人工智能技术在未来海洋无人艇平台的应用

作为新型的技术手段,人工智能技术在无人艇领域有着广阔的发展和应用前景,也必将为未来海洋无人艇平台智能化的提升带来突破。海洋无人艇是一种可以在无人状态下自主作业的海上无人平台,具有操纵灵活性、功能多样性、作业水域复杂性等特点,可模块化搭载感知载荷、任务载荷等,代替人工执行危险作业任务。近年来,海洋无人艇在海上测绘、环境监测、海事监管、军事侦察等领域均发挥了一定的作用,是海洋无人装备领域的一个亮点装备。

海上无人装备关键技术与智能演进展望

近年来,海上无人装备技术发展迅速,尤其是人工智能技术的发展,使海上无人装备的功能以及性能有了极大的突破。为了明确人工智能技术在海上无人装备应用的研究方向以及演进路线,首先,对国内外海上无人装备技术的发展现状进行综述,随后,分析实现海上无人装备的关键技术。在此基础上对海上无人装备的智能化水平提出一套等级划分标准,并详细定义不同智能等级装备的作业能力以及特点。通过分析,明确了各级之间演进的关键技术。可为海上无人装备的发展路线提供理论基础。

融合PRA和可靠性分析的海洋核动力停堆风险评价

为适应海洋核动力系统故障后动态演化、系统多态、后果多样等特点,提出了一套融合概率风险评价(PRA)方法与可靠性分析的海洋核动力系统停堆风险评价方法。通过区分操纵员可干预故障和不可干预故障,分别构建PRA风险模型和可靠性模型评估非计划停堆频率。典型对象应用结果表明,采用该方法开展海洋核动力系统停堆风险评价能够识别海洋核动力运行剖面中的可靠性薄弱环节,确定系统、设备及人员干预的重要度排序,以此提出针对性改进措施。同时,该方法还可对未来海洋核动力健康管理、智能化运行等技术的发展和应用起到重要的牵引作用,具备良好的工程适用性和发展前景。

水下拖曳系统拖缆末端不确定性量化分析

在多变的海洋环境中,水下拖曳系统拖缆优化设计与拖体精确控制的关键在于拖缆末端不确定性的量化。针对传统不确定性量化方法蒙特卡罗(MC)法计算成本高、精度低的问题,提出一种基于多项式混沌(PC)的拖缆末端不确定性量化方法。利用拉丁超立方采样获取拖缆参数的样本集,并代入集中质量法模型求得拖缆末端位置坐标。通过PC方法生成拖缆末端响应的代理模型,根据正交多项式的特点量化拖缆末端的不确定性,同时与MC方法进行对比。结果表明:相比于MC方法,PC方法的计算结果关于样本数量的收敛速度更快,精度更高;运动响应不确定性与拖缆轴向长度近似正比例关系;缆长增大将导致末端的不确定性增大,且增大趋势逐渐平缓;拖缆参数不确定性一定时,增大母船航速有助于提高拖体在高度上的稳定性。PC方法的准确性和高效性得到验证。同时,拖缆末端不确定性量化分析结果可为相关工程问题提供指导。

应用于金属转轴监测的无线电能与信号同步传输系统优化研究

涡流损耗的存在,使得应用于金属转轴监测的无线电能与信号同步传输系统的电能传输效率和信号传输质量下降。针对上述问题,通过对金属转轴涡流损耗的分析推导,建立包含涡流损耗等效阻抗的耦合线圈电路模型,以S-S型信号注入式SWPDT系统为基础,分析其电能传输与信号传输特性,以电能传输效率和信号传输增益为优化目标,采用多目标粒子群优化算法,对系统关键参数进行优化,并根据优化参数搭建实验测试平台,结果显示该优化方案可实现金属转轴环境下46.7%的电能传输效率和250 kbit/s的信号传输速率,验证了所提优化方案的正确性与可行性。

基于传感探测系统的多自治水下机器人编队协调控制

针对自治水下机器人(AUV)编队协调控制问题,研究了基于传感探测系统的主从式编队协调控制方法.该方法能够避免AUV编队之间依靠水声通信而造成的通信延迟和数据丢失的问题,提高编队控制的可靠性以及生存能力.首先根据领航者位置信息和期望的编队队形得到跟随者的参考路径,跟随者可以实时测得领航者的距离和航向信息并与参考路径相对比.其次为了使跟随者轨迹在短时间内收敛于参考路径从而得到期望的队形,利用Lyapunov函数设计了反演控制器.最后对设计进行了编队控制的仿真.结果表明,AUV编队队形保持良好,所采用的方法具有很好的可行性.

船用电机散热系统的性能分析及评估

[目的]散热系统的设计将直接影响船用电机的可靠性,需评估不同散热系统对电机各部件散热效果的影响。[方法]以某高功率密度船用电机为例,采用电子热仿真软件ANSYS Icepak建立电机整体模型,计算轴向水套、螺旋水套和环形水套3种典型散热系统的三维温度场,从部件散热效果、温度梯度等方面进行对比评估,并提出基于强迫风冷与水冷相结合的优化方案。[结果]计算结果表明,水冷系统解决了机壳和定子的散热问题,减小了轴向和环向的温度梯度,其中环形水套的冷却效果最优,但水冷系统对转子、电机端部的散热效果不佳;经优化后,转子温度和电机整体温度梯度实现了大幅下降。[结论]建议选择环形水套作为电机水冷系统,同时应考虑辅助散热系统来弥补水冷系统的缺陷。

建设实海域智能船艇测试场亟待合力推进

2019年10月11日~13日,由中国造船工程学会、上海交通大学与中国船级社等单位联合主办中国智能船艇挑战赛“海上争锋”在山东省日照市举办。来自高校、科研院所和行业企业近50艘船艇完成了我国首次实海况下的无人智能船艇竞赛。

基于时序数据库的无人船信息管理系统设计与性能测试

[目的]近年来,无人船技术及产业发展迅速,装备应用前景广阔。解决长航时无人船海量信息管理问题的需求日益迫切。[方法]针对无人船电子信息系统中6种类型数据的特点,构建基于时序数据库的无人船信息管理系统拓扑及数据流动模型,并设计一套适用于无人船信息管理系统的性能测试方法。[结果]经测试表明,该无人船信息管理系统能够满足无人船运行对信息管理的需求,且相比于传统关系型数据库,其压缩性能提高约10%,检索及聚合分析性能更为优异,具有较高的通用性。[结论]该系统为解决长航时无人船信息存储与通信传输难题提供了良好的解决方法。

船舶大容量储能系统应用研究综述

储能系统是船舶中的重要设备,可为各类船舶负荷提供能源。随着电力推进技术的成熟,全电船舶已成为未来船舶设计的主要方向。在此背景下,储能系统将由主要为辅助负荷供能逐步发展到为多类型船舶负荷供能,特别是作为船舶动力系统的重要组成部分与各类船舶主/辅机配合,在满足船舶各类负荷需求的前提下提高船舶的经济/环保特性。功能角色的转变加速了大规模储能系统接入船舶,带来了储能系统的状态估计、能量管理、优化规划等一系列问题。首先,对目前的储能技术进行分类;然后,介绍典型全电船舶的分类方法并指出储能系统的应用场景;最后,提出大容量储能系统接入船舶后带来的若干亟待解决的技术问题,即船舶储能系统分布式控制、船舶储能系统适应性规划与优化,以及船舶储能系统状态评估。所做研究可为未来大规模储能系统在电力化船舶上的应用研究提供参考方向。

基于动态贝叶斯网络的小型无人核动力系统可靠性分析

核动力装置十分适用于深空探测、深海作业等小型无人装备的能源供给。由于其孤岛运行的特点,如何形成平衡优化的高可靠系统设计方案是小型无人核动力装置研发的关键。本文首先分析典型小型无人核动力系统构型及动态特性;在此基础上,构建全系统动态贝叶斯网络模型,对其系统总体可靠性进行研究;对比分析了不同系统架构下的总体可靠度演化规律,并确定了影响任务成功的关键子系统。本研究所采用的方法及分析结果能够为小型无人核动力装置早期设计阶段的系统构型及可靠性设计优化提供借鉴。

基于机器学习的实海域无人艇避碰算法智能演进方法

[目的]无人艇(USV)效能是指在给定时间内的特定海域完成指定任务的能力,是多层次多技术节点耦合作用的结果,而针对单一技术节点的传统优化方法,对无人艇效能的提升效果有限。[方法]针对无人艇自主系统的特点,从智能算法的角度,提出无人艇智能演进的2种主要形式:一是算法函数;二是算法参数。在此基础上,给出基于机器学习的无人艇智能演进方法,设计一种可演进的无人艇自主系统控制体系架构,并在实海域测试。[结果]以无人艇避碰算法为例,基于实海域测试结果,初步验证了所提方法在提升无人艇效能方面的可行性与有效性。[结论]基于机器学习的无人艇智能演进方法是持续提升无人艇效能的有效途径,具有较高研究价值和应用意义。

基于智能控制的船舶水动力导数敏感性分析方法

[目的]为了获得用于智能控制的船舶运动简化数学模型,以Mariner船为研究对象,提出结合标准操纵性试验与比例−积分−微分(PID)航向控制试验的敏感性分析方法。[方法]将控制指标、操纵性指标及整个时历过程典型运动状态变量平方损失进行复合分析,得到包含多维敏感性系数的数据集;引入K-means机器学习算法对该数据集进行聚类分析,完成水动力导数敏感性强弱的自动划分,进而对模型进行简化,并对所提简化模型、前人简化模型和完整模型的航向控制与航迹控制进行仿真试验。[结果]试验结果验证了所提敏感性分析方法的有效性,显示所提模型具有更高的操控预报精度。[结论]研究表明所提方法对指导基于智能控制的船舶运动建模具有一定的意义。

智能船艇虚实融合测试验证技术现状与展望

随着船艇智能化技术的迅速发展,智能船艇测试验证技术需求增大。考虑到虚实融合测试验证技术的发展潜力,文章对其在智能船艇上的应用现状与发展方向进行综述。明确智能船艇虚实融合测试验证的概念,从基于功能和基于场景的智能船艇虚实融合测试验证技术2方面对研究现状进行介绍。最后,就现有研究中存在的场景构建失真、环境作用量化和虚拟船艇模型性能不足等问题提出了下一步技术发展方向与趋势。

考虑蓄电池寿命损耗的最优船舶储能系统调度

随着电力推进技术的进步,全电船舶已成为未来船舶设计的主要趋势。为保证全电船舶的功率平衡,蓄电池作为一种能量缓冲设备,逐渐应用于船舶设计运行中。但船舶负荷相比于陆地微电网负荷变化更剧烈,可能导致船舶储能系统频繁的深度充放电,造成储能系统寿命损失。为延长船舶储能系统使用寿命,该文针对全电船舶运行提出一种考虑蓄电池寿命损耗的经济调度模型。该模型以船舶运行费用为目标函数,温室气体排放,船舶发电系统,航程管理等为约束。经过约束松弛后,所提模型转化为两层优化问题,并利用列与约束生成算法进行求解。对某4机全电船舶的实际航行算例分析表明,文中所提模型可有效提高船舶蓄电池的使用寿命,提高全电船舶的经济/环保效益,有益于构建未来绿色航运体系。

基于动态贝叶斯网络的无人船推进系统PHM技术

随着无人船系统复杂度的增加,对其进行故障预测和健康管理(prognostic and health management,PHM)的需求也随之提升。采用贝叶斯网络建立无人船的可靠性模型,并基于此开展无人船的PHM技术研究。主要探究贝叶斯网络模型在PHM方面的应用,包括利用动态贝叶斯网络进行预测故障,通过参数学习自动生成贝叶斯网络模型。以实验室开发的智能无人船为具体研究对象,针对其动力系统常见的故障点监测模式进行研究,并设计相应的在线监测方案。通过实时监测完整地表达无人船的健康程度,并开发了无人船的健康管理模型。对开发设计的健康管理模型进行实时性和准确性双方面评价,所研发的健康管理技术可以准确地还原无人船的故障分布情况,并快速响应做出故障预测,可以充分评估无人船在不同状态下的实际工作能力。

水平管内凝结水锤气液界面演化的实验研究

非能动余热排出系统排出堆芯余热时,水平管道内因低温海水与高温蒸汽直接接触发生冷凝,导致气液两相流界面失稳甚至诱发水锤现象。为对水平管道内凝结水锤的形成演化过程进行可视化研究,搭建了一种测量管道中瞬时压力的可视化实验装置,采集了气液两相流界面可视化图像数据,探究了不同冷水温度、不同加热功率对凝结水锤的影响规律,对比了不同工况下时序图像中界面波动情况。结果表明:直接接触冷凝会导致界面波动发生失稳现象,若冷凝剧烈,失稳会进一步演化成凝结水锤现象;压力数据与时序图像能够较好对应;高加热功率的时序图像的水锤更为密集,凝结水锤发生周期随加热功率增大而缩短;升高过冷水温度能够抑制凝结水锤发生。

基于相对时变跟踪点位的无人艇目标跟踪策略

[目的]无人艇(USV)进行目标跟踪时,采用相对固定跟踪点位(RFTP)策略得到的参考轨迹含有拐点,导致跟踪不稳定,针对该问题提出相对时变跟踪点位(RTTP)策略以提高跟踪的稳定性。[方法]首先,使用一阶滞后滤波对目标艇艏向变化量进行处理;然后,根据滤波后的数据设计时变跟踪点位,将目标跟踪问题转化为轨迹跟踪问题,并得到参考轨迹;最后,使用模型预测控制(MPC)方法实现对目标艇的跟踪。[结果]仿真结果表明,USV在RTTP策略下的跟踪效果更稳定,跟踪距离均方根差(RMSE)下降了28.06%,能耗降低了5.93%,且控制量更加平稳。[结论]相比传统的RFTP策略,采用RTTP策略可有效提高USV目标跟踪的稳定性,为USV的目标跟踪提供了新策略。

三体复合动力无人艇的太阳能铺板结构优化

太阳能铺板结构优化有利于解决局部应力、变形过大的问题,对三体复合动力无人艇的研究具有重要意义。本文建立太阳能铺板局部有限元模型,计算原结构的应力和变形量,基于多优化目标综合评估各优化方案的效果,得出最优方案。计算结果表明,所提出的优化方案在不损失布置面积的前提下,使结构最大应力降低了60.2%,最大变形降低了70.52%。该优化方案可大幅度降低太阳能铺板最大应力和变形,解决了局部强度问题,为复合动力无人艇结构设计提供了新的思路。

基于贝叶斯分类器的船舶型材优化设计

船舶结构轻量化设计对于提高船舶的运载能力和实现更大的经济效益具有重要意义,针对传统优化设计方法建立优化模型时约束条件无显式表达的问题,提出基于贝叶斯分类器的船舶型材优化设计方法。首先,依据贝叶斯理论和核密度估计方法构建贝叶斯分类器,然后利用贝叶斯分类器代替隐式约束函数进行求解,最后以T型材的优化设计问题为例进行验证,并将优化结果对比约束条件可显式表达情况下的求解结果进行分析。基于单约束条件的贝叶斯分类器目标函数偏差低于2%,基于多约束条件的贝叶斯分类器求解目标函数偏差在8%左右,且不同的贝叶斯分类器设计方法会对优化求解结果精确程度产生影响。使用贝叶斯分类器做出决策边界能代替实际边界进行优化求解,验证了贝叶斯分类器驱动求解器寻优的可行性,对解决约束条件无显式表达的问题提供了新思路。