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原文传递船舶在波浪上的运动预测及运动仿真的研究

论文题名：	船舶在波浪上的运动预测及运动仿真的研究
关键词：	船舶运动;波浪补偿;运动预测;预报;非线性;时间序列法;船舶耐波性;线性条件;算法;运动数据;非计算机专业;补偿平台;可视化程序;精度;线性范围;图形编程;势流理论;时间间隔;艏前波;时间序列方法
摘要：	在研究波浪补偿平台、舰载直升机起降等问题时，其中需要解决的关键问题之一就是能否准确快速地预报船舶在波浪中的响应。从广义上而言，船舶在波浪上的运动预测属于船舶耐波性的研究范畴。而相关的计算机仿真，则是一门牵涉到图形编程、计算机科学以及船舶耐波性等知识的综合性技术。　　论文首先回顾了船舶耐波性的研究历程。从传统的基于势流理论的频谱分析法到现代的各种时域的方法，着重介绍了后者。对各种方法进行了细致的比较。其中时间序列法算法简单，易于工程的实现，对波浪补偿平台有着很好的预报效果。时间序列法包括线性AR法、ARMA法、非线性的NAR法。　　其次，论文取一艘消防船模型进行耐波性实验，对AR法、ARMA法、非线性的NAR法以及单步预报、多步预报在预测船舶运动中的效果进行了比较。主要目的在于：1）证明时间序列法适合用于持续的船舶运动预测；2）采集在不规则波下船舶的运动数据，定好数据的时间采集间隔，为稳定平台控制做好准备；3）在三种提到算法之中，对应于不同的工作条件下，选取最为合适的预报算法；比较他们的精度、收敛性、以及在线性条件和非线性条件下的预报性能；4）比较三种算法对三个主要自由度，特别是对横摇的适应程度。　　通过分析数据，结论为：1）时间序列方法可以有效地实现高精度的连续预报，解决液压系统的滞后问题，在海上波浪补偿平台的控制策略中起重要作用。2）AR法和ARMA法用于预报横摇，误差明显要比NAR法大；因为相对于纵摇和升沉，横摇运动响应中非线性因素不可忽略。3）预报的效果跟算法有关。三种算法的精度从高到低依次是NAR法、ARMA法、AR法。但是高阶的NAR法计算量很大，所需要时间很长；综合效果来看，ARMA还是在三种算法中较好的。4）预报的精度跟数据采集的时间间隔有关，时间间隔越长误差越大。5）预报的精度跟波高有关。在波高较大时，NAR法的效果要比线性的ARMA法好。6）虽然在线性范围内，可以认为已经解决了即时预报的需求，但是在大风大浪的非线性条件下，利用NAR法进行船舶运动预测还是有很多局限性的；其次，ARMA法虽然综合效果较为突出，但是由于设备的原因，艏前波的测量始终是一个悬而未决的大问题。从实用的角度来讲，AR法仍然是不错的选择。　　再次，运用VB+Opengl，对船舶在波浪中的运动进行了一定的可视化仿真工作。首先，运用等频率法得到了在某种波浪谱下的波浪时域样本；然后利用满足线性自由水面条件的三维格林函数法计算在该时域样本下船舶的响应；最后，利用VB+Opengl图形编程，实现了船舶在波浪中运动的可视化的部分功能。　　最后是论文的展望：船舶耐波性课题由来已久，从经典的势流理论到现代各种各样基于现代的统计学的、控制学的方法，不一而足。基于时间序列法的船舶运动预测，虽然算法简单，并且易于工程的运用，但是由于该方法缺乏一个严格的数学力学模型，从理论上而言并非完善。虽然在线性范围内，可以认为已经解决了即时预报的需求，但是在大风大浪的非线性条件下，利用NAR法进行船舶运动预测还是有很多局限性的；其次，ARMA法虽然综合效果较为突出，但是由于设备的原因，艏前波的测量始终是一个悬而未决的大问题。在有可能的条件下，可以尝试采用一些新兴的方法，比如神经网络法。另外，船舶运动数据的获取，最好能在实船上进行，保证数据的实用性。　　关于该用VB+Opengl开发船舶运动的可视化程序，目前已经有很多类似的软件，故而并不能算一个创新性很强的课题。事实上，限于知识构架、技术与时问问题，要非计算机专业的学生开发一套功能齐备的软件也是较为苛刻的。显然，把计算模块、预报模块和显示模块结合起来，还有很长的路要走。
作者：	张兮龙
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	叶家玮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文