基于支持向量机的船舶横摇运动辨识建模研究

Dynamic modeling of ship rolling motion is one of the most difficult and focused problem in the research area of shipbuilding and ocean engineering. This project aims to establish an accurate mathematical model of ship rolling motion based on analyzing the rolling data in random waves by using support vector machines in combination with random decrement technique. With the proposed identification approach, the parameters including the rolling damping, restoration, natural frequency, rolling excitation and so forth can be obtained via the analysis of the real-time rolling data for a sailing ship. Thereafter the transverse stability can be determined, and the results can be used as the safety evaluation for ships. The proposed identification approach will be extensively validated by using experimental data including simulation tests, model tests, and full-scale trials. Besides, to design an on-line identification modeling program of ship rolling motion for real ships, fast and efficient SVM algorithm will be developed, and the influence of initial rolling angle and sample length on the random decrement curves will be also deeply studied. The successful implement of this project will provide an efficient method for the modeling of ship rolling motion.

船舶横摇运动建模一直是船舶与海洋工程领域的研究难点和热点之一，本项目拟使用支持向量机（Support Vector Machines, SVM）算法，结合随机减量技术，在分析随机波浪中船舶横摇数据的基础上，建立精确的船舶横摇运动数学模型。该技术仅通过船舶航行过程中在线实测得到的横摇角时历，即可辨识得到船舶横摇运动数学模型中包含的横摇阻尼、恢复力矩、固有频率和横摇激励等参数，进而可以对船舶的横摇稳性进行在线计算，为评价船舶在航行中的安全性提供依据。本项目拟通过仿真试验、模型试验和实船试验数据对提出的辨识技术的有效性进行广泛验证，并开发快速、高效的SVM算法，深入研究门槛值和样本长度对随机减量曲线的影响，致力于开发可应用于实船的横摇运动在线辨识建模程序。本项目的成功实施，将为船舶横摇运动建模提供新的有效手段。

本课题应用SVR对船舶在波浪中的单自由度横摇运动分别进行了参数辨识和非参数辨识研究。在参数辨识方面，应用SVR分别对船舶在静水中的自由横摇衰减运动、在规则波中的横摇运动以及在不规则波中的随机横摇运动进行分析，辨识获得船舶横摇运动方程中的阻尼系数和回复力矩系数等，并应用辨识得到的系数对船舶的横摇运动进行数值模拟。在应用SVR对船舶在不规则波中的横摇运动进行分析时，引入随机减量技术对船舶在不规则波中的随机横摇运动响应数据进行预处理，获得横摇运动的随机衰减信号；基于获得的随机衰减信号，应用SVR辨识得到横摇的阻尼系数和回复力矩系数。数值仿真试验和船模试验的辨识结果表明，SVR可以用来对船舶静水中的自由横摇衰减运动、规则波中的横摇运动和不规则波中的随机横摇运动进行辨识，准确地获得船舶横摇运动的阻尼系数和回复力矩系数等。在非参数辨识方面，应用SVR分别对船舶在静水中的自由横摇衰减运动、在规则波中的横摇运动和在不规则波中的随机横摇运动进行分析，建立了船舶横摇阻尼和回复力矩的非线性SVR模型，并利用辨识结果对船舶的横摇运动进行数值模拟。为验证SVR的辨识效果，分别将SVR应用于分析船舶横摇运动的数值模拟数据和船模试验数据，辨识结果表明，SVR能够用于对船舶在静水中的自由横摇运动和在规则波及不规则波中的横摇运动进行非参数辨识，建立横摇运动的阻尼和回复力矩的非参数模型。