一种波浪中两船航行横向补给仿真方法与流程

本技术涉及船舶仿真，尤其是一种波浪中两船航行横向补给仿真方法。

背景技术：

1、横向补给系统对于远洋作业和编队航行至关重要，横向补给系统利用架设在补给船和接收船之间的高架索道在两船之间传送各种液体或固体的货物，从而可以在保持正常航行过程中直接利用补给船对接收船进行货物补给，不影响远洋作业和编队航行的航行过程。

2、补给船和接收船之间的航行横向补给过程依次包括三个阶段，请参考图1以虚线示出了补给船1和接收船2的航行路线，在该过程中可以基本认为接收船2的航行方向不变，但是补给船1的航行方向会发生变化：(1)补给船1驶入站位靠近接收船2。(2)补给船1与接收船2并靠横向航行，并搭建起补给船1和接收船2之间的高架索道3进行补给，图1以该状态为例进行图示。(3)补给完成后，补给船1操舵驶离接收船2。由于补给过程中需要控制补给船和接收船并靠横向航行，如果补给船和接收船距离过近，那么两船的航行过程会互相影响，甚至由于操作不当引起船舶碰撞。如果补给船和接收船距离太远，又会导致补给效率低，延误海上作业时间。

3、所以确定两船航行横向补给过程中的安全距离对于提高补给效率以及保证航行安全性非常重要，由于海上波浪条件以及船间相互作用的复杂和时变性，目前对波浪中两船航行横向补给仿真往往难以准确评估两船补给过程中环境与人因综合作用下的响应特征，制约仿真模拟在操控辅助决策中的作用，仿真响应的准确性和可靠性难以保证。

技术实现思路

1、本技术针对上述问题及技术需求，提出了一种波浪中两船航行横向补给仿真方法，本技术的技术方案如下：

2、一种波浪中两船航行横向补给仿真方法，该波浪中两船航行横向补给仿真方法包括：

3、分别建立补给船和接收船的六自由度的操纵运动模型，每艘船的纵荡运动控制方程、横荡运动控制方程、艏摇运动控制方程和横摇运动控制方程中的外力源除了船体力、舵力和推进力之外，还包括波浪中航行横向补给过程产生的补给船和接收船之间的船间波浪干扰力、船间高架索力和船间流场干扰力；

4、根据补给系统工况参数基于势流计算原理得到船间波浪干扰力，以及根据补给系统工况参数基于粘流计算原理得到船间流场干扰力，补给系统工况参数包括补给船的运动状态参数、接收船的运动状态参数以及补给船和接收船所在海域的波浪参数；

5、当补给船和接收船之间未搭建高架索时直接确定船间高架索力为0；当补给船和接收船之间搭建高架索时，根据补给船的运动状态参数和接收船的运动状态参数确定补给船和接收船的相对位置参数，根据补给船和接收船的相对位置参数利用基于悬链线模型的张力计算模型计算得到船间高架索力；

6、将计算得到的船间波浪干扰力、船间高架索力和船间流场干扰力结合船体力、舵力、推进力和波浪激励力代入补给船的操纵运动模型中对补给船进行运动仿真，将计算得到的船间波浪干扰力、船间高架索力和船间流场干扰力结合船体力、舵力、推进力和波浪激励力代入接收船的操纵运动模型中对接收船进行运动仿真，实现补给船和接收船在波浪中的航行横向补给仿真过程。

7、其进一步的技术方案为，根据补给系统工况参数基于势流计算原理得到船间波浪干扰力，包括：

8、将补给系统工况参数输入波浪力传递函数预报模型，得到对应的频域内波浪力传递函数；其中，波浪力传递函数预报模型预先利用典型样本工况的数据按照势流计算原理基于机器学习模型训练得到；

9、对得到的频域内波浪力传递函数进行频时转换操作，得到时域上的船间波浪干扰力。

10、其进一步的技术方案为，波浪中两船航行横向补给仿真方法还包括：

11、确定补给船和接收船在波浪中进行航行横向补给时的多个典型样本工况，对每个典型样本工况下的补给系统工况参数进行基于三维面元法的势流计算，得到典型样本工况对应的频域内波浪力传递函数；

12、以每个典型样本工况的补给系统工况参数为输入、对应的频域内波浪力传递函数为输出，基于随机森林模型训练得到波浪力传递函数预报模型。

13、其进一步的技术方案为，对得到的频域内波浪力传递函数进行频时转换操作，包括：

14、利用卷积神经网络对得到的频域内波浪力传递函数进行频时转换操作，卷积神经网络中的隐含层用于完成频时转换操作中波浪时延效应表征带来的卷积计算。

15、其进一步的技术方案为，根据补给系统工况参数基于粘流计算原理得到船间流场干扰力，包括：

16、将补给系统工况参数输入流场干扰预报模型，得到对应的船间流场干扰力；其中，流场干扰预报模型预先利用典型样本工况的数据按照粘流计算原理基于回归分析得到。

17、其进一步的技术方案为，确定补给船和接收船在波浪中进行航行横向补给时的多个典型样本工况，对每个典型样本工况下的补给系统工况参数进行约束模试验和粘流计算，得到典型样本工况对应的船间流场干扰力；

18、以每个典型样本工况的补给系统工况参数为输入、对应的船间流场干扰力为输出，通过回归分析得到流场干扰预报模型。

19、其进一步的技术方案为，波浪中两船航行横向补给仿真方法还包括：

20、根据补给船的运动状态参数中的实时位置，以及接收船的运动状态参数中的实时位置，计算补给船与接收船沿着船长方向的纵向间距；

21、当补给船与接收船沿着船长方向的纵向间距大于补给船与接收船的平均船长时，直接确定补给船和接收船之间的船间波浪干扰力和船间流场干扰力均为0，否则根据补给系统工况参数计算补给船和接收船之间的船间波浪干扰力和船间流场干扰力。

22、其进一步的技术方案为，波浪中两船航行横向补给仿真方法包括：

23、按照几何和运动相似原则，对补给船和接收船在静水和波浪中按照不同的相对位置参数进行航行横向补给的水池模型试验，得到对应的水池模型试验结果；

24、利用所有水池模型试验结果对悬链线模型进行修正得到张力计算模型，得到的每组水池模型试验结果是在相应的水池模型试验中确定的使得通过高架索运输的货物达到安全高度的最小船间高架索力。

25、其进一步的技术方案为，波浪中两船航行横向补给仿真方法还包括：

26、当确定补给船和接收船的相对位置参数中沿着船长方向的纵向间距不大于补给船与接收船的平均船长时，将补给系统工况参数输入波面特征函数模型得到对应的波面特征，采用波面三维拟合函数根据波面特征重构得到补给船与接收船之间的时域兴波面；其中，波面特征函数模型预先基于机器学习模型训练得到。

27、其进一步的技术方案为，波浪中两船航行横向补给仿真方法还包括：

28、确定补给船和接收船在波浪中进行航行横向补给时的多个典型样本工况，采用空间梯度算法对每个典型样本工况下的兴波场时空分布数据进行特征提取得到波面特征；

29、以每个典型样本工况的补给系统工况参数为输入、提取得到的波面特征为输出，基于机器学习模型训练得到波面特征函数模型。

30、本技术的有益技术效果是：

31、本技术公开了一种波浪中两船航行横向补给仿真方法，该方法分别建立补给船和接收船在波浪中两船航行横向补给场景下的六自由度的操纵运动模型，利用开两个六自由度操纵-耐波耦合力学模型，将波浪中多体干扰和操控耦合动力学问题解构为不同激励下操纵运动与摇荡运动的有机结合，然后分项计算船间作用力，通过力学模型求解就能实现对波浪中两船航行横向补给的运动仿真，这种多源数据融合的操纵运动模型，在提高仿真响应的准确性和可靠性的基础上，还显著提高波浪中两船补给仿真的效率、灵活性和可拓展性，可以实现人在环路的波浪中两船航行横向补给全流程高效仿真。

32、该方法在进行力学模型求解时，外力源的构成还根据两船补给阶段的变化而自适应调整，且引入了机器学习和智能算法加速计算，可以减少不必要的算力消耗，且更容易保证仿真实时性。

33、该方法还采用智能辨识算法提取系列典型两船补给兴波面特征参数，通过机器学习建立兴波面特征智能重构模型，增强两船补给仿真视景的逼真度，提升仿真模拟训练的效果，可以提升仿真视景效果。