新一代航運(yùn)系統(tǒng)呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,、智能化,、平行化等重要特征，全球智能船舶研究正處于快速發(fā)展和博弈競爭階段,。智能船舶是典型集計(jì)算,、通信,、控制為一體的復(fù)雜多維信息物理系統(tǒng)，發(fā)展基于信息物理系統(tǒng)的智能船舶控制技術(shù)是新一代航運(yùn)體系構(gòu)建的重要組成部分,。數(shù)字孿生和平行控制為智能船舶信息空間與物理空間融合與交互提供了全新思路,，同時(shí)為智能船舶建模、決策,、控制提供了新的研究范式,，相關(guān)理論方法極其有限，迫切需要開展前瞻性理論技術(shù)探索,。
近日,，大連海事大學(xué)船舶電氣工程學(xué)院彭周華教授團(tuán)隊(duì)在交通科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威期刊《IEEE Transactions on Intelligent Vehicles》上發(fā)表了題為“基于積分控制障礙函數(shù)的智能船舶安全平行軌跡跟蹤控制”（Safety-Critical Parallel Trajectory Tracking Control of Maritime Autonomous Surface Ships Based on Integral Control Barrier Functions）的論文。
該研究針對(duì)水動(dòng)力參數(shù)未知,、風(fēng)浪流干擾未知,、動(dòng)靜態(tài)礙航物約束下的智能船舶系統(tǒng)，提出了一種智能船舶安全平行軌跡跟蹤控制結(jié)構(gòu),，包括實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)字孿生建模和平行自學(xué)習(xí)抗干擾軌跡跟蹤控制器,。首先,，提出了基于泰勒多項(xiàng)式和傅立葉級(jí)數(shù)展開、物理方程和航行數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)智能預(yù)估器,，實(shí)現(xiàn)了船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在信息空間的精確表征和模型在線演化,，為智能船舶平行控制提供了精確模型信息和擾動(dòng)信息。其次,，設(shè)計(jì)了基于虛擬船舶系統(tǒng)的平行自學(xué)習(xí)抗干擾軌跡跟蹤動(dòng)態(tài)控制律,，實(shí)現(xiàn)了物理船舶系統(tǒng)和虛擬船舶系統(tǒng)的同步軌跡跟蹤，保證了閉環(huán)航跡跟蹤控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、抗擾性,、適應(yīng)性。然后,，為滿足系統(tǒng)輸入約束和安全約束,，構(gòu)造了基于積分控制障礙函數(shù)的安全平行軌跡跟蹤動(dòng)態(tài)控制律，保證了動(dòng)靜態(tài)礙航物約束下智能船舶自主航行過程中的安全性,。最后,，以大連港自主靠泊作業(yè)為任務(wù)場(chǎng)景，驗(yàn)證了所提智能船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)字孿生建模和平行控制方法的有效性,。
創(chuàng)新點(diǎn)如下：第一,，與現(xiàn)有基于物理方程或數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的船舶運(yùn)動(dòng)建模方式不同，將物理方程和歷史數(shù)據(jù)同時(shí)融入到船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)字孿生運(yùn)動(dòng)建模,，構(gòu)建了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能預(yù)估器,，實(shí)現(xiàn)了船舶信息空間和物理空間船舶模型信息的精確狀態(tài)同步和模型在線演化，為態(tài)勢(shì)推演和平行控制提供了精確的船舶模型信息和風(fēng)浪流干擾信息,。第二,，與現(xiàn)有基于代數(shù)方程描述的船舶運(yùn)動(dòng)控制器不同，提出了基于積分控制障礙函數(shù)的安全平行自學(xué)習(xí)抗干擾軌跡跟蹤動(dòng)態(tài)控制律,，不僅保證了航行過程中的穩(wěn)定性和抗擾性,，而且保障了船舶在復(fù)雜交通場(chǎng)景下航行過程中的安全性。綜上,，與現(xiàn)有船舶運(yùn)動(dòng)控制理論不同,，該文提出的新型實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)字孿生建模和平行控制策略為智能船舶運(yùn)動(dòng)控制提供了新途徑，在智能船舶船岸協(xié)同,、自主航行,、自主靠泊、編隊(duì)航行等作業(yè)場(chǎng)景具有重要應(yīng)用前景,，對(duì)于新一代綠色,、智慧、安全航運(yùn)系統(tǒng)的構(gòu)建具有積極意義。
《IEEE Transactions on Intelligent Vehicles》（Top 5期刊,，JCR 1區(qū),，IF：14）致力于發(fā)表關(guān)于智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域的前沿研究成果。本論文成果依托水路交通控制全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，由大連海事大學(xué)彭周華教授、王丹教授,、古楠博士,，上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所韓冰研究員，電子科技大學(xué)李鐵山教授共同完成,。彭周華教授和古楠博士為該論文的共同通訊作者,。該項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助,。
全文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10418986
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