本發(fā)明涉及一種船體航行控制方法、裝置及系統(tǒng)，屬于船體航行控制。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)船舶以載人、載物為目的，通常由船員控制船舶航行，但隨著需求的不斷增加，其應(yīng)用場景也在不斷豐富，已經(jīng)不局限于載人和載物，還包括測量、勘探、遠程救援、物資投送以及在國防方面的應(yīng)用，其航行水域也不一定是熟悉水域，更多的是面對未知水域、極端氣象條件以及長時間續(xù)航等問題，這種情況下已經(jīng)不適合船員駕駛船舶，船舶無人航控在此背景下應(yīng)運而生。

2、船舶無人航控為船舶應(yīng)用的新領(lǐng)域指明了方向。無人航控的關(guān)鍵在于能夠自動進行路徑規(guī)劃，并且船舶能夠按照規(guī)劃航跡準確航行。但目前可以進航線的自動規(guī)劃，對于簡單航跡可以較好執(zhí)行，一旦涉及復(fù)雜航跡和惡劣氣象條件，船舶實際航跡會與規(guī)劃航跡之間產(chǎn)生較大偏差，其原因在執(zhí)行規(guī)劃航跡過程中，船舶通常的各種狀態(tài)信息進行實時采集，并根據(jù)當前采集信息與規(guī)劃航跡之間的偏差進行實時修正，但船舶航行過程中受慣性作用影響，其實時響應(yīng)能力較差，因此即使發(fā)現(xiàn)與規(guī)劃航跡產(chǎn)生偏差，并進行修正，也很難立即完成偏差修正，修正過程中也會帶入其他偏差，最終導(dǎo)致規(guī)劃航跡與實際航跡之前產(chǎn)生較大偏差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種船體航行控制方法、裝置及系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的航跡誤差大的問題。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種船體航行控制方法，包括：

4、獲取船體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和動力數(shù)據(jù)，以及船體航行環(huán)境中的氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)；

5、將獲取到的所有數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的船體運動控制模型中，得到船體的航行控制參數(shù)；

6、根據(jù)所述航行控制參數(shù)對船體進行航行控制；

7、所述船體運動控制模型是將船舶的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和動力數(shù)據(jù)以及船舶航行環(huán)境中的氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)作為自變量，將船體的航行控制參數(shù)作為因變量，從而構(gòu)建得到的深度學(xué)習(xí)模型。

8、進一步的，所述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括船體結(jié)構(gòu)形式、船體長度、船體寬度和線形特征，所述動力數(shù)據(jù)包括動力控制數(shù)據(jù)、舵角控制數(shù)據(jù)和船體重量，所述氣象數(shù)據(jù)包括環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境風(fēng)向和環(huán)境溫度，所述水文數(shù)據(jù)包括海況數(shù)據(jù)、水深、水流速和水流向；

9、所述航行控制參數(shù)包括主機轉(zhuǎn)速和舵角值。

10、進一步的，所述船體運動控制模型通過以下方法進行訓(xùn)練：

11、獲取歷史時間下的所述自變量作為訓(xùn)練參數(shù)，將所述訓(xùn)練參數(shù)轉(zhuǎn)化為多維數(shù)組后作為所述船體運動控制模型的輸入，以船體的實際航跡和規(guī)劃航跡之間的差值作為懲罰函數(shù)，對所述船體運動控制模型進行訓(xùn)練。

12、進一步的，當所述自變量出現(xiàn)更新時，將更新后的所述自變量作為新的訓(xùn)練參數(shù)，對所述船體運動控制模型重新進行訓(xùn)練。

13、進一步的，所述船體運動控制模型是全連接結(jié)構(gòu)，設(shè)有多層全連接層，每層全連接層設(shè)置多個節(jié)點，輸出節(jié)點為2個，2個輸出節(jié)點分別對應(yīng)輸出主機轉(zhuǎn)速和舵角值。

14、第二方面，本發(fā)明提供了一種船體航行控制裝置，包括：

15、數(shù)據(jù)獲取模塊，被配置為：獲取船體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和動力數(shù)據(jù)，以及船體航行環(huán)境中的氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)；

16、航行控制參數(shù)計算模塊，被配置為：將獲取到的所有數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的船體運動控制模型中，得到船體的航行控制參數(shù)；

17、航行控制模塊，被配置為：根據(jù)所述航行控制參數(shù)對船體進行航行控制；

18、其中，所述船體運動控制模型是將船舶的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和動力數(shù)據(jù)以及船舶航行環(huán)境中的氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)作為自變量，將船體的航行控制參數(shù)作為因變量，從而構(gòu)建得到的深度學(xué)習(xí)模型。

19、第三方面，本發(fā)明提供了一種船體航行控制系統(tǒng)，包括可視化數(shù)字孿生平臺、數(shù)據(jù)存儲管理單元和船體航行控制單元，所述船體航行控制單元用于執(zhí)行第一方面中任一項所述方法；

20、所述可視化數(shù)字孿生平臺上構(gòu)建有船體的三維孿生模型，搭建有三維水域?qū)\生場景和三維空間孿生場景，構(gòu)建有船體的運動控制接口，所述船體的三維孿生模型置于所述三維水域?qū)\生場景中，所述三維水域?qū)\生場景內(nèi)設(shè)有所述水文數(shù)據(jù)以模擬出船體航行環(huán)境中的水文特征，所述三維空間孿生場景內(nèi)設(shè)有所述氣象數(shù)據(jù)以模擬出船體航行環(huán)境中的氣象特征；

21、所述運動控制接口包括受所述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)影響的第一控制接口、受所述動力數(shù)據(jù)影響的第二控制接口、受所述氣象數(shù)據(jù)影響的第三控制接口和受所述水文數(shù)據(jù)影響的第四控制接口；

22、所述數(shù)據(jù)存儲管理單元分別連接所述可視化數(shù)字孿生平臺和所述船體航行控制單元，用于存儲船體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和動力數(shù)據(jù)，以及船體航行環(huán)境中的氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)；

23、通過第一控制接口、第二控制接口、第三控制接口和第四控制接口共同在所述三維水域?qū)\生場景中對船體的三維孿生模型進行可視化孿生船體航行控制，在此過程中所需的航行控制參數(shù)通過所述船體航行控制單元獲得，根據(jù)所述可視化孿生船體航行控制的結(jié)果對現(xiàn)實場景中的船體進行航行控制。

24、進一步的，還包括外部數(shù)據(jù)采集裝置，和所述可視化數(shù)字孿生平臺之間通信連接，所述可視化數(shù)字孿生平臺能夠從所述外部數(shù)據(jù)采集裝置中直接獲取數(shù)據(jù)進行三維孿生場景的構(gòu)建。

25、進一步的，所述船體的三維孿生模型是利用船體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和動力數(shù)據(jù)進行構(gòu)建的。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達到的有益效果是：

27、本發(fā)明提供的一種船體航行控制方法、裝置及系統(tǒng)，除了考慮船體自身結(jié)構(gòu)對運動的影響外，還將環(huán)境因素納入考慮范圍，加入了氣象條件和水文條件對船體運動的影響，使得對船體的控制更加精準，降低船體航行過程的航跡誤差；

28、通過搭建數(shù)字孿生可視化平臺，建立三維場景，置入孿生的船體三維模型，搭建船舶的運動控制接口，實現(xiàn)三維場景中船舶航行的全過程可視化過程；

29、對船體運動控制模型的訓(xùn)練，以及后續(xù)使用過程中隨著實際航行數(shù)據(jù)的不斷累積，可以一直對該模型進行迭代優(yōu)化，不斷對其準確性進行優(yōu)化；

30、通過先在三維孿生場景中進行模擬（可視化孿生船體航行控制）的方式，實現(xiàn)預(yù)測航跡，然后在現(xiàn)實場景中對可視化孿生船體航行控制過程中產(chǎn)生的航跡誤差進行補償，這樣預(yù)測加補償?shù)姆绞?，最大限度的確保了船舶在實際航行過程中能夠按規(guī)劃航跡準確航行。

技術(shù)特征：

1.一種船體航行控制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船體航行控制方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括船體結(jié)構(gòu)形式、船體長度、船體寬度和線形特征，所述動力數(shù)據(jù)包括動力控制數(shù)據(jù)、舵角控制數(shù)據(jù)和船體重量，所述氣象數(shù)據(jù)包括環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境風(fēng)向和環(huán)境溫度，所述水文數(shù)據(jù)包括海況數(shù)據(jù)、水深、水流速和水流向；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船體航行控制方法，其特征在于，所述船體運動控制模型通過以下方法進行訓(xùn)練：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船體航行控制方法，其特征在于，當所述自變量出現(xiàn)更新時，將更新后的所述自變量作為新的訓(xùn)練參數(shù)，對所述船體運動控制模型重新進行訓(xùn)練。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船體航行控制方法，其特征在于，所述船體運動控制模型是全連接結(jié)構(gòu)，設(shè)有多層全連接層，每層全連接層設(shè)置多個節(jié)點，輸出節(jié)點為2個，2個輸出節(jié)點分別對應(yīng)輸出主機轉(zhuǎn)速和舵角值。

6.一種船體航行控制裝置，其特征在于，包括：

7.一種船體航行控制系統(tǒng)，其特征在于，包括可視化數(shù)字孿生平臺、數(shù)據(jù)存儲管理單元和船體航行控制單元，所述船體航行控制單元用于執(zhí)行權(quán)利要求1至5中任一項所述方法；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的船體航行控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括外部數(shù)據(jù)采集裝置，和所述可視化數(shù)字孿生平臺之間通信連接，所述可視化數(shù)字孿生平臺能夠從所述外部數(shù)據(jù)采集裝置中直接獲取數(shù)據(jù)進行三維孿生場景的構(gòu)建。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的船體航行控制系統(tǒng)，其特征在于，所述船體的三維孿生模型是利用船體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和動力數(shù)據(jù)進行構(gòu)建的。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種船體航行控制方法、裝置及系統(tǒng)，屬于船體航行控制技術(shù)領(lǐng)域，方法包括獲取船體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和動力數(shù)據(jù)，以及船體航行環(huán)境中的氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)；將獲取到的所有數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的船體運動控制模型中，得到船體的航行控制參數(shù)；根據(jù)航行控制參數(shù)對船體進行航行控制；本發(fā)明除了考慮船體自身結(jié)構(gòu)對運動的影響外，還將環(huán)境因素納入考慮范圍，加入了氣象條件和水文條件對船體運動的影響，使得對船體的控制更加精準，降低船體航行過程的航跡誤差；通過可視化數(shù)字孿生平臺的引入，采用預(yù)測加補償?shù)姆绞阶畲笙薅鹊拇_保了船舶在實際航行過程中能夠按規(guī)劃航跡準確航行。

技術(shù)研發(fā)人員：孫宏宇,高青松,高踔,王樹烽
受保護的技術(shù)使用者：南京長峰航天電子科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28