在零速度下，利用带有襟翼式鳍稳定器的船舶在斜向波浪中的抗横摇性能的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental investigation of anti-roll performance of a ship with flap-type fin stabilizers in oblique waves at zero speed

本文通过水槽实验研究PPO算法控制的襟翼式尾鳍稳定器在斜波中的抗横摇性能，在平静水域训练模型后，测试结果显示该方案能有效抑制不同波频下的横摇运动，验证了智能控制系统在船舶抗横摇中的应用潜力。

　　本研究聚焦于船舶在斜浪条件下抗横摇性能的实验分析，重点探讨了采用翻板式鳍稳定器结合基于近端策略优化（PPO）算法的智能控制策略在提升船舶稳定性和安全性方面的潜力。随着现代航运对船舶在复杂海况下操作稳定性的要求不断提高，传统被动和主动抗横摇装置在应对低速或静止状态下的船舶横摇问题时表现出一定的局限性。因此，开发一种能够有效适应多变海况、具有高鲁棒性和自适应能力的智能抗横摇控制系统显得尤为重要。

船舶横摇运动是航海工程中备受关注的问题之一，其非线性特性以及对船舶安全的潜在影响使得抗横摇技术成为研究热点。在船舶的六种自由度运动中，横摇因其幅度较大、可能引发诸如倾覆、船员不适和货物移位等严重后果而尤为关键。尤其在低速或静止状态下，船舶的横摇幅度往往更为显著，这不仅对船舶的结构安全构成威胁，也对操作效率和人员舒适度产生不利影响。因此，如何在低速或静止条件下有效抑制船舶横摇，成为当前船舶工程领域亟待解决的技术难题。

目前，船舶常用的抗横摇装置主要包括舭龙骨、抗横摇舱柜、陀螺稳定器和鳍稳定器等。其中，鳍稳定器因其能够主动产生水动力升力以抵消横摇力矩，成为较为有效的主动抗横摇装置。然而，传统的旋转式鳍稳定器在低速或静止状态下表现不佳，其水动力升力机制存在固有的局限性，难以满足复杂海况下的控制需求。为此，研究人员提出了一种翻板式鳍稳定器的设计方案，这种装置通过模仿海洋生物（如鲸鱼和鱼类）的鳍运动特性，实现了对水动力升力的自适应调节。翻板式鳍稳定器不仅能够在低速或静止状态下产生显著的抗横摇力矩，还具备较高的操作灵活性，为船舶在复杂海况下的稳定控制提供了新的思路。

在实际应用中，翻板式鳍稳定器的控制算法设计是提升其性能的关键环节。由于在低速或静止状态下，翻板式鳍稳定器所受的波浪激励具有较强的非线性特征，传统的控制方法（如PID控制）在应对这种复杂系统时面临诸多挑战。PID控制虽然结构简单且可靠性较高，但其设计高度依赖于系统模型的准确性，而复杂的海洋环境往往引入大量不确定性和干扰因素，导致模型误差较大，进而影响控制效果。相比之下，基于深度强化学习的PPO算法在处理非线性系统和复杂环境方面展现出更强的适应能力。PPO算法通过约束梯度更新的幅度，确保了策略网络的稳定学习过程，从而提升了实验系统的控制精度和鲁棒性。

为了验证翻板式鳍稳定器的抗横摇性能，本研究使用了一个标准的S175集装箱船模型，并在波浪水池中进行了实验测试。该模型按照1:56.44的比例建造，能够真实模拟船舶在不同海况下的运动特性。实验中，采用了强制横摇装置来模拟船舶在不同波浪条件下的横摇响应，从而为PPO算法的训练提供了丰富的数据支持。通过将船舶模型置于平静水域中进行训练，PPO算法能够学习并优化鳍稳定器的控制策略，使其在面对实际波浪环境时具备更强的适应能力。

在实验过程中，研究人员对船舶在正弦波（正则波）和不规则波（随机波）条件下的抗横摇效果进行了系统分析。正则波实验中，波高分别设定为0.04米和0.06米，同时波长与船舶长度的比值（λ/L）被设定为0.4至3.0之间，以覆盖不同波周期条件下的横摇响应。通过这些实验条件，研究人员能够全面评估翻板式鳍稳定器在不同波浪频率下的抗横摇性能。而在不规则波实验中，波高被设定为0.04米、0.06米和0.08米，同时波浪周期被设定为1.2秒至2.4秒之间。为了更真实地模拟实际海况，实验中使用了ISSC双参数波谱模型，该模型能够生成具有统计特性的不规则波序列，从而为研究船舶在复杂波浪环境下的动态响应提供了可靠的数据基础。

实验结果表明，采用PPO算法控制的翻板式鳍稳定器在斜浪条件下展现出优异的抗横摇性能。在正则波条件下，翻板式鳍稳定器能够有效抑制船舶的横摇运动，其控制效果在不同波高和波周期下均表现出良好的适应性。特别是在低速或静止状态下，翻板式鳍稳定器通过其独特的水动力升力机制，能够产生显著的稳定力矩，从而显著降低船舶的横摇幅度。在不规则波条件下，实验进一步验证了该系统的鲁棒性，即使在复杂的波浪环境中，PPO算法依然能够根据实时数据调整鳍稳定器的控制策略，实现对船舶横摇的动态抑制。此外，实验还发现，船舶在安装鳍稳定器后，其整体横摇阻尼特性发生了显著变化，这表明鳍稳定器不仅能够主动产生稳定力矩，还能通过改变船舶的流体动力学特性，提升其在不同海况下的抗横摇能力。

值得注意的是，传统的抗横摇技术在面对多方向波浪时往往难以提供有效的控制。船舶在斜浪条件下，其横摇和纵摇的耦合响应更加复杂，这对控制系统的实时性和适应性提出了更高的要求。然而，翻板式鳍稳定器结合PPO算法的控制策略，能够有效应对这种复杂情况，通过实时感知和动态调整，确保船舶在不同波浪条件下保持稳定。这种智能控制方法不仅提高了船舶的抗横摇性能，还为未来船舶智能化控制系统的开发提供了重要的理论和技术支持。

在实验方法上，本研究采用了一种系统化的测试方案，涵盖了正则波和不规则波两种主要的波浪类型。正则波实验主要用于验证系统在周期性波浪条件下的控制效果，而不规则波实验则更贴近实际海况，能够更全面地评估系统的适应能力和稳定性。实验过程中，研究人员通过精确控制波浪的参数，如波高、波周期和波浪方向，模拟了多种复杂的海况条件，从而为PPO算法的训练和优化提供了丰富的数据集。此外，实验还采用了一种基于数据驱动的方法，通过将实际实验数据与模拟数据相结合，提升了控制算法的泛化能力，使其能够在实际应用中更加稳定和高效地运行。

在实验结果的分析中，研究人员发现，翻板式鳍稳定器在低速或静止状态下表现出优于传统旋转式鳍稳定器的抗横摇效果。这一优势主要归功于其独特的水动力升力机制，该机制能够在船舶速度较低时，依然保持较高的控制精度和响应速度。此外，PPO算法的引入进一步提升了系统的智能水平，使其能够根据实时波浪条件动态调整控制策略，从而实现对船舶横摇的高效抑制。实验数据表明，该控制策略在多种波浪条件下均能保持较高的抗横摇效率，为船舶在复杂海况下的安全运行提供了有力保障。

从实际应用角度来看，本研究提出的翻板式鳍稳定器结合PPO算法的控制方案，不仅能够有效提升船舶在低速或静止状态下的抗横摇性能，还为船舶在多种海况下的智能化控制提供了新的技术路径。这种智能控制方法能够适应复杂的海洋环境，减少对传统控制算法的依赖，同时提高系统的自适应能力和稳定性。此外，该方法还具有较低的硬件成本和较高的可扩展性，使其在实际船舶设计和建造中具备较强的可行性。

在研究过程中，研究人员还探讨了不同波浪条件对船舶横摇运动的影响，以及翻板式鳍稳定器在不同波浪频率下的响应特性。实验结果显示，翻板式鳍稳定器在不同波浪频率下均能保持良好的控制效果，这表明其具备较强的适应能力。然而，研究也指出，随着波浪条件的复杂化，系统对数据处理和算法优化的需求也在不断提高。因此，未来的研究可以进一步探索更高效的预处理算法和更精确的模型拟合方法，以提升系统的整体性能。

综上所述，本研究通过实验验证了翻板式鳍稳定器结合PPO算法的控制策略在船舶抗横摇方面的有效性。该策略不仅能够在低速或静止状态下显著降低船舶的横摇幅度，还能在复杂波浪条件下保持较高的控制精度和稳定性。实验结果表明，这种智能控制方法具有广阔的应用前景，有望成为未来船舶抗横摇系统的重要发展方向。此外，本研究还为船舶智能化控制系统的开发提供了重要的理论依据和技术支持，推动了航海工程领域向更高水平的智能化迈进。