智能船舶

智能船舶的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)《智能船舶規(guī)范》將智能船舶的功能分為智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺(tái)，基本囊括了智能船舶所應(yīng)具備的所有功能。為實(shí)現(xiàn)和完善上述功能，需進(jìn)一步研究和深化與船舶有關(guān)的信息感知技術(shù)、通信導(dǎo)航技術(shù)、能效控制技術(shù)、航線規(guī)劃技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)、遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)、駕機(jī)一體化和自主航行技術(shù)。

智能船舶的發(fā)展路徑

智能船舶的發(fā)展路徑可歸結(jié)為：循序漸進(jìn)，局部到整體，從海到岸。

技術(shù)情況來(lái)看，智能船舶才剛剛起步，不可能一蹴而就，而是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。具體的發(fā)展過(guò)程，要分階段、分步驟，逐步實(shí)施。

對(duì)智能船舶的各個(gè)系統(tǒng)，要結(jié)合現(xiàn)有信息條件和船舶實(shí)際硬件，逐步配置具備船舶感知、分析、評(píng)估、預(yù)測(cè)、決策、控制、管理、遠(yuǎn)程支持等能力的智能船舶子體系，完成智能船舶應(yīng)用的支撐系統(tǒng)，并在應(yīng)用中逐步完善和整合，最終形成能夠感知、評(píng)估、預(yù)測(cè)、重構(gòu)的智能船舶。人員方面將會(huì)沿著從“僅需少部分船員”到“岸上遠(yuǎn)程操控”再到“完全自動(dòng)化駕駛”的路徑發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的船舶。

從船舶的設(shè)計(jì)、制造開(kāi)始啟動(dòng)，到建立船舶運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，形成完整的信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)中心管理，最終建成完整的智能船舶運(yùn)營(yíng)體系。

智能船舶的發(fā)展方向

智能船舶的發(fā)展，不能將技術(shù)提升作為自己的目的，必須在發(fā)展中遵循根本的價(jià)值取向。同時(shí)需注意在新的發(fā)展中，由于人與物關(guān)系的變化，產(chǎn)生的本質(zhì)性新需求。

智能船舶的發(fā)展，必須提升船舶作為物流供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的效率和效益。智能船舶以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸匯集，結(jié)合數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程控制等信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶感知、分析和決策的智能化，從而提升船舶運(yùn)行效率。從設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始進(jìn)行智能系統(tǒng)的統(tǒng)籌布局，通過(guò)對(duì)船舶各項(xiàng)顯示和操作系統(tǒng)進(jìn)行集成，提高自動(dòng)化程度，從而提高航行的經(jīng)濟(jì)性。效率和效益的提升，是智能船舶發(fā)展的根本方向。

智能船舶帶來(lái)的管理人員變化，需要更好適應(yīng)和滿足新的客戶體驗(yàn)。伴隨著智能化的提升，船舶上很多人工操作將被系統(tǒng)替代。對(duì)于船員的需求自然減少，也使得無(wú)人駕駛船舶將會(huì)是必然的趨勢(shì)。今后船船員的大部分時(shí)間并不是真的在操作船舶，而是用于智能系統(tǒng)的管理上。所以更需要智能船舶系統(tǒng)能進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，方便實(shí)現(xiàn)船上用戶與岸上用戶之間的信息傳輸。

安全和環(huán)保是船舶航運(yùn)的兩大主題，智能船舶的發(fā)展要植根于這兩點(diǎn)進(jìn)行深挖。

近年來(lái)船舶制造業(yè)和船舶航運(yùn)業(yè)為代表的傳統(tǒng)行業(yè)處于一種困境，需求低迷，如何在這種情況下走出困境，如何創(chuàng)造新的需求，這是船舶行業(yè)共同思考的問(wèn)題。出于應(yīng)對(duì)運(yùn)營(yíng)成本增長(zhǎng)、船舶操作復(fù)雜化以及環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格的需求，近年來(lái)航運(yùn)界不斷增加對(duì)智能船舶的技術(shù)投入。在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，船舶智能化已經(jīng)成為船舶制造與航運(yùn)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)，智能船舶也是《中國(guó)制造2025》中明確重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域，代表了船舶未來(lái)的方向，關(guān)乎航運(yùn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

本書(shū)系統(tǒng)地總結(jié)了作者多年來(lái)從事智能控制與船舶自動(dòng)化系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容。概述了國(guó)內(nèi)外智能控制與船舶自動(dòng)化系統(tǒng)研究進(jìn)展，分別論述了船舶自動(dòng)舵智能控制、船舶減搖鰭智能控制、船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)智能控制、船舶運(yùn)動(dòng)與主推進(jìn)裝置聯(lián)合智能控制、船舶智能導(dǎo)航系統(tǒng)、船舶智能避碰系統(tǒng)和欠驅(qū)動(dòng)自主式水下航行器的運(yùn)動(dòng)智能控制等領(lǐng)域的主要研究成果。力求體現(xiàn)智能控制理論與技術(shù)在現(xiàn)代船舶工程系統(tǒng)中的成功應(yīng)用。

前言

第1章 智能控制與船舶自動(dòng)化系統(tǒng)概述 1

1.1 智能控制概述 1

1.1.1 智能控制的基本概念 2

1.1.2 智能控制的研究對(duì)象 3

1.1.3 智能控制的結(jié)構(gòu)理論 4

1.1.4 幾種典型的智能控制系統(tǒng) 6

1.1.5 智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系 17

1.1.6 智能控制的前景和展望 18

1.2 船舶自動(dòng)化系統(tǒng)概述 19

1.2.1 船舶運(yùn)動(dòng)控制裝置 22

1.2.2 船舶操縱與主推進(jìn)聯(lián)合智能控制 24

1.2.3 運(yùn)輸船舶的自主智能控制與無(wú)人駕駛 25

1.2.4 自主式水下航行器的運(yùn)動(dòng)智能控制 27

1.3 典型船舶自動(dòng)化系統(tǒng) 28

1.3.1 船舶自動(dòng)舵控制系統(tǒng) 28

1.3.2 船舶柴油主機(jī)遙控系統(tǒng) 30

1.3.3 船舶減搖鰭控制系統(tǒng) 31

1.3.4 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng) 33

1.3.5 船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng) 34

參考文獻(xiàn) 36

第2章 船舶自動(dòng)舵智能控制 38

2.1 概述 38

2.1.1 船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)簡(jiǎn)介 38

2.1.2 船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)實(shí)例 41

2.2 水面船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型 47

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)的三自由度船舶平面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型 47

2.2.2 簡(jiǎn)化的三自由度船舶平面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型 48

2.3 “育鯤”輪船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型仿真算例 49

2.4 船舶自動(dòng)舵智能控制算法 53

2.4.1 船舶航跡跟蹤Backstepping魯棒控制 53

2.4.2 船舶航跡保持分段魯棒自適應(yīng)切換鎮(zhèn)定智能控制 63

2.4.3 基于全局動(dòng)態(tài)非線性滑模的欠驅(qū)動(dòng)水面船舶軌跡跟蹤控制 72

2.5 小結(jié) 81

參考文獻(xiàn) 82

第3章 船舶減搖鰭智能控制 84

3.1 船舶橫搖減搖技術(shù)綜述 84

3.1.1 舭龍骨 84

3.1.2 減搖水艙 85

3.1.3 減搖鰭 85

3.1.4 舵減搖 86

3.1.5 零低航速減搖鰭 86

3.1.6 聯(lián)合控制減搖技術(shù) 87

3.2 海浪數(shù)學(xué)模型 88

3.2.1 波幅模型與海浪頻譜 88

3.2.2 波傾角模型與波傾角頻譜 89

3.2.3 海浪數(shù)字仿真 91

3.3 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型 94

3.3.1 船舶線性橫搖受力分析 94

3.3.2 線性橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型 96

3.3.3 船舶非線性橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型 98

3.3.4 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)字仿真 100

3.4 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào) 101

3.4.1 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)間序列小波分析 101

3.4.2 基于小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型的橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè) 104

3.5 船舶橫搖減搖控制方法 107

3.5.1 船舶橫搖減搖原理 107

3.5.2 船舶減搖鰭逆模式小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制 111

3.5.3 船舶橫搖減搖滑模控制 117

3.6 小結(jié) 126

參考文獻(xiàn) 126

第4章 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)智能控制 128

4.1 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的基本概念 128

4.1.1 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的定義 128

4.1.2 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的組成 128

4.1.3 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的原理 129

4.2 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)建模 130

4.2.1 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型 131

4.2.2 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的推力分配模型 135

4.2.3 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)建模實(shí)例 137

4.3 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制 141

4.3.1 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制方法分類 141

4.3.2 工業(yè)范式下的船舶動(dòng)力定位控制 142

4.3.3 模型范式下的船舶動(dòng)力定位控制 142

4.3.4 抗擾范式下的船舶動(dòng)力定位控制 160

4.3.5 船舶動(dòng)力定位控制的發(fā)展方向 172

4.4 小結(jié) 173

參考文獻(xiàn) 173

第5章 船舶運(yùn)動(dòng)與主推進(jìn)裝置聯(lián)合智能控制 176

5.1 船舶運(yùn)動(dòng)與主推進(jìn)裝置聯(lián)合控制機(jī)理 176

5.1.1 船舶運(yùn)動(dòng)控制的復(fù)雜性 176

5.1.2 船舶運(yùn)動(dòng)與主推進(jìn)裝置控制存在強(qiáng)耦合性 177

5.1.3 船舶運(yùn)動(dòng)與主推進(jìn)裝置聯(lián)合控制的方法與意義 178

5.2 線性變參數(shù)系統(tǒng)控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 179

5.2.1 賦范空間、Banach空間、內(nèi)積空間、Hilbert空間及零空間 179

5.2.2 信號(hào)范數(shù)和系統(tǒng)范數(shù) 180

5.2.3 凸集、凸包及凸體 180

5.2.4 Hermite矩陣和矩陣Kronecker乘積 181

5.2.5 線性矩陣不等式 182

5.2.6 基于LMI的H∞魯棒控制 184

5.3 線性變參數(shù)控制理論 191

5.3.1 線性變參數(shù)控制理論的基本方法 191

5.3.2 LPV多胞系統(tǒng) 193

5.3.3 切換LPV系統(tǒng)簡(jiǎn)介 194

5.3.4 多胞變?cè)鲆鏍顟B(tài)反饋H∞控制 195

5.4 船舶航向LPV控制 196

5.4.1 船舶運(yùn)動(dòng)模型LPV表示 196

5.4.2 LPV多胞輸出反饋航向控制 199

5.4.3 基于切換LPV的船舶航向控制 203

5.5 基于極點(diǎn)配置的LPV狀態(tài)反饋船舶運(yùn)動(dòng)聯(lián)合智能控制 207

5.5.1 基于圓域極點(diǎn)配置的多胞變?cè)鲆鏍顟B(tài)反饋H∞控制器設(shè)計(jì) 208

5.5.2 船舶航向與柴油主機(jī)聯(lián)合智能控制 210

5.5.3 欠驅(qū)動(dòng)船舶直線航跡與柴油主機(jī)LPV聯(lián)合智能控制 216

5.5.4 淺水域船舶航向與柴油主機(jī)LPV聯(lián)合智能控制 221

5.6 小結(jié) 225

參考文獻(xiàn) 227

第6章 船舶智能導(dǎo)航系統(tǒng) 230

6.1 船舶導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介 231

6.1.1 無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng) 234

6.1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 235

6.1.3 組合導(dǎo)航系統(tǒng) 236

6.2 綜合船橋系統(tǒng)的配置和功能 239

6.2.1 綜合船橋系統(tǒng)的配置 239

6.2.2 綜合船橋系統(tǒng)的船舶導(dǎo)航功能 241

6.3 船舶綜合船橋系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 241

6.3.1 概述 241

6.3.2 三層結(jié)構(gòu)的一體化網(wǎng)絡(luò)體系 242

6.3.3 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 244

6.3.4 網(wǎng)絡(luò)冗余性設(shè)計(jì) 246

6.4 綜合船橋系統(tǒng)導(dǎo)航信息融合 247

6.4.1 基本原理和主要任務(wù) 247

6.4.2 濾波方法和算法 248

6.5 粒子濾波在多傳感器融合中的應(yīng)用 260

6.5.1 集中式融合的標(biāo)準(zhǔn)粒子濾波 260

6.5.2 二階集中式粒子濾波 261

6.5.3 二階自適應(yīng)權(quán)值粒子濾波的多傳感器信息算法 262

6.5.4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析 263

6.6 基于FNN的GPS/INS/LOG組合導(dǎo)航方法的應(yīng)用 269

6.6.1 GPS/INS/LOG組合導(dǎo)航模型 269

6.6.2 GPS/INS/LOG組合導(dǎo)航系統(tǒng) 271

6.6.3 基于FNN的GPS/INS/LOG組合導(dǎo)航系統(tǒng) 272

6.6.4 實(shí)船實(shí)驗(yàn) 276

6.7 小結(jié) 281

參考文獻(xiàn) 282

第7章 船舶智能避碰系統(tǒng) 284

7.1 概述 284

7.1.1 船舶避碰 285

7.1.2 船舶決策支持系統(tǒng) 285

7.2 船舶避碰方法研究 286

7.2.1 船舶避碰基本概念 286

7.2.2 船舶避碰研究現(xiàn)狀 288

7.2.3 船舶避碰研究分析 290

7.3 基于軟計(jì)算方法的船舶智能避碰 294

7.3.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶智能避碰 294

7.3.2 基于遺傳算法的船舶智能避碰 296

7.3.3 基于模糊邏輯的船舶智能避碰 301

7.4 船舶航跡規(guī)劃研究 312

7.4.1 船舶航跡數(shù)學(xué)模型的建立 312

7.4.2 航路規(guī)劃 317

7.4.3 算法運(yùn)行速度的提高 319

7.4.4 計(jì)算結(jié)果 321

7.5 船舶操縱決策支持系統(tǒng) 325

7.5.1 船舶操縱決策支持系統(tǒng)概述 325

7.5.2 船舶操縱決策支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 326

7.5.3 航跡庫(kù)算法 327

7.5.4 模擬結(jié)果 328

7.6 小結(jié) 334

參考文獻(xiàn) 335

第8章 欠驅(qū)動(dòng)自主式水下航行器的運(yùn)動(dòng)智能控制 337

8.1 概述 337

8.2 欠驅(qū)動(dòng)AUV運(yùn)動(dòng)模型及其特性分析 340

8.2.1 欠驅(qū)動(dòng)AUV運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 340

8.2.2 欠驅(qū)動(dòng)AUV動(dòng)力學(xué)方程 344

8.2.3 欠驅(qū)動(dòng)AUV運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)特性分析 346

8.3 欠驅(qū)動(dòng)AUV控制系統(tǒng)構(gòu)成 351

8.4 欠驅(qū)動(dòng)AUV基本運(yùn)動(dòng)智能控制 353

8.4.1 欠驅(qū)動(dòng)AUV運(yùn)動(dòng)控制概述 353

8.4.2 欠驅(qū)動(dòng)AUV的航速控制 358

8.4.3 欠驅(qū)動(dòng)AUV的航向智能控制 362

8.4.4 欠驅(qū)動(dòng)AUV的縱傾及深度控制 364

8.5 欠驅(qū)動(dòng)AUV目標(biāo)跟蹤智能控制 367

8.5.1 欠驅(qū)動(dòng)AUV三維路徑跟蹤控制 367

8.5.2 欠驅(qū)動(dòng)AUV軌跡跟蹤控制 373

8.6 小結(jié) 382

參考文獻(xiàn) 382

附錄 本書(shū)部分專業(yè)術(shù)語(yǔ)中英文對(duì)照表 384

彩圖2100433B

專業(yè)一：船舶工程技術(shù)（船舶制造方向）

船舶工程技術(shù)專業(yè)主要課程

工程力學(xué)、船體結(jié)構(gòu)與制圖、船舶電工基礎(chǔ)、船舶與海洋工程材料、船舶原理、船舶焊接工藝、船舶設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、船舶CAD/CAM、專業(yè)英語(yǔ)、造船生產(chǎn)設(shè)計(jì)、船舶建造工藝、船舶舾裝工程基礎(chǔ)、船舶檢驗(yàn)。

船舶工程技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)

船體制圖實(shí)訓(xùn)、船體結(jié)構(gòu)制作實(shí)訓(xùn)、船舶原理（上）課程設(shè)計(jì)、船舶設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)考證訓(xùn)練、CAD考證、焊工實(shí)訓(xùn)、放樣實(shí)訓(xùn)、船舶CAD/CAM實(shí)訓(xùn)、船舶焊接工藝實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)。

船舶工程技術(shù)專業(yè)就業(yè)崗位

主要面向大中型造修船企業(yè)和船舶設(shè)計(jì)、船舶檢驗(yàn)單位，從事船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)、建造、修理、檢驗(yàn)等船舶工程領(lǐng)域的技術(shù)工作與管理工作，亦可從事海洋工程和橋梁鋼結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)工作與管理工作。