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2021年  第16卷  第1期

2021 年 1 期目录
2021, (1): 0-2.
摘要:
综述
智能货运船舶研究现状与发展思考
严新平, 王树武, 马枫
2021, 16(1): 1-6. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01674
摘要:
智能货运船舶是涉及船舶设计、动力组成、状态感知、信息处理、通信控制、风险辨识、人工智能等多学科交叉的研究领域,其发展旨在使水路运输更安全、更环保、更经济。首先,分析货运船舶自主控制与决策的特点与难点,阐述国内外智能货运船舶的研究现状;然后,从智能航行、智能机舱和远程驾驶等技术方面,展望未来智能货运船舶的发展方向;最后,提出发展智能货运船舶的几点思考。
海上无人系统集群发展现状及关键技术研究进展
谢伟, 陶浩, 龚俊斌, 罗威, 尹逢川, 梁晓龙
2021, 16(1): 7-17, 31. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02225
摘要:
海上无人系统集群作战正在从概念走向实装应用。着眼于海上无人系统集群作战任务的需要,总结无人机集群、水面无人艇集群、无人水下机器人集群和跨域无人系统集群的国内外发展现状,分析海上无人系统集群协同作战所需的关键技术,包括通信自组网、协同态势感知、任务分配、航迹规划、集群编队控制和虚拟测试等。系统性归纳海上无人系统集群所需各项技术的主要研究思路、代表性算法及相关算法的研究趋势,期望能够为海上无人系统集群技术研究提供有益的参考和借鉴。
智能航行
智能船舶远程驾驶控制技术研究现状与趋势
王远渊, 刘佳仑, 马枫, 王兴平, 严新平
2021, 16(1): 18-31. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01939
摘要:
阐述智能船舶及其远程驾驶的发展背景。基于目前大多数无人船艇远程控制存在的问题,在分析智能船舶远程驾驶需求和场景的基础上,提出基于人机共融理念的智能船舶远程驾驶框架。针对不同的远程驾驶模式,提出技术等级和相关的关键技术。通过借鉴交叉领域网络控制系统的发展成果,指出网络时延补偿、网络丢包补偿、安全应急、运动模型应用、运动控制、自主决策等关键技术对于实现智能船舶远程驾驶控制的重要性,阐述相关关键技术的发展现状。结合航运的运维特点,针对目前已逐步投入行业应用的船舶感知技术提出有助于实现货船远程驾驶的思考。
船舶自主航行关键技术研究现状与展望
李永杰, 张瑞, 魏慕恒, 张羽
2021, 16(1): 32-44. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01958
摘要:
船舶自主航行作为智能船舶的显著特征,日益受到工业与海事企业的关注。为把握船舶自主航行现状和发展方向,开展相关关键技术研究调研与综述。分析近三年国内外船舶自主航行技术的发展现状,针对航行态势感知、认知计算、避碰决策、航行控制、赛博安全等关键技术,剖析其技术内涵、研究现状与应用情况。针对智能航行关键技术现状与技术需求,从态势感知、认知与决策、控制与安全3个方面对船舶自主航行的未来发展进行了展望。
智能船舶航行功能测试验证的方法体系
刘佳仑, 杨帆, 马枫, 严新平
2021, 16(1): 45-50. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01780
摘要:
智能船舶航行技术发展的核心在于构建从辅助决策到自主驾控的完整软硬件系统,实现人工驾驶到智能驾驶的演化,而核心技术的突破与软硬件系统的研发离不开完善的测试验证体系和健全的规范标准。对目前国内外智能船舶测试场现状进行综述,对以性能、能效、信息、智能为对象的智能船舶航行功能测试构想进行解析,最终提出以虚拟仿真为初试、模型测试为中试和实船验证为终试的智能船舶航行功能测试验证方法体系。
多无人艇集群协同控制研究进展与未来趋势
彭周华, 吴文涛, 王丹, 刘陆
2021, 16(1): 51-64, 82. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01923
摘要:
当前,海洋航行器呈现智能化、网络化、集群化等重要发展趋势,多无人艇通过协同实现集群化作业,是未来海洋作业的主要形式之一。从无人艇运动数学模型出发,分析了多无人艇集群控制所面临的问题和挑战,根据多无人艇运动不同的场景,从轨迹导引、路径导引、目标导引3个方面综述了多无人艇集群协同控制的研究进展。最后,对多无人艇协同控制的研究方向和未来趋势进行了总结和展望。
基于机器学习的实海域无人艇避碰算法智能演进方法
楼建坤, 王鸿东, 王检耀, 易宏
2021, 16(1): 65-73. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02116
摘要:
  目的  无人艇(USV)效能是指在给定时间内的特定海域完成指定任务的能力,是多层次多技术节点耦合作用的结果,而针对单一技术节点的传统优化方法,对无人艇效能的提升效果有限。  方法  针对无人艇自主系统的特点,从智能算法的角度,提出无人艇智能演进的2种主要形式:一是算法函数;二是算法参数。在此基础上,给出基于机器学习的无人艇智能演进方法,设计一种可演进的无人艇自主系统控制体系架构,并在实海域测试。  结果  以无人艇避碰算法为例,基于实海域测试结果,初步验证了所提方法在提升无人艇效能方面的可行性与有效性。  结论  基于机器学习的无人艇智能演进方法是持续提升无人艇效能的有效途径,具有较高研究价值和应用意义。
多约束条件下无人艇和无人机集群协同航迹规划
侯岳奇, 陶浩, 龚俊斌, 梁晓龙, 张诺
2021, 16(1): 74-82. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02091
摘要:
  目的  为实现海上无人集群在执行任务过程中的安全航行和通信保持,开展无人艇(USV)和无人机(UAV)集群协同航迹规划问题的研究。  方法  采用禁入和禁出地理围栏进行场景建模,将规避威胁和障碍问题转化为地理围栏约束。针对平台之间的碰撞冲突和通信连接问题,提出基于时序检测的碰撞冲突和通信保持约束判断准则。以集群平均航行时间为航迹优化函数,将多约束条件转化为惩罚函数,采用自适应差分进化算法进行优化求解。  结果  仿真结果表明,所提方法能够在威胁和障碍环境中保持无人艇和无人机集群的安全航行和通信连接,并在满足多约束的条件下实现集群平均航行时间最短。  结论  该方法可用于海上无人集群面对威胁和障碍环境时的离线航迹规划,具有一定的应用价值。
搜索算法在无人艇航迹规划中的应用
路春晖, 张博, 付振楷, 尹美琳, 张嘉琪
2021, 16(1): 83-88. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01604
摘要:
  目的  为了更加有效地利用无人艇(USV)执行复杂的海洋作业,需要可靠的航迹规划算法。针对现有路径规划算法研究,提出一种基于2D扫描思想的搜索扫描算法。  方法  首先,建立环境空间模型,在起点与终点之间存在障碍物的前提下,通过起点360°扫描获取周围障碍物信息,并确定子节点。然后,通过确定代价函数获取子节点,不断扫描最优子节点并更新下一代子节点以扫描到终点,最终确定规划路线。最后,使用LabView2017平台编写算法仿真软件并进行实验。  结果  结果表明,搜索扫描算法在规划路径上和蚁群算法相比生成的路径质量更高。  结论  搜索扫描算法减少了传统算法规划路径中结果非最优解的问题,能有效提高算法应用于二维空间路径规划时的可靠性。
基于精确罚函数的无人艇航迹规划和自动避障算法
李清亮, 李彬, 孙国皓, 崔星, 毛新涛
2021, 16(1): 89-95. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02209
摘要:
  目的  对于已知多个障碍物的局部水域,如何规划安全高效的无人艇(USV)运动航迹,是当前的研究热点。  方法  首先,采用简洁有效的圆形包络面和凸四边形包络面处理障碍物区域,并将避障问题转化为时间最优控制问题中的状态不等式约束;然后,利用控制参数化和时间尺度变换,将时间最优控制问题转化为最优参数选择问题;最后,对于由多个障碍物带来的多个连续状态不等式约束,采用精确罚函数法将所有的状态约束都附加到目标函数中,从而构建适用于任何有效优化技术予以求解的非线性优化问题。  结果  数值仿真结果表明,该算法所规划的航迹能成功规避水域中的所有障碍物,同时符合无人艇的运动特性。  结论  研究成果可为无人艇航迹规划的避障问题提供参考。
基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法
丁志国, 张新宇, 王程博, 黎泉, 安兰轩
2021, 16(1): 96-104, 113. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01781
摘要:
  目的  为实现沿海无人驾驶船舶自主航行,充分考虑无人驾驶船舶智能避碰决策的合理性和实时性后,提出并建立一种基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法。  方法  首先,以本体论为基础,设计无人驾驶船舶航行态势本体概念模型,并结合《国际海上避碰规则》及良好的船艺将船舶航行态势量化划分为12种会遇场景;然后,从驾驶实践的角度改进影响碰撞危险度因子的模糊隶属度函数,提出一种多元碰撞危险度评估模型,实现船舶碰撞危险度的精确计算;最后,以船舶避碰总路径最短为目标函数,提出一种基于驾驶员视角(BOP)的智能避碰决策模型,在船舶操纵性、舵角限幅等约束下求解最优避碰策略,并在典型的会遇场景下进行仿真实验。  结果  结果表明,该方法可以准确判断驾驶航行态势,给出合理的转向策略,实现典型会遇场景下的有效避碰。  结论  所做研究可为实现船舶自主航行提供理论基础和方法参考。
基于深度强化学习的智能船舶航迹跟踪控制
祝亢, 黄珍, 王绪明
2021, 16(1): 105-113. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01940
摘要:
  目的  智能船舶的航迹跟踪控制问题往往面临着控制环境复杂、控制器稳定性不高以及大量的算法计算等问题。为实现对航迹跟踪的精准控制,提出一种引入深度强化学习技术的航向控制器。  方法  首先,结合视线(LOS)算法制导,以船舶的操纵特性和控制要求为基础,将航迹跟踪问题建模成马尔可夫决策过程,设计其状态空间、动作空间、奖励函数;然后,使用深度确定性策略梯度(DDPG)算法作为控制器的实现,采用离线学习方法对控制器进行训练;最后,将训练完成的控制器与BP-PID控制器进行对比研究,分析控制效果。  结果  仿真结果表明,设计的深度强化学习控制器可以从训练学习过程中快速收敛达到控制要求,训练后的网络与BP-PID控制器相比跟踪迅速,具有偏航误差小、舵角变化频率小等优点。  结论  研究成果可为智能船舶航迹跟踪控制提供参考。
考虑船位预测不确定性的船舶碰撞危险度计算方法
王少博, 张英俊, 胡鑫
2021, 16(1): 114-120. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01914
摘要:
  目的  船舶碰撞是威胁智能船舶航行安全的主要因素。船舶碰撞危险度计算模型应及时发现船舶航行中潜在的碰撞风险,为智能船舶的自主避让决策提供依据。  方法  首先,根据船舶领域侵入程度与侵入时间等参数,分析基于领域的碰撞危险参数计算模型,将航行场景划分为单船会遇局面和本船与船舶群组的会遇局面,给出一种新的多船会遇情况下的碰撞危险参数计算模型;其次,基于维纳过程对船位预测不确定性进行建模,根据卡方分布获取船位预测不确定性椭圆;最后,给出考虑船位预测不确定性的碰撞危险参数计算方法。  结果  该计算模型能够考虑船位预测不确定性对船舶碰撞危险的影响。  结论  可以进一步保障智能船舶的海上航行安全。
基于改进的视线导引算法与自抗扰航向控制器的无人艇航迹控制
杨忠凯, 仲伟波, 冯友兵, 孙彬
2021, 16(1): 121-127, 135. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01842
摘要:
  目的  无人艇(USV)在复杂环境情况下会出现偏离目标航线的情况,为提高水面无人艇的抗干扰能力及实际航行的稳定性,实现对航迹的准确控制,提出一种改进的无人艇航迹控制方法。  方法  根据导航信号受环境影响的情况,对GPS信号有效和无效2种情况下的航迹控制分别进行分析,在自主可控平台上设计并实现了基于模糊控制可变船长比的视线导引算法(LOS)和自抗扰航向控制器(ADRC)相结合的航迹控制方法,并开展了双桨双舵无人艇湖上试验。  结果  仿真结果表明:该方法可满足航迹控制的要求,转弯后航向能够快速保持稳定,无频繁摆舵现象,且该方法能够完成真实环境下的航迹控制,航迹贴线误差均值约为0.1 m,方差约为0.03。  结论  湖上试验结果验证了该算法在实际工程应用中的可行性和有效性。
基于扩张状态观测器的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制
吴文涛, 彭周华, 王丹, 刘陆, 姜继洲, 任帅
2021, 16(1): 128-135. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01665
摘要:
  目的  针对无人艇(USV)的模型不确定性和未知海洋环境扰动,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制算法。  方法  在运动学层级,设计基于平行接近制导原理的目标跟踪制导律;在动力学层级,针对模型不确定性和未知环境扰动,设计基于ESO的纵荡速度和艏摇角速度自抗扰控制律,以减小模型不确定性和环境扰动的影响;最后,通过输入状态稳定性定理和级联定理分析所提控制器的稳定性。  结果  实验结果表明,基于所提的自抗扰目标跟踪控制方法能使跟踪船有效地跟踪虚拟目标点。  结论  研究成果可为无人艇在环境扰动下的目标跟踪提供参考。
基于参数扰动模型的遥控潜水器滑模控制方法
崔鹏飞, 田军委, 孙江龙, 王轩
2021, 16(1): 136-142. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01756
摘要:
  目的  遥控潜水器(ROV)的运动控制易受到环境和模型参数不确定性因素的影响,难以达到预期控制效果,针对此情况,提出一种基于参数扰动模型的ROV滑模控制方法。  方法  以标准ROV模型为基础,将环境干扰与模型自身参数的不确定性作为模型扰动参数,建立带参数扰动的ROV模型,并对模型进行解耦得到深度方向的控制模型,基于带参数扰动的模型完成定深运动滑模控制器设计,开展仿真试验验证。  结果  结果表明,基于参数扰动ROV模型的滑模控制器能够对ROV进行稳定、高效的定深控制,并且该控制方法可以改善外干扰和模型参数不确定性带来的影响。  结论  该控制器设计方法可为解决ROV控制过程中受到的环境与模型不确定性问题提供一种解决方案。
基于自主平台的NMEA2000协议改进和优化
仲伟波, 陈键, 冯友兵, 卢道华
2021, 16(1): 143-150. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01870
摘要:
  目的  为了拓展NMEA2000通信协议标准的应用范围,优化、提升网络传输效率,研制基于自主可控平台的NMEA2000数据采集传输系统。该系统可将非认证设备接入NMEA2000网络并提升其传输效率。  方法  以GD32F207芯片为微控制器并在与RT-Thread嵌入式实时操作系统结合的自主可控平台上,根据各厂商原有设备协议和NMEA2000协议标准,采用数据映射的方式,完成协议格式转换。利用NMEA2000数据帧未使用的标识符域和优先级动态调整,提升NMEA2000网络传输效率。  结果  基于自主可控平台的NMEA2000板卡实现了非认证设备的接入,优化后网络传输效率随着传输字节数的不同有着不同程度的提升,网络实时性与可靠性也有所提升。  结论  所提数据采集传输系统具有多种接口,能够完成非认证设备的接入,网络数据传输效率、实时性和可靠性能够满足船载设备间数据传输的需要。
某型无人艇综合健康管理系统分析
胡剑, 杨建军, 蔡文涛
2021, 16(1): 151-157. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01976
摘要:
  目的  为确保无人艇(USV)航行安全,降低维修保障费用,推行高效的维修保障模式,开展无人艇综合健康管理(IVHM)系统分析。  方法  根据某型无人艇的功能结构,对若干关键设备和船体展开故障模式、影响及危害度分析(FMECA); 基于运维需要,分析无人艇IVHM系统的功能需求,以设计其系统框架,并提出设计该系统所需的关键技术; 采用基于智能体仿真模型评估无人艇主题任务的成功性,分析保障资源需求。  结果  将设备故障参数和功能性参数作为输入,建立了基于智能体的IVHM系统模型,为USV的任务成功性评估和保障资源需求分析提供了推理依据。  结论  研究结果可为此类IVHM系统的设计提供思路。
智能机舱
基于机器学习的船舶机舱设备状态监测方法
王瑞涵, 陈辉, 管聪
2021, 16(1): 158-166, 192. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02150
摘要:
  目的  为实现船舶机舱设备的智能状态监测,引入机器学习算法,提出一种结合流形学习和孤立森林的船舶机舱设备状态监测方法。  方法  由于船舶机舱设备的状态监测数据是多维度数据,基于该监测系统,通过流形学习来提取有效的数据特征,实现对原始数据的降维,减少数据复杂度。基于孤立森林算法,在仅利用正常工况数据集的情况下,训练并构建多个子森林检测器,用于实现对目标设备的故障监测。在Matlab/Simulink环境下建立大型船舶二冲程柴油机模型,对其正常工况和故障工况下的数据进行仿真,以验证该方案的有效性。  结果  通过状态仿真数据对不同故障监测方案性能的比较,验证了所提故障监测方案具有98.5%的故障检测率和3%的故障虚警率。  结论  所提方法能显著提高船舶机舱设备的故障监测性能。
智能船舶动力系统设备的自适应阈值方法
高泽宇, 张鹏, 张博深, 张跃文, 孙培廷
2021, 16(1): 167-173. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01951
摘要:
  目的   针对智能船舶动力系统设备的状态监控报警不及时、阈值带宽过大、状态评估参数不准确等问题,提出自适应阈值的确定方法,用以对动力系统设备进行监控报警和状态评估。   方法   首先,采用模拟退火算法优化回归支持向量机(SVR)预测模型,对动力系统设备的常规状态特征参数进行建模;然后,对建模残差进行正态转化,并结合滑动时间窗来构建自适应阈值模型;最后,选取某船舶主推进柴油机的排烟温度作为研究对象进行实例验证。   结果   研究结果表明,相较于传统固定阈值,自适应阈值模型的带宽更为紧凑,具有良好的自适应性,能够提前识别动力系统设备的异常现象。   结论   所提方法提高了监控报警系统的效率和阈值精度,可为早期故障诊断和系统状态评估提供更准确的依据。
基于AEC模型的船舶燃油供给系统状态评估
邹永久, 杜太利, 姜兴家, 张跃文
2021, 16(1): 174-179. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01779
摘要:
  目的  针对船舶机舱智能化的发展需求,为了预判系统设备的潜在失效因素,提出一种适用于船舶系统健康状态评估的新型AEC模型。  方法  首先,将改进层次分析法(AHP)与熵权法(EWM)的优势相结合,形成组合赋权法来确定各项评估指标的综合权重;然后,采用云重心评判法(CGCEM)计算加权偏离度,并对系统健康状态进行评估。  结果  实船燃油供给系统的验证结果表明:实测运行数据的加权偏离度计算结果为0.181 5,隶属于(0,0.33)区间,这与实船的健康运行状态一致。  结论  AEC模型可以较准确地评估船舶燃油供给系统的健康状态,可为智能船舶的状态评估和维护保养辅助决策提供参考。
智能能效管理
船舶智能能效优化关键技术研究现状与展望
王凯, 胡唯唯, 黄连忠, 蔡玉良, 马冉祺
2021, 16(1): 180-192. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01942
摘要:
智能能效管理作为智能船舶发展的重要组成部分之一,可以实现船舶能效的自动监测、分析与自主决策,对提升船舶的绿色化与智能化水平具有重要意义。通过分析船舶智能能效管理规范与检验指南,围绕船舶能效智能监控与系统设计技术、船舶智能能效大数据应用技术、智能能效优化模型与智能算法等核心问题,系统分析船舶智能能效优化的国内外发展现状。结合目前的研究现状,提出船舶智能能效优化存在的不足与面临的挑战,对智能能效优化的未来发展与研究方向做出展望,以期为智能船舶能效管理提供参考。