CN112836377B - 一种基于数字化仿真的船舶仿真测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,该系统由试验模块、性能评估模块和功能模块组成,试验模块用于对船舶的性能和功能进行仿真试验,包括耐波性试验、操纵性试验、快速性试验和智能船舶试验;性能评估模块用于进行水动力性能评估和智能船舶评估,水动力性能评估用于对船舶的耐波性性能、快速性性能和操纵性性能进行评估;智能船舶评估用于对船舶的自主靠离泊性能、防撞避碰性能、循迹航行性能和自主决策性能进行评估;功能模块用于对船舶进行优化,包括船型及推进器子模块和智能船舶子模块。其性能评估模块的评估结果准确可靠,从而有助于后续的优化设计。
Description
技术领域
本发明属于船舶领域,涉及一种船舶仿真测试系统,更具体地,涉及一种基于数字化仿真的仿真测试系统。
背景技术
水动力性能是船舶工业的重要基础共性技术,是船舶总体设计的核心基础。综合水动力性能评估是船舶研究中必不可少的重要内容。近年来,流体力学技术在船舶综合水动力性能设计评估中发挥着重要的作用,伴随着全球船舶水动力学应用技术的快速进步,对于船舶虚拟水池的研究是必然趋势。目前已存在大量的物理水池用于船舶性能的测试研究,但是传统的物理水池经济费用高、测试耗费时间长,成本高,无法完成对船舶多个功能的测试。
数字化仿真试验系统将运用成熟的水动力分析工具,集成为一体化试验平台系统,用数字化仿真平台代替原有的物理水池,实现船舶水动力性能评估和船舶设计过程的高效融合,促进船型创新,同时还与船舶的自主航行进行集成,对其功能进行设计评估,为船舶的多学科设计、算法测试提供有效的研究手段。
但是,现有的数字化仿真试验系统在对其性能和功能进行评估时,其所采用的评估方法,尤其是评估用到的各评价指标的权重确定方法不合理,导致评估结果往往偏差较大,从而影响仿真试验结果以及后续的优化设计。
鉴于现有技术的上述技术缺陷,迫切需要研制一种新型的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点,提出一种基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其性能评估模块的评估结果准确可靠,从而有助于后续的优化设计。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其特征在于,该系统由试验模块、性能评估模块和功能模块三部分组成,其中,
所述试验模块用于对船舶的性能和功能进行仿真试验,其进行的试验包括耐波性试验、操纵性试验、快速性试验和智能船舶试验;
所述性能评估模块用于进行水动力性能评估和智能船舶评估,所述水动力性能评估用于对船舶的耐波性性能、快速性性能和操纵性性能进行评估,实现对船舶水动力性能的分析了解;所述智能船舶评估用于对船舶的自主靠离泊性能、防撞避碰性能、循迹航行性能和自主决策性能进行评估,实现对船舶航行性能的分析了解;
所述功能模块用于对船舶进行优化,其包括船型及推进器子模块和智能船舶子模块,所述船型及推进器子模块用于对船型和螺旋桨进行优化,所述智能船舶子模块用于对智能船舶算法、货物配载和航速进行优化。
优选地,其中,在对船舶的耐波性性能、快速性性能和操纵性性能进行评估时以及在对船舶的自主靠离泊性能、防撞避碰性能、循迹航行性能和自主决策性能进行评估时,通过如下方法确定各个评价指标的综合权重:
(1.1)、确定各个评价指标的基础权重
式中,ω1j为第j个评价指标的基础权重,n为评价指标的个数,CVj为第j个评价指标的变异系数,其中,
σj为第j个评价指标的标准差,μj为第j个评价指标的平均值;
(1.2)、确定各个评价指标的主观权重
W1={ω11,ω12...ω1n}是n个评价指标的基础权重集合,
将各个评价指标的基础权重两两比较,得到判断矩阵A为:
其中,是第t个评价指标的基础权重ω1t与第s个评价指标的基础权重ω1s的比值;
对所述判断矩阵A进行归一化处理,得到:
式中,aij为第i个评价指标的基础权重ω1i与第j个评价指标的基础权重ω1j的比值,
由此,得到第j个评价指标的主观权重ω3j为:
(1.3)、确定各个评价指标的客观权重
首先,确定两个评价指标之间的相关系数ρxy:
式中,Xi和Yi分别为两个评价指标的第i个取值,分别为两个评价指标的平均值,N为各个评价指标的取值个数;
其次,确定同一个指标的标准差σ:
式中,Xi为该评价指标的第i个取值,为该评价指标的平均值,N为该评价指标的取值个数;
接着,确定各个评价指标包含的信息量:
式中,Ej为第j个评价指标包含的信息量,σj为第j个评价指标的标准差,ρij为第i个评价指标与第j个评价指标之间的相关系数,n为评价指标的个数;
最后,确定各个评价指标的客观权重:
式中,ω4j为第j个评价指标的客观权重;
(1.4)、确定各个评价指标的综合权重
ωj=αω3j+βω4j
式中,ωj为第j个评价指标的综合权重,α和β分别为第j个评价指标的主观权重ω3j和客观权重ω4j的系数,α和β满足:α≥0,β≥0,α+β=1。
优选地,其中,所述步骤(1.2)中,在对所述判断矩阵A进行归一化处理之前,还要判定所述判断矩阵A是否满足一致性要求,并且,当所述判断矩阵A满足一致性要求时,才对所述判断矩阵A进行归一化处理。
优选地,其中,判定所述判断矩阵A是否满足一致性要求具体包括:
首先,确定一致性初始指标CI:
式中,λmax表示判断矩阵A的最大特征根,n为评价指标的个数;
其次,确定一致性指标CR:
式中,RI为平均随机一致性指标;
最后,当CR<0.1时,判定所述判断矩阵A满足一致性要求;否则,判定所述判断矩阵A不满足一致性要求。
优选地,其中,所述平均随机一致性指标RI的取值为标准值,在所述判断矩阵A的阶数不同时,所述平均随机一致性指标RI的取值不同。
优选地,其中,所述平均随机一致性指标RI的取值与所述判断矩阵A的阶数之间的关系如下:
矩阵阶数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
RI的取值 | 0 | 0 | 0.58 | 0.90 | 1.12 | 1.24 | 1.32 | 1.41 | 1.45 | 1.49 |
。
优选地,其中,所述耐波性试验包括摇荡运动虚拟试验、横摇阻尼虚拟试验、波浪增阻虚拟试验和上浪抨击试验。
优选地,其中,所述操纵性试验包括船舶直线拖曳试验、圆周运动试验和平面机构运动试验。
优选地,其中,所述快速性试验包括阻尼虚拟实验、螺旋桨敞水试验和船舶自航试验。
优选地,其中,所述智能船舶仿真试验包括自主靠离泊试验、防撞避碰试验、循迹航行试验和自主决策试验。
与现有技术相比,本发明的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统具有如下有益技术效果:
1、其具有获取信息多、精细化程度高、成本低廉、反应快速、节能环保、可持续发展等优点;
2、其可以减少船舶模型试验的测试,最大限度地降低研发成本,提高设计质量;
3、其还可实现重复试验和提供实际条件下较难或无法获得的试验环境等;
4、在进行相应的评价指标评估时,对多个评价指标进行了特定的权重处理,选取多个评价指标成为评估指标集合,这样既充分考虑了各个评价指标之间的深层内在关联性,而且能反映各个评价指标之间的相对重要程度,使得结果分析更加合理有效,避免多个评价指标进行评价时无重要性判断而导致的评估结果混乱问题。
附图说明
图1是本发明的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统的构成示意图。
图2是本发明的性能评估模块在进行性能评估时确定评价指标的综合权重的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
目前,对于船舶的研究主要是对其水动力性能的研究,船舶水动力性能研究是船舶综合航行性能的基础,同时也是新型船舶与海洋工程研究开发的重要解决问题之一。模型试验在现代船舶研究中是非常重要的研究手段。采用船舶物理水池试验往往受到尺度效应、阻塞效应、流畅扰动和测量精度的限制及影响,并且试验周期长、成本高,难以进行优化设计,其不利于综合性能优越的创新型船舶的开发。为解决问题,本发明提供一种基于数字化仿真的船舶仿真试验系统。
所述基于数字化仿真的船舶仿真试验系统运用成熟的水动力分析工具,集成为一体化试验平台系统,用数字化仿真平台代替原有的物理水池,实现船舶水动力性能评估和船舶设计过程的高效融合,促进船型创新,同时还与船舶的自主航行进行集成,对其功能进行设计评估,为船舶的多学科设计、算法测试提供有效的研究手段。
图1示出了本发明的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统的构成示意图。如图1所示,本发明的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统由试验模块、性能评估模块和功能模块三部分组成。
其中,所述试验模块是对船舶的水动力性能和船舶的航行性能进行仿真试验的模块,是系统的主要模块。所述试验模块可以进行的试验分为耐波性试验、操纵性试验、快速性试验和智能船舶试验四部分,从四个角度对船舶的性能及功能进行仿真试验,了解船舶的水动力性能及船舶航行性能,为前期船体设计及测试提供可靠依据。
所述耐波性试验主要是对船舶的黏性流和势流理论进行研究,主要是指船舶在风浪中遭受外力干扰产生的各种摇摆运动以及抨击、上浪、失速等情况下,仍能维持一定航速在水面安全航行的性能。
在本发明中,所述耐波性试验主要有摇荡运动虚拟试验、横摇阻尼虚拟试验、波浪增阻虚拟试验和上浪抨击试验四个方面的试验。通过上述四个方面的试验,可以对船舶进行相应的试验仿真,确定船舶摇荡运动的频率响应函数的情况下,可以对船舶在给定风浪等级的情况下的船舶运动情况进行仿真分析。
所述操纵性试验主要是对船舶在各种海况下的可操纵性能进行研究,是船舶设计初始阶段,根据船体外部型线、螺旋桨、舵等船舶要素,对船舶的操纵性能参数进行计算,使船舶的操纵性能量化,从而使船舶设计者能够理性的对船舶的操纵性能进行判断。
在本发明中,所述操纵性试验主要包括船舶直线拖曳试验、圆周运动试验和平面机构运动试验。通过对此操纵性能试验的仿真试验,对船舶的参数化设计、船型优化以及操纵水动力计算等方面取得较好的成果。
所述快速性试验主要是在给定主机功率时,对表征船舶航速高低的性能进行试验。快速性是船舶诸多性能中的重要性能之一。对于不同用途的船舶,船舶的快速性能都具有重要的作用。船舶航行过程中,影响船舶快速性的最主要因素是阻力。因此,优良的阻力性能是船体型线优化、构型优化等研究的关键目标。
在本发明中,所述快速性试验主要包括阻尼虚拟实验、螺旋桨敞水实验和船舶自航试验三方面的试验仿真。通过这三个方面的试验对船舶的快速性能进行优化,进而对船体结构设计、航行姿态等方便进行优化,减少船舶阻力的影响,提高试验船舶的快速性能。
所述智能船舶试验在目前已有智能船舶模型的基础上,对船舶的部分航行安全性能进行仿真试验,可供选择的智能船舶航行试验有:自主靠离泊试验、防撞避碰试验、循迹航行试验和自主决策试验。智能船舶的仿真试验是可拓展的,根据研究的需要,对智能船舶试验进行模块的增加和设计,尽可能完善对船舶航行方面的各个试验仿真。
所述性能评估模块用于进行水动力性能评估和智能船舶评估。
其中,所述水动力性能评估主要是针对船舶的耐波性、快速性和操纵性的试验情况进行评估判断,实现对船舶水动力性能的分析了解。通过所述水动力性能评估而得到的评估结果对于船舶结构设计、船舶航行性能具有重要的参考价值。
所述智能船舶评估是对船舶航行的基本功能进行评估判断,通过对船舶自主靠离泊、防撞避碰、循迹航行以及自主决策的试验仿真,对船舶的航行性能进行了解,为之后保证船舶航行安全提供设备操作意见,保证船舶的航行安全。
在本发明中,所述性能评估模块可以对试验结果进行解释说明,同时将评估结果保存在数据库系统中,作为历史数据,方便之后试验的调用分析,供之后试验分析参考。
所述功能模块的作用是在系统的可操作范围内,对船舶的部分系统进行优化改良设计,其包括船型及推进器子模块和智能船舶子模块。
其中,所述船型及推进器子模块用于对船型和螺旋桨进行优化。所述智能船舶子模块用于对智能船舶算法、货物配载和航速进行优化。
本发明的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统运用成熟的水动力分析工具,采用模块化、可扩展的方式进行设计,并根据整体架构对该系统进行模块化划分,不同的模块发挥不同的作用,分别对船舶的各项性能进行试验、评估等。
在本发明中,重要的是,在所述性能评估模块中,在对船舶的耐波性性能、快速性性能和操纵性性能进行评估时以及在对船舶的自主靠离泊性能、防撞避碰性能、循迹航行性能和自主决策性能进行评估时,采用了特定的评价指标权重确定方法。
这样,在进行相应的评价指标评估时,在进行评估的过程中,对多个评价指标进行权重处理,选取多个评价指标成为评估指标集合,这样既充分考虑了各个评价指标之间的深层内在关联性,而且能反映各个评价指标之间的相对重要程度,使得结果分析更加合理有效,避免多个评价指标进行评价时无重要性判断而导致的评估结果混乱。
下面重点介绍本发明的各个评价指标的权重确定方法。图2示出了本发明的性能评估模块在进行性能评估时确定评价指标的综合权重的流程图。如图2所示,本发明中,在进行性能评估时确定评价指标的综合权重的方法包括以下步骤:
一,确定各个评价指标的基础权重。
各个评价指标的基础权重
式中,ω1j为第j个评价指标的基础权重,n为评价指标的个数,CVj为第j个评价指标的变异系数。其中,
σj为第j个评价指标的标准差,μj为第j个评价指标的平均值。需要说明的是,在进行试验时,为了获得好的结果,往往需要进行多次试验。因此,对于每一个评价指标,往往都会有多个取值。在本发明中,σj为第j个评价指标的多个取值的标准差,μj为第j个评价指标的多个取值的平均值。
二,确定各个评价指标的主观权重。
由于确定了各个评价的基础权重为ω1j,则可以获得n个评价指标的基础权重集合W1={ω11,ω12...ω1n}。
将各个评价指标的基础权重两两比较,得到判断矩阵A为:
其中,是第t个评价指标的基础权重ω1t与第s个评价指标的基础权重ω1s的比值。
由于判断矩阵A的数值ats是根据客观数据综合平衡给出的,难免会不能满足一致性要求,所以必须对判断矩阵A进行一致性检验。
在进行一致性检验时,首先,确定一致性初始指标CI:
式中,λmax表示判断矩阵A的最大特征根,n为评价指标的个数。由于在已知判断矩阵的情况下,其最大特征根λmax的计算属于公知知识,因此,在这里不对其如何计算进行详细描述。
其次,确定一致性指标CR:
式中,RI为平均随机一致性指标。所述平均随机一致性指标RI的取值为标准值,在所述判断矩阵A的阶数不同时,所述平均随机一致性指标RI的取值不同。
具体地,所述平均随机一致性指标RI的取值与所述判断矩阵A的阶数之间的关系如下:
矩阵阶数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
RI的取值 | 0 | 0 | 0.58 | 0.90 | 1.12 | 1.24 | 1.32 | 1.41 | 1.45 | 1.49 |
。
以上CR越小,判断矩阵的一致性越好,通常认为当CR<0.1时,该判断矩阵可以接受,也就是,满足一致性要求。反之,则需要对判断矩阵进行相应修正,直到CR满足条件为止。
在判断矩阵A满足了一致性要求之后,对所述判断矩阵A进行归一化处理,得到:
式中,aij为第i个评价指标的基础权重ω1i与第j个评价指标的基础权重ω1j的比值。
由此,得到第j个评价指标的主观权重ω3j为:
三、确定各个评价指标的客观权重。
以上采用的方法在进行主观权重计算的过程中,容易导致数据的实际信息被忽略,因此在此基础上增加计算方法来保证数据信息的完整性,计算方法如下:在以上确定主观权重的基础上,以评价指标内的变异大小和评价指标间的冲突性来综合确定指标的客观权重。
其中,变异大小表示同一个评价指标的多个取值之间的差距的大小,用标准差来表示,该指标的取值标准差越大,表明反映的信息量越大,权重越大。冲突性是指两个评价指标间的相关系数,相关系数越小,表明反映的信息量有相似性,权重越小。
因此,在确定各个评价指标的客观权重时,首先,确定两个评价指标之间的相关系数ρxy:
前面已经介绍过,在进行试验时,为了获得好的结果,往往需要进行多次试验。因此,对于每一个评价指标,往往都会有多个取值。因此,式中,Xi和Yi分别为两个评价指标的第i个取值(也就是,多个取值中的任一个),分别为两个评价指标的平均值(也就是,多个取值的平均值),N为各个评价指标的取值个数。
其次,确定同一个指标的标准差σ:
同样,式中,Xi为该评价指标的第i个取值(也就是,多个取值中的任一个),为该评价指标的平均值(也就是,多个取值的平均值),N为该评价指标的取值个数。
接着,确定各个评价指标包含的信息量:
式中,Ej为第j个评价指标包含的信息量;σj为第j个评价指标的标准差,采用上述计算标准差σ的公式得到;ρij为第i个评价指标与第j个评价指标之间的相关系数,采用上述计算相关系数ρxy的公式得到;n为评价指标的个数。
并且,其中,为第j个评价指标与其他n-1个评价指标的冲突性量化结果。
最后,确定各个评价指标的客观权重:
式中,ω4j为第j个评价指标的客观权重。
四、确定各个评价指标的综合权重。
综合权重由客观权重和主观权重两部分组成。因此,
ωj=αω3j+βω4j
式中,ωj为第j个评价指标的综合权重,α和β分别为第j个评价指标的主观权重ω3j和客观权重ω4j的系数。其中,α和β满足:α≥0,β≥0,α+β=1。
在具体计算α和β时,β=1-α。
其中,
其中,pn为一序列,由组合权重中的各个评价指标的权重按照升序排列得到。
由此可知,在本发明中,在进行相应的评价指标评估时,对多个评价指标进行了特定的权重处理,选取多个评价指标成为评估指标集合,这样既充分考虑了各个评价指标之间的深层内在关联性,而且能反映各个评价指标之间的相对重要程度,使得结果分析更加合理有效,避免多个评价指标进行评价时无重要性判断而导致的评估结果混乱问题。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (8)
1.一种基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其特征在于,该系统由试验模块、性能评估模块和功能模块三部分组成,其中,
所述试验模块用于对船舶的性能和功能进行仿真试验,其进行的试验包括耐波性试验、操纵性试验、快速性试验和智能船舶试验;
所述性能评估模块用于进行水动力性能评估和智能船舶评估,所述水动力性能评估用于对船舶的耐波性性能、快速性性能和操纵性性能进行评估,实现对船舶水动力性能的分析了解;所述智能船舶评估用于对船舶的自主靠离泊性能、防撞避碰性能、循迹航行性能和自主决策性能进行评估,实现对船舶航行性能的分析了解;
所述功能模块用于对船舶进行优化,其包括船型及推进器子模块和智能船舶子模块,所述船型及推进器子模块用于对船型和螺旋桨进行优化,所述智能船舶子模块用于对智能船舶算法、货物配载和航速进行优化;
在对船舶的耐波性性能、快速性性能和操纵性性能进行评估时以及在对船舶的自主靠离泊性能、防撞避碰性能、循迹航行性能和自主决策性能进行评估时,通过如下方法确定评价指标的综合权重:
(1.1)、确定各个评价指标的基础权重
式中,ω1j为第j个评价指标的基础权重,n为评价指标的个数,CVj为第j个评价指标的变异系数,其中,
σj为第j个评价指标的标准差,μj为第j个评价指标的平均值;
(1.2)、确定各个评价指标的主观权重
W1={ω11,ω12...ω1n}是n个评价指标的基础权重集合,
将评价指标的基础权重两两比较,得到判断矩阵A为:
其中,ats是第t个评价指标的基础权重ω1t与第s个评价指标的基础权重ω1s的比值;
对所述判断矩阵A进行归一化处理,得到:
式中,aij为第i个评价指标的基础权重ω1i与第j个评价指标的基础权重ω1j的比值,
由此,得到第j个评价指标的主观权重ω3j为:
(1.3)、确定各个评价指标的客观权重
首先,确定两个评价指标之间的相关系数ρxy:
式中,Xi和Yi分别为两个评价指标的第i个取值,分别为两个评价指标的平均值,N为评价指标的取值个数;
其次,确定同一个指标的标准差σ:
式中,Xi为该评价指标的第i个取值,为该评价指标的平均值,N为该评价指标的取值个数;
接着,确定各个评价指标包含的信息量:
式中,Ej为第j个评价指标包含的信息量,σj为第j个评价指标的标准差,ρij为第i个评价指标与第j个评价指标之间的相关系数,n为评价指标的个数;
最后,确定各个评价指标的客观权重:
式中,ω4j为第j个评价指标的客观权重;
(1.4)、确定各个评价指标的综合权重
ωj=αω3j+βω4j
式中,ωj为第j个评价指标的综合权重,α和β分别为第j个评价指标的主观权重ω3j和客观权重ω4j的系数,α和β满足:α≥0,β≥0,α+β=1;
所述步骤(1.2)中,在对所述判断矩阵A进行归一化处理之前,还要判定所述判断矩阵A是否满足一致性要求,并且,当所述判断矩阵A满足一致性要求时,才对所述判断矩阵A进行归一化处理。
2.根据权利要求1所述的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其特征在于,判定所述判断矩阵A是否满足一致性要求具体包括:
首先,确定一致性初始指标CI:
式中,λmax表示判断矩阵A的最大特征根,n为评价指标的个数;
其次,确定一致性指标CR:
式中,RI为平均随机一致性指标;
最后,当CR<0.1时,判定所述判断矩阵A满足一致性要求;否则,判定所述判断矩阵A不满足一致性要求。
3.根据权利要求2所述的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其特征在于,所述平均随机一致性指标RI的取值为标准值,在所述判断矩阵A的阶数不同时,所述平均随机一致性指标RI的取值不同。
4.根据权利要求3所述的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其特征在于,所述平均随机一致性指标RI的取值与所述判断矩阵A的阶数之间的关系如下:
。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其特征在于,所述耐波性试验包括摇荡运动虚拟试验、横摇阻尼虚拟试验、波浪增阻虚拟试验和上浪抨击试验。
6.根据权利要求5所述的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其特征在于,所述操纵性试验包括船舶直线拖曳试验、圆周运动试验和平面机构运动试验。
7.根据权利要求6所述的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其特征在于,所述快速性试验包括阻尼虚拟实验、螺旋桨敞水试验和船舶自航试验。
8.根据权利要求7所述的基于数字化仿真的船舶仿真试验系统,其特征在于,所述智能船舶试验包括自主靠离泊试验、防撞避碰试验、循迹航行试验和自主决策试验。
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