高 炳 嚴健雄 王 磊 張少明

（1. 廣東交通職業(yè)技術學院 廣州510800； 2. 廣東省船舶自動化工程技術研究中心 廣州510800；3.武漢理工大學 能源與動力工程學院 武漢430063）

引 言

近年，智能船舶研發(fā)與應用不斷攀新［1-3］。2015年12月，中國船級社（CCS）發(fā)布了全球首部《智能船舶規(guī)范》。該規(guī)范是基于中國船級社科技研究成果，并分析了國內(nèi)外有關智能船舶的相關情況，包含應用經(jīng)驗、發(fā)展動向和未來趨勢研判等［4］。該規(guī)范主要內(nèi)容包含：為什么需要智能船舶、什么是智能船舶、怎么在智能船舶中應用新技術，以及有哪些硬件和軟件配置要求等。

當前我國智能船舶技術研發(fā)大致與國際先進水平齊頭并進，在智能船舶標準規(guī)范研制、船型研發(fā)、智能機電設備集成研發(fā)等方面已有一定成效，但要實現(xiàn)智能技術在船舶上的成熟應用與市場化，仍還有不少高峰需要攀登。

1 智能船舶涵義界定

智能船舶已成為全世界各國各方的研究熱點，有不少相關船舶研發(fā)機構、船級社和政府主管部門對智能船舶進行了大量的研發(fā)、標準制定和規(guī)劃［4-6］。但是我國當前還沒有完整意義的智能船舶，各方對智能船舶的涵義界定也有不同表述。世界上已有幾個代表性的研究成果涉及闡述智能船舶的涵義界定，對照分析如表1所示。

表1 世界主要研究機構對智能船舶的涵義界定比照表

CCS《智能船舶國際規(guī)范》對智能的涵義建立數(shù)學模型，把航行智能、機艙智能、船體智能、貨物管理智能、能效管理智能和集成平臺智能等6個要素建模為 ：i-Ship（Nx，Mx，Hx，Cx，Ex，Ix）。

該模型中：x是可選功能補充參數(shù)象征符號，N為航行智能、M為機艙智能、H為船體智能、C為貨物管理智能、E為能效管理智能，I為集成平臺智能。船舶可選其中一項智能功能，也可同時選幾項智能功能，相應數(shù)?？膳渲靡粋€或者幾個相關功能參數(shù)。

2 智能船舶主要機電應用技術分析

2.1 智能船舶技術研發(fā)路徑

對于智能船舶技術的研發(fā)路徑，全球范圍內(nèi)都熱切關注且各有策略，達成共識的是：都認為智能船舶技術研發(fā)不可一步登天，需要理性循序漸進、分階段突破，最終目標是實現(xiàn)包含遠洋交通運輸在內(nèi)的完全無人駕駛，即真正的智能化自主航行船舶。選取具有代表性的國家海事組織（IMO）、中國船級社、勞氏船級社以及羅爾斯·羅伊斯公司的智能船舶技術研發(fā)規(guī)劃路徑圖并進行對比研究（參見表2）?？梢?，智能船舶的研發(fā)路徑不是簡單的直線型，而是多方面同步協(xié)調(diào)發(fā)展的過程。

表2 全球代表性智能船舶技術研發(fā)規(guī)劃路徑對比表

2.2 大數(shù)據(jù)挖掘處理技術

通信技術、計算機技術的發(fā)展日新月異，大數(shù)據(jù)技術應用的范圍越來越廣。毋庸置疑，大數(shù)據(jù)技術是智能船的必選項。當前，大數(shù)據(jù)技術在智能船舶上的推廣應用需要解決的關鍵點是根據(jù)現(xiàn)有行業(yè)資源和特點，尋求合適船舶領域的大數(shù)據(jù)挖掘與分析處理思路與方法。而大數(shù)據(jù)技術分析方法大致有兩種，一種是以物（計算機或者機器）為基點來討論，突出的是物的人工智能與計算，涉及到的主要研究方向包括數(shù)據(jù)挖掘算法、智能搜索、高速高精度處理計算方法等；一種是以人為基點來討論，突出的是與人認知規(guī)律匹配、人機可友好交互的分析方法，目的在于讓物（計算機或者機器）能像人一樣“認知”或“思考”。

大數(shù)據(jù)在船舶上的應用就是利用大數(shù)據(jù)為船所用，提供有益有用的輔助決策信息，并挖掘潛在價值。大數(shù)據(jù)技術應用在船上有各種優(yōu)勢，列舉以下幾點：

（1）借助大數(shù)據(jù)，可研判船機狀況以提升船機的維護操控水準；精準核算備件數(shù)量，優(yōu)化機電設備等資源配置。

（2）以船機油料物料消耗的真實大數(shù)據(jù)、船舶航速等數(shù)據(jù)為基礎，設置最優(yōu)經(jīng)濟航速等輔助優(yōu)化船舶管理決策。

（3）通過AIS數(shù)據(jù)實時掌握船舶動態(tài)，提升水路交通營運管理控制效率。

國內(nèi)已有部分單位在研究甚至正在應用船舶大數(shù)據(jù)技術，也有公司已研發(fā)出船舶管理大數(shù)據(jù)平臺，其包含船機維護與修理、船員證件操辦、質量體系維管、物資與備配件管理和安全管理等?？梢?，利用大數(shù)據(jù)平臺可有效提升船機營運的效率、安全可靠性與經(jīng)濟性。

2.3 船機信息感知技術

船機信息感知技術主要是應用傳感器、信息處理器和通訊網(wǎng)絡，獲取各種有用的船機和環(huán)境信息來輔助決策船舶營運，以求船機更安全、航行操作更便利可靠的一種方法。感知的信息主要包含船機本體和相關環(huán)境。

船機本體信息來源包括：

（1）船舶航行狀態(tài)信息，比如船位、航速、航線方向等；

（2）船舶機電設備狀態(tài)信息，比如船舶主機轉速、各處壓力、水位、油位等。

目前此類信息傳感器技術較為成熟可靠，市場上有各種物理信號的傳感器產(chǎn)品可選。而相關環(huán)境信息相對來說比較復雜，涉及船舶周圍的各種物理存在、天氣條件、海水靜止與流動特性、監(jiān)視信息等，其所用的信息感知硬件也較為高精尖，包含航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR）、AIS、激光雷達、電子海圖、攝像頭（機）等。此類需感知的環(huán)境信號繁多、來源不一，存在信息冗余、不一致，甚至沖突的情況，是研發(fā)的重點和難點。

2018年，全球最大航運公司馬士基航運與Sea Machines Robotics公司合作，在新建造的集裝箱船上試驗了人工智能AI情景感知技術。其首次綜合利用計算機技術、光傳感與檢測、激光雷達（測距）和配套感知軟件的人工智能方案，系統(tǒng)采用先進傳感器不間斷采集船機周圍信息，感知和分析處理威脅（潛在事故），并在駕駛臺人機交互界面上顯示，以此提升船舶海上營運中的目標識別、情景感知能力。

2.4 無人船技術

新時代熱點——機器人、無人車、無人機的出現(xiàn)和應用，促進了無人控制技術、方法和理論體系飛速發(fā)展［7-9］。無人駕駛技術在船舶上的應用當然也不甘落后，業(yè)界多方均密切關注并積極研發(fā)［10-14］。

無人船技術是“船舶智能”的又一次飛躍，是智能船舶的最終目標形式之一。所謂無人船技術，狹義通常理解為無人駕駛技術，即通過遠程控制和智能技術達到對無人船的駕控。

現(xiàn)有的船舶綜合駕駛臺系統(tǒng)（IBS）雖有航線規(guī)劃與記錄、自動避碰等功用，但遠非無人船技術應包含的內(nèi)容。無人駕駛船主要涉及船機信息感知、遠程識別、航線路徑規(guī)劃（避碰）與記錄跟蹤、航跡控制技術等。圖1為船舶智能避碰的邏輯機理。

圖1 船舶智能避碰邏輯機理圖

在傳統(tǒng)的有人駕駛船舶上，其航跡操控主要應用航跡自動舵技術。先后衍變進化的舵技術為機械、PID、自適應與智能自動。對于穩(wěn)定簡單的系統(tǒng)，目前雖仍較多使用PID控制，但大部分真實航行的船舶，其存在時變性、時滯性和非線性問題，此時若單用PID控制就易出現(xiàn)誤判。為解決此缺陷，科研工作者研發(fā)應用了一些先進的算法，其中以MPC（模型預測最優(yōu)化控制）法和LOS（視線距離狀態(tài)反饋導航）法最具代表性。

當前我國也已有研發(fā)無人船技術，如：“領航者”號無人船、“無人智能測量平臺”以及“芙蓉”號小型無人船等。

3 “芙蓉”號小型無人船研發(fā)

3.1 方案設計

筆者所在團隊研發(fā)的“芙蓉”號小型無人船，是集成應用智能傳感、PLC控制器、無線遠程控制等技術，所設計的一套小型無人船智控方案，并在學校游泳池和開闊水域進行了操控試驗，基本實現(xiàn)小型無人船的自主航行與遠程遙控要求，如圖2所示。

圖2 “芙蓉”號小型無人船測試圖

方案采用一對多的上位機控制策略，無線透傳技術試驗近距離遙控。設置多頻率通道，可精準管控對應頻率的小型船，其設計系統(tǒng)方案如下頁圖3所示。

3.2 功能與硬件

“芙蓉”號小型無人船的主要功能是以PLC控制為核心，操控調(diào)節(jié)2臺直流吊艇電機轉速進行無人船航速與航向操控，實現(xiàn)基本水面溫度、水深等一般水文測量，完成活動水面油污抽取檢測裝置設計（即15 ppm海面油污信號采集）；然后以PLC的RS485端口連接的 433～480 MHz無線透傳傳輸模塊作為主要通信模式，融合與4G網(wǎng)絡模塊相結合的遙控技術，并配置BaiduGIS定位模塊；最后，力控組態(tài)完成上位機人機界面與后臺數(shù)據(jù)庫管理，運用其策略組運算進行自主航行計算，從而實現(xiàn)上位機監(jiān)控與自主航行功能。

方案省卻了檢測船舶航向的羅經(jīng)設備和控制船舶航向的操舵設備，采用雙艇外直流電機提供動力，并通過調(diào)節(jié)雙電機轉速操縱船舶轉向控制。方案所訂制的長度1.4 m船模，設有防水防撞防磨損裝置，船體帶有警燈、警報器以及視頻監(jiān)控裝置與避障系統(tǒng)，采用閉孔泡沫填充、全封閉防水和上下隔艙等防沉設計，擁有一定船艙空間。12 V直流有刷吊艇電機，1 800 r/min，額定電流20 A. 12 V鋰電池2組供電，滿足一定的續(xù)航能力。

3.3 自主航行算法

自主航行計算法即采用簡單的PID位置算法，實現(xiàn)定點自主航行（如圖4所示），定出終點坐標B，可得航線AB函數(shù)根據(jù)GPS每秒反饋回的坐標位置坐標（X1，Y1），計算偏航角以及偏航距離得控制離散公式，見式（1）：

圖3 “芙蓉號”系統(tǒng)設計圖

圖4 航行算法坐標圖

為提高自助巡航能力，可在原有基礎上結合車載導航系統(tǒng)使用的Dijkstra算法和A*算法，并對傳統(tǒng)的規(guī)劃算法進行改進，即最優(yōu)路徑搜索算法，結合無人船自有的避碰傳感器進行避碰操作控制，可實現(xiàn)更加復雜的自助巡航設計。

3.4 實船航行測試與反思

小型無人船實船具有在開闊水域自主航行的能力，船舶設有開闊水域自動避碰系統(tǒng)，可按預定的航路實現(xiàn)自動避碰，并進行自主航行，符合Ⅲ類計算機系統(tǒng)的要求。下水巡航時間可實現(xiàn)4 h（2 m/s下）和高速2 h（4 m/s下）。無線透傳模塊測試正常，如前文中圖2所示。

自主航行算法處理中，Kp= 0.6Ku、Ti= 0.5Tu、值取經(jīng)驗法值，值變化較快，導致電機轉速變化過快，船舶操控性變差，實際值操作中將GPS采樣降為2 s采樣一次，基本能完成定點導航功能。不同船型的大小、電機功率及定位傳感器信號精度等均影響控制效果，取值參考意義不大。

4 結 語

智能船舶機電應用技術主要包含大數(shù)據(jù)挖掘處理技術、船機信息感知技術、無人船技術、智能機艙技術等，其中部分技術已經(jīng)成熟應用，比如信息感知之傳感器技術、智能機艙之狀態(tài)監(jiān)測技術等，但是還有很多關鍵技術缺少理論體系或實際驗證，比如無人船之自主航行技術、智能機艙之能效控制技術、無人船之航線規(guī)劃技術等。

小型無人船“芙蓉”號的試驗研發(fā)，在智能船舶、無人船技術的方案設計、功能與硬件、算法優(yōu)化等方面的研發(fā)有創(chuàng)新引領和經(jīng)驗積累作用，具有示范、推廣與借鑒的價值?？刂苹荆蓪崿F(xiàn)手動操縱與基本自助航行能力，完成水質采樣、定位、姿態(tài)、無人船工作狀態(tài)等航行控制及其他野外作業(yè)任務，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)信息的快速、準確采集與傳輸，系統(tǒng)可靠運行。今后需進一步研究如何提高自助巡航的精度與準確性。由于目前選用的是普通精度定位器，出現(xiàn)了單坐標定位誤差較大的問題；此外，因需不停計算船位，便出現(xiàn)短暫停止、耗時較長，甚至跑偏等問題。后期擬通過提高測量精度或加裝羅經(jīng)航向測量等傳感器來尋求優(yōu)化解決方案。