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面向环境不确定性的船舶操纵运动建模与预报方法

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交通运输工程学报 2024年第3期24卷 279-295页

作者：陈立家周欣蔚杨沛艺王凯李胜为武汉理工大学航运学院湖北武汉430063 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室湖北武汉430063 武汉理工大学水路交通控制全国重点实验室湖北武汉430063

为解决复杂环境因素影响下的船舶操纵运动预报精度问题,提出了一种面向环境不确定性的船舶操纵运动灰箱辨识建模与预报方法;参考分离型船舶操纵运动模型结构,考虑船舶操纵运动机理,建立了简化的灰箱模型;选取合适的试验对象,运用最小二... 详细信息

为解决复杂环境因素影响下的船舶操纵运动预报精度问题,提出了一种面向环境不确定性的船舶操纵运动灰箱辨识建模与预报方法;参考分离型船舶操纵运动模型结构,考虑船舶操纵运动机理,建立了简化的灰箱模型;选取合适的试验对象,运用最小二乘支持向量机算法对建立的船舶操纵运动灰箱模型进行参数辨识,并通过旋回试验和Z形操纵试验测试了模型的泛化性;通过环境不确定性因素分析,构建了波浪作用力干扰模型、数据传输延时模型和感知设备误差模型,并以此为基础,生成了具有多种环境不确定性因素影响的船舶运动响应训练数据;通过仿真试验,验证了预报方法在环境不确定性因素干扰下的预报精度。研究结果表明:在引入环境不确定性因素影响的船舶操纵运动预报试验中,当感知设备误差由0逐渐提升至5%和10%时,除受较小的初始数量级因素影响的横摇速度外,其余船舶运动响应预报结果的均方根误差增幅均小于10%,预测模型的精度可以得到有效保证;而在感知设备误差达到20%的极端条件下,纵荡速度、横荡速度、艏摇速度预报误差相较于0时分别提升4.65%、15.97%、18.17%,误差增幅仍能有效控制在20%以下。可见,船舶操纵运动建模与预报方法可在一定程度上实现环境不确定性因素干扰下的高精度船舶操纵运动预报。

关键词：水路运输船舶操纵运动环境不确定性最小二乘支持向量机建模与预报方法验证试验

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部分信息和损失厌恶下的最优投资与再保险

系统工程理论与实践 2024年第3期44卷 932-946页

作者：陈凤娥季锟鹏彭幸春武汉理工大学理学院武汉430070

该文研究了具有损失厌恶特征的保险公司在仅拥有部分信息时的最优投资与再保险策略.首先,利用滤波技术将问题进行转化.然后,在期望S型效用最大化准则下,运用鞅方法,偏微分方程,傅里叶变换和逆变换方法得到了最优投资与再保险策略的半解... 详细信息

该文研究了具有损失厌恶特征的保险公司在仅拥有部分信息时的最优投资与再保险策略.首先,利用滤波技术将问题进行转化.然后,在期望S型效用最大化准则下,运用鞅方法,偏微分方程,傅里叶变换和逆变换方法得到了最优投资与再保险策略的半解析表达式.最后,利用蒙特卡罗方法进行数值分析.结果表明忽略学习下的最优投资与再保险比例比滤波估计下的更低,而且在参考点水平较高时,相比较最优再保险与通胀指数债券投资比例,忽略学习对最优股票投资比例的影响更显著.另一方面,幂效用下的最优策略比S型效用下的最优策略更加激进,其中最优再保险比例在两种效用函数情形差别最大,这说明心理因素对再保险策略的影响最显著.

关键词： S型效用部分信息投资再保险

浮冰反复碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应实验研究

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船舶力学 2024年第7期28卷 1090-1099页

作者：肖雯吴雄李应刚王松朱凌高性能舰船技术教育部重点实验室(武汉理工大学) 武汉430063 武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063 武汉理工大学三亚科教创新园海南三亚572025

本文采用水平冲击试验装置开展楔形刚性冲头与楔形冰体反复碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应实验,研究蜂窝金属夹芯板结构塑性变形损伤、下面板位移时程曲线和碰撞力时程曲线等动态响应特性,分析冰体反复碰撞和刚体反复碰撞对蜂窝金属夹芯... 详细信息

本文采用水平冲击试验装置开展楔形刚性冲头与楔形冰体反复碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应实验,研究蜂窝金属夹芯板结构塑性变形损伤、下面板位移时程曲线和碰撞力时程曲线等动态响应特性,分析冰体反复碰撞和刚体反复碰撞对蜂窝金属夹芯板动态响应的差异。研究结果表明:随着楔形冰体反复碰撞次数的增加,碰撞力峰值持续增大,碰撞接触时间明显缩短,蜂窝金属夹芯板上下面板的局部凹陷和整体弯曲变形逐渐增大,蜂窝芯层压缩量逐渐增加直至密实化;由于碰撞过程中存在冰体破碎现象,冰体碰撞接触面积增大,与刚性反复碰撞相比,冰体反复碰撞作用下夹芯板上面板中点的最终挠度偏小,但局部损伤面积明显偏大;随着碰撞次数的增加,蜂窝金属夹芯板结构塑性累积变形由一条塑性铰线发展演化为椭圆形塑性区。

关键词：浮冰反复碰撞蜂窝金属夹芯板动态响应实验研究

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基于机器学习的翼型水动力性能优化设计

中国造船 2024年第1期65卷 176-189页

作者：李仰建李子如刘谦贺伟高性能船舶技术教育部重点实验室(武汉理工大学) 武汉430063 武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063

基于机器学习的翼型几何优化设计方法可有效避免复杂的计算流体力学数值求解过程,具有更高的计算效率。对翼型进行参数化表示,构建机器学习模型与优化算法进行学习和预测,能极大地减少翼型优化设计时间。论文开展了基于机器学习的翼型... 详细信息

基于机器学习的翼型几何优化设计方法可有效避免复杂的计算流体力学数值求解过程,具有更高的计算效率。对翼型进行参数化表示,构建机器学习模型与优化算法进行学习和预测,能极大地减少翼型优化设计时间。论文开展了基于机器学习的翼型水动力性能预测和优化设计研究。运用CST方法对翼型进行参数化表示;采用XGBoost建立翼型水动力特性快速预报模型;结合机器学习方法和遗传算法,综合考虑升力系数、阻力系数和翼型表面压力系数建立优化模型,完成了某翼型的优化设计与水动力性能分析。结果表明:提出的翼型优化设计方法可获取优良翼型,对船用螺旋桨叶剖面设计优化具有重要意义。

关键词：遗传算法NSGA-Ⅲ 翼型设计 CST参数化应用软件Open FOAM

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考虑能耗节约的集装箱码头装卸设备集成调度

计算机集成制造系统 2024年第7期30卷 2608-2620页

作者：张煜唐可心徐亚军计三有武汉理工大学交通与物流工程学院湖北武汉430063 武汉理工大学港口物流技术与装备教育部工程研究中心湖北武汉430063 武汉理工大学韶关研究院广东韶关512100

针对自动化集装箱码头中岸桥与人工智能运输机器人(ART)的集成调度问题,依据作业阶段将设备能耗划分成多个表现形式,构建以最小化岸桥和ART的总能耗为目标的整数规划模型。为提高求解质量,提出一种具有重组变异和随机扰动的自适应粒子... 详细信息

针对自动化集装箱码头中岸桥与人工智能运输机器人(ART)的集成调度问题,依据作业阶段将设备能耗划分成多个表现形式,构建以最小化岸桥和ART的总能耗为目标的整数规划模型。为提高求解质量,提出一种具有重组变异和随机扰动的自适应粒子群算法。根据不同时期的搜索需求,对惯性权重实行自适应调整;并引入随机粒子增强个体的交互能力,结合迭代进程对最优粒子实施不定维更新,为其摆脱局部困境提供更多机会。最后,以天津港北疆C段自动化集装箱码头为研究背景设计了不同规模算例,将改进算法与GUROBI求解器以及其他算法进行比较,验证了模型和算法的有效性。结果表明,随着岸桥和ART的配置数量逐渐增加,作业进程加快,码头总能耗分别呈现降低和先降后升的趋势;此外,相比于传统的调度模型,所提方法能够在较短的完工时间里节约更多的作业能耗。

关键词：集成调度改进粒子群优化算法自动化集装箱码头最小化能耗

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基于多特征聚合的水面遮挡目标检测算法

华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第4期52卷 76-81页

作者：冯辉蒋成鑫徐海祥谢磊武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室湖北武汉430063 武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063 武汉理工大学智能交通系统研究中心湖北武汉430063

针对智能船舶在内河航道航行时经常出现的船舶互相遮挡而影响目标检测精度的问题,提出了一种基于多特征聚合的水面遮挡目标检测算法.首先,在骨干网络设置多尺度感受野特征融合结构,融合被遮挡船舶可视区域与周围环境特征;其次,在骨干网... 详细信息

针对智能船舶在内河航道航行时经常出现的船舶互相遮挡而影响目标检测精度的问题,提出了一种基于多特征聚合的水面遮挡目标检测算法.首先,在骨干网络设置多尺度感受野特征融合结构,融合被遮挡船舶可视区域与周围环境特征;其次,在骨干网络及网络的特征拼接部分添加混合注意力机制,增强网络的长程依赖性,聚合船首和船尾的特征;然后,设计了数据重采样策略,在训练过程中根据船舶类别的数量自适应地调整样本采样频率,缓解数据集中船舶数量的严重不均匀;最后对算法进行验证。结果表明:算法通过聚合被遮挡船舶可视区域与周围环境等多尺度特征,聚合船首、船尾长程特征,相较于原算法精度提升达到了3.3%,有效提升了视觉遮挡状态下水面目标的检测精度.

关键词：智能船舶遮挡检测多尺度特征融合混合注意力机制数据重采样

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考虑船舶操纵性的无人艇路径规划方法

华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第3期52卷 91-96页

作者：汪咏徐海祥冯辉余文曌武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063 武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室湖北武汉430063

为使规划算法得出的路径更加符合无人艇操纵特性,基于人工势场法,结合船舶操纵方程提出了一种满足无人艇操纵性的路径规划方法.首先,根据无人艇的运动特性,在势场函数中加入障碍物相对方位角信息;其次,通过分析船舶的KT方程,设计了一种... 详细信息

为使规划算法得出的路径更加符合无人艇操纵特性,基于人工势场法,结合船舶操纵方程提出了一种满足无人艇操纵性的路径规划方法.首先,根据无人艇的运动特性,在势场函数中加入障碍物相对方位角信息;其次,通过分析船舶的KT方程,设计了一种无人艇航行时的动态转艏限制角,并将其与人工势场法相结合;然后,对比分析了改进后人工势场法和经典人工势场法的规划路径,结果表明改进后算法规划出的路径更为平滑;最后,利用传统LOS引导律和PID控制器对规划路径进行循迹仿真,进一步验证了改进后算法规划出的路径的优越性.

关键词：无人艇路径规划操纵方程人工势场法路径平滑

基于人工势场-操纵运动混合模型的船舶路径规划

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华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第1期52卷 85-90页

作者：程细得刘鹏辉韩琨羽施畅武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室湖北武汉430063 武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063

为提高船舶全局路径规划的合理性和安全性,提出了一种考虑船舶操纵运动性能的路径规划方法.首先引入偏转力矩和船舶领域对传统的人工势场法进行改进;然后研究了人工势场法与船舶操纵运动模型融合的机理,构建了一种人工势场-操纵运动混... 详细信息

为提高船舶全局路径规划的合理性和安全性,提出了一种考虑船舶操纵运动性能的路径规划方法.首先引入偏转力矩和船舶领域对传统的人工势场法进行改进;然后研究了人工势场法与船舶操纵运动模型融合的机理,构建了一种人工势场-操纵运动混合模型;最后通过求解该混合模型完成了船舶在两类典型静态障碍物环境中的路径规划.仿真结果表明:此方法规划出的路径,不仅可以安全避开周围环境中的障碍物,而且与传统人工势场法相比,经过障碍物时拐角更平缓,每一处路径的转向角都能满足船舶操纵运动性能的约束,路径平滑度更高,更符合船舶实际航行工况的要求.

关键词：全局路径规划人工势场法操纵运动模型避障船舶操纵性

全电船舶混合储能系统容量配置与运行策略协同优化方法

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中国造船 2024年第3期65卷 106-121页

作者：王与凡杨祥国李昕周朝彬段权政唐特路武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063

针对多工况条件下全电船舶混合储能系统容量配置与运行策略的设计,提出一种以自适应二阶滤波策略为核心的能量管理策略,考虑混合储能系统容量配置与运行策略耦合关系的协同优化方法。建立了以发电机组功率波动平抑、储能系统容量投资成... 详细信息

针对多工况条件下全电船舶混合储能系统容量配置与运行策略的设计,提出一种以自适应二阶滤波策略为核心的能量管理策略,考虑混合储能系统容量配置与运行策略耦合关系的协同优化方法。建立了以发电机组功率波动平抑、储能系统容量投资成本以及锂电池寿命折损为目标的协同优化模型,采用动态邻域学习粒子群算法求解最优容量配置及运行策略。仿真结果表明,相比于双层优化方法,提出的方法在保证优化性能的基础上大大减少了计算耗时;相比于规则控制策略,滤波控制策略能更有效地平抑发电机组的功率与转速波动,缩短受到扰动时的调节时间。论文研究对船用混合储能系统容量配置和能量管理策略的设计具有参考价值。

关键词：全电船舶自适应二阶滤波混合储能系统协同优化能量管理策略