CN111159627B - 一种基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法 - Google Patents

一种基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法，包括：S1、获取目标船舶的操纵性评价参数。S2、依据预先设定的操纵性评价参数标准和操纵性评价参数，获取用于评价操纵性的指标。S3、依据用于评价操纵性的指标和预先获取的每一个指标的综合权重，获得目标船舶操纵性综合评价值。每一个指标的综合权重的获取，包括：基于G1赋权法获取每一个指标的主观权重；基于逼近理想点法获取每一个指标的客观权重；基于离差平方和，依据每一个指标的主观权重和每一个指标的客观权重，确定每一个指标的综合权重。能够综合多项评价指标，为船舶的操纵性评价提供了一种可靠的手段。

Description

一种基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法
技术领域
本发明涉及船舶操纵性评价技术领域，尤其涉及一种基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法。
背景技术
随着航运业的发展，新型船舶和智能船舶逐渐引起广泛关注，船舶的操纵性能否满足安全性的要求一直是人们非常关注的课题。国际海事组织和各国船级社对船舶操纵性的单一指标都提出了严格要求。一般从以下四个方面评价船舶操纵性：船舶的旋回性能、初始旋回性能、停船性能以及保向和改向性能等。
各项性能指标的获取需要进行船模试验或实船测试，成本高、试验周期长。现有的评价方法基本上是从单项性能出发来评价船舶操纵性的优劣，但是由于船舶是一个复杂的系统，船舶的操纵性受到多个因素的影响，同时各因素对操纵性能的影响程度不同，单一的评价指标难以对船舶的操纵性进行综合评价。因此，需要在深入研究船舶操纵性能特点和各种系统评价方法的基础上，综合多项指标，寻找一种方便且行之有效的船舶操纵性综合评价方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法。能够综合多项评价指标，为船舶的操纵性评价提供了一种可靠的手段。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取目标船舶的操纵性评价参数。
步骤S2、依据预先设定的操纵性评价参数标准和操纵性评价参数，获取用于评价操纵性的指标。
步骤S3、依据用于评价操纵性的指标和预先获取的每一个指标的综合权重，获得目标船舶操纵性综合评价值。
每一个指标的综合权重的获取，包括：基于G1赋权法获取每一个指标的主观权重；基于逼近理想点法获取每一个指标的客观权重；基于离差平方和，依据每一个指标的主观权重和每一个指标的客观权重，确定每一个指标的综合权重。
作为本发明方法的一种改进，基于G1赋权法获取每一个指标的主观权重，包括：
Figure BDA0002346939320000021
pk-1＝μkpk
其中，pn为第n个评价指标的主观权重；k＝n，n-1，…，3，2；i表示按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标；μi为评价指标xi-1与xi的重要程度之比pi-1/pi的理性判断。
作为本发明方法的一种改进，基于逼近理想点法获取每一个指标的客观权重，包括：
Figure BDA0002346939320000022
j＝1，2，…，m
其中，qi表示评价指标xi的权重；i为按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标，n为评价指标的数量；j为第j次试验，m为试验次数；xij为一次试验得出的一个评价指标值；
Figure BDA0002346939320000023
为船舶操纵性处于理想状况时，第i个评价指标的值。
作为本发明方法的一种改进，基于离差平方和，依据每一个指标的主观权重和每一个指标的客观权重，确定每一个指标的综合权重，包括：
W＝α1P+α2Q
W＝(ω1，ω2，…ωi…，ωn)
其中，W为综合权重向量；P为主观权重向量；Q为客观权重向量；α1和α2为组合赋权系数，α1＞0，α2＞0，且满足单位化约束条件α1 2+α2 2＝1；ωi为按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标的综合权重。
作为本发明方法的一种改进，操纵性评价参数包括旋回性能参数、初始旋回性能参数、停船性能参数以及保向与改向性能参数。
作为本发明方法的一种改进，步骤S1包括：基于虚拟试验，进行最大舵角下的旋回试验获得目标船舶的旋回进矩Ad和旋回初径Dt；基于虚拟试验，进行10°/10°Z形试验获得目标船舶的初始旋回进矩Ad0；基于虚拟试验，进行全速倒车停船试验获得目标船舶的停船距离CSD；基于虚拟试验，进行10°/10°Z形试验获得目标船舶的保向第一超越角αZ101和保向第二超越角αZ102，进行20°/20°Z形试验获得目标船舶的改向超越角αZ201。
作为本发明方法的一种改进，预先设定的操纵性评价参数标准包括：根据IMO发布的船舶操纵性评价暂行衡准，获取的旋回性能参数标准、初始旋回性能参数标准、停船性能参数标准以及保向与改向性能参数标准。
作为本发明方法的一种改进，步骤S2包括：
a1＝Ad/(4.5Lpp)
a2＝Dt/(5Lpp)
a3＝Ad0/(2.5Lpp)
a4＝CSD/(15Lpp)
Figure BDA0002346939320000031
Figure BDA0002346939320000032
a7＝αZ201/25°
其中，a1和a2表示评价旋回性能的指标；a3表示评价初始旋回性能的指标；a4表示评价停船性能的指标；a5、a6和a7表示评价保向和改向性能的指标。
作为本发明方法的一种改进，步骤S3包括：
Figure BDA0002346939320000041
其中，y是船舶操纵性综合评价值；xi为按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标的值；ωi为按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标的综合权重；n为评价指标的数量。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法综合了多项船舶操纵性指标，综合考虑了船舶的旋回性能、初始旋回性能、停船性能及保向和改向性能，为船舶设计阶段的操纵性评价提供了一种可靠的手段。
2、通过虚拟试验获取船舶操纵性评价参数，试验成本低、试验周期短、获取信息丰富，并且精确度更高。
附图说明
本发明借助于以下附图进行描述：
图1为本发明具体实施方式中基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法的流程图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明提供一种基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、获取目标船舶的操纵性评价参数。
具体地，根据IMO给出的船舶操纵性暂行衡准，船舶的操纵性评价参数优选包括旋回性能参数、初始旋回性能参数、停船性能参数以及保向与改向性能参数。
由于目前船舶操纵性评价参数的获取需要进行船模试验或实船测试，成本高、实验周期长。本发明利用虚拟试验获取船舶操纵性评价参数，具体包括：基于虚拟试验，进行最大舵角下的旋回试验获得目标船舶的旋回进矩Ad和旋回初径Dt；基于虚拟试验，进行10°/10°Z形试验获得目标船舶的初始旋回进矩Ad0；基于虚拟试验，进行全速倒车停船试验获得目标船舶的停船距离CSD；基于虚拟试验，进行10°/10°Z形试验获得目标船舶的保向第一超越角αZ101和保向第二超越角αZ102，进行20°/20°Z形试验获得目标船舶的改向超越角αZ2。通过虚拟试验获取船舶操纵性评价参数，试验成本低、试验周期短、获取信息丰富，并且精确度更高。
本发明采用Fluent进行虚拟试验。其中，虚拟试验基于CFD方法，利用ICEM软件进行网格划分并采用重叠网格技术；湍流模型选用SST模型，壁面处理采用壁面函数方法，自由液面采用VOF(Volume of Fluid)方法；通过求解RANS方程(Reynolds Averaged Naiver-stokes)方程模拟船舶在海上的旋回操纵，求解算法选用适合于瞬态计算的PISO(PressureImplicit Split-Operator)算法；结合重叠网格，通过求解刚体运动方程，得到船舶在旋回过程中的运动姿态数据。
步骤S2、依据预先设定的操纵性评价参数标准和操纵性评价参数，获取用于评价操纵性的指标。
优选地，预先设定的操纵性评价参数标准包括：根据IMO发布的船舶操纵性评价暂行衡准，获取的旋回性能参数标准、初始旋回性能参数标准、停船性能参数标准以及保向与改向性能参数标准，如表1所示。
表1 IMO发布的船舶操纵性评价暂行衡准中操纵性评价参数标准
Figure BDA0002346939320000051
Figure BDA0002346939320000061
因此，依据预先设定的操纵性评价参数标准和操纵性评价参数，获取用于评价操纵性的指标，包括：
a1＝Ad/(4.5Lpp)
a2＝Dt/(5Lpp)
a3＝Ad0/(2.5Lpp)
a4＝CSD/(15Lpp)
Figure BDA0002346939320000062
Figure BDA0002346939320000063
a7＝αZ201/25°
其中，a1和a2表示评价旋回性能的指标；a3表示评价初始旋回性能的指标；a4表示评价停船性能的指标；a5、a6和a7表示评价保向和改向性能的指标。
步骤S3、依据用于评价操纵性的指标和预先获取的每一个指标的综合权重，获得目标船舶操纵性综合评价值。
具体地，步骤S3包括：
Figure BDA0002346939320000064
其中，y是船舶操纵性综合评价值；xi为按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标的值；ωi为按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标的综合权重；n为评价指标的数量。根据y的大小可表征船舶操纵性的优劣，y值越小，表示船舶的操纵性能越好。
优选地，每一个指标的综合权重的获取，包括：基于G1赋权法获取每一个指标的主观权重；基于逼近理想点法获取每一个指标的客观权重；基于离差平方和，依据每一个指标的主观权重和每一个指标的客观权重，确定每一个指标的综合权重。
具体地，基于G1赋权法获取每一个指标的主观权重，包括：
Figure BDA0002346939320000071
pk-1＝μkpk
其中，pn为第n个评价指标的主观权重；k＝n，n-1，…，3，2；i表示按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标；μi为评价指标xi-1与xi的重要程度之比pi-1/pi的理性判断，理性判断根据预先设定的理性判断参考赋值表确定，如表2所示。方法简便灵活，计算量小，对元素的个数没有限制。
表2理性判断参考赋值表
Figure BDA0002346939320000072
对于本发明而言，根据IMO发布的船舶操纵性评价暂行衡准，可获得上述用于评价操纵性的指标的重要性程度，关系式表达为：a4＞a5＞a2＞a3＞a1＞a6＞a7，按照重要程度的排序关系，依次将其标记为：x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，则相应的μi值记为：
Figure BDA0002346939320000081
依据μi值，根据公式(2)可计算得到主观权重向量为P＝(p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7)＝(0.112，0.148，0.135，0.249，0.208，0.081，0.067)。
由于客观赋权法的权重为各单一的操纵性指标在全部指标中的变异程度和对其他指标的影响程度，因此本发明采用突出整体差异的赋权法中的逼近理想点法，通过建立拉格朗日函数，获取船舶操纵性评价方法的客观赋权权重。具体地，基于逼近理想点法获取每一个指标的客观权重，包括：
Figure BDA0002346939320000082
j＝1，2，…，m
其中，qi表示评价指标xi的权重；i为第i个评价指标，n为评价指标的数量；j为第j次试验，m为试验次数；xij为一次试验得出的一个评价指标值；
Figure BDA0002346939320000083
为船舶操纵性处于理想状况时，第i个评价指标的值。计算方便。
依据IMO发布的船舶操纵性评价暂行衡准和m次试验的n项评价指标值，建立评价指标S＝(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7)，S*＝(1，1，1，1，1，1，1)，其中xij为船舶操纵性评价指标S的评价指标值，通过公式(3)计算得到客观权重向量为Q＝(q1，q2，q3，q4，q5，q6，q7)。
具体地，依据每一个指标的主观权重和每一个指标的客观权重，确定每一个指标的综合权重，包括：
W＝α1P+α2Q
W＝(α1·p1+α2·q1+α1·p2+α2·q2+…+α1·p7+α2·q7)
＝(ω1，ω2，…，ω7)
其中，W为综合权重向量；P为主观权重向量；Q为客观权重向量；α1和α2为组合赋权系数，α1＞0，α2＞0，且满足单位化约束条件α1 2+α2 2＝1。
综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法综合了多项船舶操纵性指标，综合考虑了船舶的旋回性能、初始旋回性能、停船性能及保向和改向性能，为船舶设计阶段的操纵性评价提供了一种可靠的手段。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于综合集成赋权法的船舶操纵性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、获取目标船舶的操纵性评价参数；
步骤S2、依据预先设定的操纵性评价参数标准和所述操纵性评价参数，获取用于评价操纵性的指标；
步骤S3、依据所述用于评价操纵性的指标和预先获取的每一个指标的综合权重，获得目标船舶操纵性综合评价值；
所述每一个指标的综合权重的获取，包括：基于G1赋权法获取每一个指标的主观权重；基于逼近理想点法获取每一个指标的客观权重；基于离差平方和，依据所述每一个指标的主观权重和所述每一个指标的客观权重，确定每一个指标的综合权重；
所述步骤S2包括：
a1＝Ad/(4.5Lpp)
a2＝Dt/(5Lpp)
a3＝Ad0/(2.5Lpp)
a4＝CSD/(15Lpp)
Figure FDA0004207334410000011
Figure FDA0004207334410000012
a7＝αZ201/25°
其中，a1和a2表示评价旋回性能的指标；a3表示评价初始旋回性能的指标；a4表示评价停船性能的指标；a5、a6和a7表示评价保向和改向性能的指标；Ad表示基于虚拟试验，进行最大舵角下的旋回试验获得目标船舶的旋回进矩；Dt表示基于虚拟试验，进行最大舵角下的旋回试验获得目标船舶的旋回初径；Ad0表示基于虚拟试验，进行10°/10°Z形试验获得目标船舶的初始旋回进矩；CSD表示基于虚拟试验，进行全速倒车停船试验获得目标船舶的停船距离；αZ101表示基于虚拟试验，进行10°/10°Z形试验获得目标船舶的保向第一超越角；αZ102表示基于虚拟试验，进行10°/10°Z形试验获得目标船舶的保向第二超越角；αZ201表示基于虚拟试验，进行20°/20°Z形试验获得目标船舶的改向超越角；
所述基于G1赋权法获取每一个指标的主观权重，包括：
Figure FDA0004207334410000021
pk-1＝μkpk
其中，pn为第n个评价指标的主观权重；k＝n,n-1,…,3,2；i表示按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标；μi为评价指标xi-1与xi的重要程度之比pi-1/pi的理性判断，理性判断根据预先设定的理性判断参考赋值表确定；
所述基于逼近理想点法获取每一个指标的客观权重，包括：
Figure FDA0004207334410000022
其中，qi表示评价指标xi的权重；i为按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标，n为评价指标的数量；j为第j次试验，m为试验次数；xij为一次试验得出的一个评价指标值；
Figure FDA0004207334410000023
为船舶操纵性处于理想状况时，第i个评价指标的值；
所述基于离差平方和，依据所述每一个指标的主观权重和所述每一个指标的客观权重，确定每一个指标的综合权重，包括：
W＝α1P+α2Q
W＝(ω1,ω2,…ωi…,ωn)
其中，W为综合权重向量；P为主观权重向量；Q为客观权重向量；α1和α2为组合赋权系数，α1>0,α2>0，且满足单位化约束条件α1 2+α2 2＝1；ωi为按照重要程度由大至小排序的第i个评价指标的综合权重。
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