狹水道條件下的大型船舶操縱安全優化方法

郭若昕，錢 靖，孫曉鋒

（1.江蘇海事職業技術學院 航海技術學院，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化，是保障大型船舶可靠航行的重要方式。

目前，已經有眾多學者針對船舶操縱進行研究。馬琳等[4]利用改進證據推理方法，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，引入證據可靠性，提升船舶操縱性能的評價精度。將操縱性能評價結果，作為提升船舶操縱水平的依據。張艷云等[5]將支持向量機方法應用于船舶在波浪中的操縱水平提升中，該方法構建了船舶的三自由度操縱運動模型，利用所構建的模型預報船舶運動狀態，辨識船舶的航行運動參數，應用于船舶操縱運動控制中。

上述方法雖然可以實現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化方法

1.1 大型船舶運動結構構建

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 個轉動的附體坐標軸。大型船舶的六自由度運動參數分別為前進速度u、橫漂速度v、起伏速度w、轉首角速度r、橫搖角速度p、縱搖角速度q。

構建大型船舶的平面運動結構表達式如下：

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表示轉動慣量，M與m分別表示船舶的廣義質量矩陣與附加質量矩陣。

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

1.2 大型船舶的黑箱模型評價指標構建

船舶航行時，僅考慮其橫向運動、縱向運動以及轉首運動。構建大型船舶的黑箱模型，所構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部結構狀態。設置大型船舶黑箱模型作為操縱安全優化的動態系統，選取非線性狀態空間方程作為黑箱模型結構。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，依據當前時間的狀態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構的輸出變量，明確在下個時間步長時的狀態變量。

大型船舶的黑箱模型狀態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前狀態變量，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變量。

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

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

構建黑箱模型的目標是無需輸入大型船舶的真實運動狀態時，即可獲取船舶運動與軌跡預測結果。狹水條件下，大型船舶的當前運動狀態，由前一個步長的輸出變量決定。通過輸入控制變量，以及大型船舶狀態變量初值，確定狹水道條件下大型船舶的操縱狀態。選取決定系數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變量

大型船舶在狹水道條件下的狀態變量是用來描述船舶在狹水道中的動態和狀態變化的指標，船舶在靜水中運動時，設置舵角信號作為操縱安全優化模型的輸入控制變量，將船舶在各自由度上的加速度，設置為模型期望輸出變量。狹水道條件下，需要將波浪力、環境信息等參數加入操縱安全優化模型中。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，在黑箱模型內部，自動擬合大型船舶對狹水道條件的動態響應。

船舶由螺旋槳驅動，航行時的環境變化，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，令所構建模型展示船舶在狹水道條件下的內部動力學特性。

設置船舶在狹水道條件下的運動參數，作為黑箱模型的狀態變量：

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)表示船舶的轉首角速度。各自由度運動參數的加速度作為黑箱模型的響應，由此完成狹水道條件下的大型船舶操縱安全優化方法研究。

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。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。風速為8 m/s，均勻風的入射角為85°。

統計采用本文方法構建的運動模型模擬該船舶航行時，前進速度、橫漂速度的模擬結果，統計結果如圖1 所示。

圖1 大型船舶速度模擬結果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。結果表明，運動軌跡模擬結果與實際結果十分吻合，所構建的運動模型滿足大型船舶的運動特性。

統計不同波浪頻率時，狹水道水深吃水比對船舶附加質量力的影響，統計結果如圖2 所示。

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

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

統計狹水道條件下，采用本文方法對大型船舶操縱安全進行優化，船舶主機的輸出有功功率與理想有功功率的對比結果，統計結果如圖3 所示。大型船舶螺旋槳轉速與理想轉速對比結果如圖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化，在狹水道條件下，主機輸出的有功功率與螺旋槳轉速，均與理想數值十分接近，螺旋槳轉速低于最大允許轉速。實驗結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，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化性能理想，適用于實際應用。

3 結語

大型船舶引航員和駕駛員在狹水道區域航行時，通過操縱安全優化，避免航行期間出現事故風險。加強對大型船舶操縱安全優化的研究，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化方法，具有較高的必要性。本文方法可以實現大型船舶操縱安全的有效優化，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，并減少事故的發生。