郭若昕，錢 靖，孫曉鋒

（1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170；2.長江引航中心南京引航站，江蘇 南京 211170；3.長江南京航道工程局 航道維護中心，江蘇 南京 211170）

0 引言

大型船舶在狹水道中的航行問題，成為航行安全領(lǐng)域急需解決的重要問題。狹水道條件指航道較窄、水域較淺的航道環(huán)境。大型船舶在開闊的深水域航行時，航行性能良好[1]。由廣闊的水域進入狹水道條件的水域時，大型船舶的航行性能受到影響，研究狹水道條件下的大型船舶操縱安全優(yōu)化方法極為必要。大型船舶在狹水道條件下航行時，船舶周圍流場存在變化，船舶航速與吃水，影響船舶的附加質(zhì)量與附加慣性矩[2]。船舶航速過快時，增加船舶的吃水影響操縱性能[3]；航速過慢時，容易導(dǎo)致舵效降低的情況。對狹水道條件下的大型船舶操縱安全進行優(yōu)化，是保障大型船舶可靠航行的重要方式。

目前，已經(jīng)有眾多學(xué)者針對船舶操縱進行研究。馬琳等[4]利用改進證據(jù)推理方法，評價船舶的操縱性能。該方法定義了性能匹配度，利用性能匹配度匹配船舶航行需求與船舶操縱性能，引入證據(jù)可靠性，提升船舶操縱性能的評價精度。將操縱性能評價結(jié)果，作為提升船舶操縱水平的依據(jù)。張艷云等[5]將支持向量機方法應(yīng)用于船舶在波浪中的操縱水平提升中，該方法構(gòu)建了船舶的三自由度操縱運動模型，利用所構(gòu)建的模型預(yù)報船舶運動狀態(tài)，辨識船舶的航行運動參數(shù)，應(yīng)用于船舶操縱運動控制中。

上述方法雖然可以實現(xiàn)船舶航行時的有效操控，但是并未考慮船舶航行時，狹水道條件等航行環(huán)境的影響。針對以上方法在船舶操縱研究中存在的問題，提出狹水道條件下的大型船舶操縱安全優(yōu)化方法，為船舶和船員的安全提供有效保障。

1 大型船舶操縱安全優(yōu)化方法

1.1 大型船舶運動結(jié)構(gòu)構(gòu)建

船舶在海上航行時，用一個六自由度運動模型表示，包括跟隨大型船舶的3 個移動與3 個轉(zhuǎn)動的附體坐標軸。大型船舶的六自由度運動參數(shù)分別為前進速度u、橫漂速度v、起伏速度w、轉(zhuǎn)首角速度r、橫搖角速度p、縱搖角速度q。

構(gòu)建大型船舶的平面運動結(jié)構(gòu)表達式如下：

式中：X與Y分別表示橫向坐標軸與縱向坐標軸，N表示重力坐標軸，I表示轉(zhuǎn)動慣量，M與m分別表示船舶的廣義質(zhì)量矩陣與附加質(zhì)量矩陣。

大型船舶在實際航行時，受到風(fēng)浪、航道等外力與環(huán)境影響，無法長時間進行理想化的平面運動[6]。受天氣、風(fēng)浪等環(huán)境因素影響時，容易出現(xiàn)航向擺偏情況，甚至可能出現(xiàn)擱淺等危險。

1.2 大型船舶的黑箱模型評價指標構(gòu)建

船舶航行時，僅考慮其橫向運動、縱向運動以及轉(zhuǎn)首運動。構(gòu)建大型船舶的黑箱模型，所構(gòu)建的黑箱模型僅需考慮輸入與輸出，無需考慮大型船舶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)。設(shè)置大型船舶黑箱模型作為操縱安全優(yōu)化的動態(tài)系統(tǒng)，選取非線性狀態(tài)空間方程作為黑箱模型結(jié)構(gòu)。狹水條件下的大型船舶的黑箱模型，即大型船舶在狹水道條件下，依據(jù)當(dāng)前時間的狀態(tài)變量和輸入的控制變量，進行期望輸出變量的非線性映射[7]。利用大型船舶運動結(jié)構(gòu)的輸出變量，明確在下個時間步長時的狀態(tài)變量。

大型船舶的黑箱模型狀態(tài)變量的非線性映射過程表達式為：

式中：u(t)與xs(t)分別表示大型船舶的輸入控制變量與當(dāng)前狀態(tài)變量，λ表示時間步長，xs(t+1)表示大型船舶在下一個時間步長時的狀態(tài)變量。

選取徑向基函數(shù)作為非線性映射的核函數(shù)，將大型船舶操縱安全優(yōu)化的黑箱模型輸入空間映射至高維特征空間內(nèi)，求解大型船舶操縱安全優(yōu)化的非線性問題。徑向基核函數(shù)的表達式為：

式中：xi與xj分別表示輸出、輸入的大型船舶操縱狀態(tài)樣本；γ表示核函數(shù)寬度。

構(gòu)建黑箱模型的目標是無需輸入大型船舶的真實運動狀態(tài)時，即可獲取船舶運動與軌跡預(yù)測結(jié)果。狹水條件下，大型船舶的當(dāng)前運動狀態(tài)，由前一個步長的輸出變量決定。通過輸入控制變量，以及大型船舶狀態(tài)變量初值，確定狹水道條件下大型船舶的操縱狀態(tài)。選取決定系數(shù)作為黑箱模型的評價指標，該指標的表達式為：

1.3 大型船舶在狹水道條件下狀態(tài)變量

大型船舶在狹水道條件下的狀態(tài)變量是用來描述船舶在狹水道中的動態(tài)和狀態(tài)變化的指標，船舶在靜水中運動時，設(shè)置舵角信號作為操縱安全優(yōu)化模型的輸入控制變量，將船舶在各自由度上的加速度，設(shè)置為模型期望輸出變量。狹水道條件下，需要將波浪力、環(huán)境信息等參數(shù)加入操縱安全優(yōu)化模型中。不考慮外部影響，僅考慮外力作用下，大型船舶在狹水道條件下，船舶的推進和操縱裝置控制力，在黑箱模型內(nèi)部，自動擬合大型船舶對狹水道條件的動態(tài)響應(yīng)。

船舶由螺旋槳驅(qū)動，航行時的環(huán)境變化，影響船舶的推進效率，螺旋槳的推力和扭矩容易存在波動。將船舶的螺旋槳推力與螺旋槳扭矩，與船舶舵角同時作為黑箱模型的控制變量，令所構(gòu)建模型展示船舶在狹水道條件下的內(nèi)部動力學(xué)特性。

設(shè)置船舶在狹水道條件下的運動參數(shù)，作為黑箱模型的狀態(tài)變量：

式中：α(t) 與 β(t)分別表示船舶航行時的縱向速度和橫向速度，χ(t)表示船舶的轉(zhuǎn)首角速度。各自由度運動參數(shù)的加速度作為黑箱模型的響應(yīng)，由此完成狹水道條件下的大型船舶操縱安全優(yōu)化方法研究。

2 實驗分析

為了驗證本文方法對狹水道條件下，大型船舶操縱安全的優(yōu)化性能，選取某型號為A09351 的船舶作為測試對象，利用Matlab 軟件模擬該船的運行狀態(tài)。該船的水下排水量為7 000 t，全長96 m，寬度為10.5 m，吃水9.5 m。測試該船的操縱安全性能時，選取Stokes二階波作為航行的入射波模型，設(shè)置波高為2.2 m，波浪入射角度為145°，20 s 為一個波浪周期。風(fēng)速為8 m/s，均勻風(fēng)的入射角為85°。

統(tǒng)計采用本文方法構(gòu)建的運動模型模擬該船舶航行時，前進速度、橫漂速度的模擬結(jié)果，統(tǒng)計結(jié)果如圖1 所示。

圖1 大型船舶速度模擬結(jié)果Fig.1 Speed simulation results of large ships

可以看出，采用本文方法對該船的運動狀態(tài)進行模擬，不同自由度的速度分量，與真實速度值極為接近。結(jié)果表明，運動軌跡模擬結(jié)果與實際結(jié)果十分吻合，所構(gòu)建的運動模型滿足大型船舶的運動特性。

統(tǒng)計不同波浪頻率時，狹水道水深吃水比對船舶附加質(zhì)量力的影響，統(tǒng)計結(jié)果如圖2 所示。

圖2 大型船舶附加質(zhì)量力變化Fig.2 Changes of additional mass force of large ships

可以看出，大型船舶的附加質(zhì)量力受波浪頻率影響明顯。當(dāng)狹水道的水深吃水比小于5 時，船舶的附加質(zhì)量力即力矩曲線變化幅度較大。狹水道的水深吃水比繼續(xù)增加時，附加質(zhì)量力逐漸平緩，此時狹水道水深對附加質(zhì)量力影響極小。

統(tǒng)計狹水道條件下，采用本文方法對大型船舶操縱安全進行優(yōu)化，船舶主機的輸出有功功率與理想有功功率的對比結(jié)果，統(tǒng)計結(jié)果如圖3 所示。大型船舶螺旋槳轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速對比結(jié)果如圖4 所示。

圖3 大型船舶輸出有功功率變化Fig.3 Changes of output active power of large ships

圖4 大型船舶螺旋槳轉(zhuǎn)速變化Fig.4 Change of propeller speed of large ships

可以看出，采用本文方法對大型船舶操縱安全進行優(yōu)化，在狹水道條件下，主機輸出的有功功率與螺旋槳轉(zhuǎn)速，均與理想數(shù)值十分接近，螺旋槳轉(zhuǎn)速低于最大允許轉(zhuǎn)速。實驗結(jié)果驗證采用本文方法后，大型船舶可以保持理想的航行狀態(tài)，提升了大型船舶在狹水道條件下的航行安全性。本文方法的大型船舶操縱安全優(yōu)化性能理想，適用于實際應(yīng)用。

3 結(jié)語

大型船舶引航員和駕駛員在狹水道區(qū)域航行時，通過操縱安全優(yōu)化，避免航行期間出現(xiàn)事故風(fēng)險。加強對大型船舶操縱安全優(yōu)化的研究，對于提升船舶航行安全具有重要意義。狹水道條件是復(fù)雜的船舶航行條件，研究狹水道條件下的大型船舶操縱安全優(yōu)化方法，具有較高的必要性。本文方法可以實現(xiàn)大型船舶操縱安全的有效優(yōu)化，提升船舶航行可靠性。通過運用該方法，可以提高船舶在狹水道環(huán)境中的操縱能力和安全性，保證船舶的順利通行，并減少事故的發(fā)生。