本書以限制水域與智能助航的相關基礎力學問題為背景，主要討論了面對三峽升船機船舶進出船廂限制水域的船舶水動力特性和智能助航技術，涵蓋船舶極限岸壁效應、淺水效應、船間效應、牽引方案、智能決策以及智能感知等方面，旨在創建理論與技術框架，提升船舶進出船廂的效率和安全性，為船舶通航提供新的理論、方法與技術手段。
"國家內河高等級航道通航運行系統關鍵技術及應用 "獲2016年國家科學技術進步獎 二等獎
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 船舶進出船廂限制水域背景 2
1.3 船舶水動力學現狀 3
1.4 船舶牽引技術現狀 3
1.5 船舶智能助航技術現狀 4
1.6 典型限制水域 5
1.6.1 三峽升船機主要技術參數 5
1.6.2 三峽升船機船舶通航情況 6
1.6.3 三峽升船機過廂典型船型選擇 7
參考文獻 9
第2章 船舶進出升船機船廂限制水域水動力特征 10
2.1 引言 10
2.2 船舶進出船廂限制水域水動力典型物理現象 10
2.2.1 淺水效應 10
2.2.2 岸壁效應 11
2.2.3 高跌差水位波動效應 13
2.2.4 盲腸航道效應 14
2.2.5 船間效應 15
2.3 船舶進出船廂限制水域典型非線性運動 16
2.3.1 引航道船舶進廂 18
2.3.2 船廂內船舶傍靠 19
2.3.3 盲腸航道船舶系泊 19
2.3.4 引航道限制水域雙船組合船舶機械牽引/電動助推 21
2.4 小結 22
參考文獻 22
第3章 船舶進出船廂限制水域的水動力數學模型與數值方法 24
3.1 引言 24
3.2 船舶進出船廂限制水域數學建模 25
3.2.1 直接數值模擬流體控制方程 26
3.2.2 大渦模擬流體控制方程 26
3.2.3 雷諾平均Navier-Stokes流體控制方程 26
3.2.4 壁面函數模型 29
3.2.5 六自由度運動的重疊網格技術 30
3.2.6 分區分域RANS-DNS/LES-RANS切換雙數學模型 32
3.3 基于分區徑向基函數的多重網格迭代加速技術 33
3.3.1 分區徑向基函數 34
3.3.2 應用算例驗證 36
3.3.3 多重網格迭代加速技術 40
3.3.4 收斂重構判定準則 41
3.3.5 特征識別監測判定準則 42
3.4 數值模擬與標模試驗比較 43
3.4.1 船舶靜水中摩擦阻力預報 43
3.4.2 船舶波浪中運動響應預報 45
3.4.3 船舶靜水中自由橫搖衰減運動預報 46
3.4.4 船舶淺水阻力預報 47
3.4.5 岸壁阻塞效應對船舶運動響應的影響 48
3.5 牽引條件下船舶受力建模 52
3.5.1 高跌差水位波動下船舶受力模型 52
3.5.2 船舶系纜張力模型 54
3.6 小結 59
參考文獻 60
第4章 高跌差物模試驗與數值模擬 61
4.1 引言 61
4.2 小水池高跌差水位波動試驗模型與數值模擬 61
4.2.1 引航道高跌差等效物理模型和數學模型 61
4.2.2 標模高跌差試驗模型與數值模擬 62
4.3 高跌差試驗模型 64
4.3.1 小水池高跌差試驗裝置設計 65
4.3.2 小水池高跌差下方柱系泊試驗與數值模擬 66
4.3.3 大水池高跌差試驗方案設計 68
4.4 小結 71
參考文獻 71
第5章 復雜水動力環境下長航槽雙船組合水動力及智能助推系統 73
5.1 引言 73
5.2 長航槽雙船組合研究背景及意義 74
5.3 復雜水動力環境下長航槽雙船組合水動力特征 75
5.4 長航槽雙船組合船舶水動力物理模型與數學模型 76
5.5 應用場景：長航槽雙船組合電動助推示范模型試驗設計 78
5.6 小結 79
參考文獻 82
第6章 基于聚合模型的船舶進出船廂響應快速預報 83
6.1 引言 83
6.2 基于遺傳優化算法的近似聚合模型 85
6.2.1 單一機器學習模型 85
6.2.2 模型評估準則與指標 87
6.2.3 交叉驗證 88
6.2.4 遺傳優化算法 88
6.3 聚合模型應用與驗證 90
6.3.1 正交試驗設計 90
6.3.2 波浪中船舶橫搖運動響應快速預報 92
6.3.3 高跌差水位波動快速預報 94
6.4 小結 96
參考文獻 96
第7章 船舶進出船廂牽引技術 97
7.1 引言 97
7.2 船舶進出船廂受力分析 97
7.2.1 升船機航道船舶阻力計算 98
7.2.2 船模橫向力分析 100
7.2.3 實船受力換算 101
7.3 兩船相對運動受力分析 105
7.3.1 計算工況及船型參數 105
7.3.2 計算結果及分析 106
7.4 升船機牽引系統方案設計 109
7.4.1 軌道小車牽引方案設計 110
7.4.2 電動推輪牽引方案設計 115
7.4.3 牽引系統效能分析 119
7.5 小結 120
參考文獻 121
第8章 船舶進出船廂航行決策技術 122
8.1 引言 122
8.2 船舶進出船廂自主航行循跡方法與操縱流程 122
8.2.1 船舶自主進出船廂運動特征分析 122
8.2.2 進出船廂自主航行循跡與糾偏方法 125
8.2.3 進出船廂安全操縱流程 131
8.3 典型船舶進出船廂運動模型建立與分析 133
8.3.1 船型變航速建模仿真 133
8.3.2 計算結果與分析 137
8.3.3 進出船廂航行數據分析系統的構建 139
8.4 進出船廂安全航行智能決策思路與實現 140
8.4.1 進出船廂智能決策的基本思路 140
8.4.2 智能決策算法與實現 141
8.4.3 船舶進出船廂效率優化方法 145
8.5 小結 146
參考文獻 146
第9章 船舶進出船廂運動狀態感知技術 148
9.1 引言 148
9.2 船舶運動狀態監測技術 149
9.2.1 基于海事雷達與毫米波雷達的船舶運動狀態監測 149
9.2.2 基于船舶自動識別系統的船舶運動狀態監測 151
9.2.3 基于激光雷達的船舶運動狀態監測 153
9.2.4 基于視覺的船舶運動狀態監測 165
9.3 船舶進出船廂多源感知數據融合技術 171
9.3.1 升船機水域多源感知數據融合 172
9.3.2 遠距離水域外多源感知數據融合 175
9.4 小結 179
參考文獻 179
第10章 船舶進出船廂智能助航關鍵技術 180
10.1 引言 180
10.2 船舶進出船廂風險模型 180
10.2.1 船舶超速風險模型 180
10.2.2 船舶偏航風險模型 181
10.2.3 船舶越界風險模型 182
10.2.4 船舶碰撞風險模型 183
10.3 船舶進出船廂智能助航服務系統 187
10.3.1 系統功能分析 187
10.3.2 系統頂層設計 188
10.3.3 系統組成 189
10.4 小結 194
參考文獻 194
第11章 總結與展望 195
新書資訊