海运船舶操纵的控制技术研究

【摘要】本文对海运船舶操作系统进行了简要介绍，并对常用的海运船舶操纵舵的控制方法进行了描述，最后对海运船舶操纵的最新发展趋势进行了研究。

【关键词】船舶操纵；控制技术；研究

1、海运船舶操纵系统介绍

船舶的“大脑”，也就是船舶操纵系统，能够根据实际情况通过避险系统的提示进操

船指令，并且能够保证船舶按照设定好的最优航行路线前进。这个 “大脑”包括左脑“导航检测设备”以及 “右脑”自动舵。舵是目前应用最广泛的船舶航向操纵装置，舵接收到的操纵指令由操舵仪控制完成，操舵仪能够实现的控制动作包括航迹控制、航向保持、随动、应急处理四种。

2、海运船舶操纵舵的控制方法

2.1 PID控制

自动舵一直到1970s初仍属于简单控制设备，舵角信号是比例系数和与航向偏差的乘积，而航向偏差等于给定航向与实际航向之差，比例常数宜整定以适应环境和载重要求，且比例系数宜取较低数值以避免振荡。这种简单的比例（P）控制对于稳定低速航行的船舶是能够满足控制要求的，但对不稳定的船舶就不适用了。事实上，根据比例-微分控制——当横向的风引起下风或上风力矩干扰时，为使船舶维持当前航向，应该对航向偏差进行积分处理。这种控制中比例系数是对实际误差的，微分是对实际误差的细分，而积分是实际误差的累计。

Mort提出在控制系统中对偏差倒数的积分会影响舵的反应速度，使其变慢，所以需要加入加速项来平衡这种影响。将以上控制参数设定适当的数值，可以得到相对理想的效果。但是PID控制非常容易受到海浪高频干扰，故实际中人们常采用复杂变化的天气调节来避免这种干扰。不过这会使船舶控制系统低频特性不断恶化，并造成周期性偏离航道，进而使得航行精度大大降低，能量消耗急剧增加。此外，当船舶的动态特性或环境条件发生变化时，需要人工设定控制系统中的参数，以避免频繁操作、操作幅度大等不良控制效果。而参数的人工整定十分复杂，所以人们提出了新的方法——自适应控制法。PID控制过程图如图1.2 所示：

2.2 自适应控制

为适应船舶和环境条件的动态特性，整定好的PID控制参数应当由船舶自适应系统全自动识别，且这个过程是连续高效的。目前实际船舶操纵中的自适应控制方法包括自适应PID设计法、随机自适应法、和变结构法等。以上方法各有所长，实际应用时应当结合具体情况灵活选择。

为解决自适应函数的波浪条件识别问题，Sugimoto提出自适应PID设计法，即把自

适应的核心思想融入PID控制器设计。自适应函数根据载重情况、船速、和波浪条件信号选择最合适的控制参数，并将参数传递给卡尔曼滤波器和控制器；同时，采用海洋分析器对波浪实施测量，然后进行波浪条件指标的计算。

Merb等人提出随机自适应法，该方法由海浪功率谱确定一个参数，海浪功率谱

是海浪自回归滑动平均模型中的重要因子，随机自适应法代价函数如下：

在Ohtsu等的方法基础上， Akaike提出了多变量的随机系统辨识模型，模型的核

心是Akaike信息标准，且该模型受控制信号的大小、变量偏差以及变化率补偿值三个因子影响。

2.3 智能控制

传统控制法对成比例、有限维度、时长固定的控制过程是适用的。这种控制过程是充分已知的，能够用线性分析法进行处理和控制，但实际航行过程中的船舶控制系统是复杂多变的，而不是一个稳定的系统，所以几乎无法实现方程化模型的建立，更无法进行分析和表示。

人工操作者可以通过对以往突发情况的解决经验和人脑的理解与反应，对船舶进行有效的控制。所以，人们受到启发开始寻找与人脑反应相似的非人工智能控制方法。智能控制至今虽然已经发展了二十几年，但实质上仍处于开发和创造性的研究阶段。目前，国内外对非人工智能控制的研究方向及内容主要包括系统结构、基于不同类型网络的智能控制等方面。

典型航向控制自动智能舵工作原理如图3所示

3、海运船舶操纵发展趋势

（1）實时数据更新系统。

实时综合数据船桥更新系统集多种航运监测手段于一体的综合实时数据更新系统，它采用以太网将各子系统联系在一起，实现航行控制与决策支持的系统一体化，从而对航行过程的天气、航向、航迹进行实时记录。

（2）采用模块化结构

采用可拓展的模块化结构，可使船舶控制系统具备智能航向选择和航向保持的能力，还能够对气象监测设备进行选配，甚至能够制定基于用户需求的最优航行路线。控制系统采用开放式结构，用户可以对所有硬件和软件进行升级。

（3）系统人机界面实现菜单化

航迹舵包含航行时间、航行路线、 航行环境监测、定位与保持等若干控制板块，同时航迹舵还能够模拟两种不同水域的驾驶模式。航行路线的控制板块通过航行转向点对航线进行编辑，一般航线包括圆形、线形、混合形三种；定位控制模块采用GPS实时定位船舶位置；航向保持控制模块则自动确定最佳船头朝向，并进行定点航向变更。因此，航迹舵比航向舵更精准、更高效。

（4）配备电子海图显示和信息系统。

控制系统配备有电子海图显示和信息系统，则称其为船舶控制系统，简称ECDIS，其最核心的优点是面向对象的结构使它具备获取海图全部详细信息的能力。此外控制台可对雷达图像和电子海图进行叠加处理，实现航海环境的多维度显示，为操纵和监控船舶提供准确立体的信息。

（5）设备集成

中央控制台把航迹舵和雷达等集成于一体。控制台可以将保持安全航行和实施经济操纵所需的核心信息显示在高分辨率显示器上，包括控制器CPU数据、船舶导航信息和燃料剩余及航行速度等信息。

（6）采用航行优化和安全系统。

该航行策略的制定综合了天气预报、船舶经济性、海况、和计划时间等。系统每天更新气象数据，以便为船长提供有力的决策支持。系统在气象恶劣的情况下能够进行船舶安全驾驶决策和事故避免；专家系统给出驾驶参数的最佳建议，尽量避免船体受风浪损坏；对不利于航行的驾驶环境做出提示，为驾驶者提供优化航行的决策帮助；推进效率管理可节省燃料。

参考文献：

[1]张显库，贾欣乐.船舶运动控制.北京：国防工业出版社，2006.

[2]石林龙.船舶遥控驾驶操纵仿真系统的设计与实现：（硕士学位论文）.大连：大连海事大学，2007.

[3]鞠世琼.船舶航迹舵控制技术研究与设计.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2007.2：10-36 页

作者简介：苏福亮（1981-），男，汉族，籍贯天津，中级职称，硕士学位，研究方向：船舶操纵。