無人艇遠程優化服務平臺設計

劉 曼，岳宗杰，楊松林

(1. 渤海船舶職業學院 船舶工程系，遼寧 葫蘆島 125000；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

在水面無人艇艇型優化方面，國內外不少學者做了大量的研究，主要包括對無人艇的結構[1]和性能兩方面進行優化。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，通過非線性規劃優化理論，求解給定艇體目標函數最小值，進而求解出最優艇型。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行比較分析，得出最優艇型方案，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進行多目標優化設計，對船舶航行性能的優化模型進行優化，得出滿足約束條件下的最優解，并比較了多目標優化相比于單目標優化的優勢。水面無人艇艇型優化是設計中至關重要的環節，單一的優化某一學科的性能已不能滿足設計的需要。在選取艇型參數時應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割裂開。

隨著無人艇設計技術的日益完善和互聯網技術的發展，將傳統的無人艇優化設計與現代互聯網絡相結合，建立一套無人艇遠程優化服務平臺，具有重要的應用價值和工程意義。

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化設計數學模型，構造尋優方法，基于互聯網構建水面無人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）的優化服務平臺，采用遠程控制訪問服務端和網站下載安裝2種方式以實現服務平臺的遠程使用。

1 無人艇綜合優化軟件設計

無人艇綜合優化是針對一種水面單體無人翼滑艇（見圖1），通過建立優化數學模型，基于多種優化方法，構造該類水面無人艇的綜合優化設計軟件，可對同類型艇體進行優化設計。

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

1.1 無人艇綜合優化數學模型的建立

無人艇綜合優化數學模型主要包括設計變量、目標函數及對應的約束條件。具體步驟為：1）確定無人艇阻力性能、推進性能、操縱性、耐波性及抗傾覆性性能評價函數及其最優的描述形式（目標函數）；2）選定其他性能（浮性、穩性等）滿足條件（約束條件）和設計變量及其范圍；3）構建水面無人艇的性能綜合優化數學模型。

1.1.1 無人艇綜合優化設計變量

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個設計變量作為綜合優化設計變量，如表1所示。

1.1.2 無人艇綜合優化目標函數

采用冪指數乘積的形式建立水面無人艇綜合優化目標函數，構造的目標函數如下：

表1 設計變量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重，且ε1*ε2*ε3*ε4=1。這里需要綜合優化總目標函數的值越大越好。

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

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為相對旋轉效率；ηS為軸系傳送效率。

2）船舶操縱性主要涉及航行穩定性、回轉性、轉首及跟從性、停船性能。對本文設計翼滑艇，操縱性目標函數主要選取直線穩定性、轉首性和回轉性來描述：

式中：C′為無因次穩定性衡準數；P(x)為轉首指數；DS為最小相對回轉直徑。以上3個指數均采用文獻[14]中的公式給出，分別為3項的權重。

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

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

4）抗傾覆性目標函數采用初穩性高和翻轉后的穩性高來描述[14]：

1.1.3 無人艇綜合優化約束條件

目標函數確定后，往往需要在一定約束條件下求得最值，而設計變量的上下限范圍對目標函數有決定性的作用，因此，確定設計變量及目標函數后，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直徑約束；抗傾覆性不等式約束包括：正浮初穩性高約束、翻轉穩性高約束和上層建筑總高度約束。另外，均需滿足設計變量上下限約束。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，優化得到的排水體積與設計排水體積保持一致，即 ?=LBHCB；

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

③ 滿足轉矩約束，主機供給螺旋槳的轉矩等于螺旋槳所承受的水動力轉矩，即

2）不等式約束

① 滿足24個設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 翻轉后的吃水小于上層建筑的總高度：T1

1.2 無人艇綜合優化軟件的構造

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化數學模型，構造基于敏感設計變量（指所有設計變量中較敏感的設計變量，在對重點變量進行優化計算之前，首先對某些設計變量進行敏感度分析。敏感度是指設計變量在某特定范圍內變動，觀察此變量對優化計算得出的適應度值的影響）的多種智能優化算法，形成1套較為完善的水面無人艇性能綜合優化理論方法。

構造的無人艇綜合優化軟件主要包含兩部分：1）由優化設計變量、目標函數及約束條件構成的無人艇綜合優化數學模型，以適應度函數的形式表現；2）包含遺傳算法、粒子群算法等的優化方法。將適應度函數與優化算法在Visual Studio（VS）2010上通過編譯接口，實現基于多種算法的綜合優化計算。 該軟件主要包括進入界面、設置設計變量上下限界面、設置權重因子界面和選擇各個算法計算界面，如圖2所示。

圖2 優化軟件截圖Fig. 2 Optimal software screenshot

2 無人艇遠程優化服務平臺設計目標及平臺搭建

2.1 無人艇遠程優化服務平臺設計目標

遠程服務平臺的設計出發點是共享異地的設計平臺，減小企業軟件開發的成本及投資風險，可使用戶不局限于時間地點，通過遠程控制軟件操作服務端或者通過網站下載應用程序等方式自主使用平臺，有效地實現資源的共享。無人艇遠程優化服務平臺設計目標有以下幾點：

1）用戶需遠程登陸或者下載服務平臺，隨時隨地打開程序進行優化設計，且可以同步發送結果文件。

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

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

4）針對不同用戶應分配不同的用戶權限級別，通過設置程序使用期限或者可見訪問頁面等方式，區分不同的用戶。對于普通游客，權限設置最低，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行試用。對于高級會員，除享受以上服務外，還可提供軟件的二次開發等升級服務，或者根據用戶具體設計艇型進行新艇型的優化平臺的開發。

5）服務平臺應具有較高的可靠性與安全性。應可以保證結果文件的完整性、保密性。

針對以上設計目標，共采用2種方式實現無人艇優化服務平臺的應用。對于采用遠程控制軟件的服務系統，基于網絡的遠程控制、計算數據的實時傳輸、服務端操作平臺是該遠程服務平臺的技術關鍵。對于網站設計的服務系統，會員管理、用戶權限設計、下載鏈接安全性等是技術關鍵。2種服務方式的系統示意圖如圖3所示。

圖3 遠程優化軟件系統示意圖Fig. 3 A diagrammatic sketch of a remote optimization software system

2.2 無人艇優化服務平臺搭建

為保證平臺安全性，對無人艇優化服務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應用程序。

打包后的應用程序安裝簡單，且不再受程序運行環境的影響，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 無人艇優化平臺遠程服務設計

3.1 基于遠程控制的無人艇優化服務平臺設計

遠程控制系統的出現，使得企業之間資源共享成為可能。大大提高企業信息化、自動化的程度，基于互聯網技術的遠程控制技術也進一步提高了企業的生產力。在性能方面，遠程系統一般有實時性、穩定性、可操作性、可靠性的要求。

遠程控制無人艇優化服務平臺的設計結構圖如圖4所示。

圖4 服務平臺設計結構圖Fig. 4 Design structure of service platform

可實現一對一服務模式，也可實現一對多的服務模式，服務端采用1臺數據計算和處理能力較為強大的計算機作為主機，客戶端可以是一個也可以是多個。

3.2 基于Web的無人艇優化服務平臺設計

采用遠程控制軟件實現無人艇優化平臺的遠程應用，需要配備專門的服務端電腦，且需要有專人看管，用戶操作起來較為麻煩，而且只能針對已經對平臺有了解且具有明確使用意圖的用戶。本節提供另一種服務平臺應用的方式，通過開發網站，將無人艇優化服務應用程序發布到網頁，提供下載鏈接。

4 無人艇優化平臺遠程服務可靠性測試

為了分析2種方式實現的無人艇優化服務的系統可靠性，在實驗室測試環境下，分別進行了2種方式的功能測試。

4.1 基于遠程控制的無人艇優化平臺可靠性測試

1）一對一服務模式系統測試

服務端選用1臺Windows 7操作系統的主機，部署了無人艇優化應用程序。用戶端選用1臺Windows 10操作系統的主機，在2臺主機模擬測試運行。具體步驟如圖5所示。

圖5 運程服務模式操作流程圖Fig. 5 Operation flow chart of remote sevice

服務端與用戶端入網方式均是寬帶連接，數據傳輸速率為 10 Mb/s～3 Gb/s，滿足傳輸要求。

2）一對多服務模式系統測試

當用戶為2個及2個以上時，就出現了服務端一對多的服務模式，為了檢測這種情況下控制系統的安全性及可行性，選用3臺主機模擬3個用戶，3臺主機分別為 Windows XP，Windows 7 和 Windows 10 系統。入網方式為寬帶和無線網。模擬過程與一對一模式類似，區別是當3個用戶同時登陸服務端時，會有3個窗口分別對應3個客戶端。經測試，發現3個程序同時運行時，運行速度并未降低。計算結束后，同樣可以將結果文件分別傳輸給3個用戶。當用戶完成優化計算時，可采用2種方式發送結果文件：①由服務端人員發送文件給特定用戶；②在服務端設置文件使用限制，用戶需驗證后才可發送文件。采用這2種方法，可以保證多個用戶使用時數據文件的保密性。

4.2 基于Web的無人艇優化平臺可靠性測試

測試主要問題包括：是否存在非授權訪問；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；應用程序安裝過程是否存在問題。

采用網站形式發布鏈接，克服了遠程控制系統必須提供服務端主機及專門管理人員的缺點，使用相對簡便。

4.3 測試結果對比

從測試時間及操作復雜度、測試結果準確度等對2種測試結果分析對比。

1）操作時間及操作復雜度對比。采用遠程控制的方式，用戶登錄服務端主機時，需要事先知道服務端主機的ID，且每次登錄時均需準確輸入密碼才可與服務端主機相連接，進而登錄主機操作系統平臺；而采用基于Web的服務模式，用戶僅需要注冊會員，下載應用程序，即可使用平臺。因此操作相對簡便，用時較短，且可直接通過網絡提出針對用戶需求的軟件的二次開發要求。

2）測試結果準確度對比。為了比較2種方式的優化結果，將設計變量上下限、主要船型參數等設置完全相同，優化算法均選擇遺傳算法，優化參數設置一致。經測試后，發現輸出結果文件中2種方式的優化計算時間相同，這與實際情況相符。需要注意的是，無論采用哪種服務模式，當用戶登錄無人艇優化平臺后，進行的優化操作僅僅與選擇的優化算法、設置的優化艇型參數（設計變量上下限、權重等）有關。即無人艇艇型優化僅僅取決于優化平臺本身，遠程登錄計算方式與客戶端直接運行程序計算方式優化結果相同。

結果表明，在水面無人艇初步設計階段，使用開發的無人艇優化服務平臺，通過輸入設計艇型的排水量、設計變量個數等設計參數，給定設計變量初始上下限、權重和懲罰因子，可以通過多種智能優化算法快速地為設計者優化出滿意的目標艇型。該系統界面交互性較優，使用簡便，開發基于遠程控制及網站方式的應用模式，一方面可以充分發揮基于智能優化算法的無人艇優化設計優勢，另一方面將其開發成基于互聯網的應用系統，可以充分利用互聯網的優勢，加快無人艇設計進程，是一種新型的無人艇優化設計資源共享途徑，有利于實現資源的重復利用。

5 結 語

設計無人艇的優化服務平臺具有操作簡單，應用方便的優勢，可提供特定艇型的無人艇的優化設計，同時對進一步開發功能更加完善的智能船舶設計系統具有指導意義。