智能船舶

智能船舶的關鍵技術

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、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺，基本囊括了智能船舶所應具備的所有功能。為實現(xiàn)和完善上述功能，需進一步研究和深化與船舶有關的信息感知技術、通信導航技術、能效控制技術、航線規(guī)劃技術、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術、遇險預警救助技術、駕機一體化和自主航行技術。

智能船舶的發(fā)展路徑

智能船舶的發(fā)展路徑可歸結為：循序漸進，局部到整體，從海到岸。

技術情況來看，智能船舶才剛剛起步，不可能一蹴而就，而是一個循序漸進的過程。具體的發(fā)展過程，要分階段、分步驟，逐步實施。

對智能船舶的各個系統(tǒng)，要結合現(xiàn)有信息條件和船舶實際硬件，逐步配置具備船舶感知、分析、評估、預測、決策、控制、管理、遠程支持等能力的智能船舶子體系，完成智能船舶應用的支撐系統(tǒng)，并在應用中逐步完善和整合，最終形成能夠感知、評估、預測、重構的智能船舶。人員方面將會沿著從“僅需少部分船員”到“岸上遠程操控”再到“完全自動化駕駛”的路徑發(fā)展，最終實現(xiàn)無人駕駛的船舶。

從船舶的設計、制造開始啟動，到建立船舶運營平臺，形成完整的信息服務網絡體系，實現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)中心管理，最終建成完整的智能船舶運營體系。

智能船舶的發(fā)展方向

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

智能船舶的發(fā)展，必須提升船舶作為物流供應鏈環(huán)節(jié)的效率和效益。智能船舶以大數(shù)據(jù)為基礎，運用實時數(shù)據(jù)傳輸匯集，結合數(shù)據(jù)分析、遠程控制等信息化技術，實現(xiàn)船舶感知、分析和決策的智能化，從而提升船舶運行效率。從設計階段就開始進行智能系統(tǒng)的統(tǒng)籌布局，通過對船舶各項顯示和操作系統(tǒng)進行集成，提高自動化程度，從而提高航行的經濟性。效率和效益的提升，是智能船舶發(fā)展的根本方向。

智能船舶帶來的管理人員變化，需要更好適應和滿足新的客戶體驗。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。對于船員的需求自然減少，也使得無人駕駛船舶將會是必然的趨勢。今后船船員的大部分時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)能進行無縫對接，方便實現(xiàn)船上用戶與岸上用戶之間的信息傳輸。

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

近年來船舶制造業(yè)和船舶航運業(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)共同思考的問題。出于應對運營成本增長、船舶操作復雜化以及環(huán)保法規(guī)日趨嚴格的需求，近年來航運界不斷增加對智能船舶的技術投入。在大數(shù)據(jù)時代背景下，船舶智能化已經成為船舶制造與航運領域發(fā)展的必然趨勢。同時，智能船舶也是《中國制造2025》中明確重點發(fā)展的領域，代表了船舶未來的方向，關乎航運業(yè)的轉型升級。

本書系統(tǒng)地總結了作者多年來從事智能控制與船舶自動化系統(tǒng)研究的主要內容。概述了國內外智能控制與船舶自動化系統(tǒng)研究進展，分別論述了船舶自動舵智能控制、船舶減搖鰭智能控制、船舶動力定位系統(tǒng)智能控制、船舶運動與主推進裝置聯(lián)合智能控制、船舶智能導航系統(tǒng)、船舶智能避碰系統(tǒng)和欠驅動自主式水下航行器的運動智能控制等領域的主要研究成果。力求體現(xiàn)智能控制理論與技術在現(xiàn)代船舶工程系統(tǒng)中的成功應用。

前言

第1章 智能控制與船舶自動化系統(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 智能控制的研究對象 3

1.1.3 智能控制的結構理論 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)控制的關系 17

1.1.6 智能控制的前景和展望 18

1.2 船舶自動化系統(tǒng)概述 19

1.2.1 船舶運動控制裝置 22

1.2.2 船舶操縱與主推進聯(lián)合智能控制 24

1.2.3 運輸船舶的自主智能控制與無人駕駛 25

1.2.4 自主式水下航行器的運動智能控制 27

1.3 典型船舶自動化系統(tǒng) 28

1.3.1 船舶自動舵控制系統(tǒng) 28

1.3.2 船舶柴油主機遙控系統(tǒng) 30

1.3.3 船舶減搖鰭控制系統(tǒng) 31

1.3.4 船舶動力定位系統(tǒng) 33

1.3.5 船舶電站自動化系統(tǒng) 34

參考文獻 36

第2章 船舶自動舵智能控制 38

2.1 概述 38

2.1.1 船舶自動舵系統(tǒng)簡介 38

2.1.2 船舶自動舵系統(tǒng)實例 41

2.2 水面船舶操縱運動數(shù)學模型 47

2.2.1 標準的三自由度船舶平面運動數(shù)學模型 47

2.2.2 簡化的三自由度船舶平面運動數(shù)學模型 48

2.3 “育鯤”輪船舶運動數(shù)學模型仿真算例 49

2.4 船舶自動舵智能控制算法 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切換鎮(zhèn)定智能控制 63

2.4.3 基于全局動態(tài)非線性滑模的欠驅動水面船舶軌跡跟蹤控制 72

2.5 小結 81

參考文獻 82

第3章 船舶減搖鰭智能控制 84

3.1 船舶橫搖減搖技術綜述 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 87

3.2 海浪數(shù)學模型 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 船舶橫搖運動數(shù)學模型 94

3.3.1 船舶線性橫搖受力分析 94

3.3.2 線性橫搖運動數(shù)學模型 96

3.3.3 船舶非線性橫搖運動數(shù)學模型 98

3.3.4 船舶橫搖運動數(shù)字仿真 100

3.4 船舶橫搖運動預報 101

3.4.1 船舶橫搖運動時間序列小波分析 101

3.4.2 基于小波變換和神經網絡組合模型的橫搖運動預測 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網絡自適應控制 111

3.5.3 船舶橫搖減搖滑?？刂?117

3.6 小結 126

參考文獻 126

第4章 船舶動力定位系統(tǒng)智能控制 128

4.1 船舶動力定位系統(tǒng)的基本概念 128

4.1.1 船舶動力定位系統(tǒng)的定義 128

4.1.2 船舶動力定位系統(tǒng)的組成 128

4.1.3 船舶動力定位系統(tǒng)的原理 129

4.2 船舶動力定位系統(tǒng)建模 130

4.2.1 船舶動力定位系統(tǒng)的運動模型 131

4.2.2 船舶動力定位系統(tǒng)的推力分配模型 135

4.2.3 船舶動力定位系統(tǒng)建模實例 137

4.3 船舶動力定位系統(tǒng)的控制 141

4.3.1 船舶動力定位系統(tǒng)控制方法分類 141

4.3.2 工業(yè)范式下的船舶動力定位控制 142

4.3.3 模型范式下的船舶動力定位控制 142

4.3.4 抗擾范式下的船舶動力定位控制 160

4.3.5 船舶動力定位控制的發(fā)展方向 172

4.4 小結 173

參考文獻 173

第5章 船舶運動與主推進裝置聯(lián)合智能控制 176

5.1 船舶運動與主推進裝置聯(lián)合控制機理 176

5.1.1 船舶運動控制的復雜性 176

5.1.2 船舶運動與主推進裝置控制存在強耦合性 177

5.1.3 船舶運動與主推進裝置聯(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)學基礎 179

5.2.1 賦范空間、Banach空間、內積空間、Hilbert空間及零空間 179

5.2.2 信號范數(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)簡介 194

5.3.4 多胞變增益狀態(tài)反饋H∞控制 195

5.4 船舶航向LPV控制 196

5.4.1 船舶運動模型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 基于極點配置的LPV狀態(tài)反饋船舶運動聯(lián)合智能控制 207

5.5.1 基于圓域極點配置的多胞變增益狀態(tài)反饋H∞控制器設計 208

5.5.2 船舶航向與柴油主機聯(lián)合智能控制 210

5.5.3 欠驅動船舶直線航跡與柴油主機LPV聯(lián)合智能控制 216

5.5.4 淺水域船舶航向與柴油主機LPV聯(lián)合智能控制 221

5.6 小結 225

參考文獻 227

第6章 船舶智能導航系統(tǒng) 230

6.1 船舶導航系統(tǒng)簡介 231

6.1.1 無線電導航系統(tǒng) 234

6.1.2 衛(wèi)星導航系統(tǒng) 235

6.1.3 組合導航系統(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)的船舶導航功能 241

6.3 船舶綜合船橋系統(tǒng)網絡技術 241

6.3.1 概述 241

6.3.2 三層結構的一體化網絡體系 242

6.3.3 網絡通信協(xié)議 244

6.3.4 網絡冗余性設計 246

6.4 綜合船橋系統(tǒng)導航信息融合 247

6.4.1 基本原理和主要任務 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用 260

6.5.1 集中式融合的標準粒子濾波 260

6.5.2 二階集中式粒子濾波 261

6.5.3 二階自適應權值粒子濾波的多傳感器信息算法 262

6.5.4 仿真結果與實驗分析 263

6.6 基于FNN的GPS/INS/LOG組合導航方法的應用 269

6.6.1 GPS/INS/LOG組合導航模型 269

6.6.2 GPS/INS/LOG組合導航系統(tǒng) 271

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

6.6.4 實船實驗 276

6.7 小結 281

參考文獻 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 基于軟計算方法的船舶智能避碰 294

7.3.1 基于神經網絡的船舶智能避碰 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)學模型的建立 312

7.4.2 航路規(guī)劃 317

7.4.3 算法運行速度的提高 319

7.4.4 計算結果 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)結構 326

7.5.3 航跡庫算法 327

7.5.4 模擬結果 328

7.6 小結 334

參考文獻 335

第8章 欠驅動自主式水下航行器的運動智能控制 337

8.1 概述 337

8.2 欠驅動AUV運動模型及其特性分析 340

8.2.1 欠驅動AUV運動學方程 340

8.2.2 欠驅動AUV動力學方程 344

8.2.3 欠驅動AUV運動系統(tǒng)特性分析 346

8.3 欠驅動AUV控制系統(tǒng)構成 351

8.4 欠驅動AUV基本運動智能控制 353

8.4.1 欠驅動AUV運動控制概述 353

8.4.2 欠驅動AUV的航速控制 358

8.4.3 欠驅動AUV的航向智能控制 362

8.4.4 欠驅動AUV的縱傾及深度控制 364

8.5 欠驅動AUV目標跟蹤智能控制 367

8.5.1 欠驅動AUV三維路徑跟蹤控制 367

8.5.2 欠驅動AUV軌跡跟蹤控制 373

8.6 小結 382

參考文獻 382

附錄 本書部分專業(yè)術語中英文對照表 384

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專業(yè)一：船舶工程技術（船舶制造方向）

船舶工程技術專業(yè)主要課程

工程力學、船體結構與制圖、船舶電工基礎、船舶與海洋工程材料、船舶原理、船舶焊接工藝、船舶設計基礎、船舶CAD/CAM、專業(yè)英語、造船生產設計、船舶建造工藝、船舶舾裝工程基礎、船舶檢驗。

船舶工程技術專業(yè)實踐教學

船體制圖實訓、船體結構制作實訓、船舶原理（上）課程設計、船舶設計基礎課程設計、計算機考證訓練、CAD考證、焊工實訓、放樣實訓、船舶CAD/CAM實訓、船舶焊接工藝實驗、畢業(yè)實習與畢業(yè)設計。

船舶工程技術專業(yè)就業(yè)崗位

主要面向大中型造修船企業(yè)和船舶設計、船舶檢驗單位，從事船舶生產設計、建造、修理、檢驗等船舶工程領域的技術工作與管理工作，亦可從事海洋工程和橋梁鋼結構方面的技術工作與管理工作。