船舶耐波性安全評(píng)價(jià)及程序設(shè)計(jì)應(yīng)用

李生長(zhǎng)，王鳳武

(1．煙臺(tái)大學(xué) 海洋學(xué)院，山東 煙臺(tái)264005;2．大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連116026)

0 引言

船舶耐波性是船舶在波浪擾動(dòng)下，仍能維持一定航速安全航行的性能，對(duì)船舶航行中的安全尤為重要。耐波性的考量主要通過(guò)各種耐波性評(píng)價(jià)方法完成，在耐波性評(píng)價(jià)方法中計(jì)算船舶航行在一定風(fēng)浪環(huán)境下的耐波性安全評(píng)估值，依據(jù)評(píng)估值的大小可以選取當(dāng)時(shí)風(fēng)浪條件下最有利的航速和航向，從而指導(dǎo)船舶操縱，保證航行安全。本文在計(jì)算船舶的耐波性安全評(píng)估值時(shí)采用的是基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的耐波性安全評(píng)價(jià)方法，為了方便和快速地進(jìn)行評(píng)估值計(jì)算，本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的耐波性評(píng)價(jià)方法分為幾個(gè)模塊，通過(guò)應(yīng)用Matlab軟件與C語(yǔ)言的接口方法設(shè)計(jì)出了船舶的耐波性安全評(píng)價(jià)程序界面。計(jì)算機(jī)程序界面的應(yīng)用更易于操作和快速地計(jì)算一定風(fēng)浪環(huán)境下的安全評(píng)估值，從而能夠更好地選擇合適的航速和航向來(lái)指導(dǎo)船長(zhǎng)和駕駛員進(jìn)行船舶操縱。

1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶耐波性安全評(píng)價(jià)

1.1 船舶耐波性綜合評(píng)估方程

船舶在一定風(fēng)浪環(huán)境中的安全性可以依據(jù)當(dāng)時(shí)航態(tài)下的耐波性安全評(píng)估值來(lái)進(jìn)行考量，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶耐波性安全評(píng)價(jià)中，通過(guò)計(jì)算耐波性綜合評(píng)估方程來(lái)獲得安全評(píng)估值。船舶耐波性綜合評(píng)估方程如下:

式中:Rx為某風(fēng)浪環(huán)境下船舶以一定航速和航向航行時(shí)的安全評(píng)估值，它越大，表明船舶沿此航態(tài)航行越安全;n為選取的耐波性因素個(gè)數(shù);Ki為各耐波性因素的權(quán)重系數(shù)，其值反映各因素響應(yīng)對(duì)船舶安全性的影響程度，采用層次分析方法計(jì)算獲得;Pi為各耐波性因素在當(dāng)前海況和航態(tài)下的響應(yīng)幅值或其超越耐波性衡準(zhǔn)值出現(xiàn)的概率;P'i為保證船舶安全航行時(shí)各因素允許的響應(yīng)幅值或其為衡準(zhǔn)時(shí)允許出現(xiàn)的概率［1］。

1.2 船舶耐波性因素計(jì)算

從耐波性的綜合評(píng)估方程中可知，要得出耐波性安全評(píng)估值Rx，需要選取影響船舶航行安全的耐波性因素，并且要計(jì)算出在一定的風(fēng)浪環(huán)境和航行狀態(tài)下與其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)幅值或其超越衡準(zhǔn)值出現(xiàn)的概率。通過(guò)查閱有關(guān)文獻(xiàn)，研究海上風(fēng)浪對(duì)航行安全的影響以及對(duì)船舶駕駛員的調(diào)研，選取了影響船舶安全較顯著的耐波性因素，包括橫搖、縱搖、升沉、船首垂向加速度、砰擊、螺旋槳出水和甲板上浪等7個(gè)因素，其響應(yīng)幅值或超越衡準(zhǔn)值出現(xiàn)的概率通過(guò)譜分析方法和耐波性計(jì)算公式獲得［2］。

1.2.1 海浪譜密度公式

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶耐波性安全評(píng)價(jià)采用ITTC(國(guó)際船模試驗(yàn)池會(huì)議)推薦的雙參數(shù)譜計(jì)算海區(qū)的海浪譜密度，其公式如下:

通過(guò)海浪譜密度的計(jì)算，進(jìn)而預(yù)報(bào)船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)的性能。

1.2.2 船舶在不規(guī)則波中的六自由度運(yùn)動(dòng)計(jì)算

依據(jù)不規(guī)則波理論和平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程中的譜分析知道，船舶在風(fēng)浪中的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為線(xiàn)性系統(tǒng)對(duì)不規(guī)則海浪輸入的響應(yīng)問(wèn)題，故而:

由此可得到船舶六自由度運(yùn)動(dòng)的方差:

應(yīng)用同樣原理，可以計(jì)算當(dāng)時(shí)風(fēng)浪環(huán)境下橫搖、升沉、船首垂向加速度的有義幅值。

1.2.3 砰擊、螺旋槳出水、甲板上浪計(jì)算

一定風(fēng)浪環(huán)境下，砰擊發(fā)生概率P和單位時(shí)間內(nèi)砰擊次數(shù)N的值，依據(jù)不規(guī)則波理論和砰擊條件，通過(guò)以下公式求得:

圖1 縱搖有義幅值隨浪向角變化曲線(xiàn)Fig.1 Curve of pitching significant amplitude with wave angle

式中:d為計(jì)算點(diǎn)的吃水;v為臨界相對(duì)速度;σ2為計(jì)算點(diǎn)的相對(duì)位移的方差為計(jì)算點(diǎn)相對(duì)速度的方差。

同樣的，螺旋槳出水和甲板上浪在一定風(fēng)浪環(huán)境下的發(fā)生概率和單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)生次數(shù)也可以依據(jù)不規(guī)則波理論和各自相應(yīng)的發(fā)生條件求得。

1.3 船舶耐波性安全評(píng)價(jià)的Matlab實(shí)現(xiàn)

船舶耐波性安全評(píng)價(jià)的Matlab實(shí)現(xiàn)必須要有用于建模的樣本數(shù)據(jù)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本數(shù)據(jù)包括樣本的輸入向量和輸出向量。將上面提到的橫搖、縱搖等7個(gè)因素和由綜合評(píng)估方程計(jì)算得到的安全評(píng)估值Rx分別作為樣本數(shù)據(jù)的輸入向量和輸出向量。為了盡可能全地描述船舶航行在風(fēng)浪環(huán)境中的各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及保證樣本數(shù)據(jù)的科學(xué)合理性，選擇以浪向角0°為基準(zhǔn)，每間隔15°取一樣本，對(duì)應(yīng)船舶航速分別為13 kn和15 kn，依據(jù)上面提到的船舶資料和風(fēng)浪條件獲得的部分樣本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 耐波性安全評(píng)價(jià)的部分樣本數(shù)據(jù)Tab.1 Integrant sample data of seakeeping's safety evaluation

為了保證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型的正確及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，選擇線(xiàn)性的purelin函數(shù)作為輸出層的傳遞函數(shù);設(shè)置一個(gè)隱層，隱層的傳遞函數(shù)采用S型函數(shù)tansig，隱層神經(jīng)元的數(shù)目通過(guò)試驗(yàn)的方法選擇，取為15;訓(xùn)練函數(shù)采用改進(jìn)的訓(xùn)練算法traingd，學(xué)習(xí)速率根據(jù)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練情況選擇為0.05。在Matlab環(huán)境下調(diào)用相應(yīng)函數(shù)對(duì)建立的耐波性安全評(píng)價(jià)模型進(jìn)行訓(xùn)練［4］。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程Fig.2 The process of network training

由訓(xùn)練過(guò)程可看出，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)7848次訓(xùn)練達(dá)到了訓(xùn)練精度10－4，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練之后的耐波性安全評(píng)價(jià)模型，可以用來(lái)計(jì)算船舶一定航態(tài)下的耐波性安全評(píng)估值R［5］。

x

2 船舶耐波性安全評(píng)價(jià)的程序設(shè)計(jì)

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型模塊分析

要完成船舶耐波性安全評(píng)價(jià)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)首先需要對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各個(gè)計(jì)算模塊進(jìn)行分析，其中主要涉及以下幾個(gè)模塊:船舶參數(shù)模塊、航行環(huán)境模塊、耐波性因素值計(jì)算模塊、耐波性衡準(zhǔn)模塊、耐波性綜合評(píng)估方程計(jì)算模塊、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模塊、船舶航態(tài)模塊、耐波性安全評(píng)估值顯示模塊。船舶參數(shù)模塊用來(lái)輸入船舶的主要資料數(shù)據(jù)，包括船長(zhǎng)、船寬、排水體積等;航行環(huán)境模塊可以輸入航行海域的實(shí)時(shí)風(fēng)力，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取波浪特征周期和有義波高，從而用來(lái)計(jì)算當(dāng)時(shí)的波浪譜密度;耐波性因素值計(jì)算模塊是在給定條件的船舶航態(tài)下結(jié)合船舶參數(shù)模塊和航行環(huán)境模塊應(yīng)用上述提到的計(jì)算公式來(lái)獲得耐波性因素值，耐波性因素值一方面用于綜合評(píng)估方程的計(jì)算，另一方面作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型的樣本輸入向量;耐波性衡準(zhǔn)為各耐波性衡準(zhǔn)要素能達(dá)到的極限指標(biāo)值，參考各國(guó)有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)和專(zhuān)家學(xué)者提出的建議選定，其值恒定;耐波性綜合評(píng)估方程計(jì)算模塊是應(yīng)用耐波性因素值與耐波性衡準(zhǔn)來(lái)計(jì)算安全評(píng)估值，為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型提供樣本輸出向量;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型模塊主要通過(guò)樣本輸入向量和樣本輸出向量選取合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)生成船舶的耐波性安全評(píng)價(jià)模型;船舶航態(tài)為船舶航行時(shí)實(shí)時(shí)的航速和航向信息;耐波性安全評(píng)估值顯示模塊為應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型之后根據(jù)船舶航態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)時(shí)的安全評(píng)估值，用以判斷該航行狀態(tài)下的安全程度，該值越大越安全，從而指導(dǎo)船舶的安全操縱。通過(guò)分析繪制出的評(píng)價(jià)模型流程如圖3所示。

圖3 耐波性評(píng)價(jià)模型流程圖Fig.3 The flowchart of the seakeeping's evaluation model

2.2 程序設(shè)計(jì)界面

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的耐波性安全評(píng)價(jià)是在Matlab環(huán)境下完成的，Matlab具有很好的開(kāi)放性，通過(guò)與C語(yǔ)言程序的結(jié)合，將Matlab作為計(jì)算引擎，在C語(yǔ)言應(yīng)用程序中調(diào)用，可以很好地對(duì)耐波性安全評(píng)價(jià)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。通過(guò)ActiveX控件，前臺(tái)設(shè)計(jì)為由C語(yǔ)言編寫(xiě)的選擇顯示界面，后臺(tái)由Matlab來(lái)進(jìn)行計(jì)算［6］。

結(jié)合上面的模塊分析，應(yīng)用C語(yǔ)言編程，設(shè)計(jì)出了一個(gè)菜單界面和一個(gè)結(jié)果顯示界面。菜單界面如圖4所示，主要包括船舶參數(shù)、航行環(huán)境、耐波性衡準(zhǔn)、船舶航態(tài)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等菜單選項(xiàng)，每個(gè)菜單項(xiàng)都包含各自的子菜單，可以進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的輸入和修改，如圖5為船舶參數(shù)子菜單。結(jié)果顯示界面主要是直觀顯示耐波性安全評(píng)估值，還可以查看和檢驗(yàn)所選擇的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖6為耐波性安全評(píng)估值顯示界面，圖7為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖顯示界面。通過(guò)程序設(shè)計(jì)及界面菜單選擇，可以方便和快速地進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的耐波性評(píng)價(jià)模型構(gòu)建，以及直觀地獲取耐波性安全評(píng)估值，進(jìn)而選擇合適的航向和航速信息來(lái)指導(dǎo)船長(zhǎng)和駕駛員對(duì)船舶的操縱。

圖4 菜單界面Fig.4 The menu interface

圖5 船舶參數(shù)界面Fig.5 The interface of ship's parameters

圖6 耐波性安全評(píng)估值顯示界面Fig.6 The display interface of safety evaluation value

圖7 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure of BP neutral network

3 結(jié)語(yǔ)

船舶在海上航行，難免遭遇大風(fēng)浪等惡劣天氣，如何在惡劣天氣下選擇正確地操縱，保證船舶安全尤為重要。通過(guò)應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行船舶的耐波性安全評(píng)價(jià)，以及使用Matlab軟件與C程序語(yǔ)言的接口方法建立安全評(píng)價(jià)的程序界面，可以方便和快速地計(jì)算出安全評(píng)估值，并且可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)按鍵、菜單、窗口等方式進(jìn)行操作和評(píng)估，進(jìn)而從理論上指導(dǎo)船長(zhǎng)和駕駛員的操縱。未來(lái)可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程對(duì)船舶航行時(shí)各個(gè)航態(tài)下的耐波性安全評(píng)估值進(jìn)行優(yōu)選，選取當(dāng)時(shí)風(fēng)浪環(huán)境下船舶航行最安全的航態(tài)來(lái)更好地指導(dǎo)船舶操縱。

［1］ 熊文海．船舶耐波性評(píng)價(jià)及其在航海安全中的應(yīng)用［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2004．XIONG Wen-hai．The evaluation of seakeeping and application in navigational safety［D］．Wuhan:Wuhan University of Technology，2004．

［2］ 李積德．船舶耐波性［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007:65－76，95－126．LI Ji-de．Seakeeping of ship［M］．Harbin:Harbin Engineering University Press，2007:65 －76，95 －126．

［3］ 熊云峰．基于灰色系統(tǒng)理論的船舶耐波性綜合評(píng)價(jià)研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2005．XIONG Yun-feng．The comprehensive evaluation of seakeeping based on the theory of grey system［D］．Wuhan:Wuhan University of Technology，2005．

［4］ 董長(zhǎng)虹．Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用(第二版)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007:85－92．DONG Chang-hong．Matlab Neural network and application(the second edition)［M］．Beijing:National Defence Industry Press，2007:85 －92．

［5］ 李生長(zhǎng)．油船大風(fēng)浪航行中的耐波性評(píng)價(jià)研究［D］．大連:大連海事大學(xué)，2011．LI Sheng-zhang．The seakeeping assessment of oil tanker in storm wave［D］．Dalian:Dalian Martime University Press，2011．

［6］ 陳杰．MATLAB寶典(第四版)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2013:829－849．CHEN Jie．Matlab Collection(the fourth edition)［M］．Beijing:Publishing House Of Electronics Industry，2013:829－849．