徐志立

(北京青年政治學(xué)院 電子政務(wù)研究所，北京 100102)

0 引 言

船舶的發(fā)展史就是其動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)化史，動(dòng)力系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)艦船的安全穩(wěn)定航行。正是因?yàn)榇暗膭?dòng)力系統(tǒng)對(duì)于船舶至關(guān)重要，對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的改造優(yōu)化也就成為船舶設(shè)計(jì)中值得重點(diǎn)關(guān)注和研究的問題。對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，既要堅(jiān)持科學(xué)的原則，又要根據(jù)船舶具體的類型和航行特點(diǎn)有所針對(duì)性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)配置的合理優(yōu)化[1-3]。

動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化的主要方向就是對(duì)于能源控制技術(shù)的改良優(yōu)化。不同的能源動(dòng)力系統(tǒng)采用的控制技術(shù)也完全不同，對(duì)于船舶的航行速度，航行穩(wěn)定性和航行安全性的要求也與日俱增，需要通過更加先進(jìn)的方法對(duì)于船舶的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行全面的優(yōu)化升級(jí)改造。在這樣的背景下，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為目前人工智能領(lǐng)域最為常見的智能算法脫穎而出[4]。

1 船舶動(dòng)力系統(tǒng)的概念闡述

主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)和輔助配套系統(tǒng)是構(gòu)成船舶前進(jìn)驅(qū)動(dòng)的兩大部分，這兩部分相互協(xié)調(diào)工作，都需要進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。

1.1 主要裝置

主動(dòng)力系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)，其中又涵蓋了原始動(dòng)力系統(tǒng)和輔助動(dòng)力系統(tǒng)，原始動(dòng)力系統(tǒng)又包括燃?xì)廨啓C(jī)，汽油機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括主推器，還有推進(jìn)器，螺旋槳，泵式推進(jìn)器，這部分結(jié)構(gòu)主要功能是實(shí)現(xiàn)船舶的動(dòng)力能轉(zhuǎn)換。除此以外，配套裝置還有離合器，減速器，管系設(shè)備以及軸系設(shè)備等。這些設(shè)備是為了保障傳動(dòng)裝置能夠更穩(wěn)定的運(yùn)行，同時(shí)能夠保障船舶發(fā)揮良好的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和減震的作用[6-8]。

1.2 輔助裝置

除了原動(dòng)系統(tǒng)，配套系統(tǒng)也是發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的組成部分，發(fā)電機(jī)，鍋爐和自動(dòng)化操控裝置構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)配套系統(tǒng)，這些裝置的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)船舶的良好可操控性[9-10]。

圖 1 船舶動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Ship power system structure

1.3 配置優(yōu)化方案

眾多精密復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備組成的電氣化系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，這就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)嚴(yán)重的設(shè)備間干擾問題。特別是大型電器設(shè)備運(yùn)行會(huì)形成磁場(chǎng)，對(duì)于周圍電器設(shè)備運(yùn)行，特別是精密的設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生影響。這就需要對(duì)于整個(gè)主動(dòng)力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造。為此需要配套不同的子系統(tǒng)，并且諸多子系統(tǒng)都要按照同樣的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能避免系統(tǒng)間內(nèi)擾動(dòng)，具體的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：

1）首先對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，明確船舶動(dòng)力系統(tǒng)所需要完成的目標(biāo)需求，進(jìn)行針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要從動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮，同時(shí)還需要兼顧安全和穩(wěn)定性能。

2）進(jìn)一步明確船舶所需要承載負(fù)荷需求，同時(shí)考慮船舶主要日常用途，航行線路特點(diǎn)以及特定性需求等。

3）根據(jù)船舶歸屬國(guó)家相關(guān)船舶設(shè)計(jì)規(guī)定，對(duì)于船舶的性能進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比設(shè)計(jì)，制定一系列約束條件，從而保障船舶設(shè)計(jì)的合理性。

4）根據(jù)之前確定好的最佳方案參數(shù)，在將技術(shù)可行性，建造成本，建造時(shí)間和性能指標(biāo)等附加條件納入考慮范圍，最終確定船舶的動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[15]。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在系統(tǒng)優(yōu)化配置中的應(yīng)用

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化原理

以人工智能技術(shù)為代表的第三次信息技術(shù)革命正在改變過去傳統(tǒng)領(lǐng)域。特別是具有代表性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其具有優(yōu)良的非線性模型擬合能力。在各個(gè)方面的實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了良好的效果。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有一個(gè)具體固定的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，往往根據(jù)不同的物理問題通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到成熟的模型。但是一般的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要分為3 個(gè)層次，按照數(shù)據(jù)輸入順序分別是輸入層，隱含層和輸出層構(gòu)成的，每個(gè)層之中含有若干個(gè)神經(jīng)元，一般結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖 2 一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Gerenal structure of neunal network

圖中W 為輸入層和中間層的連接權(quán)值，通過對(duì)于每個(gè)神經(jīng)元的輸入進(jìn)行賦權(quán)，調(diào)整不同輸入信息在整個(gè)模型的影響程度，得到單個(gè)神經(jīng)元輸入z 和將z 通過激活函數(shù)進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)化為a，使用激活函數(shù)的原因是因?yàn)榫€性模型（無法處理線性不可分的情況）的表達(dá)能力不夠，所以通常需要利用Sigmoid 函數(shù)來加入非線性因素得到神經(jīng)元的輸出值。

根據(jù)本文研究的船舶具體情況，采用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ELM 算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一層隱含層，同時(shí)ELM 算法可以支持向量機(jī)操作，模型內(nèi)部神經(jīng)元參數(shù)不需要不斷調(diào)整，可以根據(jù)隨機(jī)函數(shù)設(shè)定具體目標(biāo)而自動(dòng)生成，保證該模型能夠具有較高的計(jì)算效率，比較適合船舶動(dòng)力系統(tǒng)這樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[11-13]。ELM 算法具有以下2 個(gè)特點(diǎn)：

1）所有的隱含層節(jié)點(diǎn)參數(shù)相互獨(dú)立，與訓(xùn)練數(shù)據(jù)集無關(guān)；

2）ELM 模型的優(yōu)點(diǎn)是無需任何先驗(yàn)信息。假設(shè)ELM 單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有L 個(gè)隱節(jié)點(diǎn)輸出，其表達(dá)式為。

式中：ai和bi分別為隱含節(jié)點(diǎn)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練參數(shù)；θi∈Rm 為第i 個(gè)隱節(jié)點(diǎn)連接到輸出節(jié)點(diǎn)時(shí)的權(quán)重向量值；F（x, ai, bi）為第i 個(gè)隱節(jié)點(diǎn)在輸入為x 時(shí)的輸出函數(shù)。

本文對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化算法的激活函數(shù)為[14]：

2.2 優(yōu)化訓(xùn)練算法

在對(duì)優(yōu)化算法進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，第一種數(shù)據(jù)樣本（xj，tj）如果一共存在L 個(gè)隱含層單元，并且ELM 算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)誤差較小。那么模型中的θi，ai 與bi 滿足下式：

經(jīng)過簡(jiǎn)化處理，可以得到F(x,ai,bi)θ=T。

式中：F 為單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的輸出向量矩陣。

F 矩陣的第i 列分別與x1，x2，…，xl 的第i 個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)的輸出向量相對(duì)應(yīng)；F 矩陣的第j 行分別與輸入xj 的隱含性輸出向量相對(duì)應(yīng)。

3 仿真設(shè)計(jì)

針對(duì)本文研究的船舶動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化問題進(jìn)行仿真建模，通過建模得到動(dòng)力系統(tǒng)的三維仿真圖[15]，如圖3所示。

圖 3 船舶動(dòng)力系統(tǒng)仿真界面Fig. 3 Simulation face of ship power system

在系統(tǒng)優(yōu)化仿真前先設(shè)定仿真對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，輸入滿足如下關(guān)系：

圖4 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的輸出曲線，圖5 為優(yōu)化后的結(jié)果對(duì)比曲線，可以看出，通過ELM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以后，船舶動(dòng)力系統(tǒng)輸出性能有了較為明顯的改善。

圖 4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際系統(tǒng)輸出對(duì)比Fig. 4 Comperation of ANN and real system

4 結(jié) 論

本文首先簡(jiǎn)要介紹船舶的動(dòng)力系統(tǒng)組成，提出ELM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)于船舶動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且通過三維仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，船舶動(dòng)力系統(tǒng)輸出性能有了較為明顯的改善，對(duì)于提升船舶性能，提高船舶航行安全穩(wěn)定性具有一定價(jià)值。

圖 5 控制作用下的輸出振幅曲線對(duì)比圖Fig. 5 Output curve comperation under control