论文摘要
船舶运输是现代运输的主要方式之一,世界各国之间主要是靠船舶进行贸易与经营。船舶在经过几代的发展之后,吨位越来越大,特别是集装箱船,目前正朝装载上万TEU(Twentyfoot Equivalent Unit)方向发展,船舶的大型化与不断增加的运输量使船舶的操纵性越来越受到广泛关注。负责海事安全的国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)加强了对船舶操纵性的衡准工作。1993年,国际海事组织采取了A.751(18)决议作为船舶操纵性暂行标准。2002年,操纵性委员会通过了MSC.137(76)船舶操纵性标准决议。船舶操纵性标准将应用于满载和平吃水,为了应用这个标准,我们不得不检验船舶在满载平吃水状态的操纵性能。对于油船,海上试验满载状态的操纵性还是比较容易的,但是,一般来说,干货船等船只在压载状态下进行海试。所以有必要开展从压载状态推定满载状态的船舶操纵性能研究。除此以外,船舶在营运过程中,由于燃油、备品的消耗和货物的装卸,不可避免地出现压载、半载、满载甚至是超载和有尾部纵倾的装载状态,船舶吃水、纵倾的变化,会影响船舶的操纵特性,因此由某压载状态推定另一压载状态的船舶操纵性也是有必要的。通过操纵性推定研究,给船员提供不同装载状态的船舶操纵性资料,确保船舶的航行安全。本文的操纵性推定研究是以不同装载状态船舶的自航模试验数据为基础,用正则化免疫遗传算法反演干扰系数,根据干扰系数的压载与满载状态的关系得到满载的数值,或由该压载反推另一压载状态干扰系数的数值,利用这些系数进行模拟计算来推定满载状态或另一压载状态的操纵性能。同时,借助多元线性回归分析方法,得出干扰系数回归公式和操纵性特征参数回归公式,基于以上公式,推出不同装载状态的干扰系数推定公式和特征参数推定公式,也可以利用这些推定公式推定不同装载状态的船舶操纵性能。具体来说,本文的主要研究工作可以归纳为以下几个方面:(1)在查阅大量文献的基础上,系统地总结了当前本课题国内外的研究动态和成果,指出他们各自的优缺点和适用范围。通过分析,综合船舶操纵性,数值分析,反问题的数值解法和控制理论等相关知识,决定采用正则化方法反演船舶操纵运动相互干扰系数,用结合免疫遗传算法的正则化方法作为数值解法来建立船舶操纵运动灰箱模型。(2)建立船舶操纵运动数学模型,给出模型中各参数的确定方法。分析影响船舶操纵运动的主要因素,通过结合操纵性运动机理分析、操纵运动敏感性分析确定了使船舶操纵运动敏感的干扰系数。(3)制定约束模试验方案,系统地开展了不同吃水和纵倾状态下干扰系数测量试验,基于该试验研究不同装载状态对船舶相互干扰系数的影响;制定自航模试验方案,系统地开展了不同吃水和纵倾下回转与Z形操舵试验,基于该试验研究不同装载状态对船舶操纵性的影响,同时,本文进一步分析了装载状态和船速对船舶操纵性的影响,仿真和试验计算结果表明,吃水、纵倾和船速都是影响船舶操纵性的重要要素。(4)采用正则化方法解决船舶操纵运动反问题,结合本课题内容,研究所求反问题的求解难点和求解方法。研究正则化方法的数值实现方法,研究实现方法中的基本遗传算法和免疫遗传算法的优点和缺陷,改进其中的不足;用免疫遗传算法作为正则化方法的数值实现方法,并测试了该算法的性能。通过在模拟数据中加入不同噪声强度,求解MMG数学模型中的反问题,验证了正则化免疫遗传算法具有个体多样性、全局搜索性能强、收敛速度快和稳定性好的优点。正则化免疫遗传算法的提出,为船舶操纵运动反问题的求解提供了方法和思路。(5)基于自航模试验测量数据,利用正则化免疫遗传算法反演不同装载状态的船舶相互干扰系数,并用约束模试验、自航模试验结果加以检验;绘制干扰系数在不同装载状态的相关性图谱,用多元线性回归分析方法,得出干扰系数回归公式和自航模试验的特征参数回归公式,基于这些公式,推出不同装载状态的干扰系数推定公式和特征参数推定公式。
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