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基于高斯过程回归的船舶运动建模方法研究

基于高斯过程回归的船舶运动建模方法研究

作者：杨帆武汉理工大学

学位级别：硕士

随着船舶智能化、自主化、无人化发展进程的加快,船舶智能航行能力的测试技术研究受到国内外学者的广泛关注。虚拟仿真测试成本低、零风险、可定制、可加速、可重复,然而仿真的准确性存疑且缺少真实反馈,物理试验可以得到真实的测试反馈... 详细信息

随着船舶智能化、自主化、无人化发展进程的加快,船舶智能航行能力的测试技术研究受到国内外学者的广泛关注。虚拟仿真测试成本低、零风险、可定制、可加速、可重复,然而仿真的准确性存疑且缺少真实反馈,物理试验可以得到真实的测试反馈,但受限于测试的安全性、经济性和高效性,且测试的可控性和可重复性较差。因此,船舶智能航行亟需开展测试技术研究,虚拟仿真和物理实验中的船舶运动控制都依赖准确的运动模型。动态系统建模方法主要可以分为机理分析建模和数据驱动建模,数据驱动建模又可细分为参数建模和非参数建模。在船舶运动建模领域,机理建模和经典参数建模方法的研究已经较为成熟。随着现代工程自动化的发展,机器学习逐渐成为热门的研究手段,学习类的非参数建模方法在船舶运动建模领域的应用越来越多。本文分析了船舶智能航行测试技术,介绍了船舶运动建模理论和经典船舶运动建模方法,研究了基于高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)的船舶运动建模方法。利用世界拖曳船池协会(International Towing Tank Conference,ITTC)提供的集装箱船KCS和油轮KVLCC2水池试验数据所构建的机理模型开展了仿真试验,基于模型船实验平台的缩比集装箱船和港作拖轮开展了船模试验,并分别利用神经网络(Neural Networks,NNs)、最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machines,LS-SVM)和GPR进行运动建模和对比。本文的主要内容如下:1)船舶智能航行测试技术。分析了船舶智能航行测试需求、对象,提出了以虚拟测试为先导,模型测试为中试,实船测试为校验的船舶智能航行测试方法;梳理了船舶智能航行测试内容,最后指出了船舶智能航行测试与运动建模的关系。2)船舶运动建模理论与方法。介绍了船舶运动坐标系与坐标系转换;介绍了船舶运动整体型模型、分离型模型和响应型模型,并对三种模型进行了比较;介绍了船舶水动力操纵理论,介绍了两种经典船舶运动建模方法(NNs和LSSVM)及在本文中的辨识原理;最后介绍了基于函数空间的GPR原理、GPR的协方差函数和超参数优化方法。3)GPR运动建模与仿真验证。介绍了基于GPR的船舶运动建模的总体框架,并利用NNs、LS-SVM和GPR对集装箱船KCS和油轮KVLCC2机理模型所产生的仿真试验数据进行了建模和对比,结果验证了GPR建模方法的可行性和有效性,以支撑模型船试验验证。4)GPR运动建模与实验验证。介绍了实验平台的模型船、硬件设备和软件系统;利用模型尺度集装箱船和港作拖轮开展回转试验和Z形试验以获取数据;利用NNs、LS-SVM和GPR对自航试验数据进行了建模和对比,验证了GPR建模方法用于模型船的有效性和普适性。

关键词：高斯过程回归船舶运动建模系统辨识船模试验

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一种用于船舶操纵运动快速建模的混合经验法

系统仿真学报 2023年第10期35卷 2150-2160页

作者：吴鹏杨宗默景乾峰李玉林贵州省航务管理局贵州贵阳550000 交通运输部天津水运工程科学研究所天津300456 大连海事大学航海学院辽宁大连116026

仿真测试是验证智能船舶各项功能的重要手段,船舶操纵运动建模与仿真是实现复杂海域下多船智能避碰的关键理论基础。针对现阶段船舶操纵运动建模所需的水动力系数计算复杂且难以获取的问题,提出一种混合经验法,建立了现有回归公式的组... 详细信息

仿真测试是验证智能船舶各项功能的重要手段,船舶操纵运动建模与仿真是实现复杂海域下多船智能避碰的关键理论基础。针对现阶段船舶操纵运动建模所需的水动力系数计算复杂且难以获取的问题,提出一种混合经验法,建立了现有回归公式的组合方法,构建了综合性能指标,通过仿真操纵试验对水动力系数组选优,并基于MATLAB研发了快速建模程序代码。结果表明:该方法能够在有限的船型参数下实现高效、便捷、自动化地生成给定船舶的操纵性运动模型,对智能船舶的仿真测试验证具有重要的工程实践意义。

关键词：智能船舶仿真测试船舶运动建模快速仿真混和经验法

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基于改进型野马优化算法的船舶参数辨识方法

中国舰船研究 2024年

作者：綦志刚张昊李冰鲁喆哈尔滨工程大学智能科学与工程学院

【目的】传统的参数辨识方法难以完成多维度、多自由度的综合参数辨识，为了实时获取船舶的复杂参数和姿态信息，保证船舶在航行时的稳定性和安全性，将改良型野马优化算法引入船舶参数辨识方法，与传统的船舶辨识方法相结合，提高船舶... 详细信息

【目的】传统的参数辨识方法难以完成多维度、多自由度的综合参数辨识，为了实时获取船舶的复杂参数和姿态信息，保证船舶在航行时的稳定性和安全性，将改良型野马优化算法引入船舶参数辨识方法，与传统的船舶辨识方法相结合，提高船舶参数辨识精度。【方法】建立船舶纵向运动模型，引入动态惯性权重设计对改良型野马优化算法进一步优化，完成船舶纵向参数辨识方法设计。【结果】通过对比分析采用不同算法时船舶辨识模型的跟踪效果，以及在不同海浪遭遇角下的船舶参数辨识结果，发现改良型野马优化算法的辨识误差为1%左右，远低于其他算法，表明基于该算法的辨识模型能更精确地跟踪航行时的船舶姿态。【结论】该辨识方法可实时为船舶航行提供精确的参数，提高了船舶航行时的可操作性，从而保证船舶航行时的稳定性和安全性。

关键词：船舶运动建模辨识方法设计野马优化算法动态惯性权重

基于改进粒子群优化的船舶纵摇和升沉运动参数辨识

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基于改进粒子群优化的船舶纵摇和升沉运动参数辨识

作者：崔若男哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着经济水平的日益提升,海洋运输能力对各国发展愈来愈起到至关重要的作用,船舶运动模型研究的重要地位也就更加凸显了出来。掌握船舶运动模型是研究船舶操纵性能的必要基础,而经典方法求取的参数并不精确,参数辨识方法在获得船舶水动... 详细信息

随着经济水平的日益提升,海洋运输能力对各国发展愈来愈起到至关重要的作用,船舶运动模型研究的重要地位也就更加凸显了出来。掌握船舶运动模型是研究船舶操纵性能的必要基础,而经典方法求取的参数并不精确,参数辨识方法在获得船舶水动力参数时表现更加出色。粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)以其不同于以往经典辨识方法的独特性能闯入了人们的视野,简单易懂的理论、便捷的流程使它应用范围颇为广泛,越来越多领域的实践证明了它的稳定性和精度。本文引入元胞自动机原理对PSO算法进行优化,并将元胞PSO优化算法运用到船舶水动力参数辨识中,将它转化为一个寻优的过程。文章首先介绍了PSO算法的特点及基本原理,重点对不同的拓扑结构如何选择进行了实测比对,并阐述了参数的一般选取规律。之后说明了PSO算法的缺陷并引入元胞机制,设计了内、外元胞PSO算法两种改进形式。在改进后的算法中,粒子不仅仅要进行迭代前后的状态比较,还要与邻居的状态进行比较,有利于进行解空间局部信息的搜索,而且邻居函数与转移规则都会影响到搜索结果,粒子增加了自主性。通过两组对比实验采用用四个基准测试函数验证了两种方法在不同程度上弥补了基本算法的劣势,获取到了更加满意的最优解。随后,建立了船舶运动模型并离散化。对辨识方法进行了具体的设计,如初始化方法、速度域与搜索区域界定、输入函数与适应度值函数等,叙述了辨识方法的具体步骤。对舵角输入和海浪扰动输入建模,并且设计了巴特沃斯IIR型滤波器以增加输入信号的准确度。然后对船舶水动力参数进行辨识,在静水下和有海浪扰动的情况下分别进行有无噪声时的仿真实验,进行了结果比对与分析。仿真实验证明,基于改进的粒子群优化算法能够正确的辨识船舶纵摇和升沉运动水动力参数,为船舶水动力参数辨识提供了一种新的解决方案。最后总结全文,并对进一步的研究做出展望。

关键词： PSO算法元胞自动机参数辨识船舶运动建模

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基于并行计算的船舶局部加权学习辨识建模

基于并行计算的船舶局部加权学习辨识建模

作者：王辉大连海事大学

学位级别：硕士

船舶操纵运动数学模型是航海模拟器的核心技术,局部加权学习算法（Locally Weighted Learning,LWL）是一种新的船舶操纵运动建模方法,作为非参数辨识建模方法,输入数据样本数量决定了模型的精度,样本数量与LWL辨识算法求解时间成正比,... 详细信息

船舶操纵运动数学模型是航海模拟器的核心技术,局部加权学习算法（Locally Weighted Learning,LWL）是一种新的船舶操纵运动建模方法,作为非参数辨识建模方法,输入数据样本数量决定了模型的精度,样本数量与LWL辨识算法求解时间成正比,增加了工程实现难度,本文以并行计算技术对局部加权学习算法进行并行化研究从而提升算法整体性能。1.针对局部加权学习算法实际工程需求,跨平台C语言实现LWL算法,依次对LWL算法的训练与预测过程进行C程序设计。分析了高性能计算中两种并行结构OpenMP和CUDA的相关并行执行方式,以及并行计算在多个领域中的实现及应用。分别在CPU和GPU两种并行平台上对局部加权算法展开研究。2.针对局部加权学习算法预测与训练耗时问题,根据OpenMP并行算法开发的特点和LWL算法数据分布的特性,对LWL算法的加权函数、距离函数、最小二乘求解进行了 OpenMP并行化设计。以Mariner轮整体型数学模型为研究对象进行仿真研究,仿真结果表明,并行算法与串行精度一致,并行的加速效果与处理算法紧密相关,即便在并发线程不超过计算机核心数的情况下,也并非并发线程越多越好。当采用静态调度方式并选取线程数量为8时,并行LWL算法平均训练时间的加速比达到1.6倍,预测时间缩短了 33.0%,OpenMP并行算法具有较好的并行效率。3.针对LWL算法距离测度训练时间过长问题,提出两种基于CUDA的GILWL算法和GOLWL算法。在并行实现GOLWL算法时,将加权函数、距离函数、最小二乘求解等过程与GPU并行算法结合。各函数之间数据传输在GPU内部,降低了 GILWL算法计算过程中CPU与GPU频繁的通信开销。GOLWL算法对并行实现采用任务并行与数据并行相结合的方式,利用GPU线程块与线程分别映射船舶操纵运动样本点的预测值,在CPU端计算目标函数并选取最小目标函数所对应的距离测度。以Mariner轮整体型数学模型为仿真研究对象,GILWL算法并行效果不符合预期设定,GILWL算法运行时间是标准LWL算法的4.38倍,GOLWL算法与LWL算法相比训练时间缩短了 63.8%。仿真结果表明GOLWL算法在与串行LWL算法求解精度一致的前提下,能有效学习船舶操纵运动特性。

关键词：并行计算 OpenMP GPU 局部加权学习船舶运动建模

船舶航向局部逼近神经网络复合自抗扰控制研究

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船舶航向局部逼近神经网络复合自抗扰控制研究

作者：李永正大连海事大学

学位级别：硕士

本文主要对大型船舶的航向局部逼近神经网络复合自抗扰控制进行了理论设计和仿真研究,完成了对两艘大型集装箱实际船舶对象的操纵数学建模、航向智能控制器的算法设计及仿真验证,具体如下:(1)本文选择排水量93888吨(9572 TUE)的XIN SHAN... 详细信息

本文主要对大型船舶的航向局部逼近神经网络复合自抗扰控制进行了理论设计和仿真研究,完成了对两艘大型集装箱实际船舶对象的操纵数学建模、航向智能控制器的算法设计及仿真验证,具体如下:(1)本文选择排水量93888吨(9572 TUE)的XIN SHANG HAI号和排水量69500吨(5446TUE)的SHANGHAI号两艘大型集装箱船作为控制对象,并考虑到了风与流干扰的影响,建立了船舶的MMG操纵模型。为验证所建模型的合理有效性,完成了船舶回转试验与Z形操纵试验仿真验证。(2)自抗扰控制器(ADRC)具有可以把未知扰动看成扩张的状态并对其进行估计,进而对系统给予扰动补偿的特点,本文将ADRC应用到船舶航向控制系统中,在对ADRC理论设计的基础上进行了 Simulink仿真实现,并且以XIN SHANG HAI号集装箱船作为控制对象进行了航向控制仿真验证。(3)为了进一步提高控制效果和改善非线性的ADRC参数过多的缺点,本文在研究小脑模型神经网络(CMAC)和径向基函数(RBF)神经网络两种局部逼近神经网络理论的基础上,对ADRC进行了改进,分别设计了 CMAC与ADRC相结合的复合控制器CMAC-ADRC以及RBF与ADRC相结合的复合控制器RBF-ADRC,通过对XIN SHANG HAI号集装箱船的控制仿真,验证了经过改进后的两种局部逼近神经网络复合自抗扰控制器在控制效果上都有了较明显的改善。(4)本文选择了另一艘集装箱船SHANGHAI号作为被控对象,分别在不同海况下进行了仿真研究,验证了局部逼近神经网络复合ADRC对于具有不同尺度和排水量的船舶对象的适用性和有效性。

关键词：船舶运动建模船舶航向控制自抗扰控制器小脑模型神经网络径向基函数神经网络

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航海模拟器中小水线面双体船运动建模与仿真

航海模拟器中小水线面双体船运动建模与仿真

作者：吕振望大连海事大学

学位级别：硕士

航海模拟器作为仿真技术领域的典范之一,已经广泛应用于航海领域中,为航海教育与培训、港口航道工程安全论证等做出了很大的贡献。为了丰富航海模拟器中的船舶类型以及作为一项技术储备,把小水线面双体船模型应用到航海模拟器中,具有一... 详细信息

航海模拟器作为仿真技术领域的典范之一,已经广泛应用于航海领域中,为航海教育与培训、港口航道工程安全论证等做出了很大的贡献。为了丰富航海模拟器中的船舶类型以及作为一项技术储备,把小水线面双体船模型应用到航海模拟器中,具有一定的必要性。而本文完成了这个任务的第一步,就是建立小水线面双体船的运动数学模型。由于时间有限,本文仅仅对小水线面双体船三个自由度运动进行了建模与仿真。本文查阅了大量的关于小水线面双体船以及相关方面的资料,对这些资料进行研究和总结。首先从小水线面双体船的发展现状以及优缺点入手,然后对小水线面双体船各方面性能进行了整体评价,确定采用MMG分离建模思想进行建模与仿真。在建模的过程中,对小水线面双体船裸船体、螺旋桨、舵处的流体水动力、桨处的伴流系数、推力减额系数、以及船体和桨、舵之间相互干扰水动力进行了详细的分析和计算。最后在VC++6.0平台下采用四阶龙格—库塔方法积分,获得小水线面双体船的运动状态。为验证本文所建立模型的正确性与可行性,本文以日本第二艘小水线面双体船“海鸥”号为例,对其进行了直航、旋回试验仿真,仿真结果符合小水线面双体船操纵运动规律,说明该运动数学模型是正确、有效的。本文所建立的数学模型为航海模拟器中小水线面双体船运动数学模型的研制与开发提供了一定的理论基础。

关键词：船舶操纵性船舶运动建模小水线面双体船计算机仿真航海模拟器

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基于雷诺时均NS方程的船体绕流数值研究

基于雷诺时均NS方程的船体绕流数值研究

作者：杨岳大连海事大学

学位级别：硕士

水动力是作用于船舶诸力中最为复杂的一种作用力,准确确定水动力是建立高精度船舶运动数学模型的所需要解决的关键问题之一。随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的迅速发展,从流场的微观角度分析船体所受水动力成为... 详细信息

水动力是作用于船舶诸力中最为复杂的一种作用力,准确确定水动力是建立高精度船舶运动数学模型的所需要解决的关键问题之一。随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的迅速发展,从流场的微观角度分析船体所受水动力成为可能。本文利用雷诺时均NS(Reynolds Average Navier-Stokes,RANS)方程,对船舶平行中体二维流场进行数值模拟,并分析不同情形下流场变化规律。本文的主要工作如下:(1)对二相流下方柱绕流问题进行验证分析。通过计算雷诺数Re=12000条件下不同浸深的方柱绕流问题,将计算结果与实验数据进行对比,数据吻合良好,并且可以清晰的观测到漩涡的产生。同时保持浸深不变,改变Re数对二相流下的方柱绕流问题进行定量分析,得出随着Re数的增加,漩涡脱落现象越明显速度越快的结论。(2)在相同Re数下通过改变船舶平行中体部分舭部半径,分析船舭部绕流状况,将数值计算与实验数据进行比较。结果表明在一定范围内随着船舭部半径增大,其靠近来流处的舭部漩涡会逐渐增大,但随着半径的继续增大,其漩涡会逐渐减小。随着舭部半径的增大,靠近出口处的舭部漩涡会逐渐增大并且越来越混乱。(3)对KVLCC船型按照1:100缩尺模型的横流下的水动力进行数值模拟。利用经验公式方法计算KVLCC船型横向力,同时对比利用CFD数值模拟所获得的计算结果,验证CFD数值仿真技术的可靠性,并观察自由液面变化。

关键词：船舶运动建模横向力计算流体力学多相流

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浅水域船间效应数值计算及仿真应用

浅水域船间效应数值计算及仿真应用

作者：靳哲大连海事大学

学位级别：硕士

浅水域船间效应对船舶安全航行至关重要,对港口吞吐量进一步增长有重要影响。航海模拟器中现有船舶运动数学模型考虑浅水域船间效应影响较为简化,适用范围有局限性,严重影响了航海模拟器的准确性及通用性。本论文以浅水域船间效应为研... 详细信息

浅水域船间效应对船舶安全航行至关重要,对港口吞吐量进一步增长有重要影响。航海模拟器中现有船舶运动数学模型考虑浅水域船间效应影响较为简化,适用范围有局限性,严重影响了航海模拟器的准确性及通用性。本论文以浅水域船间效应为研究对象,旨在突破行业技术瓶颈,提高船舶操纵运动数学模型的计算精度。首先,基于STAR-CCM+计算软件深入分析船舶横向间距、船速、船舶大小、水深、水流等对船间效应影响因素之间的互联耦合特性,深挖其内在关系,通过数值计算不同横距、不同航速、不同水深、不同船舶尺度下两船受到的船间效应作用力和力矩,进而探讨各影响因素对船舶三种航行局面(对遇、追越、驶过系泊船)的影响机理,建立船间效应作用力及转艏力矩离线数据库。然后,采用机理建模方法,综合考虑“船-桨-舵”之间的动态耦合作用机制,构建浅水域中考虑船间效应的船舶三自由度运动方程,利用“离线计算-在线插值”的建模思想,突破船间效应水动力数值计算求解量大、求解速度慢的难题,实现船舶运动仿真模型的快速实时求解。最后,基于MFC编程语言搭建了船舶运动仿真测试平台,对KCS集装箱船和DTMB5415船舶进行了浅水域船间效应的运动建模和实时仿真,通过仿真结果,分析了船间效应随着水深、两船之间的纵向距离、横向距离、相对速度以及不同船舶尺寸的大小变化的趋势和规律,与文献中的趋势和实际航海实践中的规律基本一致,仿真结果较好,验证了所建立浅水域船间效应数学模型的合理性。通过本文的研究,为船舶驾驶员在浅水域拥挤航道中安全驾驶提供定量和定性的指导和建议,针对航海模拟器中船舶操纵运动数学模型船间效应存在的不足,进行了较为深入的研究,提升了航海模拟器的性能,对提高航海模拟器品质及保障船舶浅水域航行安全具有重要意义。

关键词：船间效应数值计算船舶运动建模船舶运动仿真航海模拟器