清華新聞網(wǎng)9月28日電 海洋浮式結(jié)構(gòu)物受到包括風(fēng)浪流在內(nèi)的復(fù)雜海洋動(dòng)力環(huán)境影響，其系統(tǒng)動(dòng)力特性呈現(xiàn)非線(xiàn)性、隨機(jī)性和不確定性的特點(diǎn)。理論模型在海洋工程動(dòng)力特性分析和自動(dòng)控制等研究中起到了至關(guān)重要的作用。模型的選取要權(quán)衡多方面因素：一方面，需盡量簡(jiǎn)化模型以提高仿真速度和理論推導(dǎo)復(fù)雜度（例如水平面船舶的以自由度Nomoto模型和動(dòng)力定位系統(tǒng)的三自由度模型）；另一方面，又需提高模型復(fù)雜度以保證仿真結(jié)果滿(mǎn)足一定精度需求并可體現(xiàn)關(guān)鍵動(dòng)力過(guò)程。研究模型辨識(shí)可為水面浮式結(jié)構(gòu)物的操縱性和作業(yè)性分析、位姿控制、數(shù)字孿生、智能決策、風(fēng)險(xiǎn)分析等領(lǐng)域研究的提供支撐。
根據(jù)是否將模型進(jìn)行顯式表達(dá)，系統(tǒng)辨識(shí)研究通常分為白箱方法、黑箱方法和二者結(jié)合的灰箱方法。白箱模型是基于經(jīng)典力學(xué)理論，通常將系統(tǒng)簡(jiǎn)化到關(guān)注的自由度上（一般為一自由度和三自由度），利用回歸方式求解，但也易忽視部分關(guān)鍵非線(xiàn)性效應(yīng)（例如船浪耦合作用）。黑箱方法通常采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，盡管可以較好保證復(fù)雜動(dòng)力學(xué)部分，但是因海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)狀，導(dǎo)致但結(jié)構(gòu)物數(shù)據(jù)量小，難以收集足夠數(shù)據(jù)用以訓(xùn)練，且最終訓(xùn)練結(jié)果可信度存在一定爭(zhēng)議。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院任政儒及合作者針對(duì)基于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的水面浮式結(jié)構(gòu)物模型辨識(shí)問(wèn)題，首次提出六自由度結(jié)構(gòu)-海浪耦合模型辨識(shí)方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模型的辨識(shí)和海浪力的估計(jì)。研究結(jié)果采用大量非線(xiàn)性項(xiàng)改寫(xiě)成線(xiàn)性形式的方法，將非線(xiàn)性模型辨識(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性模型辨識(shí)問(wèn)題。通過(guò)引入稀疏回歸的方式，綜合考慮海浪、錨固、螺旋槳推力等復(fù)雜動(dòng)力因素。其具有采樣時(shí)間短、候選方程構(gòu)造隨意和可較好識(shí)別非線(xiàn)性水動(dòng)力效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，可選取大量候選項(xiàng)以減少漏項(xiàng)可能?；诒孀R(shí)結(jié)果，可預(yù)測(cè)短時(shí)波浪力和結(jié)構(gòu)物響應(yīng)。算法通過(guò)水池縮尺實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。
浮式結(jié)構(gòu)物-海浪耦合模型
相關(guān)研究成果以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的六自由度船舶與海浪耦合模型同步辨識(shí)方法”（Data-driven simultaneous identification of the 6DOF dynamic model and wave load for a ship in waves）為題發(fā)表在國(guó)際期刊《機(jī)械系統(tǒng)與信號(hào)處理》（Mechanical Systems and Signal Processing）上。本文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院任政儒助理教授，通訊作者為挪威科技大學(xué)博士俞星吉。該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和挪威研究理事會(huì)的資助。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0888327022005441
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：呂婷
