)特征參數(shù)和指標(biāo)開(kāi)展船舶操縱性評(píng)價(jià)研究，然后基于動(dòng)態(tài)的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型開(kāi)展船舶操縱運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)與分析研究，最后同時(shí)利用動(dòng)態(tài)的船舶操縱運(yùn)動(dòng)過(guò)程和靜態(tài)的操縱性試驗(yàn)特征參數(shù)開(kāi)展緊迫局面下船舶操縱避碰研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于IMO和ABS《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)（準(zhǔn)則）》，

3、利用模糊網(wǎng)絡(luò)分析法提出了一種新穎的基于等級(jí)的船舶操縱性評(píng)價(jià)模型。該評(píng)價(jià)模型能夠初步解決船舶操縱性評(píng)價(jià)中各操縱性因素間相互關(guān)聯(lián)、相互影響的問(wèn)題，并改進(jìn)現(xiàn)有船舶操縱性評(píng)價(jià)中各操縱性因素權(quán)重不合理的缺陷。基于該評(píng)價(jià)模型，使得船舶操縱性評(píng)價(jià)的過(guò)程及結(jié)果更為合理，并對(duì)各操縱性因素賦予了合理的權(quán)重值。最后，利用三艘船舶實(shí)船操縱性試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定船舶操縱性等級(jí)，并進(jìn)行分析和對(duì)比研究，結(jié)果表明該評(píng)價(jià)模型的合理性和有效性。通過(guò)確定船舶操縱性等級(jí)，能直觀、準(zhǔn)確

4、的反映船舶操縱性是否滿足海上航行安全的最低要求，并能夠?yàn)檫M(jìn)一步提升船舶操縱性和海上航行安全水平提供理論支撐。⑵針對(duì)一類(lèi)增益已知的不確定嚴(yán)格反饋離散時(shí)間非線性系統(tǒng)，提出了一種新穎的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步對(duì)增益未知的船舶操縱運(yùn)動(dòng)離散時(shí)間非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)與分析。通過(guò)將單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和最少學(xué)習(xí)參數(shù)算法相結(jié)合，所提出控制算法能夠較好的解決常規(guī)自適應(yīng)后推控制設(shè)計(jì)所存在的“復(fù)雜性爆炸”問(wèn)題和“維數(shù)災(zāi)難”問(wèn)題，并在控制設(shè)計(jì)中通過(guò)引

5、入輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)以有效的克服輸入飽和限制問(wèn)題。根據(jù)所提方法設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅包含一個(gè)實(shí)際控制律與一個(gè)自適應(yīng)律，在線學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入變量和權(quán)重都大為減少，最終整個(gè)系統(tǒng)需要在線學(xué)習(xí)的可調(diào)參數(shù)減少至一個(gè)。與現(xiàn)有控制算法相比，本文所提出的控制結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)參數(shù)最少，并且計(jì)算量也最小。在船舶操縱運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)考慮由實(shí)船船舶操縱性試驗(yàn)結(jié)果分析得到的船舶操縱性指數(shù)，使得最終的船舶操縱運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確反映出船舶在海上實(shí)

6、際操縱過(guò)程中的操縱性，為進(jìn)一步開(kāi)展船舶避碰研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。⑶開(kāi)展處于緊迫局面會(huì)遇態(tài)勢(shì)下的船舶操縱避碰研究，首先，針對(duì)緊迫局面定義下的避碰態(tài)勢(shì)，通過(guò)將船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、船舶操縱運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、以及船舶動(dòng)態(tài)避碰要素計(jì)算模型相結(jié)合，提出了一種基于操縱性的船舶操縱避碰動(dòng)態(tài)輔助系統(tǒng)。該輔助系統(tǒng)能基本上消除過(guò)去在船舶避碰過(guò)程中常常忽略船舶操縱性的缺陷，并利用該輔助系統(tǒng)對(duì)處于緊迫局面內(nèi)兩船的三種會(huì)遇態(tài)勢(shì)進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果證明了該輔助系

7、統(tǒng)的合理性和有效性，也表明在避碰過(guò)程中考慮船舶操縱性的必要性和重要性。隨后，基于船舶操縱性和協(xié)同學(xué)理論提出了一種新穎的協(xié)同船舶領(lǐng)域模型。基于協(xié)同學(xué)理論和分析大量實(shí)船操縱旋回試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所提出的協(xié)同船舶領(lǐng)域模型初步解決了常規(guī)船舶領(lǐng)域中未考慮會(huì)遇船舶間相互影響的問(wèn)題以及未充分考慮船舶操縱性的不足。與常規(guī)船舶領(lǐng)域相比，所提出的協(xié)同船舶領(lǐng)域更為合理，為減少由于船舶操縱性因素所導(dǎo)致的船舶碰撞事故提供有效的理論基礎(chǔ)，以切實(shí)提供船舶海上航行的安全水平。