劉 曼，岳宗杰，楊松林

(1. 渤海船舶職業(yè)學(xué)院 船舶工程系，遼寧 葫蘆島 125000；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

在水面無人艇艇型優(yōu)化方面，國內(nèi)外不少學(xué)者做了大量的研究，主要包括對無人艇的結(jié)構(gòu)[1]和性能兩方面進(jìn)行優(yōu)化。馬佳偉等[2]考慮自由表面非線性及流體粘性的影響，研究滑行艇的興波阻力，通過非線性規(guī)劃優(yōu)化理論，求解給定艇體目標(biāo)函數(shù)最小值，進(jìn)而求解出最優(yōu)艇型。但采用這種方法僅僅考慮興波阻力對無人艇阻力性能的影響，忽略了其他性能。伍忠凱[3]基于CFD理論，利用Fluent計算滑行艇總阻力，對影響滑行艇阻力性能的因素進(jìn)行比較分析，得出最優(yōu)艇型方案，也主要以艇體的阻力性能為主要考慮因素。胡騰飛等[4]基于CFD計算方法，以阻力和耐波性為目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，對船舶航行性能的優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化，得出滿足約束條件下的最優(yōu)解，并比較了多目標(biāo)優(yōu)化相比于單目標(biāo)優(yōu)化的優(yōu)勢。水面無人艇艇型優(yōu)化是設(shè)計中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，單一的優(yōu)化某一學(xué)科的性能已不能滿足設(shè)計的需要。在選取艇型參數(shù)時應(yīng)充分考慮各方面性能對水面無人艇總體性能的影響，不能將某一性能單獨(dú)割裂開。

隨著無人艇設(shè)計技術(shù)的日益完善和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將傳統(tǒng)的無人艇優(yōu)化設(shè)計與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，建立一套無人艇遠(yuǎn)程優(yōu)化服務(wù)平臺，具有重要的應(yīng)用價值和工程意義。

本文以快速性、操縱性、耐波性和抗傾覆性綜合優(yōu)秀的防滑行面飛濺的水面單體翼滑艇為研究對象，建立航行性能的綜合優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造尋優(yōu)方法，基于互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建水面無人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）的優(yōu)化服務(wù)平臺，采用遠(yuǎn)程控制訪問服務(wù)端和網(wǎng)站下載安裝2種方式以實現(xiàn)服務(wù)平臺的遠(yuǎn)程使用。

1 無人艇綜合優(yōu)化軟件設(shè)計

無人艇綜合優(yōu)化是針對一種水面單體無人翼滑艇（見圖1），通過建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，基于多種優(yōu)化方法，構(gòu)造該類水面無人艇的綜合優(yōu)化設(shè)計軟件，可對同類型艇體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖1 水面單體無人翼滑艇Fig. 1 Unmanned gliding-hydrofoil craft

1.1 無人艇綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

無人艇綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型主要包括設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)及對應(yīng)的約束條件。具體步驟為：1）確定無人艇阻力性能、推進(jìn)性能、操縱性、耐波性及抗傾覆性性能評價函數(shù)及其最優(yōu)的描述形式（目標(biāo)函數(shù)）；2）選定其他性能（浮性、穩(wěn)性等）滿足條件（約束條件）和設(shè)計變量及其范圍；3）構(gòu)建水面無人艇的性能綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

1.1.1 無人艇綜合優(yōu)化設(shè)計變量

綜合考慮水面無人艇的快速性、操縱性、耐波性和抗傾覆性，共選取24個設(shè)計變量作為綜合優(yōu)化設(shè)計變量，如表1所示。

1.1.2 無人艇綜合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

采用冪指數(shù)乘積的形式建立水面無人艇綜合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)如下：

表1 設(shè)計變量Tab. 1 Design variables

式中： ε1,ε2,ε3,ε4>0，分別為無人艇快速性，操縱性，耐波性和抗傾覆性的權(quán)重，且ε1*ε2*ε3*ε4=1。這里需要綜合優(yōu)化總目標(biāo)函數(shù)的值越大越好。

1）快速性中船舶的阻力和推進(jìn)性能是影響最大的因素，綜合考慮后，快速性目標(biāo)函數(shù)采用類似于海軍系數(shù)[13]的快速性衡準(zhǔn)因子來描述：

式中：Δ為艇體的排水量；PE為有效功率；Rt為艇體受到的總阻力；η0為敞水效率；ηH為船身效率；ηR為相對旋轉(zhuǎn)效率；ηS為軸系傳送效率。

2）船舶操縱性主要涉及航行穩(wěn)定性、回轉(zhuǎn)性、轉(zhuǎn)首及跟從性、停船性能。對本文設(shè)計翼滑艇，操縱性目標(biāo)函數(shù)主要選取直線穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)首性和回轉(zhuǎn)性來描述：

式中：C′為無因次穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)；P(x)為轉(zhuǎn)首指數(shù)；DS為最小相對回轉(zhuǎn)直徑。以上3個指數(shù)均采用文獻(xiàn)[14]中的公式給出，分別為3項的權(quán)重。

3）船舶橫搖、縱搖和垂蕩對其搖蕩運(yùn)動影響最為明顯，因此耐波性目標(biāo)函數(shù)選取橫搖指標(biāo)、縱搖和垂蕩指標(biāo)來描述[14]：

式中：μ為無因次衰減指數(shù)；Ψ1/10為縱搖指標(biāo)；Z1/10為垂蕩指標(biāo)；β1，β2，β3分別為3項的權(quán)重。

4）抗傾覆性目標(biāo)函數(shù)采用初穩(wěn)性高和翻轉(zhuǎn)后的穩(wěn)性高來描述[14]：

1.1.3 無人艇綜合優(yōu)化約束條件

目標(biāo)函數(shù)確定后，往往需要在一定約束條件下求得最值，而設(shè)計變量的上下限范圍對目標(biāo)函數(shù)有決定性的作用，因此，確定設(shè)計變量及目標(biāo)函數(shù)后，需要給出限制性條件——約束條件。約束條件主要包括等式約束與不等式約束。考慮無人艇4個主要性能，其中，快速性等式約束包括浮性約束、推力約束和轉(zhuǎn)矩約束，不等式約束為螺旋槳空泡約束；操縱性不等式約束為最小相對回轉(zhuǎn)直徑約束；抗傾覆性不等式約束包括：正浮初穩(wěn)性高約束、翻轉(zhuǎn)穩(wěn)性高約束和上層建筑總高度約束。另外，均需滿足設(shè)計變量上下限約束。因此，約束條件共包含3個等式約束和6個不等式約束。

1）等式約束

① 滿足浮性約束，優(yōu)化得到的排水體積與設(shè)計排水體積保持一致，即 ?=LBHCB；

② 滿足推力約束，螺旋槳產(chǎn)生的有效推力等于艇體航行狀態(tài)的總阻力，即 NpKTρN2D4P(1?t)=Rt；

③ 滿足轉(zhuǎn)矩約束，主機(jī)供給螺旋槳的轉(zhuǎn)矩等于螺旋槳所承受的水動力轉(zhuǎn)矩，即

2）不等式約束

① 滿足24個設(shè)計變量的上下限約束；

② 滿足螺旋槳空泡約束：(1.3+0.3Z)Te/((P0?PV)D2P)+K?(AE/A0)≤0；

⑥ 翻轉(zhuǎn)后的吃水小于上層建筑的總高度：T1

1.2 無人艇綜合優(yōu)化軟件的構(gòu)造

綜合考慮水面無人艇快速性、操縱性、耐波性和抗傾覆性對艇體性能的影響，建立水面無人艇綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造基于敏感設(shè)計變量（指所有設(shè)計變量中較敏感的設(shè)計變量，在對重點(diǎn)變量進(jìn)行優(yōu)化計算之前，首先對某些設(shè)計變量進(jìn)行敏感度分析。敏感度是指設(shè)計變量在某特定范圍內(nèi)變動，觀察此變量對優(yōu)化計算得出的適應(yīng)度值的影響）的多種智能優(yōu)化算法，形成1套較為完善的水面無人艇性能綜合優(yōu)化理論方法。

構(gòu)造的無人艇綜合優(yōu)化軟件主要包含兩部分：1）由優(yōu)化設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件構(gòu)成的無人艇綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以適應(yīng)度函數(shù)的形式表現(xiàn)；2）包含遺傳算法、粒子群算法等的優(yōu)化方法。將適應(yīng)度函數(shù)與優(yōu)化算法在Visual Studio（VS）2010上通過編譯接口，實現(xiàn)基于多種算法的綜合優(yōu)化計算。 該軟件主要包括進(jìn)入界面、設(shè)置設(shè)計變量上下限界面、設(shè)置權(quán)重因子界面和選擇各個算法計算界面，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化軟件截圖Fig. 2 Optimal software screenshot

2 無人艇遠(yuǎn)程優(yōu)化服務(wù)平臺設(shè)計目標(biāo)及平臺搭建

2.1 無人艇遠(yuǎn)程優(yōu)化服務(wù)平臺設(shè)計目標(biāo)

遠(yuǎn)程服務(wù)平臺的設(shè)計出發(fā)點(diǎn)是共享異地的設(shè)計平臺，減小企業(yè)軟件開發(fā)的成本及投資風(fēng)險，可使用戶不局限于時間地點(diǎn)，通過遠(yuǎn)程控制軟件操作服務(wù)端或者通過網(wǎng)站下載應(yīng)用程序等方式自主使用平臺，有效地實現(xiàn)資源的共享。無人艇遠(yuǎn)程優(yōu)化服務(wù)平臺設(shè)計目標(biāo)有以下幾點(diǎn)：

1）用戶需遠(yuǎn)程登陸或者下載服務(wù)平臺，隨時隨地打開程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，且可以同步發(fā)送結(jié)果文件。

2）客戶端應(yīng)具有平臺無關(guān)性，即打開平臺應(yīng)不受用戶操作系統(tǒng)的限制，不需要安裝如Visual Studio之類的專業(yè)平臺，或只需要簡單安裝程序即可使用。用戶不需要具有專業(yè)的計算機(jī)程序開發(fā)及使用經(jīng)驗，軟件平臺的操作升級也不需要更改大量的程序代碼，增設(shè)界面，增加用戶使用難度。同時所設(shè)計的平臺應(yīng)具有可移植性，可以兼容多個操作系統(tǒng)使用。

3）服務(wù)平臺需要具有簡潔、可視化程度較高、操作性好、人性化的交互界面，應(yīng)保證使用戶易上手，無需經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，且如需安裝程序，應(yīng)盡可能使安裝過程簡單化。

4）針對不同用戶應(yīng)分配不同的用戶權(quán)限級別，通過設(shè)置程序使用期限或者可見訪問頁面等方式，區(qū)分不同的用戶。對于普通游客，權(quán)限設(shè)置最低，只可瀏覽界面，查看功能介紹或者查看軟件使用視頻等，無法使用平臺。對于普通會員，可下載有使用期限的程序進(jìn)行試用。對于高級會員，除享受以上服務(wù)外，還可提供軟件的二次開發(fā)等升級服務(wù)，或者根據(jù)用戶具體設(shè)計艇型進(jìn)行新艇型的優(yōu)化平臺的開發(fā)。

5）服務(wù)平臺應(yīng)具有較高的可靠性與安全性。應(yīng)可以保證結(jié)果文件的完整性、保密性。

針對以上設(shè)計目標(biāo)，共采用2種方式實現(xiàn)無人艇優(yōu)化服務(wù)平臺的應(yīng)用。對于采用遠(yuǎn)程控制軟件的服務(wù)系統(tǒng)，基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制、計算數(shù)據(jù)的實時傳輸、服務(wù)端操作平臺是該遠(yuǎn)程服務(wù)平臺的技術(shù)關(guān)鍵。對于網(wǎng)站設(shè)計的服務(wù)系統(tǒng)，會員管理、用戶權(quán)限設(shè)計、下載鏈接安全性等是技術(shù)關(guān)鍵。2種服務(wù)方式的系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程優(yōu)化軟件系統(tǒng)示意圖Fig. 3 A diagrammatic sketch of a remote optimization software system

2.2 無人艇優(yōu)化服務(wù)平臺搭建

為保證平臺安全性，對無人艇優(yōu)化服務(wù)平臺增加了用戶登錄界面，并將基于VS的窗體程序打包成可供下載安裝的EXE應(yīng)用程序。

打包后的應(yīng)用程序安裝簡單，且不再受程序運(yùn)行環(huán)境的影響，不需要安裝VS，用戶使用起來更為便捷，同時可以有效防止腳本源代碼的泄漏。

3 無人艇優(yōu)化平臺遠(yuǎn)程服務(wù)設(shè)計

3.1 基于遠(yuǎn)程控制的無人艇優(yōu)化服務(wù)平臺設(shè)計

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得企業(yè)之間資源共享成為可能。大大提高企業(yè)信息化、自動化的程度，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)也進(jìn)一步提高了企業(yè)的生產(chǎn)力。在性能方面，遠(yuǎn)程系統(tǒng)一般有實時性、穩(wěn)定性、可操作性、可靠性的要求。

遠(yuǎn)程控制無人艇優(yōu)化服務(wù)平臺的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 服務(wù)平臺設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Design structure of service platform

可實現(xiàn)一對一服務(wù)模式，也可實現(xiàn)一對多的服務(wù)模式，服務(wù)端采用1臺數(shù)據(jù)計算和處理能力較為強(qiáng)大的計算機(jī)作為主機(jī)，客戶端可以是一個也可以是多個。

3.2 基于Web的無人艇優(yōu)化服務(wù)平臺設(shè)計

采用遠(yuǎn)程控制軟件實現(xiàn)無人艇優(yōu)化平臺的遠(yuǎn)程應(yīng)用，需要配備專門的服務(wù)端電腦，且需要有專人看管，用戶操作起來較為麻煩，而且只能針對已經(jīng)對平臺有了解且具有明確使用意圖的用戶。本節(jié)提供另一種服務(wù)平臺應(yīng)用的方式，通過開發(fā)網(wǎng)站，將無人艇優(yōu)化服務(wù)應(yīng)用程序發(fā)布到網(wǎng)頁，提供下載鏈接。

4 無人艇優(yōu)化平臺遠(yuǎn)程服務(wù)可靠性測試

為了分析2種方式實現(xiàn)的無人艇優(yōu)化服務(wù)的系統(tǒng)可靠性，在實驗室測試環(huán)境下，分別進(jìn)行了2種方式的功能測試。

4.1 基于遠(yuǎn)程控制的無人艇優(yōu)化平臺可靠性測試

1）一對一服務(wù)模式系統(tǒng)測試

服務(wù)端選用1臺Windows 7操作系統(tǒng)的主機(jī)，部署了無人艇優(yōu)化應(yīng)用程序。用戶端選用1臺Windows 10操作系統(tǒng)的主機(jī)，在2臺主機(jī)模擬測試運(yùn)行。具體步驟如圖5所示。

圖5 運(yùn)程服務(wù)模式操作流程圖Fig. 5 Operation flow chart of remote sevice

服務(wù)端與用戶端入網(wǎng)方式均是寬帶連接，數(shù)據(jù)傳輸速率為 10 Mb/s～3 Gb/s，滿足傳輸要求。

2）一對多服務(wù)模式系統(tǒng)測試

當(dāng)用戶為2個及2個以上時，就出現(xiàn)了服務(wù)端一對多的服務(wù)模式，為了檢測這種情況下控制系統(tǒng)的安全性及可行性，選用3臺主機(jī)模擬3個用戶，3臺主機(jī)分別為 Windows XP，Windows 7 和 Windows 10 系統(tǒng)。入網(wǎng)方式為寬帶和無線網(wǎng)。模擬過程與一對一模式類似，區(qū)別是當(dāng)3個用戶同時登陸服務(wù)端時，會有3個窗口分別對應(yīng)3個客戶端。經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)3個程序同時運(yùn)行時，運(yùn)行速度并未降低。計算結(jié)束后，同樣可以將結(jié)果文件分別傳輸給3個用戶。當(dāng)用戶完成優(yōu)化計算時，可采用2種方式發(fā)送結(jié)果文件：①由服務(wù)端人員發(fā)送文件給特定用戶；②在服務(wù)端設(shè)置文件使用限制，用戶需驗證后才可發(fā)送文件。采用這2種方法，可以保證多個用戶使用時數(shù)據(jù)文件的保密性。

4.2 基于Web的無人艇優(yōu)化平臺可靠性測試

測試主要問題包括：是否存在非授權(quán)訪問；下載軟件的鏈接是否可以打開；軟件使用期限限制是否可以實現(xiàn)；應(yīng)用程序安裝過程是否存在問題。

采用網(wǎng)站形式發(fā)布鏈接，克服了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)必須提供服務(wù)端主機(jī)及專門管理人員的缺點(diǎn)，使用相對簡便。

4.3 測試結(jié)果對比

從測試時間及操作復(fù)雜度、測試結(jié)果準(zhǔn)確度等對2種測試結(jié)果分析對比。

1）操作時間及操作復(fù)雜度對比。采用遠(yuǎn)程控制的方式，用戶登錄服務(wù)端主機(jī)時，需要事先知道服務(wù)端主機(jī)的ID，且每次登錄時均需準(zhǔn)確輸入密碼才可與服務(wù)端主機(jī)相連接，進(jìn)而登錄主機(jī)操作系統(tǒng)平臺；而采用基于Web的服務(wù)模式，用戶僅需要注冊會員，下載應(yīng)用程序，即可使用平臺。因此操作相對簡便，用時較短，且可直接通過網(wǎng)絡(luò)提出針對用戶需求的軟件的二次開發(fā)要求。

2）測試結(jié)果準(zhǔn)確度對比。為了比較2種方式的優(yōu)化結(jié)果，將設(shè)計變量上下限、主要船型參數(shù)等設(shè)置完全相同，優(yōu)化算法均選擇遺傳算法，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置一致。經(jīng)測試后，發(fā)現(xiàn)輸出結(jié)果文件中2種方式的優(yōu)化計算時間相同，這與實際情況相符。需要注意的是，無論采用哪種服務(wù)模式，當(dāng)用戶登錄無人艇優(yōu)化平臺后，進(jìn)行的優(yōu)化操作僅僅與選擇的優(yōu)化算法、設(shè)置的優(yōu)化艇型參數(shù)（設(shè)計變量上下限、權(quán)重等）有關(guān)。即無人艇艇型優(yōu)化僅僅取決于優(yōu)化平臺本身，遠(yuǎn)程登錄計算方式與客戶端直接運(yùn)行程序計算方式優(yōu)化結(jié)果相同。

結(jié)果表明，在水面無人艇初步設(shè)計階段，使用開發(fā)的無人艇優(yōu)化服務(wù)平臺，通過輸入設(shè)計艇型的排水量、設(shè)計變量個數(shù)等設(shè)計參數(shù)，給定設(shè)計變量初始上下限、權(quán)重和懲罰因子，可以通過多種智能優(yōu)化算法快速地為設(shè)計者優(yōu)化出滿意的目標(biāo)艇型。該系統(tǒng)界面交互性較優(yōu)，使用簡便，開發(fā)基于遠(yuǎn)程控制及網(wǎng)站方式的應(yīng)用模式，一方面可以充分發(fā)揮基于智能優(yōu)化算法的無人艇優(yōu)化設(shè)計優(yōu)勢，另一方面將其開發(fā)成基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)，可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，加快無人艇設(shè)計進(jìn)程，是一種新型的無人艇優(yōu)化設(shè)計資源共享途徑，有利于實現(xiàn)資源的重復(fù)利用。

5 結(jié) 語

設(shè)計無人艇的優(yōu)化服務(wù)平臺具有操作簡單，應(yīng)用方便的優(yōu)勢，可提供特定艇型的無人艇的優(yōu)化設(shè)計，同時對進(jìn)一步開發(fā)功能更加完善的智能船舶設(shè)計系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。