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当期目录

2022年 第17卷  第4期

2022 年 4 期目录
2022, 17(4): 1-2.
摘要:
海上通信、导航与定位专题
基于无人艇跨域异构编队协同导航研究进展与未来趋势
徐博, 王朝阳
2022, 17(4): 1-11, 56. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02389
摘要:

基于无人艇(USV)跨域异构编队的协同导航是解决未来水面、水下、天空3个区域导航定位的重要方法。为此,针对上述编队协同导航领域的相关问题,从3个层面进行综述。首先,阐述USV国内外发展情况和基于USV跨域异构编队的概念及研究;然后,对基于USV跨域异构编队协同导航的方式进行分析,并分别从水面/水下跨域异构编队协同定位、空海跨域异构编队视觉导航、基于USV跨域异构编队路径规划这几个方面进行归纳总结;最后,指出基于USV跨域异构编队的关键技术及其未来发展趋势。

基于交互式多模型平方根容积卡尔曼滤波的船舶轨迹跟踪
杨家轩, 陈柏果, 马令琪
2022, 17(4): 12-23. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02692
摘要:
  目的  针对船舶运动状态变化复杂场景下扩展卡尔曼滤波(EKF)的误差不稳定,以及单一运动模型的表征能力受限等问题,提出一种基于交互式多模型(IMM)平方根容积卡尔曼滤波(SCKF)的船舶轨迹跟踪算法。  方法  引入SCKF,并代替EKF来执行自动识别系统(AIS)数据的轨迹跟踪;采用交互式多模型框架将恒速直线模型(CVM)、当前统计模型(CSM)和恒定转向率模型(CTM)及改进的CTM模型进行交互融合,形成3种组合模型来表征AIS轨迹的运动状态,并进行船舶轨迹跟踪实验。   结果  结果显示,对于航向、航向率和航速均发生变化的轨迹,采用组合模型1跟踪时,在轨迹6中SCKF相比EKF的位置信息的均方根误差变化幅度小,精度提高了30.06%;采用组合模型3跟踪时,相比EKF和SCKF,其在轨迹6中位置信息的均方根误差波动的范围最小,误差减小了60.80%,组合模型3的性能最好,但计算量也最大;对于航速不发生变化的复杂轨迹,采用组合模型2跟踪的性能接近组合模型3。  结论  所提方法能够提高AIS数据的精度并保证AIS数据误差波动的稳定性,为提高船舶运动跟踪和监测提供了可能性。
欠驱动船舶自适应神经网络有限时间轨迹跟踪
张强, 朱雅萍, 孟祥飞, 张树豪, 胡宴才
2022, 17(4): 24-31. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02564
摘要:
  目的  针对欠驱动水面船舶在轨迹跟踪控制中存在的动态不确定和未知扰动问题,设计一种自适应神经网络有限时间轨迹跟踪控制方案。  方法  利用运动学虚拟控制律变换和有界限制的方法进行欠驱动变化。在Backstepping的框架下,利用神经网络重构未知动态,并设计自适应律逼近未知扰动的上界。通过Lyapunov直接法提供严格的理论分析,以证明闭环系统所有信号都是有界的,并使跟踪误差收敛至有界的区间。  结果  仿真结果表明,所提控制方案能够使欠驱动船舶在有限的时间内跟踪上期望的轨迹,且相比传统控制方案,系统误差的收敛速度更快,误差的上、下界也更小,在面对外界未知的时变干扰时还具有良好的鲁棒性。  结论  所做研究可为船舶的轨迹跟踪控制提供有效参考,具有实际的工程意义。
基于双偶极向量场的欠驱动无人船目标跟踪制导方法
初庆栋, 尹羿博, 龚小旋, 刘陆, 王丹, 彭周华
2022, 17(4): 32-37. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02424
摘要:
  目的  为改进欠驱动无人船(USV)目标跟踪制导的暂态控制性能,提出一种基于双偶极向量场的目标跟踪制导方法。  方法  首先,根据双偶极向量场原理,设计欠驱动USV艏摇角速度和前向速度导引律。然后,通过稳定性分析,证明控制系统是有界稳定的。最后,经仿真和实验验证所提方法的有效性。  结果  结果表明,控制系统能够使USV跟踪位置收敛到目标点附近的邻域内,不仅跟踪轨迹更光滑,暂态控制性能也更好,在实现目标跟踪的同时还能够保持期望的航向。  结论  所提方法可以克服现有目标跟踪制导方法稳态航向不能指定的局限性。
自主水下航行器自适应S面三维轨迹跟踪的仿真验证
李文魁, 周铸, 宦爱奇, 夏宇轩
2022, 17(4): 38-46, 91. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02587
摘要:
  目的  旨在研究非线性六自由度自主水下航行器(AUV)的轨迹跟踪问题。  方法  为此,设计三维轨迹变前视距离视线(LOS)导引律,利用李雅普诺夫稳定性判据证明此导引律的稳定性,使用设计的自适应S面控制算法对AUV的航向角、纵倾角和纵向速度进行控制。然后,以REMUS 100 AUV为例, 利用Matlab软件分别对AUV的航向角、纵倾角和纵向速度控制及其空间直线、曲线轨迹跟踪进行仿真,以验证所提导引律的有效性。  结果  结果表明:对于非线性控制而言,相比于传统的S面控制,自适应S面控制可降低控制参数整定的难度,抗干扰能力更强;而且,相比于传统的LOS导引律,所提导引律可使AUV更快地跟踪上参考轨迹。  结论  所设计的轨迹跟踪控制算法能够实现对AUV的三维轨迹跟踪,并改善AUV的操纵性。
能量受限无人机与移动舰船通信中的轨迹优化
张艺严, 马巍, 李彬
2022, 17(4): 47-56. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02764
摘要:
  目的  无人机(UAV)可以为舰船提供目标区域详细图像并进行目标识别。在无人机与移动舰船通信过程中,为实现无人机数据的快速采集和卸载,以最小化通信任务时间为目标,在多约束条件下提出一种基于hp自适应伪谱法的无人机三维轨迹优化方法。  方法  首先对三维空间下的固定翼无人机进行动力学建模,将其通信的轨迹优化问题描述为受状态约束的最优控制问题。然后基于舰船运动模型,结合移动目标存在定位误差建立信道模型,并考虑无人机能量受限,在原问题基础上增添通信约束和能量约束,提出一种基于hp自适应Radau伪谱法的轨迹优化方法,将原问题转化为有限维非线性规划问题进而求解。分别在5种约束场景下采用所提方法进行仿真分析,并与p伪谱法结果进行对比。  结果  仿真结果表明,在给定定位误差时,无人机与舰船仍能在各类约束下以较短时间完成通信。  结论  研究成果为海上通信系统提供了有效的解决方案,对无人机与舰船通信中的轨迹优化问题具有参考价值。
海上无人系统时间协同航迹规划
尹逢川, 梁晓龙, 陶浩, 侯岳奇, 齐铎, 吴贤宁
2022, 17(4): 57-70. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02302
摘要:
  目的  为解决复杂环境下海上无人系统(UMS)时间协同航迹规划问题,提出一种基于差分进化(DE)算法的时间协同航迹规划方法。  方法  首先,建立空中、海上和水下的自然环境与敌方威胁模型,构建多约束条件下的航迹规划目标函数,提出一种时间协同策略,解决在约束条件下异构平台出发时间和地点不同而同时同地到达的时间协同问题;然后,采用DE算法进行优化求解,研究航迹点数量对规划成功率的影响。  结果  结果显示,在合理选择航迹点数量的基础上,DE算法可在威胁及障碍多的复杂环境下为海上无人系统规划出满足时间协同约束的航迹,使其到达目标的时间最短;航迹点数量过多或过少都会降低航迹规划的成功率。  结论  研究表明所构建的模型和约束条件合理,使用的算法能够解决海上无人系统离线航迹规划的时间协同问题,具有一定的实用价值。
基于固定时间扩张状态观测器的底栖式AUV点镇定控制
高鹏, 万磊, 徐钰斐, 陈国防, 张子洋
2022, 17(4): 71-78. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02420
摘要:
  目的  针对受未知干扰和不确定性因素影响的底栖式自主水下航行器(AUV)点镇定控制问题,设计一种基于固定时间扩张状态观测器(FTESO)的固定时间反步控制器。  方法  首先,根据AUV点镇定跟踪误差模型提出一种固定时间扩张状态观测器,用于估计未知的集中扰动以及不可测量的速度,并使观测误差在固定时间内收敛至0;然后,在上述观测器的基础上使用反步法设计一种固定时间点镇定控制器;最后,通过加入一阶滤波器,解决反步控制器固有的“复杂性爆炸”问题,并通过李雅普诺夫稳定性分析证明闭环控制系统的半全局固定时间一致最终有界性。  结果  经仿真分析,验证了所提方案的可行性和优越性。  结论  研究表明所提方案可以解决受未知干扰与不确定性因素影响下的底栖式AUV的点镇定控制问题,并能提高控制系统的收敛时间。
基于加权信息增益的并行融合AUV协同定位方法
简杰, 朱志宇
2022, 17(4): 79-91. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02434
摘要:
  目的  为提高杂波干扰下自主水下航行器(AUV)集群系统在协同定位过程中的全局定位精度,提高定位信息的实时性,提出一种以信息增益为评价标准的局部信息融合算法。  方法  通过阈值加权方法对观测数值进行粗差改善,进行局部信息滤波,优化观测值以使其更接近于真实值。从信息熵理论的角度考察各量测信息的可靠性,对多台主AUV的多组局部滤波信息进行优化。以信息增益为融合权值指标,融合多组局部滤波结果,生成唯一的被测从AUV定位信息。进一步地,考虑到主、从AUV之间的声呐探测以及水声信号的通信延时特性,局部信息滤波与信息增益融合算法会出现滤波数据异步的问题,提出一种局部信息滤波和信息增益加权方法的并行结构,通过实时更新机制,确保信息加权算法的输入值为最新时刻的局部滤波输出值。  结果  仿真实验结果表明,相较于多源局部滤波信息,所提融合方法能够有效降低局部滤波误差,提高定位精度,对局部滤波有进一步的优化作用。  结论  所提融合方法可有效实现多AUV系统的协同定位能力。
基于自适应渐消Sage-Husa扩展卡尔曼滤波的协同定位算法
周萌萌, 张冰, 赵强, 潘梦婷, 左思雨
2022, 17(4): 92-97. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02410
摘要:
  目的  针对多自主水下航行器(AUV)在航行过程中的定位精度等问题,提出一种基于自适应渐消Sage-Husa扩展卡尔曼滤波的多AUV协同定位算法。  方法  首先,改进滤波算法中的自适应滤波器,由渐消记忆指数加权得到新息协方差估计值,并引入渐消因子修正预测误差协方差,以达到调节滤波增益的目的。然后,建立多AUV协同导航模型,得到基本的协同导航滤波过程,通过对速度、加速度及位置信息的融合,实现对跟随AUV位置状态的准确估计。最后,采用此算法与EM-EKF,EKF算法分别对AUV协同导航模型进行仿真,并对结果进行对比。  结果  结果表明,在噪声协方差不匹配时,所提算法与EM-EKF,EKF算法相比均方根误差(RMSE)分别减少17.82%和24.48%,平均定位误差分别减少17.87%和22.54%;在噪声协方差时变时,RMSE分别减少42.11%和51.23%,平均定位误差分别减少34.87%和46.90%。  结论  所提算法有效改善了滤波的可靠性、精确性和自适应性。
基于BP神经网络的船舶气象航线决策系统
张大恒, 张英俊, 张闯
2022, 17(4): 98-106. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02565
摘要:
  目的  为应对国际燃油价格波动和降低温室气体排放的需求,提出一种基于BP神经网络的船舶气象航线决策系统,在考虑经济和环境因素的情况下提高船舶运营效率。  方法  首先,从航海日志和午报等提取船速、转速、平均吃水、吃水差、船上货物重量、风和海浪的影响等7种运营数据,通过BP神经网络方法预测船舶燃油消耗量;然后,提出基于改进Dijkstra 算法的船舶气象航线决策系统,并利用该系统获得船舶最优航线。最后,对12 335 t多用途船营口至仁川的航线进行仿真分析。  结果  利用BP神经网络方法预测的燃油消耗量与实测值的拟合优度为79.97%,表明预测效果较好;通过决策系统获得了该船在15和17 kn航速下的气象航线。  结论  基于BP神经网络的船舶气象航线决策系统获得的船舶航线更准确、可靠,有助于减少船舶的燃油消耗量和CO2排放量,为船东和海事管理部门提供技术支持。
一种基于SDN的多约束无人船网络传输路由算法
陈立家, 周为, 许毅, 魏天明, 田延飞
2022, 17(4): 107-113. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02454
摘要:
  目的  为了解决无人船通信数据量大、传输时延高等问题,提出一种适用于无人船的软件定义网络(SDN)架构下多约束无人船网络传输路由算法(USMCRA)。  方法  通过建立SDN架构的无人船网络模型,将网络中路由选择问题转化为多约束最短路径问题,利用该算法选择合适的路由节点完成数据的传输。算法通过SDN控制器获取网络链路中的状态信息,将带宽、时延以及数据流大小作为约束条件结合Dijkstra算法设计实现。在仿真实验中通过mininet仿真平台构建无人船网络拓扑结构,在RYU控制器中添加USMCRA算法,实现网络的仿真。  结果  结果表明,该路由算法提高了无人船网络传输的效率以及传输的稳定性。相比于传统的网络架构,添加USMCRA算法的网络传输速率提高了16%左右,网络抖动的峰值控制在0.2 ms左右,实现了网络的优化。  结论  所提出的USMCRA算法为解决无人船通信数据量大、传输时延高等问题提供了一种新的解决思路。
基于OTPA声源级估计的被动声呐探测距离评估方法
周鑫, 徐荣武, 程果, 李瑞彪, 余文晶
2022, 17(4): 114-120, 133. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02603
摘要:
  目的  基于水下结构体自身振动数据及被动声呐方程,提出对自身被探测状态及最大被探测距离评估的方法,以解决水下结构体难以快速估计声源级和评估被探测状态的问题。  方法  采用传递路径分析(OTPA)方法并结合水下目标自噪声数据对自身声源级进行实时预报,利用奇异值分解(SVD)和主分量分析方法(PCA)消除测量数据串扰导致的误差,以及结合声波水下传播特性和传播环境,在探测模型中对当前环境下水下结构体的被探测状态和最大被探测距离进行评估。  结果  所提探测模型经湖上试验得到了验证。结果表明水下结构体声源级的平均估计误差小于2 dB,被探测状态及最大被探测距离的评估值在绝大部分频段内与实测结果吻合。  结论  研究结果可为掌握水下结构体自身声隐身态势提供依据。
一种面向综合射频效能的舰载共形天线优化设计方法
舒亚海
2022, 17(4): 121-125. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02530
摘要:
  目的  为了兼顾新一代水面舰船射频舰载天线的高性能、低散射、与船体共形等综合要求,针对典型频段的嵌入式阵列天线,提出一种电磁仿真与智能优化算法相结合的设计方法。  方法  通过对传统粒子群优化算法(PSO)进行异步递进改进,实现离散变量和连续变量的同时处理,并有效加快PSO的收敛速度;针对水面舰船某VHF天线,构建复杂天线结构多尺寸参数优化的目标函数,得到天线增益、驻波比、雷达波散射截面积等多目标特性同步优化的半嵌入安装形式。  结果  经多轮仿真迭代优化,天线增益提高了1 dB左右,天线驻波比略有改善,典型方位的RCS峰值点的最大减缩量为32 dB。  结论  该方法可为舰船射频天线的共形装舰设计以及复杂大系统一体化设计提供参考。
一种频率可重构的多模式微带准八木天线
黄楷程, 卞立安, 刘雨, 王垚锟, 洪颖杰
2022, 17(4): 126-133. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02789
摘要:
  目的  针对舰载无线通信设备布局拥挤、干扰严重以及迫切需要天线功能重构的现状,提出一种跨波段频率可重构的微带准八木天线。  方法  首先,在准八木天线上加载PIN二极管,通过控制二极管的通断,实现多波段的多模式切换;然后,通过附着雪花式开口谐振环(SRR),以保证天线具有2个稳定的频率谐振点,以及稳定的辐射方位角。  结果  仿真和实测结果表明:该天线实现了C波段(5.77~7.10 GHz,7.40~7.56 GHz)和X波段(8.33~8.64 GHz,8.76~9.27 GHz)内的频率可重构;天线辐射方向图可以稳定地指向容性加载导通的方向;所有模式下的增益水平均大于5.7 dBi,且3 dB波束宽度的平均值约为102°。  结论  该微带准八木天线实现了天线的跨波段频率可重构和低误差波束偏转,有利于提高舰船系统频谱的利用率并避免多天线之间的耦合干扰。
基于铁氧体的宽带高增益微带天线设计
陈攀, 李高升
2022, 17(4): 134-138, 219. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02582
摘要:
  目的  为了有效提高天线的增益和带宽,提出一种基于铁氧体材料的适用于WLAN的低成本、可调控层叠式微带天线。  方法  通过加载磁性材料铁氧体作为微带天线基板,以实现天线对外加电磁场的响应和天线性能的可调控; 采用层叠式基板结构调整方向特性,以提高天线增益; 在金属贴片周围按顺时针方向排布椭圆寄生贴片,以有效改善天线的带宽特性。  结果  实测数据与仿真结果的吻合度较高,均覆盖了WLAN系统5.15~5.35 GHz的频带范围;根据测试结果,天线在C波段的相对带宽为19%,最大增益为9.15 dBi。  结论  研究成果可为小型化天线和磁可调控天线的设计提供参考。
总体与性能
拍动式仿鹞鲼水下机器人设计及其游动性能试验
郭松子, 马俊, 李志印, 张进华
2022, 17(4): 139-144. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02497
摘要:
  目的  自然界中的鱼类经过长期的自然选择过程,进化出了各具特色的水中推进模式,具有推进效率高、机动性强与噪音低等优点,是水下航行器的理想仿生对象。为研制新一代低噪声、高机动性的自主水下航行器(AUV),以拍动推进的鹞鲼为仿生对象。  方法  通过分析其胸鳍内在的解剖结构,提出了一种采用对侧柔性胸鳍拍动推进的仿生机器人设计方案,并详述了实验样机本体的制作过程及其底层驱动控制方法。为测试机器鱼样机的游动性能,在实验水域中对所设计的原型样机展开了一系列游动性能测试。实验中测试了机器鱼样机在不同拍动频率下的游动速度,并在确定最大游动速度后,对其进行了机动性能测试。  结果  结果表明,所设计的实验样机能在水中完成包括翻滚、小半径转向与横滚盘旋在内的多种机动动作,其最大游动速度可达1.9倍体长每秒(约为0.73m/s)。  结论  研究初步完成了拍动式仿鹞鲼水下机器人的设计与测试工作,为新一代高性能水下推进器的设计提供了一定的参考价值。
基于学徒制算法的航母舰载机保障作业调度
吴靳, 戴明强, 王俊杰, 余珊珊, 余明晖
2022, 17(4): 145-154. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02198
摘要:
  目的  针对舰载机的保障调度问题,提出一种基于学徒制的调度优化算法,以快速制定舰载机保障调度计划。  方法  运用学徒学习思想,将专家示例中的已执行任务与未执行任务成对予以比较,构造样本集,训练基于航母甲板特征的保障任务排班分类器,然后以此为基础设计学徒制舰载机机群保障任务调度算法,并从求解结果、求解时间和资源分配方面与传统的遗传算法进行对比。  结果  结果显示,采用学徒制算法制定的舰载机机群保障调度计划与传统的遗传算法相比结果相当,但收敛速度提升了近4倍,且相比遗传算法能更加平均地分配保障资源。  结论  采用学徒制算法可以充分学习专家的经验,解决静态单目标的舰载机保障调度问题,能为研究动态多目标的舰载机保障调度提供基础。
某型自动化立体仓库储位优化算法研究
陈俭新, 黄予洛, 宁蒙, 李冠峰
2022, 17(4): 155-163. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02374
摘要:
  目的  某船用自动化立体仓库在使用过程中存在不同类储具乱序的问题 该现象将影响后续物资保障效率,因此需要进行自动化立体仓库储位优化研究。  方法  首先,分析某型自动化立体仓库的运行特点,以最小化储位优化时间、同组货品距离为目标建立储位优化模型;随后,为了克服传统蒙特卡洛搜索易陷入局部最优的缺点,引入模拟退火算法进行最优节点选择优化,同时改进蒙特卡洛树搜索算法;最后,对改进的蒙特卡洛树搜索算法进行算法优化性、稳定性和收敛性测试。  结果  试验表明,与基于贪心、基于魔方还原以及传统蒙特卡洛树搜索算法相比,改进的蒙特卡洛树搜索算法在储位优化运行时间上至少优化30%。  结论  通过在蒙特卡洛树搜索算法中加入最优路径随机选择因素,能够避免算法陷入局部最优;优化后的蒙特卡洛树搜索算法能够有效实现储位优化
基于Kalman滤波的船舶磁化干扰系数测量算法
闫辉, 周国华
2022, 17(4): 164-169. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02273
摘要:
  目的  针对以船舶为载体的三分量地磁场测量系统,为了提高其测量效率并降低工程难度,提出基于Kalman滤波的船舶磁化干扰系数测量算法。  方法  根据三分量地磁场测量数学模型中船磁干扰的作用形式及特征,提出解算船舶磁化干扰系数的Kalman滤波算法实施步骤,然后开展计算机仿真和船模实验,以验证该算法的有效性。  结果  在有效磁场测量数据样本较少的条件下,该算法保证了良好的收敛性,分离出了较高精度的三分量地磁场。  结论  Kalman滤波算法为船舶磁化干扰系数测量的工程实践提供了一条高效率、低成本的可行路径。
旋流式复合喷头红外降温特性试验分析
王振, 朱森林, 刘银水, 李良才
2022, 17(4): 170-176. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02324
摘要:
  目的  针对现有红外降温设备响应时间长、红外降温耗时久的问题,开展优化研究。  方法  利用基于水雾颗粒的吸收、散射和水膜降温双重作用衰减目标物体的红外辐射强度,从而提高红外降温系统响应速率的原理,设计旋流式复合喷头,通过对比试验,分析不同压力下旋流式复合喷头与传统水膜喷头的红外降温特性。  结果  结果表明,当供水压力为0.3,0.5,0.8 MPa时,相比传统水膜喷头,旋流式复合喷头的红外降温耗时分别缩短了27.9%,47.3%,46.2%,且在水雾喷出的瞬间,目标红外辐射温度与真实温度相比分别低了8.62,11.13,11.09 ℃。  结论  研究显示旋流式复合喷头能够有效控制目标的红外降温时长,提高降温效果。
用移动粒子半隐式方法数值模拟Poiseuille流动问题
兰小杰, 赵伟文, 万德成
2022, 17(4): 177-182. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02276
摘要:
  目的  Poiseuille流动问题广泛存在于工业生产中,而采用移动粒子半隐式(MPS)方法模拟Poiseuille流等壁面剪切流动其稳定性与可靠性还需要进一步予以验证。  方法  首先,在MPS方法求解器MLParticle-SJTU的基础上,建立恒流量入口边界条件和无滑移壁面边界条件;然后,在入口边界改变来流速度,对二维管道中不同雷诺数下的不可压缩牛顿流体Poiseuille流进行模拟研究;最后,将数值模拟结果与理论解析结果进行对比,验证数值模拟结果的准确性。  结果  模拟结果显示,流动充分发展后,Poiseuille流的速度剖面呈抛物线型,且在不同雷诺数下,数值模拟结果的速度峰值与理论解析解间的相对误差均在5%以内。  结论  所做研究说明在所提边界条件下,采用MPS方法模拟二维Poiseuille流是有效且可靠的。
结构与装置
无人帆船柔性风帆技术发展现状与展望
方泽江, 谭俊哲, 纪光英, 袁鹏, 孙泽, 王树杰
2022, 17(4): 183-193. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02371
摘要:
风帆系统及其气动性能是决定无人帆船动力性能的重要因素。为了把握无人帆船柔性风帆未来研究方向,首先,介绍国际上具有代表性的柔性风帆无人帆船;然后,从物理特性、安装和固定、调帆等角度总结柔性风帆系统的技术现状,评述数值模拟、风洞试验和水上试验这3种柔性风帆气动性能研究方法的进展,并总结柔性风帆气动性能研究的基本技术路线;最后,对未来无人帆船以及柔性风帆发展的关键技术进行展望。
基于门控循环单元神经网络的箱型梁结构裂纹损伤检测方法
骆撷冬, 马栋梁, 张松林, 王德禹
2022, 17(4): 194-203. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02415
摘要:
  目的  随着智能船舶的发展,传统裂纹损伤检测方法已难以满足检测需求,为此,提出一种基于门控循环单元(GRU)神经网络的箱型梁结构裂纹损伤实时检测方法。  方法  通过基于Python语言的ABAQUS二次开发技术,建立箱型梁裂纹损伤模型,计算其在动态高斯白噪声激励下的加速度响应。通过数据裁剪技术扩充原始数据之后生成数据集,并考虑噪声的影响。建立基于GRU的箱型梁裂纹损伤检测模型,直接将加速度响应数据集作为输入,以最小损失函数值为目标来训练模型,并与基于小波包变换的多层感知机神经网络(WPT-MLP)进行对比。  结果  结果显示,所提出的GRU模型在损伤位置和损伤长度的检测上相比WPT-MLP检测精度更高,对噪声的敏感程度更低,且在对损伤位置的近似预测方面精度也较高。  结论  研究证明了GRU神经网络在包含多个板的箱型梁结构裂纹损伤检测中的适用性。
轴向循环载荷下加筋板极限承载性能分析
崔虎威, 丁启印
2022, 17(4): 204-211. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02400
摘要:
  目的  为提高船体加筋板极限承载性能非线性数值模拟的准确性,研究理想弹塑性、各向同性强化及循环塑性Chaboche材料模型对加筋板极限状态时的塑性屈服分布及压缩、拉伸极限强度的影响。  方法  针对某同一尺寸加筋板,采用ANSYS软件开展轴向循环压缩、循环压缩−拉伸载荷下的极限承载性能非线性有限元数值模拟。  结果  结果显示,不同的材料属性对加筋板极限承载性能及极限状态时的塑性屈服分布具有显著影响;在开展船体加筋板极限承载性能非线性有限元数值模拟时,需要根据不同的载荷形式选择恰当的材料模型。  结论  所得结果对进一步研究船体结构在循环载荷作用下的极限强度特性及累积塑性破坏机理具有一定的参考价值。
基于子程序二次开发的双向曲率板应变分布计算方法
蔡向东, 赵耀, 魏振帅, 常利春
2022, 17(4): 212-219. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02313
摘要:
  目的  在船舶双向曲率板的自动化成型研究中,板材的面内应变和面外应变分布计算方法是一个重要问题。针对现有应变计算方法存在的局限性,提出一种提高船舶双向曲率板应变分布计算精度的方法。  方法  以圆形平板为研究对象,在有限元软件中进行子程序的二次开发,逐步施加位移场载荷,提高应变分布的计算精度;考虑到实际加工过程是弹塑性变形的过程,因此讨论材料非线性对应变分布的影响;从计算精度和计算效率的角度,讨论各种计算方法的适用性。  结果  子程序计算方法解决了现有方法计算精度不足、建模复杂和计算效率低下的问题;考虑到计算效率,建议使用弹性大变形有限元方法来计算应变;针对不同曲率半径的目标形状,对计算方法的选取给出了合理的建议。  结论  研究成果可为船舶双向曲率板的自动化成型系统提供准确的应变分布,具有实际的工程应用价值。
武器与电子信息系统
舰艇损管指挥信息系统复杂网络结构建模及优化分析
伞兵, 侯岳, 浦金云, 王康勃
2022, 17(4): 220-227. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02441
摘要:
  目的  现代舰艇灾害突发性以及蔓延快速性的显著提升,对舰艇损管指挥网络的信息化水平提出了更高要求。基于损管指挥信息系统复杂的网络特性分析,构建该系统的网络拓扑模型。  方法  针对当前模型存在的不足,在随机网络化方法的基础上,综合考虑损管指挥信息网络的节点属性和增加网络密度的成本因素,提出一种择优随机网络化的结构优化方法,并通过案例仿真对具体的优化流程予以演示。  结果  仿真结果表明:指挥子网和设备子网的结构优化对整体网络性能的影响各异;相比传统的随机网络化方法,择优随机网络化方法的优化效能更高。  结论  后续研究可从改变子网之间的连接方式入手,解决末级指挥节点度过高的问题,以进一步改善损管指挥信息网络的综合性能。
基于多智能体技术的舰炮备品备件配置方法
董正琼, 唐少康, 李晨阳, 聂磊, 周向东, 丁善婷, 范宜艳
2022, 17(4): 228-234. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02740
摘要:
  目的  备品备件的种类和数量直接影响到舰炮装备的保障能力,由于舰船的空间存储能力有限,通常无法溢出式地携带备品备件。为提高装备的部队级保障能力,提出一种基于多智能体仿真的舰炮装备备品备件资源配置方法。  方法  首先,利用多智能体建模技术模拟舰炮装备的功能结构与运行状态;再结合各单元部件的失效率进行蒙特卡洛重复性仿真试验,同时统计计算备件满足率、备件利用率等相关指标;最后,根据上述指标对备品备件配置方案进行分析与评估,通过多次迭代试验得出最优方案。以单100 mm舰炮为例,通过建立多智能体仿真模型,对其备品备件的配置方案进行评估与优化。  结果  相比于携带7个备件的基础式方案,优化方案的备件携带数量减少了约63%,且备件满足率几乎与基础式方案一致,备件利用率提高到2.5倍。  结论  仿真分析案例验证了所提方法的有效性,可为舰炮装备备品备件配置方案的设计提供参考。