胡 鈞， 吳希恩

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

航跡控制系統(tǒng)中的精度控制方法驗(yàn)證

胡 鈞， 吳希恩

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

通過對電子海圖顯示與信息系統(tǒng)及船舶自動舵系統(tǒng)的簡述，引出航跡控制系統(tǒng)的組成，對航跡控制系統(tǒng)的控制方式和控制原理進(jìn)行研究分析。闡述航跡控制系統(tǒng)的2種不同控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法及其對目標(biāo)航跡的跟蹤方式。通過理論分析航跡控制系統(tǒng)在直線航行與轉(zhuǎn)向航行時如何進(jìn)行精度管控，證明航跡控制系統(tǒng)在發(fā)展中的理論優(yōu)勢及廣闊的發(fā)展空間。

航跡控制系統(tǒng)；自動舵；電子海圖顯示與信息系統(tǒng)；精度控制

0 引 言

當(dāng)今世界航運(yùn)業(yè)蓬勃發(fā)展，同時也出現(xiàn)了航道擁擠、事故頻發(fā)等問題，現(xiàn)代船舶的大型化及高速化給船舶航行安全帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display and Information System, ECDIS)的出現(xiàn)被認(rèn)為是繼雷達(dá)和自動雷達(dá)標(biāo)繪儀(Automatic Radar Plotting Aid, ARPA)之后在船舶導(dǎo)航方面又一項(xiàng)偉大的技術(shù)革命。ECDIS可以將航行中諸如船位、海況、海域環(huán)境與航道信息等一些相當(dāng)重要的信息集成在一個屏幕上顯示，直觀的顯示方式可以使駕駛員迅速了解重要信息且能及時地做出正確的操船決策，有效地預(yù)防各種險情。ECDIS系統(tǒng)與船舶自動舵系統(tǒng)的聯(lián)動操作相結(jié)合，構(gòu)成另一個重要的系統(tǒng)——航跡控制系統(tǒng)(Track Control System, TCS)，其功能是幫助船員進(jìn)行航路的規(guī)劃和監(jiān)視，以及船舶航行時航跡的保持。

根據(jù)國外資料的統(tǒng)計(jì)，每年由于船舶碰撞所造成的失事船舶幾乎占船舶事故總數(shù)的43%，而碰撞事故有80%以上是人為因素造成的[1]。航跡控制系統(tǒng)能有效地減輕船員的負(fù)擔(dān)，提高操船效率，減少人為操作失誤導(dǎo)致的事故。但是目前并非所有新造船的船舶所有人會選擇TCS，究其原因固然有經(jīng)濟(jì)因素的影響，也有對該系統(tǒng)認(rèn)知度不夠、誤認(rèn)為TCS使用不便、安全性不高。

伴隨著世界整體科技水平的提高，航運(yùn)業(yè)也開始向信息密集型和技術(shù)密集型方向發(fā)展。一系列現(xiàn)代先進(jìn)科技設(shè)備被應(yīng)用于船舶制造業(yè)，現(xiàn)代船舶就已經(jīng)具備系統(tǒng)自動化和智能化的能力，如自動舵、自動電站和無人機(jī)艙等。通過不斷提高航跡控制的精度管控，在今后可能實(shí)現(xiàn)航海領(lǐng)域內(nèi)的無人駕駛。由此可見，船舶自動航行管理將會是日后航海科研技術(shù)的主要研究方向。

1 航跡控制系統(tǒng)組成

TCS是隨著船舶自動化程度不斷發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型導(dǎo)航系統(tǒng)，其架構(gòu)在ECDIS中，通過自動舵系統(tǒng)的控制舵機(jī)來改變船舶航向。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 TCS框圖

TCS整合多方數(shù)據(jù)信息以控制船舶在一條預(yù)設(shè)的航線上航行，且在自身船舶特性的條件下克服多種環(huán)境因素的影響，并對上述的影響做出補(bǔ)償以保證船舶沿著預(yù)先設(shè)定好的軌跡航行。在航行過程中，船員在ECDIS上預(yù)先設(shè)定好航線，TCS從外部傳感器獲取船首向、船位、船速等信號，然后由程序計(jì)算得出當(dāng)前航跡和預(yù)設(shè)航跡之間的偏差，并將計(jì)算結(jié)果換算成舵令發(fā)送至自動舵系統(tǒng)，由自動舵系統(tǒng)來控制航向的調(diào)整以確保船舶在規(guī)劃航線上航行。TCS還能夠?qū)χT如洋流、風(fēng)向等外部干擾因素計(jì)算偏航補(bǔ)償，保證船舶在各個航路點(diǎn)之間的自動精準(zhǔn)航行。

1.1 電子海圖系統(tǒng)簡介

在1995年11月的國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)大會上討論通過了ECDIS的性能標(biāo)準(zhǔn)，以其取代傳統(tǒng)的紙質(zhì)海圖。之后，三大國際組織：IMO、國際海道測量組織和國際電工委員會分別通過了關(guān)于電子海圖內(nèi)容、圖標(biāo)、顏色等一系列規(guī)范。ECDIS作為一種輔助航行系統(tǒng)，在船舶航行過程中不但能夠?qū)⒓堎|(zhì)海圖中各種航行信息要素集成在顯示屏上展示，還可以為船舶安全航行提供必要的動態(tài)信息。掛靠我國港口的各類船舶，無論是航行在沿海還是內(nèi)河，要求全部于2011年7月1日后的第一次年檢前完成船載ECDIS的配備。

ECDIS是以高性能計(jì)算機(jī)為核心，以符合S-57標(biāo)準(zhǔn)的電子航海圖(Electronic Navigation Chart, ENC)為基礎(chǔ)，通過所連接的各種外部設(shè)備來獲得所需信息，最后在系統(tǒng)終端上進(jìn)行輸入、輸出以及顯示的一種工具[2]。ECDIS的計(jì)算機(jī)主機(jī)負(fù)責(zé)航行動態(tài)信息的計(jì)算和海圖矢量圖形的處理工作，使用的ENC是政府規(guī)定的具有航道測量資質(zhì)相關(guān)組織授權(quán)發(fā)行的。一份標(biāo)準(zhǔn)的ENC包含標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容與結(jié)構(gòu)，通常完善地反映出對應(yīng)紙質(zhì)海圖所包含的所有海圖信息。為ECDIS提供外部航行信息的設(shè)備包括GPS、計(jì)程儀、陀螺羅經(jīng)、AIS、測深儀等。ECDIS的終端設(shè)備包括顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、光驅(qū)、揚(yáng)聲器等一系列用來顯示、輸出各種海圖數(shù)據(jù)和報(bào)警信息的設(shè)備。ECDIS框架如圖2所示。

圖2 ECDIS框架

1.2 自動操舵系統(tǒng)簡介

自動舵系統(tǒng)(Auto Pilot System)是指通過對指令信號的計(jì)算自動完成操縱舵機(jī)運(yùn)動的一種電氣裝置，是船上一個極為重要的控制設(shè)備。

自動舵系統(tǒng)能夠使船舶在期望的航線上自動地保持航向的穩(wěn)定。這種特性可滿足船員對船舶航行時保持巡航速度的要求，同時還能使船舶擁有較短的轉(zhuǎn)向距離，對于轉(zhuǎn)向半徑和航速的良好控制可以大幅地提升航行期間的燃油經(jīng)濟(jì)性，并且通過較少操舵次數(shù)大幅地緩解機(jī)械的日常磨損，降低維護(hù)成本。性能出色的自動舵系統(tǒng)不僅能夠代替舵手操作舵機(jī)以減輕其勞動強(qiáng)度，而且能以更高的精度和更少的偏航次數(shù)來保持航向或航跡的準(zhǔn)確性，同時還可以通過更小的偏航距離來提高實(shí)際航速。尤其是在遠(yuǎn)洋航行時，實(shí)際航行時間縮短、節(jié)省的燃料優(yōu)勢就愈發(fā)明顯，顯著提高航行的經(jīng)濟(jì)效益。

由圖3可知，自動舵系統(tǒng)接受來自于陀螺羅經(jīng)的船首向信號以及來自計(jì)程儀的船速信號，通過船首向信號與設(shè)定航向信號之間的差值計(jì)算出所需改變的航行角度，然后將轉(zhuǎn)向計(jì)算所得的數(shù)據(jù)發(fā)送至位于舵機(jī)艙的控制單元，由控制單元將信號放大之后控制伺服電機(jī)驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)動，反饋單元獲得實(shí)時的舵葉角度后再將信號發(fā)送至控制單元，當(dāng)整個角度對比相等時轉(zhuǎn)向過程結(jié)束。

圖3 自動舵系統(tǒng)框圖

2 航跡控制方法

為使船舶經(jīng)濟(jì)又安全地航行,自動舵系統(tǒng)的性能就起著較為重要的作用。對于性能優(yōu)良的自動舵系統(tǒng)，可在有效降低操舵頻率的同時維持航向的穩(wěn)定，而且其航跡也較為接近于一條直線。若是使用性能較差的自動舵，船舶的舵機(jī)會不斷地動作以糾正航向的偏差,且這種船舶的航跡會呈現(xiàn)出曲折的“S”形。這樣的操舵結(jié)果主要是由于動舵次數(shù)多，偏航角度大，以至于船舶在轉(zhuǎn)向時承受更大的海水阻力所造成的。阻力的增大會加大船舶主機(jī)的負(fù)荷，增加有功功率的消耗，導(dǎo)致主機(jī)轉(zhuǎn)速下降。主機(jī)遙控系統(tǒng)如需防止轉(zhuǎn)速下降，必須使調(diào)速器增加燃油的供給，導(dǎo)致油耗大增。性能較差的自動舵系統(tǒng)不僅增加實(shí)際航程,降低相對航速,且提高船舶運(yùn)營成本，降低船舶運(yùn)營的生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。不僅如此，由于系統(tǒng)對航向偏差的不斷校正而增加舵機(jī)的機(jī)械磨損和主機(jī)的有功功率消耗，易使得船舶的航行安全與效率受到影響。

如今的航跡控制自動舵產(chǎn)品根據(jù)控制方案可區(qū)分為兩類：一是利用間接控制船舶航向來實(shí)現(xiàn)跟蹤船舶航跡目的的間接式航跡保持控制模式，這種控制方式的產(chǎn)品主要由日本與美國公司生產(chǎn)，其利用自適應(yīng)航向自動舵研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，配合航跡規(guī)劃和導(dǎo)航計(jì)算的電子海圖系統(tǒng)完成航跡控制的功能；二是依據(jù)對航跡偏差值的計(jì)算直接地改變舵角以使實(shí)際航跡跟蹤上規(guī)劃航跡的直接式航跡保持控制模式[3]。

2.1 間接式航跡模式

如圖4所示，使用間接法的航跡控制模式把控制分成互相嵌套的3個控制環(huán)。最內(nèi)層是通過對舵機(jī)的操縱使實(shí)際舵角一致于規(guī)劃舵角的舵角控制環(huán)，其可使船首向的運(yùn)動方向向著消除航跡偏差的方向回轉(zhuǎn)。中間一環(huán)為船舶的航向控制環(huán)，其將陀螺羅經(jīng)測量到的當(dāng)前船首向信息同航向控制器產(chǎn)生的目標(biāo)航向進(jìn)行比較，然后將比較生成的航向偏差值根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前所選擇的自適應(yīng)或PID控制方式，計(jì)算出規(guī)劃舵角。最外層即為航跡控制環(huán)，它利用外部的船位信息計(jì)算出實(shí)際的航跡，然后再與規(guī)劃的航線進(jìn)行比較，利用航跡控制算法計(jì)算兩者之間的差值，并給出消除航跡偏差的期望航向。上述3個控制環(huán)構(gòu)成了一個內(nèi)外嵌套的閉環(huán)控制系統(tǒng)。間接控制法將航跡與航向的控制功能互相分離，兩者之間互不干擾。其優(yōu)點(diǎn)在于可以方便利用航向自動舵成熟的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，而且還能在航跡控制與航向控制這2種控制模式之間方便地互相切換。

圖4 間接式航跡控制系統(tǒng)

2.2 直接式航跡控制模式

直接控制法是將間接控制中的航向控制和航跡控制這2個部分的功能綜合起來，首先它將接收到的航線計(jì)劃指令、由GPS傳來的船位信號以及陀螺羅經(jīng)傳來的船首向信號通過內(nèi)建模型計(jì)算后輸出舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵角度，于此同時完成航跡偏差和艏向偏差的控制。由于其控制性能優(yōu)良，能很好地協(xié)調(diào)機(jī)動性能與燃能比之間的關(guān)系，比較適合于高精度的控制場合。對船舶位置、方向、航速這些實(shí)際上耦合的變量進(jìn)行綜合考量，依靠舵角的變化來直接控制航跡。但由于直接式控制很難獲得精確的船舶動態(tài)特性參數(shù)，且航向角度不受直接控制，又須通過操舵來同時控制航向、橫向漂移和航跡偏差等，因此對于航向角的收斂并不能保證。不但如此，由于船舶動態(tài)特性參數(shù)獲取的困難，加上整個系統(tǒng)的構(gòu)建復(fù)雜，使得在實(shí)際使用過程中調(diào)試難度變得相當(dāng)大。

2.3 航跡跟蹤方式

船舶在自然洋面上航行必然會受到風(fēng)、浪及潮流的影響而產(chǎn)生航跡的偏差問題。人工駕駛船舶時，舵手會在一定的瞭望區(qū)域內(nèi)觀察船舶前方有無障礙物并且計(jì)算是否偏離了期望的航跡[4]。因此，當(dāng)航跡控制系統(tǒng)進(jìn)行航跡規(guī)劃時，會模擬人工眺望的視線區(qū)域，當(dāng)區(qū)域的外延與規(guī)劃的航跡相交，則會產(chǎn)生一個偏差角，此時的交點(diǎn)定義為航跡瞄準(zhǔn)點(diǎn)P，如圖5所示，說明此刻船舶存在偏航，根據(jù)設(shè)定的最大偏差值則可以開始規(guī)劃新的航向角以糾正偏航誤差。這種航跡跟蹤方法稱為視線引導(dǎo)策略。

圖5 航跡跟蹤方式

航跡控制系統(tǒng)可通過計(jì)算航跡點(diǎn)坐標(biāo)獲得當(dāng)前規(guī)劃航向角度ΨAB，計(jì)算方法為

式中：dMPA與dMPB是從赤道到任意緯度A或B的緯線之間的距離。

距離dMP計(jì)算公式為

將航跡點(diǎn)A和B的緯度代入到式(2)，計(jì)算出dMPA與dMPB的數(shù)值，再利用式(1)可解得計(jì)劃航向角度ΨAB。

同理，由于航跡瞄準(zhǔn)點(diǎn)位于規(guī)劃航跡AB段上，利用式(1)和式(2)即可計(jì)算出P點(diǎn)的坐標(biāo)，再利用式(1)計(jì)算出當(dāng)前船位與瞄準(zhǔn)點(diǎn)之間形成的規(guī)劃航向角Ψγ，將該角度值再減去當(dāng)前的船首向角度值，即得到消除偏差的航向角。

經(jīng)視線引導(dǎo)策略算出的規(guī)劃航向角被傳遞到航向控制系統(tǒng)中，通過對船舶的航向控制使得船舶按照規(guī)劃航向角度逼近預(yù)定航線，從而使船舶相對于預(yù)定航線的偏差逐漸地趨向于零[5]。

3 航跡精度控制

依照航跡線的幾何分布形狀可將航跡跟蹤控制方式分為直線航跡控制和曲線航跡控制2類。直線控制方式是在航跡的左右區(qū)間內(nèi)作較小范圍的整定控制，因?yàn)槭切》秶恼ǎ跃涂珊雎詸M向漂移并對控制模型做一定的線性化處理，即可在特定的條件下達(dá)到航跡控制的精度要求。但在設(shè)計(jì)曲線航跡跟蹤控制方式時，由于考慮到船舶操縱運(yùn)動的影響，就不能忽略橫向漂移的因素[6]。

3.1 直線段精度控制

實(shí)際航行中的船舶大多數(shù)時間都是處于直線航行的狀態(tài)，所以對直線段的航跡控制同樣是整個航跡控制過程中的重要部分。當(dāng)船舶在直線航行時，由于受到洋流、風(fēng)向、吃水等多種因素的影響，必定會出現(xiàn)程度不定的偏航，偏航后所處位置與預(yù)設(shè)航線之間的距離稱為偏航距離(Cross Track Distance, CTD)。因此，對直線段航跡的控制實(shí)際上是依靠輸入偏航距離d轉(zhuǎn)換為輸出首向指令

式中：Ψγ為確定航跡所需的期望航向；Δθ為由于航跡偏差產(chǎn)生的修正舵角。

如圖6所示，航跡線上有3個點(diǎn)O,B,C，設(shè)其坐標(biāo)為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)，此刻的船舶在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xt,yt)，艏向角為Ψ。

圖6 直線段的航跡控制

由距離公式可得2個航跡點(diǎn)間的距離為

船舶航跡線的期望艏向角由航線上的坐標(biāo)值決定，通過式(4)可得

由點(diǎn)到直線的距離公式可得出偏航距離為

定義當(dāng)d值為負(fù)時，目標(biāo)航跡位于船左舷；當(dāng)d值為正時，目標(biāo)航跡位于船右舷。在航跡控制過程中，偏航距離d通過航跡控制器得到船舶首向的修正角度Δθ，進(jìn)而操縱舵機(jī)達(dá)到直線段航跡跟蹤的目的。

3.2 轉(zhuǎn)向段精度控制

在海圖上，整段航線是由多個轉(zhuǎn)向點(diǎn)所構(gòu)成的航跡段互相連接構(gòu)成的，而在這些航跡段上航行便形成了航跡段之間的切換。航跡控制系統(tǒng)對整段航線進(jìn)行控制，實(shí)際上是對轉(zhuǎn)向航跡部分與直線航跡部分的分別控制[7]。為使船舶在轉(zhuǎn)向后能快速對新航向跟蹤到位，使航跡偏差盡量減小，系統(tǒng)須增加對船舶轉(zhuǎn)向段的航跡控制精度。

由于慣性的存在，船舶在高速勻速航行時無法迅速地在兩條轉(zhuǎn)向段之間切換，這時須根據(jù)船舶的轉(zhuǎn)彎半徑和當(dāng)前航速計(jì)算出一條圓弧，使其同2條航跡線相切，通過航跡控制使船舶沿著圓弧平滑地切入到下一條航跡。對于回轉(zhuǎn)半徑較大的大型水面船舶而言，轉(zhuǎn)向點(diǎn)控制精度的提升將減少船舶舵機(jī)運(yùn)動頻率，有助于提高船舶的燃油經(jīng)濟(jì)性。

如圖7所示，航跡AD與DF組成了一個轉(zhuǎn)向段，根據(jù)設(shè)定的回轉(zhuǎn)速率與轉(zhuǎn)向模型規(guī)劃一條相切于航跡AD與DF的圓弧CE，使船舶沿著CE的軌跡進(jìn)入到航跡段DF。據(jù)此，可將整個轉(zhuǎn)向段的控制過程分為轉(zhuǎn)向開始、穩(wěn)定和結(jié)束等3個部分。根據(jù)船舶運(yùn)動特性，因慣性的存在而使得船舶轉(zhuǎn)向產(chǎn)生一個延時，船舶不可能在收到一個轉(zhuǎn)向指令后立即進(jìn)入回轉(zhuǎn)過程， 因此船舶在轉(zhuǎn)向開始之前會繼續(xù)在原來的航跡上滑行一段距離，圖中的BC段就是開始滑行的距離。從接收轉(zhuǎn)向指令一直到BC航跡段結(jié)束的整個航行過程稱之為轉(zhuǎn)向開始階段。在這之后船舶的回轉(zhuǎn)速率達(dá)到了一定速度，開始進(jìn)入船舶轉(zhuǎn)向穩(wěn)定過程。在船首向指向F航跡段的航向時即可宣告轉(zhuǎn)向結(jié)束，整個轉(zhuǎn)向過程完成。接著是進(jìn)入直線段的航跡控制過程。

圖7 轉(zhuǎn)向段的航跡控制

慣性滑行距離BC段的長短主要取決于航速及回轉(zhuǎn)延時的大小，回轉(zhuǎn)延時同船舶特性、環(huán)境變化、運(yùn)動姿態(tài)等很多因素有關(guān)，其中最為重要的是船舶特性。由于TCS的封裝以及復(fù)雜性等因素，本文僅考慮船舶特性對轉(zhuǎn)向控制過程的影響，其他因素暫時忽略不計(jì)。

式中：v為船速；r為回轉(zhuǎn)速率；k為回轉(zhuǎn)延時系數(shù)。

通過回轉(zhuǎn)速率與船速可得回轉(zhuǎn)半徑R為

2條直線航跡的航向偏差為

由此可得

式中：Ts是步長，s；sign的值為1，1代表船舶向左轉(zhuǎn)向，-1代表船舶向右轉(zhuǎn)向。

當(dāng)船首向角與下一航跡段DF的航向θ2相等時，即判定轉(zhuǎn)向結(jié)束。

4 結(jié) 論

本文首先簡單介紹航跡控制系統(tǒng)，然后主要對航跡控制系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行研究分析，根據(jù)IMO第69號決議內(nèi)容，對航跡控制系統(tǒng)在直線段與轉(zhuǎn)向段的精度控制做了闡明，得出精度控制有著至關(guān)重要的作用。與傳統(tǒng)航向自動舵相比，無論在船舶導(dǎo)航的安全性還是燃油經(jīng)濟(jì)性等方面都有著巨大的優(yōu)勢。同時，隨著航跡控制系統(tǒng)在今后民船建造中的選配率越來越高，對精度控制的深入研究可為航跡控制系統(tǒng)的航行試驗(yàn)程序優(yōu)化提供理論支持。

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VerifyingMethodofAccuracyControlinTrackControlSystem

HU Jun, WU Xien

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

The track control system is introduced and analyzed based on the Electronic Chart Display and Information System(ECDIS) and the autopilot, and the composition of control system is given. The principle and mode of track control system are analyzed. The advantages and disadvantages of the two modes of tracking control system, the realization method, and the tracking mode of target track are expounded. Theoretical analysis is carried out on how to control accuracy of track control system in the course of straight and steering sailing, and the theoretical advantages and development space of track control system are proved.

track control system；autopilot；ECDIS；accuracy control

胡 鈞(1982-)，男，工程師，研究方向?yàn)橹悄艽皩?shí)船建造中的系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

1000-3878(2017)06-0013-06

U661

A