某型潛艇航渡過程的動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用研究

周建文，孫俊忠，周智勇

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

現(xiàn)階段常規(guī)潛艇在執(zhí)行航渡任務(wù)時(shí)，一般采取水下和水上工況交替航行。在水下大深度、低速航行時(shí)潛艇隱蔽性非常好，而水上航行時(shí)，不僅要求潛艇的通氣管暴露在水面上，而且柴發(fā)機(jī)組的運(yùn)行極大地增加了潛艇的物理場(chǎng)，這就增大了被敵綜合反潛體系探測(cè)到的幾率。暴露率是指通氣管(水面)航行狀態(tài)的時(shí)間占總的航行時(shí)間的比值，在一定程度上反映了潛艇暴露的可能性。潛艇指揮員在執(zhí)行航渡任務(wù)時(shí)需要充分考慮航渡區(qū)域各種因素的影響，合理的使用動(dòng)力系統(tǒng)，以保證潛艇以盡量以小的暴露率完成任務(wù)。

1 航渡時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)的使用特點(diǎn)

潛艇要進(jìn)行戰(zhàn)斗活動(dòng)，為了達(dá)到指定的戰(zhàn)斗海域，首先要進(jìn)行航渡。潛艇要進(jìn)行航渡時(shí)，其基本要求是:按時(shí)到達(dá)指定作戰(zhàn)海域，并保持最高的隱蔽性。因此，要依靠偵察與情報(bào)所獲得的資料，如戰(zhàn)區(qū)及航道上的氣象條件、晝夜的長短、月亮的出沒與盈虧情況、海水的比重與透明度、海深及海底情況(硬海底、液體海底)以及敵人防潛兵力與偵察器材布置情況等來確定動(dòng)力裝置的使用方法。

現(xiàn)代條件下，在一般的戰(zhàn)術(shù)背景情況下，潛艇往往采用白天潛航航渡，夜間邊航行邊充電的方式航渡，稱之為混合航行航渡。潛艇在水下以電機(jī)航渡是最隱蔽的方式，航行速度一般是用經(jīng)濟(jì)航速。此時(shí)水下續(xù)航距離最大，噪音最小。航行深度可根據(jù)敵人的反潛兵力、雷區(qū)情況及海水透明度而定，水下航行時(shí)，非必要情況，蓄電池容量不得低于一定的比值。

2 常規(guī)潛艇動(dòng)力系統(tǒng)模型

2.1 蓄電池模型

常規(guī)潛艇蓄電池充放電過程是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，影響其性能的因素眾多。為了進(jìn)行常規(guī)潛艇充電組織、動(dòng)力系統(tǒng)使用方案優(yōu)化需要對(duì)其蓄電池充放電性能進(jìn)行建模。因?yàn)樾铍姵爻浞烹娺^程是通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，充放電效果受很多因素的影響，很難使用原理分析的方法進(jìn)行效能模型建立，因此通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析建立模型用于進(jìn)一步的分析是一種明智的選擇［1］。

2.1.1 蓄電池充電模型

假定充電過程充電效果與蓄電池使用歷史無關(guān)，則只要知道對(duì)于任意一個(gè)初始比重P0開始充電，整個(gè)充電過程中，電池比重隨時(shí)間的變化函數(shù)［2］

充電效果模型實(shí)現(xiàn)的功能:計(jì)算從比重P1開始充電，經(jīng)過時(shí)間t后的電池比重P2。圖1是使用擬合的方法得到充電原函數(shù)曲線及反函數(shù)曲線。

圖1 充電效果曲線

2.1.2 蓄電池放電模型

假設(shè)潛艇推進(jìn)功率為潛艇航行速度的函數(shù)，常見的形式為［3-4］

其中:v潛艇航速;Q為功率。

如果已知初始電量W1，則可求出放電時(shí)間t后的剩余電量W2。通過對(duì)放電過程記錄數(shù)據(jù)的分析，使用數(shù)據(jù)擬合的方法得到放電效果函數(shù)［5］Q(v)，如圖2所示。

圖2 放電效果曲線

2.2 輔機(jī)模型

潛艇有上百臺(tái)輔機(jī)，有些功率消耗很小;有些使用頻率很低;有些功率雖小，但使用頻繁、累積電量消耗較大;有些功率消耗大，使用時(shí)機(jī)隨潛艇部署和季節(jié)環(huán)境變化。如要建立數(shù)學(xué)模型，考慮的隨機(jī)因素比較多，沒有規(guī)律可循。根據(jù)各種輔機(jī)的特點(diǎn)和潛艇上的實(shí)際情況，將輔機(jī)的消耗功率做如下分類［6］:

1)管制用電:只允許一類輔機(jī)運(yùn)行，輔機(jī)嚴(yán)格限制;

2)節(jié)約用電:只允許一、二類輔機(jī)運(yùn)行，空調(diào)不開;

3)正常用電:一、二、三類輔機(jī)全部正常允許，包括空調(diào);

4)平均用電即為三類負(fù)載加權(quán)平均:20%的時(shí)間潛艇處于管制用電，即除必須開的輔機(jī)外，其余全部停;40%的時(shí)間潛艇處于節(jié)約用電狀態(tài)，不包括空調(diào);另外的40%時(shí)間，正常使用全部輔機(jī)，包括空調(diào)等［7］。

3 航渡過程動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化算法

此優(yōu)化算法是以動(dòng)力系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，并根據(jù)區(qū)域性質(zhì)分隔航渡階段，尋找符合貼合部隊(duì)使用的動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化方案［8］。

第1部分先進(jìn)行基本參數(shù)分析與計(jì)算，其核心是選取蓄電池工況和充電時(shí)機(jī)，流程如圖3所示。

第2部分是航渡決策，其核心是根據(jù)航渡要求，合理安排和規(guī)劃蓄電池航行、充電航行，使之符合約束條件要求，形成動(dòng)力系統(tǒng)使用方案，決策流程如圖4所示。

第3部分是方案的調(diào)整與優(yōu)化，其核心時(shí)計(jì)算和仿真動(dòng)力系統(tǒng)方案，對(duì)不符合約束部分進(jìn)行調(diào)整，對(duì)整體性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化調(diào)整流程如圖5所示。

圖3 概要計(jì)算流程

圖4 航渡決策流程

圖5 方案的調(diào)整與優(yōu)化

4 仿真分析

設(shè)定好航行時(shí)間、航程和暴露率，利用動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化算法對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)使用方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)決策，形成動(dòng)力系統(tǒng)使用方案如表1所示。在動(dòng)力系統(tǒng)模型的支持下，對(duì)形成的方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與實(shí)艇遠(yuǎn)航結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示，誤差在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

航渡過程的動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化的實(shí)質(zhì)是對(duì)計(jì)算量與優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行折中，得到的結(jié)果并不是數(shù)學(xué)意義的最優(yōu)，最多是次優(yōu)解。但它計(jì)算量小，決策時(shí)間短，符合部隊(duì)使用習(xí)慣，適合實(shí)艇使用。

表1 動(dòng)力系統(tǒng)使用方案

表2 動(dòng)力系統(tǒng)使用方案仿真結(jié)果表

［1］許建.常規(guī)潛艇動(dòng)力系統(tǒng)建模與仿真［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(12):42-44.

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［5］周開利，康耀紅.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其MATLAB仿真程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005:220-228.

［6］路紅山，許建，張京偉，等.潛艇動(dòng)力系統(tǒng)任務(wù)維修性建模［J］.中國艦船研究，2008(4):34.

［7］許建.潛艇蓄電池放電過程的仿真研究［J］.電源技術(shù)，1998(2):46-47.

［8］周智勇，孫俊忠，龔文超.潛艇航渡過程的動(dòng)力系統(tǒng)輔助決策研究［J］.指揮控制與仿真，2013(2):43-44.