2022年, 第48卷, 第2期　刊出日期：2022-06-16

  

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船舶与海洋工程
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  基于海空双视觉协同的无人艇载无人机自主降落与验证

  范云生，孙涛，王国峰，李欣

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 1-10. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.001

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  针对艇载无人机单视觉定位易受海洋环境干扰影响，自主降落时近艇端极易出现标识码丢失、定位误差和死区较大的问题，提出一种海空双视觉协同融合定位的无人艇载无人机自主降落方法。通过在无人机和无人艇起降平台上搭载摄像头，利用无人艇降落区域和无人机底端布放的合作标识码，进行海空双视觉协同导航，同时采用Kalman滤波算法预估目标位置，不仅可以提高识别的效率，还可对目标短暂丢失情况进行位置预测，并在海空视觉协同精确定位的基础上结合PID控制算法实现无人艇载无人机的自主降落控制。仿真实验和海上实验结果表明了本文提出的基于海空协同的视觉协同融合定位算法和自主降落控制方法的可行性和有效性，为异构类子母式海空机器人系统的自主回收提供了一种有效的解决方案。

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  能耗与时间约束下的UUV三维路径规划

  董校成，于浩淼，郭晨

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 11-20. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.002

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  为解决远距离自主回收任务中水下无人航行器(UUV)在剩余能源有限情况下的快速回收问题，提出一种基于能耗和时间最优的三维路径规划方法：首先，基于UUV的运动学建立回收过程中的能量消耗模型和航行时间模型；其次，引入权重因子，采用加权系数法构建绿色度最大的联合优化目标函数，结合B-spline曲线生成连续光滑的路径；最后，利用改进的粒子群优化(PSO)算法得到满足优化目标的三维路径。仿真结果表明，该方法可以有效实现UUV能耗和回收时间的平衡，同时能够根据回收集合点规划出一条避开水下碍航区域的三维路径。
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  速度信息缺失下的多无人艇协同编队控制方法

  刘洋，董早鹏，王浩

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 21-30. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.003

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  针对一组欠驱动无人艇协同编队在航行中跟随艇无法获得领航艇的速度信息问题，提出一种基于改进线性扩展状态观测器(ILESO)的多无人艇协同编队控制方法：首先，考虑到速度传感器故障或通信断开时领航艇的速度信息难以获得，设计ILESO实时估计未知速度信息；其次，在此基础上结合领航—跟随下多无人艇协同编队误差模型，利用backstepping和李雅普诺夫理论设计编队控制律，同时将横向速度误差与相对艏向误差看做同一子系统一同镇定，巧妙地将不能直接补偿的横向力转移到可直接控制的转艏力矩上；最后，利用李雅普诺夫稳定性理论证明整个协同编队是全局一致有界稳定的。仿真结果验证了该方法是稳定有效的。
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  基于层次注意力孪生网络的船舶身份甄别

  苏俊杰，兰培真

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 31-39. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.004

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  为准确甄别船舶身份，提出一种基于层次注意力孪生网络的船舶身份甄别模型，结合时间注意的长短期记忆和多尺度的卷积网络，从时间和语义信息层面对船舶轨迹进行表征，并采用以改进的孪生神经网络计算船舶轨迹表征向量间的差异度作为判断船舶身份的依据。为验证该模型的有效性，在厦门港及附近水域船舶轨迹数据基础上对比分析本文模型和常用机器学习模型甄别船舶身份的性能。结果表明，本文模型可在小规模数据集上学习得到泛化性较好的船舶身份甄别性能，在测试集上的 F₁分数为0.8971，而常用机器学习模型在相同测试集上仅能达到0.7774，可见，本文模型可满足船舶身份甄别和异常排查等相关应用的需要。
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  舱内爆炸载荷下舰船甲板箱型梁结构抗爆性能

  郭强，刘寅东

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 40-47. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.005

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  为提高舰船的抗爆能力，箱型梁结构作为新型舰船抗爆结构受到关注。采用数值模拟方法对舰船舱内爆炸载荷下的结构变形、加速度和结构吸能进行分析，考虑结构重量变化的影响，引入重量响应指标对提高舰船抗毁伤效果进行评价分析。研究表明: 箱型梁结构对舰船Σ险剖面的抗毁伤能力有明显提高，其提升效果与舰船吨λ大小和结构形式等因素有关。该结论可为水面舰船箱型梁结构设计提供初步参考。

交通运输工程
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  考虑货流不平衡的集装箱班轮运输船期设计

  杨华龙，郭嘉伟，赵帅奇

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 48-56. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.006

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  针对货流不平衡下的集装箱班轮运输船期设计问题，根据燃油消耗量与各航段船舶航速和载货重量间的函数关系，并结合船舶到港多时间窗、多起讫时间和多装卸效率合作协议，构建班轮运输船期设计非线性规划模型优化各航段航速，设计线性割线逼近法对模型进行求解。以中国远洋海运集团有限公司的AWE1航线为例，生成100个场景的数值进行模拟计算。结果表明，考虑货流不平衡的船期设计优化可有效降低集装箱班轮运输服务的周总成本，有利于增加运力供应。敏感性分析结果显示，本文模型有利于减缓由于燃油价格上涨而造成集装箱班轮运输周总成本的快速升高，且货流不平衡系数越大，模型越有效。研究结论可为船公司船期设计决策提供有益参考。
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  考虑碳排放的冷藏集装箱多式联运路径选择

  孙家庆，王胜男，闫淑贤

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 57-65. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.007

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  为了明确碳排放限额和碳税税率对冷藏集装箱多式联运路径选择的影响，基于运输时间等约束，考虑运输速度和载重吨位等因素对碳排放的影响，构建了以运输总成本和碳排放量为最低的双目标路径选择模型。设计遗传和模拟退火的混合算法进行求解，通过算例模拟情景进行讨论。结果表明：对于冷藏集装箱运输，提高运输速度会导致碳排放量增加同时降低运输总成本，且载运工具吨位增加可降低运输中的单位碳排放量；改变碳排放限额和碳税税率取值均可降低运输中的碳排放量，引导多式联运决策者选择低碳的运输路径。本模型可为多式联运经营人决策绿色的路径提供理论依据。
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  考虑装船设备作业冲突的散货出口码头装船作业调度优化

  李俊杰，张新宇，王婧贇，颜瑾

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 66-74. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.008

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  针对散货出口码头装船设备作业冲突导致装船作业工艺流程频繁中断的问题，提出一种散货出口码头装船作业调度方法。考虑装船方案、装船设备碰撞以及交叉作业冲突等约束，以最小化最大装船作业完成时间为目标，建立散货出口码头装船作业调度优化的混合整数规划模型。基于该模型的特点，设计一种基于启发式逻辑的Benders分解算法求解该模型，首先，将原问题分解为装船方案和装船设备分配的主问题，以及优化装船作业调度的子问题；其次，为克服最优割平面有效性较低的问题，设计启发式策略，使子问题每次迭代产生多个最优割平面并引入主问题中；最后，以某港一二期散货出口码头为例，通过不同组算例的结果分析，验证了模型和算法的有效性。该方法可有效提高散货出口码头装船作业效率和服务水平。

热能与动力
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  组合抽吸对扇形扩压叶栅性能影响的数值研究

  徐宁，汪作心，高美慧，孙可，陆华伟

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 75-81. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.009

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  为避免压气机失速的发生，采用数值仿真方法，对跨音速压气机DMU37静子扇形叶栅展开研究，分析在叶栅端壁与吸力面同时进行附面层抽吸时对该扇形叶栅性能的影响，同时讨论了改变总抽吸质量流量的影响。结果表明，端壁区域的损失会随着抽吸流量的增加逐渐减小，上、下端壁三维角区回流强度减弱；通流能力随着抽吸流量的增加而逐渐提升，叶栅内主要涡结构逐渐向端壁迁移；随着抽吸流量的增加，流入抽吸腔的流体速度增大，附面层抽吸能力增强，当抽吸流量为进口流量的2%时，总压损失系数较未抽吸时降低49.07%；在固定抽吸流量率条件下，双侧端壁抽吸与吸力面组合抽吸可让叶栅气动参数更加均匀，推迟附面层分离。分析组合式附面层抽吸对扇形叶栅角区与型面分离的控制效果，对组合附面层抽吸机理做进一步探究，可为附面层抽吸在压气机中的应用、吸附式压气机的设计提供理论依据与设计准则。

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  闭式叶轮变形对离心压缩机性能及气动载荷的影响

  刘向阳，辛建池，吴化银，惠香

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 82-90. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.010

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  为分析离心压缩机叶轮变形对其气动性能及气动载荷的影响，基于Workbench平台，以某离心压缩机首级闭式叶轮为研究对象，结合轮盖、级间间隙对叶轮进行流固耦合数值研究。以未发生变形的叶轮为对象，通过CFX计算压缩机内部流场，获取叶轮所受的压力场与温度场，结合离心力条件，对叶轮进行静力学结构分析从而获取叶轮多条件下的变形数据，并计算变形后的叶轮流场，对比分析叶轮在变形前后压缩机性能及叶片表面气动载荷变化规律。结果表明：静力学结构分析中，离心力是叶轮变形的主导因素；叶轮变形导致轮盖间隙减小，泄漏损失降低，压缩机总体气动性能略有提高,效率提高约1.4%。通过非定常计算获取叶表气动载荷，发现叶片前缘与尾缘气动载荷频率主要以转频为主;前缘气动载荷在叶轮变形导致的气流角与轮盖间隙泄漏流变化的共同影响下，平均气动载荷提升21.5%，尾缘由于叶轮膨胀变形与间隙流变化导致该处平均气动载荷提升62.4%。
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  交替静叶轴流压气机气动特性数值研究

  王伟，王威，丁小娟，傅文广，孙鹏

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 91-100. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.011

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  为给轴流压气机新型气动布局提供借鉴，进一步控制压气机角区分离，详细研究了静叶交替分布的静子对跨声速压气机气动性能的影响。以NASA Stage35单级轴流压气机为模型进行研究，基于控制角区分离的理论方法，调整静叶叶尖进口几何角，构造新型的交替静叶布局进行数值模拟并分析静叶改型压气机的气动特性。结果表明：不同的交替静叶模型对流动分离控制程度有较大差异，相比原型和全周静子叶片改型，交替静叶模型能够有效提升压气机性能，实现了压气机扩稳、增压以及等熵效率的提高。交替静叶模型的改型叶片叶尖进口几何角减小21°时，对压气机的性能提升效果最好，压气机的总压比和等熵效率均大幅提升且稳定裕度提升最大，相比原型提高了4.8%。

船舶与海洋工程
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  基于DBN-SVR的船舶主机排烟温度基线模型

  董建伟，曾鸿，刘鑫龙，杨曙光，许兆鑫

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 101-109. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.012

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  为给船舶主机整体性能的状态监测和健康管理提供更好的技术支持，提出一种基于深度置信网络（DBN）和支持向量回归机（SVR）相结合的船舶主机排烟温度基线模型，通过计算设备运行时的状态参数测量值与基线值的偏差量，并结合偏差量的变化情况，进而判断出部件的退化或故障情况。以某轮2015年1—6月份的航行数据和试航报告中的数据作为初始样本，经异常值剔除、噪声去除和稳定点筛选等处理后，形成最终样本集；利用DBN网络对样本数据进行特征提取，随后将提取的数据特征输入SVR中，建立船舶主机排烟温度基线模型。结果表明：通过测试集验证，基于参数调优的DBN-SVR模型相比BP模型、DBN模型和SVR模型能更准确地预测状态参数，拥有优良的稳定性。
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  基于Adam-BP的预混可燃气体燃爆实验结果预测方法

  于佳航，林叶锦，张彬，曲衍旭，王博乔，李卓然，夏远辰，陈力

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 110-117. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.013

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  针对传统燃爆机理研究方法存在耗时久、成本高、有效实验数据难以获取的问题，采用一种数据驱动与物理实验相结合的方法对半封闭空间置障条件下燃爆实验结果进行预测，并以燃爆实验数据为基础，开发了一种基于Adam优化算法下的BP神经网络预测模型，通过敏感性分析实现隐含层神经元个数的最优配置；以实验获得的火焰速度和最大燃爆压力作为特征样本数据进行训练和测试；采用R⊃2;(决定系数)评价指标来评估预测模型性能，并与RSM模型和岭回归模型进行对比。结果表明，采用Adam-BP模型预测火焰速度和最大燃爆压力相比RSM模型预测的R⊃2;分别提高了30%和16%，相比岭回归模型的R⊃2;值分别提高了10%和8%，并且Adam-BP模型鲁棒性相对较好。测试结果表明，Adam-BP模型在预混可燃气体燃爆实验结果预测中精度达到95%以上，因此，Adam-BP模型适用于预混可燃气体燃爆后果的预测，可为研究预混可燃气体燃爆后果提供一种快速预测方法。

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  基于虚拟阻尼补偿的船舶并网变换器直流母线电压振荡抑制方法

  吕旭，刘彦呈，张勤进，王洪来，郑祥鲁

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 118-127. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.014

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  为解决船舶直流微电网中恒功率负载与LC滤波器级联引起的母线电压高频振荡问题，提出一种基于虚拟阻尼补偿的并网变换器母线电压振荡抑制方法。首先,建立源侧并网变换器及恒功率负载的小信号模型，分析恒功率负载负阻抗特性减小LC滤波器阻尼引起电压振荡的机理，推导出LC滤波器与恒功率负载级联的稳定约束条件。在此基础上，引入基于非线性扰动观测器的虚拟负电感有源阻尼补偿方法，对并网变换器直流侧输出电流进行虚拟测量，并构建虚拟负电感补偿环节抵消LC滤波器较大电感值，从而抑制系统的低阻尼振荡。最后，采用奈奎斯特判据分析级联系统的稳定性，建立Simulink仿真模型验证了所提控制算法的有效性。

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  基于常Q变换与深度神经网络的VDR语音端点检测

  杜晗，张维维，张巧灵，闫凌宇

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 128-135. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.015

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  基于采集的真实船舶航行数据记录仪音频数据，提出一种基于常Q变换(Constant-Q Transform，CQT)幅度谱与深度神经网络(DNN)的语音端点检测方法。为获得适合不同频段的变频率分辨率，采用CQT对VDR音频信号进行谱分析，并利用DNN自动学习基于CQT幅度谱的复杂特征表示，实现端到端的VDR音频数据语音端点检测，真实VDR音频数据验证了本文方法的有效性。实验结果表明，该方法具有较高的正确率和鲁棒性。

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  微通道内气体-非牛顿流体两相流流动特性

  高宇航，杨刚，张会臣

  大连海事大学学报. 2022, 48(2): 136-144. https://doi.org/10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2022.02.016

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  实验研究了氮气-水和氮气-CMC溶液在不同宽度微通道内的压力降和流型的变化，分析了气液流速比和无量纲数等条件对压力降和气泡长度的影响。结果表明，流速和溶液浓度越大，微通道宽度越小，压力降越大。气液两相流中，随着气液流速比的增加，压力降呈指数下降。对分相流压力降模型进行修正后，其预测值与实验结果间误差为-13.64%~17.41%。通过对气泡横截面面积的精确计算，对气泡长度预测模型进行了修正，气泡长度模型预测值与实验气泡长度间的误差除个别点外均小于20%。微通道中气体-非牛顿流体两相流压力降和气泡长度的预测可为微流控系统设计提供参考依据。