一种船舶航行增阻等级的评估方法

摘要

本发明的目的在于提供一种船舶航行增阻等级的评估方法，包括以下步骤：采集船舶航速与船舶航行姿态信息(艏摇、纵摇)，得到船舶航速和航行姿态的信息之后，对这些数据进行处理，最后可得到静水中和风浪中船舶航行阻力。结合船舶推进器的推力信息，对三个物理量进行预处理，将其分为大(PB)、中(PM)、小(PS)和零(ZO)四个等级；利用模糊规则生成输入输出表；根据输入可得到船舶航行增阻等级在辨识论域上的模糊集，再进行解模糊化，得到精确的船舶航行增阻等级。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。

权利要求

1.一种船舶航行增阻等级的评估方法，其特征是：

(1)采集船舶航速与船舶航行姿态信息，包括艏摇角速度、艏摇角、纵摇角速度、纵摇角，对这些信息进行处理，得到静水中和风浪中船舶航行阻力：静水中的航行阻力为Fd＝aV2，风浪中船舶的航行阻力为Fd′＝aV2+br2+cVΨr+dΨ2+eq2+fθq+gθ2，式中V、r、Ψ、q、θ分别为船舶的航速、艏摇角速度、艏摇角、纵摇角速度和纵摇角，a、b、c、d、e、f、g为各项的系数；

(2)得到静水中船舶航行阻力、风浪中船舶航行阻力后，结合船舶推进器的推力信息，对上述三个物理量进行预处理：将其分为PB、PM、PS和ZO四个等级，其中PB表示大，PM表示中，PS表示小，ZO表示零；利用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，再进行解模糊化，得到精确的船舶航行增阻等级；

所述的模糊规则为：

(1)如果船舶静水阻力为ZO、船舶风浪中阻力为ZO、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为ZO；

(2)如果船舶静水阻力为ZO、船舶风浪中阻力为PS、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为PS；

(3)如果船舶静水阻力为ZO、船舶风浪中阻力为PM、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为PM；

(4)如果船舶静水阻力为ZO、船舶风浪中阻力为PB、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为PB；

(5)如果船舶静水阻力为PS、船舶风浪中阻力为ZO、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为ZO；

(6)如果船舶静水阻力为PS、船舶风浪中阻力为PS、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为PS；

(7)如果船舶静水阻力为PS、船舶风浪中阻力为PM、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为PM；

(8)如果船舶静水阻力为PS、船舶风浪中阻力为PB、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为PB；

(9)如果船舶静水阻力为PM、船舶风浪中阻力为ZO、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为ZO；

(10)如果船舶静水阻力为PM、船舶风浪中阻力为PS、船舶推力信息为ZO，那么船舶航行增阻等级为PS。

说明书

一种船舶航行增阻等级的评估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种船舶状态评估方法，具体地说是船舶阻力评估方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 本发明的目的在于提供帮助船舶控制系统更好的控制船舶航行姿态、优化船舶航行阻力的一种船舶航行增阻等级的评估方法。

[0006] 本发明的目的是这样实现的：

[0007] 本发明一种船舶航行增阻等级的评估方法，其特征是：

[0008] (1)采集船舶航速与船舶航行姿态信息，包括艏摇角速度、艏摇角、纵摇角速度、纵摇角，对这些信息进行处理，得到静水中和风浪中船舶航行阻力：静水中的航行阻力为Fd＝aV2，风浪中船舶的航行阻力为Fd′＝aV2+br2+cVΨr+dΨ2+eq2+fθq+gθ2，式中V、r、Ψ、q、θ分别为船舶的航速、艏摇角速度、艏摇角、纵摇角速度和纵摇角，a、b、c、d、e、f、g为各项的系数；

[0009] (2)得到静水中船舶航行阻力、风浪中船舶航行阻力后，结合船舶推进器的推力信息，对上述三个物理量进行预处理：将其分为PB、PM、PS和ZO四个等级，其中PB表示大，PM表示中，PS表示小，ZO表示零；利用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，再进行解模糊化，得到精确的船舶航行增阻等级。

[0010] 本发明还可以包括：

[0011] 1、所述的模糊规则为：

[0012] (1)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)；

[0013] (2)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)；

[0014] (3)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)；

[0015] (4)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)；

[0016] (5)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)；

[0017] (6)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)；

[0018] (7)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)；

[0019] (8)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)；

[0020] (9)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)；

[0021] (10)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)。

[0022] 本发明的优势在于：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，利用本发明的方法，即可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。船舶航行增阻等级评估方法，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，该方法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。

附图说明

[0023] 图1为船舶航行增阻评估系统的流程图；

[0024] 图2为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

[0025] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0026] 结合图1～2，本发明技术方案包含以下步骤：

[0027] 1)采集船舶航速与船舶航行姿态信息(艏摇、纵摇)，得到船舶航速和航行姿态的信息之后，对这些数据进行处理，最后可得到静水中和风浪中船舶航行阻力。静水中的航行阻力为Fd＝aV2，风浪中船舶的航行阻力为Fd′＝aV2+br2+cVΨr+dΨ2+eq2+fθq+gθ2。

[0028] 式中V、r、Ψ、q、θ分别为船舶的航速、艏摇角速度、艏摇角、纵摇角速度和纵摇角。a、b、c、d、e、f、g为各项的系数。

[0029] 2)得到船舶静水中的航行阻力、风浪中船舶航行阻力后，结合船舶推进器的推力信息，对三个物理量进行预处理，将其分为大(PB)、中(PM)、小(PS)和零(ZO)四个等级；利用模糊规则生成输入输出表，如IF(船舶静水阻力为小(PS))AND(船舶风浪中阻力为中等(PM)AND(船舶推力信息为小(PS))THEN(船舶航行增阻等级为中等(PM))；根据输入可得到船舶航行增阻等级在辨识论域上的模糊集，再进行解模糊化，得到精确的船舶航行增阻等级。

[0030] 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，步骤如下：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。

[0031] 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。

[0032] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明:

[0033] 如图1所示，为本发明的船舶航行增阻评估系统流程图，该流程图显示出了船舶航行增阻评估的具体思路。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。

[0034] 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。

[0035] 该系统的输入信号包括船舶静水航行阻力、船舶风浪中的航行阻力信息以及船舶的推力信息(由船舶的推进器得知)，将这些信息进行预处理，归一化至[0,1]范围内，这样才能进行下一步数据处理。

[0036] 为了提高船舶航行增阻的准确度，使系统的输出更接近于人的思维判断，本发明采用了模糊推理方法对预处理完的数据作进一步处理。模糊推理模块首先对输入量与输出量进行模糊化，建立论域上的模糊集合，设计相应的隶属度函数，对输入输出量进行相应变换，这里采用的是三角形隶属度函数。其次，建立模糊控制规则表，模糊控制规则是模糊控制的核心，这些规则通常来源于相关领域的专家知识，也可以通过大量实验数据给出。本发明的模糊规则形式为：IF(满足一组条件)THEN(推出一组结论)。制定规则时既要保证模糊规则的完备性，又要保证模糊规则的相容性。最后生成输入输出表，根据输入得到了船舶航行增阻等级在辨识论域上的模糊集，再进行解模糊化，得到最终结果。

[0037] 航行增阻的模糊推理评估过程如下：

[0038] 1)输入量与输出量的模糊化

[0039] 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)，这里选取模糊数的隶属函数为三角形函数，容易计算且应用广泛，该函数的解析式为：

[0040]

[0041] 2)模糊逻辑推理

[0042] 本发明采用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)：

[0043] 1、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)

[0044] 2、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)

[0045] 3、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)

[0046] 4、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)

[0047] 5、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)

[0048] 6、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)

[0049] 7、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)

[0050] 8、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)

[0051] 9、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)

[0052] 10、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)

[0053] 3)解模糊化

[0054] 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。在模糊控制中，解模糊化的方法有很多种，常用的有最大隶属度函数法、重心法和中位数法，本发明选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。

[0055] 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。