无人艇远程优化服务平台设计

刘 曼，岳宗杰，杨松林

(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)

0 引 言

在水面无人艇艇型优化方面，国内外不少学者做了大量的研究，主要包括对无人艇的结构[1]和性能两方面进行优化。马佳伟等[2]考虑自由表面非线性及流体粘性的影响，研究滑行艇的兴波阻力，通过非线性规划优化理论，求解给定艇体目标函数最小值，进而求解出最优艇型。但采用这种方法仅仅考虑兴波阻力对无人艇阻力性能的影响，忽略了其他性能。伍忠凯[3]基于CFD理论，利用Fluent计算滑行艇总阻力，对影响滑行艇阻力性能的因素进行比较分析，得出最优艇型方案，也主要以艇体的阻力性能为主要考虑因素。胡腾飞等[4]基于CFD计算方法，以阻力和耐波性为目标进行多目标优化设计，对船舶航行性能的优化模型进行优化，得出满足约束条件下的最优解，并比较了多目标优化相比于单目标优化的优势。水面无人艇艇型优化是设计中至关重要的环节，单一的优化某一学科的性能已不能满足设计的需要。在选取艇型参数时应充分考虑各方面性能对水面无人艇总体性能的影响，不能将某一性能单独割裂开。

随着无人艇设计技术的日益完善和互联网技术的发展，将传统的无人艇优化设计与现代互联网络相结合，建立一套无人艇远程优化服务平台，具有重要的应用价值和工程意义。

本文以快速性、操纵性、耐波性和抗倾覆性综合优秀的防滑行面飞溅的水面单体翼滑艇为研究对象，建立航行性能的综合优化设计数学模型，构造寻优方法，基于互联网构建水面无人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）的优化服务平台，采用远程控制访问服务端和网站下载安装2种方式以实现服务平台的远程使用。

1 无人艇综合优化软件设计

无人艇综合优化是针对一种水面单体无人翼滑艇（见图1），通过建立优化数学模型，基于多种优化方法，构造该类水面无人艇的综合优化设计软件，可对同类型艇体进行优化设计。

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

无人艇综合优化数学模型主要包括设计变量、目标函数及对应的约束条件。具体步骤为：1）确定无人艇阻力性能、推进性能、操纵性、耐波性及抗倾覆性性能评价函数及其最优的描述形式（目标函数）；2）选定其他性能（浮性、稳性等）满足条件（约束条件）和设计变量及其范围；3）构建水面无人艇的性能综合优化数学模型。

1.1.1 无人艇综合优化设计变量

综合考虑水面无人艇的快速性、操纵性、耐波性和抗倾覆性，共选取24个设计变量作为综合优化设计变量，如表1所示。

1.1.2 无人艇综合优化目标函数

采用幂指数乘积的形式建立水面无人艇综合优化目标函数，构造的目标函数如下：

表1 设计变量Tab. 1 Design variables

式中： ε1,ε2,ε3,ε4>0，分别为无人艇快速性，操纵性，耐波性和抗倾覆性的权重，且ε1*ε2*ε3*ε4=1。这里需要综合优化总目标函数的值越大越好。

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：

式中：Δ为艇体的排水量；PE为有效功率；Rt为艇体受到的总阻力；η0为敞水效率；ηH为船身效率；ηR为相对旋转效率；ηS为轴系传送效率。

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：

式中：C′为无因次稳定性衡准数；P(x)为转首指数；DS为最小相对回转直径。以上3个指数均采用文献[14]中的公式给出，分别为3项的权重。

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]：

式中：μ为无因次衰减指数；Ψ1/10为纵摇指标；Z1/10为垂荡指标；β1，β2，β3分别为3项的权重。

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]：

1.1.3 无人艇综合优化约束条件

目标函数确定后，往往需要在一定约束条件下求得最值，而设计变量的上下限范围对目标函数有决定性的作用，因此，确定设计变量及目标函数后，需要给出限制性条件——约束条件。约束条件主要包括等式约束与不等式约束。考虑无人艇4个主要性能，其中，快速性等式约束包括浮性约束、推力约束和转矩约束，不等式约束为螺旋桨空泡约束；操纵性不等式约束为最小相对回转直径约束；抗倾覆性不等式约束包括：正浮初稳性高约束、翻转稳性高约束和上层建筑总高度约束。另外，均需满足设计变量上下限约束。因此，约束条件共包含3个等式约束和6个不等式约束。

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 ∇=LBHCB；

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 NpKTρN2D4P(1−t)=Rt；

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

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)Te/((P0−PV)D2P)+K−(AE/A0)≤0；

⑥ 翻转后的吃水小于上层建筑的总高度：T1

1.2 无人艇综合优化软件的构造

综合考虑水面无人艇快速性、操纵性、耐波性和抗倾覆性对艇体性能的影响，建立水面无人艇综合优化数学模型，构造基于敏感设计变量（指所有设计变量中较敏感的设计变量，在对重点变量进行优化计算之前，首先对某些设计变量进行敏感度分析。敏感度是指设计变量在某特定范围内变动，观察此变量对优化计算得出的适应度值的影响）的多种智能优化算法，形成1套较为完善的水面无人艇性能综合优化理论方法。

构造的无人艇综合优化软件主要包含两部分：1）由优化设计变量、目标函数及约束条件构成的无人艇综合优化数学模型，以适应度函数的形式表现；2）包含遗传算法、粒子群算法等的优化方法。将适应度函数与优化算法在Visual Studio（VS）2010上通过编译接口，实现基于多种算法的综合优化计算。 该软件主要包括进入界面、设置设计变量上下限界面、设置权重因子界面和选择各个算法计算界面，如图2所示。

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

远程服务平台的设计出发点是共享异地的设计平台，减小企业软件开发的成本及投资风险，可使用户不局限于时间地点，通过远程控制软件操作服务端或者通过网站下载应用程序等方式自主使用平台，有效地实现资源的共享。无人艇远程优化服务平台设计目标有以下几点：

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。

针对以上设计目标，共采用2种方式实现无人艇优化服务平台的应用。对于采用远程控制软件的服务系统，基于网络的远程控制、计算数据的实时传输、服务端操作平台是该远程服务平台的技术关键。对于网站设计的服务系统，会员管理、用户权限设计、下载链接安全性等是技术关键。2种服务方式的系统示意图如图3所示。

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

为保证平台安全性，对无人艇优化服务平台增加了用户登录界面，并将基于VS的窗体程序打包成可供下载安装的EXE应用程序。

打包后的应用程序安装简单，且不再受程序运行环境的影响，不需要安装VS，用户使用起来更为便捷，同时可以有效防止脚本源代码的泄漏。

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

远程控制系统的出现，使得企业之间资源共享成为可能。大大提高企业信息化、自动化的程度，基于互联网技术的远程控制技术也进一步提高了企业的生产力。在性能方面，远程系统一般有实时性、稳定性、可操作性、可靠性的要求。

远程控制无人艇优化服务平台的设计结构图如图4所示。

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

可实现一对一服务模式，也可实现一对多的服务模式，服务端采用1台数据计算和处理能力较为强大的计算机作为主机，客户端可以是一个也可以是多个。

3.2 基于Web的无人艇优化服务平台设计

采用远程控制软件实现无人艇优化平台的远程应用，需要配备专门的服务端电脑，且需要有专人看管，用户操作起来较为麻烦，而且只能针对已经对平台有了解且具有明确使用意图的用户。本节提供另一种服务平台应用的方式，通过开发网站，将无人艇优化服务应用程序发布到网页，提供下载链接。

4 无人艇优化平台远程服务可靠性测试

为了分析2种方式实现的无人艇优化服务的系统可靠性，在实验室测试环境下，分别进行了2种方式的功能测试。

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

服务端选用1台Windows 7操作系统的主机，部署了无人艇优化应用程序。用户端选用1台Windows 10操作系统的主机，在2台主机模拟测试运行。具体步骤如图5所示。

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

服务端与用户端入网方式均是宽带连接，数据传输速率为 10 Mb/s～3 Gb/s，满足传输要求。

2）一对多服务模式系统测试

当用户为2个及2个以上时，就出现了服务端一对多的服务模式，为了检测这种情况下控制系统的安全性及可行性，选用3台主机模拟3个用户，3台主机分别为 Windows XP，Windows 7 和 Windows 10 系统。入网方式为宽带和无线网。模拟过程与一对一模式类似，区别是当3个用户同时登陆服务端时，会有3个窗口分别对应3个客户端。经测试，发现3个程序同时运行时，运行速度并未降低。计算结束后，同样可以将结果文件分别传输给3个用户。当用户完成优化计算时，可采用2种方式发送结果文件：①由服务端人员发送文件给特定用户；②在服务端设置文件使用限制，用户需验证后才可发送文件。采用这2种方法，可以保证多个用户使用时数据文件的保密性。

4.2 基于Web的无人艇优化平台可靠性测试

测试主要问题包括：是否存在非授权访问；下载软件的链接是否可以打开；软件使用期限限制是否可以实现；应用程序安装过程是否存在问题。

采用网站形式发布链接，克服了远程控制系统必须提供服务端主机及专门管理人员的缺点，使用相对简便。

4.3 测试结果对比

从测试时间及操作复杂度、测试结果准确度等对2种测试结果分析对比。

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。

结果表明，在水面无人艇初步设计阶段，使用开发的无人艇优化服务平台，通过输入设计艇型的排水量、设计变量个数等设计参数，给定设计变量初始上下限、权重和惩罚因子，可以通过多种智能优化算法快速地为设计者优化出满意的目标艇型。该系统界面交互性较优，使用简便，开发基于远程控制及网站方式的应用模式，一方面可以充分发挥基于智能优化算法的无人艇优化设计优势，另一方面将其开发成基于互联网的应用系统，可以充分利用互联网的优势，加快无人艇设计进程，是一种新型的无人艇优化设计资源共享途径，有利于实现资源的重复利用。

5 结 语

设计无人艇的优化服务平台具有操作简单，应用方便的优势，可提供特定艇型的无人艇的优化设计，同时对进一步开发功能更加完善的智能船舶设计系统具有指导意义。