基于橫搖過(guò)程的艦船破損模式識(shí)別算法

鄢 凱，浦金云，侯 岳

(海軍工程大學(xué) 艦艇安全技術(shù)系，湖北 武漢430033)

0 引 言

在海戰(zhàn)中，艦艇受到武器攻擊破損進(jìn)水，破損艙室的傳感設(shè)備同樣也會(huì)遭受破壞，無(wú)法向艦艇損管站提供準(zhǔn)確的破損信號(hào)。為此有必要研究艦船艙室破損模式的識(shí)別算法，從而為艦艇抗沉決策提供準(zhǔn)確的抗沉信息。

目前國(guó)內(nèi)外研究艦船破損模式的相關(guān)文獻(xiàn)很少。2006年，英國(guó)的A.I.Olcer 提出了基于案例推理的、適用于民用船舶的破損模式識(shí)別算法，為艦船破損模式識(shí)別的研究開(kāi)辟了思路［1］。然而，該算法的不足之處在于:破損模式識(shí)別的算法是基于民船建立的，與艦艇在案例推理相似度計(jì)算上存在較大差別;更為重要的是，其破損模式案例是以艦船破損后的最終平衡姿態(tài)為識(shí)別屬性，不能與艦艇橫搖的時(shí)域特性進(jìn)行匹配。為此，本文以艦船破損進(jìn)水過(guò)程的橫搖運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，結(jié)合破損進(jìn)水過(guò)程的時(shí)域曲線特征，建立艙室破損模式識(shí)別算法，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該算法的有效性。

1 破損橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)域模型

設(shè)在微海況條件下，破損艙室內(nèi)的進(jìn)水是平坦的。在不考慮波浪力矩作用下，含破損進(jìn)水艙的橫搖運(yùn)動(dòng)方程為［2］:

式中:I 為船舶自身全部質(zhì)量慣性矩;N1和N2分別為線性、非線性阻力系數(shù);R1和R3分別為線性和非線性恢復(fù)力系數(shù);W 為破損艙內(nèi)進(jìn)水量;Ifc為破損艙內(nèi)海水質(zhì)量慣性矩，表示破損艙內(nèi)海水中心到艦船重心在橫向的垂直距離，其中Ifc和QG 按準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算，Ks表示艦船遭受攻擊時(shí)橫搖方向的突加力矩，其計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)［3］。上述參數(shù)QG 可以通過(guò)艙室進(jìn)水量及艙室形狀求得，而進(jìn)水量W 的計(jì)算如下式所示:

式中:v(i，j)為i 艙室與j 艙室連接開(kāi)口的進(jìn)水速度;A0(i，j)為破口的面積;Cd(i，j)為該破口處的衰減系數(shù)。

聯(lián)立方程(1)和方程(2)便能描述破損艙室進(jìn)水過(guò)程的橫搖運(yùn)動(dòng)。分析此方程組的特點(diǎn)，是一個(gè)二階、變系數(shù)，且具有積分的非線性方程組，其中變系數(shù)是指進(jìn)水量W 是個(gè)隨時(shí)間的變量，非線性是指考慮恢復(fù)力矩和阻尼力矩的非線性。對(duì)于此方程組的數(shù)值求解，可采用Runge-kutta 二階迭代的方法，通過(guò)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行離散化求解，其具體求解方法可參考文獻(xiàn)［4］。圖1 為通過(guò)上述數(shù)值仿真解法，求得某艦船破損進(jìn)水模式下，橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)域圖。

圖1 某破損模式橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)域圖Fig.1 Heeling angle-time figure

2 破損模式識(shí)別模型

2.1 識(shí)別屬性

通過(guò)上述數(shù)值方法，每種艦船破損模式將對(duì)應(yīng)1個(gè)橫搖運(yùn)動(dòng)的時(shí)域曲線。將曲線沿時(shí)間軸均等地分成n 段，每段與時(shí)間軸圍成的面積Si、每段的斜率Li(i=1，2，…，n)以及整個(gè)曲線與時(shí)間軸圍成的面積S，通過(guò)這3 類屬性來(lái)識(shí)別艦船的破損模式。這3 個(gè)屬性均可通過(guò)上節(jié)的數(shù)值方法求得［5］。

2.2 構(gòu)造識(shí)別屬性特征矩陣

假設(shè)某艦船有m 種破損模式，模式集為P=(P1，P2，…，Pm);每種破損模式有3 類屬性，對(duì)應(yīng)2n+1 個(gè)屬性，屬性集為A=(S1，L1，S2，L2，…，Sn，An，S)，某待識(shí)別的破損模式的屬性NR=(N1，R1，N2，R2，…，Nn，Rn，N)。其中，Pi=(Xj1，Yj1，Xj2，Yj2，…，Xjn，Yjn，Xj)，j=1，2，…，m。

可得特征矩陣:

2.3 破損模式識(shí)別算法

本節(jié)通過(guò)以下步驟建立艦船破損模式識(shí)別算法。

1)屬性值的歸一化

為了有效消除量綱對(duì)結(jié)果的影響，引入一種歸一化效用函數(shù)，將不同量綱的原始特征屬性值轉(zhuǎn)換到［0，1］區(qū)間，同時(shí)盡可能將特征屬性值轉(zhuǎn)換成與原始屬性值成正比關(guān)系的值。本文采用向量歸一化方法如下:

2)確立各識(shí)別屬性權(quán)重

本文使用區(qū)間層次分析法(IAHP)確立各識(shí)別屬性的權(quán)重。IAHP 方法是一種用量化的區(qū)間數(shù)進(jìn)行屬性之間重要性的比較判斷，屬性重要性越大，則其權(quán)重值越大［6］。通過(guò)下述步驟可計(jì)算各屬性的權(quán)重。

Step1 將2n+1 個(gè)屬性進(jìn)行兩兩比較重要性，形成區(qū)間判斷矩陣A=(aij)(2n+1)×(2n+1)。將區(qū)間判斷矩陣按列歸一化:

Step3 應(yīng)用區(qū)間數(shù)權(quán)向量計(jì)算法——區(qū)間數(shù)特征根方法(IEM)，計(jì)算區(qū)間判斷矩陣的特征向量。

IEM 通過(guò)確定k 和m 的值求出區(qū)間判斷矩陣的特征向量，其中

3)基于灰色關(guān)聯(lián)的模式識(shí)別相似度

對(duì)于艦船的任何一種破損模式，都可以通過(guò)第1節(jié)的橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)域模型求得其時(shí)域曲線，并從中提取對(duì)應(yīng)的屬性特征。然而，該模型得到的橫搖時(shí)域曲線屬性特征，往往與艦船自身監(jiān)測(cè)到的橫搖數(shù)據(jù)有誤差，即在破損模式中，很難找到與當(dāng)前破損模式的橫搖數(shù)據(jù)完全相同的破損模式。本節(jié)根據(jù)識(shí)別屬性相似度算法的建立，從已有的破損模式中找到與當(dāng)前破損模式最為接近的模式，該破損模式即視為艦船當(dāng)前的破損模式，從而為艦艇的抗沉提供依據(jù)［7-8］。

通過(guò)以下步驟建立模式識(shí)別相似度算法。

Step1 在特征矩陣(3)的基礎(chǔ)上，結(jié)合灰色理論，當(dāng)前破損模式向量Z0與已有破損模式集內(nèi)第i個(gè)向量Zi在第k 個(gè)指標(biāo)值上的灰關(guān)聯(lián)相似度如下:

式中，i ∈m，k ∈2n+1，ζ ∈［0，1］為分辨系數(shù)，用以調(diào)整比較環(huán)境的大小。

Step2 將上述第k 個(gè)指標(biāo)值上的相似度轉(zhuǎn)化為灰色關(guān)聯(lián)距離，

Step3 當(dāng)前破損模式向量Z0與已有破損模式集內(nèi)第i 個(gè)向量Zi的灰色距離為

Step4 將上式轉(zhuǎn)化為灰色相似度為

3 應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證該模式識(shí)別算法的有效性，本節(jié)利用VB6.0 軟件平臺(tái)結(jié)合Access2003 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)某船的破損模式進(jìn)行了計(jì)算，其中VB 編程軟件用來(lái)數(shù)值計(jì)算船舶各種破損模式下的橫搖時(shí)域模型，而Access 數(shù)據(jù)庫(kù)則用來(lái)記錄各破損模式所對(duì)應(yīng)的屬性特征值。某船共有23 種破損模式，15 個(gè)特征識(shí)別屬性分別表示橫搖曲線各段的面積、斜率以及總面積，各段面積屬性的權(quán)重為0.07，各段斜率屬性的權(quán)重為0.05，總面積屬性的權(quán)重為0.16。根據(jù)第2 節(jié)的模式識(shí)別算法，求得各破損模式與當(dāng)前破損模式的相似度，如表1所示。當(dāng)前破損模式與破損模式16 的橫搖時(shí)域曲線識(shí)別屬性相似度最高，如圖2所示，且當(dāng)前破損狀態(tài)下預(yù)先設(shè)定的破損模式與破損模式16完全相同，從而證明了該模式識(shí)別算法的有效性。

表1 某船破損模式識(shí)別屬性值Tab.1 Identification attribute index in one damaged ship

圖2 某船破損模式與已有各破損模式相似度比較Fig.2 Ratios of similitude between one damaged ship and several damaged models

4 結(jié) 語(yǔ)

以艦船破損進(jìn)水過(guò)程的橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)域模型為基礎(chǔ)，綜合考慮該模型的非線性動(dòng)力學(xué)特性，并通過(guò)時(shí)間離散的數(shù)值解法求得艦船破損模式下的橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)域曲線，為破損模式識(shí)別算法進(jìn)行了前期理論探討。

當(dāng)艦船遭受武器攻擊時(shí)，往往由于傳感器受損而無(wú)法獲知到底是哪些艙室破損了。而本文建立的破損模式識(shí)別算法僅從橫傾的時(shí)域曲線便能分析出當(dāng)前的破損模式，即將當(dāng)前破損條件下的橫傾曲線與已有各種破損模式下的橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)域曲線進(jìn)行相似度的數(shù)值算法求解，從中找到最為接近的破損模式便是當(dāng)前的破損模式。并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該識(shí)別算法的有效性。

［1］OICER A I，et al.A case-based decision support system for flooding crises onboard ships［J］.Quality and Reliability，Engineering International，2006，22(1):59-78.

［2］MIKELIS N E，JOURNéE J M J.Experimental and numerical simulations of sloshing behaviour in liquid cargo tanks and its effect on ship motions［A］.National Conference on Numerical Methods for Transient and Coupled Problems，1984，Italy.

［3］肖玉鳳.水下爆炸及隨機(jī)外力作用下破損艦船傾覆概率研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)，2006.

［4］鄢凱，浦金云，等.艦船破損進(jìn)水過(guò)程的非線性橫搖運(yùn)動(dòng)仿真研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(7):14-16.

YAN Kai，PU Jin-yun，et al.Numerical simulation research for non-linearity rolling motion of water ingress process on a big ship［J］.Ship Science and Technology，2011，33(7):14-16.

［5］王宏宇，倪志偉，等.灰度關(guān)聯(lián)理論在CBR 中的應(yīng)用研究［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，(5):96-99.

WANG Hong-yu，NI Zhi-wei，et al.Research on application of grey-relational theory in CBR［J］.Computer Technology and Development，2010，(5):96-99.

［6］侯遵澤，楊瑞.基于層次分析方法的城市火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究［J］.火災(zāi)科學(xué)，2004，(04):203-208.

HOU Zun-ze，YANG Ru.City fire-safety evaluation with the method of analytic hierarchy process［J］.Fire Safety Science，2004，(4):203-208.

［7］Burkhard HD.Similarity and distance in case based reasoning［J］.Fundamental Informaticae，2001，47(3-4):201-215.

［8］鄧聚龍.灰色理論基礎(chǔ)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002.135-150.