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船舶运动模型参数辨识研究综述

朱曼 文元桥 孙吴强 张家辉 HAHNAxel

朱曼, 文元桥, 孙吴强, 张家辉, HAHNAxel. 船舶运动模型参数辨识研究综述[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(5): 1-11. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.001
引用本文: 朱曼, 文元桥, 孙吴强, 张家辉, HAHNAxel. 船舶运动模型参数辨识研究综述[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(5): 1-11. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.001
ZHU Man, WEN Yuanqiao, SUN Wuqiang, ZHANG Jiahui, HAHN Axel. A Review of Parameter Identification Methods for Ship Dynamic Models[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(5): 1-11. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.001
Citation: ZHU Man, WEN Yuanqiao, SUN Wuqiang, ZHANG Jiahui, HAHN Axel. A Review of Parameter Identification Methods for Ship Dynamic Models[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(5): 1-11. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.001

船舶运动模型参数辨识研究综述

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.001
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52001237

国家自然科学基金项目 U2141234

武汉理工大学三亚科教园开放基金项目 2021KF0030

详细信息
    通讯作者:

    朱曼(1989—),博士,副研究员. 研究方向:船艇智能技术. E-mail:man.zhu.393@whut.edu.cn

  • 中图分类号: U666

A Review of Parameter Identification Methods for Ship Dynamic Models

  • 摘要: 创建精确且可靠的运动模型是有效分析船舶操纵性和保障船舶智能航行的关键。相较于常用的船舶运动建模方法(包括经验法、试验法、计算流体动力学数值法),参数辨识技术是1种实用有效、迁移性强的建模手段,但因受到诸如船舶强非线性运动特性、时变耦合的环境干扰、内外多重不确定性等众多复杂因素的影响而面临极大挑战。围绕船舶运动模型参数辨识技术的4个核心内容,即最优输入设计、船舶运动数学模型、参数估计算法、辨识模型测试验证,重点梳理了富含操控特性的激励数据获取、多型船舶运动模型、经典-智能-混合参数辨识方法、辨识模型评估方法相关的研究现状,剖析了噪声干扰、参数漂移、参数时变、评价指标选取等主要问题,发现面对操纵与航行特征复杂的船舶,获取覆盖广域运动特征的高质量数据仍无较好方法,参数漂移现象与模型复杂度紧密相关,且无法完全避免。面向数据高质量化、辨识实时性、航行场景复杂化等的发展要求,对船舶运动模型参数辨识技术在船舶操纵运动数据获取与处理,如鲁棒估计与信息融合、鲁棒在线参数辨识、多新息智能算法、复杂场景下的船舶运动辨识建模如受限条件下船舶运动辨识建模等重点方面进行了展望。

     

  • 图  1  系统动态辨识建模流程图

    Figure  1.  Procedure of the identification-based modeling of system dynamics

    表  1  输入信号类型对比分析

    Table  1.   Comparative analysis of input signal types

    优化方法 输入信号类型 优点 缺点
    船舶标准操纵 Z形操纵 满足船舶操作性标准的要求,易从可用的数据库中提取所需的数据集 对非线性系统以及噪声干扰下的辨识适用性不强
    船舶标准操纵伪随机二进制序列 旋回操纵 标准船舶操纵运动,易产生与获得 抗噪声干扰差、不太适用于非线性系统辨识
    A和D最优准则Mitchell算法 bang-bang型 能抑制低速船舶操纵运动模型中各参数间的共线性 1个或2个振幅的转向序列包含船舶非线性动态信息不足,对非线性系统辨识适用性不强
    经验方法 多级伪随机序列
    正弦信号
    线性调频信号
    包含丰富的系统非线性动态特性,适于非线性运动辨识建模 实现难度较大,需要船舶频繁操车
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    表  2  船舶运动数学模型对比分析

    Table  2.   Comparative analysis of ship dynamic models

    航行场景 模型类型 实验对象 研究发现 代表文献
    低海况 简化的水平面3自由度矩阵向量模型 船模仿真与Ⅰ-Nav-Ⅱ无人艇实船 模型简化策略对构建不同船舶运动模型可行 [6][22]
    静水 水平面3自由度MMG模型 双桨双舵内河船船模,包括6 700 t散货船和3 500 t油船 建立的船舶运动模型能描述船舶运动趋势,但精度不高,依赖于船舶结构属性以及船速等初始条件设置 [21][24]
    低海况 水平面3自由度MMG模型 KVLCC2基准船船模 混合组合构建的模型存在较大不确定性,影响模型精度,需事先基于原型船进行合理调整 [25]
    浅水域 MMG模型与准多项式相结合的水平面3自由度模型 DTC集装箱船船模 结合截断奇异值分解方法辨识构建船舶运动模型可在一定程度上消减浅水导致的不确定性影响 [26]
    水平面3自由度MMG模型 货船船模 构建的模型能较好描述船舶浅水中的运动特性,船舶操纵性会随水深与吃水的比例减小而变差 [28]
    岸壁效应 MMG模型与非线性瞬态动态模型相结合的水平面3自由度模型 Esso Bernici油船实验 构建的模型能较高精度刻画岸壁和河底对船舶运动的影响,其中船岸间距与船速之间呈现多项式关系,船岸间距相较于船速对船舶运动影响更为明显 [27]
    简化MMG模型与稳态和瞬态响应方程相结合的水平面3自由度模型 KVLCC2基准船船模与潜艇标模SUBOFF船模 构建的模型可用于岸壁效应对船舶运动不确定性和稳定性分析,此外,浅水对模型参数影响明显,船岸距离和吃水误差的误差引起的系数偏差是岸壁效应水动力不确定度中的重要组成部分 [29]
    靠离泊等低速航行 水平面3自由度MMG模型 缩尺度模型船Esso Osaka 基于CMA-ES辨识方法,利用船舶运动轨迹,能构建出船舶靠离泊低速下的MMG模型,该套针对船舶低速运动下的辨识建模方法依赖于模型的自由度以及训练数据量 [32]
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    表  3  参数估计算法对比分析

    Table  3.   Comparative analysis of parameter identification methods

    算法类型参数估计算法 优点 缺点 代表文献
    经典算法 LS 简单易实现 异常值敏感 [6]
    应用广泛 不一致估计
    NLS 目标函数近似线性化 辨识值波动不稳定 [34]
    收敛快,易实现 局部最优
    PLS 适于大数据、多变量
    可克服多变量共线性问题
    具有一定鲁棒性
    复杂非线性动态系统适用性较差 [35]
    MILS 具有一定鲁棒性 多新息矩阵求逆致计算量大 [36]
    对一定输入维度量的系统收敛较快 难适用于输入维度大的复杂系统
    HTNMILS 计算复杂度较低 鲁棒性有界 [37]
    辨识精度较高
    TMILS 克服多新息矩阵求逆问题 对模型不完整及环境干扰的不确定性影响敏感 [38]
    易实现,且无需先知船舶模型结构
    KF 具有一定鲁棒性
    通用性较强
    需已知外部激励
    线性化动态系统,难适用于非线性系统
    [39-40]
    EKF 具有一定鲁棒性
    通用性较强
    适用于非线性动态系统
    线性化处理忽略了高阶项,增大了计算误差
    存在非局部采样和负半定协方差矩阵问题
    [14]
    UKF 计算过程非线性的同时保留了系统的非线性特性 鲁棒性有界 [41-42]
    具有较高的模型参数估算精度 干扰未知下调参难
    EHIF 具有一定鲁棒性 初值依赖,且但准确确定 [49]
    适用于非线性动态系统
    NGF 结构设计灵活,适用性强 初值依赖 [43]
    辨识精度高 无法克服参数漂移
    智能算法 GEBF-FNN 具有可解释的模型结构和并行学习能 大型复杂船舶运动建模问题存在维数灾难问题 [45]
    适用于较为复杂的船舶运动辨识建模问题
    IGA 适用于白噪声干扰动态系统 局部最优
    难适用于有色噪声干扰下的辨识问题
    [48]
    LS-SVM 适用于小样本
    凸优化转换,求解保证全局优化结果
    约束线性化牺牲掉了一定的辨识精度
    不具有解的稀疏性
    部分参数需合理优化
    [44]
    OTLSSVM 适用于小样本
    凸优化转换,求解保证全局优化结果
    核函数矩阵维数减少,计算量降低
    对非线性动态系统适用性有限
    部分参数需合理优化
    [26]
    ε-SVM 适用于大样本问题
    具有较好鲁棒性
    不敏感因子合理确定不易
    参数漂移现象无法避免
    [51]
    混合算法 EKF+GRGCLS 兼具二者的优点
    对强非线性动态系统辨识精度较高
    EKF的缺点仍旧无法完全克服 [44]
    PSO+LS-SVM 适用于小样本
    凸优化转换,求解保证全局优化结果
    参数自适应优化
    约束线性化牺牲掉了一定的辨识精度
    PSO局部最优无法完全克服
    [50]
    CV+ν-SVM 适用于非线性动态系统
    参数优化简单易实现
    参数漂移现象无法避免
    非线性问题处理能力受限
    [52]
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  • 收稿日期:  2022-04-22
  • 网络出版日期:  2022-12-05

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