一种基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法与流程

本发明涉及船舶水动力，尤其涉及一种基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法。

背景技术：

1、近年来随着船舶cfd求解器的发展，其计算功能越发强大，计算精度也得到大幅提升，是船舶水动力性能预报中不可或缺的计算工具。但对于船舶水动力性能优化而言，其优化过程中需要计算的船型方案数量成百上千，若全部依靠cfd求解器计算很难实现。选用代理模型取代耗时的cfd 求解器参与到船舶水动力性能预报中，可有效地缩短预报时间，显著提高预报效率。

2、然而，对于工程黑箱问题，设计者很难提前知道哪个模型是最适合的。为了解决这个问题，本发明提出了一种稳定高效的多代理模型聚合预报方法，其采用由多个代理模型组成的聚合模型来替代单个代理模型。由于聚合模型能够结合多个代理模型的特点，所以在同样数量的样本点条件下它能够得到相对精度高且稳定的代理模型，避免了因为代理模型选择不当而造成的设计精度降低以及计算成本的浪费。

3、本发明需要解决的技术问题包括：

4、（1）自动计算构建代理模型所需的训练样本并排列成正确格式；

5、（2）选取合适的方式对形式不一的代理模型进行聚合；

6、（3）设计满足工程实际需要的通用多模型聚合建模流程，实现船舶耐波性快速预报。

7、本发明从已有的大量的船舶耐波性数据样本出发，利用自身已有的数据库，建立多模型聚合的代理模型，高效准确地完成船舶耐波性的快速预报。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、本发明提供一种基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤1、定义船舶耐波性预报模型的输入变量范围，明确响应变量；

5、步骤2、利用采样方法抽取一定数量的样本点，通过自编程序调用cfd软件对船舶的耐波性样本进行性能响应计算，计算样本点的响应值，并将样本点及其响应值保存，构建船舶耐波性样本库；

6、步骤3、根据船舶耐波性样本库，根据耐波性样本分别构建各代理模型，并聚合多个代理模型，聚合时采用基于交叉验证均方差的权系数进行计算；

7、步骤4、对聚合后的代理模型精度进行验证，如精度满足要求，则多代理模型聚合完成，进行下一步耐波性预报；如精度不满足要求，增选样本点，重复步骤2，直至聚合后的多代理模型满足预报精度；

8、步骤5、通过聚合后的多代理模型进行船舶耐波性预报。

9、进一步地，本发明的所述步骤2中构建的船舶耐波性样本库为：

10、

11、其中n表示样本数。

12、进一步地，本发明的所述步骤3中构建的代理模型包括：多项式、径向基函数、kriging 和支持向量回归。

13、进一步地，本发明的所述步骤3中聚合多个代理模型的方法为：

14、通过对多个代理模型进行加权线性叠加构成实现多个代理模型的聚合，响应函数表达为：

15、

16、

17、其中，为多代理模型聚合的响应预测值，是单一代理模型的个数，和分别为第个代理模型的权系数和响应预测值，设计变量为输入变量的向量，权系数之和等于1。

18、进一步地，本发明的所述步骤3中基于交叉验证均方差的权系数的计算方法为：

19、基于交叉验证均方差计算多代理模型的权系数，其表达式为：

20、

21、

22、

23、其中，为权重，参数α和β用来衡量平均模型和单个代理模型的重要性，是第个代理模型全局误差指标，采用留一交叉验证误差得到，定义为：

24、

25、其中，为样本个数，为真实响应值，为除样本点（）外所有样本构建的代理模型在的预测响应值。

26、本发明产生的有益效果是：

27、本发明针对水面船舶的耐波性预报，一般经验回归方法并不适用，船模试验成本高，cfd数值模拟计算时间长，而多聚合模型可以利用自身已有的数据库，在未知哪个模型是最适合的前提下，以较少的计算代价获得所需的近似精度，使计算时间大大降低；本发明提出了：

28、（1）通过自编程序自动调用cfd软件对船舶的耐波性样本进行性能响应计算，并将其按照代理模型要求的格式对样本进行排列。

29、（2）提出一种基于交叉验证误差的权系数计算方法。

30、（3）依据该方法设计了多个代理模型聚合的建模流程。

31、同时，聚合模型能够结合多个代理模型的特点，避免了因为代理模型选择不当而造成的设计精度降低以及计算成本的浪费，从而高效地进行船舶耐波性的快速预报。

技术特征：

1.一种基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法，其特征在于，所述步骤2中构建的船舶耐波性样本库为：

3.根据权利要求1所述的基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法，其特征在于，所述步骤3中构建的代理模型包括：多项式、径向基函数、kriging 和支持向量回归。

4.根据权利要求1所述的基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法，其特征在于，所述步骤3中聚合多个代理模型的方法为：

5.根据权利要求4所述的基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法，其特征在于，所述步骤3中基于交叉验证均方差的权系数的计算方法为：

技术总结
本发明公开了一种基于多代理模型聚合的船舶耐波性快速预报方法，包括：定义船舶耐波性预报模型的输入变量范围，明确响应变量；利用采样方法抽取一定数量的样本点，通过自编程序调用CFD软件对船舶的耐波性样本进行性能响应计算，计算样本点的响应值，并将样本点及其响应值保存，构建船舶耐波性样本库；根据船舶耐波性样本库，根据耐波性样本分别构建各代理模型，并聚合多个代理模型，聚合时采用基于交叉验证均方差的权系数进行计算；对聚合后的代理模型精度进行验证；通过聚合后的多代理模型进行船舶耐波性预报。本发明能以较少的计算代价获得所需的近似精度，使计算时间大大降低，从而高效地进行船舶耐波性的快速预报。

技术研发人员：魏骁,王瑾,吴宏敏,胡玉龙,王健
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16