海運(yùn)船舶操縱的控制技術(shù)研究

【摘要】本文對(duì)海運(yùn)船舶操作系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)常用的海運(yùn)船舶操縱舵的控制方法進(jìn)行了描述，最后對(duì)海運(yùn)船舶操縱的最新發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】船舶操縱；控制技術(shù)；研究

1、海運(yùn)船舶操縱系統(tǒng)介紹

船舶的“大腦”，也就是船舶操縱系統(tǒng)，能夠根據(jù)實(shí)際情況通過避險(xiǎn)系統(tǒng)的提示進(jìn)操

船指令，并且能夠保證船舶按照設(shè)定好的最優(yōu)航行路線前進(jìn)。這個(gè) “大腦”包括左腦“導(dǎo)航檢測(cè)設(shè)備”以及 “右腦”自動(dòng)舵。舵是目前應(yīng)用最廣泛的船舶航向操縱裝置，舵接收到的操縱指令由操舵儀控制完成，操舵儀能夠?qū)崿F(xiàn)的控制動(dòng)作包括航跡控制、航向保持、隨動(dòng)、應(yīng)急處理四種。

2、海運(yùn)船舶操縱舵的控制方法

2.1 PID控制

自動(dòng)舵一直到1970s初仍屬于簡(jiǎn)單控制設(shè)備，舵角信號(hào)是比例系數(shù)和與航向偏差的乘積，而航向偏差等于給定航向與實(shí)際航向之差，比例常數(shù)宜整定以適應(yīng)環(huán)境和載重要求，且比例系數(shù)宜取較低數(shù)值以避免振蕩。這種簡(jiǎn)單的比例（P）控制對(duì)于穩(wěn)定低速航行的船舶是能夠滿足控制要求的，但對(duì)不穩(wěn)定的船舶就不適用了。事實(shí)上，根據(jù)比例-微分控制——當(dāng)橫向的風(fēng)引起下風(fēng)或上風(fēng)力矩干擾時(shí)，為使船舶維持當(dāng)前航向，應(yīng)該對(duì)航向偏差進(jìn)行積分處理。這種控制中比例系數(shù)是對(duì)實(shí)際誤差的，微分是對(duì)實(shí)際誤差的細(xì)分，而積分是實(shí)際誤差的累計(jì)。

Mort提出在控制系統(tǒng)中對(duì)偏差倒數(shù)的積分會(huì)影響舵的反應(yīng)速度，使其變慢，所以需要加入加速項(xiàng)來平衡這種影響。將以上控制參數(shù)設(shè)定適當(dāng)?shù)臄?shù)值，可以得到相對(duì)理想的效果。但是PID控制非常容易受到海浪高頻干擾，故實(shí)際中人們常采用復(fù)雜變化的天氣調(diào)節(jié)來避免這種干擾。不過這會(huì)使船舶控制系統(tǒng)低頻特性不斷惡化，并造成周期性偏離航道，進(jìn)而使得航行精度大大降低，能量消耗急劇增加。此外，當(dāng)船舶的動(dòng)態(tài)特性或環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，需要人工設(shè)定控制系統(tǒng)中的參數(shù)，以避免頻繁操作、操作幅度大等不良控制效果。而參數(shù)的人工整定十分復(fù)雜，所以人們提出了新的方法——自適應(yīng)控制法。PID控制過程圖如圖1.2 所示：

2.2 自適應(yīng)控制

為適應(yīng)船舶和環(huán)境條件的動(dòng)態(tài)特性，整定好的PID控制參數(shù)應(yīng)當(dāng)由船舶自適應(yīng)系統(tǒng)全自動(dòng)識(shí)別，且這個(gè)過程是連續(xù)高效的。目前實(shí)際船舶操縱中的自適應(yīng)控制方法包括自適應(yīng)PID設(shè)計(jì)法、隨機(jī)自適應(yīng)法、和變結(jié)構(gòu)法等。以上方法各有所長(zhǎng)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體情況靈活選擇。

為解決自適應(yīng)函數(shù)的波浪條件識(shí)別問題，Sugimoto提出自適應(yīng)PID設(shè)計(jì)法，即把自

適應(yīng)的核心思想融入PID控制器設(shè)計(jì)。自適應(yīng)函數(shù)根據(jù)載重情況、船速、和波浪條件信號(hào)選擇最合適的控制參數(shù)，并將參數(shù)傳遞給卡爾曼濾波器和控制器；同時(shí)，采用海洋分析器對(duì)波浪實(shí)施測(cè)量，然后進(jìn)行波浪條件指標(biāo)的計(jì)算。

Merb等人提出隨機(jī)自適應(yīng)法，該方法由海浪功率譜確定一個(gè)參數(shù)，海浪功率譜

是海浪自回歸滑動(dòng)平均模型中的重要因子，隨機(jī)自適應(yīng)法代價(jià)函數(shù)如下：

在Ohtsu等的方法基礎(chǔ)上， Akaike提出了多變量的隨機(jī)系統(tǒng)辨識(shí)模型，模型的核

心是Akaike信息標(biāo)準(zhǔn)，且該模型受控制信號(hào)的大小、變量偏差以及變化率補(bǔ)償值三個(gè)因子影響。

2.3 智能控制

傳統(tǒng)控制法對(duì)成比例、有限維度、時(shí)長(zhǎng)固定的控制過程是適用的。這種控制過程是充分已知的，能夠用線性分析法進(jìn)行處理和控制，但實(shí)際航行過程中的船舶控制系統(tǒng)是復(fù)雜多變的，而不是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以幾乎無法實(shí)現(xiàn)方程化模型的建立，更無法進(jìn)行分析和表示。

人工操作者可以通過對(duì)以往突發(fā)情況的解決經(jīng)驗(yàn)和人腦的理解與反應(yīng)，對(duì)船舶進(jìn)行有效的控制。所以，人們受到啟發(fā)開始尋找與人腦反應(yīng)相似的非人工智能控制方法。智能控制至今雖然已經(jīng)發(fā)展了二十幾年，但實(shí)質(zhì)上仍處于開發(fā)和創(chuàng)造性的研究階段。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)非人工智能控制的研究方向及內(nèi)容主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基于不同類型網(wǎng)絡(luò)的智能控制等方面。

典型航向控制自動(dòng)智能舵工作原理如圖3所示

3、海運(yùn)船舶操縱發(fā)展趨勢(shì)

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)綜合數(shù)據(jù)船橋更新系統(tǒng)集多種航運(yùn)監(jiān)測(cè)手段于一體的綜合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)，它采用以太網(wǎng)將各子系統(tǒng)聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)航行控制與決策支持的系統(tǒng)一體化，從而對(duì)航行過程的天氣、航向、航跡進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

（2）采用模塊化結(jié)構(gòu)

采用可拓展的模塊化結(jié)構(gòu)，可使船舶控制系統(tǒng)具備智能航向選擇和航向保持的能力，還能夠?qū)庀蟊O(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行選配，甚至能夠制定基于用戶需求的最優(yōu)航行路線?？刂葡到y(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)，用戶可以對(duì)所有硬件和軟件進(jìn)行升級(jí)。

（3）系統(tǒng)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)菜單化

航跡舵包含航行時(shí)間、航行路線、 航行環(huán)境監(jiān)測(cè)、定位與保持等若干控制板塊，同時(shí)航跡舵還能夠模擬兩種不同水域的駕駛模式。航行路線的控制板塊通過航行轉(zhuǎn)向點(diǎn)對(duì)航線進(jìn)行編輯，一般航線包括圓形、線形、混合形三種；定位控制模塊采用GPS實(shí)時(shí)定位船舶位置；航向保持控制模塊則自動(dòng)確定最佳船頭朝向，并進(jìn)行定點(diǎn)航向變更。因此，航跡舵比航向舵更精準(zhǔn)、更高效。

（4）配備電子海圖顯示和信息系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)配備有電子海圖顯示和信息系統(tǒng)，則稱其為船舶控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱ECDIS，其最核心的優(yōu)點(diǎn)是面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)使它具備獲取海圖全部詳細(xì)信息的能力。此外控制臺(tái)可對(duì)雷達(dá)圖像和電子海圖進(jìn)行疊加處理，實(shí)現(xiàn)航海環(huán)境的多維度顯示，為操縱和監(jiān)控船舶提供準(zhǔn)確立體的信息。

（5）設(shè)備集成

中央控制臺(tái)把航跡舵和雷達(dá)等集成于一體?？刂婆_(tái)可以將保持安全航行和實(shí)施經(jīng)濟(jì)操縱所需的核心信息顯示在高分辨率顯示器上，包括控制器CPU數(shù)據(jù)、船舶導(dǎo)航信息和燃料剩余及航行速度等信息。

（6）采用航行優(yōu)化和安全系統(tǒng)。

該航行策略的制定綜合了天氣預(yù)報(bào)、船舶經(jīng)濟(jì)性、海況、和計(jì)劃時(shí)間等。系統(tǒng)每天更新氣象數(shù)據(jù)，以便為船長(zhǎng)提供有力的決策支持。系統(tǒng)在氣象惡劣的情況下能夠進(jìn)行船舶安全駕駛決策和事故避免；專家系統(tǒng)給出駕駛參數(shù)的最佳建議，盡量避免船體受風(fēng)浪損壞；對(duì)不利于航行的駕駛環(huán)境做出提示，為駕駛者提供優(yōu)化航行的決策幫助；推進(jìn)效率管理可節(jié)省燃料。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：蘇福亮（1981-），男，漢族，籍貫天津，中級(jí)職稱，碩士學(xué)位，研究方向：船舶操縱。