复杂船舶电力系统的脆性建模仿真研究.pdf

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1、 江江 苏苏 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论 文 题 目 复杂船舶电力系统的脆性 建模仿真研究 研 究 方 向 复杂系统分析与建模 学科、专业 控制理论与控制工程 研究生姓名 陈瑞平 导 师 姓 名 朱志宇教授 填表时间 2012 年 3 月 22 日 摘 要 I 摘 要 随着船舶贸易的不断增加和普遍，船舶电力系统的安全性与可靠性要求也越来越高。系统规模不断扩大，容量也不断上升，船舶电力系统结构的复杂度也越来越高。由于船舶电力系统工作环境比较恶劣，且系统自身也存在一些缺陷，这些来自于外部或内部的不确定性的干扰，都可能使得某个子系统突然崩溃，由于连锁崩溃效应，最终

2、可能会使整个系统坍塌，船舶电力系统所具有的这种特性称为脆性。脆性是从一个全新的角度来认识和研究复杂船舶电力系统可靠性、安全性，作为复杂系统的一个基本特性被提出，目前研究还处于起步阶段，本文以复杂船舶电力系统为研究对象，主要针对系统脆性建模进行研究和分析。首先，本文给出船舶电力系统脆性的定义、特点以及数学描述，研究出船舶电力系统脆性被激发的条件，给出复杂船舶电力系统的脆性传递模型。其次，基于交流潮流理论，建立复杂船舶电力系统脆性的 Agent 图模型。当某一子系统因故障崩溃后，系统潮流会重新分配，利用交流潮流算法调整系统潮流，使系统尽量维持在稳定范围内，进一步说明复杂船舶电力系统脆性演化的过程。

3、然后，在脆性模型的基础上，以图的边描述子系统之间的脆性联系，边的权值描述子系统之间的脆性联系程度，应用粒子群优化算法和蚁群算法求解系统在脆性发生时最有可能崩溃的路径，即最大崩溃路径。通过对脆性最大崩溃路径的预防和控制可有效地防止整个系统的崩溃。最后，基于混沌思想，研究和分析船舶电力系统脆性与混沌之间的内部联系。并结合实际的混合馈线式船舶电力系统，建立基于混沌理论的脆性模型。系统在混沌产生条件的刺激下，船舶电力系统的脆性被激发，求出此时的K熵值，检测系统的无序程度，并研究系统 Lyapunov 指数的变化情况，分析系统在脆性激发后是否处于混沌状态。进一步论证脆性是系统从有序稳定状态到混沌状态的过

4、程。这些方法的结合，有助于更准确更全面的认识和分析复杂船舶电力系统的脆性，并且可有效的预防和控制脆性发生，提高船舶电力系统的可靠性以及安全性。关键词：船舶电力系统；脆性；优化算法；交流潮流；混沌理论；II Abstract III Abstract With the increase and common of ship trade,security and reliability requirement of ship electrical power system become more and more high,the scale and capacity of system are

5、more and more big,complicated degree of system structure is more and more high.Environment of ship electrical power system is severe and it has intrinsic defects.So interference that exterior or inner can make ship electrical power system collapse.These interferences are likely to make a subsystem c

6、ollapse suddenly,and it may cause chain effects collapse,ultimately the whole of ship electrical power system will collapse.So brittleness is to describe the function of complex power electric system.From a new point of view,the security and reliability of ship electrical power system are researched

7、.As a basic characteristic is introduced,the research on brittleness is still on the start stage.The research object of this paper is ship electrical power system.This main task is to establish brittleness model of the system.Firstly,this paper introduces the definition,characteristic and the mathem

8、atical description of brittleness of the ship electrical power system.It was pointed out that stimulation conditions of brittleness of ship electrical power system,it gives complex power system to ship brittle transfer model.Secondly,based on the brittleness model of systems,the edges describe the b

9、rittleness link between two subsystems,and the weight of edges are described the degree of brittleness link between two subsystems.The particle swarm optimization algorithm and ant colony algorithm are used to seek out the path that most likely to collapse,that is the biggest collapse path.Through p

10、revent and control the biggest collapse of brittleness can effectively prevent occurrence of brittleness and the collapse of the whole system.Further shows the evolution of the brittle process of ship electric power system.Thirdly,based on theory of AC current and agent digraph,brittleness model of

11、ship electrical power system is established.When a subsystem collapses,the current of system will be redistributed.According to the balance conditions of ship electrical power system,AC current is used to adjust to current of the whole system,and makes the system to maintain stable range as possible

12、 as.Lastly,based on chaos theory,analysis the relation between chaos and brittleness.Brittleness model is provided of ship electrical power system of mixed feeder type.The system is disturbed by the interference of chaotic conditions,and brittleness is inspired.江苏科技大学工学硕士学位论文 IV Solving the kolmogor

13、ov entropy,tests the disorder degree of system.Research on Lyapunov index,analysis the system whether in a mess after brittleness was stimulated.Further expounds the close relation between chaos and brittleness.The combination of these methods is good to understand and analyse the brittleness of shi

14、p electrical power system.It can effectively prevent and control the brittleness happen,improving the system reliability and security.Keywords:ship electrical power system;brittleness;optimization algorithm;theory of AC current;chaos theory 目录 V 目目 录录 摘 要.I Abstract.III 第 1 章 绪论.1 1.1 船舶电力系统脆性的研究背景.

15、1 1.2 船舶电力系统脆性研究的目的和意义.2 1.3 国内外的发展和研究现状.3 1.4 研究内容.5 第 2 章 复杂船舶电力系统的脆性理论.7 2.1 引言.7 2.2 船舶电力系统脆性的定义.7 2.3 船舶电力系统脆性的特殊性.8 2.4 船舶电力系统脆性的客观存在.9 2.5 船舶电力系统脆性的传递模型.10 2.5.1 多米诺骨牌模型.10 2.5.2 金字塔模型.10 2.5.3 倒金字塔模型.11 2.6 船舶电力系统的脆性熵.12 2.7 本章小结.13 第 3 章 基于交流潮流的船舶电力系统脆性的 Agent 图模型.15 3.1 引言.15 3.2 Agent 图理论

16、.15 3.2.1 赋权图.15 3.2.2 Agent 图.15 3.2.3 Agent 图演化规则.16 3.3 潮流理论.18 3.3.1 交流潮流理论.18 3.3.2 直流潮流理论.19 3.4 基于交流潮流的船舶电力系统脆性的 Agent 图模型.20 3.4.1 基于交流潮流建立船舶电力系统脆性的 Agent 图模型.20 3.4.2 交流潮流算法的修正方程.21 3.4.3 船舶电力系统脆性的建模流程.23 3.5 船舶电力系统脆性的建模仿真结果.25 3.6 本章小结.30 第 4 章 船舶电力系统脆性的最大崩溃路径.31 4.1 引言.31 4.2 船舶电力系统脆性的最大崩

17、溃路径.31 4.2.1 崩溃路径.31 江苏科技大学工学硕士学位论文 VI 4.2.2 最大崩溃路径.32 4.3 优化算法.32 4.3.1 粒子群优化算法.32 4.3.2 蚁群算法.34 4.4 船舶电力系统脆性的最大崩溃路径的仿真研究.36 4.4.1 粒子群优化算法求解最大崩溃路径.37 4.4.2 蚁群算法求解最大崩溃路径.38 4.5 本章小结.40 第 5 章 基于混沌理论研究复杂船舶电力系统的脆性.42 5.1 引言.42 5.2 混沌理论.42 5.2.1 混沌定理.42 5.2.2 混沌模型.43 5.2.3 脆性与混沌之间的关系.45 5.3 基于混沌理论的船舶电力系

18、统脆性模型.47 5.4 基于混沌理论的船舶电力系统脆性模型仿真与分析.51 5.5 本章小结.47 结论与展望.55 参考文献.57 攻读学位期间发表的学术论文目录.61 致 谢.62 Contents VII Contents Abstract(Chinese).I Abstract(English).III Chapter 1 Introduction.1 1.1 Background of Brittleness Theory Research of Ship Electrical Power System.1 1.2 Purpose and Meaning of Brittlenes

19、s Theory Research of Ship Electrical Power System.2 1.3 Development and Research Status of Domestic and Foreign Relevant Fields.3 1.4 Conclusion.5 Chapter 2 Brittleness and Its Theoretical Basis Of Ship Electrical Power System.7 2.1 Foreword.7 2.2 Definition of Brittleness of Ship Electrical Power S

20、ystem.7 2.3 Particularity of Brittleness of Ship Electrical Power System.8 2.4 Objective Existence of Brittleness of Ship Electrical Power System.9 2.5 Transfer Model of Brittleness of Ship Electrical Power System.10 2.5.1 Domino Model.10 2.5.2 Pyramid Model.10 2.5.3 Pour Pyramid Model.11 2.6 Entrop

21、y of Brittleness of Ship Electrical Power System.12 2.7 Chapter Summary.13 Chapter 3 Agent Model of Brittleness of Ship Electrical Power System Based on AC Current.15 3.1 Foreword.15 3.2 Agent Digraph Theory.15 3.2.1 Weighted Graph Model.15 3.2.2 Agent Graph.15 3.2.3 Evolution Rules of Agent Graph.1

22、6 3.3 Theory of Current.18 3.3.1 Theory of AC Current.18 3.3.2 Theory of DC Current.19 3.4 Agent Model of Brittleness of Ship Electrical Power System Based on AC Current.20 3.4.1 Agent Model of Brittleness of Ship Electrical Power System Based on AC Current.20 3.4.2 Fixed Equation of AC Current.21 3

23、.4.3 Flow Chart of Model of Agent Graph of Ship Electrical Power System.23 3.5 Simulation of Model of Agent Graph of Ship Electrical Power System.25 3.6 Chapter Summary.30 Chapter 4 Research on the Biggest Collapse Path of Brittleness of Ship Electrical Power System.31 4.1 Foreword.31 4.2 The Bigges

24、t Collapse Path of Brittleness of Ship Electrical Power System.31 4.2.1 Collapse Path.31 4.2.2 The Biggest Collapse Path.32 4.3 Optimization Algorithm.32 江苏科技大学工学硕士学位论文 VIII 4.3.1 Particle Swarm Optimization Algorithm.32 4.3.2 Ant Colony Algorithm.34 4.4 Simulation of the Biggest Collapse Path of Br

25、ittleness of Ship Electrical Power System.36 4.4.1 Particle Swarm Optimization Algorithm is to Solve the Biggest Collapse Path.37 4.4.2 Ant Colony Algorithm is to Solve the Biggest Collapse Path.38 4.5 Chapter Summary.40 Chapter 5 Research on Brittleness of Ship Electrical Power System based on Chao

26、s Theory.42 5.1 Foreword.42 5.2 Chaos Theory.42 5.2.1 Chaos Theorem.42 5.2.2 Chaos medel.43 5.2.3 Realationship between Brittleness and Chao.45 5.3 Research on Brittleness of Ship Electrical Power System based on Chaos Theory.47 5.4 Simulation of Research on Brittleness of Ship Electrical Power Syst

27、em based on Chaos.51 5.5 Chapter Summary.47 Conclusion and Outlook.55 References.57 Papers published During Degree of Academic Eduction Processing.61 Thanks.62 第 1 章 绪论 -1-第 1 章 绪论 1.1 船舶电力系统脆性的研究背景 船舶是水上运输、军事、国防的重要工具，安全可靠性要求比一般系统更为严格。而电力系统是船舶的一个重要组成部分，是由电源、配电板、电网和用电负载等组成的一个整体，本质上是一种高度非线性系统。在船上，用电设备

28、非常多，动力负荷通常占用总用电量的 70，于是电力系统供电的稳定性、安全性以及供电的品质，都直接关系到船舶的技术指标和船舶的生命力。船舶电力系统的安全稳定性是指，确保系统在受到干扰后各个发电机之间同步运行、在干扰清除后系统母线电压不会长期低于给定值以及在移向新平衡状态期间系统所有元件都能运行在许可范围内的能力。而船舶电力系统可靠性则是指，在正常工作环境下，系统能在规定时间内完成给定任务的能力。船舶电力系统与陆上一般的电力系统相比，有着很多自身的特殊性，例如：船舶电力系统的发电机组是由原动机带动的，容量很小，多为 3 台左右的小容量柴油发电机；陆上电网容量一般在几百万到几千万千瓦之间，而船舶电力

29、系统发电机单机容量较小，一般不超过一千千瓦；船舶电力系统的电网输电线路短，且配电装置简单，其发电机端电压、配电网电压和负荷电压属于同一个等级；电压值、频率常发生波动，致使整个船舶电力系统断电；船舶电力系统工作的环境比较恶劣，要求其必须适应潮湿、盐雾和船舶倾斜、摇摆、振动等恶劣的环境。除了工作环境比较恶劣之外，船舶自身硬件与软件也都存在一定的缺陷，一些很小的干扰均可能导致船舶电力系统突然崩溃。船舶电力系统的进化与发展从简单到复杂，随着社会的进步，船舶行业的不断发展，船舶电力系统实现的功能也相应增加和丰富，系统的用电负载种类也越来越多，系统的数值运行的动态变化范围也越来越宽，这些因素都导致船舶电力

30、系统的复杂程度也日益增大。复杂船舶电力系统由很多子系统构成，这些简单的子系统之间可能存在着物质或能量的传递，在传递过程中，某一子系统必然会受到各种干扰的影响（包括内部干扰和外部干扰），在一些致命干扰的影响下，子系统可能会因此而崩溃，与这个子系统存在着直接或间接影响的其它子系统也可能会因此而崩溃，这种影响是由小及大，向整个复杂船舶电力系统扩散，复杂船舶电力系统的功能也会因此丧失部分或者全部的功能，造成很大的损失，而系统表现出来的这种性质就是脆性。针对复杂性的研究始于 20 世纪 70 年代产生的自组织理论，一般复杂系统具有开放性、复杂性、进化涌现性、层次性、自组织等特性。脆性也是复杂系统的一个基

31、本江苏科技大学工学硕士学位论文 -2-属性，而复杂系统脆性的概念是在一次研讨会上由我国工程院院士栾恩杰首次提出的，他还进一步指出，系统越复杂，规模越大，系统就越脆1。关于脆性研究的课题：复杂大系统脆弱性理论研究，在 2002 年，被列为国防基础的科研课题，此课题涉及到系统可靠性等问题，建立了新的脆性技术理论体系，为以后脆性的研究奠定了理论基础2。本文在复杂船舶电力系统脆性研究的基础上，基于交流潮流理论，利用 Agent 图理论建立复杂船舶电力系统的脆性模型，进一步模拟仿真系统脆性被激发和传递的过程，以便在系统设计或发展过程中，充分认识系统脆性的演化过程。本文的研究来源于国家自然科学基金，“复杂

32、系统的脆性理论研究及其在船舶电力系统中的应用”（项目编号 60940034），主要针对复杂船舶电力系统脆性的研究，旨在提高系统的可靠性和安全性。但脆性的研究还处于起步阶段，还需要不断的努力，从宏观和微观的角度认识，以便及时地在复杂船舶电力系统设计时，以及在船舶电力系统运行过程中，评价与分析其脆性问题，以免造成不必要的损失。1.2 船舶电力系统脆性研究的目的和意义 船舶电力系统随着社会的需求，应用越来越广泛，不论在民用还是军用中，都取得了长足的进步。由于船舶电力系统的特殊性，一般情况下都要求系统具有很高的稳定性和安全可靠性，即当受到不确定性的干扰时，系统仍能保持原有的稳定状态的良好的系统品质。虽

33、然系统保持了原有的稳定，但是脆性是一直存在的，如果干扰瞬间增减，系统脆性就有可能会被激发。由于复杂船舶电力系统规模日益庞大，各个子系统之间的关系也越来越复杂，当某个关键的子系统受到不确定性的干扰影响时可能发生会发生崩溃行为，最终可能致使整个船舶电力系统的崩溃3。脆性作为复杂船舶电力系统的一个基本属性被提出，是认识上的一次飞跃，为进一步研究复杂船舶电力系统奠定了坚实的基础；并且脆性与系统的可靠性息息相关，在实际应用中具有很大的潜在价值。目前，对脆性的分析和研究得到很多科研工作者的关注，也建立了一套新颖的理论体系，拓展了对脆性的研究空间。由脆性的定义可知，脆性是从材料力学领域引申而来，对复杂船舶电

34、力系统脆性的研究是船舶电力系统理论的一个重要组成部分，脆性是船舶电力系统在产生和发展过程中所固有的属性，而且是隐性的，不易被人们所察觉，于是需要不断的努力，从宏观和微观的角度认识与分析，以便在复杂船舶电力系统设计时以及运行过程中，及时地评价与分析系统的脆性问题，以免造成不必要的损失。在船舶电力系统脆性的理论基础上，基于交流潮流算法，建立船舶电力系统脆性第 1 章 绪论 -3-的 Agent 图模型，模拟系统的脆性被激发后，子系统内部潮流变化和传递的过程。在脆性模型的基础上，利用粒子群优化算法54 和蚁群算法求解复杂船舶电力系统脆性的最大崩溃路径，模拟出系统受到致命性的干扰后，脆性被激发和演变的

35、过程和路径，最大崩溃路径的研究为船舶电力系统的初始设计，提供很好的依据，如果在设计初期，就尽量避开最大崩溃路径，可大大减少崩溃后给船舶电力系统带来的危害，对预防脆性的发生，具有非常重要的应用价值。通过对复杂船舶电力系统脆性建模的研究，不但有利于加深对复杂船舶电力系统的认识，提高船舶电力系统承受危机事件或者突然事件的能力，而且为船舶电力系统的决策、设计和资源的分配等问题提供科学依据，为预防、解决危机提供决策性的意见6，对于复杂船舶电力系统避免脆性的激发具有重要的理论指导和实际意义。从脆性的角度来看，复杂船舶电力系统危机的产生和发展源于系统的脆性。另外，由于船舶在国防建设中，充当着非常重要的角色，

36、所以，针对船舶电力系统脆性建模仿真的研究，也关系到国家的安全和稳定，在船舶电力系统设计和运行过程中，考虑到船舶电力系统的抗打击能力，以及在遭受一定打击时，仍能保持正常工作的能力。针对船舶电力系统脆性的研究，有利于提升国防武器装备的先进性，并为国防武器装备的设计和研究提供基础。船舶电力系统的规模比较大、复杂程度也比较高，且系统具有不可逆性和敏感性，子系统之间也存在着强烈的非线性作用，其中某一子系统在内外干扰下特别容易崩溃，并致使与其有关联的其它子系统也相继崩溃，最终导致整个复杂船舶电力系统崩溃。因此，分析与研究复杂船舶电力系统的脆性，对提高系统的可靠性，有着非常重要的民用和军事意义。1.3 国内

37、外的发展和研究现状 图 1.1 复杂系统脆性与脆弱性的关系 Fig.1.1 The relation between brittleness and Vulnerability 脆性 脆弱性 可靠性 江苏科技大学工学硕士学位论文 -4-如图 1.1 所示，脆性（Brittleness）包含了脆弱性(Vulnerability)，且与可靠性有着密切的关系，在阐述脆性之前，先描述脆弱性在国内外的发展现状。20 世纪 90 年代以来，越来越多的学者，在不同领域，对脆弱性展开了广泛的研究。英国、美国、荷兰等欧洲国家对脆弱性的研究处于领先地位，已将脆弱性的研究成果应用到国防安全、交通、环境、金融等各个不

38、同领域7，而我国对脆弱性的研究仅在对自然灾害、环境保护等少数领域有相关报道。L.H.Keel 应用,l,H,H12方法设计控制器对脆弱性进行研究，当系数仅受到一些小干扰时，整个系统都失去了稳定8。此文的发表引起很多学者对鲁棒系统是否具有脆弱性的问题产生了质疑。在 L.H.Keel 研究脆弱性的基础上，Domenico Famularo 应用线性矩阵不等式，研究鲁棒系统的脆弱性问题，并且考虑了2LQ/H鲁棒综合对不确定的稳态反馈控制器的影响9。Aivars Celmins 在美国陆军研究所，应用模糊和概率统计等相关理论推导出所研究模型的脆弱性10。Ang，A.H.S.，Pires，J.A.采用蒙

39、特卡罗方法对电力系统的相关数据进行处理，完成了对变电站等关键设备的脆弱性的研究11。并且研究出系统中某个变电站或者其它关键设备发生故障而不能正常工作时，会导致整个系统的不能正常工作，进而导致崩溃。国防系统牵涉到一个国家的安全性，其性能恶化可能会致使整个国家国防系统的严重瘫痪，所以，在设计国防系统时，要充分考虑系统的稳定性，避免国防系统受到干扰后脆弱性的发生。为了进一步研究国防系统的脆弱性，Fortesque Corpration 设计了一套软件，能精确计算出国防武器的脆弱性范围和维修次数，这样就可以在系统开发阶段发现问题，并及时加以修改12。随着人类生活水平的逐渐提高，环境保护问题也越来越受到

40、人们的关注。Soutter应用蒙特卡罗分析方法，研究分析了地下水资源系统及整个地球在使用杀虫剂后表现出的脆弱性1413。我国的学者王经民在探讨黄土高原生态环境脆弱性计算方法时，给出了黄土高原生态环境脆弱性的数学方法15。脆弱性是复杂系统在不确定性干扰或打击下的损伤程度。在研究复杂系统时，只研究系统受到不确定干扰或打击时的损失程度，是远远无法达到研究复杂系统内部特征的目的，于是复杂系统的新的基本特性脆性就被引申出来16。在 1986 年 Holland J H.从环境和规则的角度，基于人工智能及遗传算法，研究了复杂系统的脆性问题17。在文献18中，作者基于适应性 Agent 图研究交通系统的脆性

41、，分析了交通系统在受到路况环境和人流量等因素干扰后，可能到交通系统的脆性被激发，导致交通系统瘫痪，影响交通。文献19应用滑动t检验法分析 2003 年春发生的非典型性肺炎疫第 1 章 绪论 -5-情，并利用脆性理论对非典型性肺炎疫情进行脆性分析研究，得出结果是，如果疫情没有及时得到控制，会影响到社会的稳定性。船舶电力系统的可靠性问题在 80 年代中期才被列入议事日程。国防科技规划在1991 年时再次将船舶电力系统可靠性提上日程，且注明为“舰船总体可靠性通用模型及软件包研究”，要求重点解决评价模型和方法问题，这两次的国防科技规划标志着我国的船舶可靠性研究步入正轨。由于船舶电力系统的可靠性越来越受

42、关注，这使得对船舶电力系统脆性的研究也越来越重要。针对船舶电力系统脆性的研究，基于元胞自动机对舰船电力系统进行脆性建模，模拟仿真复杂舰船电力系统在受到内外干扰后系统脆性演变的过程20；基于熵理论研究船舶电力系统脆性，给出船舶电力系统脆性概率熵、脆性综合概率熵、脆性风险熵、脆性综合风险熵的定义21。但由于目前对于电力系统脆性的研究还处于初始阶段，针对船舶电力系统脆性的研究就更少了，大多是将电力系统的脆性研究结果应用到船舶电力系统中。基于 Agent图建立复杂船舶电力系统的脆性模型，具有清晰直观、逻辑性强且定性分析和定量分析相结合的特点性，为复杂船舶电力系统脆性的研究开拓了一个新思路，具有广阔的应

43、用前景。以上国内外的研究经验为我所选的课题，复杂船舶电力系统的脆性建模仿真研究提供了宝贵的经验。1.4 研究内容 在国内外文献的基础上，本文以复杂船舶电力系统为研究对象，从复杂系统的角度对船舶电力系统进行研究，船舶电力系统除了具有开放性、复杂性、进化与涌现性、层次性之外，还具有脆性，脆性是复杂船舶电力系统的一个基本的特性。本文以某混合馈线式船舶电力系统为例，基于Agent图建立系统脆性模型，基于交流潮流调节系统潮流分配，求解系统的最大崩溃路径，并研究系统脆性与混沌之间的内部机理，主要从以下方面展开研究：（1）介绍了本课题的研究背景、目的和意义，对国内外文献进行了综述，阐述复杂系统的脆弱性与脆性

44、的关系，并从相关领域简单介绍脆性的研究，最后介绍了本课题研究的对象和主要内容。（2）给出复杂船舶电力系统的脆性的定义、特点以及数学描述，并论述了复杂船舶电力系统脆性的特征和客观存在性，基于脆性理论，给出了复杂船舶电力系统的脆性的传递模型。（3）简单介绍赋权图理论，在此基础上阐述Agent图模型，基于交流潮流理论，建立复杂船舶电力系统脆性的Agent图模型，模拟和分析系统脆性被激发的过程。当某一子系统因故障崩溃后，系统潮流会重新分配，基于交流潮流的平衡条件来调整系统江苏科技大学工学硕士学位论文 -6-的有功功率和无功功率，使船舶电力系统尽量避免脆性的激发，维持在稳定范围内。（4）在复杂船舶电力系

45、统脆性的 Agent 图模型的基础上，利用粒子群优化算法和蚁群算法求解系统脆性的最大崩溃路径。粒子群优化算法通过粒子不断更新速度和位置寻找到全局最优解；而蚁群算法通过蚂蚁之间信息素的联系，在选择时能够选择最优路径继续行走，最后寻找到全局最优。利用两种优化算法寻找复杂船舶电力系统脆性被激发后的崩溃路径，对预防系统脆性发生有着非常重要的意义。（5）基于混沌理论分析复杂船舶电力系统的脆性，并结合实际的混合馈线式船舶电力系统建立基于混沌理论的脆性模型，系统在混沌产生条件的刺激下，船舶电力系统的脆性被激发，求出此时的K熵值，检测系统的无序程度，并研究系统 Lyapunov指数的变化情况，分析系统在脆性激

46、发后是否处于混沌状态。进一步论证脆性是系统从有序稳定状态到混沌状态的过程。第 2 章 复杂船舶电力系统的脆性理论 -7-第 2 章 复杂船舶电力系统的脆性理论 2.1 引言 复杂船舶电力系统是由发电、配电、输电和用电等多个模块构成，具有开放性、动态性、各个环节交互作用等特点，当一个子系统遭受足够大的外力(外力除了物理意义上的外力，也包括信息、物质流等外界因素)打击时，会破坏原来的有序状态，进而形成一种新的无序状态，此时称该子系统崩溃。该子系统会与其它的子系统交换物质和能量，它的崩溃会使其它子系统的有序状态遭到破坏，最后造成崩溃，依次递推，随着崩溃子系统数量的增多，层次的扩大，最终将导致整个复杂

47、船舶电力系统崩溃，从而带来难以估量的损失，复杂船舶电力系统这种客观存在的现象即脆性。本章主要介绍复杂船舶电力系统的脆性理论，在脆性定义的基础上，给出船舶电力系统的数学描述，以及与一般复杂系统脆性的区别，并论证船舶电力系统脆性的客观存在，多米诺骨牌模型、金字塔与倒金字塔模型等三种脆性模型，从图形化的角度更加直观地了解脆性，为了分析船舶电力系统脆性被激发后，系统的崩溃情况，引入系统脆性熵的概念，定性的研究各个子系统之间的脆性联系以及崩溃情况。2.2 船舶电力系统脆性的定义 脆性最原始的概念是物体在外力作用下（如拉伸、冲击等），容易破碎的性质，在字典中的定义是：“物体受拉力或冲击时，容易破碎的性质”

48、；“材料在断裂前未觉察到的塑性变形的性质”。由于船舶电力系统自身存在固有的缺陷，这些干扰很可能会使系统突然崩溃，为了表征系统的一个新的特性，借鉴于已有的研究成果，本文把材料力学中的脆性的概念，引申到对复杂船舶电力系统的脆性属性的研究中。对于一个开放的复杂船舶电力系统，当系统内的某一个子系统受到来自内部（系统自身缺陷）或外部的干扰打击时，会因失去原有的稳定性而崩溃，与这个子系统存在着能量或者物质联系的其它子系统，由于受到这个子系统崩溃的影响，也相应的失去原有的稳定性，依次类推，最终将致使整个船舶电力系统的崩溃22，整个系统崩溃的这一特性称之为复杂船舶电力系统的脆性。对于一个复杂船舶电力系统有序状

49、态被破坏的形式有很多，例如某种功能或特性的丧失，突变等等。因此建立船舶电力系统脆性的数学描述显得非常必要。由发电机、配电板和负载等多个子系统组成的一个复杂船舶电力系统ssL，其中的子系统分别记为siC、sjC，设siC、sjC的自治方程分别为：siC：),(.tXfXii (2.1)江苏科技大学工学硕士学位论文 -8-sjC：),(),(.txgtxfXsjjjj (2.2)式（2.2）中的),(txgsj为关联项，且记2),(txgsj为关联项的能量。当siC遭受外界干扰时，失去原有的稳定状态，进而崩溃；由于船舶电力系统的各个子系统ssC之间存在耦合作用，siC使得与其有关联的子系统崩溃，进

50、而导致整个船舶电力系统ssL崩溃，则称复杂船舶电力系统ssL所具有的这一特性为脆性；siC可称之为脆性源。由siC的自治方程（2.1）知，在某时刻T，当siC遭到不确定性的打击时，对于任)(TxUx均有Jxf)(，其中J为有序指标集，那么就称siC在T时刻为崩溃边缘。设定任意0，Tt，若子系统siC在t时刻崩溃，称在打击下子系统siC崩溃，且称为打击算子。在复杂船舶电力系统ssL中，设定在打击下子系统siC崩溃，同时sjC的关联项),(txgsj在此打击下的二范数有：0),(lim2txgsjxt，其中2),(txgsj的大小体现船舶电力系统ssL中各子系统之间脆性作用的强弱，那么称子系统si