克服外部环境相关性局限的船舶运动预测——相关性分析阶段

引言

伴随全球航运贸易的持续增长，船舶航行安全已成为业界日益关注的核心议题。海上船舶的姿态受多重环境因素综合作用，如海浪和风力的动态影响，其运动状态呈现复杂多变性。船舶的运动姿态通常通过六个自由度来精确刻画，包括艏摇、横摇、纵摇、垂荡、横荡及纵荡【李荣宗，张超群.基于长短期记忆模型的船舶横摇运动预测】。在这六个自由度中，横摇运动因其对航行安全构成的潜在威胁最为显著而备受重视。特别是在遭遇纵向波浪时，船舶极易产生大幅度横摇，且其运动特性往往表现出显著的非线性和固有的难以预测性。这种剧烈的横向摇晃可能在短时间内迅速加剧，甚至诱发危险的参数横摇现象，导致其幅度和频率的异常波动，从而极大地增加船舶倾覆或失稳的风险。

鉴于船舶横摇运动的复杂性及其对航行安全的深远影响，准确获取并理解船舶实时姿态数据及其与外部环境，特别是与海浪特征之间的耦合关系显得尤为关键。传统的船载传感器虽能提供船舶姿态信息，但其与诱发横摇的主导因素——海浪之间的直接关联性分析仍有待深入。在此背景下，本研究首先探索船舶姿态运动数据与环境波浪雷达数据之间的内在相关性，通过对这两种异构数据源进行融合与深入分析，我们期望能够揭示海浪要素（如波高、波周期、波向等）对船舶横摇、纵摇和垂荡等主要运动姿态的具体影响机制，从而为提高船舶运动预测的准确性和保障海上航行安全提供更为坚实的数据支撑与理论依据。

然而，初步研究结果显示，尽管船舶运动姿态与外部海浪环境之间存在一定的物理关联，但通过简单的相关性分析，其直接的、强烈的线性或低阶非线性相关性并未能完全体现。这可能源于船舶运动本身的复杂非线性动力学特性，以及诸如外部力矩M(t)和船舶自身参数（如惯性矩I、阻尼系数B、刚度K）等关键物理量难以精确获取和量化。这些因素使得采用传统的物理建模方法精确表达船舶运动姿态与环境因素之间的函数关系变得极具挑战性。鉴于这种复杂性，以及传统物理模型在参数获取上的困难，本研究将重心转向利用船舶横摇运动时间序列数据本身进行预测，采用长短期记忆网络（LongShort-TermMemory,LSTM）——一种在处理时间序列数据方面表现卓越的深度学习模型——对动态平台运动数据中的纵摇（Pitch）、横摇（Roll）姿态以及垂荡（Heave）进行时间序列预测。该方法的核心优势在于其独特的门控机制，能够有效地捕捉和学习历史观测数据中长期的时间依赖性，从而实现对未来运动状态的精确估计。

数据来源

船舶姿态数据来源于iXblue旗下的一款高性能惯性导航系统INS（InertialNavigationSystem）），该设备常用于船舶、海洋平台、ROV/AUV、航空器、地面移动平台等领域。它通常由惯性测量单元（IMU）、GPS（GNSS）、姿态传感器组成，能够持续、高频、精确地记录平台的位置、姿态和运动状态数据，是海洋作业、导航定位、运动补偿不可或缺的关键设备。

波浪雷达数据来源于挪威MIROS公司生产的WavexPR-002雷达式波浪测量系统。其工作原理主要是通过在标准X波段海洋导航雷达中捕获并处理海面后向散射数据，通过先进稳健的自适应算法，对有效波高(Hs/Hm0)、波浪周期(Tp1,Tm02)、波浪方向(Dm1-t,Dp1-t)和最大波高(Hmax)等波浪相关参数进行计算。作为一个雷达系统，它通常安装在船舶、海上平台或其他沿海结构上，不需要直接接触水面，在恶劣海况下也能安全、可靠地提供实时的海浪数据，对于航运安全、海洋工程作业（如起重、钻井等）和海洋环境监测非常重要。

上述数据均来源于中山大学的现代化科研教学船中山大学号的海上航行试验，该船所采集到的数据信息，具有高完备性，高可靠性和高稳定性特点。

数据预处理

从“中山大学号”科考船采集到的数据中选取时间范围连续的一定周期的数据，由于波浪参数数据和船舶姿态参数数据的时间范围不一致，且时间分辨率不同：波浪数据是分钟级，而船体运动数据是秒级，需要对相关实测数据进行预处理，对所有数据进行合并、去重、缺失值插值处理等操作，保证两类异构数据时间一致对齐为04月18日06时23分-04月18日06时52分，时间颗粒度为分钟级，以便开展探究船舶姿态参数与波浪参数数据之间的相关性质分析实验。

相关性分析部分结果

运动参数与波浪参数之间的相关性热力图清晰地呈现了纵摇、横摇、垂荡（船体运动响应）与有效波高、主导波方向、主导波周期（波浪环境特征）两类变量间的相互关系强度和方向。部分变量之间存在显著的强相关性（绝对值大于0.7），而另一些变量之间则表现出较弱或不显著的相关性（绝对值接近0）。其中纵摇与有效波高和主导波方向呈现较高的正相关性，横摇与有效波高和主导波方向存在较高的负相关性。

【航迹图上传有误，待修改】

结合与所用数据时间范围一致时的航迹，对相关性散点图开展分析。数据采集船在时间段内大致由东南向西北航行，航行方向大致不变。

从横摇与主导波方向的相关性散点图上看，主导波方向由40°到130°左右变化，反映在对船只的作用上为主导波方向线与船首夹角由95度到5°之间变化，在夹角为90°时，属主导波向垂直冲击船体侧身的情况，与散点图中横摇在40~50度之间存在横摇度数最大的散点统计情况相符。由于主导波方向与船首夹角逐渐减小，全向波浪谱中即使是能量最大的部分对船体侧面的冲击也逐渐减弱，横摇与主导波方向之间的关系呈现负相关性拟合直线，R^2达到0.646，与实际波浪与船体的作用情况相符。

从横摇与有效波高的相关性散点图上看，二者呈现出显著的强负相关，波高越高，横摇幅度反而减小。主要原因在于在这一时间范围内，波浪并非横向入射，且随着时间推移，主导波向与船体侧面线夹角逐渐减小，可见与有效波高相比，特定有效作用角度的主导波向，更易对船体造成横摇。