CN113009909A - 船岸协同单船自主靠系泊系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船岸协同单船自主靠系泊系统及其控制方法，涉及无人船舶技术，该方法包括：船端监测及控制系统，以及岸基设备端监测及控制系统；所述船端监测及控制系统包括本船及他船状态感知模块、航行环境感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块、专家系统判断模块以及船端服务器模块；所述岸基设备端监测及控制系统包括岸基设备端服务器模块、设备状态感知模块、系泊船状态感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块，以及专家系统判断模块。本发明建立了自主靠泊船只与航经船只、码头泊位之间的联系，为三者之间的协调运行与信息补充及更正提供了操作平台，为靠泊船只及泊位提供了安全保障。

Description

船岸协同单船自主靠系泊系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能船舶技术，尤其是一种船岸协同单船自主靠系泊系统及其控制方法。

背景技术

综合船舶驱动能力、人-船-岸安全因素以及经济因素，当前法规及码头规范中允许船长在120米以下的中小型非危险品船如集装箱船、滚装船、散货船、客等无需申请领航，依靠本船能力完成自引自靠及系泊作业。据统计，中小型船舶的整个靠泊、系泊过程需要的时间平均为45分钟，在泊位环境、气象水文条件较差时，整个过程持续的时间将会更长。此外，在靠泊时，由于主机不停止工作，螺旋桨不断旋转，长此以往，很可能导致河床土壤松动，增加泊位基底损坏的风险，一方面带来极高的安全隐患，另一方面，在对泊位进行维护时，由于码头或泊位不能用于船舶停靠，也将为码头公司带来巨大的经济损失。

在安全保障方面，传统的缆绳系泊方式下，运送系缆绳以及稳固系缆绳的工作人员处于船只与码头/岸基设备之间，这存在很大的安全隐患。此外，对于系泊的小型船只，当周围系泊的大型船只突然启动主机的时候，这些小船可能会发生碰撞/挤压事故，与此同时，系缆小船的缆绳可能会突然绷断，强大的反作用力可能会对在场的工作人员造成严重的伤害。

花费分配方面，船舶自主靠/系泊时产生的费用主要分配在岸端系缆工作人员聘用，运送系缆绳小型船舶租赁，主机常开状态下燃料消耗等方面。

随着科学技术的发展，新型的船舶驱动方式的出现有效地提高了船舶的操纵性及稳定性，自动化、无人驾驶、无人化控制技术的发展促成了无人船、智能船、无缆系泊装置、智能码头的出现，有效保证了船舶靠系泊过程的安全性及经济型，物联网技术有效保证了信息传递的及时性及准确性。

但这些技术当前均以单一个体为对象，而船舶的靠系泊过程一个复杂的多对象参与的过程，是靠系船舶、航经船舶、码头之间不断交互的过程，建立一个智能船自主靠系泊船岸协同一体化系统既是技术发展的趋势，也是以绿色、安全、快速、经济为目标的新一代水路交通系统的必要发展需求。

发明内容

为解决上述技术问题的至少之一，本发明的目的在于：提供一种高效的船岸协同单船自主靠系泊系统及其控制方法。

第一方面，本发明实施例提供了：

一种船岸协同单船自主靠系泊系统，包括：船端监测及控制系统，以及岸基设备端监测及控制系统；

所述船端监测及控制系统通过卫星通信或无线网络的方式分别与航经船只、岸基设备端及交管中心之间的信息交互及对本船的控制；所述岸基设备端监测及控制系统通过卫星通信或无线网络的形式分别实现与系泊船、岸基控制中心之间的信息交互及设备的控制；

所述船端监测及控制系统包括本船及他船状态感知模块、航行环境感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块、专家系统判断模块以及船端服务器模块；所述岸基设备端监测及控制系统包括岸基设备端服务器模块、设备状态感知模块、系泊船状态感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块，以及专家系统判断模块；

所述船端监测及控制系统和所述岸基设备监测及控制系统根据采集到的信息协同控制船舶完成靠系泊作业。

在部分实施例中，所述本船及他船状态感知模块包括传感器模块及导航模块，传感器模块用于对执行操作过程中本船及他船的航行状态进行监测。

在部分实施例中，所述传感器模块包括惯性导航仪、螺旋桨/侧推器转速传感器、舵角传感器、流速流向传感器、超声波探测器、温度传感器系统和电流/电压传感器。

在部分实施例中，导航模块用于对执行靠泊过程的目标位置及周围障碍物及航经船只进行标定，包括船舶自动识别系统AIS、电子海图ECDIS以及雷达/自动雷达标绘仪ARPA。

在部分实施例中，所述惯性导航仪用于对需要执行靠系泊任务的本船的速度、加速度、航向、姿态角、姿态角速度、角加速度、航行距离进行测量。

在部分实施例中，所述螺旋桨/侧推器转速传感器用于对本船螺旋桨和侧推器转速进行测量，所述流速流向传感器对螺旋桨和侧推器处伴流的流速和流向进行测量，以得到螺旋桨和侧推器旋转提供的推力。

在部分实施例中，所述舵角传感器用于对船舵转过的角度及方向进行测量，所述流速流向传感器用于对船舵处伴流的流速和流向进行测量，以得到船舵提供的横向力及转艏力矩。

在部分实施例中，所述超声波探测器用于对周围障碍物、航经的船只、距离泊位距离等进行探测。

在部分实施例中，温度传感器对主机、舵机等处的温度进行监测，所述电流/电压传感器对整个系统的电流/电压强度进行监测。

第二方面，本发明实施例提供了：

一种船岸协同单船自主靠系泊系统的控制方法，包括以下步骤：

获取所述船端监测及控制系统和所述岸基设备监测及控制系统中各模块采集的信息；

根据所述信息控制船舶完成靠系泊。

本发明实施例的有益效果是：建立了自主靠泊船只与航经船只、码头泊位之间的联系，为三者之间的协调运行与信息补充及更正提供了操作平台，为靠泊船只及泊位提供了安全保障；实现了自主靠泊船只与码头泊位及系泊设备之间的信息交互，能够达到促进绿色码头建设、提高船只靠系效率、降低运营成本的目的。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的系统模块框图；

图2为根据本发明实施例提供的船舶靠岸的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

为弥补现有技术的不足，本发明针对船长小于120米、能够进行自力靠泊的智能货船，提供一种智能货船自主靠/系泊船岸协同一体化系统，结合无人驾驶、无缆系泊及物联网技术，增强智能船靠泊系泊时与周围航经船舶、码头泊位系泊设备之间的交互，以达到新一代水路交通系统绿色、安全、快速、经济的发展目标。

参照图1本实施例公开了一种船岸协同单船自主靠系泊系统，包括：船端监测及控制系统，以及岸基设备端监测及控制系统；

所述船端监测及控制系统通过卫星通信或无线网络的方式分别与航经船只、岸基设备端及交管中心之间的信息交互及对本船的控制；所述岸基设备端监测及控制系统通过卫星通信或无线网络的形式分别实现与系泊船、岸基控制中心之间的信息交互及设备的控制；

所述船端监测及控制系统包括本船及他船状态感知模块、航行环境感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块、专家系统判断模块以及船端服务器模块；所述岸基设备端监测及控制系统包括岸基设备端服务器模块、设备状态感知模块、系泊船状态感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块，以及专家系统判断模块；

所述船端监测及控制系统和所述岸基设备监测及控制系统根据采集到的信息协同控制船舶完成靠系泊作业。可以理解的是，所述船端监测及控制系统和所述岸基设备监测及控制系统通过相互交换、整合及比对各自模块采集的信息，并将采集到的信息输入到决策模型中实施船舶的控制。其中，决策模型可以部署在船端监测及控制系统或者岸基设备监测及控制系统中。

本发明建立了自主靠泊船只与航经船只、码头泊位之间的联系，为三者之间的协调运行与信息补充及更正提供了操作平台，为靠泊船只及泊位提供了安全保障；实现了自主靠泊船只与码头泊位及系泊设备之间的信息交互，能够达到促进绿色码头建设、提高船只靠系效率、降低运营成本的目的；提供了一种智能船舶的自主安全靠泊航行与岸端新型智能系泊系统协同操作的思路，能够达到促进新一代水路交通系统的发展。

本实施例公开了一种智能货船自主靠/系泊船岸协同一体化系统，如图1和图2所示。船端监测及控制系统，岸基设备端监测及控制系统。船端监测及控制系统通过卫星通信或无线网络的方式分别与航经船只、岸基设备端及交管中心之间的信息交互及对本船的控制；岸基设备端监测及控制系统通过卫星通信或无线网络的形式分别实现与系泊船、岸基控制中心之间的信息交互及设备的控制。

船端监测及控制系统包括本船及他船状态感知模块、航行环境感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块、专家系统判断模块以及船端服务器模块。岸基设备端监测及控制系统包括岸基设备端服务器模块、设备状态感知模块、系泊船状态感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块，以及专家系统判断模块。

本船及他船状态感知模块包括传感器模块及导航模块。传感器模块主要对执行操作过程中本船及他船的航行状态进行监测，包括惯性导航仪、螺旋桨转速传感器、舵角传感器、流速流向传感器、超声波探测器、温度传感器、系统电流/电压传感器；导航模块主要对执行靠泊过程的目标位置及周围障碍物及航经船只进行标定，包括船舶自动识别系统AIS、电子海图ECDIS、雷达/自动雷达标绘仪ARPA。惯性导航仪对需要执行靠系泊任务的本船的速度、加速度、航向、姿态角(纵倾角、横倾角、艏向角)，姿态角速度、角加速度、航行距离进行测量；螺旋桨/侧推器转速传感器对本船螺旋桨转速进行精确测量，流速流向传感器对螺旋桨/侧推器处伴流的流速和流向进行测量，以准确得到螺旋桨/侧推器旋转提供的推力；舵角传感器对船舵转过的角度及方向进行测量，流速流向传感器对船舵处伴流的流速和流向进行测量，以准确得到船舵提供的横向力及转艏力矩；超声波探测器对周围障碍物、航经的船只、距离泊位距离等进行探测；为实时掌握设备工作状态，温度传感器对主机、舵机等处的温度进行监测，系统电流/电压传感器对整个系统的电流/电压强度进行监测。

航行环境感知模块主要对本船执行靠系作业时外界的水文、气象条件，包含温度传感器、风速风向传感器、流速流向传感器及潮汐传感器。

处理及通信模块一方面对本船及他船状态感知模块、航行环境感知模块采集的数据进行比对与处理，对不同模块之间缺失的数据进行补充，例如对于某些小型船舶，其数据未能在ECDIS中显示，但由超声波探测器监测到，信息处理模块将该小型船舶的位置、速度信息整合补充至ECDIS中；另一方面，将补充的数据通过卫星通信或无线网络的方式传输至岸端交管中心，再由交管中心统一发布至区域内各船舶。

显示及预警模块主要经由处理及通信模块对补充后的本船及他船状态信息、航行环境信息进行显示，若出现船距过近、船速过快、气象变化、主机或舵温度过高、系统电流/电压过高等问题，则会进行警报。

运动控制模块主要对船舶驶靠速度、抵泊横距、靠拢角度及靠拢速度进行控制，包含主机控制器、舵机控制器、侧推控制器，结合操纵运动模型，根据得到的处理后的本船速度、船位、推力、舵力等数据对船舶的运动状态进行修正。

专家系统判断模块主要对进行靠泊作业的本船的运动状态是否符合进入“靠岸区”的条件进行判断，若不符合，则将此时的数据传输至船端服务器进行记录，然后重复感知-控制-判断的步骤，直至符合进入“靠岸区”条件，再将符合驶入条件的船舶运动数据传输至岸基设备端服务器。

服务器模块包括船端服务器模块以及岸基设备端服务器模块，船端服务器模块主要负责记录船舶靠系泊过程中作业船舶的驶靠/靠拢速度、艏向角、靠拢角、水文气象条件、螺旋桨/侧推器转速、舵角等数据，积累船舶在靠系过程中的操纵运动状态及环境变化，进而优化以低速、大漂角、受外界扰动明显为特点的船舶自主靠系泊操纵运动模型；岸基设备端服务器模块主要负责记录上述包含驶靠/靠拢速度、艏向角、靠拢角、系泊状态下的纵荡、横荡、升沉、横倾、纵倾、偏转角在内的系泊船状态，系泊设备力臂的力/力矩、电流/电压、位移、角度等数据，积累靠系船舶的运动姿态变化、环境变化、系泊设备受力/姿态变化等数据，进而协助构建该区域内基于船岸协同的船舶自动靠系作业模型。

岸基设备端设备状态感知模块包括力/力矩传感器、电流/电压传感器、位移传感器、角度传感器。对系泊设备受力/力矩，电流/电压、力臂位移、力臂关节角进行监测。

岸基设备端系泊船状态感知模块包括超声波探测器、位移传感器、角度传感器。主要对系泊船距离泊位距离，升沉、纵荡、横荡位移，横倾、纵倾、偏转角角度进行监测。

处理及通信模块一方面对设备状态感知模块、系泊船状态感知模块采集的数据进行处理，另一方面将处理后的数据通过卫星通信或无线网络的方式传输至岸端控制中心，以告知进行系泊工作，并进行相应装卸、运输、应急措施。其中，处理及通信模块与显示及预警模块集成在一起，主要实现数据的传输、显示及预警功能。处理及通信模块一方面将状态感知模块中传感器采集的力/力矩、电流/电压、位移、角度、距离、速度、加速度等时变数据进行整合与处理，具体地，根据传统船舶进行靠泊、系泊作业时目标船的速度/加速度、角度/角加速度、距离、系缆设备的力/力矩、电流/电压、位移、关节角等特征值设定安全阈值，根据时变数据生成时间-状态曲线；另一方面将整合后的数据通过卫星通信或无线网络的方式传输至岸端控制中心，以告知其准备进行系泊工作，并进行相应的装卸、运输、应急等任务的准备。

显示及预警模块主要对整合后的数据进行显示及预警，具体地，将整合与处理得到的数据以“阈值-时变曲线-数值”的形式表征设备状态、系泊船状态，若出现设备受力过大、电流/电压剧烈变化、力臂位移及力臂关节角接近或超过安全阈值、系泊船位移过大、偏转角度过大等问题，系统将进行警报。

显示及预警模块主要经由处理及通信模块处理后的设备状态信息、系泊船状态信息进行显示，若出现设备受力过大、电流/电压剧烈变化、力臂位移及力臂关节角接近或超过安全阈值、系泊船位移过大、偏转角度过大等问题，则会进行警报。

运动控制模块包括位移控制器、角度控制器、电流/电压控制器，结合设备状态感知模块及系泊船状态感知模块对无缆系泊设备机械臂的位移、关节角、设备吸附力/力矩(通过改变电流/电压强度改变设备吸附力/力矩)进行控制，当船舶运动没有超过力臂位移/关节角的安全阈值时做随动运动，超过安全阈值时则通过增强电流/电压的方式进行强制控制。

专家系统判断模块对是否“完成基本系泊作业”进行判断，若判断未完成，则将当前数据传输至岸基设备端服务器，然后重复感知-控制-判断的步骤，直至符合“完成基本系泊作业”。至此，本船的系泊作业已完成。为确保在靠系过程中本船、泊位、设备的安全，以及装卸、运输工作的顺利进行，系统将继续重复感知-控制-判断的操作，直至船舶接收到离泊指令，准备进行离泊工作。

一种船岸协同单船自主靠系泊系统的控制方法，包括以下步骤：

获取所述船端监测及控制系统和所述岸基设备监测及控制系统中各模块采集的信息；

对所述船端监测及控制系统和所述岸基设备监测及控制系统中各模块采集的信息进行交换、整合及比对；

根据所述处理后的信息控制船舶完成靠系泊作业。

对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种船岸协同单船自主靠系泊系统，其特征在于，包括：船端监测及控制系统，以及岸基设备端监测及控制系统；

所述船端监测及控制系统通过卫星通信或无线网络的方式分别与航经船只、岸基设备端及交管中心之间的信息交互及对本船的控制；所述岸基设备端监测及控制系统通过卫星通信或无线网络的形式分别实现与系泊船、岸基控制中心之间的信息交互及设备的控制；

所述船端监测及控制系统包括本船及他船状态感知模块、航行环境感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块、专家系统判断模块以及船端服务器模块；所述岸基设备端监测及控制系统包括岸基设备端服务器模块、设备状态感知模块、系泊船状态感知模块、处理及通信模块、显示及预警模块、运动控制模块，以及专家系统判断模块；

所述船端监测及控制系统和所述岸基设备监测及控制系统根据采集到的信息协同控制船舶完成靠系泊作业。

2.根据权利要求1所述的船岸协同单船自主靠系泊系统，其特征在于，所述本船及他船状态感知模块包括传感器模块及导航模块，传感器模块用于对执行操作过程中本船及他船的航行状态进行监测。

3.根据权利要求2所述的船岸协同单船自主靠系泊系统，其特征在于，所述传感器模块包括惯性导航仪、螺旋桨/侧推器转速传感器、舵角传感器、流速流向传感器、超声波探测器、温度传感器系统和电流/电压传感器。

4.根据权利要求3所述的船岸协同单船自主靠系泊系统，其特征在于，导航模块用于对执行靠泊过程的目标位置及周围障碍物及航经船只进行标定，包括船舶自动识别系统AIS、电子海图ECDIS以及雷达/自动雷达标绘仪ARPA。

5.根据权利要求4所述的船岸协同单船自主靠系泊系统，其特征在于，所述惯性导航仪用于对需要执行靠系泊任务的本船的速度、加速度、航向、姿态角、姿态角速度、角加速度、航行距离进行测量。

6.根据权利要求5所述的船岸协同单船自主靠系泊系统，其特征在于，所述螺旋桨/侧推器转速传感器用于对本船螺旋桨和侧推器转速进行测量，所述流速流向传感器对螺旋桨和侧推器处伴流的流速和流向进行测量，以得到螺旋桨和侧推器旋转提供的推力。

7.根据权利要求6所述的船岸协同单船自主靠系泊系统，其特征在于，所述舵角传感器用于对船舵转过的角度及方向进行测量，所述流速流向传感器用于对船舵处伴流的流速和流向进行测量，以得到船舵提供的横向力及转艏力矩。

8.根据权利要求7所述的船岸协同单船自主靠系泊系统，其特征在于，所述超声波探测器用于对周围障碍物、航经的船只、距离泊位距离等进行探测。

9.根据权利要求8所述的船岸协同单船自主靠系泊系统，其特征在于，温度传感器对主机、舵机等处的温度进行监测，所述电流/电压传感器对整个系统的电流/电压强度进行监测。

10.一种如权利要求1所述的船岸协同单船自主靠系泊系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取所述船端监测及控制系统和所述岸基设备监测及控制系统中各模块采集的信息；

对所述船端监测及控制系统和所述岸基设备监测及控制系统中各模块采集的信息进行交换、整合及比对；

根据所述处理后的信息控制船舶完成靠系泊作业。

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