船舶自動(dòng)舵控制技術(shù)的發(fā)展

薛國威　包蕓　陳禮建　向晉祥

摘要：介紹了船舶自動(dòng)舵的控制方法，結(jié)合當(dāng)前航海科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提出了船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)的功能集約化、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化、裝備內(nèi)河化、無人駕駛化的發(fā)展趨勢(shì)及其應(yīng)用需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)舵；航向保持控制；自適應(yīng)控制；智能控制

中圖分類號(hào)：U675.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7973（2016）07-0047-02

船舶自動(dòng)操舵儀（Autopilot），俗稱自動(dòng)舵，是根據(jù)指令信號(hào)自動(dòng)操縱舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)船舶在給定航向或航跡上航行的助航系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)、通信及控制技術(shù)的發(fā)展，船舶自動(dòng)舵正向智能化和綜合型發(fā)展。性能優(yōu)良的自動(dòng)操舵儀可以減輕舵手的勞動(dòng)強(qiáng)度，高精度的保持船舶航向、航跡，減少偏航次數(shù)及偏航值，提高船舶的安全性、操縱性和經(jīng)濟(jì)效益，因此一直受到國內(nèi)外很多研究人員的關(guān)注。

1 船舶自動(dòng)舵的控制方法

自動(dòng)舵的發(fā)展大體分為四個(gè)階段：機(jī)械式自動(dòng)舵、PID自動(dòng)舵、自適應(yīng)自動(dòng)舵和智能自動(dòng)舵。

1.1 機(jī)械式自動(dòng)舵

船舶自動(dòng)舵的歷史起源于陀螺羅經(jīng)的發(fā)展。1911年，El-mer Sperry將陀螺羅經(jīng)應(yīng)用于船舶自動(dòng)轉(zhuǎn)向，通過反饋控制和自動(dòng)進(jìn)行舵角修正，實(shí)現(xiàn)模擬人工操作。此種自動(dòng)舵的精度比較低，被稱為第一代自動(dòng)舵。

1.2 PID自動(dòng)舵

20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了集控制技術(shù)和電子器件發(fā)展成果于一體的PID自動(dòng)舵。經(jīng)典的PID控制器結(jié)構(gòu)方程為：

δ=K1φ+K2φ+K3？φdt

式中δ、φ分別為舵角信號(hào)和航向偏差信號(hào)；K為比例常數(shù)；K3？φdt為抵消風(fēng)力矩的航向偏差積分項(xiàng)。

由上述經(jīng)典方程可以看出，PID自動(dòng)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(shí)，人工調(diào)節(jié)參數(shù)無法滿足外界條件的隨時(shí)變化，降低了PID自動(dòng)舵的適應(yīng)性。

1.3 自適應(yīng)自動(dòng)舵

隨著自適應(yīng)控制應(yīng)用于船舶自動(dòng)舵設(shè)計(jì)，大大提高了航向控制的精度，提高了惡劣海況條件下自動(dòng)舵的適應(yīng)性。陸祥潤等人采用了對(duì)偏航速率進(jìn)行加權(quán)的最小方差自校正控制方案，進(jìn)行了自適應(yīng)舵的研究，該自動(dòng)舵比PID自動(dòng)舵具有更好的控制效果。但自適應(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(jià)值函數(shù)的有關(guān)，也與環(huán)境干擾模型有關(guān)，當(dāng)船舶處于風(fēng)、浪、流等外界干擾因素同時(shí)存在的條件下，自適應(yīng)自動(dòng)舵并不能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)的最優(yōu)操作。

1.4 智能自動(dòng)舵

從20世紀(jì)80年代開始，人們開始探索模擬人工操作的智能控制方法，以更好的適應(yīng)船舶系統(tǒng)的非線性和外界環(huán)境的不確定性。其中比較典型的控制算法有：專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、變結(jié)構(gòu)控制、返步法控制等。

1.4.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量專門知識(shí)的程序系統(tǒng)，進(jìn)而模擬人類的決策過程解決復(fù)雜問題。Brown等人采用模擬人工操作的專家系統(tǒng)方法，通過研究人工操作與普通自動(dòng)舵控制的差異，建立規(guī)則庫以便修正自動(dòng)舵的特性。

1.4.2 模糊控制

模糊控制是根據(jù)航向偏差、偏差變化率兩個(gè)輸入量，經(jīng)過模糊邏輯控制器運(yùn)算給出舵角指令，再經(jīng)過隨動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于操舵裝置，從而實(shí)現(xiàn)航向保持控制。模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，算法簡單，便于實(shí)時(shí)控制。2005年，郭晨等人研究了一種帶有資格跡的模糊小腦模型關(guān)節(jié)控制器用于船舶航向保持控制，將資格跡引入控制器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，可對(duì)系統(tǒng)超前預(yù)測，對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)與調(diào)整。

1.4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高度非線性系統(tǒng)，具有非線性映射、自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)、聯(lián)想記憶、并行計(jì)算等能力。20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于自動(dòng)舵研究。Witt等人利用GPS給出船舶的精確位置，采用PD舵控制信號(hào)作為神經(jīng)舵的教師信號(hào)，經(jīng)過100種給定航線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，仿真結(jié)果表明對(duì)未學(xué)習(xí)過的任意航線，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器可達(dá)到與PD控制器基本相同的控制效果。智能自動(dòng)舵目前還處于研究階段，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。由于各種控制算法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此，近年來，自動(dòng)舵的控制方法研究正向不同控制算法相結(jié)合的方向發(fā)展，如PID與模糊控制相結(jié)合、PID與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合等，不斷提高自動(dòng)舵的精確性和適應(yīng)性。

2 自動(dòng)舵的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 功能集約化

隨著自動(dòng)舵與船舶其他助航設(shè)備的綜合研究越來越深入，將逐步形成以自動(dòng)舵為核心的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，智能集合電子海圖顯示和信息系統(tǒng)（ECDIS）、氣象導(dǎo)航、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）等功能信息，優(yōu)化航線規(guī)劃與臺(tái)風(fēng)規(guī)避決策，提高船舶自動(dòng)導(dǎo)航安全水平。

2.2 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)舵將由船舶控制向網(wǎng)絡(luò)控制方向發(fā)展，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)岸基對(duì)船舶的遠(yuǎn)程控制，初步實(shí)現(xiàn)“無人駕駛臺(tái)”，促使駕駛員由“操作者”向“輔助監(jiān)督”角色轉(zhuǎn)變；綜合天氣、海況、船舶配載等信息，遠(yuǎn)程制定航行策略，為船長提供決策支持；可視化船舶現(xiàn)場場景，充分利用岸基的資源優(yōu)勢(shì)，有效應(yīng)對(duì)船員傷病醫(yī)療指導(dǎo)、船舶海事救助、海盜劫持等突發(fā)事件。

2.3 裝備內(nèi)河化

受限于自動(dòng)舵控制技術(shù)精度限制，及內(nèi)河航道尺度、數(shù)字化程度、通航密度、內(nèi)河船舶設(shè)備狀況等方面的客觀條件，自動(dòng)舵很少應(yīng)用于長江等內(nèi)河船舶。隨著長江等內(nèi)河航道智能化建設(shè)、智能控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)舵將以助航設(shè)備的身份逐步適用于內(nèi)河船舶，參與“輔助導(dǎo)航”，提高長江等內(nèi)河航運(yùn)的智能化、科技化水平。

2.4 無人駕駛化

在遠(yuǎn)景將來，在實(shí)現(xiàn)覆蓋全球海域的“海事空間信息傳輸系統(tǒng)”，達(dá)成各個(gè)岸上航運(yùn)中心與其船舶之間的控制信息傳遞的基礎(chǔ)上，船舶航行將從目前的多人操作逐步變?yōu)閱稳笋{駛臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶的無人駕駛化。自動(dòng)舵的設(shè)計(jì)制造是無人駕駛船舶的基礎(chǔ)，無人駕駛也將對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)提出更高要求。操縱人員可以通過對(duì)自動(dòng)舵綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的控制，調(diào)整無人船運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)航行。

3 使用自動(dòng)舵系統(tǒng)需要考慮的問題

自動(dòng)舵系統(tǒng)是目前最先進(jìn)、技術(shù)最復(fù)雜的船舶助航設(shè)備之一，在船舶安全、經(jīng)濟(jì)航行，降低船舶操縱人員的勞動(dòng)強(qiáng)度等方面做出了重要貢獻(xiàn)。然而，過度依賴自動(dòng)舵系統(tǒng)，或者對(duì)其功能的局限性了解不足，也將導(dǎo)致船舶安全事故。因此，提出以下幾點(diǎn)在安全、有效地使用自動(dòng)舵時(shí)需要考慮的問題。

3.1 通航密度

在通航密度較大、狹水道、通航分道及其他限制性水域，不建議使用自動(dòng)舵。目前的自動(dòng)舵系統(tǒng)無法適應(yīng)上述水域的限制性要求，完成及時(shí)轉(zhuǎn)向等避讓措施存在較大困難，容易導(dǎo)致船舶碰撞事故。

3.2 天氣條件

在惡劣天氣和復(fù)雜海況等條件下不建議使用自動(dòng)舵，不受控制的持續(xù)性偏航將導(dǎo)致自動(dòng)舵運(yùn)動(dòng)多度，無法完成安全的抗風(fēng)浪航行措施，增加安全事故風(fēng)險(xiǎn)，也可能導(dǎo)致其他設(shè)備、系統(tǒng)問題。

3.3 陀螺羅經(jīng)

自動(dòng)舵系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)在于陀螺羅經(jīng)的航向信息。如果陀螺羅經(jīng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或設(shè)備異常，自動(dòng)舵系統(tǒng)將無法進(jìn)行航向跟蹤，完成航向保持控制。在出現(xiàn)陀螺羅經(jīng)斷電等故障時(shí)，應(yīng)立即切換到手動(dòng)操作模式，使用電羅經(jīng)導(dǎo)航。

3.4 航行速度

自動(dòng)舵系統(tǒng)的效率會(huì)隨船舶速度的降低而下降。因此，不建議船舶在較低速度航行時(shí)使用自動(dòng)舵。

4 結(jié)語

文章對(duì)國內(nèi)外船舶自動(dòng)舵的控制方法進(jìn)行了分類介紹，結(jié)合航海科學(xué)技術(shù)發(fā)展方向，提出了船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)的功能集約化、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化、裝備內(nèi)河化、無人駕駛化四個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，并在通航密度、天氣條件、陀螺羅經(jīng)、航行速度四個(gè)方面提出了安全有效的使用自動(dòng)舵系統(tǒng)的注意事項(xiàng)。自動(dòng)舵的有關(guān)研究將極大的促進(jìn)我國在船舶操縱模擬器方面的進(jìn)步，填補(bǔ)業(yè)界在內(nèi)河船舶操縱模擬方面的空白。自動(dòng)舵的發(fā)展對(duì)提高船舶的航行安全，減少船舶能源消耗和污染排放有重要意義。