基于船舶操縱性的船舶海上航行安全研究.pdf

1、船舶操縱性作為船舶重要的航行性能之一，一直以來與船舶海上航行安全有著緊密的聯系，受到了國際海事組織、各國政府以及專家學者們的廣泛關注。根據統(tǒng)計，近十年來與船舶操縱性有關的海上交通事故類型的事故數占海上交通事故總數超過30％，凸顯出船舶操縱性在船舶海上航行安全中的重要性。同時，隨著未來船舶向著智能化和無人化的趨勢發(fā)展，降低了人為因素的影響，船舶操縱性在船舶海上航行安全中的重要性將逐漸增加?；谏鲜鲈?，為了減少與船舶操縱性相關的海上交通安

2、全事故的發(fā)生數量，降低相應的海上人員和財產損失，保護好海洋生態(tài)環(huán)境，本文基于船舶操縱性，從以下三部分開展了船舶海上航行安全研究工作，首先利用實船操縱性試驗獲得的靜態(tài)特征參數和指標開展船舶操縱性評價研究，然后基于動態(tài)的船舶運動數學模型開展船舶操縱運動控制設計與分析研究，最后同時利用動態(tài)的船舶操縱運動過程和靜態(tài)的操縱性試驗特征參數開展緊迫局面下船舶操縱避碰研究。
　　本研究主要內容包括：⑴基于IMO和ABS《船舶操縱性標準（準則）》，

3、利用模糊網絡分析法提出了一種新穎的基于等級的船舶操縱性評價模型。該評價模型能夠初步解決船舶操縱性評價中各操縱性因素間相互關聯、相互影響的問題，并改進現有船舶操縱性評價中各操縱性因素權重不合理的缺陷?；谠撛u價模型，使得船舶操縱性評價的過程及結果更為合理，并對各操縱性因素賦予了合理的權重值。最后，利用三艘船舶實船操縱性試驗數據確定船舶操縱性等級，并進行分析和對比研究，結果表明該評價模型的合理性和有效性。通過確定船舶操縱性等級，能直觀、準確

4、的反映船舶操縱性是否滿足海上航行安全的最低要求，并能夠為進一步提升船舶操縱性和海上航行安全水平提供理論支撐。⑵針對一類增益已知的不確定嚴格反饋離散時間非線性系統(tǒng)，提出了一種新穎的自適應神經網絡控制設計，并進一步對增益未知的船舶操縱運動離散時間非線性系統(tǒng)進行控制設計與分析。通過將單一神經網絡控制技術和最少學習參數算法相結合，所提出控制算法能夠較好的解決常規(guī)自適應后推控制設計所存在的“復雜性爆炸”問題和“維數災難”問題，并在控制設計中通過引

5、入輔助設計系統(tǒng)以有效的克服輸入飽和限制問題。根據所提方法設計的控制器結構簡單，僅包含一個實際控制律與一個自適應律，在線學習的神經網絡輸入變量和權重都大為減少，最終整個系統(tǒng)需要在線學習的可調參數減少至一個。與現有控制算法相比，本文所提出的控制結構更為簡單，學習參數最少，并且計算量也最小。在船舶操縱運動系統(tǒng)進行控制設計過程中，通過考慮由實船船舶操縱性試驗結果分析得到的船舶操縱性指數，使得最終的船舶操縱運動控制系統(tǒng)能較為準確反映出船舶在海上實

6、際操縱過程中的操縱性，為進一步開展船舶避碰研究提供堅實的理論基礎。⑶開展處于緊迫局面會遇態(tài)勢下的船舶操縱避碰研究，首先，針對緊迫局面定義下的避碰態(tài)勢，通過將船舶操縱運動數學模型、船舶操縱運動控制系統(tǒng)、以及船舶動態(tài)避碰要素計算模型相結合，提出了一種基于操縱性的船舶操縱避碰動態(tài)輔助系統(tǒng)。該輔助系統(tǒng)能基本上消除過去在船舶避碰過程中常常忽略船舶操縱性的缺陷，并利用該輔助系統(tǒng)對處于緊迫局面內兩船的三種會遇態(tài)勢進行了仿真研究，仿真結果證明了該輔助系

7、統(tǒng)的合理性和有效性，也表明在避碰過程中考慮船舶操縱性的必要性和重要性。隨后，基于船舶操縱性和協同學理論提出了一種新穎的協同船舶領域模型?；趨f同學理論和分析大量實船操縱旋回試驗數據，所提出的協同船舶領域模型初步解決了常規(guī)船舶領域中未考慮會遇船舶間相互影響的問題以及未充分考慮船舶操縱性的不足。與常規(guī)船舶領域相比，所提出的協同船舶領域更為合理，為減少由于船舶操縱性因素所導致的船舶碰撞事故提供有效的理論基礎，以切實提供船舶海上航行的安全水平。