CN105550495A - 一种船舶航行增阻等级的评估方法 - Google Patents

一种船舶航行增阻等级的评估方法 Download PDF

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丁学超
曾俊
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Abstract

本发明公开了一种船舶航行增阻等级评估方法，包括如下步骤，步骤1：采集船舶航速与船舶航行姿态信息,根据前述信息获得船舶静水阻力和船舶风浪中阻力；步骤2：对船舶静水阻力、船舶风浪中阻力、船舶推力三个物理量进行预处理；步骤3：对输入量与输出量进行模糊化，建立论域上的模糊集合，将输入量和输出量分为大PB、中PM、小PS和零ZO四个等级，所说输入量为船舶静水阻力、船舶风浪中阻力和船舶推力，所说输出量为船舶航行增阻；步骤4：根据模糊规则生成输入输出表，根据输入得到船舶航行增阻等级在辨识论域上的模糊集；步骤5：解模糊化，得到精确的船舶航行增阻等级。

Description

一种船舶航行增阻等级的评估方法
技术领域
本发明涉及船舶航行技术领域，尤其涉及一种船舶航行增阻等级的评估方法。
背景技术
随着科技的发展，世界各国大力发展海上产业，船舶作为海上运输的重要工具，已经成为人们重视的焦点。由于海上船舶的航行环境较为复杂，经常会受到海风、海浪及海流的干扰，船舶不可避免的会产生六自由度运动，船舶产生的六自由度运动将使船舶的航行阻力较静水中的航行阻力有所增加。航行阻力的增加将导致航速的降低，影响螺旋桨的推进效率，如需保持原有的航速，需增加螺旋桨的转速。
目前，船舶领域对于航行增阻的认识并不够全面，尤其是关于船舶航行阻力增加和船舶航行姿态内在关系的内容，研究的很少。在船舶控制领域，经常关注控制船舶的航行姿态，而控制航行姿态时，对于航行阻力增加问题几乎没有涉及；而关于船舶航行阻力增加的研究，国内外的研究大多针对船舶设计问题，集中在对船舶航行阻力的预报，以期在设计的船型具有较小的航行阻力，并且通过航行阻力的预报选择合适的螺旋桨。在实际的船舶航行过程中航行增阻的评估方法，现在几乎没有。实际上，在风浪中航行的船舶，其航行增阻可通过减小其六自由度运动的方式予以优化，例如通过操舵、减摇等方式；在航行增阻被有效评估之后，可以为如何增加推进器功率提供有效的参考，以保持船舶的航行速度。
在船舶航行的过程中，船舶控制系统不仅能够有效的控制船舶的六自由度运动，达到期望的航行姿态，同时，还希望在控制的过程中减小船舶的航行增阻，以期达到航行阻力和航行姿态的最优化，减小推进能量的消耗。船舶的航速信息、船舶的航行姿态信息及船舶的推力信息可由船舶上的计程仪及相应的传感器获取。未来，由于绿色船舶的需要，必然要求船舶航行过程中的低能耗，船舶控制系统不仅要使航行姿态最优而且要使船舶航行阻力最优。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种船舶航行增阻等级的评估方法，能够对船舶航行阻力进行有效评估，使船舶控制系统更好地实现对船舶航行的控制。
实现本发明目的的技术方案：
一种船舶航行增阻等级的评估方法，其特征在于：
步骤1：采集船舶航速与船舶航行姿态信息,根据前述信息获得船舶静水阻力和船舶风浪中阻力；
步骤2：对船舶静水阻力、船舶风浪中阻力、船舶推力三个物理量进行预处理；
步骤3：对输入量与输出量进行模糊化，建立论域上的模糊集合，将输入量和输出量分为大PB、中PM、小PS和零ZO四个等级，所说输入量为船舶静水阻力、船舶风浪中阻力和船舶推力，所说输出量为船舶航行增阻；
步骤4：根据模糊规则生成输入输出表，根据输入得到船舶航行增阻等级在辨识论域上的模糊集；
步骤5：解模糊化，得到精确的船舶航行增阻等级。
步骤4中，模糊规则为IF(满足一组条件)THEN(推出一组结论)，具体为：
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为ZO)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为ZO)；
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为PS)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PS)；
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为PM)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PM)；
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为PB)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PB)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为ZO)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为ZO)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为PS)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PS)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为PM)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PM)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为PB)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PB)；
IF(船舶静水阻力为PM)AND(船舶风浪中阻力为ZO)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为ZO)；
IF(船舶静水阻力为PM)AND(船舶风浪中阻力为PS)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PS)。
步骤1中，船舶航速与船舶航行姿态信息需同时采集，并进行数据计算，得到静水中和风浪中船舶的航行阻力。
步骤3中，对输入量与输出量进行模糊化时，选取模糊数的隶属函数为三角形函数。
步骤5中，选用重心法进行输出变量的解模糊化。
本发明具有的有益效果：
本发明依据海浪、海风、海流和船舶推进器的推力数据信息，采集船舶的航速和航行姿态等信息，得到船舶静水航行阻力信息和船舶在风浪中的航行阻力信息，结合船舶推进器的推力信息，最后，利用模糊评价的方法得到船舶航行增阻的评估结果。本发明利用了模糊评价的方式，更直观的反映了船舶航行增阻的情况，评价方式更为智能化、更接近人类思维方式。同时，本发明可对船舶航行增阻进行实时评估，为船舶航行姿态控制系统如何减小船舶控制过程中的航行增阻，如何增加船舶推进器的功率，提供了一种新的参考依据。
本发明有效改善了现有船舶控制系统在的不足，在不增加多余设备的基础上通过对船舶航行姿态数据进行分析处理，评估船舶航行阻力增加的等级，以便船舶控制系统更好的控制船舶航行姿态，优化船舶航行阻力。
附图说明
图1是本发明船舶航行增阻等级评估方法的流程图；
图2是本发明中基于模糊评价方式的航行增阻等级评估系统结构图。
具体实施方式
本发明的测试过程可利用MATLAB与VC++混合编程实现船舶运动姿态仿真与可视化界面的结合，对系统的性能进行实验验证。在VC++环境下设计一个船舶航行增阻等级测评可视化界面，界面内添加四个编辑框，分别用于输入海浪、海风、海流和船舶推进器的推力数据信息，通过VC++与MATLAB的数据接口，将数据传送到MATLAB中船舶运动仿真的系统模块。添加一个船舶运动仿真按钮，七个用于显示船舶的航速、艏摇、纵摇、横摇、横荡、纵荡和垂荡反馈的船舶运动数据信息，点击船舶运动仿真按钮即可显示船舶运动的数据信息。再加入一个评估命令按钮，三个编辑框，分别用于显示静水航行阻力的数据信息、风浪中航行阻力的数据信息和船舶航行增阻等级的评估结果信息。得到船舶运动的数据信息和船舶推进器的推力数据信息之后，再点击评估命令按钮，即可显示船舶静水中阻力、风浪中阻力和增阻等级的评估结果。设计完该模糊控制器后通过可视化编程界面测试多组数据，通过观察实验结果可以看出，采用基于模糊评价的船舶增阻等级评估方法，可有效的评估船舶航行增阻等级。本发明的测试过程可利用MATLAB与VC++混合编程实现。
如图1所示，为本发明的船舶航行增阻评估系统流程图。船舶航行阻力增加评估系统周期采集船舶的航行姿态信号，当船舶具有航速并且有摇摆的情况下，计算船舶的静水航行阻力和风浪中航行的阻力，通过模糊化评价的方式给出评价结果。
如图2所示，为本发明的基于模糊控制的船舶航行增阻评估系统结构图。主要由船舶航行姿态要素的信号采集、信号预处理、模糊化、模糊推理判决、解模糊化几个模块组成，最终得出船舶航行增阻的等级信息。
本发明船舶航行增阻等级评估方法包括如下步骤：
步骤1：同时采集船舶航速与船舶航行姿态信息,根据前述信息经计算获得船舶静水阻力和船舶风浪中阻力。
步骤2：对船舶静水阻力、船舶风浪中阻力、船舶推力(由船舶的推进器得知)三个物理量进行预处理，归一化至[0,1]范围内。
步骤3：对输入量与输出量进行模糊化，建立论域上的模糊集合，将输入量和输出量分为大PB、中PM、小PS和零ZO四个等级。
模糊控制器的输入量分别为集中控制器采集的船舶静水航行阻力、船舶风浪中航行阻力信息和船舶的推力信息，输出量为船舶航行增阻等级信息，以上信息经过预处理后要转化为[0,1]范围内的数值信息，作为论域。首先将他们转化为模糊量。针对船舶航行增阻的实际情况、经验与数据统计分析，可将船舶静水阻力信息、船舶风浪中航行阻力信息、船舶推进器的推力信息和输出的船舶航行增阻等级设为：大(PB)、中(PM)、小(PS)和零(ZO)，实施时，选取模糊数的隶属函数为三角形函数，该函数的解析式为：
步骤4：根据模糊规则生成输入输出表，根据输入得到船舶航行增阻等级在辨识论域上的模糊集。
采用Mamdani法实现模糊逻辑推理，模糊规则形式为：IF(满足一组条件)THEN(推出一组结论)，具体为(下面列出其中10条规则)：
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为ZO)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为ZO)；
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为PS)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PS)；
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为PM)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PM)；
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为PB)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PB)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为ZO)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为ZO)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为PS)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PS)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为PM)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PM)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为PB)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PB)；
IF(船舶静水阻力为PM)AND(船舶风浪中阻力为ZO)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为ZO)；
IF(船舶静水阻力为PM)AND(船舶风浪中阻力为PS)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PS)。
步骤5：解模糊化，得到精确的船舶航行增阻等级。
经模糊推理判决得到的结果为一个模糊集合，但实际系统需得到的是准确的船舶航行增阻等级信息，要得到此精确值，需要进行解模糊化。实施时，利用重心法进行输出变量的解模糊化，从而得到的精确的船舶航行增阻等级输出量，该舱室船舶航行增阻等级输出量可设为：无增阻、增阻小、增阻中等和增阻大。

Claims (5)

1.一种船舶航行增阻等级的评估方法，其特征在于：
步骤1：采集船舶航速与船舶航行姿态信息,根据前述信息获得船舶静水阻力和船舶风浪中阻力；
步骤2：对船舶静水阻力、船舶风浪中阻力、船舶推力三个物理量进行预处理；
步骤3：对输入量与输出量进行模糊化，建立论域上的模糊集合，将输入量和输出量分为大PB、中PM、小PS和零ZO四个等级，所说输入量为船舶静水阻力、船舶风浪中阻力和船舶推力，所说输出量为船舶航行增阻；
步骤4：根据模糊规则生成输入输出表，根据输入得到船舶航行增阻等级在辨识论域上的模糊集；
步骤5：解模糊化，得到精确的船舶航行增阻等级。
2.根据权利要求1中所述的船舶航行增阻等级的评估方法，其特征在于：步骤4中，模糊规则为IF(满足一组条件)THEN(推出一组结论)，具体为：
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为ZO)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为ZO)；
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为PS)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PS)；
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为PM)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PM)；
IF(船舶静水阻力为ZO)AND(船舶风浪中阻力为PB)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PB)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为ZO)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为ZO)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为PS)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PS)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为PM)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PM)；
IF(船舶静水阻力为PS)AND(船舶风浪中阻力为PB)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PB)；
IF(船舶静水阻力为PM)AND(船舶风浪中阻力为ZO)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为ZO)；
IF(船舶静水阻力为PM)AND(船舶风浪中阻力为PS)AND(船舶推力信息为ZO)THEN(船舶航行增阻等级为PS)。
3.根据权利要求2所述的船舶航行增阻等级的评估方法，其特征在于：步骤1中，船舶航速与船舶航行姿态信息需同时采集，并进行数据计算，得到静水中和风浪中船舶的航行阻力。
4.根据权利要求3所述的船舶航行增阻等级的评估方法，其特征在于：步骤3中，对输入量与输出量进行模糊化时，选取模糊数的隶属函数为三角形函数。
5.根据权利要求4所述的船舶航行增阻等级的评估方法，其特征在于：步骤5中，选用重心法进行输出变量的解模糊化。
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