艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)及警報方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)及警報方法，該系統(tǒng)包括壓強測量模塊、流場特征參數(shù)計算模塊以及流程特征圖像顯示模塊，壓強測量模塊包含若干壓強傳感器，各壓強傳感器分布在艦船關(guān)鍵流場位置，用于采集艦船表面關(guān)鍵流場位置的壓強數(shù)據(jù)；壓強測量模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至流場特征參數(shù)計算模塊，通過數(shù)學(xué)代理模型建立表面壓強與流場特征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，形成危險氣流場的位置和大小，并以圖形的形式顯示在流程特征圖像顯示模塊上。艦載機飛行員可以實時的發(fā)現(xiàn)艦船表面的危險區(qū)域，從而可以對這些區(qū)域進行規(guī)避，或者在接近這些區(qū)域時，預(yù)先做好準(zhǔn)備，這樣再結(jié)合風(fēng)限圖可以大大的提高艦載機飛行員起降的安全性。
【專利說明】
艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)及警報方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種安全可靠性技術(shù)涉及艦船有關(guān)的設(shè)備和艦(船)載直升機起降，具 體為艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)及警報方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 艦船在航行中，艦船上層建筑會在其后部以及部分甲板上產(chǎn)生湍流尾跡。通常情 況下在湍流尾跡區(qū)，存在強烈的垂向流動。其中下洗流動的存在會造成旋翼受到不均衡力， 造成直升機的突然前傾，與上層建筑相撞;而強烈的上洗運動又會使直升機進入渦環(huán)狀態(tài)， 造成升力不足，嚴(yán)重時直接導(dǎo)致直升機墜毀。通常艦(船)載直升機起降往往靠近這些區(qū)域， 而氣流的運動無法被視線感知，所以在實際的起降過程中駕駛員很難在復(fù)雜的流場中做出 準(zhǔn)確的判斷。在一些較惡劣的海況下，常常會因為對艦面氣流場認(rèn)識不足，造成艦(船)載直 升機起降的惡劣事故。目前針對這一問題還沒有很好的解決辦法。艦載機飛行員起降通常 根據(jù)當(dāng)前測量到的艦船表面風(fēng)速和風(fēng)向?qū)φ疹A(yù)先繪制的風(fēng)限圖，來判斷是否適合降落，在 整個起降過程中風(fēng)限圖并不能提供其他有助于起降的信息。由于復(fù)雜的海況，實際海上起 降過程中，一方面艦船表面風(fēng)速和風(fēng)向受到突發(fā)影響隨時可能發(fā)生變化，另一方面即便在 風(fēng)限圖認(rèn)為可以安全作業(yè)的風(fēng)速和風(fēng)向角下，艦船表面仍然存在較小的危險流場區(qū)域，需 要飛行員在接近這些區(qū)域時進行相關(guān)合理的操作以保證順利的起降。而風(fēng)限圖無法實時的 提供艦船表面及附近惡劣氣流場區(qū)域，因此并不能夠保證飛行員起降作業(yè)的安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有起降風(fēng)限圖僅根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向判斷是否能夠保證艦載飛行器安全 起降，而無法直觀的給飛行員提供可視的危險氣流場位置的不足，本發(fā)明利用流場特征與 艦船表面壓強間的數(shù)學(xué)與物理聯(lián)系，設(shè)計了一種艦船表面流場關(guān)鍵特征實時顯示系統(tǒng)，該 系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前安裝在艦船表面的測壓傳感器測量到的壓力值實時的計算識別出危險的 下洗流場，并通過無線信號傳輸給艦載機，最終在艦載機上的圖像系統(tǒng)中顯示出來。
[0004] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：
[0005] 艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)，包括壓強測量模塊、流場特征參數(shù)計算模塊 以及流程特征圖像顯示模塊，所述壓強測量模塊包含若干壓強傳感器，各壓強傳感器分布 在艦船關(guān)鍵流場位置，用于采集艦船表面關(guān)鍵流場位置的壓強數(shù)據(jù);所述壓強測量模塊將 數(shù)據(jù)發(fā)送至流場特征參數(shù)計算模塊，流場特征參數(shù)計算模塊通過數(shù)學(xué)代理模型建立表面壓 強與流場特征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從壓強值計算獲得流場特征，形成危險氣流場的位置和 大小，并將所述危險氣流場以圖形的形式顯示在流程特征圖像顯示模塊上。
[0006] 所述艦船關(guān)鍵流場位置具體為艦首以及上層建筑周圍。
[0007] 艦船表面危險氣流場實時警報方法包括：
[0008] 步驟一，分析艦船表面關(guān)鍵流場位置并在關(guān)鍵流場位置設(shè)置壓強傳感器，采集各 位置處的壓強數(shù)據(jù)，并采集不同風(fēng)向角下渦核位置與渦核半徑；
[0009]步驟二，根據(jù)所述各位置的壓強數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)代理模型建立表面壓強與流場特 征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從壓強值計算獲得流場特征；
[0010]步驟三，將所述流場特征參數(shù)還原關(guān)鍵流場特征和危險流動區(qū)域并顯示在顯示模 塊上。
[0011] 所述步驟二具體為：
[0012] 步驟2.1，分析還原關(guān)鍵流場特征所涉及的特征參數(shù)；
[0013] 步驟2.2,采用kriging算法建立表面壓強與流場特征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從壓強 值計算獲得流場特征。
[0014] 所述步驟二具體為：
[0015] 步驟2.1，分析還原關(guān)鍵流場特征所涉及的特征參數(shù)；
[0016] 步驟2.2,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算模型建立表面壓強與流場特征參數(shù)間的數(shù) 學(xué)關(guān)系，從壓強值計算獲得流場特征。
[0017] 所述kriging算法具體為：其中，D(p)是下洗流 場區(qū)域的特征參數(shù)，包括關(guān)鍵流場特祉中心坐標(biāo)X，y，
z和橢圓枉三個兒何特征cb，d2，d 3其中 P為各測壓點獲得的壓強構(gòu)成的矢量，即是建立模型的樣本參數(shù) 的最小二乘估計，ψ+λΙ是協(xié)方差矩陣，1是兀素為1的η X 1矢量，Φ是的η X 1協(xié)方差矢量。
[0018] 所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算模型具體為：
[0019] 單層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型，公式如下：
[0020] D(p) =f2(fl(pWl-0l)w2-02)
[0021] 其中D(p)是下洗流場區(qū)域的特征參數(shù)，p為各測壓點獲得的壓強構(gòu)成的矢量，SP
[0022] P=[P1，P2，P3，P4，P5，P6] ;fl，f2是激活函數(shù)，Wl和W2是權(quán)值矩陣，θ?和θ2是偏置矢量。
[0023] 所述還原關(guān)鍵流場特征包括危險下洗流區(qū)域和渦核位置與渦核半徑，所述下洗流 區(qū)域采用完全包含危險下洗流動區(qū)域的橢圓柱表示，每個下洗流區(qū)的幾何參數(shù)包括其幾何 中心的坐標(biāo)(x，y，z)，以及其橢圓長短直徑長度(d2，d3)和柱體高度dl;其中橢圓柱的軸dl 與相對應(yīng)的渦核軌跡相平行。
[0024] 另外渦核半徑和渦核位置，在艦船表面風(fēng)速變化范圍內(nèi)（0-30m/s)幾乎不受風(fēng)速 變化影響，故可針對不同風(fēng)向角預(yù)先存取，調(diào)用時根據(jù)風(fēng)向角采用線性插值直接獲得。
[0025] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0026] 1.可以實時的發(fā)現(xiàn)艦載直升機在艦船表面起降過程中可能遇到的危險氣流場，并 及時的把該危險區(qū)域的位置和大小，以圖形的形式顯示在圖像系統(tǒng)中，從而可以提示飛行 員規(guī)避相關(guān)的危險區(qū)域，或者在進入這些區(qū)域前提前做好相關(guān)的準(zhǔn)備，以避免突然遭受強 垂向氣流后直升機失控墜毀等惡劣事故。
[0027] 2.本發(fā)明方法中所采用的數(shù)學(xué)代理模型為kriging算法或者人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型， 分別針對不同計算模塊的配置情況，精確度可根據(jù)計算模塊情況決定，且計算過程簡單。
[0028] 3.可以把流場中的渦核位置以及渦核半徑顯示給飛行員，以利于飛行員規(guī)避上層 建筑引起的尾渦結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0029] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：
[0030] 圖1是本發(fā)明艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明中下洗流區(qū)域示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明中下洗流區(qū)域示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明提供艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)及警報方法，為使本發(fā)明的目的， 技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理 解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034] 本發(fā)明專利解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：通過采用在艦船關(guān)鍵流場位置 (艦首，及上層建筑前后左右)布置6-12個測壓點，獲得表面壓強，以這些壓強值作為輸入代 入事先建立好的流場特征數(shù)學(xué)代理模型，從而實時的計算獲得表面流場的關(guān)鍵構(gòu)型參數(shù)， 并以這些參數(shù)重構(gòu)艦船表面流場并在圖形界面系統(tǒng)中實時的顯示出來。
[0035] 如圖1所示，本發(fā)明艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)由以下部分組成：
[0036] 即壓強測量模塊，流場特征參數(shù)計算模塊，流場特征圖像顯示模塊，如圖1所示。通 過在艦船表面布置壓強傳感器獲得壓強數(shù)據(jù)后，傳遞給艦船上的計算機系統(tǒng)，計算機通過 調(diào)用數(shù)學(xué)代理模型計算獲得流場特征參數(shù)，然后把這些參數(shù)通過無線信號發(fā)送給艦載機， 最后根據(jù)這些參數(shù)在艦載機屏幕上還原出關(guān)鍵流場特征和危險流動區(qū)域。
[0037] 基于上述系統(tǒng)，本發(fā)明提供的艦船表面危險氣流場實時警報方法具體流程為：
[0038] 步驟一，分析艦船表面關(guān)鍵流場位置并在關(guān)鍵流場位置設(shè)置壓強傳感器，采集各 位置處的壓強數(shù)據(jù)；
[0039] 步驟二，根據(jù)所述各位置的壓強數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)代理模型建立表面壓強與流場特 征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從壓強值計算獲得流場特征；
[0040] 步驟2.1，分析還原關(guān)鍵流場特征所涉及的特征參數(shù)；
[0041 ]步驟2.2，在計算條件較好的情況下可以采用kr i g i ng算法建立表面壓強與流場特 征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從壓強值計算獲得流場特征;或者，在計算條件有限的情況下，可以 采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算模型建立表面壓強與流場特征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從壓強值計 算獲得流場特征。
[0042] kriging算法具體為：
[0043]
[0044] 其中D(p)是下洗流場區(qū)域的特征參數(shù)，包括關(guān)鍵流場特征中心坐標(biāo)X，y，z和橢圓 柱三個幾何特征dl，d2，d3其中p為各測壓點獲得的壓強構(gòu)成的矢量，即P=[P1，P2，P3，P4，P5， P6]，；蘇是建立模型的樣本參數(shù)的最小二乘估計，Ψ+λΙ是協(xié)方差矩陣（需通過各測壓點壓 強計算獲得），1是元素為1的nxi矢量，Φ是的nXl協(xié)方差矢量(也需通過各測壓點壓強計算 獲得)。
[0045] 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算模型具體為：
[0046] 單層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型，公式如下：
[0047] D(p) =f2(fi(pwi-0i)w2-02)
[0048] 其中D(p)是下洗流場區(qū)域的特征參數(shù)，p為各測壓點獲得的壓強構(gòu)成的矢量，SPp = [P1，P2，P3，P4，P5，P6] ;fl，f2是激活函數(shù)，Wl和W2是權(quán)值矩陣，9I和θ2是偏置矢量。
[0049] 步驟三，將所述流場特征參數(shù)還原關(guān)鍵流場特征和危險流動區(qū)域并顯示在顯示模 塊上。
[0050] 所述還原關(guān)鍵流場特征包括危險下洗流區(qū)域和渦核位置與渦核半徑，所述下洗流 區(qū)域采用完全包含危險下洗流動區(qū)域的橢圓柱表示，每個下洗流區(qū)的幾何參數(shù)包括其幾何 中心的坐標(biāo)(X，y，z)外，還包括其橢圓長短直徑長度(d2，d3)和柱體高度dl;其中橢圓柱的 軸dl與相對應(yīng)的渦核軌跡相平行。另外渦核半徑和渦核位置，在艦船表面風(fēng)速變化范圍內(nèi) (0-30m/s)幾乎不受風(fēng)速變化影響，故可針對不同風(fēng)向角預(yù)先存取，調(diào)用時根據(jù)風(fēng)向角采用 線性插值直接獲得。
[0051] 以某船為例，該船最高航速10節(jié)需在5級海況下實現(xiàn)艦載直升機安全起降?？稍诖?首，上層建筑迎風(fēng)面及兩側(cè)布置壓強傳感器。通過計算或者風(fēng)洞試驗獲得來流相對風(fēng)速5m/ s、10m/s和15m/s情況下不同風(fēng)向角的流場分布以及測壓點處的壓強，本實施例中，每隔5度 取一個狀態(tài)，若船體的幾何外形對稱，則計算37個狀態(tài)否則計算71個狀態(tài)。獲得這些數(shù)據(jù) 后，以不同狀態(tài)下的壓強值為變量，流場下洗流動的中心位置以及橢圓柱的三個幾何特征 為響應(yīng)，進行有導(dǎo)師的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，待預(yù)測誤差滿足精度要求后，即可采用該模型進行預(yù)測。 使用時，艦船表面的壓力傳感器，將測得的壓強傳輸給船上的計算機，計算機再采用上述的 數(shù)學(xué)代理模型計算獲得下洗流場參數(shù)，然后再通過無線設(shè)備傳輸給艦載直升機，艦載直升 機在獲得流場參數(shù)后，即可通過這些參數(shù)還原出艦船表面危險的下洗區(qū)域，同時再根據(jù)風(fēng) 向角，可將預(yù)存的渦核和渦核半徑信息經(jīng)線性差值后也顯示到圖像系統(tǒng)中。
[0052]以上所述，僅為了解釋本發(fā)明所設(shè)計的簡易實施方案，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變 化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的 保護范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1. 艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括壓強測量模塊、流場特 征參數(shù)計算模塊以及流程特征圖像顯示模塊，所述壓強測量模塊包含若干壓強傳感器，各 壓強傳感器分布在艦船關(guān)鍵流場位置，用于采集艦船表面關(guān)鍵流場位置的壓強數(shù)據(jù);所述 壓強測量模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至流場特征參數(shù)計算模塊，流場特征參數(shù)計算模塊通過數(shù)學(xué)代理 模型建立表面壓強與流場特征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從壓強值計算獲得流場特征，形成危險 氣流場的位置和大小，并將所述危險氣流場以圖形的形式顯示在流程特征圖像顯示模塊 上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的艦船表面危險氣流場實時警報系統(tǒng)，其特征在于，所述艦船關(guān) 鍵流場位置具體為艦首以及上層建筑周圍。3. 艦船表面危險氣流場實時警報方法，其特征在于，該方法包括： 步驟一，分析艦船表面關(guān)鍵流場位置并在關(guān)鍵流場位置設(shè)置壓強傳感器，采集各位置 處的壓強數(shù)據(jù)，并采集不同風(fēng)向角下渦核位置與渦核半徑； 步驟二，根據(jù)所述各位置的壓強數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)代理模型建立表面壓強與流場特征參 數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從壓強值計算獲得流場特征； 步驟三，將所述流場特征參數(shù)還原關(guān)鍵流場特征和危險流動區(qū)域并顯示在顯示模塊 上。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的艦船表面危險氣流場實時警報方法，其特征在于，所述步驟二 具體為： 步驟2.1，分析還原關(guān)鍵流場特征所涉及的特征參數(shù)； 步驟2.2,采用kriging算法建立表面壓強與流場特征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從壓強值計 算獲得流場特征。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的艦船表面危險氣流場實時警報方法，其特征在于，所述步驟二 具體為： 步驟2.1，分析還原關(guān)鍵流場特征所涉及的特征參數(shù)； 步驟2.2,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算模型建立表面壓強與流場特征參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān) 系，從壓強值計算獲得流場特征。6 ·根據(jù)權(quán)利要求4所述的舺船妄而倍隱與盛極走時懲相卞·姑·其特征在于， 所述kriging算法具體為 》其中，D(p)是下洗流場區(qū) 域的特征參數(shù)，包括關(guān)鍵流場狩祉甲心坐稱X，y，二個幾何特征di，d2，d3其中p為 各測壓點獲得的壓強構(gòu)成的矢量，即口=1^1^2 43 44 45^6];3是建立模型的樣本參數(shù)的 最小二乘估計，ψ+λΙ是協(xié)方差矩陣，1是兀素為1的η X 1矢量，Φ是的η X 1協(xié)方差矢量。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的艦船表面危險氣流場實時警報方法，其特征在于， 所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算模型具體為： 單層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型，公式如下： D(p) = f2(fl(pWl-0l)w2-02) 其中D(P)是下洗流場區(qū)域的特征參數(shù)，P為各測壓點獲得的壓強構(gòu)成的矢量，即P=[P1， P2，P3，P4，P5，P6] ; fl，f2是激活函數(shù)，Wl和W2是權(quán)值矩陣，θ?和02是偏置矢量。8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的艦船表面危險氣流場實時警報方法，其特征在于，所述還 原關(guān)鍵流場特征包括危險下洗流區(qū)域和渦核位置與渦核半徑，所述下洗流區(qū)域采用完全包 含危險下洗流動區(qū)域的橢圓柱表示，每個下洗流區(qū)的幾何參數(shù)包括其幾何中心的坐標(biāo)(X， y，z)，以及其橢圓長短直徑長度(d2，d3)和柱體高度dl;其中橢圓柱的軸dl與相對應(yīng)的渦核 軌跡相平行。
【文檔編號】G01M9/06GK105890867SQ201610372750
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】王逸斌, 趙寧, 顧蘊松
【申請人】南京航空航天大學(xué)