大型船舶直線航跡自校正控制研究

王紅林

(1.江蘇科技大學 自動化學院，江蘇 鎮江 212003；2.鎮江市高等專科學校 電氣與信息學院，江蘇 鎮江 212028)

0 引 言

大型運輸船舶的安全航行問題，一直以來都是航運界關注的重點問題之一。特別是近年來隨著世界范圍內經濟發展形勢的不斷變化，許多國家都把海洋交通運輸系統的安全性要求提到了新的高度，從而使得這個問題更加突出。因此，為確保大型運輸船舶及海上設施的運行安全，頒布了載重線公約、SOLAS 公約，并對海上運輸的重大安全事故處理過程進行規范[1–3]。

在風浪水域中，海面波濤洶涌，風力和浪高都比較大，這將使得船舶受到強大的沖擊力，從而發生滾動和傾斜。尤其是當風浪方向與船舶行駛方向垂直時，船舶更容易受到側向的力量，導致側傾或傾覆。在強風浪的環境下，船舶行駛速度通常會很慢，這是因為船舶需要克服風浪產生的阻力。而減緩航速可能會影響航行計劃，并增加航行時間。長時間在風浪水域中航行，將會對船舶的結構產生大量振動和沖擊，從而導致部分設備、管道和結構零件受損。同時，這些振動和沖擊也可能引起帶電設備的故障。因此，海上航行時必須謹慎處理風浪環境，并根據氣象預報和海況變化做出相應的決策，例如調整航向和速度、加強監控和保養、采取防護措施等，以確保船舶和船員安全[4–5]。

本文提出的大型船舶自校正控制系統，能夠基于船舶航行的相關參數對其直線航跡進行調整。以仿真形式對其展開研究，在論述其可行性后，提出相關大型船舶操縱建議，進一步豐富及完善大型船舶直線航跡相關研究。

1 大型船舶自校正控制系統工作原理

大型船舶自校正控制系統，主要是由自動優化控制系統結合自適應控制法（MRAS）而形成的一種應用型控制系統。大型船舶自校正控制系統流程如圖1所示，該流程圖描述了大型船舶自校正控制系統的參數控制過程。

圖1 大型船舶自校正控制系統工作流程Fig.1 Self tuning control system for large ships

可知，該系統能夠在確保穩定性的同時，對搜集到的信號進行針對性分析，最終實現將誤差信號的出現幾率降至最低。

2 大型船舶直線航跡自校正參數模型的確定

2.1 船舶參數選擇

以某大型船舶（VLCC）為例，利用數據采集與監視控制系統（SCADA）調取相關參數，設其載重量為20×104t，長度為330 m，吃水為21 m。基于國際船舶與海洋標準（ISO11674），對該類型船舶的自身參數及航跡控制參數進行研究。

2.2 模型確定

本文研究了大型船舶直線航跡自校正模型，并通過數學建模方法對參數模型進行分析，同時基于Lyapunov 函數對非線性參數進行設計優化，其公式為：

式中：y為大型船舶發生橫向偏移，U為大型船舶航跡速度， ψ為大型船舶的行駛方向，r為首搖角速度，T、K、 α為大型船舶直線航跡的相關參數。

船舶首搖阻尼因風阻系數的降低而降低，同時由于VLCC 的質量較大，該大型船舶從初速V0減至0 后，其相對應的定速直線前進的航跡會更長。由此，假設某大型船舶排水量越大，其停船航程則越長，并且船舶減速過程中主機是根據計算機保護程序逐級降速的，在減速的初始階段降速很明顯，但是速度越小減速越慢，船舶載重和自重太大會導致慣性力矩太大，這就導致了低速階段減速所需距離相對會比較大，船舶在滿載時停船沖程更大。所以大型船舶直線航跡過程中，普遍存在推力中心偏位的問題。因此，需要加強大型船舶直線航跡的方向控制能力。設其控制律δ如下：

以上模型與基于Lyapunov 函數進行的非線性模型相同，在圍繞大型船舶直線航跡自校正算法的基礎上，考慮到大型船舶在航行中受航速、裝載量以及水環境等因素的影響，其直線航跡將不會只受到船舶自身動力系統的影響，因此為保證大型船舶直線航跡自校正算法的準確性，進一步對其航跡控制律進行優化，繼而得出最終的δ表達式：

3 大型船舶直線航跡自校正系統檢驗

3.1 直線航跡自校正控制準確性分析

基于前文相關參數及計算公式，對某大型船舶3 個月的航跡偏差角度進行數據統計，在航跡計算公式上充分考慮了該大型船舶近3 年的工作海況環境，對偏航軌跡進行統計，固定時間段內大型船舶航跡偏差角度如圖2 所示。其結果表明偏差角度在輸入參量為10-4～10-3區間達到最大。

圖2 固定時間段內大型船舶航跡偏差角度Fig.2 Deviation angle of large ship’s trajectory during a fixed time period

利用一段時間的平均航跡統計數據來描述航跡扇區的船體位置，平均偏差角度越大，說明船體與中央的距離越遠，其航跡對風力的影響也就越小。平均自校正計算式為：

式中：Degavr為航跡偏離平均值，Degi為航跡偏離值i的取樣值，N為統計期間對首搖角度取樣的數目。

對一段時間航跡偏移的標準差進行統計，以此來描述該大型船舶的航跡偏離程度，其標準差愈大，則表示船體與首搖角度的離散度愈大，航跡偏移角的最大值愈大，而航跡偏角越大，則更加不利于船舶的直線航行。標準轉角偏差計算公式為：

式中，Degstd為航跡偏離標準差。由此對其進行仿真測試，得出不同轉角條件下的直線航跡情況如圖3 所示。

圖3 不同轉角條件下的直線航跡情況Fig.3 Straight line trajectory under different turning conditions

可知，航跡的轉偏角越嚴重，船舶直線航跡發生偏離的情況就越嚴重，其預測結果與實測結果之間的誤差也會隨之拉大。根據該大型船舶提供的相關資料統計結果，可以得出用Degavr和Degstd來表示大型船舶的工作狀況關系，其中Degavr評估設備的航跡精度。為保證船舶能夠保持一個直線的航跡行駛，需要盡可能地減小其絕對值。

然后用Degstd評估該大型船舶單位內的航跡偏離情況，發現轉角60°要優于轉角90°，轉角90°優于轉角120°。由此說明Degstd的數值愈低，大型船舶的航跡愈好。

3.2 直線航跡自校正控制系統誤差分析

偏航誤差是一種不能被報告的故障，它不能從設備的數據中得到，必須從能源的觀點來進行分析。在計算航跡偏離后，該大型船舶的總動量方程為：

當大型船舶出現偏差時，大型船舶最大功率輸出點出現偏差，即α=a時，其功率特性最好。找出大型船舶最大輸出航跡，并對其偏離度進行測量，從而判斷大型船舶有無偏航。

假設該大型船舶的直線航跡平面與海浪的夾角為a，那么在該直線航跡平面上的豎向分量為：

那么大型船舶直線航跡自校正控制系統的總能量密度Py為：

由于不同轉角對大型船舶直線方向產生影響而導致偏離，其自校正控制系統的能量損耗也會隨之變大，理論上，由于海浪影響而導致大型船舶偏離的能量損耗，其關系如表1 所示。

表1 海浪造成的能量損失對應關系Tab.1 Correspondence of energy loss caused by waves

基于Lyapunov 函數利用大型船舶的SCADA 系統，獲得其歷史運行數據，主要包括航跡偏差角、發電機有功功率、特定條件下某大型船舶航行中的年平均風速、近岸海浪速度等。選擇最普遍的航跡偏移角區間（60°，90°），分別間隔30°，同時分成6 個區間，最后代入相關能量損失計算中，得出大型船舶直線航跡自校正控制系統受海浪的影響大小。

同時采用比因斯法，根據功率曲線的計算方法，在不同的航跡偏離部分下，利用SCADA 系統調度該大型船舶近3 年相關海浪數據，求出各區間的平均海浪影響下的船舶航速vj和平均功率Pj。

其中：Pj,k為滿足第j段海浪影響的第k個功率，而vj,k為滿足第j段海浪影響需求的第k個航速。采用瑞利積累函數對概率分布進行統計。瑞利累積概率分布函數是建立在該大型船舶的中心高度為固定值的基礎上，然后需要計算出平均海浪影響速度Vavr。其瑞利函數的描述方程為：

最后得出區間i的大型船舶的偏航量為：

在此范圍內，大型船舶的偏航力系數Pi可以用來表示大型船舶的偏航角。總體思想是，在不同的航跡偏差范圍內，通過對電力系統在不同方向上的功率分布進行分析，來反映各區域大型船舶的航跡控制效果。

此外，通過對各區間的功率曲線的卷積，可以確定輸出功率的特征參數，經過標準化處理后，得到各區間的出力系數，并得到最佳的航跡自校正控制系統參數。

4 大型船舶操縱應注意的事項

大型船舶在海面行駛中，由于受到風浪的作用，其受力面積較大，進出港的時候要特別注意因此導致船只在航向上發生偏移的現象。作為操作人員在駕駛大型船舶的過程中，需要為其預留足夠的空間以防受外部因素影響而導致船舶直線軌跡發生偏移，并減少伴隨出現諸如擱淺、觸礁等意外情況。

為有效提升大型船舶的出行安全，基于研究所得數據可知，當船舶從常速100 r/min 下降到可以機動操縱速度83 r/min 時，需要按照一定的保護程序逐步減速，大約需要20～30 min。若是在港口停泊時發生嚴重故障，或是遇到其他緊急情況，則可能會延誤船期、增加成本甚至導致沉沒損失。所以進港口停船舶前，要做好充足的準備。停泊前事先做好計劃，查看主機的換向操作，再根據情況調節船速，到達預設的停船點。

5 結 語

本文首先對大型船舶的航跡自校正控制系統的工作原理進行介紹，然后根據航跡系統的控制需求，結合自校正控制算法對系統的關鍵參數進行數學建模和分析，并通過仿真和測試比對了各個角度下自校正控制算法的效果。結果表明，該自校正控制算法誤差較小，能夠滿足大型船舶的直線航跡控制要求。