第1期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·63· 主操控功能。船端控制平台包括多种传感设备、 白天和夜晚监测)、热像仪及角速度传感器、声音 通信设备、执行机构等。 捕获和检测传感器等多种传感器，以检测船舶周 1)船体结构 围环境和自身航行姿态信息。智能终端采集各设 不同船体结构的自主水面货船负载能力不 备数据最终汇总发送至GNC系统，实现信息处理。 同，负载能力强的自主货船能够安装多功能任务 4)GNC系统 包，从而使得单个自主货船可以同时完成更多的 制导、导航与控制分系统，承担全部运动控 作业任务。 制任务。对于自主水面货船来说，GNC系统是自 2)推进与动力系统 主水面货船运动控制的核心系统，支配自主水面 舵、螺旋桨、发动机等是自主水面货船推进 货船的行动。主要功能是连接各类船载传感器 系统中不可缺少的重要设备，其性能直接影响着 执行机构驱动器以及特定任务设备，实现数据预 船舶航行的经济性和安全性。 处理以及协议转换功能。控制系统是自主水面货 舵布置包括单舵、双舵、四舵，种类有Square 船航行中重要的子系统。在自主操纵下，货船必 head、Round head、NACA系列、IFS系列、Wedge 须具备根据外界环境对运动控制进行调整的能 系列、鱼尾舵及襟翼舵等B6。目前舵的研究领域 力，从而降低自主水面货船的航行风险。GNC系 比较先进的是自动舵，其发展共经历机械舵、 统的具体设计要求：具备多种数据接口模式； PD舵、自适应舵、智能舵4个主要阶段，自动控 数据输出方式统一；具备足够的数据处理能力， 制操舵方式比人工操舵方式更加灵敏和准确。 能够融合多源异构传感器信息，进行深度数据 螺旋桨布置包括单桨、双桨及多桨，不同的 分析。 桨舵配合使得船舶产生不同的操纵效果，直接影 3.2岸端 响船舶的运动性能。除船尾安装螺旋桨外，为实 岸基设备用于提供人机界面，实时监控船舶 现自动靠离泊需要安装侧推装置如艏侧推。艏侧 自身和周围环境信息，了解船舶航行动态，并可 推，即艏侧推进器，是一种装在船舶首部的特种 向船端控制平台发送操作指令，实现遥控操纵， 推进器，采用可变或固定螺距桨叶。艏侧推装置 同时实时存储数据信息，用于后期数据分析。常 除了可变螺距桨外，还包括电机或油马达、变距 用岸基设备主要有PC机、岸基雷达、摄像头、射 泵组、重力油泵等。作用是用来提高船舶的操纵 频识别等。为适应自主水面货船多能源换装或补 性，精确保持船位，便于停靠码头，不需要拖船 充需求，岸基应具备接触网式、成组更换式、靠岸 协助。 快充式、无线供电式等能源供给系统。 当前推进方式主流有螺旋桨推进、喷水推 3.3通信系统 进，新型推进方式有吊舱推进、无轴轮缘推进 通信系统包含船舶本身数据间通信及船岸信 等。由于无轴轮缘推进与传统桨舵相比具有全回 息通信。实现船岸之间各数据的稳定传输，是确 转、适量推进、精确控制等特点，与吊舱推进器相 保自主水面货船系统正常稳定工作的基础。利用 比具有推进效率高、减振降噪、防缠绕、正反转改 岸端设备、通信技术以及船载终端等通信设施监 向快、空间利用率高等优点，可以作为海事自主 控航行在港湾和进出港口的船舶，即为船舶交通 货船的优先选择。 服务(vessel traffic service,.VTS)。 目前，船舶动力95%为柴油机动力，当前新 根据任务要求，自主水面货船应具有4种通 型动力源主要有LNG、锂电池、燃料电池、可再 信方式：水下、水上、陆地、太空。水下通信能够 生能源（太阳能、风能）、核能等。自主水面货船 与潜艇通信，水上通信能够进行自身与船船间通 以采用清洁动力源为目标，在保证船舶航行动力 信，陆地指本船与岸站进行通信、空中指本船与 的同时应遵循环保理念。 无人机通信。 3)数据采集系统 综上，自主水面货船系统组成3部分不可或 船端安装有数据采集设备，如GPS和DGPS、 缺，一艘基本自主水面货船应采用智能舵，安装 S波段和X波段雷达（可以在恶劣天气条件下使 艏侧推并具有自动靠离泊能力，选择高效的推进 用)、KA和W波段雷达（可以检测近距离目标）、 方式（如无轴轮缘推进）与节能环保的动力源，采 声呐、罗盘、测深仪、LIDAR(可以识别近距离目 用先进的GNC技术，稳定的通信设备，再配合 标并精确测量距离)、摄像机和红外摄像机（用于 AIS、闭路监控电视、船舶远程识别与跟踪、船舶主操控功能。船端控制平台包括多种传感设备、 通信设备、执行机构等。 1) 船体结构 不同船体结构的自主水面货船负载能力不 同，负载能力强的自主货船能够安装多功能任务 包，从而使得单个自主货船可以同时完成更多的 作业任务。 2) 推进与动力系统 舵、螺旋桨、发动机等是自主水面货船推进 系统中不可缺少的重要设备，其性能直接影响着 船舶航行的经济性和安全性。 舵布置包括单舵、双舵、四舵，种类有 Square head、Round head、NACA 系列、IFS 系列、Wedge 系列、鱼尾舵及襟翼舵等[36]。目前舵的研究领域 比较先进的是自动舵，其发展共经历机械舵、 PID 舵、自适应舵、智能舵 4 个主要阶段，自动控 制操舵方式比人工操舵方式更加灵敏和准确。 螺旋桨布置包括单桨、双桨及多桨，不同的 桨舵配合使得船舶产生不同的操纵效果，直接影 响船舶的运动性能。除船尾安装螺旋桨外，为实 现自动靠离泊需要安装侧推装置如艏侧推。艏侧 推，即艏侧推进器，是一种装在船舶首部的特种 推进器，采用可变或固定螺距桨叶。艏侧推装置 除了可变螺距桨外，还包括电机或油马达、变距 泵组、重力油泵等。作用是用来提高船舶的操纵 性，精确保持船位，便于停靠码头，不需要拖船 协助。 当前推进方式主流有螺旋桨推进、喷水推 进，新型推进方式有吊舱推进、无轴轮缘推进 等。由于无轴轮缘推进与传统桨舵相比具有全回 转、适量推进、精确控制等特点，与吊舱推进器相 比具有推进效率高、减振降噪、防缠绕、正反转改 向快、空间利用率高等优点，可以作为海事自主 货船的优先选择。 目前，船舶动力 95% 为柴油机动力，当前新 型动力源主要有 LNG、锂电池、燃料电池、可再 生能源 (太阳能、风能)、核能等。自主水面货船 以采用清洁动力源为目标，在保证船舶航行动力 的同时应遵循环保理念。 3) 数据采集系统 船端安装有数据采集设备，如 GPS 和 DGPS、 S 波段和 X 波段雷达 (可以在恶劣天气条件下使 用)、KA 和 W 波段雷达 (可以检测近距离目标)、 声呐、罗盘、测深仪、LIDAR(可以识别近距离目 标并精确测量距离)、摄像机和红外摄像机 (用于 白天和夜晚监测)、热像仪及角速度传感器、声音 捕获和检测传感器等多种传感器，以检测船舶周 围环境和自身航行姿态信息。智能终端采集各设 备数据最终汇总发送至 GNC系统，实现信息处理。 4) GNC 系统 制导、导航与控制分系统，承担全部运动控 制任务。对于自主水面货船来说，GNC 系统是自 主水面货船运动控制的核心系统，支配自主水面 货船的行动。主要功能是连接各类船载传感器、 执行机构驱动器以及特定任务设备，实现数据预 处理以及协议转换功能。控制系统是自主水面货 船航行中重要的子系统。在自主操纵下，货船必 须具备根据外界环境对运动控制进行调整的能 力，从而降低自主水面货船的航行风险。GNC 系 统的具体设计要求：具备多种数据接口模式； 数据输出方式统一；具备足够的数据处理能力， 能够融合多源异构传感器信息，进行深度数据 分析。 3.2 岸端 岸基设备用于提供人机界面，实时监控船舶 自身和周围环境信息，了解船舶航行动态，并可 向船端控制平台发送操作指令，实现遥控操纵， 同时实时存储数据信息，用于后期数据分析。常 用岸基设备主要有 PC 机、岸基雷达、摄像头、射 频识别等。为适应自主水面货船多能源换装或补 充需求，岸基应具备接触网式、成组更换式、靠岸 快充式、无线供电式等能源供给系统。 3.3 通信系统 通信系统包含船舶本身数据间通信及船岸信 息通信。实现船岸之间各数据的稳定传输，是确 保自主水面货船系统正常稳定工作的基础。利用 岸端设备、通信技术以及船载终端等通信设施监 控航行在港湾和进出港口的船舶，即为船舶交通 服务 (vessel traffic service，VTS)。 根据任务要求，自主水面货船应具有 4 种通 信方式：水下、水上、陆地、太空。水下通信能够 与潜艇通信，水上通信能够进行自身与船船间通 信，陆地指本船与岸站进行通信、空中指本船与 无人机通信。 综上，自主水面货船系统组成 3 部分不可或 缺，一艘基本自主水面货船应采用智能舵，安装 艏侧推并具有自动靠离泊能力，选择高效的推进 方式 (如无轴轮缘推进) 与节能环保的动力源，采 用先进的 GNC 技术，稳定的通信设备，再配合 AIS、闭路监控电视、船舶远程识别与跟踪、船舶 第 1 期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·63·