智能船舶靠泊技术研究热点与趋势

在梳理近年来国内外智能船舶靠泊技术研究现状的基础上,首先从靠泊方式、数学模型和控制算法3个方面分别归纳靠泊技术的研究热点与应用情况,分析智能船舶靠泊技术在自主性、建模精度、路径规划、控制算法、节能效果和系统测试等方面尚待解决的问题。然后,从航海实际需求出发,提出下一步需要突破的有关信息融合、在线建模、智能决策、算法优化、绿色节能和测试技术等方面的核心理论和关键技术问题,努力提升靠泊技术的自主性、鲁棒性、快速性和“韧性”,助力实现安全、绿色、高效的智能航运目标。

欠驱商船的自主靠泊轨迹规划研究

针对大型商船在自主靠泊时的轨迹规划任务,分别考虑远码头轨迹规划和码头末端镇定靠泊两部分.基于大型船舶自身特点及限制等多约束分析的分阶段路径规划方法,完成面向大型商船自主靠泊的轨迹规划任务.考虑大型商船自身体型较大,低速运动时船舶的舵效和实船操纵性能差等难题,提出大型船舶自身限制等多约束分析的人工势场法,改进传统人工势场法中存在引力过大、目标不可达的问题.同时考虑镇定阶段船舶自身及泊位信息对船舶艏向和速度的约束,绘制舵角的输出变化曲线,并进行航迹规划,为商船选择合适的航线进行靠泊提供了理论依据.

带有状态/输入量化的无人艇航向跟踪控制

[目的]针对水面无人艇(USV)的海上通信受限的问题,提出一种带有状态/输入量化的USV航向跟踪控制方法。[方法]基于反步法设计系统控制律,结合动态面技术降低虚拟控制律的计算量膨胀问题。对于控制系统中存在的不确定项及外界干扰,利用扩张状态观测器(ESO)进行估计。采用均匀量化器分别对控制系统中的状态变量和控制输入进行量化,且量化后的状态反馈信息仅用于跟踪控制。利用量化状态递归设计基于ESO的USV航向控制器,证明闭环控制系统中量化变量和非量化变量间误差的有界性。[结果]基于李雅普诺夫稳定性理论,提出了量化误差考量及闭环系统稳定性判定方法,严格证明了所设计的带有状态量化和输入量化的USV航向跟踪控制系统的稳定性,仿真实验验证了该控制策略的有效性。[结论]结果表明,所提方法可为USV航向跟踪控制提供借鉴。

一种无需指定船舶位置的新型船舶大规模自主编队方法

[目的]针对船舶大规模编队通信量大、编队速度慢、不便于扩充等问题,提出一种新型的虚拟壁面编队方法。[方法]使用局部通信,根据自然规律,设定虚拟作用力驱使船舶向目标位置集合,并通过虚拟壁面调整队形,从而实现船舶编队的目的。[结果]结果表明,所提方法能够按照“就近原则”快速地完成编队,通信量低且不随编队规模而增加。通过对船舶编队的静态、动态、旋转、缩放和避障的仿真验证了这种算法的有效性。[结论]所提虚拟壁面法具有通信量低、编队速度快、扩充简单等优势,在船舶大规模编队中具有明显优势。

基于改进人工蜂群算法的船舶管路路径寻优算法分析

[目的]人工蜂群(ABC)算法具有控制参数少、局部寻优能力强、收敛速度快的特点,但在解决路径寻优问题方面,存在容易陷入局部最优的缺陷。为解决船舶管路系统中的管路路径规划问题,提出一种改进的人工蜂群(IABC)算法。[方法]在传统人工蜂群算法的基础上,在跟随蜂的更新机制中引入遗传算子中的交叉操作,并对交叉算子的交叉概率采用自适应的策略;通过对种群进行的交叉操作寻找全局范围内的新解,并改进侦察蜂寻找新路径的方式,由原来的对路径经过的点进行更新改为对路径中的“路段”进行更新;随后,提出一种适应于解决分支管路路径寻优的改进人工蜂群协同进化算法。[结果]实例验证表明,改进后的人工蜂群算法相比标准人工蜂群算法其路径布置效果能够提升32.3%~37.4%,收敛速度能够提升17.7%~29.9%。[结论]无论是解决单管路还是分支管路,改进后的人工蜂群算法相比传统的人工蜂群算法求解质量更高、收敛速度更快、稳定性更好。

基于非线性修饰和零阶保持器的船舶航向保持控制

[目的]为了解决船舶在海上航行时控制器舵角输出大、打舵频率高、控制速度较慢以及控制精度较低的问题,利用三阶闭环增益成形算法设计鲁棒控制器。[方法]首先,利用三阶闭环增益成形算法设计出线性鲁棒控制器,然后,在控制策略中加入双曲正切非线性修饰以及零阶保持器,在不同海况下对该控制器的性能进行仿真实验。[结果]仿真结果表明,相比于基于非线性修饰的传统PID控制器,在一般海况下,所提控制器在延迟时间、控制精度以及能量输出上分别改进了36%,14%和32%;在恶劣海况下,分别改进了27%,7%和16%。此外,不同海况下该控制器的仿真结果都具有稳定的舵角输出,并可以较快地稳定在临界值附近,证明了其具有较好的鲁棒性。[结论]改进的控制器符合工程实践,对于智能船舶的控制具有较好的应用参考价值。

基于改进反步滑模控制算法的拖轮自主靠泊控制

[目的]针对拖轮的自主靠泊控制问题,研究基于虚拟船领导的目标跟踪控制策略在拖轮自主靠泊中的应用。[方法]首先,将拖轮的自主靠泊过程转变为虚拟拖轮和实际拖轮的目标跟踪控制过程;然后,设计靠泊系统的运动学模型,考虑靠泊场景中的特殊环境干扰,使用反步法和滑模控制法(SMC)设计全回转尾推进拖轮的自主靠泊控制器,提供了3种不同的滑模面设计并使用李雅普诺夫函数进行稳定性验证;最后,采用仿真实验的方式,通过靠泊轨迹、速度误差和距离误差来对控制的效果进行验证。[结果]仿真实验结果表明,设计的拖轮自主靠泊控制策略以及控制器在拖轮自主靠泊场景中具有较好的效果,面对系统的不确定干扰有较好的表现。[结论]该控制策略以及靠泊控制器的适用性以及鲁棒性较好,以全新的角度实现了拖轮自主靠泊控制,为后续拖轮的靠泊控制研究提供了新的方向。

未知扰动下的无人艇编队优化轨迹跟踪控制

[目的]针对水面无人艇(USV)编队轨迹跟踪中存在的未知扰动和队形变化问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的最优反步控制(FDO-OBC)方法。[方法]首先,基于虚拟结构法,建立无人艇编队控制框架,并设计运动学和动力学编队控制器;其次,设计有限时间扰动观测器,实时估计补偿未知环境扰动;然后,针对编队队形变化的轨迹跟踪问题,提出基于最优反步控制的动态轨迹优化策略,利用扰动观测器信息来计算最优控制输入,实现无人艇编队轨迹跟踪的动态优化;最后,采用李雅普诺夫稳定性理论证明该编队控制方法的稳定性。[结果]仿真对比结果表明,FDO-OBC策略可有效提高无人艇编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]对于面向扰动环境下的无人艇编队控制系统设计,FDO-OBC方法提供了一种新的技术手段。

电催化技术在船舶压载水处理中的应用

压载水经过滤器进入到高级氧化单元中,在水中生成较多的具有较高氧化性的羟基自由基,利用其强的氧化性灭杀微生物和一些藻类。在淡水和海水体系都能适用,能耗低、运行成本低、耐悬浮物、不产生氢气、不造成二次污染、使用简便、性能稳定。与其他产品技术相比,该技术具有更好的可靠性和可行性,能够实现管道在线灭活生物,占用空间小,安装方便。该系统完全满足国际海事组织(IMO)要求,已获得15个主流船级社、船旗国认证,是世界上取得各项认证和许可最多的船舶压载水处理系统之一。通过对比分析不同技术处理方法的特点,结合电催化的原理、设备特点等内容来研究电催化技术。

船厂可替代燃料技术研发分析

基于航运界双碳减排的要求,针对船厂进行自主技术研发的几个关键问题进行分析;(方法)具体在研发定位、职责、开发梯度、运营方式和项目经济性等方面展开分析;在专业船舶技术研究所和船厂施工设计中间找到了专有的定位,并基于EPC方案展开甲醇、氨和LNG燃料的经济性分析。结果表明,船厂进行自主研发具有必要性和迫切性;而在经济性上,氨和甲醇的净现值非常接近,解决运行期间燃料成本支出问题并降低初始改装成本,是进行方案优选的关键。

信息技术在现代船舶航海驾驶中运用分析

本文介绍了现代船舶航海驾驶中如何而有效应用信息化技术,简述了信息技术为现代船舶航海驾驶带来的积极作用和优势,分析了智能航海技术、航海自动化技术、数字海洋技术、自动化识别技术以及自动化驾驶技术5中信息技术在现代化航海驾驶中的具体应用。在分析介绍的过程中发现,在现代化发展的过程中,我国需要不断创新和优化船舶航海驾驶技术,保证其现代化发展。经研究本次研究分析发现,积极应用信息化技术,可以提升船舶航海驾驶的自动化以及智能化水平,同时也可以提升船舶航海驾驶的安全性以及稳定性,值得被大范围的应用和推广。

船舶空调器风机振动故障典型监测实例分析

针对船舶空调器风机振动监测问题,介绍了空调器风机基本结构、故障模式与测试方法,而后对典型监测实例进行分析,并综合振动数据和故障拆检结果总结了故障分析经验。

船用制冷系统不凝性气体自动排放装置

文章探讨了一种实用新型的气体自动排放装置,运用检测和控制技术,能够高效、准确地分离不凝性气体。基于S7-1200系列可编程逻辑控制器(PLC)的控制系统设计,确保装置运行稳定可靠。该装置能够在不影响制冷效果的情况下,有效排放不凝性气体,具有很高的应用价值和推广前景。

基于PFC控制的船舶充电装置设计

根据某船舶充电需求,本文提出一种基于PFC控制的高功率因数、隔离性的充电装置设计方案。详细介绍了Pfc-boost拓扑结构电路、隔离斩波拓扑电路及DSP芯片的外围硬件电路。通过实验仿真验证,该方案能够满足设计目标,实现稳定输出。

基于动态规划制导的无人艇自主回收控制方法

[目的]针对欠驱动无人艇(USV)自主回收的需求,提出一种基于动态规划制导的跟踪控制方法。[方法]在运动学层面,将平行接近制导(CB)与动态窗口算法(DWA)相结合,引导USV实现目标跟踪与动态避障;在动力学层面,针对模型参数及回收环境的不确定性,采用径向基函数神经网络(RBFNN)设计动力学滑模控制器,实现对制导输出的跟踪控制。随后,采用Lyapunov理论对系统的稳定性进行分析。[结果]仿真结果表明,所提方法使USV具备了稳定跟踪性能,可有效规避回收过程中的动态障碍,并能自适应估计模型中的不确定因素和未知的环境干扰。[结论]所提方法展现出较强的鲁棒性与灵活性,可为USV在动态环境下的回收进行制导与目标跟踪提供参考。

舰船舱室环境油雾在金属和织物表面的沉降特性

[目的]旨在研究舰船舱室环境油雾在金属和织物表面的沉降特性。[方法]在试验舱内释油雾,让其在目标表面上沉降,称量表面沉降前后的质量差即为表面上的沉降质量,以此来对比不同朝向、不同材质表面的沉降特性;将水平向下表面的沉降合理假设为气相沉降,估算其贡献大小,并计算颗粒相的沉降速度。[结果]在朝向方面,金属水平向上表面的沉降质量分别是竖直和水平向下表面的3.98倍和4.66倍,织物水平向上表面的油雾沉降质量是竖直和水平向下表面的1.08倍和1.20倍;在材质方面,织物水平向上、竖直和水平向下表面的沉降质量分别是同朝向的金属表面的49.1倍、169.8倍和155.5倍。估算表明,对于金属水平向上和竖直表面,气相沉积的贡献分别为21.5%和79.2%;对于织物的水平向上和竖直表面,则约为90%。[结论]研究表明,舰船舱室环境油雾在织物表面的沉降远强于在金属表面的沉降;在金属水平向上表面的沉降远大于竖直表面和水平向下表面;在3种朝向的织物表面的沉降差别并不明显;无论何种材质和朝向,气相沉降都不可忽视。对于舰船舱室环境,气相沉降占据主导作用。

基于DSV船舶管系设计的精益化提升

基于#1-#3潜水支持船的管系设计工程修改率过高、浪费较大和库存较多等问题,在#4号船上进行设计精益化提升;通过组建新的团队、更新组织架构和设计送审流程,并按精益思想的五大步骤优化设计,具体展开三项实践的提升举措分析;在#4 DSV项目管系专业节省了设计人力5~10人,而修改率对比#3 DSV下降了12.19%,从而降低了项目成本;并且通过3D软件精准设计模式规避了牛鞭效应。结果表明,通过采用精益化模式,管系设计效率和质量显著提高,得到持续改进。

甲醇动力船惰化吹扫系统设计

基于MAN 7G80甲醇发动机的设计工况,分析甲醇燃料使用时的易燃性和毒性;据此对发动机进行双惰化吹除流程的设计,以及针对日用柜和燃料舱进行氮气填充的功能分析,计算出氮气发生装置(A+B)方案的参数选型和存储罐的容积、压力配置,为发动机在“燃料待机”和“燃料停止”2种吹扫模式提供了功能支持;并同时满足了燃料舱柜惰气填充的流量需求。

船舶内装中声学性能的改进与优化

船舶内装中声学性能的改进与优化研究是基于船舶内部环境的需求,旨在减少噪音和振动对船员和乘客的影响。随着船舶的发展和使用范围的扩大,人们对船舶内部环境的要求也越来越高。良好的声学性能可以提高船舶的舒适性、安全性和工作效率。本文介绍了船舶系统声学性能的影响因素和影响船舶系统声学性能的环境因素,研究了船舶系统声学性能测试方法,提出了船舶系统声学性能优化措施,包括船体结构优化设计、船用设备优化选型、船舶操纵优化控制和实验验证等方式,旨在为船舶的设计提供建议,促进行业的技术进步。

基于模型预测控制的无人帆船轨迹跟踪方法

[目的]面向无人帆船在水面、水下跨域异构海洋机器人的协同作业场景,提出基于模型预测控制(MPC)的无人帆船轨迹跟踪方法。[方法]针对“海鸥”号无人帆船,建立其动力学模型及运动学模型,通过分析无人帆船动力学特点及执行器约束条件,构建MPC目标函数及系统约束条件,将无人帆船的轨迹跟踪问题转化为优化问题,并利用Matlab软件开展仿真实验验证。[结果]仿真结果表明,与“帆–舵”分离的PID轨迹跟踪控制方法相比,所提出的无人帆船“帆–舵”联合MPC控制方法更便于添加约束条件,其在风向变化的情况下能以更小的轨迹跟踪误差来更快地收敛于指定轨迹,且其可以实现逆风折线航行。[结论]研究成果可为无人帆船的帆、舵控制提供新的思路,提高其轨迹跟踪能力,进一步为无人帆船与AUV的高效协同作业提供技术保障。