基于数字孪生的LNG港池平面优化设计方法及应用研究

为了实现港池水域设计与数字化的融合,优化港池水域平面设计方案,提高LNG船舶进出港的安全性,研究了一种基于数字孪生技术的LNG码头港池水域平面布置设计优化方案。依据LNG船舶和港作拖轮的实体特性,提取几何特征和水动力参数,构建孪生虚拟模型,应用感知数据技术,建立虚实映射关联模型,将LNG船舶和港作拖轮实际的运动状态,与智能数字化的技术精准融合,并在所搭建的虚拟环境中完成进出港和靠离泊测试,根据试验结果优化进出港航道及码头平面布置的设计方案,实现数字孪生技术在LNG码头设计过程的应用。

基于改进樽海鞘群算法的船舶避碰决策及仿真实验

文中针对多船会遇避碰决策中过渡依赖单一寻优决策的问题采用了加入自适应权重的樽海鞘群优化算法(weight salp swarm algorithm, WSSA),在算法中融入国际海上避碰规则(convention on the international regulations for presenting collisions at sea, COLREGs)和良好船艺的要求.使用速度障碍法判断船舶的碰撞危险度并将多船会遇避让的过程中避让的安全性、经济性以及船舶领域侵入程度作为建立避碰决策的目标函数.算法测试的结果中,WSSA与原始樽海鞘群算法(SSA)以及经典粒子群算法(partide swam optimization, PSO)相比较,WSSA算法在收敛的精度和速度方面都明显优于SSA和PSO算法.结果表明:WSSA在寻找最优碰撞路线的过程中迭代的次数更少,精度更高.

航行控制算法的智能评估架构设计

控制算法测试验证评估是确保智能船舶航行性能可靠性和安全性的关键。本文梳理了国内外智能评估技术的发展现状,以Transas船舶航行模拟器为船舶智能航行虚拟测试平台,进行航行控制算法测试评估。根据船舶直线段和弯曲段航行特征建立评估指标,提出航行控制算法智能评估系统的设计思路、框架结构和构建流程,初步建立虚拟仿真测试下的船舶航行控制算法智能评估体系,指出该智能评估系统所涉及的关键技术。基于以上研究,对船舶航行控制算法虚拟测试评估技术和未来改进方向进行总结。

船舶避碰虚拟测试场景生成方法

结合虚拟测试验证要点,梳理测试场景构成要素,实现场景要素跨域融合,构建测试船、目标船和环境间的博弈与对抗行为特征,针对场景表示的3种抽样层次,提出面向虚拟测试的场景生成方法。基于场景优化生成方法,在场景组合生成方法的基础上离线生成测试场景,主要针对参数空间的边缘场景,让智能算法参与场景生成过程,其场景覆盖度更低,通过测试高风险的边界场景,以测试特定系统性能效果。以单船避碰为例,在虚拟仿真测试平台进行仿真验证,结果表明优化生成后的场景文件能够有效降低场景生成数量,显著提升生成效率,且在场景交互博弈、覆盖率和可重复测试等方面具有良好性能。

船舶AIS和雷达航迹数据的关联及融合

文中基于统计方法和模糊数学方法,设计出二级航迹数据关联及融合算法.在进行航迹数据关联时,先由基于统计的第一级关联准则对数据进行筛选,再由基于模糊数学的第二级关联准则从航向、航速、方位、距离四个因素进行综合评价,同时保证了算法的效率和准确率,数据融合采用基于最小方差原则的加权平均法.借助MATLAB对设计的算法进行仿真验证.结果表明:该算法的运算效率和融合数据的准确率均有提升.

基于CSSOA的多船智能避碰决策研究

[目的]智能避碰决策作为船舶安全航行的关键技术之一,对智能船舶的发展具有重要意义。针对多船会遇下的智能避碰决策问题,提出一种基于高斯变异和Tent混沌的改进麻雀搜索优化算法(CSSOA)。[方法]算法采用Tent混沌映射初始化麻雀原始种群,提高其多样性,并对适应能力差和搜索停滞的麻雀个体进行混沌映射,利用高斯变异提升局部搜索能力和鲁棒性,改进方案优化启发式算法收敛速度慢和易陷入局部最优的问题。综合考虑船舶间船速比、最小会遇距离、相对距离、最小会遇时间、相对方位等因素,利用模糊隶属度函数建立船舶碰撞风险模型,并通过多船典型会遇场景进行实例验证。[结果]实验结果显示,改进算法的平均迭代次数较粒子群算法和原麻雀算法分别减少了77.97%和53.57%。[结论]改进后的麻雀优化算法能以更优的收敛速度寻到安全经济的避碰路径,为船舶驾驶员提供避碰决策参考。

船舶智能航行测试场景生成方法

基于场景的虚拟测试技术对船舶智能化、自主化发展起着关键作用,相比于真实航行测试成本高、危险系数大、可重复性差等缺陷,它的试验场景配置灵活,效率高,可重复性强,安全性高,成本低,能够为船舶的自主化、智能化提供必要的技术支持。面向船舶虚拟测试场景生成领域,梳理国内外场景研究现状,明确船舶虚拟测试场景定义,解析测试场景关键要素,构建虚拟测试场景基本架构;根据船舶测试要素的来源对测试场景要素进行划分,阐述一系列场景生成关键技术。最后根据采集数据进行特征提取,提出一种船舶智能航行场景生成方法。该方法使得虚拟测试变得更加安全、高效、覆盖面更广,是一种可靠的船舶场景生成方法。

基于数字孪生的测试场景架构及应用研究

虚拟测试场景在智能船舶评估中占有重要地位,数字孪生技术能够对现实环境进行描述、预测,实现智能现实环境与虚拟场景的交互映射。本文探索如何将数字孪生应用于智能船舶虚拟测试,构建船舶和环境数字孪生体来实现船舶在现实环境中如何获取数据、在哪获取数据,获取何种数据映射到虚拟测试场景中,并寻求更为准确的参数。初步构建出基于数字孪生的船舶虚拟测试场景架构,基于该架构进行虚拟测试前后以及船舶远程操作时延优化应用,该架构具有一定的有效性和可靠性。基于数字孪生技术能够提高智能船舶虚拟测试系统的效率和操作精度,增强实验结果的可靠性。

基于贪心-遗传优化算法的中长期船舶进出港调度优化

文中提出一个目标周期内港口总卸货量最大的目标函数,结合航海实际,建立以靠泊条件、通航模式、船舶窗口期、船舶安全距离等通航限制条件为约束条件的船舶进出港调度优化模型,并选用贪心-遗传组合优化算法(GGA)进行实现.通过假设港口数据的方式来进行模拟试验验证模型及算法的合理性和有效性,并对港口短期调度模式和中长期调度模式进行对比论证.

针对群桥水域航路规划问题的PSO算法选比研究

针对群桥水域航路规划问题,分析了群桥水域特征,建立了简化的群桥水域航路代价模型,分别运用标准PSO算法、权重改进PSO和学习因子改进PSO算法对该问题进行求解,并对不同改进方法的收敛速度和最优适应度值进行了对比分析,得出了异步变化学习因子PSO算法在几种改进策略中表现最优的结论,并应用算例进行验证,确定了后期深入研究群桥水域航路规划问题的方法.

渤海海域超大型船舶安全航速限定标准研究

为确保超大型船舶在渤海海域的航行安全,避免偏航和搁浅事故的发生,鉴于船舶安全航速限定标准的重要性,提出基于交通流要求(纵向)、航道尺度要求(横向)和富裕水深(UKC)要求(垂向)的船舶安全航速三维限定数学模型。研究在渤海海域通航条件下,以超大型油轮(VLCC)和散装船为代表船型的船舶在不同风流条件下的安全航速限定标准。结果表明,不同船舶的安全航速限定标准不同,该标准应考虑风流、航宽、水深等条件,并与船舶方形系数有直接关系。

船舶操纵仿真的狭长通航隧洞航行安全研究

通航隧洞作为一类新型的过船设施,具有通航宽度窄、水深浅、能见度不良和环境封闭等特点,船舶在隧洞内航行时船舶操纵难度大、船员心理压力高,船舶在通航隧洞内航行驾驶研究方面在我国还几乎处于空白。以拟建的乌江思林二线通航隧洞工程作为对象,采用航海模拟器构建隧洞通航环境模型、代表船型模型,通过开展隧洞操纵仿真试验、制动冲程操纵试验和小舵角操纵试验等3种试验,分析船舶在通航隧洞内不同阶段的航行特点与风险,提出适用于狭长隧洞通航船舶的航行方案,为隧洞内航行安全保障措施的制定提供有力支撑。

基于模糊集合理论的船舶碰撞危险度模型

为了解决多船避碰决策过程中避让行动优先级问题,提出一种基于模糊集合理论的船舶碰撞危险度确定模型。选取最近会遇距离、最近会遇时间、船间距离、相对方位、船速比5个因素建立碰撞危险度影响因素集,并确定各因素评价集、评价指标以及各参数的隶属度函数,经模糊综合评价得到船舶碰撞危险度计算模型。设置两船交叉会遇以及多船交叉会遇2种会遇局面进行仿真实验,实验结果验证了该模型的有效性。

基于分层思想的AUV路径规划算法研究

自主水下航行器(autonomous underwater,vehicle,AUV)对认识、研究、开发海洋有着重要的意义,其路径规划的研究对AUV的航行安全及工作效率提高起着重要的作用.针对水下复杂环境、障碍物不规则、规划困难等问题,提出适用于三维空间路径规划的空间分层路径规划方法.通过分层的方式表达空间,简化环境模型,并构建了路径规划的目标函数.使用逆向逐步搜索路径优化方法,提高了路径实用价值.仿真结果表明,设计路径规划方法简便有效,适用于复杂水下环境.

追越情况下船间水动力干扰快速计算模型

在追越情况下,船间干扰力作用时间更长,危险程度相对更高,现有的船间水动力干扰模型较为复杂而不能在实际中应用。因此,为建立适用于航海实践的船间水动力计算模型,快速估算船间水动力干扰影响,对现有船间干扰力模型进行简化。首先固定两船横距,分别采用傅里叶、高斯以及正弦函数方法对已有试验数据进行回归拟合,通过系数优化及加入横距变化影响,得出一个仅依赖于船舶纵距与横距的船间水动力计算模型。对该模型进行验证,证明所得模型精度较高。

基于SAPSO算法的群桥水域航路规划

针对群桥水域航路规划问题,分析群桥水域特征,建立群桥水域航路代价模型,运用模拟退火粒子算法(Simulated Annealing Particle Swarm Optimization,SAPSO)对不同维数的航路规划模型进行求解,证明SAPSO算法在解决群桥水域航路规划问题方面的适应性。对比分析不同维数模型的求解精度、收敛速度及其航海实践意义,结果表明:在维数较低的情况下,规划航路精度相对欠佳,但能运用于航海实践;在维数较高的情况下,规划航路精度较高,但仍需对规划结果作进一步优化。

群桥水域特征分析及建模研究

针对群桥水域航路规划问题,统计分析了长江武汉段桥梁间距、桥梁通航孔、桥梁轴线和交通流因素,得出了群桥水域具有桥梁间距小、通航孔交错、轴线走向不同和交通流复杂的结论.基于桥墩紊流区边界及安全富余量分析,采用量纲一的量化技术建立了长江武汉段群桥水域航路规划模型,针对模型存在着数据数量级差别大、桥梁数量过多等缺陷,缩小桥梁间距,对桥墩半径、桥墩间距、紊流区边界和安全富余量适当扩大,得到了适用性较强的能够反映群桥水域通航环境特征的模型.

基于NSGA-Ⅱ算法的AUV三维全局路径规划

针对自主水下航行器(AUV)在三维复杂环境下的路径规划问题,提出了一种适用于全局路径规划的NSGA-Ⅱ算法.结合实际情况建立了简单有效的三维地形环境模型,依据经济性和安全性原则设计了算法的路径长度和威胁度评价函数,通过快速Pareto排序及拥挤度距离计算选择路径点.为了保证路径的实用性,运用梯度下降法对路径进行平滑处理.仿真结果表明:改进后的算法在三维环境下不仅可以安全避开海底地形障碍,而且寻找最优解的能力及收敛速度都有较大提升.

追越状态下船舶临界失控水动力干扰区研究

基于船舶操纵运动数学模型和船-船水动力干扰数学模型,提出了由于船间水动力干扰导致的船舶临界失控发生的条件,分析追越状态不同船舶横向间距、不同船舶速度以及不同水深吃水比等条件下船-船干扰力和力矩与船舶横向力、船舶舵力及力矩间的关系,研究船舶临界失控区的尺度,证明船舶临界失控水动力干扰区的存在,给出了船舶临界失控水动力干扰区随船舶横向间距、船舶速度及水深吃水比的变化规律.追越船转船力矩失控区在(-0.6～-0.5)L,追越船速度提高,临界失控干扰区尺度减小;被追越船干扰力临界失控区在(-1～1)L,转船力矩失控区域在船尾方向(-0.5～0.5)L.

相遇条件下船间水动力干扰模型优化

现有的基于理论模型、半经验模型及经验模型的船间水动力干扰力和干扰力矩计算公式比较复杂,不适于驾引人员实际操船的应用。为快速、准确计算船间水动力干扰力和干扰力矩,帮助驾引人员迅速分析对遇条件下两船间的水动力影响情况,对Vantorre等人的船间水动力干扰缩尺船模试验中的一组船舶对遇试验数据运用不同的回归方法进行拟合,以优化得到一个相对精确、计算简单的船间水动力干扰计算模型。此模型可供船舶驾引人员迅速估计对遇条件下的船间水动力影响,在一定程度上可为驾引人员的操纵提供判断依据。