船舶协同自动驾驶系统简介，以港口拖轮为例--荷兰代尔夫特理工大学教授PPT解析
由武汉理工大学、国家水运安全工程技术研究中心、智能航运与海事安全国际科技合作基地，共同主办的“第四届海事安全与智能航运国际会议”，于2020年10月6日在武汉召开。
通过线上直播，来自10个国家的16位专家，进行了PPT展示和分享。约有7000多人通过线上方式收看了会议。
会议全程，使用英文进行展示和演讲。小编在此，对来自荷兰的内根伯恩教授的讲座--协同自动船舶系统--进行了翻译，不当之处，欢迎各位批评指正。
鲁迪·内根伯恩(Rudy Negenborn) 教授，来自荷兰代尔夫特理工大学。
鲁迪·内根伯恩(Rudy Negenborn) 教授
荷兰代尔夫特理工大学
运输工程与物流部
海事和运输技术系
Negenborn的研究方向：运输技术（包括自动驾驶船）的自动控制和协调，由此他提出了多智能体系统和模型预测控制方法，大量引入传感、计算和通信技术。在4S框架内，这已成为针对智能设备、交通枢纽、港口和（同步模式）网络的创新解决方案。
Negenborn拥有200多个同行评审的学术出版物。是《智能基础设施》，《简化分布式模型预测控制》和《水的运输与水上的运输》的编辑。
他领导NWO、欧盟和工业资助的研究，是“智能系统，控制和自动化：科学与工程”系列的编辑委员会成员。
此外，他还是第六届国际计算物流会议的主席，还担任过其他多个国际会议（包括IEEE控制会议和海事系统与物流会议）的组织委员会委员。
船舶协同自动驾驶系统简介
--鲁迪·内根伯恩
目录
1、导语
2、引入问题
3、控制方案
4、模拟结果
5、结语
（本图的高清大图，请在网站自行下载，http://negenborn.net.
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自动驾驶船舶（无人驾驶船舶）是如何工作的
自动船舶是近年的热点，引起了越来越多公司的热情和关注。虽然仍有很长的路要走，自主船舶有很大的潜力。下面我们一起来看看它的优势与挑战。
1、优势
海上船舶事故中，大约有70%是由人为因素造成的，因此自动船舶的普及，会降低船舶事故、人员财产损失和海洋污染。
以荷兰近海船舶为例，船员人力成本占据了海运总成本的40%。因此自动船舶可以代替船员工作，降低成本。
自动船舶的操作系统可以与港口码头上的集装箱船舶装卸区操作系统对接，因此桥吊和自动卡车能够按照日程，准时的进行装卸货作业，使集装箱的装卸达到最高效率。
2、船舶设计
船舶的运行不能缺少船员操作，但是正因如此，限制了船舶设计的自由。自动船舶，下一步，需要一整套完整的重新评估的设计标准和技术方案来满足新的标准。
3、智能控制系统
通过不同作用的传感器，收集到大量数据，智能控制系统可以通过完美的方法解决许多顾虑。
智能控制系统不仅可以为船舶规划理想的线路，还可以为船舶导航。而且，智能控制系统可以适应船上的动力和推进系统，来控制动力和电力的管理进程。
4、载货量
无船员的船舶，不需要配备生活供给系统，因此可以承载更多的货物。
5、安全监测
通过使用不同的故障监测和隔离系统，自动船舶可以监测出船上不同部位/部件的故障。另外，通过与智能控制系统的配合，使这种失误造成的损失，限制在最小范围之内。
6、船员短缺
到2025年，预计会出现大约15万海船船员的缺口，而自动船舶可以解决这个问题。
7、自动船舶协同
得益于分散控制算法，自动船舶能够相适应地协作，来完成任务和操作。这些船舶能够沟通和协作解决很多问题，比如安全、环保、燃油消耗、动力限制，具体针对每艘船舶不同的情况。
8、法律问题
所有的国际船舶，明示或默示的法律规定，船舶需配有一组船员和一名船长。
因此，自动船舶变为可能，需要法律框架进行改变。IMO（国际海事组织）正在进行相关法律的制定工作，这是一个长期的并且非常有挑战的过程。
9、船队后勤/控制中心
自动船舶船队的运行，可以由位于岸上的控制中心监控。这些控制中心还可以被链接到，公路、铁路和航空运输的控制和监控中心，使全链物流的绩效达到最优。
（高清大图，请在网站自行下载，http://negenborn.net.
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代尔夫特理工大学的自主船舶实验室
1、对多种船舶的适应性控制、协作和安全监测
2、实时最大化交通和物流（例如，建造、运动解决方案）
3、人工智能交互作用
4、实验性验证，使用高准确性模拟、实时数据、小规模船舶（20艘的船队）
目前正在开展的项目，请见：http://novimove.eu/
1.1 自主船舶发展历史回顾
1940年代，军工发展：
扫雷、导弹发射试验等。
1990年代，科学研究：
海洋取样、海床测绘等。
2010年代，商用/民用：
海洋溢油污染环境的恢复、协助大船停泊等。
1.2 自动拖轮的未来发展
丹麦：2017年，拖带第一艘远程操作拖轮。
英国：2025年，计划实现无人近岸船舶。
荷兰：2018年，论证演示远程控制拖轮。
阿联酋：2020年，计划发展世界上第一艘完全无人的自动商用拖轮，在阿布扎比港。
新加坡：2020年底，计划改良一艘港湾拖轮为自动船舶。
日本：2025年，计划实施自动国内航行近岸拖轮。
1.3 对船舶的水运操纵方法
1、顶推法：由数艘拖轮环绕船舶，进行顶推施力作业。
2、抽屉式拖带法：两艘拖轮在同一方向，通过漂浮缆绳牵引船舶。
3、前后拖拽法：由两艘拖轮的两条缆绳，对船舶进行拖带和转向。
图片来源：青岛港正在进行拖轮作业的船舶
1.3 三种方法各自的特点
1、需要额外的特殊设施。
2、被拖带船舶仅限于液货船或者小型船舶。
3、广泛的应用于海事实务中，特别是在动态环境中。
2.1 船舶的控制方案
图示：拖轮1（Tug 1）与拖轮2（Tug 2），正拖拽着无动力的目标船舶。
ηsi：初始位置和方向
Vsi：初始速度
ηsd：预期位置和方向
Vsd：预期速度
2.1 船舶的控制方案
拖轮2（Tug 2）的任务：增加目标船舶的速度，改变目标船舶的航向。
拖轮1（Tug 1）的任务：降低目标船舶的速度，稳定目标船舶的航向。
2.2 船舶拖带系统
（1）运动模型
如图所示，拖轮1（Tug 1）、拖轮2（Tug 2）与目标船舶的角度与距离计算。
2.2 船舶拖带系统
（1）运动模型
X1d = x - CG - BC - AB
Y1d = y + AE + ED+ DG1
ψ1d = ψ + α1
多层次、多动力控制方案
控制层
物理层
模拟试验与测试结果
模拟试验
船舶：
CyberShip 两台船尾推动器，附带两个船舵；一台船头推进器。
TitoNeri 两台船尾全回转螺旋桨；一台船头推进器。
试验的贡献
1、船舶在停泊场景中的操纵问题的解决方案
2、拖轮系统的物理和状态空间模型
3、拖轮系统的多层多控制的设计
下一步的研究内容：
1、使用比例模型船舶，进行实景模型测试；
2、对抗环境干扰的拖轮系统，对它进行坚固性分析；
3、在复杂交通环境中的拖轮系统的碰撞规避；
4、拖轮系统的参数不确定
文献资料
鲁迪·内根伯恩教授
杜哲
（本文完）
图：内根伯恩教授与团队成员在实验室
（本图的高清大图，请在网站自行下载，http://negenborn.net.