现代航运与物流安全·绿色·智能技术研究丛书：锚泊移位型工程船舶系统建模、自动控制与工程应用_黄珍著_9787562953180

　　《现代航运与物流安全·绿色·智能技术研究丛书：锚泊移位型工程船舶系统建模、自动控制与工程应用》是在多年锚泊移位型工程船舶科研实践的基础上完成的。全书共分为7章，主要内容包括锚泊移位型工程船舶的运动模型建立、工程船舶运动模型与控制器的优化设计、锚泊移位型工程船舶控制系统工程应用等。既有理论研究成果，同时也开发了软件系统，并在重庆、武汉、宜昌等多地进行了实际应用，取得了良好的应用效果。《现代航运与物流安全·绿色·智能技术研究丛书：锚泊移位型工程船舶系统建模、自动控制与工程应用》可以作为高等学校交通运输工程、控制科学与工程等教师和学生的教材，也可以作为航道管理部门的参考用书，为工程船舶管理提供技术指导与借鉴。

　　长江口深水航道治理工程中，使用了大量适应施工需求的专用工程船舶，如挖泥船、铺排船、抛石船等，这些工程船一般为非自航锚泊型船舶，而且大多数是由其他船舶改装而来，自动化作业程度普遍比较低。在目前市场经济的大背景下，拥有高自动化程度的工程船就意味着效益和成绩，因此研究工程船锚泊移位自动控制系统，对提高工程船施工作业精度、速度有较大的实际应用价值。
　　笔者在多年科学研究及工程实践应用的基础上，形成了本书。首先介绍了锚泊移位型船舶的系统建模。在已有文献研究的基础上，借鉴常规船舶模型分析方法，分析该类型船舶的运动机理和特点，提出了锚泊船二维和三维的线性运动模型。同时针对该类型船舶的特点和工程应用要求，基于神经网络辨识方法，提出了一种面向锚泊移位型工程船舶的系统辨识模型。以一类典型的锚泊移位工程船——软体铺排船为例，依托工程实践采集的实验数据对神经网络模型参数进行学习训练，得到铺排船纵向位移模型。
　　针对建模和控制的优化问题，分析了量子粒子群算法。作为QPSO算法中唯一的参数，本书从问题依赖性、种群规模等多方面对收缩扩张系数p进行了大量的实验分析，根据实验结果得到该参数选取的指导性准则。为提高收敛速度，本书提出了一种改进的QPSO算法。通过仿真实验对比分析，该改进算法的收敛速度相对于标准的QPSO算法有显著的提高。利用改进的QPSO算法对铺排船纵向位移模型参数进行了优化训练，优化后的模型作为自动控制系统设计和仿真的对象模型。基于模糊逻辑设计了工程船舶航迹保持控制系统，并利用改进的QSPO算法对模糊控制器的模糊规则和隶属函数进行了优化设计。系统仿真实验结果表明，改进的QPSO算法应用于模糊控制器的参数设计是可行和有效的，控制系统的动、静态特性指标均能满足工程实践的要求。
　　我们提出了一种基于自适应神经一模糊推理系统（ANFIS）的工程船舶自适应控制器网络结构，使控制器参数可随环境因素变化以适应不同的施工任务。采用改进的QPSO算法对自适应航迹保持控制网络的前、后件参数进行了优化设计。与基于Fuzzy的航迹保持控制器的对比仿真实验结果表明，基于ANFIS的自适应航迹保持控制器的控制效果在动、静态性能方面均有提高。我们提出了基于ANFIS的航迹航向多变量自适应控制器网络模型，网络模型采用子网络并行学习模式，利用多个粒子群对应各子网络参数，使得网络优化训练过程简单、快速。结合工程船舶施工实际状况，选取典型实例对该自适应控制系统进行了仿真实验，实验结果显示该控制网络能够满足工程船舶多目标控制要求。
　　结合实际工程项目，将基于模糊逻辑和QPSO优化算法的航迹保持控制系统应用于软体铺排船控制系统中，同时综合应用PLC控制网络技术、GPS定位技术、多传感器信息融合技术、现场总线技术等先进的技术与手段，开发研制了一套软体铺排船作业综合自动监控系统。实船应用数据充分反映了本书探讨的工程船舶锚泊移位智能控制系统的有效性，对于同类型工程船舶自动化水平的提高提供了一套切实可行的实施方案。其研究成果可推广应用到类似工程船舶的自动作业系统中，对相关领域的研究也有一定的参考价值。
　　本书是在课题组多年科研实践的基础上完成的，既有理论研究成果，同时也开发了软件系统，在重庆、武汉、宜昌等多地进行了实际应用，取得了良好的应用效果，并在中央电视台等媒体上进行过专题汇报。本书在撰写过程中得到刘清、郭建明等老师的帮助和支持，书中大量实验数据的获取，离不开长江航道局、重庆航道工程局等单位的大力支持，同时本书参考了大量的国内外文献，在此一并表示深深的谢意。本书可以作为高等学校交通运输工程、控制科学与工程等专业教师和学生的参考教材，也可以为航道管理部门对专业工程船舶进行管理提供借鉴。

　　《现代航运与物流安全·绿色·智能技术研究丛书：锚泊移位型工程船舶系统建模、自动控制与工程应用》：
　　1.1 问题的提出及研究的意义
　　近年来，随着我国大力推进资源节约型和环境友好型社会建设，对长江航道的投入逐年增加，开展了一大批航道整治工程，长江航道通过能力大幅提升。长江口深水航道整治工程于1998年1月27日正式开工，到2010年3月14日三期工程全线贯通，历时12年、耗资150多亿元打造出一条全长92.2km、水深12.5m、底宽350～400m的双向“水上高速通道”。这不仅是迄今为止中国最大的水运工程，也是世界最大的河口整治工程。多年来，我国一大批学者、专家为整治长江航道进行了不懈努力和艰苦卓绝的工作，积累了大量宝贵的工程实践经验。“十二五”期间，长江航道建设即将进入一个大规模、高标准、快速度的全新发展机遇期。未来十年，国家将投资430亿元建设长江航道，其中用于航道整治的达300亿元。
　　在长江流域修建导堤、丁坝、潜堤等整治建筑物，对现有堤坝进行护堤、护坡作业等是目前普遍应用的整治方法。配合该项工程开发了大量适应施工需求的专用工程船舶，如挖泥船、铺排船、抛石船等，这些工程船舶一般为非自航船舶，依靠锚泊系统实现移船，而且大多数是由其他船舶改装而来，自动化作业程度普遍比较低。施工作业中，船舶效能的充分发挥在很大程度上还依赖于操作人员的技能，设备利用率和生产效率都较低。船舶的移位和定位控制大都采用手动方式来实现，这要求操作者应具有相当丰富的工作经验，根据工程船舶的航向、航迹以及风、浪、流作用力的方向和大小，来协调控制各锚缆的收放长度及速度，从而实现移船和定位，这种手动控制方式不可避免地会降低移船和定位精度。
　　目前，长江航道整治工程均以工程投标的形式进行，施工作业的精度是考量工程质量的重要指标，也是整治工程成功与否的关键，而提高施工作业的速度将大大减少工程施工成本。长江沿线各航道局均在修建用于整治工程的各类工程船舶，拥有高自动化程度的工程船舶就意味着效益和成绩。因此，通过研究锚泊移位型工程船舶自动控制系统来提高工程船舶施工作业精度、速度，有较高的实际应用价值。
　　传统意义的船舶操纵系统是按照预先设定的最佳航行计划，控制船舶航行在预定航线上，同时实现避碰、避险的指令执行系统。
　　船舶根据是否有自航能力分为舵类船舶（带动力自航能力）及锚泊移位型船舶（非自航能力）。对于舵类船舶而言，船舶操纵性是指船舶借助舵保持或改变其航向和航迹的性能及借助于主机一螺旋桨保持或改变航速的性能。而对于非自航的船舶而言，其操纵性表现在对多个锚机的操纵，在工作时通过协调控制多个锚机的收、放缆动作和速度，保持或改变其航向和航迹。
　　针对舵类自航船舶的研究，，包括其运动数学模型、“智能舵”的设计研究，经多年的发展已越来越趋于成熟。近几年来随着智能控制技术的发展，先进的智能控制技术在船舶操纵控制系统中得到大量应用。对于工程船舶而言，它们没有自航能力，依靠锚泊进行定位和移动，因此应用于自航船舶的成熟的智能控制器不适用于该类型船舶。对于该类型船舶的相关研究在国内外也相对较少。
　　市场需求的迫切与研究成果的缺乏形成冲突，《现代航运与物流安全·绿色·智能技术研究丛书：锚泊移位型工程船舶系统建模、自动控制与工程应用》正是在这样的背景下，以长江中下流航道治理工程中的锚泊移位型工程船舶为研究对象，研究其系统建模方法、控制策略以及自动控制系统构成，将智能控制技术应用到工程实践中。其研究成果可推广应用到类似工程船舶的自动作业系统中，对相关领域的研究也有一定的参考价值。因此，《现代航运与物流安全·绿色·智能技术研究丛书：锚泊移位型工程船舶系统建模、自动控制与工程应用》的研究工作具有理论研究意义和工程实践意义。
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