﻿ 无人艇远程优化服务平台设计
 舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (6): 138-142 PDF

1. 渤海船舶职业学院 船舶工程系，辽宁 葫芦岛 125000;
2. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003

Design of remote optimization service platform for unmanned surface vehicle based on internet
LIU Man1, YUE Zong-jie1, YANG Song-lin2
1. Bohai Shipbuilding Vocational College, Department of Ship Engineering, Huludao 125000, China;
2. Jiangsu University of Science and Technology, Naval Architecture and Ocean Engineering University, Zhenjiang 212003, China
Abstract: Aiming at a series of problems such as relatively independent design system, relatively closed design information, long design cycle, high cost and lack of integrated platform for various new types of USV, this paper proposed an Internet based remote optimization service platform for USV. Taking the comprehensive performance of an unmanned gliding-hydrofoil craft including its rapidity, maneuverability, seakeeping and anti overturning into consideration, This paper established a comprehensive optimization mathematical model of USV of navigation performance, based on constraint conditions. And based on Visual Studio platform, a set of integrated optimization service platform for USV is constructed. Using a packaging tool, the service system is made into a client application that can be installed. The remote application of the service platform is realized through the form of remote control software and web site publishing. After testing, the reliability of the remote optimization service platform for USV is good. The result of the calculation is stable and the transmission mode of the result file is reliable. It can effectively shorten the development and design cycle of new ships and reduce the cost of designation.
Key words: internet     unmanned surface vehicle     optimization of boat type     remote design
0 引　言

1 无人艇综合优化软件设计

 图 1 水面单体无人翼滑艇 Fig. 1 Unmanned gliding-hydrofoil craft
1.1 无人艇综合优化数学模型的建立

1.1.1 无人艇综合优化设计变量

1.1.2 无人艇综合优化目标函数

 $F(x)={{f}_{1}}{{(x)}^{{{\varepsilon }_{1}}}}\times{{f}_{2}}{{(x)}^{{{\varepsilon }_{2}}}}\times{{f}_{3}}{{(x)}^{{{\varepsilon }_{3}}}}\times{{f}_{4}}{{(x)}^{{{\varepsilon }_{4}}}}{\text{。}}$ (1)

1）快速性中船舶的阻力和推进性能是影响最大的因素，综合考虑后，快速性目标函数采用类似于海军系数[13]的快速性衡准因子来描述：

 ${{f}_{1}}(x)={{C}_{sp}}=\frac{V_{s}^{2}\Delta }{{}^{{{p}_{E}}}\!\!\diagup\!\!{}_{{{\eta }_{0}}{{\eta }_{H}}{{\eta }_{R}}{{\eta }_{S}}}\;}=\frac{V_{s}^{{}}\Delta ({{\eta }_{0}}{{\eta }_{H}}{{\eta }_{R}}{{\eta }_{S}})}{{{R}_{t}}}{\text{。}}$ (2)

2）船舶操纵性主要涉及航行稳定性、回转性、转首及跟从性、停船性能。对本文设计翼滑艇，操纵性目标函数主要选取直线稳定性、转首性和回转性来描述：

 ${f_2}(x) = \frac{{{C^{'{\alpha _1}}}*P{{(x)}^{{\alpha _2}}}}}{{D_S^{\alpha 3}}}{\text{。}}$ (3)

3）船舶横摇、纵摇和垂荡对其摇荡运动影响最为明显，因此耐波性目标函数选取横摇指标、纵摇和垂荡指标来描述[14]

 ${f_3}(x) = \frac{{{\mu ^{{\beta _1}}}}}{{{{({\psi _{1/10}})}^{{\beta _2}}}{{({Z_{1/10}})}^{{\beta _3}}}}}{\text{。}}$ (4)

4）抗倾覆性目标函数采用初稳性高和翻转后的稳性高来描述[14]

 ${f_4}(x) = {\overline {GM} ^{{\gamma _1}}}*\overline {GM} _1^{{\gamma _2}}{\text{。}}$ (5)

1.1.3 无人艇综合优化约束条件

1）等式约束

① 满足浮性约束，优化得到的排水体积与设计排水体积保持一致，即 $\nabla = LBH{C_B}$

② 满足推力约束，螺旋桨产生的有效推力等于艇体航行状态的总阻力，即 ${N_p}{K_T}\rho {N^2}D_P^4(1 - t) = {R_t}$

③ 满足转矩约束，主机供给螺旋桨的转矩等于螺旋桨所承受的水动力转矩，即 $\displaystyle\frac{{{\eta _R}{\eta _s}{P_s}}}{{2{\text{π}} N}} = {K_Q}\rho {N^2}D_p^5$

2）不等式约束

① 满足24个设计变量的上下限约束；

② 满足螺旋桨空泡约束： $(1.3 + 0.3Z){T_e}/(({P_0} - {P_V})$ $D_P^2) +K - ({A_E}/{A_0}) \text{≤} 0$

③ 满足最小相对回转直径的约束： ${D_S} < 10$

④ 满足海船的稳性规范，正浮初稳性高需大于0.3，即 $\overline {GM} > 0.3$

⑤ 翻转后稳性高大于0： $\overline {G{M_1}} > 0$

⑥ 翻转后的吃水小于上层建筑的总高度： ${T_1} < {H_1} + {H_2}$

1.2 无人艇综合优化软件的构造

 图 2 优化软件截图 Fig. 2 Optimal software screenshot
2 无人艇远程优化服务平台设计目标及平台搭建 2.1 无人艇远程优化服务平台设计目标

1）用户需远程登陆或者下载服务平台，随时随地打开程序进行优化设计，且可以同步发送结果文件。

2）客户端应具有平台无关性，即打开平台应不受用户操作系统的限制，不需要安装如Visual Studio之类的专业平台，或只需要简单安装程序即可使用。用户不需要具有专业的计算机程序开发及使用经验，软件平台的操作升级也不需要更改大量的程序代码，增设界面，增加用户使用难度。同时所设计的平台应具有可移植性，可以兼容多个操作系统使用。

3）服务平台需要具有简洁、可视化程度较高、操作性好、人性化的交互界面，应保证使用户易上手，无需经过专业培训，且如需安装程序，应尽可能使安装过程简单化。

4）针对不同用户应分配不同的用户权限级别，通过设置程序使用期限或者可见访问页面等方式，区分不同的用户。对于普通游客，权限设置最低，只可浏览界面，查看功能介绍或者查看软件使用视频等，无法使用平台。对于普通会员，可下载有使用期限的程序进行试用。对于高级会员，除享受以上服务外，还可提供软件的二次开发等升级服务，或者根据用户具体设计艇型进行新艇型的优化平台的开发。

5）服务平台应具有较高的可靠性与安全性。应可以保证结果文件的完整性、保密性。

 图 3 远程优化软件系统示意图 Fig. 3 A diagrammatic sketch of a remote optimization software system
2.2 无人艇优化服务平台搭建

3 无人艇优化平台远程服务设计 3.1 基于远程控制的无人艇优化服务平台设计

 图 4 服务平台设计结构图 Fig. 4 Design structure of service platform

3.2 基于Web的无人艇优化服务平台设计

4 无人艇优化平台远程服务可靠性测试

4.1 基于远程控制的无人艇优化平台可靠性测试

1）一对一服务模式系统测试

 图 5 运程服务模式操作流程图 Fig. 5 Operation flow chart of remote sevice

2）一对多服务模式系统测试

4.2 基于Web的无人艇优化平台可靠性测试

4.3 测试结果对比

1）操作时间及操作复杂度对比。采用远程控制的方式，用户登录服务端主机时，需要事先知道服务端主机的ID，且每次登录时均需准确输入密码才可与服务端主机相连接，进而登录主机操作系统平台；而采用基于Web的服务模式，用户仅需要注册会员，下载应用程序，即可使用平台。因此操作相对简便，用时较短，且可直接通过网络提出针对用户需求的软件的二次开发要求。

2）测试结果准确度对比。为了比较2种方式的优化结果，将设计变量上下限、主要船型参数等设置完全相同，优化算法均选择遗传算法，优化参数设置一致。经测试后，发现输出结果文件中2种方式的优化计算时间相同，这与实际情况相符。需要注意的是，无论采用哪种服务模式，当用户登录无人艇优化平台后，进行的优化操作仅仅与选择的优化算法、设置的优化艇型参数（设计变量上下限、权重等）有关。即无人艇艇型优化仅仅取决于优化平台本身，远程登录计算方式与客户端直接运行程序计算方式优化结果相同。

5 结　语

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