船舶操纵数学模型在港口航道设计中的应用
基于船舶行为特征的港口航道通过能力仿真
基于船舶行为特征的港口航道通过能力仿真基于船舶行为特征的港口航道通过能力仿真摘要：随着全球贸易的不断增长，港口航道的通过能力成为一个重要的研究课题。
本文旨在分析船舶行为特征对港口航道通过能力的影响，并基于仿真模型进行相关研究。
1. 引言港口作为货物的集散中心，对于国际贸易和经济发展起着重要作用。
在港口运营中，航道是连接港口和大海的通道，直接影响到货物的运输能力和效率。
因此，对港口航道通过能力的研究具有重要意义。
2. 船舶行为特征对港口航道通过能力的影响船舶作为港口航道的主要交通工具，其行为特征对港口航道通过能力有着直接的影响。
首先，船舶的尺寸和载重能力决定了其在航道中的通过能力。
大型船舶通常需要更宽的航道和更深的水深才能通行，而小型船舶则相对更容易通过。
其次，船舶的操纵能力和速度也会影响通过能力。
操纵能力差的船舶操作不灵活，容易造成拥堵和事故，从而降低了整体通过能力。
船舶的速度也会影响航道的通行能力，较慢的船舶会占用更长的时间以完成通行，从而降低了整体通过效率。
此外，船舶的安全维护和故障率也会在一定程度上影响港口航道的通过能力。
3. 港口航道通过能力仿真模型的建立为了更好地研究船舶行为特征对港口航道通过能力的影响，本文提出了基于仿真模型进行研究的方法。
首先，收集并分析港口的实际数据，包括航道的尺寸、水深、船舶类型和数量等信息。
然后，使用计算机编程语言建立港口航道通过能力的仿真模型。
在模型中，考虑船舶的行为特征，包括船舶的尺寸、载重能力、操纵能力、速度和安全维护等因素。
最后，根据模型对不同情况下的港口航道通过能力进行仿真和分析，以预测和评估港口的运行状况。
4. 基于仿真模型的实例分析本文基于仿真模型对一个港口的航道通过能力进行了实例分析。
通过调整船舶行为特征参数，如船舶尺寸、载重能力和速度等，模拟了不同条件下的船舶通行情况。
通过对仿真结果的分析，发现船舶尺寸和船舶速度是影响港口航道通过能力最重要的因素。
船舶操纵模拟器在通航安全评估中的应用
ｌ０
天津航 海 ２０１８年 第 ３期
船舶操 纵模 拟器在通航 安全评 估 中的应 用
王哲凯 陈磊
（大连海事大学 航 海学院 辽宁 大连 １１６０２６）
摘 要 ：文章简要论述 了运 用船舶模拟器进行仿 真试验在通航安全评估 中的的必要性、 优势及其生成电子海图、模拟外界环境、确定模拟船 型、制定模拟方案 、分析模拟结果等 系 列通航安全评估的一般步骤 。在结合 实例 的基础上 ，应 用模拟试验的方法对航道扩能工程设 计 方 案进 行 了验 证 ，对 模拟 结果进 行 了分析 和评 价 。
关键 词 ：船 舶模 拟 器 船 舶 通航 安 全 评 估 航 道扩 能
０ 引言 伴 随港 口大 规 模发 展 的趋 势 ，建 成 投产 的泊位
数 量 大幅 增 加 ，到 港船 型 逐 步大 型化 ，大 型船 舶通 航 密 度逐 步 提 高 ，目前 的单 向航道 不能 满足 船 舶 航 行 需 求 。船 舶长 时 间待泊 ，不仅 使 泊位 得 不到 充 分 利 用 ，而且 制 约 了港 区通 航 能 力 的提升 。为保 证 航 道 通 过 能 力满 足进 出港船 舶 需 要 ，最 大 限度地 提 高 泊位 的使 用率 ，而不 使航 道 通航 能力成 为制约 大 型 泊位 正常 运营 的瓶颈 ，对 码 头 和相 对狭 窄 航 道 的改 造或 扩 建 显得 刻 不容 缓 。为 保 障航 行 安全 ，利 用 船 舶操纵模拟器进行模拟实验 ，对拟改造的港 口航道 和码 头 进 行通 航 安全 评 估 ，不 仅可 以为航 道 工程 设 计提 供 参 考 ，为 船 舶 安全通 航 把 关 ，而 且可 以减 少 经 济损 失 。 ｌ 运 用操 纵 模 拟器 进 行航 道通 航 安 全评 估
基于数学模型与优化算法的船舶航线规划技术研究
基于数学模型与优化算法的船舶航线规划技术研究随着全球海运业的发展，航线规划技术越来越成为船舶航行中不可缺少的一项技术。
船舶航线规划技术是指根据船舶运行的需求和航道环境，设计出一条最优船舶航线，使得船只可以高效稳定地航行。
为了实现最优航线的设计，数学模型与优化算法已经成为了航线规划技术的主要研究手段。
数学模型是指建立起数学模型来描述船舶在不同的航线上运行时的运行特性和相互作用，以求得最优的航线。
最常用的数学模型是高斯-马尔可夫（Gauss-Markov）模型和蒙特卡罗（Monte-Carlo）模型。
高斯-马尔可夫模型是一种线性模型，它可以描述船舶在运行过程中的确定性因素，包括船速、船长等因素。
蒙特卡罗模型则是一种基于随机模拟的模型，可以描述船舶在未知状态下的运行情况，例如海况变化、船舶故障等因素。
基于以上数学模型，航线规划技术还需要应用优化算法，以求得最优航线。
优化算法是指利用现代优化理论和方法来确定最优的航线方案，最常用的优化算法包括遗传算法、蚁群算法、神经网络算法等。
这些方法可以在多个航线之间进行评估和选择，以求得最优的航线方案。
例如，遗传算法可以模拟自然进化算法，通过不断的遗传变异和选择，最终找到最优的航线方案。
蚁群算法则是模拟蚂蚁自发聚集形成路径的行为，通过相互合作和信息交流，找到最优航线方案。
神经网络算法则是模拟人脑神经元的思维方式，通过不断的学习和演化，找到最优的航线方案。
除了数学模型和优化算法，航线规划技术还需要考虑实际航行情况和船舶的特殊需求。
例如，航行期间需要考虑风向、海流等因素对船舶的影响，以避免出现不必要的风险。
此外，船舶在规划航线时还需要考虑非标准条件下的海域和漩涡、暗礁等地形结构，以确保船只安全运行。
同时，如果需要进行海洋调查、数据采集等工作，可能需要单独计算航线，以保证航行期间数据的准确性。
总的来说，船舶航线规划技术是一项复杂的技术体系，需要综合考虑多种因素，才能达到最优航线的设计。
航海技术中的数学建模应用
航海技术中的数学建模应用人们在社会实践与科学研究中，常常需要解决许多实际问题，而许多实际问题并不能简单地依靠经历总结，或者估计来解决，而需要从定量的角度分析和研究一个实际问题，从而解决实际问题。
因为一般经历的总结，仅能指导当下的情况，不能解决未来、未知情况的问题。
估计，有时更是不能阐述科学道理而缺乏广泛的应用。
因此，人们就要对问题进展深入调查研究、了解对象信息、作出简化假设、分析内在规律等工作的根底上，用数学的符号和语言，把它表述为数学式子，也就是数学模型，然后用通过计算得到的模型结果来解释实际问题，并承受实际的检验。
这个建立数学模型的全过程就称为数学建模。
一、数学模型定义：根据对研究对象所观察到的现象及实践经历，归结成的一套反映其内部因素数量关系的数学公式、逻辑准那么和具体算法。
用以描述和研究客观现象的运动规律。
二、数学建模一般步骤：由实际问题转化为数学问题解决，需要分三步完成：1.分析问题，找出问题中各因素关系；2.提炼出实际问题的数学模型；3.将数学模型纳入相应的知识体系去处理,从而解决实际问题。
三、航海中的应用：在航海上，有许多数学模型、数学建模的问题以及应用案例。
1.船舶锚泊时，抛出多长的锚链才能拉住船舶？船舶停航时需要抛锚。
船舶锚泊时抛出锚、锚链，由锚、锚链啮入海底以使船舶停泊。
现可以用数学方法解决船舶抛锚的理论问题，即进展数学建模，以求取船舶抛锚时应该抛出多长的锚链。
● 船舶抛锚数学建模时考虑的各类因素分析：锚的类型与重量、锚链的类型与重量、抛出船锚后锚链在船与海底之间所形成的曲线类型、锚链的长度、作用在船体上的外力、能够抓住船舶的力量等。
● 各因素间的关系：各关系中最主要的是，拉住船舶与锚的外形所能啮入海底程度有关，即产生锚的抓力；同时也与锚链躺在海底时与海底产生的摩擦力有关。
而作用与船舶的外力，如风、流等外力，都是反作用于船舶。
要能拉住船舶，即抛锚使船舶相对固定在一定位置，一定是船舶的风、流等外力与锚、锚链、摩擦力等形成大小相等、方向相反的所形成的相互作用力。
数学与船舶设计的协同研究
数学与船舶设计的协同研究数学是一门广泛应用于各个领域的科学，而船舶设计是一个十分复杂的工程。
数学与船舶设计的协同研究，意味着将数学的理论和方法应用于船舶设计中，以提高设计的效率和性能。
本文将探讨数学在船舶设计中的应用，并讨论协同研究的成果。
一、数学在船舶设计中的应用1. 流体力学流体力学是研究流体运动的科学，它在船舶设计中具有重要的作用。
数学通过建立复杂的流体力学模型，可以模拟船舶在水中的运动和受力情况，帮助设计师更好地了解船体的性能和稳定性。
通过数学建模和数值计算，可以预测船舶的阻力，减小阻力是提高船舶速度和节能的关键。
2. 结构力学结构力学是研究结构稳定性和强度的科学，它在船舶设计中也起着重要的作用。
数学可以对船体进行强度分析，以判断结构是否能够承受各种荷载条件。
通过数学建模和有限元分析，可以计算船体各个部位的应力和变形情况，从而指导设计师进行结构设计和强度优化，提高船舶的安全性和使用寿命。
3. 控制系统船舶的控制系统是确保船只航行安全和稳定的关键。
数学可以应用于船舶的操纵性和自动控制系统设计中，研究船舶的操纵性能、航迹控制和船舶动力系统。
通过数学建模和仿真分析，可以评估控制系统的稳定性和性能，并进行系统优化，提高船舶的操纵性和航行安全性。
二、数学与船舶设计的协同研究成果1. 船体优化设计数学与船舶设计的协同研究成果之一是优化设计。
通过数学建模、数值计算和优化算法，可以在给定的设计要求和约束条件下，自动搜索最佳的设计方案。
这一方法在船舶的船型设计、船体结构设计和推进系统设计中得到广泛应用。
优化设计能够提高船舶的性能，比如减小阻力、提高载重能力、降低燃油消耗等。
2. 航行性能预测数学模型和计算方法在船舶设计中的另一个重要应用是预测船舶的航行性能。
通过数学建模和仿真分析，可以预测船舶的速度、航行稳定性和操纵性能等。
这对于设计师来说是十分有价值的，因为它可以提前评估设计方案的可行性和性能特点，以指导设计决策。
船舶航行数值模拟在水运工程的应用
及 设计 经 验 ， 确 定航 线 的走 向 、 道 以及 泊 位 回转水 域 的平 面 大小 、 深等 ， 近 年来 现 代船 型 的不 断 涌 来 航 水 但
现， 船舶 控制 能力 得到 显著 提高 ， 导航 系统 不 断更新 ， 导航 能力得 到很 大 提升 ， 因此 ， 国有 关航道 的 设计规 我
水 运行 业 的快 速发 展 ， 船舶 的大 型化 和数 量增 多 ， 通航 带来 了安全 隐 患 。 给 例如 船 舶 桥墩 相撞 、 船舶 之 间的 碰撞 、 舶搁浅 堵塞航 道 等 。 船 必 须采用 有 效 的办法对 船舶 通航 进行 安 全论证 。 在航道 设计 中 ， 工程 师往 往根 据设 计 规范 、 当地 情况 以
叶上扬 ， 国 良， 喻 李艳 红
（ 上海 交通 大学 船舶 海洋 与建 筑 工程 学院 ， 海 ２ ０ ４ ） 上 ０ ２ ０
摘 要： 文章 回顾 总结 了船 舶 航 行 数 值 模 拟 在 水运 程 中 的应 用 现 状 ， 论 了 不 同 自然 条件 对 船 舶 航 行 讨
的影 响 以 及 行 船 之 间 的相 互 影 响 ， 介 绍 了船 舶 航 行 模 拟 软 件 Ｄ ｎｓ 为 论 证 我 国南 方 港 口设 计 中某 并 ｙ ａｉ ｍ。
第３ ２卷第 ３ 期
２ １ 年 ６ 月 ０ １
道 港 口
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ａ ｅ ｗａ ｎ ｒ ｏ ｏ ｒ ａ ｔ ｒ ｙ ａ ｄ Ｈａ ｂ ｒ ｏ Ｗ
数学在船舶设计中的应用
数学在船舶设计中的应用船舶设计是一门综合性的学科，它涉及工程学、物理学、力学等多个学科的知识。
其中，数学作为一种重要的工具，在船舶设计中发挥着关键的作用。
本文将通过分析船舶设计中数学的应用，带您认识数学在船舶设计中的重要性。
一、数学模型在船舶设计中的应用在船舶设计中，数学模型是必不可少的工具。
通过建立适当的数学模型，可以对船舶的性能进行预测和分析，为船舶的设计和改进提供科学依据。
1. 流体力学模型在船舶设计中，流体力学是一门重要的学科。
通过数学建模，可以对船舶在水中的运动进行模拟，研究船舶的阻力、稳定性以及操纵性等性能。
数学模型可以帮助设计师了解船舶在不同条件下的运动规律，从而优化船体结构和布局，提高船舶的性能。
2. 结构力学模型船舶的结构力学模型是为了研究船体的受力情况以及船体的强度问题。
通过数学建模，可以预先计算船体在不同荷载和环境条件下的受力情况，并对船体的结构进行优化设计。
这些模型可以帮助设计师确定船舶的材料选择、结构布局以及船体强度的合理性。
3. 海洋工程模型船舶设计还涉及到海洋工程学的知识。
通过数学模型，可以对船舶在复杂海况下的性能进行评估。
船舶设计师可以利用数学模型预测海浪、海流等因素对船体产生的影响，为船舶的设计和操作提供科学参考。
二、数学算法在船舶设计中的应用除了数学模型，数学算法也是船舶设计中不可或缺的一部分。
数学算法可以帮助设计师进行复杂的计算和优化，提高船舶的设计效率和性能。
1. 最优化算法在船舶设计中，最优化算法可以用于确定船体的最佳形状和尺寸。
通过数学建模和优化算法，可以搜索船体的设计空间，寻找最优的设计参数组合，从而达到最佳的船舶性能。
2. 线性规划算法线性规划算法在船舶设计中也有着广泛的应用。
通过数学建模和线性规划算法，可以优化船舶设计中的各种约束条件，如货物载重、燃油消耗等，从而达到设计要求和经济效益的平衡。
3. 数据处理算法在船舶设计中，大量的数据需要进行处理和分析。
船舶操纵运动预报的实现及其在航行安全的应用
154船舶操纵运动预报的实现及其在航行安全的应用◎ 赵明 大连港引航站摘 要：在恶劣海况下，船舶操纵变得异常复杂且具有挑战性。
因此，船舶操纵运动预报已成为提高航行安全与效率的重要领域。
准确的船舶操纵运动预报技术可以为多船避碰、靠离泊工作以及恶劣环境下驾驶训练提供技术参考，以提高航行效率和减少事故风险，还可以为智能船舶自主操纵系统奠定基础。
随着信息技术的不断发展，不同船舶操纵运动预报方法被提出，这也相应拓展了船舶操纵运动预报在航行安全方面的应用研究。
关键词：船舶操纵；运动预报；航行安全；航海模拟器1.引言船舶操纵性是指船舶在水中进行各种操纵时所体现出的运动性能，是船舶设计与操纵领域中的一个核心概念。
随着科技的不断进步，船舶操纵性的定义逐渐演变，涵盖了船舶在不同水域和气象条件下的操纵灵活性、稳定性、敏感度以及对操纵指令的快速响应等方面的特性。
研究船舶操纵性的目的是在各种运输和环境条件下，使船舶能够被安全、高效地操纵，确保船员能够有效地掌握并应对复杂的航行环境，保障船舶的航行安全。
作为主要的国际货运通道，海运具有运量大、价格低、航线广泛等优势。
中国经济的迅速发展促使与世界各国的贸易往来日益频繁，使中国成为全球海运大国。
除此之外，内河水运在综合运输中也扮演着至关重要的角色，是实现经济社会可持续发展不可或缺的关键组成部分。
在2022年，中国完成营业性货运量85.54亿吨，比上年增长3.8%，完成货物周转量121003.14亿吨公里、增长4.7%。
其中，内河货运量44.02亿吨、增长5.1%，内河货物周转量19025.73亿吨公里、增长7.3%；海洋货运量41.51亿吨、增长2.5%，海洋货物周转量101977.41亿吨公里、增长4.2%。
基于上述的中国海洋营业性货运量，船舶作为水上运输的主要工具，承载着货物、人员和能源等各类物资，其设计以及操纵将直接影响货物的安全运输和乘员的安全航行。
因此，船舶操纵运动预报可以帮助船员做出更明智的决策，降低碰撞、触礁等事故的风险，从而保障船舶和船员的安全。
船舶运动控制系统建模应用
第6章 船舶运动控制系统建模应用6.1 引 言数学模型化(mathematical modelling)是用数学语言(微分方程式)描述实际过程动态特性的方法。
在船舶运动控制领域，建立船舶运动数学模型大体上有两个目的：一个目的是建立船舶操纵模拟器(ship manoeuvring simulator)，为研究闭环系统性能提供一个基本的仿真平台；另一个目的是直接为设计船舶运动控制器服务。
船舶运动数学模型主要可分为非线性数学模型和线性数学模型，前者用于船舶操纵模拟器设计和神经网络控制器、模糊控制器等非线性控制器的训练和优化，后者则用于简化的闭环性能仿真研究和线性控制器(PID, LQ, LQG, H ∞鲁棒控制器)的设计。
船舶的实际运动异常复杂，在一般情况下具有6个自由度。
在附体坐标系内考察，这种运动包括跟随3个附体坐标轴的移动及围绕3个附体坐标轴的转动，前者以前进速度(surge velocity)u 、横漂速度(sway velocity)v 、起伏速度(heave velocity)w 表述，后者以艏摇角速度(yaw rate)r 、横摇角速度(rolling rate)p 及纵摇角速度(pitching rate)q 表述；在惯性坐标系内考察，船舶运动可以用它的3个空间位置000,,z y x (或3个空间运动速度000,,z y x)和3个姿态角即方位角(heading angle)ψ、横倾角(rolling angle)ϕ、纵倾角(pitching angle)θ (或3个角速度θϕψ,,)来描述，),,(θϕψ称为欧拉角[4](见图T ],,[w v u T 000],,[z y xT ],,[r q p T ],,[θϕψ ，我们要把这6个自由度上的运动全部加以考虑。
数学模型是实际系统的简化，如何简化就有很大学问。
太复杂和精细的模型可能包含难于估计的参数，也不便于分析。
过于简单的模型不能描述系统的重要性能。
数值模拟在船舶结构设计中的应用
数值模拟在船舶结构设计中的应用随着科技的迅猛发展，数值模拟技术在船舶结构设计中得到了广泛应用。
船舶结构设计需要考虑各种力学因素，如材料强度、承载能力、疲劳性能、稳定性等，而使用传统试验方法进行验证和设计会造成很大的时间和成本压力。
数值模拟技术的出现可以有效地避免这些问题，并为设计人员提供高效、准确的设计方案。
一、应用领域数值模拟技术在船舶结构设计中的应用领域非常广泛。
主要应用于以下几个方面：1. 船体结构设计数值模拟可以模拟船体结构的力学特性，如应力分布、材料强度等，并可以预测结构的固有频率和振动响应。
这些信息可以帮助设计师评估船体结构的可靠性和耐久性，从而优化设计方案。
2. 轮机压载水力模拟船舶的船体形状和轮机系统设计等决定着在不同行驶工况下的水动力性能。
通过数值模拟技术的应用，可以把轮机压载水动力转化为数字模拟，评估不同工况下的船舶航行性能，并为船舶船型和轮机设计提供科学依据。
3. 跟踪具体工况的模拟船舶具体工况下的数值模拟，如荷载情况下的结构响应和疲劳分析，可以大大提高船舶结构设计的准确性。
特别是在大型船舶的结构设计中，数值模拟技术不仅可以优化结构设计，也能够避免设计的过度保守和不必要的结构加强。
二、数值模拟技术的优势与传统的试验方法相比，数值模拟技术有以下优势：1. 时间和成本传统的试验方法需要耗费大量的时间和成本，而数值模拟技术可以在较短的时间内完成繁琐的试验设计。
并且，相比于尺寸庞大、方案废弃的实验模型，数值模拟可以为设计人员提供可靠高效和经济效益。
2. 能够模拟多种场景数值模拟可以基本模拟出任何可能出现的场景，对于传统试验很难仿真的非线性问题、大形变、所有工况的疲劳分析等都是试验难以匹配的。
3. 能够准确地预测结构的性能数值模拟技术基于数学模型，通过数学式子和计算机的程序算法来计算和预测船舶结构的性能，预测性较差和误差较大的问题可以在数值模拟中得到有效的解决。
这使得数值模拟可以为真实试验和项目提前提供有有效的控制和设计分析。
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船舶操纵数学模型在港口航道设计中的应用*张庆河,李炎保(天津大学建筑工程学院港口工程系,天津300072)摘 要:本文介绍了船舶操纵数学模型的组成,并对其在港口、航道设计中应用的典型列子进行了介绍,指出了船舶操纵数学模型的进一步发展方向和它在港口、航道设计中的应用前景。
关键词:船舶操纵;数学模型;港口航道设计中图分类号:U661.33 文献标识码:A 文章编号:1003-3688(2000)01-0049-05Application of Mathematical Model for Ship Maneuveringin Designs of Harbour s and WaterwaysZhang Qinghe,Li Yanbao(Dept.of Port Engineering,Construction Engineer ing F aculty,T ianjin Univer sity,T ianjin300072)Abstr act:The mathematical m odel of ship ma noeuver ing and some typical exa mples of it s application in harbour and channel design are intr oduced in this paper.T he futur e development of mat hematical model of ship manoeuver-ing is pointed out and the applicat ion prospect of manoeuver ing model is indicated.Keywor ds:ship manoeuver ing;m athematical model;design of harbour and channel1 引言港口和航道的优化设计问题一般都涉及到两个工程学科,即港口工程学和船舶工程学。
涉及到港口工程的问题有水文、地质环境勘测、泥沙运动情况分析及平面规划和建筑物设计等,解决上述问题一般需要依靠波浪、潮流及泥沙的数值计算、波浪模型试验及建筑物稳定性试验等手段。
涉及到船舶工程学的问题传统上主要是考虑船舶运动的空间,如回旋水域、疏浚水深、进港航道尺度等,这些尺度的确定主要是根据已有的各种规范和航海者经验。
上述传统方法对于各种环境影响,特别是各种环境因素组合在一起时的船舶操纵安全性、合理性实际上很难作出评价,使得从船舶运动角度对*本文的部分工作是配合国家“九五”攻关课题子题而进行的,在工作过程中得到天津大学苏兴翘教授和王日新博士的帮助,在此谨致谢意。
收稿日期:1999—06—16作者简介:张庆河(1967),男,工学博士,副教授,从事海岸及港口工程研究。
港口、航道进行优化设计受到限制。
近年来,随着越来越多的大型船舶进出世界各地的港口和航道,船舶出入港航行操纵安全的评价越来越受到人们的重视。
涉及船舶航行的研究可以采用物理模型(如遥控船模)试验和实船试验的方法进行。
物理模型的优点在于它可以直接观测船模在复杂地形和水力条件(如横流、不规则岸坡等)下的运动,但它需要耗费较大的人力、物力,研究不同方案时耗长,存在比尺效应等问题。
实船试验则费用更加昂贵,有时甚至还存在危险性。
因此,利用数学模型研究船舶操纵运动并评价航行安全性得到了越来越广泛的应用。
船舶操纵运动的数学模拟最早应用于船舶设计,其目的是使设计者在初始设计阶段就能对船舶的操纵性有所了解并进行优化设计。
随着船舶操纵数学模拟本身的发展以及计算机多媒体技术的发展,近年来船舶操纵运动数学模型已越来越多地应用于港口航道的平面设计中,船舶操纵和各种环境动力模拟相结合,能够使港口和航道的设计更为合理。
目前,国内外不少船舶或水力学研究机构建立了大型船舶操纵模拟器,应用于港口航道的优化设计,如丹麦船舶研究所(DMI )[1],交通部上海船舶运输科学研究所(SSSRI)[2]等。
本文拟对船舶操纵数学模型,特别是船舶操纵数学模型在港口航道设计中的应用进行介绍。
2 船舶操纵数学模型2.1 船舶操纵数学模型的研究概况所谓船舶操纵数学模型主要指根据作用在船舶上的水动力,建立船舶运动的微分方程来描述船舶的操纵运动。
船舶操纵数学模型的研究始于六十年代,目前主要有两类模型,一类是以Abkowitz (1964)为代表的整体性模型,一类是以日本操纵性数学模型小组(小川弘阳等,1977)为代表的MMG 分离型数学模型[3]。
前者将船体、螺旋桨、舵作为一个整体来进行研究,需要大量的船模试验确定水动力参数,而且某一确定船型的试验结果难以应用到其它船型中去;而MMG 模型中各项有明确的物理意义,可以比较简单合理地表达出作用在船体上的流体动力和螺旋桨、舵的作用以及船、桨、舵之间的相互干扰。
经过多年来的研究,MMG 模型在计算船体上的流体动力和螺旋桨、舵的作用方面已经提出了不少经验公式,在我国也得到了广泛应用。
2.2 数学模型的组成船舶操纵数学模型的基本原理乃是作用在船舶上的所有力(包括惯性力)平衡,实际上也就是牛顿第二定律在船舶运动中的应用。
船舶的实际运动有六个自由度,目前大部分数学模型只描述三个自由度的运动,即船舶在水平平面内的纵向运动、横向运动和艏摇(又称艏摆)运动。
为了描述船舶的运动,采用如下两个右手坐标系(如图1所示):一个为固定坐标系O 0-x 0y 0z 0,固定于地球;另一个为运动坐标系O -xyz ,固连于船舶并随船一起运动。
动坐标系的原点取在船中剖面和船舶垂心处。
O x 轴取为船纵轴,以指向船首为正;O y 轴与纵剖面垂直,以指向右舷为正;O z 轴垂直于水线面,指向龙骨为正。
设u ,v 分别为运动坐标原点O 的线速度矢量在O x 轴和O y 轴上的投影,r 为船舶转动的角速度,u a ,v a ,r a 分别为对应的加速度。
在动坐标系中,船舶操纵运动的数学模型为图1 船舶运动坐标系m (ua -vr -x G r 2)=X (1a )m (v a +ur +x G r a )=Y(1b )I z r a +mx G (va +ur )=N (1c )其中,m 为船舶质量,I z 为船舶绕z 轴的惯性矩,x G 为船舶重心距坐标原点的距离。
X ,Y ,N 包含了船体水流动力、惯性力、螺旋桨、舵以及风、浪、流等各种外力。
上述方程中忽略部分影响不大的项,合并惯性力项,并把各种力写成分离形式,近似有(m +m x )ua =(m +m y )vr +X H +X P +X R +X WD +X WV +X C (2a )(m +m y )va =-(m +m x )ur +Y H +Y R +Y WD +Y WV +Y C (2b )(I z +J z )r a =-x G Y H +N H +N R +N WD +N WV+N C(2c )上式中,m x ,m y ,J z 为船体的附连质量和惯性矩;下标WD 、WV 、C 分别表示风、波浪和水流的作用力或力矩,下标P 和R 分别表示螺旋桨和舵产生的力和力矩;X H ,Y H ,N H 为不包括惯性力项的船体水动力。
船舶所受到的水动力不仅依赖于船体形状、舵角及推进装置,也与水深、船舶吃水、纵倾、及限制性水域有关,计算船舶水动力时所用的水动力导数目前一般需要根据船模试验确定或由已总结出的经验公式计算。
许多环境因素对船舶的操纵运动有明显的影响,其中最为重要的因素有:风、浪、流、水深、航道岩壁,船与船的相互作用等。
螺旋桨和舵是控制船舶运动的主要因素,在某些时候,拖轮也起到辅助作用。
上述这些影响因素都需要合理确定,才能使数学模拟得到的结果合理。
3 船舶操纵数学模型在港口航道设计中的应用船舶操纵数学模型在港口航道设计中的应用主要通过两种方式实现,一种是将船舶操纵数学模型和各种电子技术相结合而集成的实时模拟系统,即船舶操纵模拟器;一种是船舶操纵模型和自动舵技术相结合而形成的离线模拟软件。
3.1 船舶操纵模拟器简介一般来说,完整的操船模拟器需要包括以下装置:(1)电子计算机系统,根据数学模型对船舶在受到外界环境影响和人工操纵下的运动进行模拟,生成模拟图像;(2)与实船类似的操纵控制台;(3)二维平面、三维视觉图像及大屏幕投影系统等,使模拟器产生本船和周围环境的视觉图像。
为了使模拟结果和现实接近,船舶操纵模拟器一般由有经验的操纵者或舵手采取与实船控制类似的过程完成。
上述模拟方法的最大好处就是在整个模拟过程中,不仅考虑了各种客观环境因素的影响,而且还考虑了驾驶人员视觉映像、仪器操纵、响应速率等引起的心理学效应。
因为模拟器所显示的环境与实际环境非常接近,操纵者能够对外力和船舶控制做出正确的反应。
因此,模拟要和现场操船一样包括了操舵者本身主观判断等因素的影响,和实际情况有相当的一致性。
图2显示了比利时泽布勒赫港(Zeebrugge )实船操纵进港过程和模拟结果的比较情况[4]。
图2 实船操纵与模拟进港过程比较大型操纵模拟所需要的设备比较复杂,模拟费用也比较昂贵,因此近年不少研究单位还相继开发了以微机为基础的二维俯视图像船舶操纵模拟器,如丹麦DMI 的DeskSim 系统,大连海事大学基于电子海图的二维船舶操纵仿真器[5]等。
为了得到船舶在遭受各种环境作用力后合理的操纵运动过程,上述模拟装置都要求操纵者必须有专业性的舵手水平或具有丰富的模拟器操纵经验。
另外,上述操纵模拟基本上都是在线(on -line )或称为实时(real-time)模拟,完成一个船舶进港操纵运动过程,需要花费和实船一样的时间。
3.2 离线模拟在港口、航道的初步设计中,往往需要借助船舶操纵数学模型对各种初设方案很快进行比较,这时采用船舶操纵运动的离线(off-line)模拟方法是可行的。
所谓离线模拟,即用自动舵来代替人工操纵,根据一定的规则使程序自动根据外界环境的变化改变舵角或船速,来模拟实际船舶操纵过程。
图3显示了一例利用离线模拟模型得到的船舶进港航迹[4]。
离线模拟没有人机对话过程,不能模拟舵手对外界影响做出反应的过程。
但如果自动舵模型建立合理,离线模拟也能给出较为客观的结果,特别适用于对船舶操纵不熟悉的设计者使用。
这方面典型的软件有荷兰Deflt 大学的SHIPM 软件[6]。
图3 船舶进港离线模拟一例3.3 应用实例在港口、航道的设计中,以往有许多情形是依靠设计者和航海者的经验判断来决定设计方案的,船舶操纵数学模型在港口航道设计中的应用则有可能使设计者通过定量指标来对各种方案做出选择或评价,下面是几个应用实例。
(1)远东某港的设计[1]该港口位于开敞型海岸,受到较强的风、浪、流影响,港口、航道平面布置如图4所示。