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船舶操纵运动建模方法研究进展与展望

船舶工程 2024年第2期46卷 I0010-I0022页

作者：宋俊龙张靖扬董磊楼建坤王鸿东上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240

建立精确的船舶操纵运动模型,是保障智能船舶自主航行和测试验证的关键。当前,船舶操纵运动建模方法主要为构建数学模型,并采用系统辨识法计算模型中的水动力系数。随着人工智能技术的发展,黑箱模型和灰箱模型也逐渐被用于船舶操纵运动... 详细信息

建立精确的船舶操纵运动模型,是保障智能船舶自主航行和测试验证的关键。当前,船舶操纵运动建模方法主要为构建数学模型,并采用系统辨识法计算模型中的水动力系数。随着人工智能技术的发展,黑箱模型和灰箱模型也逐渐被用于船舶操纵运动建模。文章分别针对白箱模型和黑箱模型的关键技术研究现状进行梳理,总结当前操纵运动建模面临的六自由度耦合、模型迁移适用性、实测数据获取与构造等3个问题,并提出对应的3点展望:开展船舶六自由度耦合运动建模,结合先验知识的模型结构设计,船舶操纵试验设计及数据集构造。

关键词：六自由度耦合黑箱模型系统辨识船舶操纵

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船舶大容量储能系统应用研究综述

中国舰船研究 2022年第6期17卷 22-35页

作者：方斯顿王鸿东张军军香港中文大学信息工程系中国香港999077 上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240 中国舰船研究设计中心湖北武汉430064

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... 详细信息

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。

关键词：全电船舶大容量储能系统状态评估分布式控制适应性能量管理

基于改进LSTM的船舶操纵运动在线预报方法研究

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中国造船 2023年第2期64卷 184-198页

作者：董磊马翔封佳祥孔令军刘义王鸿东上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240 中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011 喷水推进技术重点实验室上海200011

为了提高船舶操纵性运动在线预报模型的泛化能力,针对航行船舶所处海洋环境的实时变化,将长短期记忆(LSTM)神经网络模型与注意力机制相结合,提出了改进的长短期记忆神经网络模型。基于船舶在不同波高和浪向下回转运动的仿真试验数据,设... 详细信息

为了提高船舶操纵性运动在线预报模型的泛化能力,针对航行船舶所处海洋环境的实时变化,将长短期记忆(LSTM)神经网络模型与注意力机制相结合,提出了改进的长短期记忆神经网络模型。基于船舶在不同波高和浪向下回转运动的仿真试验数据,设计神经网络的学习样本。通过对样本的学习,完成了船舶操纵性运动的在线预报。研究结果表明,改进的长短期记忆神经网络模型可在新的波浪环境下对船舶操纵性运动进行准确的在线预报。

关键词：船舶操纵长短期记忆神经网络注意力机制

基于海事规则的中型无人艇避碰路径规划算法研究及应用

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中国舰船研究 2022年第5期17卷 184-195,203页

作者：王鸿东易宏向金林付悦文上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240 江苏自动化研究所江苏连云港222061

[目的]为解决无人艇(USV)在开阔水域的多目标避碰问题,以中型无人艇为对象,开展基于国际海上避碰规则(COLREGS)的局部路径规划算法研究及应用探索。[方法]在快速扩展随机树(RRT)算法的基础上,提出虚拟障碍线方法加载COLREGS海事规则约束... 详细信息

[目的]为解决无人艇(USV)在开阔水域的多目标避碰问题,以中型无人艇为对象,开展基于国际海上避碰规则(COLREGS)的局部路径规划算法研究及应用探索。[方法]在快速扩展随机树(RRT)算法的基础上,提出虚拟障碍线方法加载COLREGS海事规则约束,以满足开阔水域避碰路径规划的应用需求。针对RRT算法不考虑速度维度的问题,引入速度障碍算法(VO),提出VO-RRT融合算法并给出最危险障碍物策略,以此解决多目标条件下的实时避碰问题。[结果]仿真及实船试验的结果表明,所提算法实时性较好,路径重规划耗时均在50 ms以内,且规划出的避碰路径符合COLREGS海事规则中的第6,8及13~18条相关避让要求,可有效应对开阔水域下的多目标避碰问题。[结论]所提方法的规则遵守性、实时性及安全性较好,具有较高的实用价值。

关键词：路径规划中型无人艇 VO-RRT算法国际海上避碰规则

数据驱动的可调螺距桨船舶油耗模型及航速优化

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中国造船 2023年第2期64卷 226-239页

作者：姚凤翔王鸿东张海华王检耀楼建坤上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240 中国船舶科学研究中心上海分部上海200011

船舶油耗预测是实现船舶航速优化的基础。基于可调螺距桨船舶的历史航行数据,结合极限学习机(ELM)算法,开展数据驱动的船舶油耗预测模型研究。结合可调螺距桨螺距可调的特性,提出基于螺距调节的航速优化方法。以船舶燃油消耗量最小为优... 详细信息

船舶油耗预测是实现船舶航速优化的基础。基于可调螺距桨船舶的历史航行数据,结合极限学习机(ELM)算法,开展数据驱动的船舶油耗预测模型研究。结合可调螺距桨螺距可调的特性,提出基于螺距调节的航速优化方法。以船舶燃油消耗量最小为优化目标,各时段内桨的螺距为优化变量构建船舶航速优化模型,并用改进粒子群算法求解。仿真结果表明:经螺距优化后,船舶单次航程的燃油消耗量减少约3%,进一步验证了通过螺距优化实现船舶节能航行的可行性。

关键词：数据驱动油耗模型可调螺距桨船舶航速优化改进粒子群算法

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国外无人船集群运用特点分析及其应对启示

中国舰船研究 2023年第1期18卷 1-12页

作者：冯炜崔东华夏天冰闫昭琨王鸿东海军研究院北京100161 上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240

无人船(USV)集群作为未来海上军事运用的重要组成力量,是各国海上无人装备的重要发展方向。首先,通过梳理总结当前国外无人船集群发展战略规划与运用现状,对无人船集群作战关键技术进行归纳分析,从集群自组网通信、战场态势感知、集群... 详细信息

无人船(USV)集群作为未来海上军事运用的重要组成力量,是各国海上无人装备的重要发展方向。首先,通过梳理总结当前国外无人船集群发展战略规划与运用现状,对无人船集群作战关键技术进行归纳分析,从集群自组网通信、战场态势感知、集群协同任务分配等3个方面剖析无人船集群相关技术的研究进展;然后,对无人船集群在军事上运用的典型样式和主要效益进行分析及研判;最后,总结分析当前应对无人船集群的难点,并对无人船集群应对的技术发展予以展望。

关键词：无人船集群海上无人作战无人系统集群协同作战使用特点

基于广义交并比的无人艇激光与视觉目标关联算法

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船舶工程 2023年第3期45卷 120-127页

作者：周嘉华王鸿东魏圣哲楼建坤上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240

针对采用异源传感器关联水面小尺度目标时易出现的漏匹配和误匹配问题,考虑到传统的距离和交并比(Io U)等相关系数对方位偏差较大的目标的相关性度量能力不足,提出一种基于广义交并比(GIo U)和匈牙利算法的水面多目标关联算法。通过实... 详细信息

针对采用异源传感器关联水面小尺度目标时易出现的漏匹配和误匹配问题,考虑到传统的距离和交并比(Io U)等相关系数对方位偏差较大的目标的相关性度量能力不足,提出一种基于广义交并比(GIo U)和匈牙利算法的水面多目标关联算法。通过实船试验,比较基于不同相关系数的目标关联结果。试验结果表明:GIo U能克服Io U需目标区域相交的度量限制,能有效匹配小尺度目标;相比距离和Io U相关系数,GIo U能取得更高的目标关联平均准确率和平均召回率(分别达到95.97%和96.24%),能有效降低漏匹配率和误匹配率,具有较高的工程应用价值。

关键词：广义交并比匈牙利算法无人艇目标关联

基于Icepak的船舶储能电池散热特性仿真分析

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计算机仿真 2023年第1期40卷 517-522,538页

作者：姚凤翔王检耀王鸿东易宏上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海201100

目前全电船舶储能系统主要由锂电池构成,对其进行合理的热设计是保证储能系统安全可靠运行的关键。以某型船用储能电池包为研究对象,分别设计其风冷和水冷散热系统,基于Icepak软件进行两类冷却系统的散热特性仿真及评估。通过改变风冷... 详细信息

目前全电船舶储能系统主要由锂电池构成,对其进行合理的热设计是保证储能系统安全可靠运行的关键。以某型船用储能电池包为研究对象,分别设计其风冷和水冷散热系统,基于Icepak软件进行两类冷却系统的散热特性仿真及评估。通过改变风冷散热系统的入口风速、风扇半径、风扇数量,以及液冷散热系统的冷却液流速、冷却液入口温度等参数,对比分析参数变化对系统散热效果的影响,为全电船舶储能系统散热方案的选取和散热系统的设计提供依据。

关键词：储能电池包风冷散热系统液冷散热系统温度分布参数影响

基于虚实结合的波浪环境下船舶操纵运动机器学习建模研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2022年第6期37卷 763-768页

作者：夏召丹马翔刘义张伟黄文斌王鸿东上海市船舶工程重点实验室中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011 喷水推进重点实验室上海200011 上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240

实船在波浪中的操纵运动数学建模是船舶操纵性预报的难点。在静水中,实船操纵运动建模相对较易实现,在此基础上结合波浪力数学模型,可以产生虚拟的船舶在波浪中的操纵运动数据,再结合有限的波浪环境实测数据,形成虚实融合的数据,从而可... 详细信息

实船在波浪中的操纵运动数学建模是船舶操纵性预报的难点。在静水中,实船操纵运动建模相对较易实现,在此基础上结合波浪力数学模型,可以产生虚拟的船舶在波浪中的操纵运动数据,再结合有限的波浪环境实测数据,形成虚实融合的数据,从而可以利用数据驱动手段,开展实船在波浪中的操纵运动数学建模研究。该文以某船为例,基于静水环境下实船实测数据,使用物理内嵌神经网络(physics informed neural network,PINN)辨识船舶操纵运动MMG方程水动力导数。记及波浪力模型后,形成船舶在波浪中操纵运动数学模型,基于此数学模型构造操纵运动数据,再结合有限的波浪环境数据,利用长短期记忆神经网络(long short term memory,LSTM)开展实船在波浪中的操纵运动在线预报研究。

关键词：操纵性建模 PINN LSTM 机器学习数据驱动