CN111581724B - 一种基于船舶试验仿真模型的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶与海洋工程技术领域，尤其涉及一种基于船舶试验仿真模型的评估方法。包括以下步骤：S1、获取海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的相似元；S2、基于相似元，采用相似度量的方法，得到相似元的相似度，具体包括：S21、基于相似元，获取相似元中要素对于海洋环境特征的比例系数；S22、获取专家评定结果；S23、基于专家评定结果，得到海洋环境特征的权重值；S24、基于海洋环境特征的权重值，并结合相似元中要素对于海洋环境特征的比例系数，得到相似元的相似度；S3、基于相似元的相似度，得到海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度。该方法能够保障所创模型的准确性，降低误差对试验结果的影响。

Description

一种基于船舶试验仿真模型的评估方法

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程技术领域，尤其涉及一种基于船舶试验仿真模型的评估方法。

背景技术

由于计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计、科学计算机可视化已经被广泛应用于船舶设计领域，仿真技术的发展成为研究船舶在波浪中运动的重要手段，对船舶水动力性能的虚拟仿真分析是当下船舶研究的重要方面。船舶在海上航行时，所受到外部环境的力是复杂且随机的，因此海洋环境中自然景物的仿真难度也是极大的。

目前在海浪仿真领域比较常用的方法有：基于几何造型的方法，从构建函数出发，进行几何建模；基于物理模型的方法，一般从流体动力学方程组出发，用数值方法求解流场；基于海浪谱的方法，生成一个与真实海面有相同谱特性的高度场；基于perlin噪声的方法，主要通过不同频率的噪声函数来构造海面高度场。

针对创建好的海洋环境模型，需要采用一个评价标准对其进行评估。通过评估结果来保证所创模型的准确性，降低误差对试验结果的影响。但目前，尚无与海洋环境模型相匹配的评估方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述，本发明提供一种基于船舶试验仿真模型的评估方法，该方法能够更好地保障所创模型的准确性，降低误差对试验结果的影响。

(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：

本发明实施例提供一种基于船舶试验仿真模型的评估方法，包括以下步骤：

S1、获取海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的相似元，所述相似元中包括要素；

S2、基于所述相似元，采用相似度量的方法，得到相似元的相似度，具体包括：

S21、基于相似元，获取相似元中要素对于海洋环境特征的比例系数；

S22、获取专家评定结果，所述专家评定结果为针对海洋环境特征进行评定得到的权数；

S23、基于专家评定结果，得到海洋环境特征的权重值；

S24、基于海洋环境特征的权重值，并结合相似元中要素对于海洋环境特征的比例系数，得到相似元的相似度；

S3、基于相似元的相似度，得到海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度。

本发明实施例提出的基于船舶试验仿真模型的评估方法，由于采用相似度量的方法，相对于现有技术而言，其可以通过计算相似性的方法得到创建的海洋环境模型与海洋环境真实系统的相似性，达到了对创建的海洋环境模型的精确评估，保证评估结果的可靠性。避免因数据误差导致性能分析不准确的问题，同时避免仿真试验的无用功。

可选地，海洋环境模型A由k个要素组成，海洋环境真实系统B由l个要素组成，A＝{a₁,a₂,...,a_k}，B＝{b₁,b₂,...,b_l}；

海洋环境模型A与海洋环境真实系统B之间有n个相似元u_i，记为相似元集合U，U＝{u₁,u₂,...,u_n}，其中i＝1,2,...,n，1≤n≤min(k,l)；

相似元u_i是将海洋环境模型A和海洋环境真实系统B按照要素特性筛选得到的系统间相似的最小单位。

可选地，步骤S21中，相似元中要素对于特征的比例系数满足以下公式：

式中，r_ij为相似元u_i中要素对于海洋环境特征s_j的比例系数，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m，0＜r_ij＜1，u(a_i)为要素a_i相对于海洋环境特征s_j的特征值，u(b_i)为要素b_i相对于海洋环境特征s_j的特征值。

可选地，步骤S22中，针对海洋环境特征进行评定得到的权数满足以下公式：

式中，p_g为第g位专家，g＝1,2,...,t，d_j(p_g)为第g位专家对海洋环境特征s_j进行评定得到的权数；

当第g位专家p_g认为海洋环境特征s_h的重要性大于海洋环境特征s_j的重要性时专家评定结果取1，否则专家评定结果取0，满足以下公式：

其中，

为第g位专家p_g认为海洋环境特征s_h的重要性大于海洋环境特征s_j的重要性，

第g位专家p_g认为海洋环境特征s_h的重要性小于或等于海洋环境特征s_j的重要性。

可选地，步骤S23中，海洋环境特征的权重值满足以下公式：

式中，d_j为海洋环境特征s_j的权重值。

可选地，步骤S24中，相似元的相似度满足以下公式：

式中，q(u_i)为相似元u_i的相似度。

可选地，海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度满足以下公式：

且

式中，Q(A,B)为海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度，Q_u为由相似元的相似度确定的相似系统相似度，Q_n为由相似元的数量确定的相似系统相似度，β_i为海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中，每一相似元与相似系统相似程度的权重系数。

可选地，海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度满足以下公式：

Q(A,B)＝ω₁Q_u+ω₂Q_n

且

式中，ω₁为由相似元的相似度确定的相似系统相似度Q_u在海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的权重系数，ω₂为由相似元的数量确定的相似系统相似度Q_n在海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的权重系数。

可选地，在船舶水动力仿真试验中创建海洋环境模型A，海洋环境模型A的创建方法包括以下步骤：

101、将海洋环境中的要素参数存储在数据库中，构建海洋环境建模数据库，供系统参数调用；

102、通过VC++界面连接数据库并调取数据库中的海洋环境中的要素参数；

103、将调取的数据库中的海洋环境中的要素参数输入预先准备的船舶水动力仿真系统中，得到海洋环境模型A。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的基于船舶试验仿真模型的评估方法，该评估方法可以用于多类船舶试验模型的评估。由于采用相似度量的方法，相对于现有技术而言，其可以通过计算相似性的方法得到创建的海洋环境模型与海洋环境真实系统的相似性，达到了对创建的海洋环境模型的精确评估，保证评估结果的可靠性。避免因数据误差导致性能分析不准确的问题，同时避免仿真试验的无用功。

附图说明

图1为本发明提供的基于船舶试验仿真模型的评估方法的流程图。

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。

本发明实施例提出的基于船舶试验仿真模型的评估方法，由于采用相似度量的方法，能够更好的保障所创模型的准确性，降低误差对试验结果的影响。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

本实施例提供的一种基于船舶试验仿真模型的评估方法，是针对在船舶水动力仿真试验过程中创建的海洋环境模型进行评估的。

海洋环境包括地球上广大连续的海和洋的总水域，是人类赖以生存和发展的自然环境的重要组成部分，也是进行船舶水动力性能分析和验证的重要环境。海洋环境模型是以数字的方式在计算机环境中再现真实海洋环境的映像，具有逼真再现真实海洋环境并提供辅助控制决策的功能，使真实海洋环境现实化和直观化。海洋环境模型可以为专家和工作者提供观察、处理和分析海洋环境数据，也是进行船舶水动力性能分析的重要载体。

在进行船舶水动力性能仿真试验过程中，海洋环境模型是采用参数化方式建立的，通过查找大量的海洋环境资料和船员经验整理成海洋环境数据库；仿真软件调用海洋环境数据库中海洋环境要素参数，进行海洋环境的模型创建；然后与船舶的水动力参数结合计算船舶在海洋环境下的运动轨迹和姿态；最后将试验过程中关于海洋环境的试验数据录入到海洋环境数据库中，使数据库中的数据信息更加完善，数据分析误差缩小。海洋环境模型的创建需要参照性能分析的要求来设计，这样才能更好的保障水动力性能数据分析的准确性。

海洋环境模型创建的结果是否可信，是否满足性能分析要求，是否有效，这些都直接影响船舶水动力性能的分析。因此，需要对创建的海洋环境模型进行评估，否则其仿真创建的模型将对船舶的性能分析产生误导，导致性能分析出现误差。

常见的评估项目包括可靠性、可信度、逼真度、相似度、精度和准确性等，其中可信度是模型创建中所有评估项目的核心，是模型创建评估中极为重要的一部分，也是保证仿真系统具有重用性和互操作性的重要依据。

为使评估结果更加准确，本实施例中采用相似度量的方法对海洋环境模型进行定量分析，图1为本发明提供的基于船舶试验仿真模型的评估方法的流程图，包括以下步骤：

S1、获取海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的相似元。

具体地：假设海洋环境模型A由k个要素组成，海洋环境真实系统B由l个要素组成，则A＝{a₁,a₂,...,a_k}，B＝{b₁,b₂,...,b_l}。若海洋环境模型A中要素a_x(x＝1,2,...,k)的特性与海洋环境真实系统B中要素b_y(y＝1,2,..,l)的特性相同，则将具有一定对应相似要素a_x与b_y构成集合U'，U'＝{a_x,b_y}。假定海洋环境模型A与海洋环境真实系统B之间存在n个相同属性和特征的要素，则海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中有n个相似元u_i，记为相似元集合U，U＝{u₁,u₂,...,u_n}，其中i＝1,2,...,n，1≤n≤min(k,l)。相似元u_i是将海洋环境模型A和海洋环境真实系统B按照要素特性筛选得到的系统间相似的最小单位。

例如：海洋环境模型A＝{海洋空间地理，海洋大气，海洋水文}，海洋环境真实系统B＝{海洋大气，海洋水文，海洋水声}，则相似元集合U＝{海洋大气，海洋水文}。

S2、基于相似元，采用相似度量的方法，得到相似元的相似度。

系统间相似程度的计算是通过确定相似要素的相似程度来确定，而相似要素的相似程度需要构建相似元并计算出相似元的相似度才能确定。通过步骤S1，相似元集合已经构建完成。此步骤中确定相似元的相似度，相似元的相似度与相似元中相似要素的相似特征密切相关，相似元是进行相似判断的最小单元，其中包含两个相似要素。

具体包括：

S21、基于相似元，获取相似元中相似要素对于海洋环境特征比例系数。通常情况下，相似要素之间都会存在一个或者多个共同的属性与特征。海洋环境特征用S表示，把海洋环境特征记为S＝{s₁、s₂、...、s_m}，一共有m个特征。

获取相似元u_i中相似要素对于海洋环境特征s_j的比例系数r_ij，满足以下公式：

式中，u(a_i)为要素a_i相对于海洋环境特征s_j的特征值，u(b_i)为要素b_i相对于海洋环境特征s_j的特征值，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m，0＜r_ij＜1。

S22、采用专家投票的方法，对海洋环境特征进行权数评定，获取专家评定结果。设定有t位专家(p₁,p₂,...,p_t)，分别对S中海洋环境的特征(例如：海洋环境特征S＝{潮高,浪高,水温,能见度,障碍物,声速})。

进行权数评定，满足公式以下：

式中，p_g为第g位专家，d_j(p_g)为第g位专家对海洋环境特征s_j进行评定得到的权数，j＝1,2,...,m。

当第g位专家p_g认为海洋环境特征s_h的重要性大于海洋环境特征s_j的重要性时专家评定结果取1，否则专家评定结果取0，满足以下公式：

式中，

为第g位专家p_g认为海洋环境特征s_h的重要性大于海洋环境特征s_j的重要性，

第g位专家p_g认为海洋环境特征s_h的重要性小于或等于海洋环境特征s_j的重要性。

得到每位专家的评定结果如表1所示。

表1每位专家对于海洋环境特征的评定结果

S23、基于专家评定结果，得到海洋环境特征s_j的权重值d_j，满足以下公式：

S24、基于海洋环境特征s_j的权重值d_j，并结合相似元中相似要素对于海洋环境特征s_j的比例系数r_ij，得到相似元u_i的相似度q(u_i)，满足以下公式：

S3、基于相似元的相似度，得到海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度。

海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度受以下两方面影响：由相似元的相似度确定的相似系统相似度Q_u和由相似元的数量确定的相似系统相似度Q_n。

则由相似元的相似度确定的相似系统相似度Q_u满足以下公式：

式中，β_i为海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中，每一相似元与相似系统相似程度的权重系数。

由相似元的数量确定的相似系统相似度Q_n满足以下公式：

结合上述，海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度Q(A,B)满足以下公式：

且

当海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中组成的相似元以及特性在保持不变的情况下，他们中的相似元越多，相似元的相似度越大，海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度就越大，那么海洋环境模型A的可信度就越高，与海洋环境真实系统B也就更相符合。

如果再深入考虑一些，把相似元数量和相似元相似度两者对相似系统相似度的影响同时考虑时，这两者之间就具有互补性时，则海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度满足以下公式：

Q(A,B)＝ω₁Q_u+ω₂Q_n

且

式中，ω₁为由相似元的相似度确定的相似系统相似度Q_u在海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的权重系数，ω₂为由相似元的数量确定的相似系统相似度Q_n在海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的权重系数。

在相似元的数量和相似元的相似度平权条件下，满足以下公式：

显然，不同相似元对系统相似度影响程度是不同的，即权重是不一样的。在模型创建实施过程中，确定各相似元的权重是否合理直接影响模型与真实系统的相似度的计算，直接影响对模型的评价。

实施例2

对于前述步骤S1中的海洋环境模型A，本实施例提供了一种基于船舶仿真试验的海洋环境模型A的创建方法，海洋环境模型A是在船舶水动力仿真试验中创建的，包括如下步骤：

101、将海洋环境中的海洋大气、海洋水文等要素参数存储在数据库中，构建海洋环境建模数据库，供系统参数调用；

102、通过VC++界面连接数据库并调取数据库中的海洋环境中的海洋大气、海洋水文等要素参数；

103、将调取的数据库中的海洋环境中的海洋大气、海洋水文等要素参数输入预先准备的船舶水动力仿真系统中，得到海洋环境模型A，结合船舶模型完成环境中船舶航行的预报。

通过创建数据库，仿真软件调用数据信息的形式构建海洋环境模型，比较适用于分析船舶的水动力性能，采用这样的方式可以快速调用海洋环境中的要素参数，还可以结合船舶桨舵的运动控制模型，完成海洋环境与船舶运动的协同仿真，使得船舶的性能分析更加简单快速。

需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于船舶试验仿真模型的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的相似元，所述相似元中包括要素；

S2、基于所述相似元，采用相似度量的方法，得到相似元的相似度，具体包括：

S21、基于相似元，获取相似元中要素对于海洋环境特征的比例系数；

S22、获取专家评定结果，所述专家评定结果为针对海洋环境特征进行评定得到的权数；

S23、基于专家评定结果，得到海洋环境特征的权重值；

S24、基于海洋环境特征的权重值，并结合相似元中要素对于海洋环境特征的比例系数，得到相似元的相似度；

S3、基于相似元的相似度，得到海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度。

2.如权利要求1所述的基于船舶试验仿真模型的评估方法，其特征在于，所述海洋环境模型A由k个要素组成，海洋环境真实系统B由l个要素组成，A＝{a₁,a₂,...,a_k}，B＝{b₁,b₂,...,b_l}；

海洋环境模型A与海洋环境真实系统B之间有n个相似元u_i，记为相似元集合U，U＝{u₁,u₂,...,u_n}，其中i＝1,2,...,n，1≤n≤min(k,l)；

相似元u_i是将海洋环境模型A和海洋环境真实系统B按照要素特性筛选得到的系统间相似的最小单位。

3.如权利要求2所述的基于船舶试验仿真模型的评估方法，其特征在于，所述步骤S21中，相似元中要素对于海洋环境特征的比例系数满足以下公式：

式中，r_ij为相似元u_i中要素对于海洋环境特征s_j的比例系数，j＝1,2,...,m，0＜r_ij＜1；u(a_i)为要素a_i相对于海洋环境特征s_j的特征值，u(b_i)为要素b_i相对于海洋环境特征s_j的特征值。

4.如权利要求3所述的基于船舶试验仿真模型的评估方法，其特征在于，所述步骤S22中，针对海洋环境特征进行评定得到的权数满足以下公式：

式中，p_g为第g位专家，g＝1,2,...,t，d_j(p_g)为第g位专家对海洋环境特征s_j进行评定得到的权数；

当第g位专家p_g认为海洋环境特征s_h的重要性大于海洋环境特征s_j的重要性时专家评定结果取1，否则专家评定结果取0，满足以下公式：

式中，

为第g位专家p_g认为海洋环境特征s_h的重要性大于海洋环境特征s_j的重要性，

第g位专家p_g认为海洋环境特征s_h的重要性小于或等于海洋环境特征s_j的重要性。

5.如权利要求4所述的基于船舶试验仿真模型的评估方法，其特征在于，所述步骤S23中，海洋环境特征的权重值满足以下公式：

式中，d_j为海洋环境特征s_j的权重值。

6.如权利要求5所述的基于船舶试验仿真模型的评估方法，其特征在于，所述步骤S24中，相似元的相似度满足以下公式：

式中，q(u_i)为相似元u_i的相似度。

7.如权利要求6所述的基于船舶试验仿真模型的评估方法，其特征在于，海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度满足以下公式：

且

式中，Q(A,B)为海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度，Q_u为由相似元的相似度确定的相似系统相似度，Q_n为由相似元的数量确定的相似系统相似度，β_i为海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中，每一相似元与相似系统相似程度的权重系数。

8.如权利要求7所述的基于船舶试验仿真模型的评估方法，其特征在于，海洋环境模型A与海洋环境真实系统B的相似度满足以下公式：

Q(A,B)＝ω₁Q_u+ω₂Q_n

且

式中，ω₁为由相似元的相似度确定的相似系统相似度Q_u在海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的权重系数，ω₂为由相似元的数量确定的相似系统相似度Q_n在海洋环境模型A与海洋环境真实系统B中的权重系数。

9.如权利要求1-8中任一所述的基于船舶试验仿真模型的评估方法，其特征在于，在船舶水动力仿真试验中创建所述海洋环境模型A，海洋环境模型A的创建方法包括以下步骤：

101、将海洋环境中的要素参数存储在数据库中，构建海洋环境建模数据库，供系统参数调用；

102、通过VC++界面连接数据库并调取数据库中的海洋环境中的要素参数；

103、将调取的数据库中的海洋环境中的要素参数输入预先准备的船舶水动力仿真系统中，得到海洋环境模型A。

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