船舶综合管控系统和智能船舶的制作方法

本实用新型涉及船舶管控技术领域，尤其是涉及一种船舶综合管控系统和智能船舶。

背景技术：

目前智能船舶的发展尚处于1.0阶段，即智能系统根据船舶实时状态数据，仅输出辅助决策建议，不直接操控船舶，帮助船员实现船舶运营更经济、更环保、更安全。

常规船舶的操控是由船长根据船舶实际运行状态，综合协同控制船舶航速、航向、姿态，使船舶按照预定的航线、吃水、航速航行。但是随着智能船舶朝着远程遥控、无人自主等阶段发展，船舶须实现自主航行、自主避碰、自主靠离泊等自主化操控功能。面向上述无人自主场景下航速、航向、姿态协同控制需求，存在各独立系统控制目标不一致、执行机构相互干涉等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种船舶综合管控系统和智能船舶，通过构建全船综合管控系统架构，明确综合管控控制逻辑和控制流程，实现了分层级的基于综合决策优化目标的船舶自主航行控制。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种船舶综合管控系统，包括应用层、网关层、中央控制层和区域控制层；

所述应用层，结合预设的优化目标以及实时采集的实船数据和环境数据，输出决策建议；

所述中央控制层，实时采集所述实船数据和所述环境数据，得到当前船舶的工况信息，结合所述决策建议，输出基于所述工况信息的控制指令，其中，所述控制指令经过安全评估；

所述区域控制层，包括多个船舶执行设备，按照所述控制指令执行相应操作。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述船舶综合管控系统还包括现场控制层，用于通过现场控制单元控制不属于所述区域控制层的执行设备。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述现场控制层还用于实时采集所述实船数据和所述环境数据。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述中央控制层，包括综合管控系统和各协控制系统；

所述综合管控系统，用于采集所述实船数据和所述环境数据，并对所述决策建议进行综合评价，输出决策指令；

所述各协控制系统，用于在安全评估通过的情况下，输出所述船舶执行设备对应的控制指令。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述综合管控系统包括场景识别模块、综合决策模块、协同控制模块和安全评估模块；

所述场景识别模块，用于采集环境状态、船体状态、设备状态，并识别出所述当前船舶的工况信息；

所述综合决策模块，用于调用目标决策建议，输出决策指令，所述目标决策建议基于所述工况信息确定；

所述协同控制模块，基于所述当前船舶的横向、纵向和姿态，将所述决策指令转换为控制指令；

所述安全评估模块，基于所述环境状态、所述船体状态和所述设备状态对所述控制指令进行安全评估。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述各协控制系统，用于在安全评估通过的情况下，输出舵机执行的舵角指令、主机执行的转速指令、辅机执行的转速指令、启停指令、各压载泵执行的启停指令、阀门的开度指令，包括但不限于上述指令。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述现场控制单元，包括边缘通讯模块、边缘计算模块、边缘采集模块和不间断电源模块。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述船舶综合管控系统还包括网关层，用于实现所述应用层中的网关通讯功能。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述船舶执行设备包括主推进系统、舵机系统、辅机系统、任务系统、压载系统和锚系泊系统。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种智能船舶，包括船舶主体和如上任一项所述的船舶综合管控系统。

本实用新型实施例提供了一种船舶综合管控系统，基于采集环境数据和船舶数据的应用层输出决策建议，中央控制层基于采集环境数据和船舶数据识别出当前船舶的工况信息，并结合工况信息和决策建议得到决策指令，将该决策指令经协同控制后得到控制指令，以控制区域控制层中的各个船舶执行设备按照相应的控制指令执行操作，实现分层级的基于综合决策优化目标的船舶自主航行控制。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种船舶综合管控系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种场景识别模块应用示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种综合决策模块应用示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种协同控制模块应用示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种安全评估模块应用示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种船舶综合管控模块的应用示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前对于船舶的控制均由船员人工完成，尚无类似的全船综合管控系统，取代船员完成所有船舶的控制，无法满足未来智能船舶对于无人自主航行的需求。

基于此，本实用新型实施例提供的一种船舶综合管控系统和智能船舶，通过构建全船综合管控系统架构，明确综合管控控制逻辑和控制流程，实现了分层级的基于综合决策优化目标的船舶自主航行控制。

下面通过实施例进行详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的一种船舶综合管控系统的结构示意图。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种船舶综合管控系统，包括应用层、网关层、中央控制层和区域控制层；

所述应用层，结合预设的优化目标以及实时采集的实船数据和环境数据，输出决策建议；

应用层主要包括智能航行、智能能效、智能船体、智能机舱、船岸协同等智能应用，上述智能应用根据实时采集的实船数据、环境数据，并根据预设的优化目标，输出相应的决策建议。其中，实船数据如主机功率、转速、航速、气象等；预设的优化目标如油耗最低、路径最短、安全优先等；决策建议如航速优化、避碰航线、靠离泊路径规划等。

所述中央控制层，实时采集所述实船数据和所述环境数据，得到当前船舶的工况信息，结合所述决策建议，输出基于所述工况信息的控制指令，其中，所述控制指令经过安全评估；

所述区域控制层，包括多个船舶执行设备，按照所述控制指令执行相应操作。

在实际应用的优选实施例中，基于采集环境数据和船舶数据的应用层输出决策建议，中央控制层基于采集环境数据和船舶数据识别出当前船舶的工况信息，并结合工况信息和决策建议得到决策指令，将该决策指令经协同控制后得到控制指令，以控制区域控制层中的各个船舶执行设备按照相应的控制指令执行操作，实现分层级的基于综合决策优化目标的船舶自主航行控制。

在可选的实施例中，其中，所述船舶综合管控系统还包括网关层，用于实现所述应用层中的网关通讯功能。

其中，网关层主要实现应用层中各智能应用的自动注册(注册发现)、集中配置、认证授权、监控报警、日志聚合、熔断限流等功能。

在可选的实施例中，所述中央控制层，包括综合管控系统和各协控制系统；

所述综合管控系统，用于采集所述实船数据和所述环境数据，并对所述决策建议进行综合评价，输出决策指令，其中，输出决策指令之前会对决策建议进行综合评价(安全性、合法性、综合性能)；

所述各协控制系统，用于在安全评估通过的情况下，输出所述船舶执行设备对应的控制指令。

在可选的实施例中，所述综合管控系统包括场景识别模块、综合决策模块、协同控制模块和安全评估模块；

所述场景识别模块，用于采集环境状态、船体状态、设备状态，并识别出所述当前船舶的工况信息，如图2所示；

所述综合决策模块，用于调用目标决策建议，输出决策指令，所述目标决策建议基于所述工况信息确定；

所述协同控制模块，基于所述当前船舶的横向、纵向和姿态，将所述决策指令转换为控制指令；

所述安全评估模块，基于所述环境状态、所述船体状态和所述设备状态对所述控制指令进行安全评估。

在可选的实施例中，所述各协控制系统，用于在安全评估通过的情况下，输出舵机执行的舵角指令、主机执行的转速指令、辅机执行的转速指令、启停指令、各压载泵执行的启停指令、阀门的开度指令等，包括但不限于上述指令。

可以理解的是，中央控制层，主要包括两部分：综合管控系统和各协控制系统。

综合管控系统包括场景识别、综合决策、协同控制、安全评估。其中场景识别模块主要根据环境状态(如风速、风向、浪高、浪向等)、船体状态(如航速、航向、结构强度等)、设备状态(如启停信号、转速、温度、压力等)判定船舶目前所处的工况(如停泊工况、航行工况、避碰工况、船岸协同工况等)；

综合决策模块主要根据场景识别模块输出的工况信息，调用应用层中相关的智能应用输出的决策建议，并从安全性、合法性、综合性能三方面对决策建议进行综合优化，输出最优航速、最优航线、最优纵横倾、最优任务4个决策指令，如图3所示；

协同控制模块主要根据预设的船舶运动学模型、约束性模型、适应性模型、控制算法模型，将综合决策模块输出的决策指令转化为航速指令、航向指令、姿态指令、任务指令4个控制指令，如图4所示；

安全评估模块主要根据当前的环境状态、船体状态、设备状态对控制指令进行安全评估，如果安全评估通过，则各控制指令将会传输至各协控制系统，进行进一步控制；如果安全评估不通过，则将评估结果返回至协同控制模块，修正相应的控制指令，如图5所示。

各协控制系统包括自主航行系统、推进协同控制系统、智能任务系统管控系统、姿态控制系统，上述协控制系统的功能为将综合管控系统最终输出的控制指令转化为设备可执行的控制指令。如自主航行系统将航向指令转化为舵机可执行的舵角指令；推进协同控制系统将航速指令转化为主机可执行的转速指令，以及相应辅机的转速、启停指令；姿态控制系统将姿态指令转化为各压载泵的启停指令、阀门的开度指令等。

在可选的实施例中，所述船舶综合管控系统还包括现场控制层，用于通过现场控制单元控制不属于所述区域控制层的执行设备。

在可选的实施例中，所述现场控制单元，包括边缘通讯模块、边缘计算模块、边缘采集模块和不间断电源模块。

考虑船舶有部分设备独立存在，不属于区域控制层中的任一系统，对于该类型设备的控制依赖于现场控制单元。现场控制单元包括ups电源、边缘采集模块、边缘计算模块、边缘通讯模块。同时该现场控制单元还可采集各设备、传感器的实时数据。为上层的应用决策提供数据支撑。

在可选的实施例中，所述现场控制层还用于实时采集所述实船数据和所述环境数据。

在可选的实施例中，所述船舶执行设备包括主推进系统、舵机系统、辅机系统、任务系统、压载系统和锚系泊系统。

该层主要包括船舶各个执行机构/系统，如主推机系统、舵机系统、辅机系统、任务系统、压载系统、锚系泊系统等。上述各个系统将执行中央控制层中各协控制系统输出的指令，如主推机系统执行主机转速指令、舵机系统执行舵角指令等。

如图6所示，本实用新型实施例提供的船舶综合管控系统在应用场景中的控制逻辑如下：

根据态势感知到环境信息，船内信息感知得到设备状态和船体状态；应用层根据该全船感知信息可进行航速优化、能效管理、设备运维、健康管理等功能应用，并将独立的优化建议、岸基航向指令、航速指令、姿态指令等信息发送到中央控制层；现场控制层根据现场控制单元将所有控制对象的实时状态信息发送到中央控制层；中央控制层的综合管控系统基于自主航行系统输出航向指令，基于推进协同控制系统输出航速指令，基于智能任务管控系统输出任务指令，基于姿态控制系统输出赤水、横倾、纵倾等姿态指令；自主航行系统将航向指令转换为航机角度指令，以控制区域控制层中的舵机、舵浆或转向系统；推进协同控制系统将航速指令转换为主机转速指令、设备运行指令、阀门开度指令，以控制区域控制层中的推进及辅机系统；智能任务管控系统将任务指令转换为设备运行指令、阀门开度指令，以控制区域控制层中的任务相关系统；姿态控制系统将吃水、横倾、纵倾等姿态指令转换为设备运行指令、阀门开度指令，以控制区域控制层中的压载系统、减摇系统、防横倾系统和现场控制层中的现场控制单元。

其中，现场控制层根据现场控制单元发送到中央控制层的全船感知信息，并不涉及全船所有的感知信息，而特指全船所有控制对象的实时状态信息。

在可选的实施例中，本实用新型实施例还提供一种智能船舶，包括船舶主体和如上任一项所述的船舶综合管控系统。

本实用新型实施例提供的智能船舶，与上述实施例提供的船舶综合管控系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。