长江弯曲航道船舶航迹控制方法研究

文中建立考虑舵机伺服系统特性和风、流干扰的线性船舶动力学模型,确定仿真实验船舶的各个必要参数.引入最优控制策略,以航速为自变量设计不同航速下基于最优控制策略的PID(proportion integral differential)航向控制器OP-PID Controller(optimal PID controller),在不同航速下分别采取PID和OP-PID进行了航向控制仿真.在航向控制器的基础上,结合航段跟踪决策算法、改进的LOS(line-of-sight)制导方法获取航向偏差,以航向偏差驱动OP-PID间接航迹控制器.以OP-PID和改进的LOS组成的航迹控制方法进行了静水环境中和外界干扰下的航迹控制仿真实验.结果表明:基于改进LOS制导方法和OP-PID航向控制器可以较好地跟踪弯曲航道计划航线,舵角和转向幅度均小于现有航迹控制器.

基于要素稠度的电子海图矢量瓦片组合构建方法

为进一步提升基于WebGIS技术的电子海图在前端的加载效率,对海图矢量瓦片的划分方法进行深入研究。在考虑要素空间分布稠度的基础上,提出一种海图瓦片的组合格网划分方法。在四叉树划分过程中引入矢量瓦片数据阈值将其改造成非平衡四叉树,作为瓦片划分的第1阶段,在瓦片划分至单瓦片最大数据量小于数据阈值后,通过融合变异系数的二叉树对瓦片进行第2阶段的划分。将组合格网法、原始均匀格网法和改进均匀格网法生成的矢量瓦片数据与试验结果进行对比。研究结果表明,在瓦片第3~第9层级范围内,相对于2种均匀格网法,基于要素稠度的组合格网法生成的矢量瓦片在同一层级的标准差更小,矢量要素在瓦片上的分布更加均衡,在同一视窗范围内,组合格网法生成的瓦片加载时间更短。

基于黎曼球面投影变换的船舶会遇风险感知建模

文中提出一种基于黎曼球面投影变换的船舶会遇风险感知模型,将船舶相对运动轨迹投影为黎曼球面上的相对曲线运动,利用黎曼球上船舶的相对速度与相对距离构建会遇风险模型.基于三种会遇局面和实际事故案例进行仿真,并基于案例与传统模糊综合评价模型作对比分析模型可靠性.结果表明:所提模型能有效地评估船舶会遇风险,实时可视化输出更为直观,便于辅助船舶避碰决策.

长江下游桥区动态自适应自主航行决策方法

针对长江下游桥区环境复杂且时变,存在特殊航行规则、可航水域受限等问题,提出一种自主航行决策方法。在该类水域,基于数字化交通环境模型,结合导航模型、船舶操纵运动数学模型(MMG)、航向航迹控制方法构建自动航行模型。以航行规则和良好船艺为前提计算可行操纵区间,依靠时序滚动框架消除剩余误差和自适应目标船(TS)机动,求取自主航行决策方案。仿真结果表明:该方法能自适应时变环境,实现自适应多目标避让,并沿推荐航线安全通过,为桥区水域自主航行提供一种自适应的决策方法。

中尺度海-气相互作用对台风暴雨过程的影响

利用中尺度海-气耦合模式MCM对两个典型台风过程进行了数值模拟试验,定量地分析了海-气相互作用对台风暴雨的影响,并探讨了这一影响的物理机制.结果表明,模式MCM能成功模拟台风的路径、强度以及台风暴雨的落时、落区.考虑海-气相互作用能使台风中心气压48和72 h分别回升9.9和3.5 hPa,使后续时段的台风对流性降水减小40～100 mm,还明显改变了非对流性降水分布.耦合与非耦合试验对比分析初步表明,海-气相互作用影响台风暴雨的机制是一种通过台风大风区附近海平面温度(SST)下降来调节的负反馈机制.

西北太平洋温带气旋爆发性发展的热力-动力学分析

利用天气、位涡分析和导出的Lagrangian型广义Z－O发展方程的诊断分析，考查了两个西北太平洋温带气旋爆发件发展的主要强迫机制和热力一动力空；司结构。结果表明，热力强迫对爆发性气旋发展起主要控制作用，当反映大气斜乐性的Laplacian温度平流、积云对流和湍流加热为主的热力强迫共同作用使地转相对涡度急剧增长时，气旋便出现了爆发性发展，其中积二尺度的对流加热贡献更大。Laplacian绝热冷却、大气向海洋的感热输送和摩擦效应起阻滞发展的作用，也是控制气旋衰亡的主要过程。爆发性发展启动同子因例而异，涡度平流、Laplacian温度平流和Laplacian大尺度加热均可成为主要启动因子。垂直积分平均分布和垂直结构考查进一步佐证了诊断分析的结果，并揭示了气旋爆发性发展过程中一些重要的热力-动力学分布特征。

海洋温带气旋爆发性发展数值试验

利用 Ｐ Ｓ Ｕ／ Ｎ Ｃ Ａ Ｒ Ｍ Ｍ ４ 对５ 个西北太平洋温带气旋的爆发性发展进行了一系列数值模拟和敏感性试验，并对重要的物理过程进行了分析和诊断。采用相同物理过程及边界条件的控制试验成功地模拟出了主要的爆发性气旋加深率，为海洋爆发性气旋的业务数值预报提供了可能。敏感性试验获得了湿物理过程、能量频散、 Ｓ Ｓ Ｔ 和海面能通量、日本岛地形及初、边值条件等影响气旋加深率的定量认识，分析表明水的微物理过程，特别是网格尺度的水汽凝结、未饱和层的云滴和雨滴蒸发，是气旋爆发性发展中最重要的物理过程；在高空 ２００～３００ｈ Ｐａ 层的云滴蒸发效应可能是形成相应层气旋中心非绝热冷却峰值的主要原因；由内在热力动力学过程所决定的潜热释放比对流参数化任意规定的加热分布更接近实际并能产生更好的模拟结果；没有能量频散效应时可减小模拟加深的 ３０％ ；海面能通量在初始时刻比在爆发性发展时更重要，不计初始时海面能通量将影响模拟加深约 ２５％ ，而不计爆发性发展时的海面能通量，这种影响不及前者的一半；爆发性发展时的海面能通量呈不均匀分布并能诱导反锋面热力环流在局部抑制气旋的加深；

在船舶航行条件下热带气旋强度变化预报的相似离度方案

该文提出了在船舶航行条件下利用相似离度作西北太平洋热带气旋６—７２ｈ强度变化预报的方法，并进行了独立样本预报检验和实船试验，基于相似离度利用“形”和“值”两个方面全面去比较实时样本和历史样本之间的相似程度的优．点，采取了一系列相似离度应用技术，从三万多条历史样本曲线库中寻找最相似的样本曲线的未来变压进行强度变化预报，有利于提高预报准确率，减小预报误差，独立样本的预报检验和实船试验表明，该方法具有简便、迅速等特点，还具有较高的预报精度；是现行船舶航行条件下或岸上气象台站及作热带气旋强度变化预报的一种切实可行的途径。

海洋风暴形成的一种动力学机制

文中从观测统计学、瞬变涡动能量学和 MM5中尺度数值模拟角度 ,研究了海洋风暴 (爆发性气旋 )形成的气候特征及其可能的动力学机制 ,揭示了一幅爆发性发展的物理图像。结果表明 ,在冷季大气特别是日本以东洋面上大气特有的热力气候背景下 ,通过同海洋风暴过程相联系的涡动热通量 vθ的向极地输送 (- vθ· θm>0 ) ,将季节尺度的时间平均有效位能向瞬变涡旋时间尺度的涡动有效位能转换 ,是海洋风暴形成的主要动力机制。在该过程中转换来的具有最大贡献的涡动有效位能 ,连同具有次大贡献的积云加热制造的涡动有效位能(q3 )一起 ,通过暖异常区 (α >0 )暖湿空气上升运动 (-ω >0 )的斜压转换 (-ωα) ,促使涡动动能增长。同时 ,补充的涡动有效位能又加强了暖异常区的暖湿空气上升运动 ,进而产生积云对流活动及其潜热释放的正反馈过程 ,最终导致涡动动能急剧增长和海洋风暴的形成。海-气潜热输送的作用是在风暴形成初期提供后来积云尺度对流活动及潜热释放的水汽潜力。研究还表明 ,海洋风暴主要发生在冷季月份 1 3 0°E以东的中高纬洋面上 ,这种对特定季节和特定海域的依赖性是大气和海洋气候背景的动力

船舶操纵模拟器在桥梁/船闸通航方案论证中的应用

探讨运用船舶操纵模拟器进行通航方案论证的方法,结合内河水域桥梁/船闸通航方案中进行试验,通过模拟不同环境因素对通航安全的影响,分析模拟试验的结果,提出提高通航安全的建议。

实时流场预报及在海面溢油轨迹预测中的应用

本文提出了舟山定普港域三维实时流场数值预报和调和预报方法 ,并在海面溢油轨迹预测应用实例中作了验证。结果表明 ,该方法能较准确地预报港域内流场的空间和时间分布 ,由预报流场驱动的溢油轨迹同实测结果一致 。

完全强迫下夏季黄东海环流三维高分辨数值模拟

在多年的观测资料基础上 ,以月平均大气风应力、边界流输送、温盐斜压效应、潮汐、长江口径流等作为强迫条件 ,对黄东海环流的结构进行了 3 D数值模拟 ,探讨了各因子对主要流系的动力学作用 .完全强迫下的数值模拟再现了夏季黄东海主要环流流系的基本特征 .夏季温盐场出现层化 ,垂直运动较冬季强 ,是夏季黄东海总的环流结构形成的重要因子 ;黄海海域存在一明显的逆时针的气旋式环流 ,潮汐作用对这一气旋状环流有直接贡献 ;风场的作用较冬季小 ,但对于一些表层环流 (特别是黄海表层北向的表层流 )的形成仍有一定作用 ;台湾暖流是对马暖流的主要来源 ;黄海冷水团形成有潮致环流作用的成分 ;与冬季一样 ,在黑潮北端。

黄、东海海洋对于台风过程的响应

强天气过程下海洋的响应是海洋环境预报的重要内容,它的研究对于防灾减灾、远洋运输、水产养殖等有积极的意义。本文中作者运用一个改进后具有模拟和预报能力的河口海洋模式ECOM-si,引入全强迫条件,对一个真实的强台风下的海洋响应进行了研究。模拟结果表明,海洋对台风过程有强烈的响应,强台风引起SST出现大幅降低,最大达5℃,其中大风抽吸和大风夹卷影响最大;大风引起的平流输送在实际情况中对海水温度、盐度的水平分布有重要影响:台风诱导海水上翻,会使得海洋的混合层明显加深,最大达20—30m;海洋在台风作用下,在上层海洋产生明显的气旋式流场,海面产生的明显下陷可达30cm,台风中心、气旋式流场中心和海面下陷中心三个位并不重合。同时在台风登陆位置附近产生风暴潮,最大增水可达0.8—1.0m,但沿海各地最大增水时间不相同。

基于操纵过程推演的船舶可变速自动避碰决策方法

为了解决船舶部分场景中仅靠变向避让效果差的问题,研究了多物标环境下符合避碰规则的船舶可变速自动避碰决策方法。基于船舶会遇四阶段理论和船舶领域模型量化船舶碰撞危险度,通过可变速MMG模型和模糊自适应PID航向控制方法推演船舶定、变速改向操纵过程。在此基础上,改进了基于操纵过程推演和速度障碍理论的动态可行操纵区间求解算法。以实船为仿真目标,进行了不同操纵方案下的对比实验和多物标场景下的仿真实验。将程序运行步长设置为1 s,结果表明:(1)预设他船位置(4 n mile,4 n mile),航向270,航速12 kn,本船位置(0 n mile,0 n mile),航向000,航速12 kn的交叉相遇态势下,变向变速避让和仅变向避让采取操纵行动的最晚时间点分别为711 s和643 s;(2)在物标较远的多物标环境下,本船O保向保速至663 s,与目标船T_(A),T_(C),T_(D)构成碰撞危险,采取目标航向、转速区间为[48~°,61~°]、[75 r/min,85 r/min]中任意组合可让清所有物标。

东海台风路径预报的CLIPER模式

本文提出了东海台风１２４～７２小时路径ＣＬＩＰＥＲ全样本预报模式和ＣＬＩＰＥＲ分类预报模式，特别是设计了一套根据运动台风不断变化的区域及其前期运动趋势而采用不同的预报模式和预报方程的方法．五年２８倒台风的试报表明，２４、４８、７２小时预报误差分别为１Ｉ９，２１５，３２９海里，精度明显高于国内外类似模式，而且该方法简便、易行，适合于海洋预报台和气象台站作台风路径的客观预报，特别是可作为配有ＩＢＭ微机的远洋船舶从事船上气象导航时的台风路径预报工具．

船用台风路径和强度预报方法

改进了船用台风短期预报方法并提出了一种中期预报的新方法。前者通过增大样本和扩大海区范围，分别对东海、南海和西北太平洋海区建立６ｈ～７２ｈ的ＣＬＩＰＥＲ路径预报方程。后者通过联合应用逐步回归、相似离度、数据库和最小二乘法来预报台风６ｈ～１４４ｈ的路径和强度。结果表明，改进方法效果明显，可成为船用台风短期路径预报的基本方法；新方法能有效预报台风中期趋势、衰亡时间，还对异常台风有一定预报能力；预报精度较高，且操作简便易行。

影响近海船舶航行安全的台风浪数值预报试验

台风引起的大风浪和涌浪对船舶航行、抗台和避风有着重要的影响,为航海者提供实时、准确的海浪场对船舶的航行安全和营运效率有着重要的现实意义。选用一个对我国近海船舶航行造成较大影响的9711号台风Winnie为研究对象,应用国际上先进的海浪预报模型WAVEWATCH -Ⅲ对Winnie的海浪场进行了后报,将预报的有效波高与TOPEX Poseidon卫星高度计资料作了详细的对比分析,结果表明,预报的有效波高与卫星高度计资料基本一致,达到了航海活动所需的精度,从而为近海船舶航行提供科学的参考依据。

内河综合海事应急管理系统的设计与实现

根据内河水域水上突发事件应急流程,对软件数据流进行了分析,并在此基础上提出了一种多层次框架体系结构。系统从下向上依次是基础设施层、数据层、应用支撑层和应用层。在此软件体系结构基础上,建立了内河水域的综合海事应急管理系统。系统由应急指挥、应急行动、资源管理、电子江图、报表管理、网络管理和系统管理及维护7大模块组成,系统的应用,为接警、应急事件的处理提供了方便。

夏季中国海海流系统的高分辨率数值模拟

以最新的三维斜压海洋模式POM2 K为基础,考虑了海底地形、边界水交换、海面风应力、海面热通量等多方面影响后,对中国海(渤、黄、东、南海)环流结构进行了高分辨率的数值模拟.结果显示:中国海的夏季环流在强季风强迫和黑潮驱动下,具有显著的西边界流特性;中国陆架海北部受黄海冷水团控制;黑潮在巴士海峡处有反气旋式弯曲,并与东北向的南海风生流发生较强的混合,形成的“巴士海峡混和水”是偏西向流和台湾暖流的海水源和重要驱动因子;南海北部存在一个拐角式逆时针旋涡;南海南部呈现双涡结构.

多开边界群岛海域溢油模拟的水动力模式

建立了一个多开边界群岛海域溢油模拟的三维水动力模式 ,并在舟山定普港域作了模拟和预报试验 .模式采用高分辨的水平曲线正交网格和 2 .5阶湍流闭合模型 ,通过有限差分隐式 /半隐式求解具有初、边值条件的三维原始动力方程组 .初步试验表明 ,模式重视了港域内许多重要的流体动力学特征 ,能模拟或预报海域内三维潮流、风生流及其相互作用 。