本發(fā)明涉及組合船隊航行，具體涉及一種組合船隊智能航行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

背景技術：

1、目前，內河航運中，為了適應航運的需求，通常都采用組合船隊進行船運，在過閘時，多船組成船隊待通過船閘，進入狹窄閘室前，因船閘狹窄、水流復雜，各船依自身負載與阻力動態(tài)調整動力，以此來保證組合船隊順利通過閘口。

2、現(xiàn)有組合船隊過閘時，采用多目標粒子群算法進行動力分配，通過整合船舶負載、推進器效率、能耗等數(shù)據(jù)實現(xiàn)多推進器協(xié)同控制，但該算法依賴靜態(tài)環(huán)境，比如預設水流速度以及恒定的方向，而船閘啟閉過程中產生的突發(fā)紊流具有強非線性、非定常特性，導致會產生流速突變區(qū)，船隊往往在數(shù)據(jù)處理完畢后進行動力分配調整時會滯后于水流變化，最終可能會引發(fā)船隊航向偏移。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種組合船隊智能航行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，解決了上述問題。

2、本發(fā)明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現(xiàn)的：

3、一種組合船隊智能航行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包括：

4、數(shù)據(jù)采集單元，用于實時采集組合船隊各船舶的航行數(shù)據(jù)和船閘數(shù)據(jù)，將預處理的航行數(shù)據(jù)和船閘數(shù)據(jù)進行融合，得到綜合數(shù)據(jù)集；

5、定位單元，用于對綜合數(shù)據(jù)集進行特征提取和分析，定位船閘啟閉時的流速突變區(qū)的位置和范圍，并生成流場特征參數(shù)集；

6、分配單元，用于對流場特征參數(shù)集與航行數(shù)據(jù)進行分析，生成動力分配指令；

7、判定單元，用于對綜合數(shù)據(jù)集進行計算，得到動力與流場時間差，基于動力與流場時間差判定是否執(zhí)行動力分配指令。

8、進一步，將預處理的航行數(shù)據(jù)和船閘數(shù)據(jù)進行融合，得到綜合數(shù)據(jù)集，包括：

9、對預處理的航行數(shù)據(jù)和船閘數(shù)據(jù)進行分析，得到關聯(lián)度矩陣；

10、基于關聯(lián)度矩陣，對預處理的航行數(shù)據(jù)和船閘數(shù)據(jù)進行融合，得到融合后的數(shù)據(jù)集；

11、對融合后的數(shù)據(jù)集進行異常處理，得到綜合數(shù)據(jù)集。

12、進一步，對綜合數(shù)據(jù)集進行特征提取和分析，定位船閘啟閉時的流速突變區(qū)的位置和范圍，并生成流場特征參數(shù)集，包括：

13、從綜合數(shù)據(jù)集中分離出流場的時空波動模態(tài)，生成動態(tài)流場特征向量；

14、提取動態(tài)流場特征向量中各空間位置與時間點的流速信息，采用中心差分法，計算每個空間點在相鄰空間與時間步的流速梯度模值，設定高、中、低三個梯度閾值；

15、當流速梯度模值高梯度閾值，將流場空間劃分為高速變化區(qū)，對于高速變化區(qū)，網格間距減小至原間距的二分之一；

16、當?shù)吞荻乳撝盗魉偬荻饶Ｖ抵刑荻乳撝?，將流場空間劃分為中速變化區(qū)，網格間距調整為原間距的四分之三；

17、當流速梯度模值低梯度閾值，將流場空間劃分為低速變化區(qū)，網格間距增大至原間距的2倍進行稀疏處理；

18、通過delaunay三角剖分算法依據(jù)新的網格劃分重新生成網格節(jié)點，確定網格節(jié)點的三維空間坐標，通過分析節(jié)點間連接關系，構建網格關聯(lián)矩陣，記錄相鄰網格單元信息，最終得到動態(tài)網格拓撲結構；

19、將動態(tài)網格拓撲結構拆解為穩(wěn)態(tài)流速場與瞬態(tài)紊流場，分別生成穩(wěn)態(tài)流速分布矩陣和瞬態(tài)渦旋強度矩陣；

20、將瞬態(tài)渦旋強度矩陣的渦旋流速與穩(wěn)態(tài)流速分布矩陣的基準值對比，生成流速突變差值場，具體如下：對每個網格節(jié)點的渦旋流速和基準流進行歸一化，再求差的平方和，最后開根號，得到所有節(jié)點處歸一化后流速差的總體度量，將總體度量除以網格劃分數(shù)量，使得總體差異程度平均到每個網格，得到空間平均的流速差異參數(shù)；

21、將瞬態(tài)渦旋流速的時間變化率進行歸一化，得到當前流速變化率相對于最大變化率的比例，再將船舶長度和船閘有效長度分別進行歸一化后相除，得到船舶長度在船閘有效長度中所占的比例，將當前流速變化率相對于最大變化率的比例與船舶長度在船閘有效長度中所占的比例相乘并加1形成一個修正因子；

22、將空間平均的流速差異參數(shù)與修正因子相乘，得到流速突變差值場。

23、進一步，對綜合數(shù)據(jù)集進行特征提取和分析，定位船閘啟閉時的流速突變區(qū)的位置和范圍，并生成流場特征參數(shù)集，還包括：

24、對流速突變差值場的突變區(qū)邊界進行識別，得到流速突變邊界坐標集；

25、通過中心差分法計算穩(wěn)態(tài)流速分布矩陣中每個網格節(jié)點在橫向、縱向、垂向三個空間方向上的流速梯度分量，將這三個分量合成為空間梯度向量，并計算該向量的幅值，得到空間梯度幅值；

26、從動態(tài)網格拓撲結構中提取各節(jié)點在不同時刻的瞬態(tài)流速數(shù)據(jù)，基于瞬態(tài)流速數(shù)據(jù)計算出衰減速率和衰減倍數(shù)；

27、將空間梯度幅值、衰減速率和衰減倍數(shù)進行組合，生成紊流強度梯度參數(shù)集；

28、對流速突變邊界坐標集和紊流強度梯度參數(shù)集進行融合，生成流場特征參數(shù)集。

29、進一步，對流場特征參數(shù)集與航行數(shù)據(jù)進行分析，生成動力分配指令，包括：

30、對流場特征參數(shù)集進行解析，得出流速突變區(qū)的峰值流速差和紊流影響梯度，具體如下：在流場中，提取空間中三個方向流速梯度的最大值，再乘以船舶吃水深度，得到最大流速梯度與吃水深度的量并除以穩(wěn)態(tài)流速平均值，得到流速梯度-吃水相對參數(shù)；

31、將船舶吃水深度除以船閘有效水深得到水深比值，再將船閘啟閉時間除以船隊過閘處理時間，得到時間比值，將兩個比值相乘后加1，得到船閘-時間關聯(lián)修正系數(shù)；

32、將流速突變區(qū)峰值流速與船舶當前航速的差值除以穩(wěn)態(tài)流速最大值后加1，得到流速差-穩(wěn)態(tài)流速修正系數(shù)；

33、將流速梯度-吃水相對參數(shù)、船閘-時間關聯(lián)修正系數(shù)和流速差-穩(wěn)態(tài)流速修正系數(shù)進行相乘，得到紊流影響梯度；

34、將流速突變區(qū)的峰值流速減去船舶當前航速，得到峰值流速差；

35、對峰值流速差與船舶吃水數(shù)據(jù)進行計算，得到動力增量；

36、將紊流影響梯度與動力增量結合并進行修正，得到修正后的動力增量；

37、將主機當前輸出功率與修正后的動力增量進行計算，得到動力裕度系數(shù)，若動力裕度系數(shù)＜1，則觸發(fā)分級預警機制，具體如下：對船隊中每艘船舶的當前工況的基本動力需求進行修正，再求和得到船隊修正后的總動力需求，并用主機當前總輸出功率減去總動力需求，得到主機當前輸出功率與船隊修正后總動力需求的差值，然后將主機當前輸出功率與船隊修正后總動力需求的差值除以主機額定儲備功率，即可得到動力裕度系數(shù)。

38、進一步，對流場特征參數(shù)集與航行數(shù)據(jù)進行分析，生成動力分配指令，還包括：

39、對航行數(shù)據(jù)進行提取，生成動力分配可行性矩陣；

40、將動力分配可行性矩陣的推力效率系數(shù)和動力需求增量按權重融合，運用加權求和算法得出各推進器的綜合效率值，在復雜流場中，通過快速排序算法，按綜合效率值從高到低排列推進器，最終得到推進器效率優(yōu)先級；

41、對修正后的動力增量、動力裕度系數(shù)和動力分配可行性矩陣進行融合，生成包含各推進器綜合性能指標的動力分配決策參數(shù)集；

42、根據(jù)推進器效率優(yōu)先級和動力分配決策參數(shù)集，運用自適應權重算法動態(tài)分配各船舶的推進器功率調節(jié)量，其中初始權重按船舶推進器效率優(yōu)先級進行分配，然后對不同的船舶推進器基于流場類型和流速分級進行權重的定量調整，依據(jù)調整后的權重，按比例分配總功率調節(jié)量給各船舶的推進器，生成動力分配指令。

43、進一步，若動力裕度系數(shù)1，則觸發(fā)分級預警機制，包括：

44、當0.8動力裕度系數(shù)1時，判定組合船隊存在主機剩余功率臨界風險，觸發(fā)一級預警，組合船隊的黃色燈光閃爍；

45、當0.5動力裕度系數(shù)0.8時，判定組合船隊存在主機剩余功率短缺風險，觸發(fā)二級預警，組合船隊的橙色燈光閃爍；

46、當動力裕度系數(shù)0.5時，判定存在組合船隊存在主機剩余功率嚴重不足風險，觸發(fā)三級預警，組合船隊的紅色燈光閃爍。

47、進一步，對綜合數(shù)據(jù)集進行計算，得到動力與流場時間差，基于動力與流場時間差判定是否執(zhí)行動力分配指令，包括：

48、從綜合數(shù)據(jù)集中提取流場變化的流場時間參數(shù)與動力時間參數(shù)；

49、計算流場時間參數(shù)和動力時間參數(shù)的差值，得到動力與流場時間差；

50、如果動力與流場時間的差值≤0，說明動力調整的生效時間滯后于流場變化影響時間，判定不執(zhí)行動力分配指令，執(zhí)行強制觸發(fā)指令；

51、如果動力與流場時間差>0，說明動力調整能在流場突變影響船舶前完成生效，判定執(zhí)行動力分配指令。

52、進一步，分級預警機制，還包括：

53、一級預警時：基于當前流場類型，當前流場類型分為橫流逆流和順流，在原有權重調整規(guī)則基礎上，將優(yōu)先級前50%船舶的高效推進器的權重額外增加0.1，同時等幅減少優(yōu)先級后50%船舶的低效推進器的權重；

54、暫時降低目標航速5%~10%；

55、二級預警時：臨時提高推力效率系數(shù)權重至0.7，降低動力需求增量權重至0.3；

56、對處于背流側或輔助位置的船舶推進器，權重上限降至0.2，迎流側或領航船的推進器權重提升至0.7~0.8，具體如下：

57、逆流或橫流場景：將迎流側主推船的推進器權重按規(guī)則上限調整，背流側輔助船的推進器權重最低降至0.05；

58、順流場景：前排船的推進器權重降至0.3以下，兩側護航船的推進器權重提升至0.35，通過側推控制航向，減少主推功率消耗；

59、編隊轉為“單縱列”隊形，領航船航向微調5°~10°以避開強流方向，降低整體水流阻力；

60、允許航速暫時低于目標航速10%~20%，優(yōu)先保證動力系統(tǒng)不超載；

61、三級預警時：僅啟用效率優(yōu)先級最高的1臺船舶推進器，將其權重直接設為1，剩余推進器設為0，滿足權重守恒；

62、立即進行停船操作，關閉所有非必要負載，僅維持導航和通信設備運行；

63、向附近港口或海事部門發(fā)送求救信號；

64、其中，三級預警二級預警一級預警，高等級預警措施自動覆蓋低等級預警措施。

65、進一步，執(zhí)行強制觸發(fā)指令，包括：

66、發(fā)出警報提醒操作員，讓操作員手動強制提前觸發(fā)動力調整，強制執(zhí)行動力分配指令。

67、綜上所述，本發(fā)明主要具有以下有益效果：

68、通過動態(tài)數(shù)據(jù)融合與自適應網格劃分技術，構建了實時響應突發(fā)紊流的流場分析體系，首先通過關聯(lián)度矩陣實現(xiàn)航行數(shù)據(jù)與船閘數(shù)據(jù)的深度融合，剔除異常數(shù)據(jù)干擾后形成綜合數(shù)據(jù)集，確保輸入信息的完整性與可靠性，繼而采用中心差分法實時計算流速梯度，依據(jù)高、中、低閾值動態(tài)調整網格密度，在流速突變區(qū)將網格間距細化至原間距的二分之一，同步稀疏處理低速變化區(qū)，通過delaunay三角剖分構建動態(tài)網格拓撲結構，有效分離穩(wěn)態(tài)流速場與瞬態(tài)紊流場，生成包含突變邊界坐標與紊流衰減特性的流場特征參數(shù)集，精準定位船閘啟閉時流速突變的時空范圍，該機制突破了靜態(tài)環(huán)境假設，能夠實時捕捉流速梯度變化率較大的突發(fā)紊流，為動力分配提供高精度的流場動態(tài)參數(shù)，從根本上解決了傳統(tǒng)算法對非定常流場的適配滯后問題。

69、通過解析流速突變區(qū)的峰值流速差與紊流影響梯度，結合船舶吃水數(shù)據(jù)計算基礎動力增量，再通過紊流影響梯度進行權重修正，使動力調整量與流場擾動強度精準匹配，采用動力分配可行性矩陣，整合推進器效率系數(shù)、動力需求增量等關鍵參數(shù)，通過加權求和算法生成推進器效率優(yōu)先級，在逆流場景中可將提升主推船推進器的權重，同時抑制背流側輔助船低效推進器的功率消耗，基于自適應權重算法動態(tài)分配功率調節(jié)量，初始權重按效率優(yōu)先級設定，再根據(jù)流場類型（橫流、順流、逆流）進行二次調整，例如順流場景中前排船推進器權重降低，兩側護航船提高，實現(xiàn)推進功率的最優(yōu)配比，縮短了船隊整體的動力分配響應時間，并且提高了推進器的協(xié)同效率，有效避免了因動力分配滯后導致的船隊航向偏移風險。

70、通過動力與流場時間差的精準計算及分級預警策略，建立了覆蓋風險預警、動態(tài)調整、應急處置的全流程保障體系，通過實時提取流場變化的時間參數(shù)與動力響應時間參數(shù)，當時間差≤0時判定動力調整滯后，立即觸發(fā)強制手動干預機制，通過聲光警報提示操作員提前介入，確保在流場突變影響船舶前完成動力配置，針對動力裕度不足問題，設計三級梯度預警機制：一級預警時動態(tài)調整推進器權重并適度降低目標航速，預留一部分的功率裕度，二級預警時重新進行權重分配，同時將船隊隊形轉為抗流性能更佳的"單縱列"，調整航向以減少水流阻力，三級預警時啟用最高效率推進器單點控制，同步關閉非必要負載并發(fā)送求救信號，形成從風險預警到應急處置的閉環(huán)控制，整體降低了動力系統(tǒng)的過載風險，在突發(fā)強紊流工況下可控制船隊航向的偏差，顯著提升了組合船隊過閘過程的安全性與可靠性。