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基于自航试验的船舶操纵运动灰箱辨识建模

梅斌  
【摘要】:船舶操纵性是航运业、造船界、船级社和国际海事组织共同关心的话题和事项。船舶操纵运动建模是研究船舶操纵性的重要手段。鉴于船舶运动存在非线性特征和受到海洋环境影响,本文研究了基于自航试验的灰箱辨识建模方法,期望建立有效、实用的船舶操纵运动模型。在深水条件、操纵运动与船舶摇荡互不干扰条件下,深入研究船舶操纵运动灰箱辨识建模,开发出适应于海上船舶运动预报与仿真的操纵运动辨识建模算法。辨识建模是重要的船舶操纵运动建模方法之一,但是航海领域的船舶操纵运动模型研究不同于船舶与海洋工程领域,需要考虑试验方案的动力学约束。本文使用基于参考模型的灰箱辨识及其改进算法,对静水船舶操纵运动和海上实船操纵运动的建模问题进行深入研究,为自主导航、自主避碰提供有效实用的船舶操纵运动数学模型。最后使用标准船模和实船的自航试验进行验证。本文主要研究工作和成果如下所示:1.操纵试验反压舵角的舵力、船舶横倾和数据分布特性研究。推导操纵试验反压舵角时舵力增加的解析表达式,使用船舶数值仿真试验检验解析表达式的有效性,分析横倾变化和主机负荷变化。基于概率密度算法计算并对比Z形试验和旋回试验数据分布的广泛性。结果表明:(1)舵力增加的解析表达式为双曲线函数,函数精确有效。(2)定常旋回时反压舵角导致舵力增加幅度达到100%,40万吨超大型矿砂船达到240%;反压舵角导致横倾加剧,主机负荷波动。(3)大幅反压舵角导致Z形试验的数据分布比旋回试验更广泛。因此,由于数据分布的广泛性与操纵的安全性存在冲突,标准操纵性试验适用于辨识建模。2.基于参考模型的灰箱辨识算法建立自航模操纵运动模型。基于偏最小二乘算法计算船舶主尺度权重,优化船舶主尺度向量。计算主尺度向量间的相似度,筛选出参考模型。使用相似准则消除参考模型和建模对象的尺度差异,提出基于参考模型的建模(RM),为基于参考模型的辨识建模奠定基础。采用基于随机森林(RF)和贝叶斯神经网络(BRN)补偿基于参考模型建模的加速度误差,提出基于参考模型的灰箱辨识建模,使用标准船模KVLCC2水池试验进行验证。结果表明:(1)RM建模预报+35°)旋回试验进距、战术直径、船艏向90°时间和船艏向180°时间,与自航模结果的比值为1.028、0.967、1.051、1.052。(2)RM-RF只能预报Z形试验,旋回试验预报不具有稳定性。根据船舶操纵运动机理,优化RF的输入输出,建立RM-IRF。RM-IRF预报结果与自航模结果的比值为0.991、0.957、1.014、1.013。因此,基于参考模型的灰箱辨识建模具有一定的有效性,优化的输入输出提升了模型泛化能力。3.灰箱辨识建模的超参优化及白箱模型的辨识。基于灰箱辨识建模框架采用支持向量机(SVM)作为辨识算法,建立RM-SVM灰箱辨识建模。通过遍历软间隔、核函数比例和不敏感边界的数值范围,分析超参调节对RF-SVM建模精度影响。针对超参调节的均方误差量纲与权重问题、目标函数优化的不连续与不可导的问题,采用相关系数的1范数作为目标函数,基于模式搜索算法(PS)进行迭代优化求解,提出了 RM-PSM-SVM算法。采用线性回归算法辨识RM-PSM-SVM的预报结果,获得整体型模型水动力系数,实现灰箱模型与白箱模型的转化。结果表明:(1)当迭代次数达到20时,目标函数值达到0.99,趋近于最大值1。(2)比较了多种灰箱辨识建模的算法精度,RM-PSM-SVM预报+35°旋回试验进距、战术直径、船艏向90°时间和船艏向180°时间与自航模结果的比值为1.004、0.983、1.003、0.985。(3)辨识RM-PSM-SVM灰箱模型结果,获得了整体型模型,与约束模试验结果比较,横向速度的线性水动力系数精度达到50%,转向速度的线性水动力系数精度达到65%,舵角的3次水动力系数精度达到70%。4.实船的海上干扰求解与试验修正及其操纵运动灰箱辨识建模。首先,校验实船试验众多的测量设备及其精度,选择合适的数据来源用于辨识建模。其次,针对海上风浪流干扰导致的船舶漂移,在定常旋回和均匀流等假设的基础上,计算了风浪漂移力和漂移距离。最后,采用优化算法求解调节参数,修正了风浪流干扰,从而提出了旋回试验干扰求解与试验修正方法。YUKUN实船试验算例表明:(1)海流占该次试验轨迹漂移距离的主要成分、风力次之、波浪最小;改进的旋回试验海上干扰求解与试验修正方法有效可靠。(2)其他文献的干扰求解与试验修正方法是本方法的一种特例。(3)使用RM-PSM-SVM算法建立实船操纵运动灰箱模型,20°右旋回试验的横向速度相关系数达到0.85,其余变量相关系数达到0.90以上;35°左旋回试验轨迹的预报误差小于50m。因此,提出的试验修正方法和灰箱辨识建模有效实用。本文所有实验采用Matlab/Visual C++编程实现,建立的灰箱模型验证了船模试验——实船试验研究路线的有效性。该研究对提升航海安全保障具有重要的现实意义。


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