三體無人救助艇設計與研發

王緒明， 宋學敏， 余向前， 劉維勤， 黃 珍, 丁 凱

(武漢理工大學 1a.國家水運安全工程技術研究中心；1b.高性能船舶技術教育部重點實驗室； 1c.自動化學院,武漢 430063；2.國網湖北省電力有限公司 電力科學研究院， 武漢 430077)

隨著國際貿易往來的增加，海上船舶日益增多，海事事故頻發，通常遇難、遇險時伴隨著惡劣的海洋環境。有人巡航救助平臺建設具有投資大、布點少及航速低的缺點，在惡劣海況下的安全救助和有效作業難以保證，較低的航速也會失去第一救援時間。高精度導航、智能化與無人駕駛高速船可滿足各種海況下的出航率和航行精準度；高精度導航可保障事發地點救助的準確性和有效性；無人駕駛高速船可確保救助的時效性，實現第一時間救助。因此，智能巡航救助船可顯著提升中國海事、中國漁政和交通運輸部中國海上搜救中心等海上救助部門的搜救能力。人工智能技術的持續創新和應用以及船舶的無人化、智能化必將成為水運行業的發展方向。[1]武漢理工大學智能交通系統研究中心研發一種具有自主智能避碰巡航、海事救助功能的三體無人艇。

目前，國內海上救助任務仍需大量的專業搜救人員參與，相關救助設備也都需要人工操作。在高海況下，搜尋遇險人員難，援救遇險人員更難。高海況下無人艇(Unmanned Surface Vessel,USV)的性能、姿態控制和自動化救援設備的研制等問題成為阻礙海上無人救援設備發展的關鍵技術難點。因此，我國亟需進行智能無人駕駛救助艇的前瞻性技術探索和研究。

1 無人駕駛巡航救助艇的船型設計

1.1 基于耐波性的船型論證

針對高海況條件下的無人駕駛巡航救助艇船型的耐波性能進行論證，優選出滿足無人駕駛巡航救助艇作業需求的船型。

選取單體船、雙體船及三體船等3類船型為研究對象，通過數值方法進行不同頻率、不同浪向規則波象的船舶運動響應預報并根據預報結果進行不同浪向規則波和不規則波國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference,ITTC)波浪譜條件下的船舶運動模擬。[2]為保證對比論證的合理性，各船型模型均采用折角船型，且單體船、雙體船片體、三體船主體與片體的船型均通過船型的仿射變換得到。單體船、雙體船和三體船的數值模型見圖1～圖3。不規則波中橫浪時單體船、雙體船和三體船的升沉運動時歷曲線見圖4。其中，不規則波中的船模耐波性預報，根據相關標準，采用ITTC雙參數波浪譜，其極限海況的波浪參數為：波高15.85 m，平均周期14.7 s。

圖1 單體船型模型

圖2 雙體船型模型

圖3 三體船型模型

影響無人駕駛巡航救助艇安全性的主要因素為橫搖,其次為縱搖，而過大的升沉運動可能會導致船體躍出水面或在跌落時受到較大的砰擊載荷。

1) 選擇船型時,先分析橫搖運動響應:迎浪或隨浪時3種船型均無橫搖；橫浪時單體船的橫搖角度明顯高于其他兩種船型，三體船則略高于雙體船；斜浪時雙體船的橫搖情況明顯惡化，甚至部分時刻的幅值高于單體船，而三體船明顯低于其他兩種船型。

圖4 不規則波中各船型橫浪升沉運動時歷曲線

2) 分析縱搖運動響應:橫浪時3種船型中雙體船的幅值略高，其他兩種船型相對略低且差別不明顯；斜浪時雙體船的縱搖運動幅值明顯高于其他兩種船型。

3) 考慮升沉運動響應分析，橫浪時單體船的升沉運動最大，斜浪時雙體船的運動響應最大。

因此,可得到以下結論：

(1) 單體船在橫浪與斜浪中的橫搖運動幅值較大，不適合作為無人駕駛巡航救助艇的船型；

(2) 雙體船在斜浪中耐波性能急劇惡化，往往出現躍出水面又跌回水中的現象，導致船體砰擊壓力較大，也不適合作為無人駕駛巡航救助艇的船型；

(3) 對于三體船而言，少部分工況的運動響應略高于單體和雙體船型，但不顯著。在大部分工況中，三體船型的耐波性能明顯更好。

1.2 三體船的拖曳試驗

三體船相對常規單體船、雙體船是一種新船型。[3-5]三體船的設計兼具快速性、低消耗、適航性和良好的操縱性的優點。無人駕駛巡航救助艇采用的船體型線具有其特殊性，融合常規高速船、三體船、USV和游艇的相關設計理念與成功經驗是為無人駕駛巡航救助艇定制的新船型。

為探索和觀測船舶高速運行時三體船的阻力情況，設計并制作縮尺比船模，與中國特種飛行器研究所進行船模的拖曳試驗，觀測無人駕駛巡航救助艇在海上高速航行的狀態。變換組合三體船兩片體和主體的相對位置，測量得到各工況下模型船的阻力性能、縱傾角和升沉等參數，找出阻力性能最優的主/片體相對位置，為船舶的型線設計優化提供指導與參考依據。

綜合考慮水池的寬度等因素，選取實船和模型船縮尺比為1∶4，實際船和模型船的主尺度參數見表1。試驗模型船舶在水動力試驗室加工、材料木質、模型船表面經打磨光滑、噴漆處理，通過檢驗符合“一般排水量船模阻力試驗規程和結果的標準表達形式(CB*/Z 244—1988)”中的允差標準。為考慮兩片體和柱體布置位置對船體的阻力性能、縱傾角等的影響，選取21個典型工況，進行拖曳試驗。各工況主片體布置詳情見表2,其中:縱向-225是指片體在主體后225 mm位置;橫向600是指片體中縱剖面與主體中縱剖面相距600 mm，以此類推。

表1 實船與船模的主尺度參數

本試驗主要分為兩個階段：

1) 通過主體設計載荷試驗時的興波情況，找出兩片體相對于主體的位置。

2) 通過模型船舶試驗測得三體船兩片體的6個相對布置位置，每個布置位置3種排水量的阻力、航行姿態角以及升沉。船模的阻力隨著拖曳速度的增大逐漸增大,見圖5。當船速達到10 kn/s時，船舶的縱傾角度達到最大值,見圖6。船模的升沉運動隨著拖曳速度的增加而增加,見圖7。

表2 試驗工況表

圖5 各工況靜水阻力曲線

圖6 各工況縱傾曲線

圖7 各工況升沉曲線

觀察試驗所得阻力、航行姿態角以及升沉曲線可知，各工況下片體位置前置時的阻力比其他各工況都小。由于此三體艏部尖廋使船舶的浮心靠后，綜合考慮船舶浮心和重心位置，選擇片體中后置方案。

1.3 總布置設計

三體無人巡航救助艇相對于常規船舶，其總布置特殊性體現在其操作方式上——無人駕駛、環境感知、智能控制。機艙和自動控制設備需成為一個相對獨立的封閉空間，既要保證各種設備的正常運轉，又要避免被救起人員誤入機艙，造成機器或人員損害。此外其最大的特殊性體現在船舶功能上——救助艇,要求船舶根據不同的救助方式選取相應的救助手段和設備，船舶的一切設計要以傷員的救助和安置為首要考量，對三體無人救助艇的總布置提出更高的要求。

三體無人高速巡航搜救船的總布置，主要從整體外觀、系統效能和增長潛力等3方面入手。根據三體無人高速巡航搜救船的自身特點，對其總布置進行總體設計。

1.3.1整體外觀

船舶的總布置設計不可避免地要考慮到外觀設計。外形設計的優劣、是否具有美感以及其易用性等是需要綜合考慮的因素。USV是復雜的水上建筑，其外觀是否具有現代氣息，如何體現我國現代化水平，也是總布置設計時需要考慮的一項指標。

1.3.2系統效能

為有效地完成預設任務，總布置必須完備。充分利用有限的空間，保證技術的水平發揮和良好的居住性，確保人員得到良好的休息以實現救援任務：離開母船；行駛至救援點；搜索并開展救援任務；搭載傷員返航。這整個救助任務順利完成。

1.3.3增長潛力

增長潛力是指隨著新技術更新速度的加快。為有效地實行海上救助任務，三體無人救助船很可能面臨各種各樣的救援環境，或者進行一些非救助性質的特殊任務，包括海洋勘探、氣候偵測、海上巡邏等。

通過以上各個方面的綜合考量，最終確定三體無人救助艇總布置圖見圖8，實船見圖9。

圖8 三體無人救助艇總布置圖圖9 三體無人救助艇實船

2 無人艇智能控制平臺

2.1 “航行腦”系統

“航行腦”系統是服務于三體無人救助艇的智能平臺，由感知、認知、決策和執行等功能空間組成。在無人救助艇航行過程中，由于外部環境的不確定性和本身運行狀態的時變性，駕駛行為譜具有多樣性的特點。不同水域條件和管制要求，船舶的避讓、航行規則都有較大的變化。機器學習是解決無人救助艇行為描述與建模的有效工具。然而，傳統的機器學習方法需要大量的訓練樣本；對于船舶的駕駛行為尤其在復雜、危險場景下，由于可采集到的樣本量較少，無法保證學習過程的有效性。因此，使用稀疏矩陣、稀疏編碼等方法，提出基于小樣本量且適合船舶駕駛行為理解的機器學習方法，增強“航行腦”系統的認知、學習能力，建立駕駛行為譜的描述機制。

2.2 智能通信網關系統

現有的單一網絡服務不能完全滿足USV通信網絡多樣性和個性化的需求。因此，本研究采用多種無線通信技術的融合解決單一網絡無法實現的功能，異構融合通信網絡的研究是當前通信領域研究的重點。本船舶設計采用基于圖傳電臺、4G/5G路由服務器和海事衛星通信等多種通信方式構建多模態無線通信網絡見圖10。測控地面站主要通過圖傳電臺、4G/5G路由服務器、衛星通信等無線鏈路接收無人艇平臺的位置、姿態、運動狀態、工作狀態等實時數據并實現對其遠程遙控。

圖10 無人駕駛多功能海事船艇多模異構通信 網絡結構示意

3 海上人員救助系統

3.1 海上自主巡航系統

無人救助艇常態巡航是根據目標水域環境規劃航行的?！昂叫心X”實時送出無人艇航向、航速指令，按照預規劃航線勻速巡航,在航行過程中實時收集周圍障礙物信息和海上其他船舶的位置、航速信息，同時實現自主避碰和海上巡航監督。[6-8]

無人救助艇在搜救巡航時，有區分目的地航行和搜救水域航行兩種模式。目的地航行是在保持航向精確性和續航性，航向改變的決策是機動性和安全條件下的轉向快速性。搜救水域航行是在給定的搜救水域內分區巡航，搜救裝備識別、鎖定目標為優先航行指令。自主航行系統框圖見圖11。無人救助艇自主航行執行過程如下：

圖11 自主航行系統框圖

1) 母船(或岸基)通過遠程通信將目的地位置信息發送給無人救助艇，通過航線規劃模塊以最優路徑原則規劃設計出航線節點和航向轉向點。

2) 實時采集位置信息，航向控制器模塊根據給定航向與當前航向進行比較，計算出當前航向偏差，采用比例-微分-積分(Proportional Integral Differential,PID)控制算法得出合適的噴射角度，傳輸給噴水推進系統控制器。

3) 實時采集船速信息，航速控制器模塊根據給定船速與當前船速進行比較，計算出合適的推進器轉速，輸出給噴水推進系統控制器。

4) 實時采集超前探測儀、雷達等傳感器信息，將得到的動、靜態障礙物距離方位信息發送到自主避碰模塊，運用智能避碰算法輸出給定船速和給定航向，分別傳輸給對應給定航向處理模塊和給定航速控制器模塊。

3.2 冷熱紅外光電跟蹤系統

光電跟蹤系統為冷熱紅外探測儀，集成全方位/俯仰云臺的成像儀，能提供360°全方位有效搜索水域范圍內的遇險人員信息。一旦搜索識別出水上人員信息，采用多目標手法加以鎖定，同時警示母船(或岸基)比對確認。探測儀與無人救助艇的救助裝置控制系統相連接，由母船(或岸基)發出自動釋放、遙控釋放救助裝置的指令，實施相應方式的救助。

3.3 海上人員救助系統

針對無人救助艇的自動救援設備種類相對匱乏的問題，設計一套柔性空投式救生筏自動投射裝置側視圖見圖12,包含布置在無人救助艇上的壓縮空氣儲氣罐和釋放裝置，柔性空投式救生筏以及拋射裝置。當無人救助艇到達救援目標區域附近時，利用高壓儲氣罐釋放出的高壓氣體，經導氣管路進入拋射筒內的增壓氣腔中，當高壓氣體達到額定氣壓時，壓力開關閥釋放高壓氣體，將柔性空投式救生筏拋出。柔性空投式救生筏落水后自動展開，搭救落水人員，筏索與無人救助艇相連。

圖12 氣脹救生筏投射裝置側視圖

4 結束語

本文論述小型三體無人救助艇船型選擇比較的方法，獲得優良的主片體相對位置布置及船舶型線，總體優化設計三體無人救助艇的總布置。研發三體無人救助艇的“航行腦”系統智能控制平臺、智能通信網關、智能自主航行系統、遇險人員救助裝置，利用冷熱紅外光電跟蹤系統，實現遇險人員的救助。通過多學科的融合，集成無人救助艇相關專業的研究成果，完成三體無人救助艇的設計和系統研發工作。當然，USV的研究工作尚需拓展、深入，如母船(或岸基)之間不間斷、無延時的遠程通信保障,系統的高可靠性,網絡的安全保證,USV的適航性、自健康、自回收、長生存能力等。