基于雙并聯(lián)平臺的港口船舶智能系泊方法研究

高 峰，唐友剛，趙鐵石，胡 克,，丁實興，胡傳琦

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心，天津 300456；3.燕山大學 機械電子工程系，秦皇島 066044 )

隨著信息化、新材質(zhì)、新能源與人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，作為水運行業(yè)中最關(guān)鍵的船舶與港口基礎(chǔ)設施自動化程度越來越高，但是作為連接船岸間系泊作業(yè)方式卻一直未有根本性改變[1-3]。全球航運業(yè)的高速發(fā)展帶來的船舶大型化趨勢，頻繁的系靠泊作業(yè)對裝卸效率的提升需求也越來越迫切，同時伴隨的安全風險和提升保障能力等問題已成為航運行業(yè)中關(guān)注的重點。船舶停泊期間，受水文氣象條件、裝卸作業(yè)導致船舶吃水頻繁變化等因素影響，必須不斷調(diào)整纜繩長度，以保證船舶泊穩(wěn)條件，不僅增大了船員勞動強度，而且存在事故風險。現(xiàn)代科技不斷進步，使得實時監(jiān)控、自主調(diào)整的新型智能化、無人化港口裝卸作業(yè)已成為現(xiàn)實，而利用高新技術(shù)保證船舶系泊期間的作業(yè)安全以代替多年來的傳統(tǒng)帶纜方式也已經(jīng)成為可能，如瑞士Cavotec 公司研發(fā)的Moor Master系統(tǒng)、瑞典Trelleborg公司的AutoMoor系統(tǒng)以及荷蘭Mampaey公司Dock Locking系統(tǒng)等均是已投入應用的自動系泊作業(yè)解決方案[4-5](見圖1)，這類吸盤式系統(tǒng)在對系泊作業(yè)中的船舶穩(wěn)定可取得較好效果[6]。同時，從未來港口發(fā)展來看，實現(xiàn)智能化的自動系泊系統(tǒng)有安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的特點，作為智慧型港口的重要組成部分，自動化系泊設施日益得到重視，需求迫切程度也在逐漸增加，其代替?zhèn)鹘y(tǒng)纜繩布置下的船舶系泊作業(yè)將是必然趨勢。

圖1 歐洲自動化系泊裝置典型產(chǎn)品與應用Fig.1 Typical products and applications of European automatic mooring devices

本文基于船舶水動力學及機構(gòu)運動學控制理論，提出一種基于雙并聯(lián)平臺構(gòu)建的可調(diào)節(jié)船舶運動量的碼頭智能化自動系泊方案，以期實現(xiàn)可在風浪流及潮位變化環(huán)境下自主調(diào)整船舶的動態(tài)系泊控制，研究依托功能樣機在波浪水池開展了船模測試以驗證方案可行性，通過降低船舶運動量來改善碼頭泊穩(wěn)條件優(yōu)化系泊作業(yè)環(huán)境。

1 基于雙并聯(lián)平臺的系泊方式

1.1 雙并聯(lián)構(gòu)型

港口船舶系泊系統(tǒng)需要滿足六自由度運動的要求，又需要具有良好的抗沖擊性能與較高的剛度特性，因此借鑒并聯(lián)機器人領(lǐng)域中可以實現(xiàn)六自由度運動的經(jīng)典Stewart構(gòu)型及其衍生機構(gòu)的特點，結(jié)合滿足船舶系泊的基本要求，采用雙并聯(lián)構(gòu)形，即6驅(qū)動、3助力的結(jié)構(gòu)型式(簡稱 6UPS/3UPS)。雙并聯(lián)機構(gòu)由6個驅(qū)動分支和12個助力分支以及上下平臺構(gòu)成。分支與下平臺通過虎克鉸連接，與上平臺通過球鉸連接，驅(qū)動分支的移動副作為驅(qū)動副，輔助分支的移動副充當輔助助力。并聯(lián)機構(gòu)# 1的驅(qū)動分支在圓周上均勻分布，并聯(lián)機構(gòu)#2的驅(qū)動分支交叉布置，這樣可以保證雙并聯(lián)機構(gòu)在初始位置不發(fā)生奇異。雙并聯(lián)系泊機構(gòu)在工作時主要分為單并聯(lián)單元獨立控制階段(即與船模接觸前以及和船模脫離后)和雙并聯(lián)單元同步控制階段(即雙并聯(lián)單元均與船模吸附)。雙并聯(lián)系泊機構(gòu)的兩個下平臺均與岸邊固定，可以將其視為一個大平面與岸邊固連。當兩個并聯(lián)單元的上平臺均與船模側(cè)舷接觸時，兩個上平臺共面，可以將其也等效為一個大平面，這個大平面與船身接觸。雙并聯(lián)機構(gòu)簡圖和其構(gòu)成的系泊系統(tǒng)等效模型如圖2所示。

圖2 雙并聯(lián)系泊機構(gòu)等效模型簡圖Fig.2 Schematic diagram of equivalent model of mooring double parallel mechanism

1.2 機構(gòu)運動學分析

并聯(lián)機構(gòu)的運動學分析是對機構(gòu)位置、速度及加速度進行分析。機構(gòu)的位置分析可以分為正解分析和反解分析。正解，即已知機構(gòu)的驅(qū)動參數(shù)，對機構(gòu)末端位置進行求解；反解，即已知機構(gòu)的末端位置參數(shù)，對機構(gòu)驅(qū)動進行求解。常用的方法有解析法和數(shù)值法。因為并聯(lián)機構(gòu)的反解比較容易求得，經(jīng)常采用解析法進行求解。而并聯(lián)機構(gòu)的正解比較復雜，一般不容易求得，常采用數(shù)值迭代的方法進行求解。速度分析和加速度分析是基于位置分析后進行的，常用的方法有影響系數(shù)法和矢量求導法等。其中，雙并聯(lián)機構(gòu)的正解方程組具有非線性，可以采用Newton迭代法進行求解。采用Newton迭代法求正解的過程中，每次迭代都需要重構(gòu)雅克比矩陣。在實際控制中，對于矩陣求導比較復雜，不斷地求導也降低了求解效率。在實際應用中，雙并聯(lián)機構(gòu)的動系原點并不是固定不變的，隨著兩個并聯(lián)單元的運動，兩個上平臺中心連線的中點也是不斷變化的。因此，需要實時對兩個并聯(lián)單元進行位置正解，以確定兩個并聯(lián)單元動平臺的中心位置，解算出等效上平臺中心點的位置，從而確定船模的位姿信息。由于需要進行大量的正解計算，基于后續(xù)控制的簡化，可以采用擬Newton法進行求解。擬Newton法在迭代時對雅克比矩陣進行簡化，求解過程較Newton法更為簡便，其具體求解流程如圖3所示[7]。

1.3 系統(tǒng)工作原理

智能系泊方法擬實現(xiàn)的主要功能是希望整合現(xiàn)有纜繩和護舷功能來實現(xiàn)船舶的穩(wěn)定系泊，當泊位環(huán)境條件較好，船舶的運動量符合安全作業(yè)范圍時，系泊機構(gòu)與船一起隨動，并利用阻尼效應對船舶運動進行減搖；當水文條件變得復雜時，船舶的運動量超出安全作業(yè)推薦范圍，系泊機構(gòu)需要進行主動調(diào)節(jié)，使其恢復在滿足要求的范圍內(nèi)運動，其具體工作流程如圖4所示。

并聯(lián)機構(gòu)與船體吸附在一起隨船運動，此時隨動的驅(qū)動分支充當阻尼缸，由于驅(qū)動分支的阻尼特性，并聯(lián)平臺的動平臺將不斷產(chǎn)生一個與速度方向相反的阻尼力；整體上船的速度越快，系統(tǒng)的“阻尼力”越大，做負功所消耗的能量就越大，船體的搖晃能量被不斷消耗，其晃動的程度也就隨之減緩，以此達到減搖的目的；與此同時輔助分支的彈簧也將產(chǎn)生反向的拉力或壓力，不斷糾正船體的位置，使船體的位置在系統(tǒng)隨動時保持在預定的范圍內(nèi)。當船體前后上下左右的搖晃幅度過大，超過預先設定的范圍時，智能檢測系統(tǒng)可以檢測出來，并通過力位綜合伺服控制系統(tǒng)進行補償。這時，驅(qū)動分支不再隨動，而是主動干預，進行位置調(diào)整和糾正。當船體的位置在設定的范圍時，驅(qū)動分支再次進入隨動狀態(tài)。在正常海況下，智能檢測系統(tǒng)和力位綜合伺服控制系統(tǒng)可以保證船體位置始終保持在預定的范圍內(nèi)，一旦超出預定范圍，將進行主動糾偏。一旦遭遇更大波浪導致船體發(fā)生位移與搖晃，如正做遠離碼頭運動，由于末端平臺速度過大，其反向阻尼力超出安全吸附力，船體就會與末端平臺分離，在中間驅(qū)動分支作用下，將吸附端收回；如果船體正做靠近碼頭的運動，速度的突增導致阻尼力變大，及時根據(jù)卸荷放氣，從調(diào)節(jié)氣缸的阻尼，進入一種低阻尼狀態(tài)，以此保護機構(gòu)不受損。

圖5 仿真數(shù)據(jù)交換邏輯Fig.5 Simulation data exchange logic

1.4 虛擬樣機與減搖策略

基于等效模型的初步設計方案，通過Solidworks軟件構(gòu)建機械三維系統(tǒng)，聯(lián)合Labview軟件建立控制系統(tǒng)組成虛擬樣機，再由Adams實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的動力學解算，借助Matlab的MSS庫作為系泊船的水動力特性計算，將控制律編寫在Simulink中，實現(xiàn)系泊機器人與系泊船共同組成的仿真模型進行計算[8-10]。在機械模型中定義檢測平臺的材料、驅(qū)動力和重力等，利用運動學、動力學等領(lǐng)域的理論以及構(gòu)建的控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，模擬檢測平臺的運動和動力特性，從而優(yōu)化系統(tǒng)控制策略，其數(shù)據(jù)交換邏輯如圖5所示。

在傳統(tǒng)的系泊作業(yè)中，纜繩和護舷提供了恢復力與阻尼力，限制船舶在一定范圍內(nèi)運動，傳統(tǒng)纜繩和護舷會為船舶提供一個系泊剛度，當船體受水動力作用時，整個系泊系統(tǒng)以恢復力與阻尼力的形式抵抗船體運動的能力，如果此時是智能化自動系泊系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)纜繩/護舷裝置，則在其受到外力作用時，智能系泊系統(tǒng)將提供抵抗末端位姿變化的能力，主要可通過兩種控制策略予以實現(xiàn)：(1)通過并聯(lián)系統(tǒng)中的輔助分支提供摩擦阻尼(被動式)、驅(qū)動分支提供的液壓或氣動阻尼(主動式)，阻尼力能夠抑制船舶各個頻率上的振幅；(2)保持驅(qū)動分支兩端的恒壓以提供恢復力，恢復力能夠?qū)⒋暗穆\動變?yōu)榈皖l振蕩(主動式)。

根據(jù)虛擬樣機的仿真計算，使上述策略得到了印證，即：系泊樣機是可以通過摩擦阻尼與氣動阻尼予以提供、系泊樣機可以保持氣缸兩端恒壓以提供將船舶慢漂運動變?yōu)榈皖l振蕩的恢復力。

2 智能系泊方案樣機

2.1 系泊機構(gòu)驅(qū)動方式

樣機設計選型階段，先后對比了多種驅(qū)動方式。其中，電動方案精度高，采用大導程滾珠絲杠副在末端平臺隨船運動過程中盡最大可能地減小了自身的慣性對船體慣性的影響，位置伺服可靠，方便維護；但其隨動效果可能不好。氣動方案的啟動控制方便，氣源容易獲得，清潔無污染，成本低廉，根據(jù)系纜力比較小的情況，氣動出力小反而成為其驅(qū)動的優(yōu)勢，同時，氣缸的氣動摩擦力可以充當阻尼作用；但是由于氣體的可壓縮性，會導致控制精度不足，這里可以通過控制方式盡可能使其滿足要求。液動方案在隨動時，液壓缸還可以充當阻尼器，給系統(tǒng)提供阻尼力，能起到消耗能量的作用；但液壓驅(qū)動力較大，可能遠遠大于試驗比例樣機的承載力，會造成無法隨動，同時，液動方案存在系統(tǒng)龐大，管路復雜，而且存在泄漏污染的可能，不利于水池試驗操作。氣-液聯(lián)動的方案結(jié)合了氣動方式能源供給方便和液壓阻尼缸阻尼效果好的優(yōu)點，適用在出力不大，要求速度平穩(wěn)的工況；但是氣-液聯(lián)動的柔順力控制比較復雜。由于是比例試驗樣機，需要滿足的承載力較小，驅(qū)動系統(tǒng)在滿足控制需求的前提下，系統(tǒng)簡單，方便控制、容易實驗室維護等是搭建驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵點。因此，綜合上述的幾種驅(qū)動方案，選用氣動的驅(qū)動方式，其控制精度要求不高，可以通過后期的控制策略來實現(xiàn)。

2.2 樣機研制與系統(tǒng)構(gòu)建

系泊機構(gòu)系統(tǒng)是基于雙并聯(lián)六自由度機構(gòu)的機電氣一體化系統(tǒng)，主要由機械本體、傳感檢測部分、氣動系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等組成。機械本體采用2-3UPS/6UPS(U代表萬向鉸、P代表移動副、S代表球鉸)的構(gòu)型，兩個3UPS/6UPS并聯(lián)單元分別編號#1機和#2機，單機構(gòu)型如圖6所示。同前文所述，為避免初始位置的奇異，系泊機構(gòu)一個并聯(lián)單元的驅(qū)動分支交叉布置，另一個并聯(lián)單元的驅(qū)動分支呈正三角布置。每個并聯(lián)單元除了驅(qū)動分支位置不同以外，其他結(jié)構(gòu)完全一致。單個并聯(lián)單元由下平臺、雙層上平臺、驅(qū)動分支、輔助分支以及上下鉸鏈等構(gòu)成。

圖6 并聯(lián)平臺單元構(gòu)型設計方案與樣機實物Fig.6 Parallel platform configuration design scheme and prototype drawing

并聯(lián)結(jié)構(gòu)主要包括：下平臺、雙層上平臺、吸附單元以及輔助分支。下平臺與萬向節(jié)鉸座之間用螺釘連接，并通過止口實現(xiàn)精確定位。萬向節(jié)與氣缸配做底座的伸出軸和輔助分支下端蓋的伸出軸均采用過盈配合，并通過緊定螺釘固定。氣缸及輔助分支通過螺紋與球鉸連接，并通過鎖緊螺母鎖緊。球鉸座與雙層上平臺的下層平臺通過止口定位，以螺釘及鎖緊螺母擰緊。按照接下來水池測試的碼頭模型布置，整個裝置將沿岸水平方向安裝，兩個并聯(lián)單元也沿著水平方向布置，下平臺與水池中的橋墩通過 L 型連接架固定，上平臺通過吸附單元與船模接觸。在整體布置上，雙并聯(lián)平臺系統(tǒng)中的#1機單元和#2機單元可分別沿水平、垂直方向根據(jù)系泊點間距、水位與船舶吃水情況沿軌道滑動調(diào)整。

3 智能化自動系泊作業(yè)效果測試

3.1 測試條件

根據(jù)所構(gòu)建的智能系泊樣機尺寸，匹配相應比例尺的船模，試驗船型采用現(xiàn)有的木質(zhì)LNG船型模型(λ=60)，考慮需有足夠的干舷高度以滿足吸附盤尺寸，因此船模裝載狀態(tài)僅考慮壓載一種狀態(tài)，船模主要參數(shù)見表1所示。船模按重力相似設計需要滿足幾何相似的同時，船舶的重心、橫搖及縱搖周期均經(jīng)過校準驗證，靜力相似與動力相似等相似條件[11-12]。試驗水深30 cm，水池配備不規(guī)則造波機，此階段僅模擬橫浪作用下的測試，試驗條件見表2，模型如圖7所示。

圖7 船舶智能系泊波浪模型測試試驗Fig.7 Test of wave model for ship intelligent mooring

表1 試驗船型主要參數(shù)Tab.1 Test main parameters of ship type

表2 試驗波浪條件Tab.2 Test wave condition

圖8 系統(tǒng)干預前后的船模運動量測試結(jié)果規(guī)則波)Fig.8 Test results of ship model movement before and after systematic s, regular wave)

3.2 試驗結(jié)果分析

表3 各運動量測試結(jié)果統(tǒng)計不規(guī)則波)Tab.3 Test results statistics of horizontal direction of the ship movement

不規(guī)則波測試中，分別按照全過程系泊系統(tǒng)未加介入干預和全程介入干預兩種情況，再將兩次測試結(jié)果曲線疊加在一張圖中對比分析，如圖9所示。以對港口系泊影響比較大的船舶水平方向的三種運動量(艏搖、縱蕩、橫蕩)為例，試驗統(tǒng)計結(jié)果見表3所示。

上述結(jié)果表明，系泊系統(tǒng)在介入后對抑制船舶運動起到了一定作用，各運動量均有不同程度的改善，縱蕩減小幅值可達42%，橫蕩與艏搖比較接近，分別為22%和24%，從標準偏差分析，縱蕩的約束能力更強。試驗結(jié)果曲線可見，與規(guī)則波相比，不規(guī)則波測試的整體效果相對要略差。對此，這將是后續(xù)工作中需進一步改進提升的方向，如借助硬件上減少摩擦、軟件上縮短控制環(huán)路等策略予以優(yōu)化。

圖9 智能系泊系統(tǒng)介入前后六自由度運動量對比(Hs=2.4 cm，Ts=0.77 s，不規(guī)則波)Fig.9 Test results of ship model movement before and after systematic intervention(Hs=2.4 cm，Ts=0.77 s, irregular wave)

4 結(jié)語

本文基于船舶水動力學及并聯(lián)平臺運動控制理論，從機構(gòu)構(gòu)型方案設計、系泊狀態(tài)下的等效建模、系統(tǒng)構(gòu)建以及試驗樣機研制與水池模型測試等方面展開工作，研究提出了一種港口智能化船舶自動系泊作業(yè)方法，可通過恢復力與被動阻尼的參數(shù)匹配方法，實現(xiàn)自主應對不同的系泊工況的船舶姿態(tài)控制，以保持船舶在停靠作業(yè)條件的相對穩(wěn)定，從而達到改善系泊條件的目的。該項研究的主要創(chuàng)新體現(xiàn)在系統(tǒng)方案中的雙并聯(lián)構(gòu)型的方案設計、利用氣動阻尼的調(diào)節(jié)控制策略等方面。

智能化自動系泊是一種嶄新的系泊方式，融合了傳統(tǒng)港工、船舶、信息技術(shù)和機器人等技術(shù)領(lǐng)域，將給傳統(tǒng)作業(yè)方式帶來變革，是碼頭基礎(chǔ)設施適應智慧港口發(fā)展的重要一環(huán)。今后，智能系泊減搖控制策略的優(yōu)化提升、相關(guān)理論體系的建立與完善、結(jié)合碼頭設計規(guī)范的荷載計算方法以及現(xiàn)場應用實踐，將是后續(xù)進一步開展研究的方向。