CN111007852A - 船舶的系统架构及智能船舶 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种船舶的系统架构及智能船舶，包括：感知系统、决策系统、控制系统和执行系统，每个系统按照功能由不同的设备执行；感知系统用于将感知的信息进行预处理，以及将预处理后的信息发送至决策系统；决策系统用于根据预处理后的信息通过预设的控制算法确定决策结果，以及将决策结果发送至控制系统；控制系统用于向执行系统发送与决策结果对应的控制指令；执行系统用于执行控制指令。本发明可以提高船舶系统架构的集成度，实现对全船的综合管控。

Description

船舶的系统架构及智能船舶

技术领域

本发明涉及智能船舶设计技术领域，尤其是涉及一种船舶的系统架构及智能船舶。

背景技术

随着智能船舶智能等级的提升，与传统船舶相比，其系统架构已产生巨大变化，直接影响到全船的功能体系以及设计理念。常规船舶的功能系统是分散的，通常按照专业功能来划分。如：锚机、绞车等属于船体系统；推进器、推进柴油机、柴油发电机组、泵组等属于轮机系统；输电、配电、通信、导航等属于电气系统。这些系统通常独立运行，互相之间较少甚至不发生联系，系统间并无协同工作关系。当船舶完成某一工况下的任务时，由驾驶员获取各系统的信息，通过其掌握的驾驶技能和经验，来操作各系统。常规船舶系统架构集成度差，不能实现对全船的综合管控，已经不适用于智能等级较高的智能船舶。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种船舶的系统架构及智能船舶，以提高了船舶系统架构的集成度，实现了对全船的综合管控。

第一方面，本发明实施例提供了一种船舶的系统架构，包括：感知系统、决策系统、控制系统和执行系统，每个系统按照功能由不同的设备执行；感知系统用于将感知的信息进行预处理，以及将预处理后的信息发送至决策系统；决策系统用于根据预处理后的信息通过预设的控制算法确定决策结果，以及将决策结果发送至控制系统；控制系统用于向执行系统发送与决策结果对应的控制指令；执行系统用于执行控制指令。

在一种实施方式中，感知系统至少包括：雷达系统、光电追踪系统、CCTV(ClosedCircuit Television，闭路电视)系统、设备传感器、应力传感器。

在一种实施方式中，决策结果至少包括：自主航行决策、自主靠离泊决策、任务系统决策、船体性能决策。

在一种实施方式中，控制指令至少包括：航向控制指令、航速控制指令、装卸货控制指令、锚泊控制指令、系泊控制指令、作业控制指令。

在一种实施方式中，执行系统至少包括：动力装置、电力设备、锚系泊设备、推进装置、转向机构、装卸货设备。

在一种实施方式中，船舶的系统架构还包括综合管控系统；综合管控系统用于协同决策系统确定决策结果，以及协同控制系统通过预设的协同控制模型和协同控制算法确定与决策结果对应的控制指令，并将控制指令发送至对应的执行系统。

在一种实施方式中，船舶的系统架构还包括：安全保障系统，用于通过危险识别确定应急响应方案，并将应急响应方案发送至执行系统。

在一种实施方式中，船舶的系统架构还包括：复合通信系统，用于实现船与船之间的通信，以及通过岸基控制系统实现船与岸之间的通信。

第二方面，本发明实施例提供了一种智能船舶，智能船舶包括第一方面任一项所述的船舶的系统架构。

在一种实施方式中，智能船舶的自主控制方法包括：通过感知系统采集信息，并将信息进行预处理后存入数据库中；其中，信息至少包括：外界环境信息、附近船只信息、港口码头信息和自身状态信息；通过决策系统将预处理后的信息通过预设的控制算法，确定决策结果；其中，预设的控制算法至少包括：航行避障分析、航路规划分析、态势分析、动态预测分析、货物配载分析、能效优化分析；根据决策结果，通过综合管控系统制定协同控制策略，通过预设的控制模型和算法确定协同控制策略对应的控制指令，并将控制指令发送至相应的执行设备；通过执行设备执行控制指令。

本发明实施例提供了一种船舶的系统架构及智能船舶，能够按照感知系统、决策系统、控制系统和执行系统进行系统架构，感知系统能够采集所需的信息并进行预处理，将预处理后的信息发送至决策系统；决策系统根据接收到的预处理后的信息，通过预设的控制算法确定决策结果，并将决策结果发送至控制系统；控制系统向执行系统发送与决策结果对应的控制指令；最后由执行系统执行接收到的控制指令。上述实施例提供的系统架构，通过将全船系统按照感知、决策、控制和执行进行架构，并通过环境感知、综合决策，生成控制指令，传达至执行系统由相应的执行设备执行，从而提高了船舶系统架构的集成度，实现了对全船的综合管控。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种船舶的系统架构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种船舶的系统架构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种智能船舶的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种智能船舶的自主控制方法的流程示意图。

图标：

10-感知系统；20-决策系统；30-控制系统；40-执行系统；50-安全保障系统；60-复合通信系统；100-船舶的系统架构；300-智能船舶。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，随着智能船舶智能等级的提升，与传统船舶相比，其系统架构已产生巨大变化，直接影响到全船的功能体系以及设计理念。基于此，本发明实施例提供的一种船舶的系统架构、系统架构的实现方法及智能船舶，可以提高船舶系统架构的集成度，实现对全船的综合管控。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种船舶的系统架构进行详细介绍，参见图1所示的一种船舶的系统架构的结构示意图，示意出船舶的系统架构100包括：感知系统10、决策系统20、控制系统30和执行系统40，每个系统按照功能由不同的设备执行；感知系统10用于将感知的信息进行预处理，以及将预处理后的信息发送至决策系统20；决策系统20用于根据预处理后的信息通过预设的控制算法确定决策结果，以及将决策结果发送至控制系统30；控制系统30用于向执行系统40发送与决策结果对应的控制指令；执行系统40用于执行控制指令。

本发明实施例提供的上述船舶的系统架构，能够按照感知系统10、决策系统20、控制系统30和执行系统40进行系统架构，感知系统10能够采集所需的信息并进行预处理，将预处理后的信息发送至决策系统20；决策系统20根据接收到的预处理后的信息，通过预设的控制算法确定决策结果，并将决策结果发送至控制系统30；控制系统30向执行系统40发送与决策结果对应的控制指令；最后由执行系统40执行接收到的控制指令。上述实施例提供的系统架构，通过将全船系统按照感知、决策、控制和执行进行架构，并通过环境感知、综合决策，生成控制指令，传达至执行系统由相应的执行设备执行，从而提高了船舶系统架构的集成度，实现了对全船的综合管控。

在一种具体实施方式中，全船的感知系统10可以包括：雷达系统(包括雷达、近红外雷达、激光雷达等)、光电追踪系统、CCTV系统、设备传感器、应力传感器等。上述设备可以通过对外的环境感知以及对内的设备状态感知，实现多源数据的综合感知，并对数据进行预处理，提取核心信息，将处理后的内外感知获取的信息传递到决策系统20。

进一步，决策系统20可以根据接收到预处理后的信息，通过预设的控制算法确定决策结果。其中，决策结果至少包括：自主航行决策(可以包括航线规划分析、自主避碰决策、动态航迹追踪等)、自主靠离泊决策(可以包括靠离泊动态预测、码头相对位置分析、靠离泊态势分析等)、任务系统决策(可以包括货物配载分析、装卸货程序决策、作业任务分析等)、船体性能决策(可以包括能效优化分析、浮态优化分析、故障分析等)。得到决策结果之后，决策系统20可以将决策结果发送至控制系统30。

进一步，控制系统30接收到决策结果后，可以根据决策结果通过构建协同控制的模型和策略，以及与决策系统的双向信息交互，制定明确的控制策略，并将控制指令发送至执行系统40。具体的，控制指令至少包括：航向控制指令、航速控制指令、装卸货控制指令、锚泊控制指令、系泊控制指令、作业控制指令等。

进一步，执行系统40至少包括：动力装置、电力设备、锚系泊设备、推进装置、转向机构、装卸货设备等，用于执行基于不同功能的控制指令。

由于船舶的系统架构非常复杂，实现某一种功能时可能需要多个系统的协同作用，因此各个系统之间不能进行完全区分，基于此，本发明实施例提供提供了另一种船舶的系统架构，包括综合管控系统；综合管控系统用于协同决策系统确定决策结果，以及协同控制系统通过预设的协同控制模型和协同控制算法确定与决策结果对应的控制指令，并将控制指令发送至对应的执行系统。

在一种具体的实施方式中，综合管控系统可以由基于不同任务场景的综合决策系统和初步协同控制系统构成；基于综合管控系统，决策系统可以实现自主航行决策、自主靠离泊决策、任务系统决策以及船体性能决策等不同功能之间的综合决策。其中航行、靠离泊、任务系统的决策属于在不同工况范畴内，即在特定场景下，由综合管控系统基于工况和需求决定采取哪个功能系统，每个功能系统的决策单独执行，彼此独立。船体性能的决策属于不同工况下为满足不同功能要求而对船舶开展的态势调整。

具体的，决策系统可以基于单项功能要求传递一级指令(也就是针对于具体功能的智能，诸如自主航行功能，一级指令可以是航速、航向角等)到初步协同控制层，通过构建协同控制的模型和策略，以及与决策系统的双向信息交互，实现基于不同功能的协同控制，制定明确的控制策略，并将控制策略传递到执行系统；最后，将综合管控系统发送的二级指令(也就是制定的控制策略，诸如自主航行功能，假设航向角为30度，那么二级指令可以是转向机构转向30度、动力设备提供相应的动力等)，传递到执行系统，通过动力设备、锚系泊设备、推进装置、转向机构等实现不同的智能功能。

进一步，本发明实施例还提供了另一种船舶的系统架构，参见图2所示的另一种船舶的系统架构的结构示意图，示意出另一种船舶的系统架构100包括：感知系统10、决策系统20、控制系统30、执行系统40、安全保障系统50和复合通信系统60；其中，感知系统10包括：雷达、激光雷达、近红外雷达、光电追踪、CCTV、设备传感器和应力传感器等；执行系统40包括：动力装置、电力设备、锚系泊设备、推进装置、转向机构、装卸货设备等。

安全保障系统50可以集成全船的对内消防等物理保障系统和防火墙等信息保障系统。安全保障系统50可以基于船舶发生火灾、搁浅、碰撞、网络攻击、人员入侵等应急事态制定相应的安全保障策略，通过危险识别，形成切实保障人员和船舶安全的应急响应方案，并将具体实施分布到各执行机构，实现全船的统一管控。

进一步，在船基外，该系统架构还包含岸基控制系统。岸基控制系统可以通过复合通信系统60实现船与船之间、船与岸之间的通信，建立船岸一体化的协同控制模式。通过岸基管控中心，可以实现船舶端“集成平台+数据中心”与岸基中心的对接，将船舶的状态信息发送到岸基控制中心，以便于岸基操控人员能够实时了解船舶状态；并通过岸基中心配合全船的安全保障系统开展船舶的自主应急管控，确保在应急事态下在船人员与船舶安全的妥善处置，以及防止次生灾害的发生，在极端情况下通过岸基的远程遥控接管船舶的控制权。

上述船舶的系统架构中的感知系统、决策系统、控制系统和执行系统，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，在此不再赘述，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明实施例提供的上述船舶的系统构架运用人工智能、机器视觉等先进的计算机技术，实现智能船舶集中式控制与分布式控制相结合的控制体系；同时，该系统具备完备的安全保障机制，对硬件系统及软件系统进行综合保护，并且可以通过通信系统实现外部通信，是一个高度集中，深度融合的综合系统，可以满足无人化、自主化的作业需求。

进一步，本发明实施例还提供了一种智能船舶，参见图3所示的一种智能船舶的结构示意图，示意出该智能船舶300包括船舶的系统架构100。

本发明提供的智能船舶可以是智能化达到3级(即有自主条件)及以上的船舶。智能船舶是搭载了先进的传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现船与船、船与岸基、船与码头、船与云端等智能信息交互、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协调控制等功能，可实现安全、高效、经济运行，并最终可实现替代人来操作的新一代船舶。

智能船舶的关键在于由机器替代人来完成不同运行工况下的任务，而要使机器能够替代人，常规船舶的分散的功能系统是无法完成的。智能船舶需要一个高度集中，深度融合的综合系统，来满足无人化、自主化的作业需求。而本发明实施例提供的智能船舶包括的船舶的系统架构通过对常规船舶进行解耦，按照感知、决策、控制、执行进行重构，是一个多传感器融合，通过综合决策，生成控制指令，传达至执行机构的智能系统构架，更适用于智能船舶的设计与使用，体现出智能船舶的跨代特征。

对于前述实施例提供的智能船舶，为例更好的理解其自主控制的过程，本发明实施例还提供了一种船舶的系统架构的实现方法，参见图4所示的一种智能船舶的自主控制方法的流程示意图，该方法可以由智能船舶执行，主要包括以下步骤S401至步骤S404：

步骤S401：通过感知系统采集信息，并将信息进行预处理后存入数据库中。

在一种具体应用中，智能船舶可以通过感知系统中的设备，实时采集所需信息，这些信息包括外界环境信息(诸如风、浪、流、水深等)，附近船只信息(诸如船位、航向、航速等)，港口码头信息(诸如距离、泊位等)以及自身状态信息(诸如设备是否运行正常、零部件是否老化、稳态、浮态、油耗等)等。采集的信息通过数据预处理后存入数据库，供决策系统和控制系统随时调用。

步骤S402：通过决策系统将预处理后的信息通过预设的控制算法，确定决策结果。

具体的，对上述感知系统采集处理的大数据，可以通过诸如航行避障分析、航路规划分析、态势分析、动态预测、货物配载分析、能效优化分析等预设的控制算法，做出诸如自主航行、自主靠离泊、自主任务等智能决策。

步骤S403：根据决策结果，通过综合管控系统制定协同控制策略，通过预设的控制模型和算法确定协同控制策略对应的控制指令，并将控制指令发送至相应的执行设备。

步骤S404：通过执行设备执行控制指令。

其中，设备执行包括诸如动力装置、电力设备、推进装置、转向机构等。

为了更好的理解，以自主航行功能为例对上述系统架构的实现方法进行详细描述：利用船载声、光、电、磁的态势感知信息，构建航行环境数据库和航行决策模型；自主航行策略针对船舶航行环境的复杂特点，分析、预测周围船舶的行为意图，结合驾驶员的思维过程和船舶驾驶行为意图，开展船舶驾驶行为及意图的自主航行避碰，根据船舶碰撞危险综合评判模型，制定避碰航行路线，计算出合理变速和转向避碰行动。根据航向与航速协同控制要求，对转向和推进同时进行自适应控制，保障船舶航迹精确控制，达到安全、环保航行的目的。结合船岸配套系统，实现对船舶监管及特殊工况下的远程遥控。

本发明实施例所提供的智能船舶，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，智能船舶实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明实施例提供对上述智能船舶，能够按照感知系统、决策系统、控制系统和执行系统进行系统架构，感知系统能够采集所需的信息并进行预处理，将预处理后的信息发送至决策系统；决策系统根据接收到的预处理后的信息，通过预设的控制算法确定决策结果，并将决策结果发送至控制系统；控制系统向执行系统发送与决策结果对应的控制指令；最后由执行系统执行接收到的控制指令。上述实施例提供的系统架构，通过将全船系统按照感知、决策、控制和执行进行架构，并通过环境感知、综合决策，生成控制指令，传达至执行系统由相应的执行设备执行，从而提高了船舶系统架构的集成度，实现了对全船的综合管控。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种船舶的系统架构，其特征在于，包括：感知系统、决策系统、控制系统和执行系统，每个系统按照功能由不同的设备执行；

所述感知系统用于将感知的信息进行预处理，以及将预处理后的信息发送至所述决策系统；

所述决策系统用于根据所述预处理后的信息通过预设的控制算法确定决策结果，以及将所述决策结果发送至所述控制系统；

所述控制系统用于向所述执行系统发送与所述决策结果对应的控制指令；

所述执行系统用于执行所述控制指令。

2.根据权利要求1所述的船舶的系统架构，其特征在于，所述感知系统至少包括：雷达系统、光电追踪系统、闭路电视CCTV系统、设备传感器、应力传感器。

3.根据权利要求1所述的船舶的系统架构，其特征在于，所述决策结果至少包括：自主航行决策、自主靠离泊决策、任务系统决策、船体性能决策。

4.根据权利要求1所述的船舶的系统架构，其特征在于，所述控制指令至少包括：航向控制指令、航速控制指令、装卸货控制指令、锚泊控制指令、系泊控制指令、作业控制指令。

5.根据权利要求1所述的船舶的系统架构，其特征在于，所述执行系统至少包括：动力装置、电力设备、锚系泊设备、推进装置、转向机构、装卸货设备。

6.根据权利要求1所述的船舶的系统架构，其特征在于，所述船舶的系统架构还包括综合管控系统；

所述综合管控系统用于协同所述决策系统确定所述决策结果，以及协同所述控制系统通过预设的协同控制模型和协同控制算法确定与所述决策结果对应的控制指令，并将所述控制指令发送至对应的所述执行系统。

7.根据权利要求1所述的船舶的系统架构，其特征在于，所述船舶的系统架构还包括：

安全保障系统，用于通过危险识别确定应急响应方案，并将所述应急响应方案发送至所述执行系统。

8.根据权利要求1所述的船舶的系统架构，其特征在于，所述船舶的系统架构还包括：

复合通信系统，用于实现船与船之间的通信，以及通过岸基控制系统实现船与岸之间的通信。

9.一种智能船舶，其特征在于，所述智能船舶包括权利要求1至8任一项所述的船舶的系统架构。

10.根据权利要求9所述的智能船舶，其特征在于，所述智能船舶的自主控制方法包括：

通过感知系统采集信息，并将所述信息进行预处理后存入数据库中；其中，所述信息至少包括：外界环境信息、附近船只信息、港口码头信息和自身状态信息；

通过决策系统将所述预处理后的信息通过预设的控制算法，确定决策结果；其中，所述预设的控制算法至少包括：航行避障分析、航路规划分析、态势分析、动态预测分析、货物配载分析、能效优化分析；

根据所述决策结果，通过综合管控系统制定协同控制策略，通过预设的控制模型和算法确定所述协同控制策略对应的控制指令，并将所述控制指令发送至相应的执行设备；

通过所述执行设备执行所述控制指令。

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