船用机器人爬壁平台研究进展

船舶爬壁机器人与陆地机器人的不同之处在于其兼具移动和吸附功能,能够于倾斜的船舶壁面上完成爬壁运动,通过配备除锈、清洗、焊接所需的高压水枪、焊枪、图像识别等装置完成对应作业任务,每种作业任务需要的运动机械结构和运行方式也有不同。通过介绍近年来设计制造的爬壁机器人及其爬壁平台,按照其吸附原理和运动特点将其分为磁吸附、负压吸附和仿生类等爬壁平台设计方法,介绍了各类爬壁平台的机械结构设计、运动性能和适用范围,期望能够为未来船用机器人的设计制造和技术发展提供灵感。

粗糙度和轴向运动对艉轴承混合润滑性能的影响

针对大型船舶航行过程中出现船体变形时艉轴承的磨损状态异常这一问题,本文探究磨损表面粗糙度变化和轴向运动对于艉轴承混合润滑性能的影响,建立了耦合轴向运动和表面粗糙度的混合润滑模型,通过数值模拟得到轴承润滑特征的分布,分析轴向运动和粗糙度对轴承混合润滑特性的影响,并对该润滑模型进行验证。计算结果表明:在轴向运动和轴颈倾斜耦合作用下,油膜厚度沿轴向方向非线性减小,油膜压力和接触压力在局部出现峰值,轴瓦在局部出现较大变形;轴向速度增加会加强动压润滑效应,轴向运动对润滑特性的影响程度随着倾角的增大而增加;粗糙度越大承载能力越强,同时接触情况越严重,会加速轴承的局部磨损。

船舶移动路径三维动态场景重建仿真

为保障船舶移动过程中的安全性,提出船舶移动路径三维动态场景重建方法。船舶航行过程中,通过相机等视觉传感器在未知环境下连续获取船舶移动路径图像;采用基于ORB特征提取的算法提取船舶移动路径图像内的特征点,根据汉明距离进行特征点匹配;通过对极几何解算特征点匹配结果获取相机的位姿信息;采用基于特征相关性筛选的关键帧选取机制获取全部关键帧,通过关键帧的点云拼接实现船舶移动路径三维动态场景重建。仿真结果显示,该方法不仅能够有效实现特征点匹配,且正确匹配率达到97%以上,三维场景重建结果的均方误差控制在0.2以下,结构相似性始终高于95%。

利用深度森林进行船舶类型分类识别

针对船舶轨迹特征单一、分类的船型有限和利用AIS数据对海上船舶类型分类识别的研究比较欠缺等问题,提出一种基于深度森林(Deep Forest)的船舶类型分类识别方法。首先,该方法提取船舶轨迹段的16个运动特征,提高船舶特征的多样性和辨识度;其次,利用随机森林的重采样技术和特征选取的随机性,构造随机森林作为个体学习器,增强类型分类的鲁棒性;最后,对4个森林集成并串联构成具有自适应迭代层数能力的深度森林,从深度上加强表征学习,提升泛化能力。实验表明,该方法适用于小规模数据集的船舶类型分类识别,对游艇和其他类型的船舶分类效果显著,能够有效提升货船和油轮的分类精度,分类时效性好,并且随着样本库的扩展和模型的优化存在提升空间。

滚装船在拖轮辅助下丁靠斜坡道的船舶系泊试验研究

文章以某码头工程为例,针对1万t滚装船在拖轮辅助下丁靠斜坡道开展船舶系泊物理模型试验,分别对风、浪、流不同组合工况下的缆绳系缆力、船舶运动量等进行了试验研究,给出了作业及系泊条件,可为设计和运营提供参考。结果表明设计方案缆绳布置方式总体较为合理,使用拖轮辅助可以有效地平衡风、浪、流对滚装船的作用力,各组缆绳缆力未超过50%破断力的设计标准;对于系泊系统中各特征量,动力因素的影响次序自大至小依次为:波浪、风和水流,其中波浪周期在影响因素中最为显著;同样的波浪条件下,SW向波浪比WSW向波浪作用更为不利,实际运行管理中应结合波浪数模成果及码头前实际波浪方向调整系泊和作业状态。

基于眼动追踪技术的引航员情景意识识别研究

情景意识(Situation Awareness,SA)缺失是引航作业人为失误的主要根源,有效识别引航员SA水平是保障引航安全的关键。针对现有测量方法的侵入性、主观性、间断性问题,设计典型场景引航模拟试验,利用眼动特征开展引航员SA水平识别研究。应用眼动追踪技术实时采集引航员的眼动试验数据;采用独立样本t检验和Mann-Whitney检验方法研究SA与眼动指标的关联效应;基于敏感眼动指标结合支持向量机(Support Vector Machine,SVM)构建引航员SA识别模型,实现引航操作任务下SA的有效识别。结果显示:高SA组的视觉搜索效率大于低SA组,高SA组主要关注窗外视景而低SA组更多关注电子海图,高SA组比低SA组获取信息的能力更强;平均扫视次数(Average Saccade Count,ASC)、注视总时间百分比(Fixation Duration Percentage,FDP)、平均注视持续时间(Average Fixation Duration,AFD)3个眼动指标与引航员SA水平具有显著相关性;采用“ASC+FDP+AFD”组合指标时且在5 s时间窗口长度下,SA识别准确率达到92.23%。研究结果表明了该识别模型的有效性。

螺旋卸船机施工中不同参数对物料运动轨迹的影响

针对螺旋卸船机施工中异常物料运动影响机械使用寿命的问题,构建了螺旋卸船机施工转料过程的运动模型,使用MATLAB软件仿真分析不同卸料口倾斜角度与螺旋转速对物料运动轨迹的影响,确定了2种参数的优化设置策略。结果显示,螺旋卸船机在位置2时施工的物料卸料轨迹包络的y轴长度在14 m左右,明显小于螺旋卸船机在位置1时的对应数值。当卸料口倾斜角度参数为90°时,施工阶段物料对转料头带来的冲击磨损最小。当螺旋卸船机螺旋转速较高时,选择曲率半径更大的转料头能减少螺旋卸船机整体结构受到的卸料冲击,并减少施工对机械本身带来的不可逆损害。该结果有利于改进螺旋卸船机的施工日常运转模式。

一种新型桥式抓斗卸船机

文中介绍一种新型桥式抓斗卸船机,阐述了其工作原理及总体布局。有别于当前常用的抓斗卸船机,新型桥式抓斗卸船机采用双小车异向运动补偿方式,抓斗机构采用标准减速器,实现了抓斗卸船机的抓斗小车运动、工作功能。性能特点较佳,综合性能较好,具有一定的应用推广价值。

海浪背景下舰船尾流感应磁场特性

基于麦克斯韦方程组以及海浪和尾流的速度场表达式得到无限深海水中海浪背景下舰船尾流感应电磁场的表达式,根据分界面处感应电磁场的连续性条件确定表达式中的待定系数。利用所得到的表达式分析无限深海水中尾流感应磁场、海浪感应磁场和海浪背景下舰船尾流感应磁场的特性。结果表明:舰船尾流感应磁场各分量的幅度在靠近海面的海水中均存在极大值点,且这些极大值点的数值和对应的海水深度均随船速的增大而增加;在海水中某一深度处舰船尾流感应磁场主要集中分布在一个“V”形平面区域内,且船速越大,“V”形区域内感应磁场周期性振荡的幅度越大,沿尾流运动方向振荡的空间间隔越大;海浪对舰船尾流感应磁场z分量的影响大于对x分量的影响。风向对尾流感应磁场的影响存在周期为π的周期性;当风速小于船速时,海浪对舰船尾流感应磁场的影响较弱,在“V”形区域内尾流感应磁场占主导作用;当风速继续增加时,海水中海浪感应磁场的强度显著增大,对尾流感应磁场的影响明显增强,在“V”形区域内尾流感应磁场逐渐被海浪感应磁场所覆盖;与风速变化所产生的影响差异比较明显相比,风向变化对尾流感应磁场影响的差别相对要小。

高速横流作用下内河船舶偏转状态研究

我国内河航道是世界上运量最大、运输最繁忙、通航条件最复杂的航道之一,而横流是影响船舶安全通航的重要因素,目前国内外学者主要分析低速横流对船舶航行的不利影响,但对船舶在高速横流作用下运动情况研究较少。为揭示高速横流对内河船舶的影响,并对高速横流在航道中的整治利用进行可行性分析,通过数值模拟和概化模型试验,观察高速横流下船舶的运动形态以及不同喷射口压强,不同船-墩间距对船舶偏转的影响。结果表明:高速横流可以在桥墩前方形成弧形干扰带,拨开船艏,实现船桥避碰;船舶经过高速横流时依次经历船身顺直前进、船艏向远离桥墩偏转、船身回正、船尾向远离桥墩方向偏转四个阶段;喷射口压强越大,相同船-墩间距下船舶艏向角峰值越大,船舶到达艏向角峰值处位置越靠前,船身回正所用距离越短;船-墩间距越远,相同喷射口压强下船舶艏向角峰值越小。

横浪作用下LNG船运动量小波神经网络预测模型

港口码头设计中主要考虑的问题之一是系泊船舶的运动量。首先开展了26.6万m 3LNG船舶系泊运动物理模型试验,测量了船舶在试验条件下的六自由度运动量;同时,考虑船舶运动响应的主要影响因素,根据横浪作用下26.6万m 3LNG船运动六分量的试验数据,构建了189组容量的训练集,基于小波分析和神经网络,研究确定三层隐含层神经元数分别为8、12和22,进而建立系泊LNG船舶运动量的预测模型。预测结果表明,小波神经网络模型具有输出多参数的算法优势,能够综合考虑系泊船非线性系统中不易量化的众多影响因素(波浪波高、周期、波长以及船舶自身特性等),给出相对精确的预测结果。小波神经网络模型在研究系泊船舶运动量预测方面具有良好适用性,可以有效地预测船舶的运动量,为实际工程设计提供参考。

大型LNG码头长度优化研究

基于山东某LNG码头工程的设计,结合国内已建成的LNG码头,探讨LNG码头泊位长度的优化方向和方法。通过物理模型试验,研究波浪、水流和风等共同作用时,不同泊位长度条件下的主力船型船舶系泊安全性,对LNG码头泊位长度设计给出优化建议,实现同等级泊位中岸线最短,节约岸线资源。可为同类LNG码头泊位长度设计提供借鉴和参考。

基于破损舱室晃荡进水的量化试验研究

针对静水中破损舱室贯通类破口进水液舱晃荡问题,基于自主设计研制的受迫横摇运动破损舱室进水试验装置,在强制横摇工况与全约束典型工况下,研究船舶破损后舷外与舱内贯通时大量的水侵入舱室、液舱晃荡受舷外波浪激励引起非线性失稳现象,并结合对填补破口后的完整舱室进行共振与非共振的试验进行对比分析。试验结果表明:在破口形成10 s后船舱内部进水的运动状态趋于稳定,此时若将破口填堵会使船体内部的积水运动更为剧烈,影响船体稳性。试验得到了船体受损后合理的补救时间点,并使用量化试验窄带域对强制横摇工况下破舱进水试验进行了处理,得到了可信的试验区间,为后续针对破损船的研究提供了有力支撑。

眼动交互在点击任务中的应用研究

随着智能化水平的不断提高和船舶工业的蓬勃发展,船舶控制系统对人机交互设计提出了更高要求。为拓展系统不同通道并行的人机交互功能,探索眼动交互在交互设计中的应用,以点击操作应用为例,在实验室模拟条件下开展人因工效学实验。实验结果表明眼动交互与传统交互方式相比效率较低,但交互体验感较好,且随着实验次数增加,效率提升幅度明显。未来,随着交互技术水平提升和人员眼动训练加强,眼动交互将会对船舶系统的人机交互发展产生深远影响。

三体船操纵性自航回转运动仿真预报分析

针对船舶操纵性自航回转试验成本较高,且现有成熟仿真方法效率低、分析要素单一等问题,本文提出了一种船舶自航回转运动数值模拟方法,并利用商用计算流体力学软件Star-CCM+对三体船模在满舵角30°和半舵角15°所受推力情况下的自航回转运动进行了数值模拟,将该模拟结果与较为成熟的基于数学模型方程组的约束模仿真回转运动结果进行了对比分析,通过对三体船在满舵角和半舵角时的纵距、横距、旋回初径和回转直径等操纵性回转要素值进行分析可知,其差值均在7%以内,验证了文中所提方法的可靠性。且采用文中所提方法对目标船模进行模拟计算时,不仅能够获得船模在平面运动内的回转性能要素,同时还能得到船模横摇、纵摇、升沉等多自由度运动响应要素,本文亦对三体船在满舵角和半舵角下做自航回转运动时的横摇、纵摇、升沉等响应要素进行了分析,从定性分析的角度看,模拟所得的各运动响应要素结果与实际船舶在做回转运动时产生的现象相符;从定量的角度分析,模拟目标船模所得各运动响应要素结果较好,不会对船模回转产生较大干扰。

横浪作用下大型开敞式码头系泊船舶运动量研究

采用理论结合物理模型实验分析的方法,研究大型开敞式码头系泊船舶在不规则横浪作用下的船舶运动规律。通过研究系泊船舶运动量随波高、周期、船舶特性等要素的变化规律,提出船舶运动量的估算公式的解析式,最后通过大量的物理模型实验数据分析,确定出系数,给出完整的系泊船舶运动量估算公式。

船舶运动控制中的非线性混沌及PID控制方法

本文从船舶运动控制的机理模型分析了系统可能出现混沌的条件 ,并介绍一种在恶劣海况下出现混沌的有效的PID控制方法 ,仿真结果表明 ,该方法比只能稳定到混沌的不稳定轨道的方法有更实用的价值。

离岸深水港码头系泊船舶运动量研究

系泊船舶运动量的大小既影响码头作业效率,又影响到码头结构等设施的安全。通过理论分析结合系统的物理模型试验,提出了较以往计算公式适用范围更广、计算更准确的多参数系泊船舶运动量半经验半理论计算公式,通过相关性分析,验证了公式的计算准确性,为广大港口科研、设计及管理人员提供了更为有效的运动量计算方法,为提高我国离岸深水港码头系泊船舶装卸效率及安全提供了技术支撑。

基于元胞自动机的船舶交通仿真模型及应用

为掌握琼州海峡中船舶的运动态势,提出一种基于元胞自动机的可模拟狭水道和繁忙水道船舶交通的仿真模型。基于元胞自动机模型,将琼州海峡通航分道网格化;结合船舶领域,制定船舶跟随规则和船舶穿越规则;采用离散事件模型产生不同类型、不同航速的船舶,模拟海员在各种航行环境下的反应并比较船舶实际通过海峡的航行时间和模拟通过海峡的时间。由于仿真模型没有完全考虑影响航行时间的细微因素,因此所有仿真模型中船舶的航行时间与船舶实际航行时间有一定差值,但都在可接受范围内。

船舶系泊动力分析数值模拟计算研究

利用动力分析方法的数学模型SHIP-MOORINGS对船舶系泊过程中的运动、波浪载荷及橡胶护舷的碰撞力进行了数值模拟计算。试验中,系泊船舶运动量、系缆力和撞击力随着波高的增大而增大,随着波浪周期的增大一般也增大,其变化关系还与船舶本身的自摇周期有关。当45°斜浪和90°横浪作用时,横移<1.0 m(PIANC,1995)的要求最容易超标,为该浪向作用下船舶作业标准的主要控制指标;当0°顺浪作用时,升沉<1.0 m的要求最容易超标,为顺浪作用下船舶作业标准的主要控制指标。在45°斜向浪作用时,沿船长方向布置的护舷所受碰撞力分布不均衡,艏、艉处的碰撞力较大,而在90°横浪和0°顺浪作用时,作业和系泊条件略好,因此控制浪向为艏来45°斜浪作用。其中,10 000DWT的船型由于吨位相对较小,风浪流作用下,运动量较大,其中横摇、横移表现最为明显。对于各泊位所选择的护舷型号,计算表明,系缆力控制工况下,护舷所受到的最大撞击力均小于其设计反力,护舷型号选择合理。