【新刊】《中国舰船研究》2024-5期上线

【研究方法】水下航行器不仅在民用领域扮演着重要角色，在军事领域内也同样得到了广泛应用，具有广阔的应用前景。但水下航行器在航行过程中易受海流环境的影响，使其水动力参数呈现不确定性，进而导致运动姿态控制困难，航行发生偏移，增大航行成本，甚至还会影响到水下作战任务的完成以及碰撞事故的发生，危及航行安全。在梳理不同水下航行器在海流作用下的水动力学研究现状的基础上，讨论水下航行器应对海流干扰的控制方法，并对海流作用下水下航行器的发展方向进行展望，为研究复杂海流对水下航行器水动力参数的影响机理和控制器的设计提供一定的参考。

【研究方法】超大型无人潜航器（XLUUV）作为一种可大量搭载多种任务载荷的水下无人作战平台，具有重要的研究价值。为全面洞悉国外XLUUV研究现状，并为国内的发展与运用提供借鉴，深入系统剖析普通型、潜载型、类潜艇型、可装箱型、集装箱型等5种国外主要类型XLUUV的发展现状及未来趋势，对其模块化、多域通信、水下探测、定位导航、自主控制、能源动力等关键技术进行探析，并研究其在侦察监视、水下布雷、水下攻防、水下投送等方面的作战运用。研究表明，XLUUV呈现出族群化、远程化、全深化和智能化发展趋势，能够实现多维探测、封控海上要域要道、实施非对称打击以及隐蔽投送等功能，在未来水下对抗中将会发挥重要作用。

【研究方法】针对船体绕流非线性波面和船体湿表面交互变化的复杂过程，提出一种用于船舶航行兴波模拟的网格自动生成方法。该方法以三角形的全船网格文件作为输入，在船舶航行兴波数值计算中随自由面变化自动生成自由面和瞬时湿表面网格，可自动处理含复杂艏艉线型的任意船型，具有强鲁棒性。基于提出的方法模拟KCS船在不同航速下的兴波。数值模拟的船侧波高、船体周围的自由面波形以及兴波阻力与试验结果吻合良好，且在较高速的航行工况下，模拟的KCS艉部兴波波面始终保持在艉封板下方，干艉现象有所体现。

【研究方法】为了提高微气泡减阻技术的实际效能，基于改进蚁群算法开展微气泡减阻气流量智能调控技术研究。首先，基于微气泡减阻机理，利用自主研发船模样机开展微气泡减阻试验，获得不同航速下的理想最佳气流量；随后，采用改进蚁群算法，开发气流量智能调控技术的软件系统；最后，将智能调控硬件系统应用于船模样机，开展自航模试验以验证该技术的有效性。所研技术不仅可以有效地调控气流量达到最佳微气泡减阻效果，还可以监控航速变化对气流量进行自适应调控，使船舶在各种航速下均能保持最大减阻。

【研究方法】旨在研究气流量、航行倾角对船底凹槽内气层保持和节能效果的影响。以一艘肥大型散货船的较大尺度缩比模型为研究对象，通过设计气层减阻自航模系统和船底凹槽方案，开展开阔水域条件下自航模气层减阻试验，研究模型正浮状态下喷气减阻效果，以及模型一定纵倾角状态下对航速和轴功率的影响。结果表明：在主机转速一定时，喷气可以明显提高自航模的航速，停止喷气后，船底凹槽内的气体仍能维持较长时间；船体艉倾角为0°～0.25°时的气层减阻效果较好，较大艉倾角时气体从自航模艏部两侧溢出，气层无法对船底实现有效覆盖，减阻效果不佳。

【研究方法】为提高船体有限元几何建模效率，解决船舶设计软件导出的船体模型无法直接应用于有限元几何建模的问题，提出一种基于XML文件数据的几何模型处理方法。以AVEVA Marine （AM）软件导出的船体XML文件为研究对象，通过对文件的数据结构解析，明确几何模型的数据表达规则，依据船体有限元几何建模规范，通过修改模型数据实现对船体模型的几何修正，包括对角隅、开孔等构件的删除、简化处理，对球扁钢和肘板的转化处理，对型材和板缝的移动处理。实际运用结果表明，处理后的船体几何模型可直接导入有限元软件HyperMesh中，符合有限元实体几何建模规范，保留了原模型材料、板架厚度等相关属性。

【研究方法】旨在解决船载供电电压降低或控制系统电路腐蚀等原因导致的水下打捞机器人执行器出现部分失效的问题。考虑到深海鱼雷、载货沉船等工程打捞作业中复杂海洋情况的影响，采用终端滑模观测器对系统不确定扰动进行观测。利用容错控制和有限时间控制方法，在线估计执行器故障系数，设计一种具有终端滑模观测器的有限时间轨迹跟踪容错控制方案。该方案的系统输出平滑、稳定且能快速到达期望轨迹，同时，与传统容错控制方案相比，降低了水下打捞机器人控制系统的稳态时间，其横向位移降低了10 s，纵向位移降低了15 s。

【研究方法】针对低特征分辨率、相似环境信息引起的无人艇视觉小目标跟踪混淆问题，提出一种多特征融合的连续卷积算子跟踪算法。首先，采用双三次插值技术，提高多特征图分辨率，实现亚像素级定位；其次，利用特征投影和生成样本空间，提高目标跟踪的效率，避免滤波器过拟合；最后，设计高置信度模型更新策略，解决相似环境信息对滤波器的干扰问题。结果表明：相较于传统的连续卷积算子跟踪算法，平均成功率提升17.4%，平均距离精度指标提升17.8%，期望平均覆盖率提升5.1%。

【研究方法】为了解决船舶航向保持过程中舵角幅值过大以及舵角变换率过高而导致能耗过大的问题，提出一种基于双重非线性正反馈的节能降碳航向保持控制方法。采用闭环增益成形算法（CGSA）设计控制器，引入双重非线性反馈算法，通过双极性S函数与反正切函数的结合降低舵角幅值与操舵频率，最后使用正反馈的方法实现整个控制系统的控制。仿真结果表明，在6级海况和8级海况下，采用所提出的双重非线性反馈控制方法，反映舵机能耗的综合节能评价指标分别改进了31.53%和18.63%。

【研究方法】针对多变海洋环境下补给船与被补给船补给作业同步航行控制问题，考虑风浪流引起的海洋环境干扰、船间效应导致的干扰、两船软连接相互作用，提出事件触发下基于干扰估计和补偿的同步抗干扰控制方法。将补给船受到的干扰建模为一阶马尔科夫过程，描述风浪流引起的海洋环境干扰和未建模动态，将船间效应导致的干扰和两船软连接相互作用等均集中为未建模动态，构造干扰观测器在线估计时变未知有界干扰，在控制设计中利用干扰在线估计值对干扰进行补偿，抵消干扰和不确定性对航行补给控制的影响，设计辅助动态系统来减少推进器控制饱和的影响，引入事件触发机制降低推进器执行频率以避免其过度磨损。仿真结果表明，本文提出的事件触发机制存在大于0的最小采样间隔且不会在有限时间内发生无限次触发。该控制器可实现补给船与被补给船同步航行，保证控制系统所有信号全局一致最终有界。

【研究方法】针对人工目视与超声波方法的船舶裂纹检测存在效率低下、成本高昂和危险性高的特点，提出一种基于深度学习的船舶裂纹检测方法。首先，在原模型YOLOv5s的主干网络中使用轻量化卷积结构（GSConv）替代标准卷积并融入注意力机制，在降低主干网络参数量与计算量的同时，提升主干网络对裂纹特征的提取能力；然后，在网络的颈部使用基于PConv构建的C3_Faster替代原C3模块，提升模型的图像处理速度，增强模型快速性；最后，设计一种简化的双向加权特征融合网络（BiFFN）以改进原模型YOLOv5s中的特征聚合网络，提升裂纹的语义信息与位置信息的融合效果，以及模型对裂纹的识别准确度与定位精度。通过对船舶裂纹原始数据与增强数据的学习，所提改进模型实现了94.11%的检测精度和93.50%的召回率，模型的计算量降低了17.93%，参数量降低了15.81%。

【研究方法】夹芯复合材料在船舶结构中的应用日益广泛，为保证结构的强度特性，夹芯复合材料结构与钢质主船体之间通常采用螺栓连接，但由于孔周围的局部应力集中及连接位置的边界效应，螺栓连接位置通常为结构最危险的位置，需要进行强度及疲劳校核。针对一实尺度钢–夹芯复合材料板架结构，通过试验方法和有限元方法对板架在0.1 MPa均布载荷作用下的强度特性进行研究。通过对比试验测量与有限元计算的结果验证有限元方法的计算精度。基于有限元方法，通过结构应力等效的方式，设计两个等效疲劳试验节点，通过试验方法对钢–夹芯复合材料结构的疲劳寿命进行考核验证。研究发现，该板架结构在设计载荷下的疲劳寿命满足500万次循环的设计要求。

【研究方法】为准确评估船体结构在循环载荷下的极限承载性能，需考虑载荷的循环属性对船体加筋板极限强度的影响。采用有限元软件ANSYS，对200块T型加筋板和扁钢加筋板开展面内循环载荷下达到弹性安定临界状态的极限强度数值模拟；细致考虑船体加筋板在面内循环载荷下的材料鲍辛格效应、焊接初始变形及残余应力；基于加筋板弹性安定临界状态的非线性有限元数值模拟结果，以加筋板无量纲极限强度作为目标函数，以带板和加强筋的柔度系数作为自变量，提出面内循环载荷下基于弹性安定临界状态的船体加筋板极限强度预测公式。与非线性有限元模拟结果的比较验证了所提公式的准确性。

【研究方法】旨在实现在水中高静压环境下对结构应变的准确测试，同时探究复合壳体在水中高静压环境下的极限承载能力大小以及不同初始缺陷的影响。首先，开展复合壳体水下高静压试验，提出基于高压防护装置的水下高静压3D-DIC测试方法，获得结构在15 MPa水压下的应变；然后，将其与有限元模型模拟结果进行对比，验证3D-DIC测试系统在水中高静压环境下的可行性以及数值模型的正确性；最后，在此基础上针对不同初始缺陷条件对复合壳体极限承载能力的影响开展仿真计算。结果显示，试验结果与数值仿真结果的平均误差为5.1％；不同模态下复合壳体的极限承载能力与添加的几何缺陷大小呈二次函数关系，其中，一阶模态下极限承载能力的变化梯度为1.48～2.12 MPa/mm，三阶模态下极限承载能力的平均变化梯度为1～4.32 MPa/mm。

【研究方法】为解决大厚度碳纤维层合板在船海领域应用难的问题，提出一种由薄板组合成型的夹筋夹芯厚板结构。首先，基于连续损伤力学理论、二维Hashin失效准则和内聚力单元技术，建立组合厚板有限元分析模型；然后，对比分析组合厚板不同方向的弯曲性能；接着，通过分析胶层和碳纤维增强基复合材料（CFRP）的渐近损伤过程，研究组合厚板在垂直筋方向弯曲过程中的破坏行为和失效机制，并讨论胶接强度对组合厚板损伤行为的影响。结果显示，相比顺筋方向，组合厚板垂直筋方向的弯曲刚度更高；在垂直筋方向弯曲过程中，筋板与面板界面处的胶层首先会出现损伤，然后在剪切力的作用下迅速扩展，最终形成界面破坏与面板0°铺层纤维撕裂相互促进的混合失效模式。胶接强度较弱时，胶层先损伤；胶接强度较强时，层合板先损伤。胶层主要承受Ⅱ型和Ⅲ型撕裂模式下的剪切作用，其中顺筋方向的剪切应力是胶层出现初始损伤的主要原因。

【研究方法】为顺应深海潜航器耐压壳结构轻量化、高强度的发展趋势，提出碳纤维复合材料（CFRP）缠绕铝合金周向内波纹耐压壳的结构增强方法，并对其CFRP铺层方式进行优化设计分析。利用ABAQUS有限元仿真软件，通过改变CFRP铺层参数，根据复合材料层的层间应力分布情况，探究14层CFRP铺层下最佳缠绕角度，进而获得最佳铺层方式。并结合相关强度失效准则，对其强度进行校核。研究结果表明：CFRP增强周向内波纹耐压壳最优缠绕角度为40°，在铺层方式为（±40° 2/±55° 2/±70° 2/90° 2）时，层间应力分布较为均匀。该结构的强度满足实际使用需求，且其质量更轻。

【研究方法】为开展船舶与海洋工程典型板架结构设计与优化，需探究不同加筋形式对加筋板动力特性的影响。采用有限元法计算四边固支边界条件下正交加筋板、倾斜加筋板、弯曲加筋板等模型的固有频率与振型，并对比分析这3种加筋板动力特性的区别与联系，从而揭示加筋形式对板–梁动力耦合特性及加筋板本征动力特性的影响规律。对比结果表明，倾斜加筋板的固有频率比正交加筋板增加了9%；相较于正交加筋板，倾斜加筋板和弯曲加筋板的动刚度分布更均匀，其中弯曲加筋板的动刚度均化效应更显著；当频率较低时（低于900 Hz），加强筋的主导程度越高，加筋形式对加筋板动力特性的影响越大。

【研究方法】旨在研究开圆孔无限波纹夹层板单向拉伸状态的应力分布，寻求最不利开孔位置。采用ANSYS软件子模型方法计算不同开孔位置的应力分布，并用ANSYS软件提供的零阶优化设计方法寻求最大应力集中系数时的开孔位置。开孔附近的应力分布与网格划分密切相关，最大应力总是出现在芯层板上。开圆孔无限波纹夹层板单向拉伸状态的应力集中系数普遍大于3，最大可达4.104。

【研究方法】滚装船车辆甲板承载的轮印载荷数量、作用范围以及与甲板构件的位置关系均不固定，对该类结构进行的分析通常较为繁琐，因此有必要对该类载荷的合理等效和简化进行研究。以车辆甲板次要构件为研究对象，基于多跨梁模型，分别以局部分布力和等效集中力模拟轮印载荷，对多种结构响应进行对比和分析；随后，将同时作用的多个轮印载荷均转化为集中力时的结构响应变化情况进行分析。结果表明，对于常见尺寸的车辆甲板，典型轮印载荷的上述等效简化偏安全，且不会引起结构响应的显著变化。

【研究方法】鉴于采用传统的水声管试验方法测量潜艇声学覆盖层的表面阻抗要求较高，提出一种可简化试验的基于阻抗测量的吸声系数测试方法，并解决阻抗测量中非平面波反射的修正问题。首先，将覆盖层简化为阻抗率矩阵边界和结合流体边界条件，推导出覆盖层表面不同半径处的速度；然后，通过汉克尔积分变换建立非平面反射波压力与轴向速度的关系，得到修正非平面波反射的吸声系数公式；最后，对模型样品进行数值计算和表面阻抗测量，分别与理论计算和传统的水声管测试方法所得结果相互比较，以验证所提方法的有效性。数值计算结果表明：实心覆盖层得到的结果与理论结果一致；圆柱空腔结果与理论结果有明显差异。阻抗测量的结果经平面波处理后与水声管试验结果有较大误差，经修正后与水声管试验结果较为吻合。

【研究方法】针对交通密集的港口、船舶聚集的渔船作业区以及船岸混合交通场景等复杂环境，提出一种基于YOLO-FNC模型的船舶检测方法。首先，设计一种基于FasterNet思想的神经网络模块FasterNeXt，并将该模块替换YOLO模型中的C3模块，在不影响准确性的条件下确保运行速度更快。其次，将NAM注意力机制融入网络结构中，通过利用稀疏的权重惩罚抑制特征权重确保权重的计算更加高效。最后，提出新的边界框回归损失以加快预测帧调整并增加帧回归率，提升网络模型收敛速度。实验结果表明，在自建的复杂场景下船舶数据集进行检测实验，与YOLOv5s算法相比，所提方法的mAP@0.5提升6.35%，参数量减少9.74%，计算量减少11.39%。

【研究方法】海岸监控与驾驶瞭望过程中，需要在远距离、多场景下对各种目标进行识别与跟踪。其中，船舶目标往往成像尺寸小、特征不明显，容易与其他目标混淆。为此，提出一种船舶检测方法ShipDet，通过设计专用骨干网络、改进特征提取过程、约束微观检测头，旨在改善上述问题。首先，通过融合自注意力模块Swin Transformer(STR)和经典CSPDarknet53网络，构造对微小目标高度敏感的特征融合提取网络，以增强小目标特征与环境的相关关系，关联船与航道、船与船、船与岸线，显著抑制不相关信息。考虑到数据集的船舶目标分布不均匀并且尺度变化较小的特点，保留2个检测层，减少模型参数并进一步提升模型性能。最后，使用SIoU损失函数（SCYLLA-IoU）来约束检测头，降低损失函数的回归自由度，提高检测的精度和抗干扰能力。在2023ships数据集上的验证结果表明，所提方法在船舶目标检测任务上表现较好，mAP@0.5达到92.9%，平均精度为92.1%，消耗参数量仅为35 366 310，整体检测性能优于其他算法。

【研究方法】针对遥感图像舰船目标检测任务中轻量化和快速推理的需求，提出一种基于改进YOLOv5s的轻量化遥感舰船目标检测算法LR-YOLO。首先，主干网络采用ShuffleNet v2 Block堆叠方式，有效减少算法的参数量并提高计算速度；其次，设计区域选择模块Filter，选择感兴趣的区域，更充分地提取有效特征；最后，引入圆形光滑标签计算角度损失，对遥感舰船目标进行旋转检测，并采用可变形卷积，以此来适应几何形变，提升检测效果。在HRSC2016舰船数据集上的实验结果表明，该算法的检测精度达到92.90%，提高1.3%，并且算法参数量仅为基线模型的39.33%。

【研究方法】针对浅水环境下自主水下航行器（AUV）动态对接过程中超短基线定位系统（USBL）声学相对导航问题，提出一种基于扰动观测器的补偿无迹粒子滤波算法（CUPF）。该算法依据航位推算模型补偿 USBL 数据中的缺失值，利用观测器技术估计 AUV 动态对接过程中的未知扰动，结合无迹粒子滤波过滤 USBL 数据中的野值，并实现 AUV 状态的预估。湖试数据表明，所提方法能够有效地剔除 USBL定位中的野值并填补缺失值，速度估计误差不超过 15%，计算时间相较于传统算法减少了 57%。

【研究方法】为可靠观测回收斗导引信息并实现无人艇（USV）的运动目标跟踪，提出一种基于多源观测的回收斗导引对接策略。在整个对接过程中，首先避开母艇尾流干扰区，完成USV航线的粗对准；然后保持航向跟踪导引线，为末端对接回收做调整准备；最后将视觉传感器和惯性导航传感器获取的数据进行滤波融合后传递给USV以计算回收导引线，USV则通过自身制导与控制完成对末端导引线的跟踪与对接回收任务。同时，设计一套基于视觉和组合导航融合的USV对接回收系统，通过自行设计实艇软硬件并进行外场湖试，验证系统设计及对接策略的可行性。试验结果显示，USV执行自主对接任务的成功率达91.6%，所提对接策略可以满足USV的高精度对接回收。

【研究方法】无人机搭载总场磁传感器检测舰船上方总场异常情况时，需要建立相应的总场异常反演模型，实现对舰船水下磁特征和空中远场磁特征的评估。根据舰船上方平面测量的总场异常数据，建立基于磁单极子阵列法的舰船磁场反演模型。根据舰船上方测量的总场异常，反演得到舰船的磁单极子阵列强度，从而实现舰船水上和水下三分量磁场特征的评估分析。在实验室条件下进行磁性船模验证实验，测量船模的上方和下方平面磁场，根据上方平面测量的总场异常进行反演建模分析。结果表明，采用船体分布的三维磁单极子阵列进行总场异常反演建模，可以实现舰船上方和下方磁场评估线上三分量磁场的高精度评估分析。

【研究方法】为了解决挖泥船短排距工况下高能耗的问题，提出一种最小能耗工作点的计算选取方法。基于前期研究建立的泥泵排压、管道阻力、关键流速和泥泵汽蚀等相关模型，以单方能耗最小为目标，采用施工人员最为熟知并方便控制的泥泵转速为优化变量，运用输送系统最佳流速搜索和多泥泵转速优化相结合的双重优化方法，实现挖泥船多个泵串联最小能耗工作点的计算选取，并以配置有 3 台不同型号离心泵的“新海狼”号挖泥船在特定工况条件下施工为案例进行算法验证。结果显示，经所提算法模型优化后的工作点单方能耗比最大产量工作点的单方能耗降低了 11.8%。

【研究方法】旨在分析邮轮烟囱排气管路气动噪声的影响因素，并对某国产邮轮开敞区域进行噪声预报。基于大涡模拟和Lighthill声类比的混合方法，对邮轮实际工况下的管路气动噪声进行数值模拟，研究入口流速、出口压力、截面形状和弯管角度对管路气动噪声的影响规律；建立实尺寸邮轮烟囱排气管路模型，分析邮轮烟囱排气管路主要噪声源，并对开敞区域进行噪声预报。结果显示，入口流速和弯管角度越大，管路气动噪声越大；零压力出口边界的管路气动噪声大于非零压力出口边界的管路气动噪声；矩形截面管气动噪声小于圆形截面管气动噪声；管路气动噪声的窄带峰频率随弯管角度的增大而减小；除烟囱出口外，开敞区域的气动噪声均处于较低水平。

【研究方法】为实时监测离心泵的健康状态，提出一种可实时识别离心泵退化状态的模型。首先，基于离心泵的运行参数和退化机理，利用主客观相结合的组合赋权模型来计算组合权重，进而构建离心泵退化过程中的健康指标；然后，基于现有离心泵的退化数据，提出基于遗传优化–数据分组处理（GA-GMDH）算法的离心泵退化监测模型。GA-GMDH监测模型的可靠性较高，其健康指标输出值与真实值的均方根误差为0.029 216，依据该模型输出结果进行退化状态识别的精度为93.333%。