海運船舶操縱的控制技術研究

【摘要】本文對海運船舶操作系統進行了簡要介紹，并對常用的海運船舶操縱舵的控制方法進行了描述，最后對海運船舶操縱的最新發展趨勢進行了研究。

【關鍵詞】船舶操縱；控制技術；研究

1、海運船舶操縱系統介紹

船舶的“大腦”，也就是船舶操縱系統，能夠根據實際情況通過避險系統的提示進操

船指令，并且能夠保證船舶按照設定好的最優航行路線前進。這個 “大腦”包括左腦“導航檢測設備”以及 “右腦”自動舵。舵是目前應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，操舵儀能夠實現的控制動作包括航跡控制、航向保持、隨動、應急處理四種。

2、海運船舶操縱舵的控制方法

2.1 PID控制

自動舵一直到1970s初仍屬于簡單控制設備，舵角信號是比例系數和與航向偏差的乘積，而航向偏差等于給定航向與實際航向之差，比例常數宜整定以適應環境和載重要求，且比例系數宜取較低數值以避免振蕩。這種簡單的比例（P）控制對于穩定低速航行的船舶是能夠滿足控制要求的，但對不穩定的船舶就不適用了。事實上，根據比例-微分控制——當橫向的風引起下風或上風力矩干擾時，為使船舶維持當前航向，應該對航向偏差進行積分處理。這種控制中比例系數是對實際誤差的，微分是對實際誤差的細分，而積分是實際誤差的累計。

Mort提出在控制系統中對偏差倒數的積分會影響舵的反應速度，使其變慢，所以需要加入加速項來平衡這種影響。將以上控制參數設定適當的數值，可以得到相對理想的效果。但是PID控制非常容易受到海浪高頻干擾，故實際中人們常采用復雜變化的天氣調節來避免這種干擾。不過這會使船舶控制系統低頻特性不斷惡化，并造成周期性偏離航道，進而使得航行精度大大降低，能量消耗急劇增加。此外，當船舶的動態特性或環境條件發生變化時，需要人工設定控制系統中的參數，以避免頻繁操作、操作幅度大等不良控制效果。而參數的人工整定十分復雜，所以人們提出了新的方法——自適應控制法。PID控制過程圖如圖1.2 所示：

2.2 自適應控制

為適應船舶和環境條件的動態特性，整定好的PID控制參數應當由船舶自適應系統全自動識別，且這個過程是連續高效的。目前實際船舶操縱中的自適應控制方法包括自適應PID設計法、隨機自適應法、和變結構法等。以上方法各有所長，實際應用時應當結合具體情況靈活選擇。

為解決自適應函數的波浪條件識別問題，Sugimoto提出自適應PID設計法，即把自

適應的核心思想融入PID控制器設計。自適應函數根據載重情況、船速、和波浪條件信號選擇最合適的控制參數，并將參數傳遞給卡爾曼濾波器和控制器；同時，采用海洋分析器對波浪實施測量，然后進行波浪條件指標的計算。

Merb等人提出隨機自適應法，該方法由海浪功率譜確定一個參數，海浪功率譜

是海浪自回歸滑動平均模型中的重要因子，隨機自適應法代價函數如下：

在Ohtsu等的方法基礎上， Akaike提出了多變量的隨機系統辨識模型，模型的核

心是Akaike信息標準，且該模型受控制信號的大小、變量偏差以及變化率補償值三個因子影響。

2.3 智能控制

傳統控制法對成比例、有限維度、時長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行處理和控制，但實際航行過程中的船舶控制系統是復雜多變的，而不是一個穩定的系統，所以幾乎無法實現方程化模型的建立，更無法進行分析和表示。

人工操作者可以通過對以往突發情況的解決經驗和人腦的理解與反應，對船舶進行有效的控制。所以，人們受到啟發開始尋找與人腦反應相似的非人工智能控制方法。智能控制至今雖然已經發展了二十幾年，但實質上仍處于開發和創造性的研究階段。目前，國內外對非人工智能控制的研究方向及內容主要包括系統結構、基于不同類型網絡的智能控制等方面。

典型航向控制自動智能舵工作原理如圖3所示

3、海運船舶操縱發展趨勢

（1）實時數據更新系統。

實時綜合數據船橋更新系統集多種航運監測手段于一體的綜合實時數據更新系統，它采用以太網將各子系統聯系在一起，實現航行控制與決策支持的系統一體化，從而對航行過程的天氣、航向、航跡進行實時記錄。

（2）采用模塊化結構

采用可拓展的模塊化結構，可使船舶控制系統具備智能航向選擇和航向保持的能力，還能夠對氣象監測設備進行選配，甚至能夠制定基于用戶需求的最優航行路線。控制系統采用開放式結構，用戶可以對所有硬件和軟件進行升級。

（3）系統人機界面實現菜單化

航跡舵包含航行時間、航行路線、 航行環境監測、定位與保持等若干控制板塊，同時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向點對航線進行編輯，一般航線包括圓形、線形、混合形三種；定位控制模塊采用GPS實時定位船舶位置；航向保持控制模塊則自動確定最佳船頭朝向，并進行定點航向變更。因此，航跡舵比航向舵更精準、更高效。

（4）配備電子海圖顯示和信息系統。

控制系統配備有電子海圖顯示和信息系統，則稱其為船舶控制系統，簡稱ECDIS，其最核心的優點是面向對象的結構使它具備獲取海圖全部詳細信息的能力。此外控制臺可對雷達圖像和電子海圖進行疊加處理，實現航海環境的多維度顯示，為操縱和監控船舶提供準確立體的信息。

（5）設備集成

中央控制臺把航跡舵和雷達等集成于一體。控制臺可以將保持安全航行和實施經濟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數據、船舶導航信息和燃料剩余及航行速度等信息。

（6）采用航行優化和安全系統。

該航行策略的制定綜合了天氣預報、船舶經濟性、海況、和計劃時間等。系統每天更新氣象數據，以便為船長提供有力的決策支持。系統在氣象惡劣的情況下能夠進行船舶安全駕駛決策和事故避免；專家系統給出駕駛參數的最佳建議，盡量避免船體受風浪損壞；對不利于航行的駕駛環境做出提示，為駕駛者提供優化航行的決策幫助；推進效率管理可節省燃料。

參考文獻：

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[2]石林龍.船舶遙控駕駛操縱仿真系統的設計與實現：（碩士學位論文）.大連：大連海事大學，2007.

[3]鞠世瓊.船舶航跡舵控制技術研究與設計.哈爾濱工程大學碩士學位論文.2007.2：10-36 頁

作者簡介：蘇福亮（1981-），男，漢族，籍貫天津，中級職稱，碩士學位，研究方向：船舶操縱。