水路交通系统的发展现状与未来展望

水路交通系统是以船舶等为载运工具、以港口为节点、以海洋、江河、湖泊等水域为通道的一种运输方式,能够实现货物、人员的搭载与时空位移,是综合交通体系中不可或缺的重要组成部分。本文分析了国内外水路交通系统发展现状,梳理了水路交通系统未来需求及技术特征,提出了水路交通运输规划与组织优化、绿色船舶动力系统及供给体系、人机共融船舶岸基驾控系统、海域立体综合运输系统、水路交通系统控制体系、气象导航与安全航行等未来水路交通系统发展方向,为提高水路交通系统运营效率与服务质量提供理论基础与技术参考。

基于改进反步滑模控制算法的拖轮自主靠泊控制

[目的]针对拖轮的自主靠泊控制问题,研究基于虚拟船领导的目标跟踪控制策略在拖轮自主靠泊中的应用。[方法]首先,将拖轮的自主靠泊过程转变为虚拟拖轮和实际拖轮的目标跟踪控制过程;然后,设计靠泊系统的运动学模型,考虑靠泊场景中的特殊环境干扰,使用反步法和滑模控制法(SMC)设计全回转尾推进拖轮的自主靠泊控制器,提供了3种不同的滑模面设计并使用李雅普诺夫函数进行稳定性验证;最后,采用仿真实验的方式,通过靠泊轨迹、速度误差和距离误差来对控制的效果进行验证。[结果]仿真实验结果表明,设计的拖轮自主靠泊控制策略以及控制器在拖轮自主靠泊场景中具有较好的效果,面对系统的不确定干扰有较好的表现。[结论]该控制策略以及靠泊控制器的适用性以及鲁棒性较好,以全新的角度实现了拖轮自主靠泊控制,为后续拖轮的靠泊控制研究提供了新的方向。

船舶远程驾驶人机主从博弈控制方法研究

针对船舶远程驾驶场景下的人机目标非一致性问题,本文设计了系统人主机辅的运行模式,提出一种主从博弈框架下的共享控制方法,将船舶协同避碰转向任务中的人机交互作用描述为完全信息条件下的非合作博弈关系,通过构造驾驶员和共驾控制器的状态空间推导主从博弈的Stackelberg微分对策,使用Fan-GFlicksberg不动点定理证明纳什均衡解的存在性与唯一性。根据驾驶风格和操纵技能预分配驾驶权重,基于模型预测控制方法设计轨迹跟踪器,采取反馈校正方式在有限时域内滚动优化,综合考虑船舶安全航行边界、碰撞风险和人机冲突程度在线进行调节。选取船舶横向偏移误差和驾驶员操作负荷等评价指标,在内河操纵环境下验证了方法的有效性。仿真结果表明:本文所提出的主从博弈控制方法能够为具备不同驾驶风格和操纵技能的作业人员提供个性化辅助,当驾驶员和共驾控制器发生意图冲突时,根据航行风险对预分配权重进行调节,在确保航行安全的前提下使船舶尽可能满足驾驶员的操纵意图。

基于虚拟母线电压控制的构网型储能变流器稳定性优化研究

构网型储能变流器作为高比例新能源接入电网的关键设备在强电网下存在稳定性问题。针对此问题,本工作提出一种基于虚拟母线电压控制的构网型储能变流器稳定性优化方法。首先,建立构网型储能变流器状态空间小信号模型,利用特征根分析法得出构网型储能变流器强电网下稳定性变差甚至振荡失稳的结论。然后,提出基于虚拟母线电压控制的稳定性优化方法,通过改变有功功率环跟踪电网电压相位的位置等效提高电网阻抗,从而提高强电网下构网型储能变流器系统并网的稳定性。接着,分析不同工况下加入虚拟母线电压控制前后系统的特征根变化趋势和稳定性提升效果,同时也分析了虚拟母线电压控制参数中补偿系数k和时间常数t对稳定性的影响并给出一般参数设计范围。最后,在MATLAB/Simulink中搭建构网型储能变流器并网模型进行时域验证,进一步搭建硬件在环实验平台进行半实物验证,验证结果表明基于虚拟母线电压控制的构网型储能变流器在强电网下的稳定性明显提高。

船舶自抗扰无模型自适应航迹控制

[目的]旨在研究船舶在真实海况下航行面临复杂环境干扰的影响,控制船舶克服干扰,实现航迹跟随、智能航行。[方法]首先,将无模型自适应控制(MFAC)算法引入自抗扰控制器(ADRC)中,设计改进自抗扰无模型自适应控制(ADRC-MFAC)算法,通过ADRC跟踪系统的实时状态、识别系统所受未知扰动,根据MFAC建立输入数据(舵角)与输出数据(航向角、角速度)之间的非线性关系,实现稳定的航向控制。然后,结合自适应视线(LOS)制导策略,通过动态航向控制实现对航迹的精准控制。[结果]仿真结果表明,所设计的控制器能够控制船舶快速航行至预设轨迹并沿轨迹行进,在复杂环境扰动下仍能够实现理想的航迹控制。[结论]研究成果不依赖船舶具体模型,可为船舶航迹控制提供参考。

构网型变流器功率同步控制稳定性机理分析

构网型变流器具有“主动构网”能力,可以为电网提供阻尼和频率支撑,但在低阻抗电网下存在稳定性问题。为了研究低阻抗下构网型变流器功率同步控制稳定性机理,首先,建立了体现功率同步动态特性的构网型变流器接入交流电网小信号模型。然后,以功率同步控制为主体,在牛顿动力学体系框架内,建立了构网型变流器接入低阻抗电网的动力学模型,将功率的偏移量分解为同步分量和阻尼分量,用以表征功率同步控制的稳定性。接着,结合模态分析和动力学特性分析,通过研究特征根轨迹和参与因子曲线,以及阻尼分量和同步分量的变化,分析了电网强度和控制参数等对功率同步控制的影响规律,揭示其内在机理。最后,通过构网型变流器接入电网的仿真模型验证了结论的正确性。

虚假数据注入式攻击下无人水面船舶自适应神经输出反馈轨迹跟踪控制

本文主要研究网络环境下无人水面船舶(Unmanned surface vessels,USVs)遭受虚假数据注入式(False-data-injection,FDI)攻击的跟踪控制问题.其中,内部和外部不确定以及输入饱和约束等实际因素均考虑在设计中.在控制设计过程中,为避免将船舶速度的攻击信号引入闭环系统,采用分类重构思想,构造一种新的神经网络(Neural network,NN)状态观测器,同时重构船舶速度和攻击信号.进一步,在backstepping设计框架下,利用重构的攻击信号补偿USVs运动学通道因虚假数据注入式攻击引起的非匹配不确定项.在动力学设计通道中,利用自适应神经技术和单参数学习法,重构由内部和外部不确定组成的复合不确定部分,进而提出自适应神经输出反馈控制方案.理论分析表明,即便在FDI攻击、内外不确定以及执行器饱和约束的情况下,所提控制方案仍能迫使USVs跟踪给定的参考轨迹.同时,仿真和比较结果证实了所提控制方案的有效性和优越性.

船舶柴油机缸套/活塞环材料及其磨损控制研究进展

作为船舶柴油机的关键摩擦副,缸套/活塞环的性能直接影响船舶柴油机的整机性能、服役寿命、可靠性等。因此,开展缸套/活塞环磨损机理及磨损控制技术研究,有望在提升船舶节能减排、增强船舶运营可靠性和优化船舶经济效益等方面发挥重要作用。从缸套/活塞环材料发展、缸套/活塞环表面纹理技术、润滑油的润滑改性技术以及缸套/活塞环磨损状态监测技术4方面出发,详细总结了船舶柴油机缸套/活塞环材料及其磨损控制技术的研究进展,分析了各种技术的发展现状、应用优势和未来展望,可为从事船舶柴油机缸套/活塞环磨损控制技术研究的科研人员和工程技术人员提供参考。

面向水下搜救的自主水下航行器路径跟踪控制

对自主水下航行器(AUV)在执行水下搜救任务过程中遇到的三维路径跟踪控制和定点驻停问题进行研究。在固定坐标系和机体坐标系下建立AUV的运动学模型,引入流体坐标系,设计适宜进行运动控制的三维路径跟踪控制器,并在Serret-Frenet坐标系下建立AUV的路径跟踪误差模型;基于三维视距制导律控制设计AUV的三维路径跟踪控制器,在此基础上提出一种适于水下搜救工况的AUV路径跟踪控制方法,使AUV能完成对参数化路径的跟踪和在预设目标点的驻停;同时,基于李雅普诺夫稳定性原理证明该控制器的稳定性。仿真试验结果表明,设计的控制器有效,能实现对面向水下搜救的AUV路径跟踪控制。

基于正交分解与差分特征的LSTM海上风速风向时间序列预测方法研究

随着航海事业的不断发展,船舶在复杂海洋环境中的安全航行成为业界关注的焦点。而风速和风向作为影响船舶航行性能的关键因素,其准确预测对于提高船舶航行安全、优化航线规划以及提升能效具有重要意义。基于正交分解与差分特征的LSTM(长短期记忆网络模型)海上风速风向时间序列预测方法,以21万t散货船海上航行过程中的采集风速风向数据为研究对象,使用正交分解将风矢量标量化,再建立基于各个方向分量差分特征LSTM风速风向时间序列预测模型,利用其差分特征捕捉风速变化的动态特性和趋势。实验结果表明,该模型在风速风向时间序列预测方面表现出色,具有较高的预测精度和稳定性,风速误差小于2 m/s,风向误差小于1.5°的概率可达到95%以上。

智能水路运输系统的发展与应用:案例分析与前景展望

1智能航运发展规划动态1.1欧盟先进、高效和绿色多式联运系统AEGIS项目欧洲提出了在2050年将50%以上的公路运输转移到铁路或水路的发展目标,这对于实现可持续增长至关重要。然而,水路运输的发展受制于其依赖铁路和陆路的转运和运输,因此面临一些不利因素。为了克服这个挑战,航运行业迫切需要1种全新的组织运营模式,以促进欧洲近海和内河航运的发展,包括船舶、港口及其之间的数字信息交换。特别值得注意的是,船舶、港口和作业任务的自动化对于实现这个目标至关重要。

支撑电网频率稳定的双馈风机一次调频控制需求分析

大规模风电并网要求风电机组主动支撑电网频率调节,为了量化研究双馈风机提供一次调频控制的技术指标要求,以系统频率稳定为约束,首先,考虑双馈风机机电尺度的物理及控制特性,建立了刻画其动态特性的简化运动方程模型。继而分析了风机一次调频系数,桨距角控制等对风机调频尺度等效惯量的影响。在此基础上,以推导的风机等效惯量为纽带,建立了改进的系统平均频率响应分析模型,提出了一种满足系统频率稳定约束的双馈风机调频参数计算方法,可量化求解给定功率扰动下频率主动支撑的最小调频增益/备用容量等参数。最后在Matlab/Simulink中进行了时域仿真,验证了建模和频率特性分析的准确性及有效性。

我国航运业绿色低碳发展的需求、路径与展望

为探讨航运业在综合运输体系中的重要性,并针对加速航运业绿色低碳发展对实现交通运输行业双碳战略目标的意义展开分析。通过考察航运业当前的碳排放状况,分析我国在绿色低碳发展方面存在的问题,对国内外绿色航运政策需求及其对航运业的影响进行综合评估。在此基础上,研究我国航运业绿色低碳发展的路径,包括总体思路、基本原则,以及相应的策略与实施措施,展望航运业绿色低碳发展的技术创新方向,提出从能源替代和运营管理两个方面促进航运业绿色低碳发展。

内河航道事故黑点识别自适应参数DBSCAN聚类算法研究

内河水上交通事故时有发生,对水路运输安全、高效发展带来威胁。研究提出一种基于自适应参数的DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)方法,用于识别内河事故黑点水域。该方法支持对邻域半径ε和邻域中数据对象数目阈值P_(min)参数的自动选取,可提高聚类分析的精度和效率。基于2010—2019年长江干线下游散货船舶事故数据开展案例研究,对各典型事故黑点段的事故特征和事故原因进行分析,得到8个事故黑点。此外,采用Getis-Ord General G聚类识别事故黑点中的高等级事故区域,得到事故黑点及高等级事故主要分布于江心洲、桥区、港口码头区域。研究结果与实际情况基本吻合,一定程度上表明了该方法在内河水上交通事故分布特征分析上的科学性和实用性。

基于人工势能场的破冰船护航下船舶航行风险场建模

针对破冰船护航下船舶碰撞与冰困事故风险评估问题,本文根据破冰船与跟驰船之间、跟驰船与海冰之间的相互关系,并基于人工势能场理论提出破冰船护航下船舶航行风险场的概念和模型,其中包括破冰船风险场和海冰风险场。破冰船风险场量化破冰船与跟驰船之间的碰撞风险水平,海冰风险场量化跟驰船与海冰之间的冰困风险水平。根据该模型提出破冰船与跟驰船之间安全跟驰距离的计算方法。最后基于Tian You轮2018年北极编队航行数据,应用破冰船护航下船舶航行风险场模型开展仿真实验,仿真结果验证了航行风险场模型的有效性,证明了本文建模方法能够为破冰船护航下船舶安全跟驰研究提供理论方法支撑。

集装箱港口多码头泊位联合分配优化研究

多码头泊位联合分配是港口资源整合、提升服务水平的重要手段。针对集装箱港口多码头泊位计划,考虑不同码头泊位条件、岸桥能力等因素,构建多码头泊位-岸桥集成分配数学模型。设计改进灰狼算法(IGWO),利用离散化映射进行编码设计,基于优胜劣汰法实现种群动态进化。设计算例,将IGWO与果蝇算法和粒子群算法进行对比。结果显示:IGWO算法优化结果分别提升16.6%和21.1%;利用IGWO对不同船舶到港密度泊位算例进行求解,其中,多码头泊位分配可有效减少总时间成本及延误船舶数量,节省岸线资源约10%。结果表明:设计的模型及算法可有效解决多码头泊位联合分配问题。

融合COLREGs的水上交通场景认知建模

为实现国际海上避碰规则(COLREGs)场景的语义表达与推理,让船舶具备类人的水上交通场景理解与推理能力,提出一种融合COLREGs的场景认知计算建模方法。基于COLREGs水上交通场景的语义描述,将水上交通场景解析为时间、对象、属性、关系、行为、事件等要素相互作用的综合体,构建水上交通场景的概念模型;采用本体建模实现COLREGs场景概念模型的结构化表达;通过定义语义计算操作函数和触发集搭建COLREGs场景认知计算框架,进而提出一种基于逻辑推理的场景认知计算方法。选取厦门港环境和船舶AIS数据,在场景语义抽取的基础上对COLREGs场景认知模型进行案例验证,结果表明:相对于数据驱动的方法,所提模型能够对场景中的对象属性、船舶行为、事件等进行描述和语义计算,并能更好地支持场景中各类要素相关知识的获取与查询。研究提出的场景认知建模方法对于船舶实现规则约束下的场景自主认知具有可行性和有效性。

船载运维机器人关键技术与展望

船舶运维技术是水路交通系统安全、绿色、高效运行的关键。随着人工智能技术的快速发展,船载运维机器人开始逐步用于完成危险、繁重的船舶运维作业任务。首先,介绍船载运维机器人的国内外研究现状,并归纳目前主要的船舶运维作业类型;其次,梳理船载运维机器人技术在船舶验舱、船底清洗、除锈喷漆、清舱和巡检等典型船舶运维作业中的应用情况;再次,分析船载运维机器人的关键技术研究现状以及面临的挑战;最后,对未来船载运维机器人技术的研究和应用进行展望。

基于自激振荡原理的双线圈磨粒检测技术研究

为满足实际工业应用的需要,基于LC自激振荡,提出双线圈式磨粒检测技术。首先建立了等效电路模型,其次引入磁场均匀度系数的概念并利用COMSOL Multiphysics仿真软件研究了管道域中的磁场分布及金属颗粒通过线圈时的输出响应,最后制作传感器进行试验。结果显示,该传感器管道域的磁场均匀度系数达0.91以上,可通过检测电压、频率的变化获取磨粒信息。研究结果为电感式磨损传感器研发提供一种新思路。

水润滑轴承衬套装配间隙对轴系振动的影响

水润滑尾轴承通常安装在美人架和尾轴管中,轴承衬套的安装间隙大小直接影响到轴承刚度,从而对轴系振动产生影响,极大程度影响到舰船隐身性能。通过试验验证过盈配合和间隙配合2种安装结构的轴承在静载条件下的摩擦特性与振动特性。结果表明,2种安装间隙下的水润滑轴承的摩擦扭矩的变化趋势一致,均随载荷的增大而增大,随转速的升高而减小,间隙配合轴承的扭矩大于相同工况条件下过盈配合轴承的扭矩;在振动性能上,间隙配合轴承的振动幅值大于过盈配合的轴承,且相比于过盈配合轴承有更大机率出现高频特征频率。在相同工况条件下,过盈配合的轴承的摩擦特性和振动特性均优于间隙配合的轴承。