船舶操縱
關注創建者：海工 創建時間：2023-01-11
船舶操縱的實例教程
AR顯示航海情報on/off對比（白天）
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10月11日，商船三井宣布，其與古野電氣、商船三井Techno-Trade共同開發的應用AR（增強現實）技術的船舶操縱支援系統將在一艘VLCC上安裝測試。
這艘新建VLCC“SUZUKASAN”號計劃于10月12日完工，將安裝并運營商船三井的新系統，驗證其效果。船舶操縱支援系統以船舶自動識別系統（AIS）的信息為基礎，在船橋前部設置的顯示屏上展示周圍航行的其他船舶和海上浮標等標記物的動態信息，通過AR顯示從船橋上拍攝的圖像，在航行過程中為船員的導航和觀察提供視覺支持。
系統改良前
系統改良后
“BELUGA ACE”號汽車運輸船
今年3月，應用AR技術的船舶操縱支援系統已經安裝在新一代FLEXIE系列汽車運輸船的首制船“BELUGA ACE”號上，而“SUZUKASAN”號上安裝的系統基于“BELUGA ACE”號進行的試驗結果，改良了AR顯示畫面，船長能夠在顯示屏上確認其他船舶的航速、最快接近時間、最接近距離等船舶信息。
未來，商船三井計劃擴大AR技術船舶操縱支援系統的安裝范圍。
展開 本篇作者：盧蘇立
頁面編輯：王國輝、徐誠祺
內容校核：劉佳侖、李詩杰
船舶的操縱運動數學模型可以用于評估船舶的操縱性能，在當今智能船舶技術高速發展的時代發揮著越來越重要的作用。本文基于CFD與經驗方法提出了一種針對雙槳雙舵內河船舶的操縱運動數學模型，通過將模型仿真結果與一艘雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模自由自航模實驗結果的比較，驗證了該模型的有效性。本文采用CFD方法計算了模型船在不同進速系數和舵角下的螺旋槳及舵的水動力系數，并將計算結果回歸從而得到了考慮螺旋槳影響的舵力模型。本文首先驗證了CFD數值方法及舵力模型的可靠性，而后，將舵力模型與經驗公式相結合，實現并驗證了雙槳雙舵內河船舶的操縱運動建模。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.apor.2022.103261
附件下載：
https://pan.baidu.com/s/1Jo3XxRSTurlzZ628UqeOUw?pwd=llky
引用格式：
Lu Suli,Cheng Xide,Liu Jialun,Li Shijie,Yasukawa Hironori. Maneuvering modeling of a twin-propeller twin-rudder inland container vessel based on integrated CFD and empirical methods[J]. Applied Ocean Research,2022,126.
展開 Maneuvering modeling of a twin-propeller twin-rudder inland container vessel based on integrated CFD and empirical methods
基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模
盧蘇立，程細得，劉佳侖*，李詩杰，安川宏紀
本文的研究對象為一艘雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模，模型船長3.522m。模型船及自由自航模實驗場景如下圖所示。
模型船及實驗場景圖
01
模型框架
本文所提出的操縱運動模型在Liu 2017工作的基礎上，采用CFD方法對螺旋槳-舵的水動力性能進行了仿真，通過回歸分析得到了槳后舵升阻力系數的變化，結合經驗方法建立了雙槳雙舵內河船舶的操縱運動數學模型。本文提出的操縱模型框架及與Liu2017和Fujii方法計算舵力的比較如下圖所示。
02
驗證結果
為了對上述模型進行驗證，本文從兩個方面開展驗證工作。
展開 則舵機伺服機構數學模型為：
G2(s)=1/1+3s
2.3 船舶運動數學模型
船舶運動數學模型是船舶運動仿真與控制問題的核心。在船舶運動控制領域，建立船舶運動數學模型大體上有兩個目的：一個目的是建立船舶操縱模擬器，為研究閉環系統性能提供基本的仿真平臺；另一個目的是為了設計船舶運動控制器服務。目前在船舶運動模型化研究中有兩大流派，一派是歐美學派，它采用的是整體型模型結構；另一派是日本學派，它發展的是分離型模型。本文研究船舶航向保持，采用整體型的船舶運動數學模型，即把船、槳、舵看作一個整體。
日本學者野本謙作基于船舶操縱運動線性方程，從控制工程的觀點來研究船舶操縱性問題，把由于改變舵角而引起的各種操縱運動看作輸出操縱運動對輸入舵角的響應關系。并由此推導出了轉艏操舵響應方程，即操縱運動方程。也稱作Nomoto模型。Nomoto模型是船舶運動控制領域應用最廣泛的一種線性數學模型，在線性控制器的設計和簡單的系統仿真中能夠保證較高的精度。本次設計選擇的船舶運動數學模型就是Nomoto模型。因為用Nomoto模型進行船舶運動控制器設計有兩個好處：一是在低頻范圍，其頻譜與高階模型的頻譜非常相近；二是設計出的控制器階次低，易于實現。
1957年由日本野本謙作(Nomoto)教授在基于操縱線性方程基礎上，從控制工程觀點來研究船舶操縱性問題，提出了表征船舶操縱性的T、K指數，建立了線性船舶操縱響應數學模型：
這里，δ為舵角，T1，T2，T3是二階Nomoto模型的時間常數，K為舵增益，在低頻時可轉化成為一階Nomoto模型：
即：
Tr+r=Kδ
式中，r為艏搖角速度，T=T1+T2-T3。系統的輸入為舵角δ，輸出為艏相角ψ或艏搖角速度r。
展開 下沉量的產生；對于下沉量的產生原因是否可以這么解釋：航行時，船舶底部的水流速度相對于靜止時要快多了，因此航行時船舶底部的壓強相對于靜止時也小了，從而使得產生的浮力也變小了，且船速越快，流速也越快，壓強就減小的越多，因此下沉量也就越大；富裕水深越小，相同船速船底水流速度越快，下沉量就越大。
題外話：
現在很多家庭都有了轎車，而轎車的頂部大都是流線型的設計，而底部則是平的。按照上述理論，汽車快速行駛時，頂部的氣流快速通過，壓強就小，而底部會有亂流、渦流出現。從而產生向上的抬升力，導致輪胎的抓地力減小，操控性能變差，這就是為什么我們會感覺速度太快時車子會漂。這同時也解釋了為什么日系車、韓系車（自重輕）高速行駛時更容易感覺漂。理論上，只要速度足夠快，我們的轎車是能夠飛離地面的。飛機的機翼設計也是如此，上部流線型，下面則相對較平。同理，船舶螺旋槳背面會存在高壓氣泡（渦流增壓），在氣泡破裂時會沖擊槳葉表面，產生氣蝕破壞槳葉表面。
總結：
在實際操縱中，不一定每次都會出現自己所預判的結果的，因為船的運動還會受到其他多種因素如富裕水深、風向、風速、船速、車速、船舶水下型形、操舵人員的技能、之前的舵令、之前本船的轉頭趨勢等等多種因素影響的，跟船的裝載狀態（滿載或空載，通常空載艏部艏流面積小）也有很大關系；因此，我們應綜合考慮多方面條件（如風、流哪個因數的影響力更大）做出預判，萬一出現了背離，可進一步分析深層次的其他因素。有了對這一基本理論的理解，大家不需要絞盡腦汁去死記硬背什么時候回出現什么現象，只需簡單的綜合分析下，就能想到結果，提前采取相應的預防措施或提前做好相應的應急準備，為我們的航行安全提供更多的保障。
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軟件開展了大量系統性驗證，目前已用于多個實際工程問題的CFD仿真，具有以下優勢：
適用面廣
具備船舶快速性、操縱性、耐波性等船舶 CFD 應用問題的分析與評估能力；
功能完善
具備單相湍流、兩相湍流、慣性系、非慣性系、多參考系、六自由度運動、多計算域耦合、重疊網格、空化模擬、熱傳導模擬、造消波模擬及大規模并行計算等船舶水動力學問題的模擬和評估能力
現階段，數值水池當務之急的任務是利用已有的成熟且不失先進性的技術（包括CFD技術、計算機技術、網絡技術等），為船舶工業界提供急需的單項水動力學性能預報、評估等應用服務，包括：船舶快速性虛擬試驗、船舶耐波性虛擬試驗、船舶操縱性虛擬試驗、螺旋槳空泡與激振力虛擬試驗、海洋平臺運動與載荷虛擬試驗、渦激振動與渦激運動虛擬試驗等。
隨著計算機技術的飛速發展，計算流體力學（CFD）方法成為船舶操縱性領域的重要研究手段。采用CFD方法能夠求解理論分析無法獲得的復雜流動，且和物理試驗相比，所需的人力、財力大為減少。但在多時間尺度物理場（例如，直升機飛行、船舶螺旋槳推進）模擬中，采用CFD方法往往十分耗時，故而體積力法（bodyforcemethod，BFM）常被用于模擬槳葉的高速轉動效應。
這些應用可以幫助船舶設計師提高船舶性能、降低成本和環境影響，同時提供更好的船舶操縱性、安全性和舒適性。
艦船上的舵、水翼、減搖鰭等都是機翼，螺旋槳、汽輪機葉片和壓縮機葉片也都是利用機翼原理工作的，而在研究船舶操縱性時，甚至還可把船體的水下部分看作一個巨大的機翼。
隨著航空科學的發展，世界各主要航空發達的國家建立了各種翼型系列。美國有NACA系列，德國有DVL系列，英國有RAF系列，蘇聯有ЦΑΓИ系列等。這些翼型的資料包括幾何特性和氣動特性，可供氣動設計人員選取合適的翼型。
同樣，通過將船舶模型拖入巨大的水池中，造船工程師可以識別并理解影響船舶適航、操縱和破冰能力的不同因素。
拖曳水池或實驗池
傳統的拖曳水池是數百米長的大型水池或游泳池形狀的實驗設施。這些拖曳水箱推動了船舶設計科學的發展，為了解不同海水條件下的船舶流體動力學提供了見解。測試船舶設計的基本做法是使用拖曳機構將模型拖入水箱中，并測量在此過程中模型上的力。
本篇作者：盧蘇立
頁面編輯：王國輝、徐誠祺
內容校核：劉佳侖、李詩杰
船舶的操縱運動數學模型可以用于評估船舶的操縱性能，在當今智能船舶技術高速發展的時代發揮著越來越重要的作用。
當前對船舶運動模型的研究主要圍繞常速域下船舶的操縱運動，對于低速域下船舶的操縱性研究較少；此外，船舶操縱性的研究主要采用經驗公式法、試驗法以及計算流體力學方法，基于回歸分析的經驗公式法依賴數據廣度，試驗法研究周期長、推廣性差，目前常采用計算流體力學方法對船舶水動力、流場發展進行研究。構建船舶靠離泊作業條件下的操縱運動模型，是船舶運動控制的理論支撐，是實現船舶自動靠離泊作業的理論基礎。
Maneuvering modeling of a twin-propeller twin-rudder inland container vessel based on integrated CFD and empirical methods
基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模
