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智能航行仿真技术在舰船操纵性实验教学中的应用研究
发布时间:2021-10-29 点击: 发布:《教育教学论坛》杂志社
智能航行仿真技术在舰船操纵性实验教学中的应用研究
霍 聪,高霄鹏,欧勇鹏   
(海军工程大学 舰船与海洋学院,湖北 武汉 430033)
[ ]舰船操纵性实验是开展舰船操纵性能研究的重要方法,在实船验收、航行性能核算和战技指标考核中均有重要应用。依据新时期军队院校首次任职课程大幅增加实战化实践教学比例的要求,提出了模块化、数字化、智能化和实战化的实验教学改革思路,开展了舰船操纵性实验课程内容设计、配套教学实施方案制定和实验软件平台开发。
[关键词]舰船操纵性实验,首次任职,智能算法
[作者简介]霍聪,1989年,男,河北保定人,工学博士,海军工程大学舰船与海洋学院,讲师,主要从事高性能船水动力学研究。
[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A  
舰船操纵性是反映舰船按照指挥员的意图保持或者改变舰船的航速、航向和位置等运动状态的性能,是与舰船海上安全航行最为密切的航行性能之一[1]。舰船操纵性实验教学要求学员开展舰船操纵实验,建立对水面舰船及潜艇的操纵运动规律、操纵性评价方法及复杂环境操纵方法等方面的认知[2,3,4],为学员从事作战指挥、装备维修和装备管理等岗位的工作奠定基础。智能航行仿真技术是在“人工智能+”教学改革的背景下,对舰船与海洋工程核心主干课程《舰船操纵与耐波》实验教学开展的新尝试:通过基于数值水池技术构建的仿真模型开展舰船操纵性实验,在满足教学演示精度需求的同时,极大地提高实验效率;将人工智能算法融入操纵性实验数据处理,让学员接触人工智能前沿技术,提升对实验兴趣并加深对舰船操纵性的理解。
一、《舰船操纵与耐波》实验教学改革任务需求
《舰船操纵与耐波》是舰船与海洋工程专业的一门必修主干课程。按照最新人才培养方案,《舰船操纵与耐波》由专业背景课程调整为首次任职课程。根据新时期军队院校人才培养要求,首次任职课程需要大幅提高实战化实践教学比例。在传统的课程内容设置中,舰船操纵性实验内容参考地方高等院校,与实战化应用联系较弱,且由于操纵性实验的实施难度较大,该实验定位为仅有2学时的演示性实验。传统操纵性实验通常采用一定缩比的自航舰船模型,由于船模质量重、搬运吊放过程复杂,且需要配套较多的安全保护措施(如起吊重物防护、人员落水防护、模型遥控保护等),导致开展操纵性实验教学准备周期长、效率低、成本高。单纯依托自航模型开展操纵性实验难以满足首次任职培训大幅提升实践学时比例的需求。因此,无论从实验内容的设置,还是从实验操作的可行性出发,亟需通过教学改革建立一套与首次任职岗位需求相称、满足实践教学需求的实验教学手段。
二、舰船操纵性实验教学改革主要思路
以“人工智能+”的思想为牵引,围绕模块化、数字化、智能化和实战化,开展智能航行仿真技术在舰船操纵性实验教学中的应用研究。
模块化是实验教学改革的切入点,规范了实验教学的基本流程。根据课程知识、能力体系需求,将舰船操纵性实验划分为几何建模、水动力模拟、动力学仿真和数据处理四大模块,每个模块突出需要解决的重点问题。
数字化是实验教学改革的基础,保证了仿真实验的“真”。一是舰船模型的数字化,即不必为每一型舰艇建造对应的实物模型,转而构建对应的数字化三维几何模型,拓展了可供学员开展实验的船型对象选择范围;二是在基于计算流体力学的数值水池中开展操纵性实验,获得丰富的舰船操纵水动力真实数据,为仿真模型提供数据基础。
智能化是实验教学改革的核心,为开展舰船操纵实验仿真提供解决方案。一是通过搭载可供学员自主选择的智能算法,辨识由数值水池实验所提供的操纵水动力参数,构建舰船动力学仿真模型;通过装载对应不同型号舰船的水动力参数,实现多型舰船的操纵性实验;二是运用智能算法处理由动力学仿真得到的运动状态数据,进而获取舰船的操纵性能指数。
实战化是实验教学改革的目标,为岗位任职能力培养提供支撑。实验目标不再局限于获取具体的舰船水动力参数,拓展对接国军标操纵性标准,开展舰船操纵性评估,实验科目设置源于近几年服务部队实践中的实船操纵性测试科目。
三、舰船操纵性实验教学改革内容
(一)实验课程内容设计
舰船操纵性实验是获取舰船操纵性能的最常用手段,是实船验收、航行性能核算、战技指标考核的重要依据,舰船操纵性实验教学内容设计应对接实际需求,以达到舰船与海洋工程专业人才培养要求。在课堂实践操作环节中,以典型驱护舰艇作为研究对象开展操纵性实验。实验科目涵盖回转操纵、Z型操纵、加减速操纵和惯性实验等,实验过程覆盖操纵仿真原理、操纵仿真编程和操纵性数据处理,让学员从理论、实践操作和数据分析三个层面全面掌握开展舰船操纵性实验所必备的基本技能。
(二)教学实施方案
教学实施方案是开展舰船操纵性智能航行仿真实验的重要指导依据。分别从舰船操纵性实验原理、操纵仿真软件使用说明、数据分析软件说明等方面,综合运用知识图谱、思维导图以及操作演示视频等多种手段,为学员课前预习、课堂学习和课后运用提供有效参考资料。在课外练习中,分别采用美军滨海战斗舰艇、驱逐舰、航母等船型为研究对象,鼓励学员利用所学知识主动研究国外高性能舰艇的操纵性能,在提高学员学习兴趣的同时增强发散性思维和灵活应变能力。
(三)实验软件平台
仿真的核心在“真”,只有真实反映舰船平台的动力学特性,才能够准确模拟舰船的真实性能,最大程度地贴近实战需求,反映战场环境。依托“数值水池”技术开展斜航拖曳、旋臂回转、平面运动等拘束模操纵性数值实验,获得构建舰船操纵运动仿真模型所必须的操纵性水动力,并将支持向量机、BP算法和遗传算法等与舰船操纵性联系密切的智能算法用于水动力参数辨识和操纵实验数据处理,进而设计结合人-机交互界面,搭建学员开展舰船操纵性实验的软件平台。
四、结语
通过开发模块化、数字化、智能化和实战化的舰船智能航行仿真操纵性实验系统,相较于传统方法提高了实验操作效率,拓展了实验内容范围,形成了“横向可丰富拓展”、“纵向可深度挖掘”的舰船操纵性仿真实验教学方法。
参考文献
[1]吴秀恒,刘祖源,施生达等.船舶操纵性[M]北京:国防工业出版社,2005.
[2]盛振邦. 船舶原理[M]上海:上海交通大学出版社,2017.
[3]孙玉山.船舶操纵性[M]哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2019.
[4]姚建喜,苏焱,宋学敏.船舶操纵性[M]武汉:武汉理工大学出版社,2019.
Research on Application of Intelligent Navigation Simulation Technology in Ship Maneuverability Experiment Teaching
Huo Cong, Gao Xiao-peng, Ou Yong-peng
  (Naval University of Engineering, College of Ship and Ocean, Wuhan, Hubei 430033)
 
ABSTRACT: Ship maneuverability experiment is an important method for carrying out research on ship maneuverability, and it has important applications in actual ship acceptance, navigation performance accounting and combat technology index assessment. According to the requirements of the military college first appointment courses in the new period, which greatly increased the proportion of actual practice teaching, the idea of modularized, digital, intelligent, and actual experimental teaching reform was put forward, the content design, implementation plan and experimental software platform  that support the teaching of ship maneuverability experimental courses were carried out.
 
Key words: Ship Maneuverability Experiment, First Appointment, Intelligent Algorithm