船载运维机器人关键技术与展望

船舶运维技术是水路交通系统安全、绿色、高效运行的关键。随着人工智能技术的快速发展,船载运维机器人开始逐步用于完成危险、繁重的船舶运维作业任务。首先,介绍船载运维机器人的国内外研究现状,并归纳目前主要的船舶运维作业类型;其次,梳理船载运维机器人技术在船舶验舱、船底清洗、除锈喷漆、清舱和巡检等典型船舶运维作业中的应用情况;再次,分析船载运维机器人的关键技术研究现状以及面临的挑战;最后,对未来船载运维机器人技术的研究和应用进行展望。

基于TOPSIS和贝叶斯网络的液体化工码头设备安全风险评价模型研究

液体化工码头设备安全对码头作业安全至关重要,为有效评估化工码头设备安全风险,提出了一种基于逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution, TOPSIS)和贝叶斯网络的安全风险评估方法。运用TOPSIS方法从24个指标中筛选出16个重要指标,构建了液体化工码头设备安全风险指标体系,基于贝叶斯网络方法建立设备安全风险评价拓扑结构,通过马尔科夫链蒙特卡洛算法完成贝叶斯网络节点概率推理过程,得到基于贝叶斯网络方法的液体化工码头设备安全风险评价模型。最后以长江干线某化工码头为研究对象开展风险评价,结果表明该码头设备整体风险等级为较低,4个设备子系统的风险概率从高到低的次序为管道设备、储存设备、机械设备和安全防护设备,管道设备风险等级相对较高,码头应针对管道设备做好风险管控措施。

海事技术与工程的最新动态与展望——2016年第三届国际海事技术与工程会议综述

海事技术与工程是船舶与海洋工程领域的重要研究内容,一直受到学术界和产业界的重视,大量的前沿工作不断出现,推动了相关技术的集成应用和产业的持续升级。第三届海事技术与工程会议(MARTECH 2016)作为这一领域的重要学术会议,汇集了大量代表性的研究工作,并对一些热点和前瞻性的问题进行了深入的探讨。通过对第三届国际海事技术与工程会议的特邀报告及论文进行分类统计,按照水下和深海资源开发、安全与可靠性、智能船舶的研发、仿真模拟、数值计算的开发等方面对海事技术与工程发展的热点与动态进行阐述和分析。在此基础上,对这一届会议研究成果、研究趋势进行分析与展望,以期为海事技术与工程的发展提供参考。

潜水救捞发展现状与展望——第四届国际潜水救捞与海洋工程技术论坛综述

伴随着我国海洋经济的快速发展和海洋资源开发活动的日益活跃,潜水打捞在国家应急保障体系中的作用凸显。第四届国际潜水救捞与海洋工程技术论坛在此背景下由中国潜水打捞行业协会主办召开。通过对论坛报告内容的梳理和总结,探讨了沉船整体打捞工程、水下装备、"智慧海洋"战略展望、灾害应对与环境保护以及涉海法律法规等当前行业关注的多个方面的热点话题,结合我国救捞力量发展历程与现状,分析并展望了大型救捞船舶、水下高精度感知、大深度潜水、水下潜航器、仿真演练与辅助决策及水下作业工具等关键技术与装备的发展趋势。

长江南京以下深水航道二期工程施工区域通航与生产安全信息平台设计

针对长江南京以下12.5 m深水航道二期工程面临的作业环境复杂、船舶交通流量密度大的情形,设计并开发出专用于保证通航与生产安全的信息平台。该平台是基于B/S模式的Web网站服务系统,利用功能部件结构进行系统设计,采用海量数据组织与管理技术,最终实现施工期通航与生产一体化安全信息的所有检查记录、安全应急保障、通航环境监测以及视频监控等功能,并能够及时更新各种信息。该系统在实际应用中达到预期效果。

2021年世界交通运输大会水运学部会议 LNG罐柜在船上装载位置的安全性研究

为进一步提高液化天然气(liquefied natural gas,LNG)罐柜内河运输的安全性,研究LNG罐柜在船上装载位置的合理性。根据爆炸产生的火球模型和热辐射模型,考虑人员受到不同程度伤害的概率,建立LNG罐柜爆炸危害的系统动力学模型。利用系统动力学仿真软件Vensim_PLE模拟2个罐柜爆炸,得出结论:爆炸中心的热辐射强度最高,但在距爆炸中心一定距离处人员受到伤害的概率最大。为保证人员安全,船舶罐柜装载区与人员活动区应保持足够的安全距离。

基于信息扩散技术的内河通航风险评价研究

随着我国现代综合交通运输体系发展规划的逐步完善,内河航运也取得了长足的发展;受水文、气象、航道条件等因素影响,航运安全及其保障技术研究日益紧迫。文章以长江干线水上交通事故数据为基础,提出了一种基于信息扩散技术的内河通航风险评价方法;针对6类水上交通事故,分析并确定了不同风险等级的发生概率。研究结果表明:信息扩散理论能够将小样本数据按论域扩散成集合的形式,达到小样本信息扩散的目的;利用水上交通事故数据指标开展风险评估,可确定不同指标范围内事故发生的风险概率,为保障船舶航行安全水平、提升海事安全监管效能等提供技术支撑。

水下人-机协同搜救作业人因可靠性分析研究

为分析水下人-机协同搜救作业人因可靠性并识别其关键影响因素,根据水下搜救训练实际和相关研究结论提取人因可靠性影响因素;建立人因可靠性影响因素体系,利用解释结构模型定性分析各影响因素间相关关系,将建立的各影响因素的解释结构模型转换为贝叶斯网络拓扑结构,分别构建潜水员作业、无人遥控潜水器(ROV)作业、人-机协同作业人因可靠性分析贝叶斯网络;通过对3类贝叶斯网络进行推理,揭示影响人因可靠性的关键因素及其依赖关系,并定量分析3种作业模式下的人因可靠性变化。结果表明:人-机协同搜救作业中“误解意图”“通信不畅”“信息不对称”“作业精度不足”“丧失救助能力”等影响因素起到关键作用;当上述因素得到较好控制时,人-机协同搜救作业的人因可靠性将会表现出优于单纯的ROV或潜水员独立施救的效能。研究结果可为水下搜救作业人因可靠性分析与提升提供参考。

船舶远程驾驶人机主从博弈控制方法研究

针对船舶远程驾驶场景下的人机目标非一致性问题,本文设计了系统人主机辅的运行模式,提出一种主从博弈框架下的共享控制方法,将船舶协同避碰转向任务中的人机交互作用描述为完全信息条件下的非合作博弈关系,通过构造驾驶员和共驾控制器的状态空间推导主从博弈的Stackelberg微分对策,使用Fan-GFlicksberg不动点定理证明纳什均衡解的存在性与唯一性。根据驾驶风格和操纵技能预分配驾驶权重,基于模型预测控制方法设计轨迹跟踪器,采取反馈校正方式在有限时域内滚动优化,综合考虑船舶安全航行边界、碰撞风险和人机冲突程度在线进行调节。选取船舶横向偏移误差和驾驶员操作负荷等评价指标,在内河操纵环境下验证了方法的有效性。仿真结果表明:本文所提出的主从博弈控制方法能够为具备不同驾驶风格和操纵技能的作业人员提供个性化辅助,当驾驶员和共驾控制器发生意图冲突时,根据航行风险对预分配权重进行调节,在确保航行安全的前提下使船舶尽可能满足驾驶员的操纵意图。

水路交通系统的发展现状与未来展望

水路交通系统是以船舶等为载运工具、以港口为节点、以海洋、江河、湖泊等水域为通道的一种运输方式,能够实现货物、人员的搭载与时空位移,是综合交通体系中不可或缺的重要组成部分。本文分析了国内外水路交通系统发展现状,梳理了水路交通系统未来需求及技术特征,提出了水路交通运输规划与组织优化、绿色船舶动力系统及供给体系、人机共融船舶岸基驾控系统、海域立体综合运输系统、水路交通系统控制体系、气象导航与安全航行等未来水路交通系统发展方向,为提高水路交通系统运营效率与服务质量提供理论基础与技术参考。

基于虚拟网关的交通基础设施监测点位数据接入方法

针对交通基础设施点位监测数据来源多样、结构各异、协议不一的特点,分析具体接入需求,提出一种基于Netty架构的交通基础设施监测点位数据接入虚拟网关。阐述网关接入监测点位的配置方法及集群分配策略,定义超文本传输协议(HTTP)、传输控制协议(TCP)、用户数据报协议(UDP)下的数据传输格式,设计一种数据传输消息的编码和校验机制。在真实监测数据样本增强的基础上,利用分布式消息模拟工具对虚拟网关性能进行测试,结果表明,该虚拟网关实现了多点位多协议的交通基础设施监测数据统一接入,每亿条数据接入时间、存储时间分别达到8.14 s和9.75 s,平均数据溯源时间为2.96 s,具有亿级规模点位监测数据的接入能力,可为交通基础设施数字化监测的研究和应用提供理论支撑。

狭长通航隧洞船舶火灾人员应急疏散仿真研究

通航隧洞是一类为船舶穿越高山峡谷提供通航条件的新型通航建筑物,发生火灾时有害气体易于堆积、人员逃生路径狭窄、应急疏散难度大。针对待建的贵州乌江思林通航隧洞构建典型船舶火灾和人员疏散逃生模型,分析火灾事故发展过程中的特征参数变化情况,基于有毒有害气体和温度的安全限值,对横通道间距、船舶编队等因素影响下的人员疏散安全风险进行评估。结果表明:横通道间距为200 m时,3艘货船、2艘货船和1艘客船的编队情况符合人员疏散安全评估;横通道间距为300 m和400 m时,所有编队情况均无法满足人员疏散安全评估,其主要危险因素为持续吸入有毒有害气体。因此,在保障安全前提下,隧洞不宜设置300 m及以上横通道间距,客船疏散难度大,应采取下船翻坝运输的方式过坝。

基于延边三角形接法的24脉波移相变压器设计与电磁特性分析

针对核心设备24脉波移相变压器,从移相原理出发进行设计,并建立场路耦合模型对电磁设计和绕组短路力进行核算,其中关键设计参数移相角与理论值最大偏差仅为0.53%。在此基础上加工实验样机进行实验,移相角度偏差最大仅为0.2°。综合仿真与实验结果,24脉波移相变压器设计有效,且场路耦合模型适用于多脉波移相变压器的电磁仿真。

考虑极地船舶航行风险的A^(*)路径规划算法

传统A^(*)算法没有考虑海冰带来的航行风险因素,无法直接应用于北极船舶路径规划。针对这一问题,引入极地航行限制评估风险指标系统(POLARIS)风险模型,通过分析网格化的海冰密集度和海冰厚度数据,建立北极通航风险模型,制作航行风险地图,从添加风险损失函数和优化启发函数两个方面改进传统A^(*)算法,提出Risk-A^(*)路径规划算法,实现风险和效率不同偏好下的最优航线规划。仿真结果表明:Risk-A^(*)路径规划算法在航线长度、穿过风险水域的数量等方面与传统算法相比具有较大的优势,可为船舶北极航行提供安全高效的路径。

基于深度强化学习和历史轨迹的船舶路径规划

为减少船舶在航行过程中人为操作不当或者没有及时对障碍风险做出反应而造成的船舶碰撞事故,增加船舶航行的安全性,提出一种船舶路径规划方法。将船舶历史的船舶自动识别系统(AIS)数据进行相应的预处理后,运用K-means聚类算法对相应数据进行聚类,得到的一条特征轨迹,并将其作为船舶在该区域的全局静态路径规划轨迹。设计一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法的局部路径避碰方法和基于深度强化学习(DQN)的局部路径回归方法,使船舶可对局部动态风险做出有效的反应。分析全局静态路径的效果,并对局部动态路径规划方法做了仿真验证,结果表明:该方法可得到一条较为安全的全局路径,并且可规避航行时的局部动态风险,为船舶安全航行提供一定的参考。

多尺度水上船舶目标视觉检测

水上交通场景环境复杂,通过普通光学摄像设备获取的水面图像,面临着视觉目标清晰度低、尺度多样化等问题,使得可见光视觉信号里中、小尺度目标检测相对困难。为服务于各类智慧海事应用,提出了一个旨在提高复杂水域背景下多尺度水上船舶目标检测性能的算法(multi-scale ship object detection,MS-SOD)。该算法基于当前计算机视觉技术中主流的单阶段目标检测模型框架,在其主干网络中嵌入卷积注意力模块,来优化船舶特征提取能力;在多尺度特征融合网络中引入富含细节信息的浅层特征,并使用跨阶段局部残差结构,来优化多尺度船舶特征的融合机制;同时,使用焦点损失函数,来优化模型的学习过程;并设计自适应锚框聚类算法优化先验锚框,以提高多尺度船舶目标检测能力。为验证提出算法的有效性和实效性,在构建较大规模水上船舶目标数据集的基础上,开展了广泛实验验证。结果表明:提出的算法在测试数据集上的检测准确度超过了各主流的对比方法;特别是对于大、中、小各尺度船舶目标的检测精度,相对于主流的YOLOv4算法,提出的算法分别提升了11.3%、6.0%和10.5%。

远程控制船舶内河航行风险评价研究

针对远程控制船舶内河航行风险定量评价问题,提出了一种不确定性建模与船模航行试验相结合的风险评价框架,分为模型构建、量化和验证3个部分。在模型构建方面,模型节点来自内河环境、通信、岸端、船端和风险5个方面辨识的船舶远程控制航行风险因素,根据专家经验和航行试验对初始模型结构进行迭代修正,形成了远程控制船舶内河航行风险评价的贝叶斯网络模型;在模型量化方面,为量化父子节点之间线性或非线性关系提出了条件概率计算方法,在内河连续桥区开展船模航行试验,获取了部分根节点的先验概率、航行事故或险情,以及试验人员对航行风险的评价等数据;在模型验证方面,从情景分析、敏感性分析、对比分析3个角度对模型进行了验证。结果表明:在统计的40起航行试验案例中,触碰/碰撞事故占比最高,试验发现了新的失效模式,即控制冲突、程序错误、信号丢失等;构建的贝叶斯网络模型能够有效评价不同情景下航行风险水平,并辨识了与远程控制船舶内河航行风险相关的重要节点。研究结果可以为实现内河船舶远程控制作业模式提供理论依据,也为内河远程控制船舶航行安全提供研究思路。

新能源船舶混合储能系统关键技术问题综述

电力电子变换技术的不断进步为风能、太阳能和燃料电池等新能源技术在船舶中的应用起到了积极的推动作用,为平抑分布式发电装置间歇性和随机性电能输出与不同运行工况下船舶电气负荷持续稳定电能需求之间的矛盾,储能系统在新能源船舶电力系统的电源能量中继和功耗动态平衡过程中的调控作用显得尤为重要。特别是,储能系统必须同时具备高功率密度和高能量密度的特点,才能满足船舶电力系统中大功率异步电机频繁启动和电气负荷长时间不间断运行的需求。论文介绍了典型储能技术的技术特点,着重探讨集成蓄电池-超级电容的典型混合储能系统,对比分析了无源式和有源式混合储能系统结构的技术差异;从适用电网的不同运行模式(离网型和并网型)和不同优化策略(目标和方法)的角度,分别论述了混合储能系统的容量优化配置问题的解决途径;在此基础上,从能量型与功率型储能元件的匹配控制环节和变流器的运行控制环节,解析了混合储能系统的协调运行控制技术发展现状。

船舶余热利用sCO_2布雷顿循环发电技术综述

在船舶动力系统能量转换和利用过程中,实现烟气余热的最大效率回收是降低船舶能效设计指数(EEDI)的有效途径。超临界二氧化碳(sCO_2)发电系统在船舶余热循环利用方面所具有的技术优势已引起全球船舶行业的高度关注,而如何将其与船舶动力系统有机集成并实现高效、稳定联合循环运行发电,正是当前制约该新型技术实船应用的瓶颈。概述了sCO_2布雷顿循环发电的基本原理、典型技术特点及循环结构,分析了国内外研究机构针对sCO_2发电系统在船舶余热循环利用方面的研究现状,探讨了现阶段面向船舶主机余热发电工程化应用所存在的关键技术问题,从而为推进sCO_2布雷顿循环发电技术在船舶烟气余热回收利用领域的基础理论研究和工程方案设计提供理论参考。

航行控制算法的智能评估架构设计

控制算法测试验证评估是确保智能船舶航行性能可靠性和安全性的关键。本文梳理了国内外智能评估技术的发展现状,以Transas船舶航行模拟器为船舶智能航行虚拟测试平台,进行航行控制算法测试评估。根据船舶直线段和弯曲段航行特征建立评估指标,提出航行控制算法智能评估系统的设计思路、框架结构和构建流程,初步建立虚拟仿真测试下的船舶航行控制算法智能评估体系,指出该智能评估系统所涉及的关键技术。基于以上研究,对船舶航行控制算法虚拟测试评估技术和未来改进方向进行总结。