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船舶航跡舵的路徑規(guī)劃算法研究

2024-12-07 00:00:00江旭峰?孫超?張蕾?溫蓓俊
航海 2024年6期

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(wèn)題是百余年來(lái)業(yè)界關(guān)注的研究熱點(diǎn)。船舶自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)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(duì)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(dòng)化和智能化發(fā)展提供了有力支持。本文的研究對(duì)于提高船舶操縱性、航行安全性、營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞:自動(dòng)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(dòng)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(dòng)舵系統(tǒng)的研究可以追溯到20世紀(jì)初,但直到近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、控制理論等技術(shù)的飛速發(fā)展,船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)的研究才取得了顯著成果。船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)通過(guò)集成計(jì)算機(jī)、傳感器、控制理論等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了船舶的自動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境。對(duì)于船舶自動(dòng)舵而言,現(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法多依賴(lài)于靜態(tài)或簡(jiǎn)單的環(huán)境模型,難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映海洋環(huán)境的動(dòng)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(lái)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(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中得到應(yīng)用,但在船舶自動(dòng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)避障方面。

1 自動(dòng)舵的發(fā)展歷程

船舶自動(dòng)舵,全稱(chēng)“自動(dòng)操舵裝置控制系統(tǒng)”,是一種能自動(dòng)及時(shí)糾正船舶偏航,使船舶較長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(guò)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(shí),自動(dòng)舵會(huì)立即動(dòng)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(guò)大,船艏在未到達(dá)和接近原航向時(shí),自動(dòng)舵會(huì)調(diào)整舵角,產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)舵是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),主要包括航向給定環(huán)節(jié)、航向檢測(cè)環(huán)節(jié)、給定航向與實(shí)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(duì)象——船舶本身。這些環(huán)節(jié)相互協(xié)作,共同實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)操舵功能。目前,海船上常用的自動(dòng)舵有多種類(lèi)型,如比例-微分舵、比例-微分-積分舵、自適應(yīng)舵和自動(dòng)駕駛儀(航跡舵)等。這些不同類(lèi)型的自動(dòng)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(dòng)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(jì)劃或?qū)崟r(shí)環(huán)境信息,自動(dòng)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?,F(xiàn)代船舶自動(dòng)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(shí)感知船舶狀態(tài)、海洋環(huán)境以及周?chē)暗膭?dòng)態(tài)信息,并據(jù)此做出相應(yīng)的航行決策。[2]

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

PID自動(dòng)舵的控制參數(shù)較少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)法滿(mǎn)足外界條件的隨時(shí)變化,降低了PID自動(dòng)舵的適應(yīng)性。盡管如此,PID自動(dòng)舵仍為自動(dòng)舵的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

自適應(yīng)自動(dòng)舵比PID自動(dòng)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(jià)值函數(shù)的有關(guān),也與環(huán)境干擾模型有關(guān)。因此,在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的局限性。

智能自動(dòng)舵采用了多種先進(jìn)的控制算法,如專(zhuān)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(lèi)的決策過(guò)程或利用機(jī)器學(xué)習(xí)的能力來(lái)優(yōu)化控制策略,從而提高自動(dòng)舵的精確性和適應(yīng)性。

目前,智能自動(dòng)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(dòng)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(shí)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(guò)集成多種傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù),實(shí)時(shí)獲取船舶周?chē)暮Q蟓h(huán)境信息和其他船舶的動(dòng)態(tài)信息,為自動(dòng)舵系統(tǒng)提供必要的輸入數(shù)據(jù)。

雷達(dá)是船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)中最重要的傳感器之一,主要用于探測(cè)周?chē)?、浮?biāo)、島嶼等障礙物,以及海流、海浪等海洋環(huán)境特征?,F(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(cè)需求。雷達(dá)通過(guò)發(fā)射電磁波并接收回波,計(jì)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(dòng)舵系統(tǒng)中。

AIS(船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng))通過(guò)VHF(甚高頻)通信鏈路,自動(dòng)廣播和接收船舶的靜態(tài)信息(如船名、呼號(hào)、MMSI碼等)、動(dòng)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(shí)提供周?chē)暗木_位置信息,對(duì)于避免船舶碰撞、優(yōu)化航行路線(xiàn)具有重要意義。[3]

船舶自動(dòng)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(xiàn)行駛的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它主要負(fù)責(zé)接收來(lái)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(lái)調(diào)整船舶的航向和速度。

船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)通過(guò)接口(如串口、CAN總線(xiàn)等)接收來(lái)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?chē)系K物的位置、氣象條件等,對(duì)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(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,形成對(duì)船舶周?chē)h(huán)境的全面感知。通過(guò)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?chē)h(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(duì)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(xiàn)之間的偏差,并評(píng)估外部干擾和內(nèi)部故障對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

2.2路徑規(guī)劃

船舶自動(dòng)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(guò)對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)特性和控制要求的分析和計(jì)算,確定航行路徑的過(guò)程。這一過(guò)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(lèi)。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(xiàn)、圓弧、Bezier曲線(xiàn))邏輯路徑規(guī)劃方法(基于圖論、人工智能方法)、高級(jí)路徑規(guī)劃方法(FMM快速行進(jìn)法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃)等方法。路徑規(guī)劃的實(shí)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(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)導(dǎo)航和航行控制。[4]

船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)的路徑規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的過(guò)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(jì)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(dòng)舵自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法

船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)的自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法是船舶自動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化船舶航行路徑的算法。這類(lèi)算法通常結(jié)合了多種傳感器數(shù)據(jù)、船舶動(dòng)力學(xué)模型以及智能優(yōu)化算法,以實(shí)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(guò)傳感器(如雷達(dá)、聲吶、攝像頭等)收集周?chē)h(huán)境信息,將實(shí)際環(huán)境抽象為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)學(xué)模型。常見(jiàn)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(guò)算法計(jì)算得出最優(yōu)或次優(yōu)的航行路徑,常見(jiàn)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(dòng)態(tài)障礙物。自適應(yīng)控制算法用于根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境信息和船舶狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整航行路徑,常見(jiàn)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(dòng)調(diào)整控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航行過(guò)程的精確控制。

其算法框架如圖1所示,通過(guò)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(jì)算初始航行路徑。再根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境信息和船舶狀態(tài),利用自適應(yīng)控制算法對(duì)航行路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。同時(shí),通過(guò)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(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃

自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法能夠根據(jù)實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)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(xiǎn)區(qū)域。

(3)經(jīng)濟(jì)航行

在規(guī)劃路徑時(shí),算法會(huì)考慮燃油消耗、航行時(shí)間等因素,以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)航行。通過(guò)優(yōu)化航行路徑和速度,可以降低船舶運(yùn)營(yíng)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(cè)到前方有障礙物或潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí),算法會(huì)立即計(jì)算并規(guī)劃出一條避開(kāi)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(huì)遇的復(fù)雜場(chǎng)景中,算法能夠綜合考慮多艘船舶的航行狀態(tài)和動(dòng)態(tài)信息,通過(guò)協(xié)調(diào)各船的航行路徑和速度,實(shí)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(lèi)舵手的決策過(guò)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(duì)船舶的避碰行為進(jìn)行建模和預(yù)測(cè),提高避碰決策的準(zhǔn)確性和可靠性。

(4)實(shí)時(shí)反饋與調(diào)整:在船舶航行過(guò)程中,自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法會(huì)不斷接收來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)反饋信息,并根據(jù)反饋信息對(duì)航行路徑進(jìn)行動(dòng)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(shí)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(lèi)型的船舶中,包括貨船、客船、軍艦等。通過(guò)應(yīng)用該算法,船舶能夠在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的航行。同時(shí),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(yǔ)

船舶自動(dòng)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(jì)與實(shí)現(xiàn)、適應(yīng)性與魯棒性、實(shí)際應(yīng)用與驗(yàn)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(shí)時(shí)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(shí),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(shí)時(shí)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(dòng)舵系統(tǒng)的自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法也將迎來(lái)更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇。未來(lái),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(shí),隨著國(guó)際海事組織對(duì)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。

參考文獻(xiàn)

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