1、目的及意义

1.1目的及意义

二十世纪下半叶开始，随着船舶等海上作业平台技术的快速发展。海上航运和海上作业如远海石油开采，海上风机安装，海洋科学研究等都活动日益增多。这对船舶和船舶的控制尤其是航向跟踪和轨迹跟踪提出了更高的要求，例如挖泥船、半潜驳船舶、铺管船和风电安装船等海洋工程作业船在各自作业时需要保持在一定的位置上，或者要按预先设定的轨迹精确地移动。具备动力定位能力的船舶在全方位上都会有足够的推进力来进行准确的定位和位置跟踪。

随着物联网、云计算、大数据等新兴技术推动的信息大潮的来临，一场工业智能化革命正在酝酿。制造业发达的德国率先提出了以大幅度提高产品生产、运行质量和效率为目标，以网络技术为依托，以大数据分析^[1]为基础，以预测技术为核心的智能制造和智能使用的“工业4.0”^[1]，从而推动实现传统制造工业的服务化转型。

在这种趋势下，船舶智能化已经成为全球航运的大势所趋。出于降低船舶控制和管理难度、减少人为误操作、提高设备及船舶营运的安全、优化船舶航行、降低成本，提高收益等目的，目前智能船舶的研究已在全球范围内开展。

CCS在2016年颁布的《智能船舶规范》中，将智能船舶的功能分为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台，基本囊括了智能船舶所应具备的所有功能。为实现和完善上述功能，需进一步研究和深化与船舶有关的信息感知技术、通信导航技术、能效控制技术、航线规划技术、状态监测与故障诊断技术、遇险预警救助技术、驾机一体化和自主航行技术。

2014 年10月10日，“大数据与智能船舶发展”高峰论坛在北京召开，探索信息化智能化在航运业的运用。论坛就大数据时代的航运企业转型发展、世界船舶的智能化发展趋势等主题进行研讨，与会代表形成了“在大数据时代背景下，船舶智能化已经成为当今船舶制造与航运领域发展的必然趋势”的共识。DNV GL 集团在《未来航运业》的报告中，提出了智能船舶（The Connected Ship）的概念^[2]，是指具备实时数据传输汇集、高计算能力、数学建模能力、远程操控传感器和微型化的船舶。

在船舶控制方面，船舶动态具有大惯性、大时滞、非线性的特点,航行工况、货物装载量变化、惯性矩、重心坐标变化等因素引起船舶运动数学模型的参数不断变动,使得船舶模型具有不确定性，同时,风、浪、流的存在也导致船舶模型参数和结构的变动^[3]。此外，诸如方向舵之类的控制装置与船舶动力学非线性耦合，这增加了船只控制的复杂性^[4]。在如今的航运智能化大背景下，船舶航向跟踪控制的意义就显得非常重要，船舶的航迹，航向，姿态等的监控和数据采集、分析对于船舶的控制和实现智能化起着至关重要的作用。

1.2国内外研究现状

1.2.1智能化船舶发展现状

在船舶智能化领域，罗罗公司位于航运的智能化创新和发展的前沿，智能船舶的下一步发展应该着眼于远程遥控和无人驾驶。该公司在2014年就开始开发名为“未来操作体验概念”(Future Operator Experience Concept)的岸基遥控系统^[5]。2016年3月，该公司又与芬兰国家技术研究中心(VTT)、阿尔托大学和坦佩雷大学人机互动研究中心结成合作伙伴。2017年4月，罗罗与新加坡海工和船舶中心(TCOMS)达成战略合作并签署谅解备忘录。根据协议，双方将共同致力于为智能船舶研发全球顶级的基础性技术框架，例如智能传感技术、数字化模型技术以及集成建模技术等。

而在最近，罗罗公司已经实现了世界上第一艘遥控船的商业航行，罗罗公司未来的目标是从遥控商业海运轮开始到2035年实现自动无人的海运货轮^[6]。

日本作为航运和船舶业大国提出了“智能船舶应用平台项目”(SSAP)，SSAP项目研发周期为2014年1月至2017年3月期间，计划投入120万美元，由日本船舶机械与设备协会(JSMEA)牵头，包括三菱重工、川崎重工、大发柴油机株式会社、东京计器株式会社、日本邮船、商船三井和日本船级社(NK)等27家造船、配套、航运和检验单位共同参与。该项目旨在建立船舶及岸上获取船舶设备数据的标准化方法，不断提高船舶的安全性与环保性。

而在国内中船集团以大数据为基实施 5S 工程^[7]，即面向“海洋（Sea）、船舶（Ship）、系统（System）、智能（Smart）、服务（Service）的船舶运营智能服务体系，实现船舶节能环保，安全经济运行，并及时获知航行之外的物流与安全信息服务等。