王紅林

(1.江蘇科技大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.鎮(zhèn)江市高等?？茖W(xué)校 電氣與信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

0 引 言

大型運輸船舶的安全航行問題，一直以來都是航運界關(guān)注的重點問題之一。特別是近年來隨著世界范圍內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展形勢的不斷變化，許多國家都把海洋交通運輸系統(tǒng)的安全性要求提到了新的高度，從而使得這個問題更加突出。因此，為確保大型運輸船舶及海上設(shè)施的運行安全，頒布了載重線公約、SOLAS 公約，并對海上運輸?shù)闹卮蟀踩鹿侍幚磉^程進行規(guī)范[1–3]。

在風(fēng)浪水域中，海面波濤洶涌，風(fēng)力和浪高都比較大，這將使得船舶受到強大的沖擊力，從而發(fā)生滾動和傾斜。尤其是當(dāng)風(fēng)浪方向與船舶行駛方向垂直時，船舶更容易受到側(cè)向的力量，導(dǎo)致側(cè)傾或傾覆。在強風(fēng)浪的環(huán)境下，船舶行駛速度通常會很慢，這是因為船舶需要克服風(fēng)浪產(chǎn)生的阻力。而減緩航速可能會影響航行計劃，并增加航行時間。長時間在風(fēng)浪水域中航行，將會對船舶的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量振動和沖擊，從而導(dǎo)致部分設(shè)備、管道和結(jié)構(gòu)零件受損。同時，這些振動和沖擊也可能引起帶電設(shè)備的故障。因此，海上航行時必須謹(jǐn)慎處理風(fēng)浪環(huán)境，并根據(jù)氣象預(yù)報和海況變化做出相應(yīng)的決策，例如調(diào)整航向和速度、加強監(jiān)控和保養(yǎng)、采取防護措施等，以確保船舶和船員安全[4–5]。

本文提出的大型船舶自校正控制系統(tǒng)，能夠基于船舶航行的相關(guān)參數(shù)對其直線航跡進行調(diào)整。以仿真形式對其展開研究，在論述其可行性后，提出相關(guān)大型船舶操縱建議，進一步豐富及完善大型船舶直線航跡相關(guān)研究。

1 大型船舶自校正控制系統(tǒng)工作原理

大型船舶自校正控制系統(tǒng)，主要是由自動優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)合自適應(yīng)控制法（MRAS）而形成的一種應(yīng)用型控制系統(tǒng)。大型船舶自校正控制系統(tǒng)流程如圖1所示，該流程圖描述了大型船舶自校正控制系統(tǒng)的參數(shù)控制過程。

圖1 大型船舶自校正控制系統(tǒng)工作流程Fig.1 Self tuning control system for large ships

可知，該系統(tǒng)能夠在確保穩(wěn)定性的同時，對搜集到的信號進行針對性分析，最終實現(xiàn)將誤差信號的出現(xiàn)幾率降至最低。

2 大型船舶直線航跡自校正參數(shù)模型的確定

2.1 船舶參數(shù)選擇

以某大型船舶（VLCC）為例，利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）調(diào)取相關(guān)參數(shù)，設(shè)其載重量為20×104t，長度為330 m，吃水為21 m?；趪H船舶與海洋標(biāo)準(zhǔn)（ISO11674），對該類型船舶的自身參數(shù)及航跡控制參數(shù)進行研究。

2.2 模型確定

本文研究了大型船舶直線航跡自校正模型，并通過數(shù)學(xué)建模方法對參數(shù)模型進行分析，同時基于Lyapunov 函數(shù)對非線性參數(shù)進行設(shè)計優(yōu)化，其公式為：

式中：y為大型船舶發(fā)生橫向偏移，U為大型船舶航跡速度， ψ為大型船舶的行駛方向，r為首搖角速度，T、K、 α為大型船舶直線航跡的相關(guān)參數(shù)。

船舶首搖阻尼因風(fēng)阻系數(shù)的降低而降低，同時由于VLCC 的質(zhì)量較大，該大型船舶從初速V0減至0 后，其相對應(yīng)的定速直線前進的航跡會更長。由此，假設(shè)某大型船舶排水量越大，其停船航程則越長，并且船舶減速過程中主機是根據(jù)計算機保護程序逐級降速的，在減速的初始階段降速很明顯，但是速度越小減速越慢，船舶載重和自重太大會導(dǎo)致慣性力矩太大，這就導(dǎo)致了低速階段減速所需距離相對會比較大，船舶在滿載時停船沖程更大。所以大型船舶直線航跡過程中，普遍存在推力中心偏位的問題。因此，需要加強大型船舶直線航跡的方向控制能力。設(shè)其控制律δ如下：

以上模型與基于Lyapunov 函數(shù)進行的非線性模型相同，在圍繞大型船舶直線航跡自校正算法的基礎(chǔ)上，考慮到大型船舶在航行中受航速、裝載量以及水環(huán)境等因素的影響，其直線航跡將不會只受到船舶自身動力系統(tǒng)的影響，因此為保證大型船舶直線航跡自校正算法的準(zhǔn)確性，進一步對其航跡控制律進行優(yōu)化，繼而得出最終的δ表達式：

3 大型船舶直線航跡自校正系統(tǒng)檢驗

3.1 直線航跡自校正控制準(zhǔn)確性分析

基于前文相關(guān)參數(shù)及計算公式，對某大型船舶3 個月的航跡偏差角度進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在航跡計算公式上充分考慮了該大型船舶近3 年的工作海況環(huán)境，對偏航軌跡進行統(tǒng)計，固定時間段內(nèi)大型船舶航跡偏差角度如圖2 所示。其結(jié)果表明偏差角度在輸入?yún)⒘繛?0-4～10-3區(qū)間達到最大。

圖2 固定時間段內(nèi)大型船舶航跡偏差角度Fig.2 Deviation angle of large ship’s trajectory during a fixed time period

利用一段時間的平均航跡統(tǒng)計數(shù)據(jù)來描述航跡扇區(qū)的船體位置，平均偏差角度越大，說明船體與中央的距離越遠(yuǎn)，其航跡對風(fēng)力的影響也就越小。平均自校正計算式為：

式中：Degavr為航跡偏離平均值，Degi為航跡偏離值i的取樣值，N為統(tǒng)計期間對首搖角度取樣的數(shù)目。

對一段時間航跡偏移的標(biāo)準(zhǔn)差進行統(tǒng)計，以此來描述該大型船舶的航跡偏離程度，其標(biāo)準(zhǔn)差愈大，則表示船體與首搖角度的離散度愈大，航跡偏移角的最大值愈大，而航跡偏角越大，則更加不利于船舶的直線航行。標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)角偏差計算公式為：

式中，Degstd為航跡偏離標(biāo)準(zhǔn)差。由此對其進行仿真測試，得出不同轉(zhuǎn)角條件下的直線航跡情況如圖3 所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)角條件下的直線航跡情況Fig.3 Straight line trajectory under different turning conditions

可知，航跡的轉(zhuǎn)偏角越嚴(yán)重，船舶直線航跡發(fā)生偏離的情況就越嚴(yán)重，其預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果之間的誤差也會隨之拉大。根據(jù)該大型船舶提供的相關(guān)資料統(tǒng)計結(jié)果，可以得出用Degavr和Degstd來表示大型船舶的工作狀況關(guān)系，其中Degavr評估設(shè)備的航跡精度。為保證船舶能夠保持一個直線的航跡行駛，需要盡可能地減小其絕對值。

然后用Degstd評估該大型船舶單位內(nèi)的航跡偏離情況，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角60°要優(yōu)于轉(zhuǎn)角90°，轉(zhuǎn)角90°優(yōu)于轉(zhuǎn)角120°。由此說明Degstd的數(shù)值愈低，大型船舶的航跡愈好。

3.2 直線航跡自校正控制系統(tǒng)誤差分析

偏航誤差是一種不能被報告的故障，它不能從設(shè)備的數(shù)據(jù)中得到，必須從能源的觀點來進行分析。在計算航跡偏離后，該大型船舶的總動量方程為：

當(dāng)大型船舶出現(xiàn)偏差時，大型船舶最大功率輸出點出現(xiàn)偏差，即α=a時，其功率特性最好。找出大型船舶最大輸出航跡，并對其偏離度進行測量，從而判斷大型船舶有無偏航。

假設(shè)該大型船舶的直線航跡平面與海浪的夾角為a，那么在該直線航跡平面上的豎向分量為：

那么大型船舶直線航跡自校正控制系統(tǒng)的總能量密度Py為：

由于不同轉(zhuǎn)角對大型船舶直線方向產(chǎn)生影響而導(dǎo)致偏離，其自校正控制系統(tǒng)的能量損耗也會隨之變大，理論上，由于海浪影響而導(dǎo)致大型船舶偏離的能量損耗，其關(guān)系如表1 所示。

表1 海浪造成的能量損失對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Correspondence of energy loss caused by waves

基于Lyapunov 函數(shù)利用大型船舶的SCADA 系統(tǒng)，獲得其歷史運行數(shù)據(jù)，主要包括航跡偏差角、發(fā)電機有功功率、特定條件下某大型船舶航行中的年平均風(fēng)速、近岸海浪速度等。選擇最普遍的航跡偏移角區(qū)間（60°，90°），分別間隔30°，同時分成6 個區(qū)間，最后代入相關(guān)能量損失計算中，得出大型船舶直線航跡自校正控制系統(tǒng)受海浪的影響大小。

同時采用比因斯法，根據(jù)功率曲線的計算方法，在不同的航跡偏離部分下，利用SCADA 系統(tǒng)調(diào)度該大型船舶近3 年相關(guān)海浪數(shù)據(jù)，求出各區(qū)間的平均海浪影響下的船舶航速vj和平均功率Pj。

其中：Pj,k為滿足第j段海浪影響的第k個功率，而vj,k為滿足第j段海浪影響需求的第k個航速。采用瑞利積累函數(shù)對概率分布進行統(tǒng)計。瑞利累積概率分布函數(shù)是建立在該大型船舶的中心高度為固定值的基礎(chǔ)上，然后需要計算出平均海浪影響速度Vavr。其瑞利函數(shù)的描述方程為：

最后得出區(qū)間i的大型船舶的偏航量為：

在此范圍內(nèi)，大型船舶的偏航力系數(shù)Pi可以用來表示大型船舶的偏航角?？傮w思想是，在不同的航跡偏差范圍內(nèi)，通過對電力系統(tǒng)在不同方向上的功率分布進行分析，來反映各區(qū)域大型船舶的航跡控制效果。

此外，通過對各區(qū)間的功率曲線的卷積，可以確定輸出功率的特征參數(shù)，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到各區(qū)間的出力系數(shù)，并得到最佳的航跡自校正控制系統(tǒng)參數(shù)。

4 大型船舶操縱應(yīng)注意的事項

大型船舶在海面行駛中，由于受到風(fēng)浪的作用，其受力面積較大，進出港的時候要特別注意因此導(dǎo)致船只在航向上發(fā)生偏移的現(xiàn)象。作為操作人員在駕駛大型船舶的過程中，需要為其預(yù)留足夠的空間以防受外部因素影響而導(dǎo)致船舶直線軌跡發(fā)生偏移，并減少伴隨出現(xiàn)諸如擱淺、觸礁等意外情況。

為有效提升大型船舶的出行安全，基于研究所得數(shù)據(jù)可知，當(dāng)船舶從常速100 r/min 下降到可以機動操縱速度83 r/min 時，需要按照一定的保護程序逐步減速，大約需要20～30 min。若是在港口停泊時發(fā)生嚴(yán)重故障，或是遇到其他緊急情況，則可能會延誤船期、增加成本甚至導(dǎo)致沉沒損失。所以進港口停船舶前，要做好充足的準(zhǔn)備。停泊前事先做好計劃，查看主機的換向操作，再根據(jù)情況調(diào)節(jié)船速，到達預(yù)設(shè)的停船點。

5 結(jié) 語

本文首先對大型船舶的航跡自校正控制系統(tǒng)的工作原理進行介紹，然后根據(jù)航跡系統(tǒng)的控制需求，結(jié)合自校正控制算法對系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進行數(shù)學(xué)建模和分析，并通過仿真和測試比對了各個角度下自校正控制算法的效果。結(jié)果表明，該自校正控制算法誤差較小，能夠滿足大型船舶的直線航跡控制要求。