大型双桨双舵船舶避碰优化操纵及控制研究

摘要

随着水路运输和船舶工业的快速发展，全球运输船舶越来越大型化、高速化，对船舶的操纵控制性能的要求越来越高。2013年，以实现安全、高效、节能和环保为目标的18000TEU超大型双桨双舵的集装箱船舶（排水量达25万吨）建造完成并投入营运。双桨双舵能够提高这种超大型船舶的自主操纵性能。对此类大型船舶操纵运动的建模和操纵控制研究，是具有重要理论和工程意义的科学问题。
　　本文采用MMG模型的建模机理，对船体、舵、桨和外界的干扰分别进行研究，建立了双桨双舵船舶的运动数学模型，并通过仿真计算实船的旋回试验曲线来验证模型的准确性。
　　本文通过研究多目标优化问题、克隆选择算法和量子计算，将量子计算的并行性和混沌搜索的遍历性融合到克隆算法中，提出了一种混沌量子免疫克隆多目标算法。该算法用量子位编码初始化群体，提高搜寻效率，用混沌量子旋转门变异算子实现个体更新，提高种群多样性。通过对比仿真结果，验证了该算法的有效性。
　　在船舶安全中，本文将混沌量子免疫克隆多目标算法用于解决船舶避碰策略优化问题。根据自动雷达标绘仪的试操作理论，将船舶避碰的相关变量作为混沌量子免疫克隆多目标算法的抗体，以安全性、经济型以及平滑性作为评价依据，构成一个迭代优化过程，通过多属性决策，寻找最优的避碰策略。试验表明，基于混沌量子免疫克隆多目标算法的船舶避碰策略优化程序是有效的，能够为驾驶人员提供较好的避碰决策支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 理论背景及意义

1．2 双桨双舵船舶运动建模研究现状

1．3 多目标优化问题研究综述

1．3．1 多目标优化问题研究背景

1．3．2 多目标优化问题的发展现状

1．4 本论文的主要研究工作

第2章 大型双桨双舵船舶操纵运动数学模型

2．1 运动学特性方程

2．1．1 船舶操纵运动坐标系

2．1．2 船舶水平运动数学模型

2．2 动力学特征方程

2．2．1 船体流体动力和力矩

2．2．2 螺旋桨推力的数学模型

2．2．3 舵力和力矩的数学模型

2．2．4 舵机模型

2．2．5 船舶运动干扰力和力矩的数学模型

2．3 船舶机理模型的验证

2．3．1 旋回试验仿真

2．3．2 Z形操纵试验仿真

2．4 本章小结

第3章 混沌量子免疫克隆多目标算法

3．1 多目标优化问题

3．1．1 多目标优化问题的数学描述

3．1．2 Pareto最优解相关概念

3．2 克隆选择算法

3．3 混沌量子免疫克隆多目标算法

3．3．1 算法描述

3．3．2 比例克隆

3．3．3 混沌量子旋转门变异

3．3．4 抗体种群更新

3．3．5 算法描述

3．4 算法复杂度分析

3．5 性能度量方法

3．5．1 逼近性度量方法

3．5．2 均匀性度量方法

3．5．3 宽广性度量方法

3．6 算法仿真试验

3．6．1 参数设置

3．6．2 测试函数

3．6．3 算法性能分析

3．7 本章小结

第4章 基于多目标算法的船舶避碰操纵及控制策略优化

4．1 多属性决策相关概念

4．2 避碰操纵基本理论

4．3 系统结构

4．4 算法结构

4．4．1 抗体编码

4．4．2 构造亲和度函数

4．4．3 算法流程

4．5 仿真研究

4．5．1 仿真算例1

4．5．2 仿真算例2

4．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简介