基于静止船舶运动测量值的方向波频谱估计外文翻译资料

 2022-09-24 11:14:15

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基于静止船舶运动测量值的方向波频谱估计

摘要：有用的信息可以来自于船上对海上的方向性波频谱的估计，特别是有关动态定位系统的前馈控制。本文讨论了使用静止船舶运动测量值对现场定向波谱估计的可行性，重点研究了应用中对这类系统适用这种估计方法可能出现的特殊问题。负载变化，操纵平衡和其他干扰经常发生，改变了船舶对入射波的响应。由于该方法依赖于以前关于振幅响应装置的知识，这些错误可能会导致估计频谱的一些退化。此外，由于船舶较大的惯性，高频波分量被过滤了，减少可以估计频谱的频率范围。本文对这些缺点进行了分析，并对它们的影响在最终估计中进行量化。船舶横摇运动呈现非线性与共振的特性，并对负载变化极为敏感。为此，横荡运动代替单一的横摇运动，从而不同于通常的、考虑到在垂直平面上的三种运动（升沉，横摇，纵摇）定向浮标算法。一种通常用于定向浮标测量的参数估计的方法适用于该案例并进行测试。详尽的数值试验以两种装载条件下的（满载和压载）油轮和铺管船，在巴西坎普斯盆地典型的波谱下（单峰或双峰）进行。小型牵引槽试验的结果也被用作关于单峰单向海况的第一个的实验验证。基于实验结果的波谱估计与文献中一个通过贝叶斯估计的方法进行比较。参数化方法在所有测试中呈现出最佳的精度。

1. 引言

随着海上石油生产进行到更深的水域，动态定位（DP）系统作为一种经济的方法对于固定浮式生产平台变得越来越重要。对于在极端情况下的DP操作，前馈控制可能代表了包括平台固定与石油生产系统的效率的极大提高。前馈控制包括了提供给系统对环境激励的信息（浪，流和风）以预测DP对抵消估计环境力量的响应。

风前馈自第一个DP系统开始使用，因为风速和风向可以通过风速计以可接受的精度进行测量。波浪力前馈控制首先是由Pinkster提出，他表明它可能导致显着的DP性能的改进。但是，它需要作用于生产装置在海面上的定向波谱（DWS）的估计，而这是目前工作的主要题目。

通过船体已知的漂移系数，定向波谱用来估计作用于船舶的平均漂移力。这样的估计直接加入到推进器控制的力（前馈回路）。当然，这样的估计包含错误，也忽略该缓慢漂移力（零均值的低频波力），这被传统的控制反馈环路抵消了。因此，一大部分的波平均力被前馈环路抵消，而较小的部分（它来自估计误差）则被反馈回路抵消。因为系统动力学对于不同的环境条件的强烈变化，一个常规的单反馈控制器的在一个不同于它被用来调整所有控制器参数的环境条件下呈现出性能下降，其中包括在商业DPS的一个严重的操作问题。反馈和前馈回路的关联消除了这种问题，因为前馈回路抵消的动态变化的主要部分。

本文讨论了使用船载的一阶运动的监控装置，具体说，一个在停泊中的超大型油轮（VLCC）的FPSO（浮式生产，储存和卸载）系统中估计定向波谱的可行性。

在过去的30年中，海况测量主要使用定向停泊浮标。这样的设备提供波频谱的良好的估计，因为它们具有为人熟知的动力学信息以及它们的运动可以通过加速计和倾斜传感器来准确地测量。在某些情况下，考虑到测量到的升沉，纵摇和横摇等同于波浪的高度和斜率，浮标动力学甚至忽略了其数据的数值处理。然而，浮标容易遭受破坏和损失，而且对比深水的系泊系统装置有着实用上和经济上的缺点。

最近，波浪监视雷达系统已基于雷达的后向散射信息的时间和空间变化的分析被开发出来。这些系统可以在船上安装，消除了有关锚系浮标的问题。然而，它们要求复杂的计算硬件，并具有高的初始成本。

基于船舶运动的测量的频谱估计可以克服这些问题，因为它仅需要简单的仪器和计算硬件，并且可以在船上安装。一些应用到运行船舶的例子已经在文献中描述。

本文针对应用在固定的离岸系统的波浪监测系统方法的可行性，如转换成FPSO系统的停泊大型油轮或铺管驳船。当然，在这种特殊情况下出现了一些问题。

关于通过前馈控制的DP改进，基于油轮的FPSO系统表现出一种这里提出的方法中最不利的应用。鉴于船舶较大的惯性，它不会对小波浪有反应。因此，DWS低峰期间不能被精确地估计。然而，尽管高频波分量不显著激发该船舶的一阶运动，由于船体的反射，它们可以显著地影响漂移力。

另外，这种由线性响应幅值算子(RAO)建模的方法的应用取决于以前关于船舶如何响应波浪的影响的知识。然而，在FPSO的几个因素下，如负载的变化，操纵平衡和其它干扰使RAO的正确估计是一个困难的任务。在这些方面，大型油轮要求对建议方法进行一个苛刻的测试。对于较小的离岸系统，例如钻探船和驳船，上述缺陷会显著降低。

当振荡振幅增加时，待分析的另一相关方面涉及非线性动态效果，也起到了重要的作用。一艘船舶的RAO分析表明，使用横荡运动比横摇运动更合适，因为前者不会在典型波的频率范围内呈现谐振行为且相对来说对装载的变化较不敏感。

一个参数估计方法应用于受到坎普斯盆地的典型波浪影响下的大型油轮，以测试估计原则。

考虑到FPSO的满载和压载情况，在RAO的估计中的数值试验模拟出实际问题。单峰和双峰海况在数值分析中都被考虑到。错误在DWS和在波漂移力的估计进行了量化。

第一次实验验证得到是在IPT牵引试验池使用一个小规模超级油轮上的运动测量模型生成的估计波谱。由于油轮的限制，因而只有单峰单向海域可以进行测试。

基于实验测得运动的波谱估计与在文献中的一种非参数方法——贝叶斯方法进行了比较。之所以选择这个方法，因为它是应用到定向浮标数据处理的参考方法之一，并已成功应用于在RAO没有不确定性的运行船只。此外，它是一种非参数方法，原则上，能够估计频谱的任何形状，甚至双峰例与随机本地海相关联的涨潮海域。所使用的参数化方法考虑为在参考文献提出的，并且还能够以近似双峰光谱的频谱8-参数模型。

我们对方法的潜力进行了讨论和所遇到的问题作出报告。

2. 参数估计方法

假设波和船舶响应之间的线性度，船舶运动时间序列和DWS的交叉谱与RAO通过下面的积分相关的：

其中，表示运动在操作频率和入射方向的反应幅度，表示DWS。

功率频谱，广泛用于描述波能量频率分布，可以由方向谱所获得：

在这一点上值得注意的是三个船舶运动将在下文中，即可以考虑，为横荡，为升降，为纵摇。因为是真实的，当和派除其他复杂情况，否则，方程（1）将产生9个等式。

通过划分在点的频率取值范围，即，（1）式的具体表达被推导假设为在每个区间内积离散为常数：

参数化方法在概念上是简单的，并且基于该双峰频谱的接下来的10-参数表示：

其中，

是在一个曲线下的归一化因子的区域，是伽马函数，代表了成分的扩散，是显著波浪的高度，是形状参数，是平均方向，是波型频率。文献[9]提出的这个式子,结合在文献[10]出现的6-参数模型的功率谱(即类似于著名的JONSWAP公式)与在文献[11]中的模型。因为它考虑了两个分离的波组成部分（），它是能够代表各种光谱形状，包括双峰光谱。

由于对波浪载荷和船体运动影响较弱，其价值已被固定为。参数的数量估计也有减少。在这种情况下，涉及到（3）式的功率谱减少到一个皮尔逊-莫斯科维茨光谱。如在这一工作将被显示，即使是在波型的存在，其中，所述相关参数是通过这种简化很好地得到估计。因此，在该方法中使用的最终的光谱参数由下式给出：

参数化的方法是通过估计频谱与实测预测的基于二次误差最小化的运动。如已经说明的那样，完成的计算假设波浪与船舶响应之间的线性度和使用船舶RAO。

通过式（2），对于给定的波谱，能够被计算。由中，船舶运动光谱的测量值表示，并考虑由式（4）的八个参数所表示的波光谱，即：

二次误差可以被写为

因此，谱估计问题归结为寻找函数的最低点。的形式为收敛，并对该算法的结果是至关重要的。由于没有关于入射波频率范围的已知知识，统一的权重在整个值域中被使用。

参数方法能够估计单峰或双峰的波谱。在这两种情况下，这种方法找到估计参数的8-分量矢量x。。对于单峰海域，估计显著高度之一，预计可忽略不计。

参数法的一个问题是它会导致非线性规划问题，其数值解需要高的计算工作量。

3. 敏感性分析

这种估计方法强烈依赖于RAO的使用，因为它们含有关于船响应入射波的信息。

无论是在原型规模或模型规模的试验，RAO都可以通过实验获得，但它是通常应用一个波体相互作用软件来执行它们的评估。这样的评估可以呈现某些不准确性是由于以下因素：

·非线性——RAO的定义是基于这一假设即波的激发和船舶响应之间的关系是线性的。当然，对于围绕平衡位置小的振荡，这种简化是有效的;然而，在紧急情况下，船响应振幅可能达到高的值，和非线性效应变得相关。这个问题对于横摇运动更关键，因为它强烈地依赖于粘性力，而这在本质上是非线性的。此外，大量的立管和系泊线的增加了系统的非线性粘性阻尼。

·负载情况——船的响应取决于它的负载分配。对于在目前的工作进行分析的情况下，这问题是至关重要的，因为存储在油轮中的FPSO油可以代表系统的总重量的60％。此外，无油表面效应可能影响船舶的响应，尽管这通常不能在RAO的计算过程中加以考虑。

在目前的工作中，RAO的不准确性通过在选取价值的不确定性进行模拟,与上面的第二个因素解释相关。该方法应用到油轮Vidal de Negreiros，其参数列于表一。

对表1中呈现的5加载条件下，使用一个波体交互软件（WAMIT）对RAO进行了评估。例如，图1-4显示RAO的方向波振幅的出现率。

当波谱估计方法应用到定向浮标，它们通常使用升沉，纵摇和横摇运动，由加速计和倾斜计进行测量。

显然，浮标的波响应受约束于数值模拟或实验获得的波浪，因为它是一个带有已知的参数和动态的小物体。因此，可以说，它的RAO的高精度水平是熟知的。

另一方面,大物体的动态行为，比如大型油轮可能很难预测，正如前面所揭示出来的，它可能对于non-modeled效应存在高灵敏度。

的确，对于正在考虑的大型油轮，图4（a）证实横摇响应强烈依赖于负载条件，主要是由于它的共振行为。在这种情况下，横摇运动的使用在估计方法中将会导致非鲁棒性的结果。此外，非线性效应具有对于横摇比对于任何其他的一阶船舶运动的影响更大。另一方面，横荡运动显示对于负载情况具有低的灵敏度，如图1和5所示。

横摇RAO是一个入射角的奇函数，它考虑到来自左舷或右舷的波浪。此信息不包含在纵摇和升沉运动中，这是因为响应的RAO是入射角的偶函数。因为横荡RAO也是奇函数，并考虑到上面的因素，它可有利地代替估计过程中的横摇。

然后估计方法应用于横荡，升沉和纵摇运动。然而，即使在这种情况下，某些灵敏度对于负载情况是符合预期的，因为RAO相位图呈现显著变化专门为升沉和纵摇运动，如图6和7所示。这样的变化在最终的估计频谱的影响将在下一节进行了分析。

4. 数值试验

作为方法论，精度和鲁棒性的第一次测试，一系列的数值模拟在各种环境条件下，使用如例所述的大型油轮Vidal de Negreiros进行了试验。

第一组试验假定RAO完全已知，在虚拟环境中进行。这是为了评估数值性能和这种方法的数学行为进行试验。这艘船是满载的；（通过式（1）），因此，100％的RAO既用于生成船舶运动（“真实”模型），并用于这种算法（“理想”模型）。

因为它应该是预期的，参数法产生良好的估计和融合具有良好的精度的真实频谱。

为了评价对于RAO一定程度的不确定性的方法的灵敏度，所述第二组试验中使用了不同的负载条件下船舶运动的产生（“真实”模型），并在所述估计算法（“理想”模型），模拟RAO的不确定性。

两个负载情况在这些分析中被认为是：

·满载情况：90％装载的船RAO被用作运动的生成（“真实”模型）和100％装载的船RAO被应用于估计方法（“理想”模型）中使用。

·压载情况：30％装载的船RAO被用作运动的生成（“真实”模型）和40％装载的船RAO被用于估算方法（“理想”的模型）。

三种类型的数值试验被执行。在A部分中，7和20秒之间的高峰期单峰海况进行了考察。该分析被用来估计这种方法的截止频率为满载和压载情况下的大型油轮。B部分和C部分表现了真实坎普斯盆地DWS的应用，考虑到1年期和100年期的在B部分的单峰和在C部分的双峰案例。

4.1.具有7至20秒之间高峰期的单峰谱分析

最初，单峰海况有显著波高m且考察了7至20秒之间的高峰周期。三种可能的波浪——船舶方向假定为运动的产生，即90°，135°和180°，如图8所示。对于扩频系数的大部分取值被使用以模拟一个单向的波浪纹。入射波频谱具有。

图9显示参数法用于满载状态的结果。三个指向角度获得最大的估计错误被显示为高峰期的函数。由此可以看出，对于多于11 s时，高度，周期和方向上的最大误差分别小7.5％，2.5％和1.5°。

较小波期间的精度损失可以通过以下事实进行说明，即如已经所述的，船舶没有对这种波响应。事实上，考虑到例如横浪产生的2米高的波，表2显示出船舶运动对于s 且大于s的最大幅值。由此可以看出，对于低于6 S的波浪周期，船舶运动极度减少。

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