基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶運(yùn)動(dòng)智能預(yù)報(bào)

樊翔，程陳，侯先瑞，施文煜，桂皓

（1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203；2.上海海事大學(xué)，上海 201303）

0 前 言

由于海況的復(fù)雜性， 船舶在航行過程中會(huì)受到風(fēng)、浪、流等因素的綜合作用而產(chǎn)生垂蕩、橫搖、縱搖等搖蕩運(yùn)動(dòng)， 嚴(yán)重時(shí)將威脅船舶航行和作業(yè)安全。 若能提前對船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)，進(jìn)而對船舶的相關(guān)操作做出預(yù)判， 便可使船舶航行時(shí)有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提高船舶航行的安全性［1］。因此，如何有效地對船舶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)， 一直是船舶與海洋工程領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。

為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船舶運(yùn)動(dòng)，國內(nèi)外學(xué)者［2-4］相繼提出了多種預(yù)報(bào)方法，根據(jù)這些方法的理論基礎(chǔ)。 從理論范疇來看，可分為基于線性系統(tǒng)理論的方法（卡爾曼濾波法、時(shí)間序列的回歸預(yù)報(bào)模型等）［5-6］，基于非線性系統(tǒng)理論的方法 （基于突變理論的預(yù)報(bào)方法、基于混沌理論的預(yù)報(bào)方法、小波分析的預(yù)報(bào)方法等）［7-9］，以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)理論的預(yù)報(bào)方法（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、深度學(xué)習(xí)算法等）［10］。 從船舶運(yùn)動(dòng)特性來看，又可以分為平穩(wěn)線性預(yù)報(bào)、平穩(wěn)非線性預(yù)報(bào)、 非平穩(wěn)線性預(yù)報(bào)和非平穩(wěn)非線性預(yù)報(bào)。 船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法分類如圖1 所示。

圖1 船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法

近十年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，尤其是隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對船舶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)逐漸受到眾多研究者的關(guān)注。 鑒于船舶運(yùn)動(dòng)的非線性特性，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)領(lǐng)域，可以借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)自學(xué)習(xí)及無限逼近非線性函數(shù)的能力，通過對大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)來模擬船舶在各種情況下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 在國內(nèi)外學(xué)者的共同努力下，已有多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)領(lǐng)域并取得了不錯(cuò)的成果。 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，通過構(gòu)造基于徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分別對船舶在波浪中的橫搖、 垂蕩-縱搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)研究，以期實(shí)現(xiàn)對其的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡介

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對人體神經(jīng)系統(tǒng)的概念化想象的仿生模型，其原理是模擬生物神經(jīng)元的學(xué)習(xí)過程。 為了仿效生物的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)處理單元。 神經(jīng)元包括輸入、輸出和數(shù)據(jù)處理等3 個(gè)部分。 神經(jīng)元的輸入接受的上一層所有神經(jīng)元的輸出， 而不和本層的其他神經(jīng)元進(jìn)行關(guān)聯(lián)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

單層神經(jīng)元模型（感知器模型）包括輸入層和輸出層，兩層之間使用權(quán)值連接。 所謂訓(xùn)練就是通過算法來更新權(quán)值使得網(wǎng)絡(luò)的誤差不斷減少，預(yù)報(bào)效果達(dá)到最佳。例如，輸入變量為［a1，a2，a3］T，用向量a表示，輸出為z，權(quán)重為w，偏置為b，則神經(jīng)元的輸出表示為z=g（wa+b）。 其中，函數(shù)g 表示神經(jīng)元的激活函數(shù)，其作用是對線性疊加后的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性映射。 在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用的激活函數(shù)包括雙曲正切激活函數(shù)、Sigmoid 型激活函數(shù)、 線性整流激活函數(shù)等。 單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)僅能處理一些簡單的問題，對復(fù)雜的問題如異或問題無能為力，需要應(yīng)用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。 與感知器模型相比，多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多了一個(gè)中間層，即隱含層（隱含層可以有多層），可以實(shí)現(xiàn)對任意非線性函數(shù)的高精度逼近。

在對多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)時(shí)，需要根據(jù)學(xué)習(xí)誤差調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層的權(quán)值和偏置，其中經(jīng)典的學(xué)習(xí)算法就是誤差反向傳播（Back Propagation，BP）算法。 BP 算法的基本原理：首先，利用當(dāng)前各層的權(quán)重和偏置值，計(jì)算每一層對輸入樣本的輸出值；其次，計(jì)算各輸出層節(jié)點(diǎn)的誤差，并根據(jù)鏈?zhǔn)角髮?dǎo)法則計(jì)算損失函數(shù)對權(quán)重和偏置的梯度值； 最后，采用梯度下降法更新各層神經(jīng)元的權(quán)重和偏置。

RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)就是它的隱含層函數(shù)為RBF。RBF 函數(shù)是中心點(diǎn)徑向?qū)ΨQ，取值僅依賴于距中心點(diǎn)距離的非負(fù)實(shí)值函數(shù)。 通常情況下，隱含層有較高的維數(shù)， 這就使得它能夠更加精確地逼近。常見的基函數(shù)有多二次函數(shù)、薄板樣條函數(shù)、逆多二次函數(shù)和高斯函數(shù)等，其中高斯RBF 函數(shù)的表達(dá)式如式（1）所示：

式中：參數(shù)σ 描述高斯基函數(shù)的寬度或“平坦程度，其值越大意味著以c 為中心的等高線越稀疏。

與傳統(tǒng)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)局部逼近的網(wǎng)絡(luò)， 即各節(jié)點(diǎn)對輸出的貢獻(xiàn)取決于其距離中心的歐氏距離，距離越大的貢獻(xiàn)越小。 這種局部逼近使得它的收斂速度更快，學(xué)習(xí)效果更好。

2 基于徑向基（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)

圖3 是應(yīng)用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對船舶的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)的算法流程圖。

圖3 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)流程圖

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

主要包括數(shù)據(jù)的收集、 數(shù)據(jù)降噪和歸一化處理。 采用的數(shù)據(jù)來自某FPSO 船的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 該FPSO的垂線間長為356.00 m，型寬為69.00 m，型深為35.70 m，吃水15.2 m。通過試驗(yàn)得到該船的橫搖、垂蕩-縱搖運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后， 受到測量設(shè)備本身或是傳輸中的各種因素影響，原始數(shù)據(jù)可能是冗余、含有噪聲的，因此需要對其進(jìn)行預(yù)處理。 具體采用小波變換法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，并對降噪后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用Min-Max 歸一化處理方法，見式（2）。

為提高收斂效率，對數(shù)據(jù)進(jìn)行正則化處理：

式中：μ 為樣本數(shù)據(jù)均值；σ 為樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 構(gòu)建RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的確定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，模型結(jié)構(gòu)是否合理直接影響到最終的預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性?；谔幚砗玫臄?shù)據(jù)， 通常將數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集、交叉驗(yàn)證集和測試集等3 部分，通過對交叉驗(yàn)證集的損失函數(shù)評估來確定模型的雛形，通過對訓(xùn)練集的損失函數(shù)評估來確定參數(shù)，而測試集用來檢測網(wǎng)絡(luò)模型的泛化能力。 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，除需要確定網(wǎng)絡(luò)的輸入層、隱含層、輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)外，還需確定徑向基函數(shù)的中心和寬度等。 RBF 網(wǎng)絡(luò)有多種方法可以確定中心，最常用的有隨機(jī)選擇法、k-means 聚類算法、自組織選取中心法和正交最小二乘法等。采用k-means 聚類算法確定RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中心。

3 結(jié)果分析

3.1 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)智能預(yù)報(bào)

基于上述FPSO 船在有義波高15.0 m、 風(fēng)速39.0 m/s、譜峰周期15.1 s、表層流速2.0 m/s 下的橫搖運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用300 組樣本，劃分訓(xùn)練集、交叉驗(yàn)證集和測試集，通過多次訓(xùn)練之后確定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為300。

取徑向基擴(kuò)展系數(shù)為0.3、迭代次數(shù)為300 時(shí)，誤差評價(jià)函數(shù)為均方誤差， 訓(xùn)練曲線如圖4 所示，可以看到，在大約250 次迭代之后，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到收斂。

圖4 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)橫搖運(yùn)動(dòng)均方誤差訓(xùn)練曲線

利用訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)， 分別取輸入層數(shù)據(jù)為10 s（20 節(jié)點(diǎn)）、15 s（30 節(jié)點(diǎn)）和20 s（40 節(jié)點(diǎn)）橫搖角序列， 預(yù)報(bào)后7 s 的橫搖角序列， 預(yù)報(bào)結(jié)果如圖5 所示：實(shí)線為實(shí)測的船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)，稱為期望值，虛線為預(yù)報(bào)結(jié)果，稱為預(yù)報(bào)值。

圖5 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果

分析結(jié)果可知，取前15 s 的歷史數(shù)據(jù)作為輸入時(shí)，可以得到更好的預(yù)報(bào)結(jié)果，預(yù)報(bào)曲線擬合得更好。 但使用20 s 的歷史數(shù)據(jù)時(shí)，預(yù)報(bào)精度沒有明顯提升，與15 s 預(yù)報(bào)結(jié)果相差不大。 為驗(yàn)證RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的有效性， 特別構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比， 對輸入層為15 s 的橫搖角時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)報(bào)，其結(jié)果如圖6 所示。

圖6 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果

通過對比可知，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程長達(dá)10 min 以上，而使用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只需要5～8 s 就可以完成訓(xùn)練，結(jié)果證明RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更快的收斂速度， 同時(shí)從預(yù)報(bào)擬合曲線也可以看出，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更高的預(yù)報(bào)精度。

3.2 船舶垂蕩-縱搖運(yùn)動(dòng)智能預(yù)報(bào)

與橫搖類似， 使用構(gòu)建好的RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分別取歷史數(shù)據(jù)為10 s 和15 s 的時(shí)間數(shù)據(jù)對船舶的垂蕩-縱搖時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)報(bào)， 結(jié)果如圖7 所示。

圖7 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)垂蕩-縱搖耦合運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)

由以上結(jié)果可以得到，徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過快速訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)對船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)長達(dá)7 s 的預(yù)報(bào)，且對目標(biāo)曲線擬合良好，具有一定的泛化能力。

4 結(jié) 語

鑒于船舶航行過程中的不確定性和非線性，通過應(yīng)用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對船舶橫搖運(yùn)動(dòng)、垂蕩-縱搖耦合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)研究。 首先，對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正、歸一化、正則化等特征工程，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造樣本集，并將其劃分為訓(xùn)練集、交叉驗(yàn)證集和測試集。其次，設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層結(jié)構(gòu)及合理選擇基函數(shù)中心，利用所構(gòu)造的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)測試，驗(yàn)證所應(yīng)用方法的有效性和可靠性。 研究結(jié)果表明RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用于有效預(yù)報(bào)船舶在波浪中的橫搖運(yùn)動(dòng)、垂蕩-縱搖耦合運(yùn)動(dòng)。