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基于拖轮自主协同的大型船舶靠泊技术研究

摘要

针对大型欠驱动船舶提出一种基于多艘拖轮自主协同的靠泊控制方案。通过设计多层次优化控制策略，

实现目标大船以设定的首向角和速度到达设定位置的功能。在上层协同控制中将目标大船和4艘顶靠拖轮作

为一个整体组成动力定位系统，通过优化控制逻辑和几何关系，实时计算每艘顶靠拖轮的目标首向、位置和

输出推力。根据上层控制计算结果，在下层控制中对每艘拖轮完成闭环控制。针对典型工程问题给出了基于

前馈修正的控制算法。仿真结果表明，这4艘拖轮通过自主协同可以控制无动力大型船舶以设定的首向角和

速度到达目标位置。

关键词：协同控制；大型船舶；靠泊；动力定位；前馈

0

操纵大型水面移动结构物如驳船、海洋平台的控制是复杂而且危险的作业，因为这类结构物通常

属于欠驱动系统，不具备足够的操纵能力。对于欠驱动船舶的靠泊控制已取得诸多研究成果[1-3]，但控

制过程必须预留较大的安全操作空间，且无法应对风浪流突变干扰以及过往船只随机干扰。在实际工

程中这类船舶必须依靠多艘拖轮的协同控制来实施靠泊，如图1所示。

图1多拖轮辅助大船靠泊作业

收稿日期：2022-12-13；修改稿收稿日期：2023-03-03

64卷第4期（总第250期）孙强，等：基于拖轮自主协同的大型船舶靠泊技术研究177

目前多拖轮协同靠泊控制主要依靠引航员的指令人工操作，当拖轮数量较多时，人工协调存在较

大困难。多拖轮自主协同靠泊是船舶控制领域的研究热点。文献[4]将多艘拖轮组成虚拟刚性结构编队，

采用Leader-Follower机制，将大型船舶的靠泊控制转化为拖轮编队控制问题，通过控制拖轮编队的运

动来带动大型船舶。但是在该方法中至少需要一艘拖轮通过系缆拉动大船，不适用于未来推广应用到

无人拖轮组。文献[5]以完全无动力的海洋平台为控制对象，通过对称布置的6艘对称顶靠拖轮，两两

成对构成3个控制组，将无动力海洋平台和拖轮组作为一个整体构成过驱动系统，可应用动力定位机

制在波浪中进行定位控制。但是该方案要求同一组拖轮的首向角必须严格同步控制，工程上实现难度

较大。文献[6]针对无动力大型水面船舶用4艘拖轮组队实现进出港航行控制，重点研究航行状态下拖

轮组总功耗的控制，其处理方法实际上是将拖轮作为无动力大船的外挂式推进器，考虑动力定位中的

推力优化分配，没有涉及拖轮之间的协调机制。

本文借鉴文献[5-6]扩展应用动力定位技术的思路，提出基于多拖轮自主协同的大型船舶靠泊控制

方案。采用3个层次控制结构，顶层为协同控制层，基于动力定位原理，根据大船靠泊路径的要求计算

每艘拖轮顶靠推力的大小和方向；中间层为拖轮控制层，根据上层传递过来的推力指令，对每艘拖轮

利用其自身动力定位系统调整首向、位置和顶靠推力；底层为控制对象层，包括大船和拖轮组，负责

执行控制指令并反馈控制效果。

1靠泊模式、过程规划和数学模型

对拖轮自主协同靠泊提出如下模式：

（1）根据无人作业的实际情况，拖轮组对大型船舶的控制采用顶推模式，而非系缆模式；

（2）靠泊过程不利用大型船舶自身的动力，完全由拖轮组输出的推力实施靠泊；

（3）至少采用4艘拖轮，使大型船舶与拖轮组作为一个整体构成过驱动系统，以满足靠泊控制需求。

如图2所示，多拖轮协同辅助靠泊过程可分为路径设置、顶靠对接、整体控制和就位撤出4个步骤。

（1）路径设置：根据港口作业要求，在A点的大型船舶须经过B点和C点，最终以航侧方位停

泊在D点；

（2）顶靠对接：大型船舶在A点降速并将自身动力脱排，4艘拖轮在协同系统控制下，分别向大

船两侧靠近、与大船接触并保持最小顶推力，实现拖轮组与大船的顶靠对接；

（3）整体控制：由协同系统控制4艘拖轮，带动大型船舶经B点到达C点并保持在该点，然后

调整方位使大船首向与码头平行，这个过程包括了大船的平移、旋转和定位；

（4）就位和撤出：在4艘拖轮控制下，大型船舶从C点平移到D点，直至满足靠泊位置要求，

且平移速度降为零，随后拖轮撤出。

根据上述过程设计可知，第（3）步是协同靠泊控制的核心。

码头D