船舶自动航行系统的现状与发展_刘鹰

船舶自动航行系统的现状与发展

刘　鹰1　谢盛会2

(1.哈尔滨工程大学　哈尔滨　150001;　2.佳木斯行政学院　佳木斯　154002)

摘　要:　介绍了船舶自动航行系统的组成和功能,对国内外自动航行系统的技术水平进行了分析和比较,阐述了系统在功能、软件、人机界面等诸多方面的现状与发展方向。

关键词:　船舶自动航行　组成和功能　现状　发展方向

The Status and Developing Direction of S hip Autopilot System

Liu Ying1　Xie Shenghui2

(1.Harbin Engineering University,Harbin,150001;2.Jia musi Administration College,Jiamusi,154002)

A bstract:　This text presents the constitute and function of the ship autopilot,and make a deep investiga-tion on the technology of ship autopilot system used international,analyze the system's status and developing di-rection on function,software and human interface.

Key words:　ship autopilot,constitute and function,status,developing direction

0　引　言

近年来,随着全世界航运界和造船业的发展,对船舶航行的安全性及船舶运输效能提出了更高的要求。同时由于电子技术的进步,船舶自动化程度也在不断提高,船舶驾驶愈来愈趋向于一体化、综合化、集成化与全自动化。自动航行系统又称一人驾驶台,它是为了减轻船舶驾驶人员的劳动强度、降低人为的过失及其影响、提高船舶航行的安全性、节能以增加营运的经济效益而发展起来的,自20世纪70年代出现以来,已经发展到第四代。它把在船桥上各种独立安装分别显示的航行主仪器和助航仪器有机地组合在一起,形成一个大的闭环式信息综合、显示、控制系统,可极大地改善导航精度,减轻船舶驾驶人员的劳动强度,提高船舶航行的技术性能、安全性、有效性和经济效益。

自动航行系统现在已经成为全船自动化的一个重要组成部分,它综合地运用了计算机网络技术、滤波技术、最优控制技术、专家系统和高速数据接口技术进行系统集成。它不仅可以进行操舵实现航向的保持和变化控制,还能够实现航迹跟踪、ARPA雷达数据接收和自动避碰操舵。目前绝大多数船东要求采用航行自动化技术,即所谓的一人驾驶。自动航行系统已广泛应用于高级客船、集装箱船和航空母舰,未来的船舶运输将会更加安全、经济、快速。

1　组成和特点

自动航行系统一般由航行监控器(含电子海图与信息显示系统ECDIS)、航行计划工作站、ARPA、自适应自动舵、泊船监视器、主机遥控、导航系统、海图数字化仪及其它设备组成,通过船桥局域网将上述监控器、工作站及各种传感器联结起来,并通过网关将船舶上的其它系统,如船舶营运管理系统、通信系统、货物装卸监控系统及机舱自动化系统联在一起。

自动航行系统的主要特点是:

(1)船舶综合信息的集中显示

在驾驶台的终端上,可以用文字、曲线或图像的形式集中显示船舶航行信息、船体运动信息、机舱信息、导航定位信息与航区气象信息等,使驾驶员方便快捷地了解全船动态,并用主要精力去注视航行海域

第24卷　增　刊

2002年 舰　船　科　学　技　术

SHIP SCIE NCE AND TE CHNOLOGY

Vo1.24　Supplement

2002

收稿日期:2001-05-10

的环境变化以执行某些必要的操作。

(2)自动航线跟踪与监控

采用组合导航技术与自适应自动舵技术,对导航定位信息进行优化处理,对计划航线进行自动航线跟踪与监控。

(3)电子海图显示与信息系统(E CIDS)的应用

尽管目前E CDIS系统还不是很完善,所用的电子海图既有光栅扫描型,也有矢量型,尚未统一。但是随着IMO关于E CDIS标准的确定,很快会统一使用按照IHO规定的格式DX90生产的矢量型海图。

(4)船舶过去航迹数据的记录、存贮与再调用

可以记录、存贮与再调用本船船位及航行数据信息、雷达跟踪目标的信息、航行与雷达报警信息等。

(5)综合报警信息的集中显示

可以提供并集中显示警戒圈报警、偏航报警、接近目的地点报警、深度报警、走锚报警、传感器失效报警、防瞌睡报警等信息。

(6)泊船信息增加横向速度显示。

(7)可根据船东的要求对船舶驾驶台进行组合设计。

(8)改善人机界面,1人驾驶,易于操船,可减少船员劳动强度。

2　国外发展现状和水平

目前,世界上许多设备的生产厂家纷纷推出自己的自动航行系统,见表1。

表　1国家公司型号

挪威NORC ONTROL NC2000

德国ATLAS NACOS55-2

美国SPERRY VISION2100

英国KELVIN HUGHE NUCLEUS2

英国RACAL EDCCA MIRANS5000

日本JRC SNA-210

日本FURUNO VOYAGER

乌克兰导航研究所“全景”CT7

美国RAYTHEON

日本TOKLMEC

意大利SELESMAR

德国的SCC综合船桥是一种集航海计划、自动航迹控制、航行信息显示、避碰、雷达电子海图、传感器、自动电源管理、发动机的遥控、船舶管理和通讯于一体的成套设备,设备在驾驶室的布置及结构和操作符合人体工程学的要求,单人操作,既方便又安全。其功能有:

(1)航行计划　航路点、转向速率及公差带的设置,并以图形和数据显示,雷达图形被传送到所有的雷达单元和航迹控制系统。

(2)自动航迹控制　按设定的航行计划自动航迹保持,在雷达屏幕上显示本船的航向等数据。

(3)航行信息显示　所有必须的船舶操纵数据,如位置、航向、速度、漂移、水深、天气、舵角、转向速率、航迹偏差等重要数据的显示。

(4)避碰　ARPA自动雷达标绘采用高分辨率光栅扫描代替PPI的显示方式,并采用在雷达图形画面上同时显示地理参考坐标和航迹控制的计划航线、公差带图形及航行轨迹的重合技术,使船舶操作更容易。

(5)雷达电子海图　电子海图显示系统ECDIS 和自动雷达标绘仪ARPA的叠加称为多功能驾驶仪MULTIPIL OT,雷达数据的显示和电子海图信息的直接比较,减少了碰撞危险,使船舶操纵更安全。

(6)传感器　三维多普勒计程仪、差分GPS位置传感器和其它高精度测量装置保证了速度、航向及位置的准确和可靠。

(7)通讯　模块化通讯单元的组合,构成了网络的综合通讯系统DEB EG3020。

(8)船舶的操作和管理　SCC分布式计算机系统模块,控制、监测和管理船舶的全部操纵设备,包括自动电源供应、发动机的远程控制、货舱等的监测和控制。综合船舶管理系统用于船舶的装载、卸载的平衡以及船舶纵向力和扭矩数据的记录与管理。

日本的VOYAGER综合船桥,集航海计划、自动航迹控制、航行信息显示、避碰、雷达电子海图、传感器、自动电源管理、发动机遥控、船舶管理和通讯于一体。其主要特点:制定计划航线方面已经实现了人工智能化,当天气影响原计划航线时,可以进行智能管理,避开暴风雨地区,自动找到最近的航线,并以最快的速度、最经济的方法自动航行到目的地;“黑匣子”可连续记载船舶在航行中的操纵、雷达、海图和数字化声音等数据。技术概况:

(1)先进的定位计算;

(2)DGPS已得到了进一步完善,采用卡尔曼滤波技术提高定位精度;

(3)ARPA雷达自动标绘仪,充分利用X和S波段雷达系统;

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增刊 刘　鹰等:　船舶自动航行系统的现状与发展

(4)通讯采用GMDSS,满足用户要求,确保航行安全;

(5)电子海图系统符合IMO标准,使用DX-90海图可方便、迅速和安全地制定航行计划;

(6)自动操舵可使船舶在狭窄海域以高精度沿航线航行,在宽水域以经济目标航行的自适应操舵方式;

(7)操纵电机控制推进电机和推进器系统,使智能自动航行更安全、控制更简单。

3　结　语

通过以上分析可知,自动航行系统的最新技术包括:

(1)系统集成和通讯技术;

(2)智能控制技术;

(3)多导航传感器信号综合技术和卡尔曼滤波处理技术;

(4)船舶优化和安全系统(VOSS)。

尤其是增加的船舶优化和安全系统Vessel Opti-mization&Safety System(VOSS),可以下载卫星气象信息,实现因天气影响自动修改航行计划模块,即进行气象导航。它能实现航线优化、推荐航速航向、降低气象损害和船上气象导航,并可根据船的参数预算各海情下的运动参数如纵横摇,以便船长参考。

自动航行系统的发展趋势是网络化、智能化和全面化。

参　考　文　献

[1]　孙枫,袁赣南,张晓红.组合导航系统[M].哈尔滨:哈尔

滨工程大学出版社,1996

[2]　郝燕玲,乐慧康,仪维宪.导航微机系统及软件设计[M].

哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1992

[3]　赵琳,郝燕玲.船用综合导航系统的现状与发展趋势

[J].导航.1997.1

[4]　Forristall G.Z.and Greewood J.A.1998:Directional spectra of

measured and hindcasted wave spectra,Proc.5th International

Workshop on Wave Hindcasting and Forecasting,Melboune,

F.L.,The SWAMP Group,Plenum press,221～223

[5]　Sivillo,J.K.,Ahlq uist,J.E.and Zolten Toth.1997:An en-

semble forecasting primer.Wea.Forecastin,12,809818

作者简介:　刘鹰,1968年4月生,副研究员。1995年哈尔滨工程大学硕士毕业,从事导航与控制方面的研究工作。

(上接第11页) 次仿真后,目标运动参数已初具雏形,伪线形滤波的结果一般在第一次仿真后就趋于稳定。一般情况下,在水下环境中范围的允许偏差是8%,方位的允许偏差是0.2°,角度的允许偏差是3°,速度的允许偏差是3m/s。第二次迭代后80%数据符合需要,第三次迭代后90%～95%符合需要。仿真结果示于图1中。

该算法与其他算法进行比较,例子如下:鱼雷目标距离2700m,初始方位角45°,航向45°,速度20kn,观测者在航线上作S形运动,转向率是1°/s。在距离、航向、速度估计量上的偏差分别示于图2中,从结果可看出,在同等精度条件下扩展卡尔曼滤波比伪线形滤波所花时间要多,这是由于扩展卡尔曼滤波需要初始化目标状态变量所致。

3　结　语

本文对伪线形滤波用序列处理方式进行扩展,以减少数学计算的复杂性。任意时刻的目标状态估计变量可用于计算该时刻目标状态参数,并用于更新回归和以提高下一时刻的计算精度。由于伪线形滤波在长距离产生估计偏差,所以不能作为长范围的估计量。但可为复杂估计量提供较好的初始估计值。因此,本算法用于鱼雷目标被动追踪方面是可行的。

参　考　文　献

[1]　沈鹤鸣.卡耳曼滤波基本理论[M].大连:海军大连舰艇

学院出版,1987

[2]　钱敏平,龚光鲁.应用随机过程[M]北京:北京大学出版

社,1998

[3]　徐敬.基于信息融合的舰艇纯方位无源定位算法[J].海

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作者简介:　吕世聘,男,1973年生,硕士研究生,主要研究方向为人工智能与军事系统分析。

赵海东,男,1973年生,硕士研究生,主要研究方向为人工智能与军事系统分析。

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·舰　船　科　学　技　术 第24卷