船舶航跡舵的路徑規(guī)劃算法研究

摘 要：隨著全球船舶運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展和海洋環(huán)境的日益復(fù)雜，船舶操舵控制問題是百余年來業(yè)界關(guān)注的研究熱點(diǎn)。船舶自動舵系統(tǒng)作為船舶航行控制的核心技術(shù)，其路徑規(guī)劃算法的研究顯得尤為重要。本文回顧了自動舵的沿革歷程，綜述了基于控制理論、信息技術(shù)、人工智能等技術(shù)的新一代自適應(yīng)航跡舵，研究了場景感知、路徑規(guī)劃、算法框架等關(guān)鍵技術(shù)，分析了自適應(yīng)航跡舵的主要功能，既能應(yīng)對復(fù)雜多變的外部環(huán)境，又能提供自主避碰和智能決策，為船舶自動化和智能化發(fā)展提供了有力支持。本文的研究對于提高船舶操縱性、航行安全性、營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：自動舵系統(tǒng)；自適應(yīng)路徑規(guī)劃；避碰算法；環(huán)境感知；航行安全

0 引 言

隨著全球船舶運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，船舶自動舵系統(tǒng)作為船舶航行控制的核心技術(shù)，其重要性日益凸顯。船舶自動舵系統(tǒng)的研究可以追溯到20世紀(jì)初，但直到近年來，隨著計算機(jī)、傳感器、控制理論等技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶自動舵系統(tǒng)的研究才取得了顯著成果。船舶自動舵系統(tǒng)通過集成計算機(jī)、傳感器、控制理論等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了船舶的自動導(dǎo)航和航向控制，極大地提高了船舶的航行效率和安全性，降低了駕駛員的工作負(fù)荷。然而，面對日益復(fù)雜的海洋環(huán)境和多變的航行條件，現(xiàn)有船舶自動舵系統(tǒng)在自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法方面仍存在諸多不足，亟需進(jìn)一步的研究與發(fā)展。傳統(tǒng)的船舶自動舵系統(tǒng)多基于固定的控制算法，如PID控制、卡爾曼濾波等，這些算法在不同航行條件和外部干擾下的適應(yīng)性有限，難以應(yīng)對復(fù)雜多變的海洋環(huán)境。對于船舶自動舵而言，現(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法多依賴于靜態(tài)或簡單的環(huán)境模型，難以實時準(zhǔn)確地反映海洋環(huán)境的動態(tài)變化，導(dǎo)致路徑規(guī)劃精度不足，影響船舶的航行安全和效率。

雖然近年來智能技術(shù)如深度學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在船舶自動識別系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但在船舶自動舵系統(tǒng)的自適應(yīng)路徑規(guī)劃方面，智能化水平仍有待提高，特別是在處理復(fù)雜環(huán)境信息和實現(xiàn)動態(tài)避障方面。

1 自動舵的發(fā)展歷程

船舶自動舵，全稱“自動操舵裝置控制系統(tǒng)”，是一種能自動及時糾正船舶偏航，使船舶較長時間和較準(zhǔn)確地保持在指定航向的操舵裝置。它是船舶駕駛中的重要組成部分，對于提高船舶航行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和操縱性具有重要意義。當(dāng)船舶在航行過程中受到風(fēng)浪、洋流等外力作用而偏離原航向一定角度（偏航角）時，自動舵會立即動作，使舵葉偏轉(zhuǎn)一定角度（偏舵角），船艏在舵力作用下逐漸返回原航向。為了防止船艏回轉(zhuǎn)慣性過大，船艏在未到達(dá)和接近原航向時，自動舵會調(diào)整舵角，產(chǎn)生一個反舵角或使舵正舵，從而使船艏平穩(wěn)地回到原航向。[1]

自動舵是一個閉環(huán)系統(tǒng)，主要包括航向給定環(huán)節(jié)、航向檢測環(huán)節(jié)、給定航向與實際航向比較環(huán)節(jié)、航向偏差與舵角反饋比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、舵以及調(diào)節(jié)對象——船舶本身。這些環(huán)節(jié)相互協(xié)作，共同實現(xiàn)船舶的自動操舵功能。目前，海船上常用的自動舵有多種類型，如比例-微分舵、比例-微分-積分舵、自適應(yīng)舵和自動駕駛儀（航跡舵）等。這些不同類型的自動舵在控制算法和性能上各有特點(diǎn)，但都能有效地提高船舶的航向保持精度和航行效率。船舶自動舵系統(tǒng)是船舶航行控制的關(guān)鍵組成部分，它負(fù)責(zé)根據(jù)預(yù)設(shè)的航行計劃或?qū)崟r環(huán)境信息，自動控制船舶的航向、航速等參數(shù)，確保船舶能夠安全、準(zhǔn)確地到達(dá)目的地。現(xiàn)代船舶自動舵系統(tǒng)通常集成了多種傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崟r感知船舶狀態(tài)、海洋環(huán)境以及周圍船舶的動態(tài)信息，并據(jù)此做出相應(yīng)的航行決策。[2]

船舶自動舵的發(fā)展歷程經(jīng)歷了從機(jī)械式自動舵到PID自動舵、自適應(yīng)自動舵再到智能自動舵的顯著變革。

PID自動舵的控制參數(shù)較少，結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣應(yīng)用。然而，當(dāng)船舶處于惡劣海況等復(fù)雜航行條件下時，人工調(diào)節(jié)參數(shù)無法滿足外界條件的隨時變化，降低了PID自動舵的適應(yīng)性。盡管如此，PID自動舵仍為自動舵的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

自適應(yīng)自動舵比PID自動舵具有更好的控制效果，尤其是在惡劣海況條件下。然而，自適應(yīng)控制系統(tǒng)比常規(guī)的控制系統(tǒng)要復(fù)雜得多，不僅與價值函數(shù)的有關(guān)，也與環(huán)境干擾模型有關(guān)。因此，在實際應(yīng)用中仍存在一定的局限性。

智能自動舵采用了多種先進(jìn)的控制算法，如專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些算法能夠模擬人類的決策過程或利用機(jī)器學(xué)習(xí)的能力來優(yōu)化控制策略，從而提高自動舵的精確性和適應(yīng)性。

目前，智能自動舵仍處于研究階段，但已經(jīng)展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和算法的不斷優(yōu)化，智能自動舵的性能將進(jìn)一步提升，為船舶的安全、經(jīng)濟(jì)航行提供更加有力的支持。

2 航跡舵的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能感知

智能感知部分是船舶實現(xiàn)自主航行和智能控制的重要基礎(chǔ)。智能感知技術(shù)通過集成多種傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實時獲取船舶周圍的海洋環(huán)境信息和其他船舶的動態(tài)信息，為自動舵系統(tǒng)提供必要的輸入數(shù)據(jù)。

雷達(dá)是船舶自動舵系統(tǒng)中最重要的傳感器之一，主要用于探測周圍船舶、浮標(biāo)、島嶼等障礙物，以及海流、海浪等海洋環(huán)境特征。現(xiàn)代船舶通常配備X波段、S波段等不同頻率的雷達(dá)，以適應(yīng)不同距離和精度的探測需求。雷達(dá)通過發(fā)射電磁波并接收回波，計算目標(biāo)的位置、速度、航向等信息，并將這些數(shù)據(jù)輸入到自動舵系統(tǒng)中。

AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）通過VHF（甚高頻）通信鏈路，自動廣播和接收船舶的靜態(tài)信息（如船名、呼號、MMSI碼等）、動態(tài)信息（如位置、速度、航向等）以及航行狀態(tài)信息。AIS能夠?qū)崟r提供周圍船舶的精確位置信息，對于避免船舶碰撞、優(yōu)化航行路線具有重要意義。[3]

船舶自動舵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分是確保船舶能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地按照預(yù)定航線行駛的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它主要負(fù)責(zé)接收來自各種傳感器的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理、融合、分析和決策，最終生成控制指令來調(diào)整船舶的航向和速度。

船舶自動舵系統(tǒng)通過接口（如串口、CAN總線等）接收來自各種傳感器（如雷達(dá)、AIS、氣象傳感器等）的原始數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括船舶的位置、速度、航向、周圍障礙物的位置、氣象條件等，對接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪等處理，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。再將來自不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，形成對船舶周圍環(huán)境的全面感知。通過數(shù)據(jù)融合，可以消除傳感器之間的冗余信息，提高系統(tǒng)的魯棒性和準(zhǔn)確性。根據(jù)融合后的數(shù)據(jù)，建立船舶周圍環(huán)境的數(shù)學(xué)模型，模型可以包括海洋環(huán)境（如海浪、海流）、障礙物分布、航道信息等，這也為后續(xù)的路徑規(guī)劃和避碰決策提供基礎(chǔ)。最后對融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，分析船舶當(dāng)前狀態(tài)與預(yù)定航線之間的偏差，并評估外部干擾和內(nèi)部故障對系統(tǒng)性能的影響。

2.2路徑規(guī)劃

船舶自動舵系統(tǒng)的路徑規(guī)劃是船舶航行控制中的核心環(huán)節(jié)，它根據(jù)船舶當(dāng)前位置、目標(biāo)位置以及海洋環(huán)境信息，規(guī)劃出一條安全、經(jīng)濟(jì)、高效的航行路徑。路徑規(guī)劃是指在遠(yuǎn)程控制或自主控制系統(tǒng)下，通過對船舶的運(yùn)動特性和控制要求的分析和計算，確定航行路徑的過程。這一過程包括從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的路徑規(guī)劃和避障路徑規(guī)劃兩類。目標(biāo)點(diǎn)可以是預(yù)先設(shè)定好的某一點(diǎn)，也可以是其他船只、岸邊設(shè)施等。

路徑規(guī)劃的主要方法有幾何路徑規(guī)劃方法（基于折線、圓弧、Bezier曲線）邏輯路徑規(guī)劃方法（基于圖論、人工智能方法）、高級路徑規(guī)劃方法（FMM快速行進(jìn)法、動態(tài)規(guī)劃）等方法。路徑規(guī)劃的實現(xiàn)步驟是由環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、路徑生成、路徑優(yōu)化、控制指令生成等實現(xiàn)船舶的自動導(dǎo)航和航行控制。[4]

船舶自動舵系統(tǒng)的路徑規(guī)劃是一個復(fù)雜而關(guān)鍵的過程，它需要根據(jù)船舶當(dāng)前狀態(tài)、目標(biāo)位置以及海洋環(huán)境信息，采用合適的規(guī)劃方法和優(yōu)化策略，生成一條安全、經(jīng)濟(jì)、高效的航行路徑。隨著計算機(jī)、傳感器和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，路徑規(guī)劃方法將不斷完善和優(yōu)化，為船舶航行安全提供更有力的保障。

2.3 船舶自動舵自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法

船舶自動舵系統(tǒng)的自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法是船舶自動化和智能化領(lǐng)域的重要研究方向，旨在提高船舶在復(fù)雜航行環(huán)境中的自主避碰能力和航行效率。自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法是指能夠根據(jù)船舶當(dāng)前航行狀態(tài)、環(huán)境信息以及航行目標(biāo)，動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化船舶航行路徑的算法。這類算法通常結(jié)合了多種傳感器數(shù)據(jù)、船舶動力學(xué)模型以及智能優(yōu)化算法，以實現(xiàn)船舶在復(fù)雜環(huán)境下的自主避碰和高效航行。

環(huán)境建模是自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法的基礎(chǔ)。通過傳感器（如雷達(dá)、聲吶、攝像頭等）收集周圍環(huán)境信息，將實際環(huán)境抽象為計算機(jī)可處理的數(shù)學(xué)模型。常見的環(huán)境建模方法包括柵格法、幾何特征法、拓?fù)鋱D法等。路徑搜索算法是自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法的核心。根據(jù)環(huán)境模型和船舶狀態(tài)，通過算法計算得出最優(yōu)或次優(yōu)的航行路徑，常見的路徑搜索算法包括A算法、Dijkstra算法、遺傳算法、模糊邏輯算法等。[5]其中，A算法和Dijkstra算法在靜態(tài)環(huán)境中表現(xiàn)良好，而遺傳算法和模糊邏輯算法則更適用于處理復(fù)雜環(huán)境和動態(tài)障礙物。自適應(yīng)控制算法用于根據(jù)實時環(huán)境信息和船舶狀態(tài)動態(tài)調(diào)整航行路徑，常見的自適應(yīng)控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等，這些算法能夠根據(jù)不同的環(huán)境和船舶特性，自動調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)對船舶航行過程的精確控制。

其算法框架如圖1所示，通過傳感器采集環(huán)境信息和船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理以去除噪聲和干擾。然后根據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)建立環(huán)境模型，并選擇合適的路徑搜索算法計算初始航行路徑。再根據(jù)實時環(huán)境信息和船舶狀態(tài)，利用自適應(yīng)控制算法對航行路徑進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。同時，通過反饋機(jī)制不斷修正和優(yōu)化航行路徑。最后，將調(diào)整后的航行路徑發(fā)送給船舶執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行執(zhí)行，并實時監(jiān)控船舶狀態(tài)和環(huán)境變化以確保航行安全。[6]

3 船舶自動舵自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法應(yīng)用

3.1在船舶航行中的應(yīng)用

（1）動態(tài)路徑規(guī)劃

自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法能夠根據(jù)實時環(huán)境信息（如水深、海流、風(fēng)向、風(fēng)速、海浪等）和船舶狀態(tài)（如位置、速度、航向、吃水深度等），動態(tài)地規(guī)劃出最優(yōu)或次優(yōu)的航行路徑。這有助于船舶在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中保持高效、經(jīng)濟(jì)的航行狀態(tài)。

（2）環(huán)境適應(yīng)性

算法能夠?qū)崟r感知環(huán)境變化，如突然出現(xiàn)的障礙物（如其他船舶、浮標(biāo)、暗礁等）、海況惡化等，并立即作出調(diào)整，避免船舶與障礙物發(fā)生碰撞或進(jìn)入危險區(qū)域。

（3）經(jīng)濟(jì)航行

在規(guī)劃路徑時，算法會考慮燃油消耗、航行時間等因素，以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)航行。通過優(yōu)化航行路徑和速度，可以降低船舶運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.2在操縱避碰中的應(yīng)用

（1）避碰決策：自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法在船舶避碰中發(fā)揮著核心作用。當(dāng)船舶檢測到前方有障礙物或潛在碰撞風(fēng)險時，算法會立即計算并規(guī)劃出一條避開障礙物的安全路徑。這有助于船舶在緊急情況下迅速作出反應(yīng)，避免碰撞事故的發(fā)生。

（2）多船避碰：在多船會遇的復(fù)雜場景中，算法能夠綜合考慮多艘船舶的航行狀態(tài)和動態(tài)信息，通過協(xié)調(diào)各船的航行路徑和速度，實現(xiàn)多船之間的安全避碰。這有助于減少船舶碰撞事故的發(fā)生率，提高海上交通的安全性。

（3）智能避碰策略：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法逐漸融入了智能避碰策略。這些策略能夠模擬人類舵手的決策過程，結(jié)合船舶的航行規(guī)則和避碰規(guī)則，制定出更加合理、有效的避碰方案。例如：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等算法對船舶的避碰行為進(jìn)行建模和預(yù)測，提高避碰決策的準(zhǔn)確性和可靠性。

（4）實時反饋與調(diào)整：在船舶航行過程中，自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法會不斷接收來自傳感器的實時反饋信息，并根據(jù)反饋信息對航行路徑進(jìn)行動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化。這有助于船舶在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中保持穩(wěn)定的航行狀態(tài)，提高航行安全性和效率。

在實際應(yīng)用中，自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法已經(jīng)成功應(yīng)用于多種類型的船舶中，包括貨船、客船、軍艦等。通過應(yīng)用該算法，船舶能夠在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的航行。同時，該算法還能夠在緊急情況下迅速作出避碰決策，有效避免碰撞事故的發(fā)生，提高海上交通的安全性。[7]

4 結(jié) 語

船舶自動舵系統(tǒng)的自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法研究在環(huán)境感知與數(shù)據(jù)處理、算法設(shè)計與實現(xiàn)、適應(yīng)性與魯棒性、實際應(yīng)用與驗證以及標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化等方面均存在一定的局限性。比如，現(xiàn)代船舶盡管配備了多種傳感器以獲取環(huán)境信息，但海洋環(huán)境的復(fù)雜性和多變性使得完全準(zhǔn)確、實時地感知環(huán)境變得極具挑戰(zhàn)。例如，惡劣天氣、海況突變、障礙物隱蔽等因素都可能影響傳感器的性能，導(dǎo)致環(huán)境數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確或缺失。同時，自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法需要處理大量的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括但不限于船舶位置、速度、航向、障礙物位置、海流、風(fēng)向等。然而，當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和算法在實時性、準(zhǔn)確性和魯棒性方面仍存在一定的局限性，難以在所有情況下都達(dá)到最優(yōu)效果。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶自動舵系統(tǒng)的自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法也將迎來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇。未來，我們可以期待更加智能化、高效化、安全化的自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法在船舶航行和操縱避碰中得到廣泛應(yīng)用。同時，隨著國際海事組織對船舶航行安全和環(huán)保要求的不斷提高，自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法也將在減少碳排放、提高能源利用效率等方面發(fā)揮更加重要的作用。

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