時間：2023-08-12 09:06:57
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關鍵詞：船舶海洋工程管線優化
中圖分類號：S611文獻標識碼： A
前言
管道被廣泛地應用于石油化工"水利工程"建筑"船舶等領域，其在不同的應用環境下需承受不同的外力作用，大規模、全面地開發利用海洋資源和空間，發展海洋經濟已列入各沿海國家的發展戰略。海洋開發和利用除了需要先進的海洋工程技術，還需要各種海洋工程結構物的支撐。這為與海洋工程裝備業關聯度極大的船舶工業提供了極好的機遇。作為未來世界經濟的支柱產業，海洋工程和海洋開發潛力非常巨大。近幾年，全世界對浮式生產系統的新增需求達到約120座，全球浮式生產系統的年投資額以高速度遞增，其中FPSO船(浮式生產儲油裝置)仍將是全球浮式生產市場的建造熱點,該船型集生產、儲油、運輸多項功能于一身，是當前國際海上石油開發生產設施的主流形式。隨著生產向深海的不斷進入，FPSO船的優勢將會更充分顯現出來。中國海洋石油開發總公司也需要較大數量的海洋平臺、多艘FP-SO平臺，用于海洋開發建設的資金達到了數百億元。船舶工業是海洋工程的天然“霸主”。隨著海洋油氣開發向深海發展，船舶工業與海洋工程的關系更加緊密，船舶工業在海洋油氣開發中的作用更加突出。這主要有兩方面的原因:一方面是技術上的因素。隨著作業水深的增加,固定式平臺海洋構造物難以適應深海作業，各種浮式海洋工程結構物成為深海油氣開發的主角。船舶工業與其他專業平臺廠相比其優勢正是在這類浮式結構物上——海洋開發裝備具有船舶的屬性，它的基本要求是在水上能浮起來、穩得住、移得動，這就與船舶有了相近的技術要求。這種天然優勢為船舶工業迅速占領深海平臺市場創造了良好的條件。另一方面是開發周期的因素。由于海洋油氣開發競爭日趨激烈，國際石油商對從發現油氣到生產的時間要求越來越緊，而與船舶相近的海洋工程物恰恰可以以最快的時間迅速部署于生產現場， 從而大大縮短深海油氣的開發時間。正是由于這兩方面的原因，使船舶工業迅速成為深海油氣開發裝備生產的主要力量。船舶工業越來越深地融入海洋開發裝備領域，已成為當前海洋裝備發展的一個重要特點。相對于已經成熟的船舶工業來說，海洋開發裝備業是一個新興產業，正在發展過程中，據專家估計,目前及未來幾年,僅油氣開發生產一項，全世界就需要約100多艘FPSO船、200多座鉆井平臺，加上其他海洋產業的需求,海洋開發裝備甚至比整個國際船舶市場的需求還要高。因此未來船舶企業會參與更多的海洋工程結構物的建造。
管線幾何優化設計
管道隔振支座最佳布置設計優化需確定隔振支座的類型"數量及位置!由于支座類型的選擇難以依靠程式化優化計算來得到，本研究僅針對支座力學與隔振性能參數給定情況下，研究管線支座的數量與幾何位置優化問題涉及到的約束條件包含強度( 應力) "剛度( 位移和變形) "穩定性( 屈曲) 和動力學特性( 管線固有頻率和管線響應振幅) ，同時考慮工藝安裝方面的特殊要求( 某些位置無法安裝支座) 針對上述約束，細化為優化數學模型中考慮應力"位移"固有頻率"穩定性和評價點在指定頻率區間的振級落差等約束條件簡化的支座布局幾何優化設計模型見圖所示，通常選取支座數目和支座位置為設計變量本模型假定支座總數目事先已知( 通常按照工藝要求確定，但適當增加一定數量) ，通過確定各支座的幾何位置坐標實現布局優化!當相鄰兩個支座的位置坐標非常接近或重合時，代表其中一個支座可以取消。
支座布局幾何優化模型
2.管道隔振支座布置設計優化模型迭代解法
上面給出的支座布局優化模型仍為基于連續與離散設計變量的混合數學規劃問題，常規優化算法較難解決，可采用迭代優化算法
進行求解!考慮到計算效率的問題，需采用變步長的迭代優化算法!
該迭代算法依據約束條件的滿足情況及變步長的臨界間距值來確定支座數量的減少與增加，然后通過
常規優化方法得到支座的幾何位置坐標，最終得到較優的支座數目及間距!迭代流程見圖采用迭代算法求解該支座布局優化模型時，其計算效率有賴于迭代步長的選擇!對于特定的管道結構，當假定的支座初始數目與最優支座數目相接近時，即使迭代步長為常數，依然能夠獲得較好的計算效率，但假定的支座初始數目與最優支座數目相差較多時，則必須選擇逐步增加的迭代步長才能獲得較為理想的計算效率。
支座布局優化模型迭代解法
由管線各目標函數下的優化結果可知，三種目標函數下的優化模型，優化后滿足約束要求，支座最優數目均為6個，各支座位置接近，優化結果基本相同，三種方法迭代次數均為 5-6次，計算效率較為理想，但以關聯支座造價為目標函數下的優化模型與其他兩個模型相比迭代次數較多，將幾何優化設計方法所得優化結果與規范設計方法優化結果比較可知，以管線結構應變能和管線最大下垂為目標函數的優化模型，幾何方法和規范法所得優化結果接近!以關聯支座造價為目標函數的優化模型，采用幾何方法時，盡管迭代次數較多，但仍然取得了滿足約束條件的優化結果，其計算過程較規范設計方法更為穩定，結果更為可靠!
總體來看，兩種設計方法所得優化結果是相一致的，幾何優化設計方法是可行的!在幾何優化設計方法中，由于支座初始數目通過假定得到，且往往與最優數目相差較大，因此迭代次數較多，其計算效率明顯低于規范設計方法，但較多的迭代次數同時也保證了迭代過程的穩定性，使計算結果更為可信!因此，尚須進一步研究更為穩定高效的管線隔振支座布局優化算法。
3.總結：將所得結果與規范設計方法優化結果進行了比較，證明了幾何優化設計模型及方法的可行性，并得到了與規范設計方法中相一致的結論: 以管線最大下垂或管線結構應變能為目標函數的隔振支座布局模型計算過程更為穩定高效"優化結果更為可靠。
參考文獻:
[1] W.Kent.Muhlbauer 《Pipeline Risk Management Manual》
[2] 美國雪佛龍公司 海上油氣工程設計實用手冊
[3] 海洋石油工程設計概論與工藝設計
ANALYSIS OF PIPING OPTIMIZATION DESIGN IN MARIN SHIP & OFFSHORE PROJECT
Xiaoyimeng
(BOMESC Offshore Engineering Company Limited TEDA TIANJIN CHINA 300457)
Abstract: Ships engineering technology has been mainly based on general navigation of the ship-based, with the development of Deep Ocean, marine construction vessels generally have not restricted, but extends to all parts of marine engineering, such as various engineering ships, offshore oil platforms, FPSO vessels. Ships engineering technology should be based on a ship and the proper development of the situation to increase technical knowledge, so that professionals have mastered the knowledge of other marine engineering structures.
Keywords: Marine engineeringOffshore EngineeringPiping optimization
【關鍵詞】 船舶消防水系統 消火栓間距 優化
對于船舶消防水系統而言，水的獲取相對容易（主要使用海水），可是稱得上是海上消防最廉價的材料。水的滅火原理就是冷卻，當水與火接觸時就會長生大量的水蒸氣，水蒸氣可以阻止氧氣與火源的繼續接觸，從而抑制火的蔓延；而且強大的水柱會產生較大的機械壓力，對易燃物體的燃燒部分起到驅散與撲滅的作用；水還可以進一步的滲透到易燃物的內部，以限制火源的繼續蔓延。消防水系統，是船舶消防制度中嚴格規定的必備系統。其工作原理是通過消防水系統中的消防泵從海底閥泵入舷外水，然后經消防總管分入各個支管，輸送到系統中的每個消火栓等出水端以供滅火所需。
1 船舶消防水系統的概述
船舶消防水系統主要由消防泵、系統管網、消火栓、消防水帶、水槍和國際通岸接頭等組成。消防水泵是消防水系統的主要給水升壓設備，是整個消防水系統的核心所在。從其工作原理來講，與其他用途的水泵沒有什么本質的區別，只是消防水泵是專門用于消防水系統的標準設備。系統管網，就是水從消防泵輸送至各個消火栓的管道網，主要由消防總管與各支管組成。根據水的輸送距離長短和輸送方向的集散程度，管道上一般還會設置各種附件、管件、組件等簡單的設備。消火栓即消防水系統的出水終端，由快捷接頭和截止閥組成。消防水帶的制作材料一般有棉織涂膠、尼龍涂膠和麻織三種。水槍就是為了改變水流形式和獲取射程而設計的工具，可分為水霧/水柱型、水柱型和噴霧型三種。國際通岸接頭一般有兩部分組成，一端為適合于與本船舶消火栓和消防水帶連結的快速接頭，另一端是標準法蘭接頭，兩個接頭組合工作，而且國際通岸接頭在不用時應放于規定位置，以便于隨時可取。
2 消火栓間距
消火栓的間距主要包括消火栓的規格及在相關規定下規格的選取，還包括消火栓的射程等數據，只有結合以上兩點才能更好的做到消火栓的有效優化。
2.1 消火栓水槍的口徑確定
消火栓的標準規格一般可以分為、與三種。
根據相關規定，在外部場所和機器處所，水槍尺寸應該是在滿足規定要求壓力之下的水柱中，并能從最小的水泵獲得較大限度出水量，但是規定水槍規格應盡量控制在19mm以下，根據這一規定選取使用19mm的水槍并不違反規格要求。
2.2 消火栓水槍的最大射程
消火栓的水槍在噴水時，在全部消火栓處應維持的的最低壓力如表1所示。
關鍵詞：目標函數；優化；模擬；余熱
中圖分類號： N945.23 文獻標識碼： A 文章編號：
運輸業是以增加盈利、降低運輸成本為目的，人們在盈利的同時，已經忽略了節能所帶來的更加巨大的潛在效益。一部分的熱量變為機械功外，燃料在柴油機氣缸中經過燃燒的其余熱量經過散熱、排氣和冷卻介質而排向大氣。這種被排出的余熱我們把它稱之為廢熱。當今社會，在柴油機的主推進動力裝置船舶上，各種各樣的余熱利用系統被得到廣泛地利用。起初人們研發的有效利用余熱的方法是熱平衡分析法，但是，該方法會使人產生誤解，且實際應用范圍受限制。在科學技術高度發達的現代，人們研發了一種更為有效的方法，則為火用分析法。該方法能反映出損失以及其損失的程度，它有效利用了余熱、提高了循環的經濟性。
柴油機主推進動力裝置船舶熱力系統特點
柴油機主推進動力裝置船舶熱力系統實現了完成某特殊反應以及熱量傳遞、能量轉換等過程的系統，主要是由連接官網、熱交換設備、動力機械以及輔助機械設備和系統組成。其系統中存在著多種形式的聯系，以及熱力、氣動、機械等傳熱傳質。柴油機熱力系統可以有效地挖掘柴油機動力系統的能量，在滿足各種品位熱量的同時，最大限度地利用了余熱能量的質量和數量。但是如果將排氣回收為電能或機械能的話，就能更充分地對能量的數量和質量進行利用。除了傳統的缸套冷卻水真空制淡，在對低溫熱量進行回收時，吸收式制冷裝置、高效節能的熱泵技術、熱管換熱器等都是當今利用余熱的有效設備和手段。對柴油機進行余熱利用要根據油消耗、維護、維修管理費用、投資費用、航運和航區特點、船舶類型等綜合技術來進行綜合的分析。這樣采用的系統的余熱能量回收的經濟性能最高，熱能利用率最優，實現了熱力系統的優化設計。
柴油機主推進動力裝置船舶熱力系統都具有自身的特點：①層次性，所謂系統的層次性，就是一個總系統的下層中包含了很多的子系統，而每個子系統中又包含了更小的子系統，這樣層層包含就體現出系統的層次。為了完成功能，系統是由不同的結構和單元組成的。熱力系統的過程也按照一定的連接方式組成。②環境適用性，柴油機船舶熱力系統不斷地在與環境進行能量或物質的交換。每一個熱力系統都具備輸入以及輸出系統。該系統接受外界環境提供的能量和物料，物料通過系統形成了能流，這些能流也在不斷受到利用、處理。與此同時，向環境中輸出能量和物料也是系統所具備的功能之一。在環境條件的制約下，系統進行著能量的轉換，環境和系統之間也在相互進行著輸入以及輸出。這種系統內部能量的轉移和轉化的過程以及環境與系統之間的互相制約最終保證了系統的功能。③目的性，其目的性就是指柴油機船舶熱力系統具有其特定的功能。這些功能可以給人們的生活提供必要的海水淡化、蒸汽、冷量、熱量、動力、電力等，而且，根據其功能的相異，可將熱能進行回收、利用、輸送、轉換生產等。它可以對生產過程中產生的工質或余熱進行回收。它既可以是由多個單元組成的多功能復雜系統，也可以是由少部分設備組成的功能簡單的系統。④關聯性，關聯性是指柴油機船舶熱力系統之間的各個部分的關系是相互制約和相互聯系的。關聯性是根據其性能上的規律的匹配以及特點，系統中的各個獨立的單元并非無序組合或隨意堆積，它具有一定規律性的。⑤集合性，系統的集合性例如熱泵、熱機、各種換熱器、余熱鍋爐等獨立的單元組成了余熱回收系統，像這樣，柴油機船舶熱力系統就是由很多的獨立單元組合起來，并且是按照一定的方式進行組合的。
船舶熱力系統的火用分析
因為所研究的熱力系統性質與能量形式不同，因此，能量火用的表達也不同。熱力系統在溫差的作用下，通過環境與邊界交換能量形式就是熱量的概念?；鹩檬窃诮o定環境狀態的條件下，將系統傳遞的熱量采用可逆方式來完成的最大用工。熱量的火無是熱能的不可用能，而熱量的火用則是熱能的可用能。在溫度條件不同時，因為熱能的存在是依賴于物質系統熱狀態的，所以熱能的不可用部分與可用部分的比例也必然各不相同。例如：在環境狀態相同的條件下，系統溫度越高，熱量的火無就會越小，熱量火用則會越大。通過環境與邊界，系統在低于自然環境溫度的條件下進行交換的熱量即為冷量。其實冷量是低于環境溫度的熱量，其本身也是一種熱量。低于環境溫度的熱量火用其實就是冷量火用。冷量包括了火無和火用。冷量火用于冷量的差為冷量火無。給定條件下過程不可逆性的大小也是火用損失的大小?；鹩脫p失不恩給你用以對不同條件下過程進行的完善程度進行比較，它只是一個絕對的數量。所以，熱力設備或熱力系統中的火用的有效利用程度可以用火用效率來進行表達。熱力系統的火用平衡方程式可以用如下公式來表述：火用損失+系統的輸出火用+系統的火用變化量=系統的輸入火用，作為輸出火用的一部分，在分析、計算熱力系統時，火用的平衡方程式為：，由此可以看出，系統中表達熱力過程的火用平衡方程式的形式不同，熱力系統的形式就不同。
可以將余熱放熱過程作為定壓放熱的過程。柴油機的排氣余熱發電簡化熱力系統圖可以參考圖1所示。圖中MG為柴油機廢氣量，FP為給水泵，CON為冷凝器，G為發電機，T為汽輪機，SH為蒸汽過熱器，B為余熱鍋爐，PR為螺旋槳，D為柴油機。
圖1排氣余熱發電簡化熱力系統
柴油機主推進動力裝置船舶余熱利用系統優化
系統的初投資估算、工質的熱力性質計算、系統的部件設計、系統的熱平衡計算組成了系統的特性模擬分析。熱動力回收系統的優化設計為非線性規劃，因為大多數約束函數以及建立的目標函數為設計變量的非線性函數。余熱回收系統優化設計圖參照圖2所示。
圖2余熱回收系統優化設計示意圖
可以以經濟性為目標對整個余熱利用系統進行優化，也可以對余熱利用系統進行發電量和火用效率優化，方法相同但是效果不同。所優化的目標函數不同，獲得的效果也是不同的。
結束語
分析了柴油機主推進洞里裝置船舶余熱回收發電系統。在對廢氣鍋爐進行優化設計時，采用了最大火用效率作為其目標函數，及提高了透平發電量，又增加了廢氣鍋爐的火用效率。
參考文獻
【關鍵詞】 導標；配布；雙向航道；黃驊港
0 引 言
黃驊港煤炭港區是我國“三西”地區煤炭外運第二通道出海口，也是北煤南運和冬季電煤運輸的重要港口，全港區煤炭通過能力達到萬t，運營航線通達我國華東、華南沿海、臺灣地區和日本、韓國以及東南亞部分國家。近年來，隨著黃驊港煤炭港區的開發擴容，其吞吐量迅速攀升并實現跨越式增長，對增加神府-東勝煤田的煤炭外運量，保障華東、華南沿海地區能源供應發揮了十分重要的作用。本文結合黃驊港煤炭港區7萬噸級船舶雙向通航航道擴寬工程，針對港區通航重要輔助設施導標的配布調整進行分析和優化設計。
1 航道現狀
黃驊港煤炭港區5萬噸級船舶重載雙向航道總長約44 km，內航道里程為 m，外航道里程為 m，航道挖泥邊坡均為1∶5 （見圖1）。
2012年12月6日，滄州海事局在黃驊市組織召開了“黃驊港煤炭港區航道雙向通航推進會”，規定外航道里程尺度（見圖1）～ m航段內只允許單向通航；其余航段允許3.5萬噸級船舶雙向通航，5萬噸級船舶與2萬噸級船舶雙向通航。
2 導標現狀
2.1 導標布置情況
目前，黃驊港煤炭港區陸域范圍內共布置有外航道前、后導標10座（5組），內航道前、后導標10座（5組）。5組導標分別為：對應航道設計底邊線布置南、北邊線標；對應航道中心線布置中線標；對應分向航道航跡帶中心線布置南、北中線標。導標布置斷面見圖2。
2.2 導標使用情況
單向通航時，船舶觀察中線標航行，南、北邊線標標示航道設計底邊線；雙向通航時，船舶觀察南、北中線標航行，中線標標示分道通航水域的分隔線，邊線標標示航道設計底邊線。
經調研，內航道導標使用效果較好；外航道導標受能見度、導標背景條件、導標終導點距離等影響，使用效果欠佳。
3 航道拓寬工程
3.1 實施背景
近年來，船舶大型化趨勢非常明顯，但受通航規則限制，船舶平均在港停泊時間隨運量增長而大幅增加，對港口服務水平產生較大影響。
由于5萬噸級船舶暫時無法進行雙向通航，故航道條件得不到充分利用，疏浚工程投資未產生應有的經濟效益。另外，隨著綜合港20萬噸級航道和南防波堤工程等周邊設施的完善，將使煤炭港區防波堤口門處橫流有所改善。因此，有必要調整現狀航道的通航規則，允許大型船舶雙向通航。
3.2 實施方案
航道里程尺度0～ m航段向北韌乜30 m，相應調整燈浮標，航道設計底高程仍為 14.0 m （標準段）、 15.0 m （口門段）。航道拓寬段可滿足7萬噸級散貨船重載乘潮雙向通航；拓寬段以外的航段，結合煤炭運輸船舶重載出港、壓載進港的特點，利用現狀航道（航道挖槽寬度不變）北側邊坡水域作為可利用的通航水域，確定現狀航道（全航道）可滿足雙向通航的船型組合。標準段和口門段航道拓寬斷面分別見圖3和圖4。對于油船、化學品船等液體散貨船及10萬噸級散貨船，仍按現狀通航規則，采用單向通航。
4 導標調整方案
外航道導標因受能見度制約而目視效果欠佳，綜合考慮導標遷移的成本與經濟效益，此次拓寬工程暫不對外航道導標進行調整。
4.1 內航道導標調整方案設計
方案1：航道設計底寬4等分法。航道北邊線標和北側分向航道中心標位置不變，中心標向南側移動15 m，南側分向航道中心標、南邊線標同時向南側移動30 m。
方案2：航跡帶法。航道北邊線標位置不變，北側分向航道中心標向南側移動8 m，中心標向南側移動15 m，南側分向航道中心標向南側移動，南邊線標向南側移動30 m。
4.2 方案比選
從導標引導效果來看，方案1和方案2均能保證導標有較好的引導效果。方案1符合引航習慣要求，但存在會船時兩船間富余寬度較大，而船岸間富余寬度略低于規范要求的問題；方案2滿足規范要求，但與引航習慣要求不一致。
經綜合比較后發現，方案1基本接近規范要求，且移標數量少，工程費用低，又能滿足引航部門的習慣要求。因此，推薦方案1作為導標調整方案（見圖5）。
4.3 導標使用規則
4.3.1 單向通航
（1）進出港船舶觀察導標的中線標航行。
（2）邊線標標示通航水域邊界線。單向通航斷面示意見圖6。
4.3.2 雙向重載通航
以7萬噸級船舶重載雙向通航為例，導標使用規則如下：
（1）進出港船舶應觀察導標的北中線標和南中線標航行，此時船長和引航員需注意北中線標和南中線標標示的位置比實際的航跡帶中心線向航道邊坡側偏8.0 m。
（2）中線標標示分道通航水域的分隔線。
（3）邊線標標示通航水域邊界線。雙向通航斷面示意見圖5。
關鍵詞：混合式教學；船舶分油機；信息化教學設計
中圖分類號：G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2016）24-0030-03
一、引言
2011年《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020 年）》以來，隨著互聯網的飛速發展，我國愈加重視教育信息化工作。在傳統教學模式中，教師是教學活動的主體，是知識的傳授者，而學生則處于被動接受老師灌輸知識的地位。這種教學模式忽視了學生的認知主體作用，不利于培養學生的創新思維和創新能力?；旌鲜浇虒W的概念最早由國外的培訓機構提出，指的是網絡線上與線下的混合，通過引進面對面教學來改進E-Learning教學的不足。隨后，混合式教學模式被引入到高校教育領域，并得到高度關注。
本文主要探討在高職《船舶柴油機》課程教學實施過程中，以“船舶分油機”這一教學單元為例，使用信息化手段，進行一系列教學活動，更好地將理論知識與實際操作緊密結合，融“教、學、做”為一體，充分挖掘學生的創新潛能，培養和提高學生的職業素質，強化學生自主學習和創新能力的培養。
二、信息化教學分析
1.內容分析
課程：船舶分油機是《船舶柴油機》課程的重要內容，也是學生學習的難點之一。依據國際海事組織2010年在馬尼拉修正的《1978年海員培訓、發證和值班標準國際公約》（International Convention on Standards of Training、Certification and Watch-keeping for Seafarers ，簡稱“STCW公約”）、課程標準等要求，確定了本項目的教學內容。
教材：選用“十二五”職業教育國家規劃教材。
學時：2學時。
2.學情分析
授課對象：高職水上運輸類輪機工程技術專業二年級學生。通過對2012級學生該課程學習效果的調查與分析，發現他們有想法、有創新，渴望成功，網絡、智能終端使用熟練，之前已經學習了分油機的結構和工作原理，為定期維護的學習提供了理論支持。
3.教學目標
依據人才培養方案要求，結合當前學情分析，將知識目標、技能目標、素質目標的培養融入教學過程當中。
知識目標：深化理解分油機的結構和工作原理；充分掌握分油機拆裝步驟與維護保養方法。
技能目標：熟練完成分油機的拆裝；掌握疏通、清潔、檢查、更換等常規維護技能。
素質目標：提高安全意識；規范操作行為；加強合作精神。
4.教學重、難點
教學重點：掌握分油機的正確拆裝。
教學難點：掌握分油機的維護方法。
5.教學策略
由于分油機是高精度的、由眾多零部件互相嵌套并高速回轉的設備，內部結構相當復雜，而且價格昂貴，對維護保養的要求極高，傳統的教學模式，學生難以獲得直觀認識，費時費力費財，非常適合采用信息化手段教學來呈現。
為此，采用線上線下、虛實結合的混合式教學理念，依托課程教學平臺以及具有自主知識產權的三維虛擬拆裝系統和教學資源庫等教學資源，把教學過程分為以下幾個階段（具體如圖1所示）：
三、信息化教學實施過程
1.課前準備――激發學生學習興趣，培養自主學習的能力
課前，學生登錄課程教學平臺，選擇教學單元，動手操作Flas，回顧上節課的內容――分油機的結構、工作原理等相關知識點，然后領取任務單，明確本次課的學習目標、重難點，自主學習微視頻（教師錄制）等相關資源，初步了解船舶分油機定期維護的流程，完成課前測試。老師根據統計分析，不僅可以了解學生對基礎知識的掌握情況，還可以按層次和個體差異進行分組，實現學生間的優勢互補，為課中學習的分組合作做準備。
2.課中學習――突出學生主體地位，發揮教師引導作用，幫助學生探究新知
環節1：情境創設
老師結合自己在遠洋船舶上的工作經歷，引導學生思考：為什么要對分油機進行拆裝維護呢？結合企業工程師的情境解讀――依據SOLAS國際公約和船舶設備維護保養計劃的要求，強調了職業船員對分油機應具備的能力與責任，讓學生明白了遠洋船舶分油機拆裝維護的重要性。
環節2：知識學習
在教學平臺上，學生結合分油機拆裝步驟的排序游戲，畫出分油機定期維護的拆裝流程圖，在趣味的學習中，熟悉了拆裝維護流程；通過觀看微視頻（企業工程師參與錄制），學習常規的維護方法；接著，老師與學生共同討論，共同總結出拆裝的注意事項和常規的維護方法。
環節3：仿真演練
如何高效地完成分油機的正確拆裝呢？啟動仿真軟件，進入虛擬拆裝環境。老師先演示講解，然后學生對照演示開展虛擬拆裝練習，觀看一步，操作一步，如果出現錯誤操作，軟件將自動提示及時更正，猶如給每名學生配備了一位專業老師手把手地指導，解決了過去教學中因缺乏及時糾正而使學生容易學到錯誤操作的問題。
軟件設計均按照分油機拆裝規范制定，從專用工具的選擇到專用工具的使用，從拆裝位置到拆裝順序，從關鍵零件的標記定位到精密零件的擺放與保護，學生充分領會了分油機拆裝的四大注意事項。
學生反復練習，完成虛擬拆裝考核；在愉快的仿真練習中逐漸掌握了分油機的正確拆裝步驟，突破了教學重點，并為后面的維護保養做好了準備。
環節4：實踐操作
本環節在實訓場所完成。按照實際工作崗位要求，進入該場所之前，學生先在教學平臺上學習安全注意事項，然后佩戴安全帽和防護手套，老師在操作現場再次對學生進行安全教育。Y合任務單要求，各小組在組長的指揮協調下，分工配合，團結合作依次完成拆裝前的工具準備、拆卸、維護保養與裝復等步驟。
在維護保養過程中，學生對泄水孔、排渣孔等細小通道要逐一清通，不能有臟堵；對分離盤片、分離盤架等易臟污部件要先浸泡再清洗；對活動底盤、立軸等高速運動件要仔細檢查是否有異常磨損和裂紋；對易老化的密封圈、塑料堵頭等要及時更換。
如有疑問，可以隨時查看微視頻、查閱英文說明書或小組討論，自主尋求解決之道；老師巡回指導，實時記錄典型操作行為，并上傳課程平臺，同時確保實踐操作安全。
通過實踐操作讓學生深刻掌握分油機的拆裝及維護方法，充分領會定期維護、預防為主的重要性，有效解決了教學中的難點，提升了學生對船員職業的認同感。
環節5：總結評價
實踐操作完畢，各小組上傳任務單，進入總結評價環節。老師根據巡回檢查情況和任務單的完成情況進行綜合點評和評分，并對分油機的拆裝要點及維護方法進行總結。課后，學生結合自己對本項目的掌握情況，在教學平臺上及時進行自我評價。
3.課后拓展――培養學生交流能力，提升個人綜合素養
課后，學生在教學平臺上，觀看學習老師上傳的典型視頻，并針對學習上的困惑，在交流空間進行討論，并提交學習心得；點擊查看多元評價成績，了解自己對本任務的掌握情況；鏈接輪機工程技術專業教學資源庫，進一步擴大學習范圍。同時，預習下節課的學習內容。
四、信息化教學效果
針對“船舶分油機”這一教學單元，進行了信息化教學效果調查。調查對象為授課教師和學生，調查內容主要有： 對信息化教學的認識和感悟；對小組協作學習的認同和建議；在教學實施中，學生課前學習的主動性和課中學習的創造性等表現；以及對解決問題的能力、對內容掌握的程度、團隊情感體驗的情況、信息化教學的效果等。 從調查問卷收集整理后的數據分析可以看出，“船舶分油機”單元的信息化教學取得十分顯著的效果。
1.認同感
95%的調查對象都表示喜歡信息化教學的教學方式和氛圍。在學習過程中，不僅可以更好地提高自己的動手操作能力，而且在得到組員和教師承認時，會有較大的滿足感和愉悅感，增強了學習的興趣和信心。
2.主觀能動性
學生學習的主觀能動性較信息化教學活動實施前有顯著提高，學生在自主學習的過程中，基本上能夠積極主動地參與到課前準備、課中實施、課后拓展等各環節。
3.團隊合作
在實踐操作環節，團隊合作的過程能夠培養學生的集體觀念和團隊意識，小組長在教學開展中發揮了較大的協調與領導作用，學生相互之間也增強了合作的責任感。同時，這種教學形式還有助于師生之間、同學之間溝通，協作能力提升明顯，教師也能做到因材施教。
4.創造性思維
在信息化教學實施過程中形成了一種熱烈切磋討論的氣氛，將學生的思維引向深化，在碰撞中產生智慧的火花，在一定情境下，引起了聯想與想象，從而產生超越傳統課堂教學的創造性思維。
綜上所述，信息化教學在“分油機”單元教學中取得了較好的成效，學生對“分油機”相關的知識和各項操作技能等都得到了不同程度的提高，對知識的掌握更加全面系統，很大程度上提高了學生的職業素養，為今后走上工作崗位打下了扎實的基礎。
五、結束語
在互聯網+時代背景下，信息化教學在高職教育教學中將會發揮不可替代的作用，它改變著以往傳統課堂教學中過于注重知識灌輸的傾向，調動了學習積極性，提高了學生課堂活動的參與度。信息化教學的實施，授之自主學習的方法，使課堂信息量充足、生動活潑，使學生能夠更好地理解并掌握學習的知識和技能，培養了學生的職業素養，使其更加注重團隊合作，成為綜合素質較高的專門人才。真正體現了教是為了不教，學是為了創造的教學理念。
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關鍵詞:FIR濾波器;優化設計;自適應遺傳算法;早熟度
中圖分類號:TP274文獻標識碼:B
文章編號:1004-373X(2010)02-143-04
Optimized FIR Filter Design Based on Self_adaptive Genetic Algorithm
HUANG Meng,TANG Lin,ZHEN Yu,ZHANG Jie
(91635 Army,Beijing,102249,China)
Abstract:The goal of optimized FIR filter design is approaching to the ideal performance of IIR filter.Genetic algorithm is an optimal probability search algorithm,imitating the process of biology evolution,which has proposed an universal method to solve optimized problems of complex system,independent of domain and kind of problems.The proposed algorithm applying self_adaptive genetic algorithm to optimized IIR filter design,and adjusting cross probability and mute probability self_adaptively by evaluating premature convergence degree to improve search efficiency of genetic algorithm.The simulation results demonstrate that the proposed algorithm can achieve satisfying capability of filter.
Keywords:FIR filter;optimized design;self_adaptive genetic algorithm;premature convergence degree
在現代信號處理和電子應用技術領域,FIR數字濾波器因具有穩定性和線性相位兩大優點而得到了廣泛的應用。FIR數字濾波器的設計方法主要有窗函數法、頻率采樣法、切比雪夫逼近法,這些方法的最終目的是對理想濾波器理想性能的逼近,而不可能真正做到理想濾波器的幅頻響應,正基于此,多年來許多專家學者在數字濾波器的優化設計問題上做了大量的研究工作,在一定優化準則下,提出了一些設計方法,如Caratheodory_Fejer(CF)法[1],神經網絡(Neural Network)法[2],最小P誤差法[3]以及模型擬合頻率響應法[4]等。這些優化算法各長,它們在數字濾波器的設計中都取得了較好的設計效果,也為數字濾波器的設計打開了新的思路。
遺傳算法是一種模仿生物進化過程的全局優化概率搜索算法,它提出了一種求解復雜系統優化問題的通用框架,且不依賴于問題的領域和種類,因此在諸多領域得到了廣泛的應用。但是標準的遺傳算法存在兩個重大的缺陷:早熟和收斂速度慢。這里提出了一種自適應調整遺傳參數的遺傳算法,并用其實現了FIR數字濾波器的優化設計,仿真結果說明了算法的有效性。
1 FIR數字濾波器及優化設計
1.1 FIR數字濾波器的頻率特性
有限沖激響應數字濾波器(FIR)的輸出僅取決于有限個過去的輸入和現在的輸入,用x(i),y(i)分別表示其輸入和輸出,FIR濾波器可以表示為[5]:
y(i)=∑N-1j=0h(j)x(i-j)(1)
式中:h(i)(實數)為FIR的沖激響應,顯然:
h(i)=h(i), 0≤i≤N-1
0,N
即FIR的沖激響應只有有限N個,稱N為FIR的階次。
對于N階線性相位FIR濾波器,其單位沖激響應h(i)為實數,且以對稱中心α=(N-1)/2對稱的,即有以下約束關系:
h(i)=±h(N-1-i)(3)
1.2 FIR濾波器優化設計準則
設一個FIR數字濾波器的理想頻率響應為:
Hd(jω)=Hd(ω)e-jθ(ω), ω∈[-π,π](4)
式中:Hd(ω)≥0,若用一個N階的FIR頻率響應來逼近它,設其沖激響應為h(i),i=0,1,2,…,N-1,那么其頻率響應可表示為:
H(jω)=∑N-1i=0h(i)e-jiω, ω∈[-π,π](5)
由上式可得:
Hd(jω)=Hd(ω)cos φ(ω)-jHd(ω)sin φ(ω)(6)
H(jω)=∑N-1i=0h(i)cos(iω)+j∑N-1i=0h(i)sin(iω)(7)
在[-π,π]上取P個頻率采樣點ωp(p=0,1,2,…,P-1),并且為每一個ωp設置一個權重系數αp≥0(p=0,1,2,…,P-1)。那么描述H(jω)逼近Hd(jω)的加權均方誤差可近似寫成:
E2=1A∑P-1p=0αp∑N-1i=0h(i)cos(iωp)-Hd(ωp)cos φ(ωp)2 +
∑N-1i=0h(i)sin(iωp)-Hd(ωp)sin φ(ωp)2≥0(8)
式中:
A=∑P-1p=0αp(9)
如果采樣點ωp的數量足夠多且間隔足夠小,那么式(8)精確地表達了H(jω)與Hd(jω)的加權均方誤差。顯然,如果E2為0,那么所設計的FIR的頻率響應應在ωp(p=0,1,2,…,P-1)點上,幅頻響應和相頻響應兩方面嚴格地等于Hd(ωp)和φ(ωp)。由于N有限,E2不可能為0,任務在于尋找一種有效的算法使E2盡量小。由式(8)可知,αp取值的大小表達了對其對應的ωp點的重視程度,αp取值越大則要求在ωp附近頻域內H(jω)越嚴格地逼近Hd(jω)。
綜上所述,一維實數FIR數字濾波器優化設計問題就是尋找一組h(i)使式(8)的值盡可能小。
2 自適應遺傳算法
遺傳算法自提出以來,因其具有很強的解決問題的能力和廣泛的適應性,因而近年來滲透到研究與工程的各個領域,取得了良好的效果。但在實際應用中,基本遺傳算法也逐漸暴露出一些缺陷,這些缺陷主要集中在兩個方面:早熟和收斂速度慢[6,7]。
所謂早熟是指遺傳算法收斂于局部最優值,而非全局最優值的現象。這往往是由于在算法搜索的初期階段,種群中出現了某些超級個體,這些超級個體的適應值很高,隨著進化過程的進行,它們會很快占據整個種群,導致種群缺乏多樣性而陷入局部極值。由于遺傳算法從本質上而言是一種隨機搜索優化算法,所以當待求解問題規模較大或問題較復雜時,搜索空間往往非常龐大,于是導致遺傳算法的收斂速度很慢。
選擇合適的遺傳算子執行概率,是遺傳算法能否收斂到最優解的關鍵之一。遺傳算法的參數中交叉概率Pc和變異概率Pm的選擇是影響遺傳算法行為和性能的關鍵所在,直接影響算法的收斂性,Pc越大,新個體產生的速度就越快。然而Pc過大時遺傳模式被破壞的可能性也越大,使得具有高適應度的個體結構很快就會被破壞;但是如果Pc過小,會使搜索過程緩慢,以致停滯不前。對于變異概率Pm,如果過小,就不易產生新的個體結構;如果過大,那么遺傳算法就變成了純粹的隨機搜索算法。針對不同的優化問題,需要反復試驗來確定Pc,Pm,這是一件繁瑣的工作,而且很難找到適應于每個問題的最佳值。
在傳統的遺傳算法中,交叉概率Pc、變異概率Pm與種群進化過程無關,從始至終都保持定值。近年來的研究表明,交叉概率和變異概率的選取對系統性能有重要的影響。用不變的Pc和Pm來控制遺傳進化,很容易導致“早熟”,降低算法的搜索效率。目前,調整遺傳算法控制參數較好的方法是動態自適應技術,其基本思想是使Pc,Pm在進化過程中根據種群的實際情況,隨機調整大小,目前這方面已有大量的研究[8,9]。具體做法為:當種群趨于收斂時,減小Pc、增大Pm,即降低交叉的概率,提高變異的概率,以保持種群的多樣性,避免“早熟”;當種群個體發散時,增大Pc、減小Pm,即提高交叉的概率,降低變異的概率,使種群趨于收斂,增加算法的收斂速度。
在多數情況下,種群中不同個體的適應度不盡相同,因此可以用適應度分布的離散程度來表征種群的“早熟”程度。種群在進化過程中發生“早熟”的主要表現是:種群內適應度暫時最大的一些個體相互重復或趨同,使得它們有較大的概率參與下一代的選擇復制操作,且它們之間交叉后的子代也不會與父代有太大的變化,導致遺傳算法尋優過程十分緩慢,降低搜索效率。因此,要正確判斷一個種群是否會發生“早熟”主要看這個種群當前適應度最大的那些個體是否重復或相互趨同?！霸缡臁背潭瓤梢允褂孟旅娣椒ㄔu價:
設第t代種群個體的平均適應度為t,t代種群中最優個體適應度為Ftmax,種群中個體適應度大于t的個體的平均適應度為tmax,那么可以用Ftmax與tmax之間的差值來評價種群的“早熟”程度:
D=Ftmax-tmax(10)
式(10)中,指標D用來表征種群的“早熟”程度。可以看出,當D增大時,種群趨于發散;D減小時,種群趨于相同。此方法只計算Ftmax與tmax的差值,不涉及適應度低于平均適應度的個體,從而避免了那些適應度較差個體對D的影響,更能反映種群中那些適應度較好的個體之間的趨同程度。
根據種群“早熟”程度的指標D,使得交叉概率Pc和變異概率Pm在進化過程中隨著D的變化而改變,如下式所示:
Pc=1/\(11)
Pm=1-1/\(12)
式中:k1,k2>0。Pc取值范圍在[0.5,1]之間,Pm的取值范圍在[0,0.5]之間。在進化過程中,Pc,Pm根據D取值的不同而動態地自適應調整:當種群個體趨于離散(即D變大)時,Pc增大、Pm減小,種群開發優良個體能力增強;當種群個體趨于收斂(即D變小)時,Pc減小、Pm增大,種群產生新個體能力增強。
3 基于自適應遺傳算法的FIR數字濾波器優化設計
3.1 編碼
遺傳算法中首先要完成的是對解的編碼,由于文中的問題是一個非線性函數的優化問題,故采用實數編碼技術。將染色體表示成如下向量:X=\,x(i)∈[0,1],i=0,1,2,…,N-1。其中:x(k)∈[0,1],k=0,1,…,(N-1)/2,可由如下映射關系得到:
x(k)=\/2(13)
式中:h(k)∈[-1,1],k=0,1,…,(N-1)/2,其余的h(i)可由式(3)求得。
3.2 適應度函數
FIR數字濾波器的優化設計目標是使式(8)的值最小,因此使用式(8)的倒數作為適應度函數,即:
f=1/E2(14)
3.3 選擇算子
使用錦標賽選擇法和精英保留法相結合的選擇策略。錦標賽選擇法在選擇時先隨機在群體中選擇K個個體進行比較,適應度最好的個體將被選擇作為生成下一代的父體,參數K稱為競賽規模。這種選擇方式能使種群中適應度好的個體具有較大的“生存”機會。同時,由于它只使用適應度的相對值作為選擇的標準,而與適應度的數值大小不成直接比例,從而避免了超級個體的影響,在一定程度上避免了過早收斂和停滯現象的發生。
精英保留法即當前種群中適應度最好的個體不參加遺傳操作,直接復制到下一代,替換經交叉和變異操作產生的子種群中適應度最差的個體,其優點是在搜索過程中某一代的最優個體可不被遺傳操作所破壞,這樣可以保證遺傳算法以概率收斂到最優解。經驗證明,保留占種群總體2%～5%數量的個體,效果最為理想[10]。
3.4 交叉算子
交叉算子以概率Pc對兩個父個體進行隨機分割,然后再重新組合從而獲得兩個新個體。根據分割點的數量,可分為單點交叉或是多點交叉。其原理是每個父個體隨機選擇m個無重復的交叉點,在交叉點之間的變量間續地相互交換,產生兩條新的子個體,完成交叉操作。本文采用兩點交叉法,示意如圖1 所示。
圖1 兩點交差法
3.5 變異算子
變異就是根據一定的概率Pm,將個體染色體上某一位置上的基因進行攝動,使其產生突變。設父個體向量x=(x1,x2,…,xk),則分量xi以概率Pm被選擇作為變異,設對xi進行變異,則其后代為x′=(x1′,x2′,…,xk′),其中xi′以等概率取(1-r)xi或xi+(1-xi)r,r為[0,1]上的隨機數。
3.6 實現步驟
(1) 根據不同的頻段要求初始化αp。其中,權重系數αp的大小表達了設計FIR數字濾波器時,對與其對應的ωp附近頻域內逼近誤差的重視程度。在具體的設計中,αp是可以調整的,不同的αp取值將導致不同的設計結果。通常要求FIR數字濾波器應具有較好的阻帶特性,而對過渡帶沒有嚴格的要求,因此可令:
αp=αp=1,ωp在通帶
αt=0,ωp在過渡帶
αs≥1,ωp在阻帶
式中,αp為通帶權重系數;αt為過渡權重系數;αs為阻帶權重系數。
(2) 隨機產生初始種群,在區間[-2,2]中產生一組隨機數作為初始化種群,每個個體表示為染色體的基因編碼。
(3) 計算A=∑P-1p=0αp。
(4) 計算個體的適應度,并判斷是否符合優化準則。若符合,輸出最佳個體及其代表的最優解,并結束計算;否則保留適應度最好的個體,執行(5)。
(5) 在種群中使用錦標賽選擇法選擇兩條個體。
(6) 計算交叉概率Pc和變異概率Pm。
(7) 對選擇個體進行交叉和變異操作,產生新的個體。
(8) 重復(5)~(7),直到新種群數量等于上一代種群數量,并返回(4)。
4 FIR數字濾波器仿真實例
設計一個階次N為49,ωp=0.4π,ωs=0.5π,φ(ω)=18ω的低通實數FIR數字濾波器,設定αp=1,αt=0,αs=5,初始種群100,最大進化代數為300,最后選擇出最優的結果如圖2所示。
圖2 FIR低通濾波器設計結果
5 結 語
針對遺傳算法存在的“早熟”和收斂速度慢的缺陷,設計了評價進化過程中種群的“早熟度”的方法,使交叉和變異概率根據“早熟度”的變化而自適應調整,提高了遺傳算法的收斂速度,并將其應用于FIR數字低通濾波器的優化設計,并進行了仿真實驗,實驗結果表明該算法能夠設計出性能較好的數字濾波器。
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[關鍵詞]船舶結構；發展現狀；結構簡化；魯棒性；優化設計
中圖分類號：U663.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）27-0150-02
1.船舶結構發展現狀
早年建造的鋼質鉚釘遠洋貨船，舫昵部呈尖形，有舶、艦樓，中部有上層建筑，稱謂“三島式”結構。這種船型貨艙底二側設有污水溝，船殼板通過角鋼與上甲板用鉚釘連接，貨艙口有許多大梁并用插梢梢牢，船殼板并疊鉚接。這種結構抗扭性較好，剛度較大，使用壽命也較長?，F代遠洋貨輪主尺度大大增加，舫部加球鼻，艉部削平為三角方昵，上層建筑后移，有的甚至無舶樓，污水溝改為污水井，連接的角鋼沒有了，貨艙口的大梁也沒有了，船殼平整。這種結構從模型試驗來看，抗扭效果、穩定性都較差，使用壽命很少能超過三十年，大型惡性事故頻頻發生。這一演變引起我們極大的關注，通過分析實船存在的問題，為什么脂部鋼板容易銹蝕，新造的船會出現裂縫（倉口圍四角肘板與甲板脫焊）等，并通過模型和有限元計算證實，得出以下觀點。
（1）船舶較大部位的嚴重銹蝕與彎、扭有關巨大的波浪外載荷等外力會引起板材蠕動、材質酥松、涂層撕裂、海水滲入，足以證明有一定柔性的焦油瀝青漆都不能復蓋牢鋼板。
（2）營運船舶是“每彎必扭”，甚至“不彎也扭”船舶主尺度的增加，外力也大大增大，其中扭力不可低估。但肋骨和縱骨不參予船舶的抗扭，甚為可惜，材料潛力沒有發揮出來。
（3）船殼板上逐漸嚴重的垂向或腫部水平向瘦馬型和艙底板瘦馬型與彎、扭有關。
（4）船是很軟的，高邊柜斜底板是散貨船的致命弱點船舶在大海中航行尤如蠶起伏爬動，不但被廣大船員注意到，也被各大船級社在電腦屏上顯示出來。
（5）樹的結構最為科學樹的高度與直徑之比遠大于超高層大樓高度與長x寬之比。塔松（如傘、金字塔形）結構穩定，其道理就在樹干上長出許多樹叉，樹叉的根部即樹的節疤，將樹木展開就可看到不在同一高度的許多節疤，這一高一低的節疤就是“訣竅”，造船業如果引進這一結果，可使艙壁加固，抗扭性可大大提高，舷側加固，抗彎能力也有可觀的提高。
（6）船舶剛度的提高，目的是要減少無謂的蠕動這可延長使用年限，降低折舊費，改善經濟效益。通過計算，采用新的結構形式，船舶自重可以較大幅度地減輕。
2.船舶結構優化設計方法
船舶結構優化設計，就是要尋求合理的結構形式和適當的構件尺寸，使船體結構在滿足強度、剛度、穩定性及頻率等條件下具有較好的力學性能、工藝性能、經濟性能及使用性能。隨著計算機的普及和計算技術的發展，建立在計算機分析和模擬基礎上的船舶結構優化設計通過吸收有關基礎學科的研究成果，借鑒相關工程學科的共同規律，已取得了卓有成效的進展在可靠性設計方面進行了大量的基礎性工作在以人工智能原理和專家系統技術為基礎的智能型設計方法方面進行了開創性的研究在綜合評估船舶結構性能方面進行了探索性的工作。這些研究構成了船舶結構現代設計方法的基本內容。
2.1多目標模糊優化設計方法
在傳統結構優化過程中，都是根據確定性條件來進行的，即目標函數和約束條件都是人為的或按某種規定給出的，是一個確定的值。而實際上，船舶結構優化設計過程中，約束條件，評價指標及多個評價指標間的協調，都包含著許多模糊因素。要處理好涉及模糊因素的優化間題，必須借助于模糊數學才能獲得令人滿意的結果。
模糊優化設計大大增加了設計者選擇優化方案的余地，使設計者對方案的性態有更深入的了解。模糊優化設計方法研究發展很快，但目前尚未達到完全實用化程度。其難點在于到底如何針對具體的設計對象，正確確定描述目標函數滿意度和約束函數滿足度的隸屬函數。
2.2基于可靠性的優化設計方法
前蘇聯首先將概率論和數理統計方法引入結構設計之中，形成了安全度理論。以超載系數、材料勻質系數和工作條件系數來考慮載荷、材料及環境的一些隨機性因素，并以此為基礎發展成為結構的可靠性理論。
船舶結構可靠性的基本理論和方法，隨設計目標要求的不同，可以給出不同的船舶結構可靠性優化設計準則，一般可分為以下三種。（1）給定結構的可靠度要求，使結構的重量最輕；（2）給定結構的最大允許重量，使結構的可靠度最大或破損概率為最??；（3）兼顧結構重量及可靠度或破損概率，使其某種組合滿意度達到最大。
2.3魯棒性設計
魯棒設計是現代設計方法中的一種重要設計方法，是提高質量特性的一個重要途徑?，F代魯棒設計方法是在田口方法的基礎上發展出來的方法。通過使用容差模型法、最小靈敏度法以及靈敏度分析法，得到以下結論：（1）容差模型主要解決設計變量的變差對目標函數的影響。設計變量的變差會以一定的規律傳遞給目標函數?；谌莶钅Ｐ头ǖ聂敯粼O計要求目標函數和約束函數均具有一定的魯棒性。目標函數魯棒性是指產品特性既要使波動小，又要使偏差?。患s束函數魯棒性一般采用最壞情況容差來處理。（2）最小靈敏度法通過使性能參數對某一設計變量的偏導數最小而求得魯棒設計解。（3）靈敏度分析法主要是通過估計出設計變量發生微小波動后對目標函數和約束函數影響大小，進而通過這種影響的大小來改變設計變量以達到改善設計質量的目的。
3.船舶結構簡化方向展望：
現有主船體結構有球扁鋼，扁鋼，剛板，角鋼，槽鋼，折邊肘板，帶面板的肘板等。未來在不降低總縱強度和剖面模數的情況下可以盡量的加強互換性和通用性，不論船型和噸位，都可以提前下料預制，從而減小建造周期和維修難度。新的船體結構形式可以在原有的基礎上在以下幾個方向做簡化。
3.1對新造船第一階段
（1）線型基本照舊，球鼻照設，腸娓部外板僅作適當鼓起或凹進處理，使船殼板不易出現垂向瘦馬型，這就增加了船的抗扭性。（2）三角方尾的娓封板略為單曲面鼓起，如公共汽車車頭的駕駛玻璃，其目的也是為了增加抗扭，避免出現娓封板的垂向瘦馬型，這幾乎是不增加重量的情況下獲得的抗扭剛度和昵部橫向強度。（3）躺娓部肋骨改為縱骨，這種縱骨參予抗扭。若因鋼板太薄，使用焊條太粗引起水平瘦馬型也無礙，反而更可增加船舶抗扭性。據肋骨或縱骨對比計算，整段船的自重還可較大幅度地減輕，如今臺灣、日本、西德造的船，都采用這一縱向的辦法。（4）腫部舷側外板用交叉肋骨，并與縱銜相結合（或肋骨加斜束腰）。經整段有限元對比計算，重量比常規結構減小，撓度減少，抗扭能力提高。而且整段平面也不易翹曲，剛度大大提高，貨倉肋骨脫焊的事將可改觀。（5）甲板下的肋骨也交叉，使肋骨或縱骨與板“同舟共濟”，減少無謂蠕動，也即減少鋼板的銹蝕，并使甲板負荷可以增加。（6）需精確確定外載荷的大小，然后整段計算抗扭剛度，剛度不足，需相應增加艙壁等的剛度。
3.2對舊船原則上與新造船一樣
（1）減少無謂的蠕動，具體表現在相對銹蝕嚴重的部位，在銹蝕嚴重部位表面的背面作交叉肋板加強。（2）消除低頻高幅的振動出現垂向瘦馬型時，在肋骨間加斜肘板；出現水平向瘦馬型時，在縱骨（縱析）間加斜肋板；艙底板有瘦馬型時，在艙壁下墩等處加強。（3）發現裂縫要對癥下藥治本，治表（如改為大圓弧形時肘板，雞爪式肘板）只能掩蓋矛盾，對安全、延長船齡不利。加固槽形艙壁可增加船體的扭轉剛度，這是比較治本的辦法。（4）散貨船高邊柜內加斜桿。（5）提倡“貼條”式修補一條舊船，如一件舊衣服，補衣服要講究匹配，事實證明貼得好，工藝好，效果相當好。
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大會在CYBERNET公司MBD事業部總經理毛力奮先生的致辭下拉開序幕，CYBERNET MBD事業部銷售經理康友樹向大家介紹CYBERNET的CAE整體解決方案。來自比利時Noesis公司市場銷售總監Luc Meulewaeter先生就“仿真及設計優化的前景展望”為主題進行發言， 他指出“中國的制造業正在蓬勃發展，研發力量正在飛速提升，仿真已成為研發過程中必不可少的步驟，而OPTIMUS作為一款多學科集成優化軟件，能基于實驗數據和仿真流程實現多學科協同優化設計”。他強調中國未來5年在研發道路上面臨的機遇與挑戰將超過過去的半個世紀。
稍后，Noesis中國市場開發總監蔣技赟先生為大家展示在剛剛結束的OPTIMUS全球用戶會上的最新國際應用案例，涉及航空航天，汽車，醫療產品，電子等領域。
在中國，OPTIMUS優化技術也得到了廣泛應用。例如，在國內汽車行業里，優化技術在汽車性能開發過程中起著至關重要的作用，來自中國汽車研究中心的謝書港先生在大會上說，CAE優化技術在汽車性能開發中起著指導作用，不僅能建立設計目標，還能發現設計不足并進行優化及改進。
目前，汽車低油耗已成為消費者選購汽車的一個重要指標，因此如何降低油耗成為整車廠迫切需要考慮的問題。中國兩大著名的整車廠奇瑞汽車和吉利汽車分別就此問題發表了意見。來自吉利汽車研發中心的彭鴻先生以減輕車身質量為例，通過OPTIMUS軟件的優化設計實現車身減重3.14%，達到降低油耗的要求。而來自奇瑞汽車研發中心的瞿元先生則認為改善空氣動力性能是降低油耗最好的方法，利用OPTIMUS的優化算法能有效的縮短開發周期，提高改進的效率。
除了整車優化，OPTIMUS還能應用于汽車零部件的優化開發。中國一汽無錫油泵油嘴研究所的王勝利先生演示了OPTIMUS在解決高壓共軌燃油噴射系統中， 噴油器針閥動態響應的問題上，對提高響應速度的作用。上海交通大學密西根學院的李冕教授致力于研究發動機系統的優化設計，通過優化軸承性能實現發動機系統的改進。
關鍵詞：螺旋槳后移；航速；振動；噪音；
中圖分類號：U661.34 文獻標識碼：A
Analysis on the Influence of Propeller Back on Ship Performance
ZHENG Yan Ling
（Foshan Nanhai Zhufeng Shipbuilding Co.，Ltd. Foshan 528244）
Abstract： by testing result verification， this paper discusses the influence of propeller back on the ship speed， vibration and noise. Think to optimize the ship performance has a positive role.
Key words： propeller back； ship speed； vibration； noise；
1 引 言
螺旋槳在設計過程中，一般會充分考慮船型特點、主機功率等要素進行分析估算，而螺旋槳的位置則需考慮與船體尾部型線的配合，保持一定的間隙。在充分考慮各種設計要素的情況下，為保證足夠的間隙，螺旋槳的位置盡量往船后方向移會對船舶性能產生什么樣的影響呢？我們通過修理一艘裝載量150 t的沿海貨船來探討這個問題。
2 實船驗證
進廠修理的150 t沿海貨船為單機單槳，航速11 kn。該船因航行時打彎了尾軸而進廠更換尾軸，船東提出能否解決船體尾部的振動噪音問題。該船由于出廠時先天不足，航行時尾部振動明顯，噪音每隔一段時間會明顯增大。在此之前，同一批船的另一艘嘗試由原來的3葉槳更換為4葉槳，下水后通過航行試驗，振動明顯減小，但航速下降至9 kn。
在不更換螺旋槳的情況下，我們嘗試將螺旋槳往后移。經過方案論證，尾軸線夾角不變，尾軸加長100 mm，螺旋槳沿尾軸線往后移，與舵系保持適當距離，螺旋槳槳葉與船底板的距離增大。軸系改造完成后進行下水試驗，結果振動明顯減小，異常噪音消失，航速增加至12.5 kn。
隨后，我們將這種方法應用到此類型新造的船舶上，進一步論證螺旋槳后移對船舶性能的影響。
2012年建造的一艘100 t漁政船，總長33 m，單層連續甲板，主船體為鋼質焊接結構，上層建筑為鋁合金焊接結構，傾斜船尾、方尾、圓舭線型，采用雙主機、雙槳，近海航區，螺旋槳為日本 MAU型的4葉槳，試航航速是16.8 kn，船舶各項性能優越，無明顯振動，無異常噪音。2013年按照相同圖紙再建造一艘，我們對其進行優化設計，將螺旋槳后移170 mm，如圖1、圖2。
船舶建造完成下水試驗，與母型船各項性能對比見表1。
兩船在相同的水道進行航行試驗，試驗當天的天氣及海況相差不大，試驗結果表明，優化設計船航速稍有增加，螺旋槳對應的舵機艙噪聲有所減小。從以上的實船驗證結果來看，螺旋槳位置往船后方向移對船舶的航速、振動及噪音均有一定的改善。
3 理論分析
我們從理論上分析一下螺旋槳定位后移對船舶的影響。
3.1 有效推力增大
螺旋槳在船后工作時，由于它的抽吸作用，使槳盤前方的水流速度增大，根據伯努利定理，水流速度增大壓力必然下降，故在螺旋槳吸水作用處及整個區域內壓力都要降低，導致船體壓阻力增加，這個由螺旋槳在船后工作時所引起的船體附加阻力稱為阻力增額R。若螺旋槳發出的推力為T，則其中一部份用于克服船的阻力R（不帶螺旋槳的阻力），而另一部分則為克服阻力增額R，則有T=R+R，其中有效推力為（T-R）。螺旋槳槳葉與船體間的相對位置增大，增額阻力R減小，則螺旋槳有效推力（T-R）增加，有效推力增加則航速增大。
3.2 激振力減小
由于螺旋槳在不均勻的船尾伴流場中運轉，必將產生激振力，在螺旋槳振源中以螺旋槳誘導的脈動壓力，即表面力為最主要因素。螺旋槳的安裝，需考慮與船體尾部型線的配合，保持足夠的間隙，避免產生過大的激振力。通常情況下，槳葉和船體間隙不得小于船級社規范的要求。
按照挪威船級社對脈動壓力測量數據指出，與船體表面壓力緊密有關的因素有伴流場、葉梢至船體的間隙、螺旋槳設計狀況和尾吃水等。表面力與葉梢至船體的間隙成反比，葉梢至船體的間隙越大，表面力越小，產生的激振力越小。激振力的減小可減輕船舶振動，降低噪音。
4 應用
當然，螺旋槳后移是有一定局限性的。首先后移會加長尾軸的長度，對軸的強度有一定的影響，要滿足軸的強度要求，不能無限加長，只能作局部調整；其次，螺旋槳與舵系的距離既要保證舵機在艙內的運作，也要保證在維修時部件有足夠的距離拆卸。
5 結束語
本文通過實船驗證的方式探討了螺旋槳后移對船舶的影響。這種方式對船舶航速、振動及噪音有積極的影響，雖然使用上有一定的局限性，但可以作為一種優化設計應用在船舶的修理建造上。
參考文獻
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