基于神经网络的无人船自主靠泊模拟研究

针对传统神经网络自主靠泊控制器忽视车令与螺旋桨转速、舵令与实际舵角之间的映射关系问题,将控制器的输出由螺旋桨转速、舵角改为车令与舵令。为解决靠泊完成后船艏向偏差较大问题,将多初始状态下的靠泊训练数据改为单一初始状态,并将选择靠泊过程中的部分数据作为控制器输入改为提取靠泊过程中的全部信息,以此来提高控制器的训练效果。仿真实验验证了在不影响其泛化性能的前提下,控制器能成功减小靠泊完成后的船艏向偏差,并且完成船舶靠泊任务。

海洋工程船克令吊装卸仿真系统的运动模型

海洋资源的开发对海洋工程设备有着高度的依赖性,其中海洋工程船应用领域广泛,船舶上常用的设备克令吊对货物的移动起到至关重要的作用。选取海洋工程船上最为常见的挺杆式克令吊为研究对象,根据其运动规律,利用拉格朗日方程建立克令吊系统的运动模型,并采用四阶龙格库塔方法对模型进行求解,分析了克令吊在不同作业形式下的动力学特性,并对模型进行了验证。

航海模拟器中破碎浪的建模

为实现航海模拟器视景系统中破碎浪的仿真,对近岸区域容易产生的崩碎波和卷碎波进行建模。采用光滑粒子动力学(Smooth Particle Hydrodynamics,SPH)方法对流体进行建模,以容易产生浪花的港区岸壁、码头等为目标模拟区域进行抽象确定边界。基于SPH流体的粒子无序性和同时间步长位置相对固定等特点,对链表搜索法进行改进,提出前向链表搜索法,对SPH模型的近邻搜索算法进行了改进,使得粒子搜索时间复杂度大大降低,提高了粒子近邻搜索的效率。所建立的破碎浪模型具有较好的实时性效果。

基于深度学习的船舶驾驶员疲劳检测算法

针对日益凸显的船舶值班人员疲劳驾驶问题,为有效预警值班驾驶员的疲劳状态,保障船舶航行安全,研究了基于深度学习的疲劳检测算法。考虑到船舶驾驶台空间大、背景复杂等特点,使用深度可分离卷积改进RetinaFace人脸检测模型,优化模型的检测速度;基于Channel Split和Channel Shuffle思想,结合批量归一化、全局平均池化等技术搭建改进的ShuffleNetV2网络,自动提取图像特征,识别眼睛、嘴巴的开闭状态;根据PERCLOS准则融合眼睛、嘴巴2个特征参数综合判定驾驶员是否疲劳。实验结果表明:改进后RetinaFace模型的检测速度由9.33帧/s提升至22.60帧/s,人脸检测精度和速度均优于多任务卷积神经网络(MTCNN);改进的ShuffleNetV2网络识别眼睛、嘴巴状态的准确率高达99.50%以上;算法在模拟驾驶台环境中识别疲劳状态的精确率达到95.70%,召回率达到96.73%,均高于目前常见的Haar-like+Adaboost以及MTCNN+CNN疲劳检测算法。算法检测每帧图片仅需0.083 s,基本满足实时检测的要求。

散货船自由浮态计算简化方法

根据散货船特点探讨了一种面向工程应用的船舶自由浮态计算简化方法.在矩阵法的基础上,将7个水线面要素简化到4个,简化雅克比矩阵求解.采用全选主元高斯消去法求解线性方程组,以船舶浮态平衡方程组作为迭代终止条件,保证计算精度.以散货船"DOLCE VITA"及"RUI AN CHENG"为例进行了实例计算,对20个压载舱进行了20万次随机装载实验,验证了算法在有横倾下的收敛性和稳定性;对5个货舱进行了20万次随机装载实验,验证了算法在有纵倾下的收敛性和稳定性;对典型载况进行计算,和装载手册给定值相比,吃水差误差都在0.01m以下.结果表明:该算法只需计算任意倾斜水线面下的排水体积和浮心坐标,计算量较小,程序实现简单,实时性、鲁棒性较好,具有一定的工程实用价值.

内河船舶模拟器中河流的绘制方法综述

河流视景对提高内河船舶操纵模拟器中整个视景的逼真度有重要作用,而河流等流体的流动特性和自身复杂的物理特征一直是其可视化的难点。因此,综述国内外内河船舶模拟器的研究现状,并结合其需求查阅河流虚拟仿真建模方法方面的相关文献,对相关技术进行分类,指出相关方法的优缺点,对河流可视化方面需要研究的问题进行总结。针对内河船舶操纵模拟器中河流视景的需求,探究适合的仿真建模方法,为进一步深入研究提供理论基础。

内河船舶模拟器中基于过程法的河流仿真

针对内河船舶模拟器河流视景中未体现河流流动特性,仿真结果不够真实的问题,引入了一种基于过程法的河流仿真方法,将流函数应用于河流速度场求解;并利用泊松圆盘分布的算法,控制屏幕空间的分布样式,该算法生成的粒子用于表达河流的速度场;采用经噪声扰动的河流真实纹理,叠加泊松圆盘产生的粒子,从而更真实地模拟河流表面。测试结果证明:该方法能较真实地体现河流流动特性,并增强河流视景的环境真实感。

基于STL模型的散货船破损浮态计算

为计算散货船破损浮态,基于船舶外壳及所有舱室的STL模型探讨了一种浮态迭代算法。根据STL模型建立船舶三维数据库。采用"重量增加法"和"迭代法"计算船舶破损浮态。以散货船"DOLCE VITA"为例,计算了"压载进港"和"满载出港"载况下的5个货舱单舱破损情况,和船舶设计软件NAPA计算值相比,吃水差平均误差为0.013 6 m,横倾角平均误差为0.052°,进水量平均相对误差为0.28%,验证了算法的准确性。实验结果表明:STL模型来源于船舶设计数据,计算精度较高,应用前景较好;浮态迭代算法既可保证程序迭代次数,又能避免水线面要素求解,具有一定的工程应用价值。

海船异常行为检测综述

海船异常行为检测对于海上航行安全、海域的智能监管及港口的发展规划都具有非常重要的意义。整理并总结了现阶段海船异常行为检测领域的相关方法,主要包括聚类分析、统计建模、神经网络以及基于预测等异常检测方法,在船舶位置异常、状态异常和潜在的行为异常检测等方面取得了较为显著的进展。同时梳理了海船异常行为检测领域在数据的时变性、模型的复杂性以及异常行为的语义分析等方面存在的异常检测准确性低、语义分析不明确等问题。并对海船异常检测领域未来在数据的增量学习、实时在线检测、情景语义分析和异常行为可视化等方面所存在的突破点做了展望和介绍。

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟,采用弱可压SPH方法对水体进行建模,提出了流体计算的CPU-GPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题,采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分,利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后,采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取,利用环境贴图表现流体的反射和折射效果,实现流体表面着色。实验结果表明,所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染,绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果,当粒子数达到1 048 576个时,GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。

电子海图中航线设计与监视的实时仿真方法

提出了基于国际标准格式(S-57)电子海图平台的航行安全实时仿真方法,主要研究了航线设计和航路监视方法。将指示克里格法应用于航线设计的研究,对海底地形曲面进行拟合并求取任意位置水深值,对离散的条件分布函数进行顺序矫正,保证了阈值区间的合理性。采用人机交互的方式根据船舶的航行信息和海图信息对计划航线进行修正,实现了计划航线可行性的自动判别,改进了航路监视的判定算法,并采用船舶形成碰撞紧迫局面时间(TCQA)和船舶形成碰撞紧迫局面距离模型来判断本船与目标船之间的紧迫局面及碰撞风险,从而有效地监控并提示避碰危险。经航海模拟器验证,该方法准确可靠。

基于OpenGVS半潜船操作模拟器视景系统的研究

为了满足半潜船作业人员学习和培训的需要,有必要在航海模拟器大环境下研发半潜船操作模拟器仿真系统。以船舶静力学为基础,实现了半潜船装载重大件货物的过程的动态稳性计算,以Visual C++6.0和OpenGVS场景管理软件为开发平台,研制开发了半潜船操作模拟器应具备的视景系统。该仿真系统实现了视点的转移和跟踪,通过设置在半潜船的驾驶台、甲板及外部三个虚拟相机,实时动态显示半潜船各种运动的状态,同时实现了半潜船操作模拟器几个模块间的相互通信,取得了很好的效果。

基于STL模型的船舶吃水转换功能实现

提出一种基于船舶外壳STL模型及S-H多边形剪裁算法的船舶吃水转化方法。根据船舶设计部门提供的船舶STL模型,用船舶六面水尺所在的平面切割STL模型,得到各个水尺的封闭多边形。根据船舶当前的载况计算出船舶的首尾吃水及横倾角,确定倾斜水线面的方程。基于S-H多边形剪裁算法,将各个水尺的封闭多边形和水线面求交即可计算出六面吃水。以6.4万吨散货船"Spring Cosmos"和25万吨矿砂船"Shandong Ren He"为例进行实例计算,和船舶设计软件NAPA计算值相比,绝对误差都在1 cm左右,证明上述方法的正确性。实验表明:算法计算精度较高,通用性好,适用于船舶任意载况,具有一定的工程实用价值。

平潭海峡大桥桥区船舶通航安全模拟试验关键技术分析

分析平潭海峡大桥桥区船舶安全通航论证及试验工作中船舶操纵模拟器的运用、模拟试验电子海图的开发、模拟试验的要求与内容,分析通航试验结果,提出可行性建议。

拖网渔船曳纲的运动建模及仿真

在拖拽系统水动力理论研究的基础上,根据集中质量法建立曳纲的三维动力学数学模型,将曳纲在空间上离散为一系列节点,同时忽略曳纲的扭转、抖动等,计入张力、重力、浮力和流体阻力的作用,建立曳纲的动态运动数学模型,并通过四阶龙格库塔方法积分求解,得到曳纲的位置和速度信息,最后利用三维图形引擎OSG(Open Scene Graph)实现拖曳系统的三维可视化。数值计算结果与相关试验数据比较表明,曳纲模型的求解方法是可靠的,同时又保证了仿真的实时性。

精细积分法在曳纲动态仿真中的应用研究

为实现拖网渔船曳纲的三维动态仿真,采用集中质量法建立曳纲的水动力数学模型,将曳纲在空间上离散为一系列质量点,这些点通过无质量弹簧相连,忽略曳纲的扭转、抖动等,根据牛顿第二定律建立曳纲运动控制方程,通过指数矩阵精细积分法对曳纲的非线性动力学微分方程组进行求解,得到曳纲的位置和速度信息,从而进行曳纲动态可视化。该数值方法具有很高的精度和效率以及较大的适用范围,数值计算的结果与相关实验数据比较证明了该方法的有效性。

内河船舶模拟器中大尺度河流实时绘制

为提升现有内河船舶模拟器中河流仿真的真实感,提出一种适用于内河船舶模拟器中大尺度河流绘制方法。该方法通过引入流函数构建河流速度场,并利用泊松盘分布算法控制河流速度场空间分布,可有效地平衡效率与河流表面绘制效果;利用GPU的并行性和可编程性完成河流可视化。实验结果证明:构建的河流流体速度场能够很好地体现河流流动特性,并且泊松盘分布算法能良好地控制河流表面。基于GPU能够实现大尺度河流实时绘制,并提升内河船舶模拟器中河流视景的环境真实感。

散货船配载仪中CSR剪力修正计算

各船级社规定散货船配载仪要具有CSR剪力修正功能。国际船级社协会最新发布的《散货船油船协调版共同结构规范》于2015年7月1日生效,其中CSR剪力修正计算方法有所改变,为满足新规范的要求,采用"斜率修正法"计算舱室前后舱壁处的CSR剪力修正,根据货舱的装货高度及货物密度判断相邻2个舱室是否为"非均匀装载"载况,包括完整工况和单舱破损工况。采用"剪力修正分布系数二次修正法"确定舱室前后舱壁处剪力修正分布系数,舱室其他位置采用线性插值法计算剪力修正分布系数。以56 000 DWT散货船"太行128"及64 000 DWT"SPRING COSMOS"为例,开发配载仪程序,计算"重压载出港工况"及"1、3、5舱室隔舱装载工况"的CSR剪力修正值,和船舶设计软件NAPA计算值相比,相对误差在0.2%以下,证明所述方法的正确性,具有一定的工程实用价值。

基于虚拟仪器的自整角机信号采集及解算研究

为了克服传统方法自整角机信号采集过程中,轴角转化电路复杂、元件费用高等问题,本文提出了基于虚拟仪器的信号采集及转角解算方案。秉承虚拟仪器"软件测量"的思想,提出了"信号转换"和"直接测量"2种测量方案,分别分析了2种方案的具体实现方法及其优缺点并利用LabVIEW实现了2种方案。

船舶操纵模拟器的电子海图研究与开发

近年来,船舶操纵模拟器在港航工程设计论证、船舶操纵性能测试和港口航道与码头通航安全评估等方面起到非常重要的作用。电子海图是船舶操纵模拟器的关键模块,所有的模拟航行都在电子海图上进行,能提供水深、航标及航道等信息。本文主要研究电子海图在船舶操纵模拟器中的作用,开发及注意事项。