3船舶操纵与控制技术船舶操纵与控制是航海技术的重要组成部分就航海本身而言，主要有两个基本 任务：其一是导航，即定位，航海者要完成航海任务必须掌握船舶的位置；其二就是操 船，航海者利用本身的技能将船舶驾驶到希望到达的位置显然，航海活动离不开船舶操 纵,离不开船舶操纵技术，从有航海活动之日起就有船舶操纵技术的存在和对其发展的需 求随着经济的发展和科技进步，航海活动领域和范围也在不断拓展，船舶操纵逐步由专 门技能蜕变为科学技术，由定性的经验总结上升为定量的理论研究与实践在本章中，我 们将从船舶操纵技术的基本概念入手，简要回顾船舶操纵与控制技术的发展过程，总结冃 前船舶操纵与控制技术的现状，展望未来的发展方向3」船舶操纵与控制技术的回顾在我国，将船舶操纵与控制技术作为独立的学科从船艺中分离出来也仅仅是最近 20多年的事[1]O以往船舶操纵是作为一门实践性很强的技艺来看待的只是随着现代科学技术 的发展，经济发展对航海要求的提高，人们对航海技术的定量化研究的深入，船 舶操纵才得以发展成为一门兼具实践性、理论性自成体系的独立学科，取得了“船舶操纵与 控制技术沖勺名称为了加深对此的理解，有必要从船舶操纵、船舶操纵性等的概念入手。
3.1.1船舶操纵的基本概念1船舶操纵关于船舶操纵的定义有多种说法Horck[2]认为，船舶操纵是船长职业技能的一部分，“在船长过去长期海上经历中，他会发现经常会遇到许多不可预见的事，这就需要 操船者知道特定船舶在不同指令下的反应S在这里主要强调的是船舶操纵是一种技能和 知识Petersen17J把船舶操纵看作是“通过给船舶施加控制力來控制船舶运动‘‘的活动在 这里，控制成了船舶操纵的中心苏[3]给船舶操纵所下的定义是这样的：“在船舶航行的过程中，为了尽快到达目的地和 减少燃料消耗，驾驶者总是力求使船舶以一定的速度沿直线运动而当在预定的 航线上发现障碍物或其他船舶时，为了避免碰撞，驾驶者又要使船舶及吋改变航速或航向 在这两种情况下，驾驶者所采取的操作，称为对船舶的操纵"这里，船舶操纵被看着操 船者对船舶操作古[4]在解释船舶操纵的含义吋是这样讲的：“船舶在营运过程中，为达到一定的目的， 常需要船长或引水员根据一定的外界环境如风、流、浪涌、受限水域等条件的影 响，根据船舶实际操纵性能，通过某些操纵器或操纵手段，如舵、推进器、锚、缆，乃至 拖轮的运用，以保持或改变船舶的运动状态駕引人员为保持或改变船舶运动状态所进行 的必要的观察、分析、评价、判断、下达指令乃至实施控制的总过程即船舶操纵，简称为 操船「在该定义中，船舶操纵被称作操船者对船舶实施控制的总过程。
比较而言，儿种定义有共同的地方，但古的定义涉及的而更广古的定义涉及到 船（操纵性能、运动状态）、环境（风、流、浪涌、受限水域）、操纵手段（舵、推进 器、锚、缆、拖轮）以及人（駕引人员及其所做的观察、分析、判断、下达指令），把操船当 作一个系统3船舶操纵与控制技术22看待由此我们可以引出狭义的船舶操纵与广义的船舶操纵的概念如果将狭义船舶操 纵定义为操船者对船舶实施控制的过程，则广义的船舶操纵可以定义为：船舶操纵是 一个系统行为，输入一个航海目标后，由船舶、操船者、操船装置、操船环境组成的操船 系统通过信息传输与反馈而进行运转、控制及反控制，最终到达或达不到预期的目标，完 成一次操船行为在该系统的行为中，人起关键作用为了避免与狭义的船舶操纵概念相 混淆，我们把广义的船舶操纵称为''船舶操纵与控制二其技术也称为“船舶操纵与控制技术J船舶操纵与控制技术的进步不仅体现在操船者操船技能的提高和操船知识的积 累，还包括船舶操纵性能的改善，新技术在船舶操纵设备上的应用，以及操船环境的改 善我们在总结船舶操纵和控制技术的现状、探讨发展趋势时，将从这儿个方而分别论述 图3.1船舶操纵与控制系统2船舶操纵性船舶操纵性常被与船舶操纵的概念混淆起来。
按照广义的概念，船舶操纵是一个 系统的行为，而船舶操纵性则是该系统中船舶这一元素的表现能力从狭义的拍畛觎 iii苑绻？说船舶操纵是指操船者人对船舶所实施的操作，那么船舶操纵性则是船舶 对这一•操作的响应能力苏【3】和古[4]都将船舶操纵性定义为''船舶对驾驶者操纵的反映能力"，陆[6]则更详细地说明船舶操纵性是“船体、螺旋桨和舵在水中运动所产生的水动力，使船舶保存 和改变运动状态的性能"把船舶操纵性看成是船舶对人的操纵的响应能力似无争议，但是关于船舶操纵性 究竟应包括那些内容则有不同看法Davidson19J从运动稳定性的理论出发，认为船舶操纵性应包括稳定性和机动性，而藤井、野本[10][等则从船舶使用的要求出发提出船舶操纵性应包括小角度的航向保持性、中等转舵角的航向机动性和大舵角的紧急规避性野本等的 提法也未能包括船舶操纵性的全部内容，因为，船舶并非都是用舵来操纵的国际海事组织(IMO)【11】在研究船舶操纵性标准时提出了评价船舶操纵性能至少要考虑6个方而的性能： 固有动态稳定性，航向保持性，航向该变性，制止首摇性，旋回性以及停船性这个评价 标准应包括的内容实际上也就是船舶操纵性应包括的内容，虽然对此仍有争议【12】,但对理解船舶操纵性的概念很有帮助。
3操纵装置船舶操纵设备，包括舵、浆、锚、缆以及拖轮，是船舶操纵与控制系统中另一个 重要元素一般文献【1, 4, 6】将其与船舶合并在一起，作为人、船、环境系统中的船舶这一元素的一部分严格地讲，将舵、桨甚至锚、缆作为船舶的一部分还可以理解，但将 拖轮作为数字航海3船舶元素的一部分就比较勉强但从控制角度岀发，将操船者作为发出控制指令 者，将船舶作为受控体，桨、舵、锚、缆、拖轮作为能发出控制力的控制体，应该是可以 理解的4操纵环境因素这里的操船环境主要考虑的是外部环境1,包括风、浪、流，以及水域等风、浪、流会直接产生力作用在船体上，限制水域如浅水、狭水道等会影响作用在船体上的 水动力，改变船舶的操纵性能，这些力对操船将会产生严重影响如果我们将操船装置作 用在船体上的力称为可控制力，则风、浪、流等作用在船体上的力就称为不可控制力船 舶操纵的成功与否，不但取决于控制力的运用是否得当，还取决于对不可控制力的因势利 导因此，研究并量化风、浪、流、限制水域对操船的影响，也是船舶操纵与控制技术研究 的一个重要领域3.1.2船舶操纵与控制技术的形成回顾船舶操纵和控制技术的形成，可以说是一个由感性到理性、由定性到定量的 发展过程。
船舶操纵技术和船舶木身有同样古老的历史在较早年代，船舶推进和操纵是用 单一手段来完成的，桨和舵是不分的，即橹[10]随着船舶尺度的增大，推进与操纵分离了：操船用橹移到船尾，变成了舵，而推进用橹则变成了沿船舷排列的“推进节鲁叶，进而 开始利用风帆来完成了直到19、20世纪，帆虽然已被机器和螺旋桨所替代，而舵的形 式仍然基本保持下来对船舶操纵进行科学研究的历史最早可以追溯到1749欧拉对船舶运动方程进行 的经典研究工作但是无论是造船还是操船，在此后的近两个世纪里，仍然是完全基 于以往的经验和知识进行的正式对船舶操纵进行系统的理论研究应该是上个卅纪的事情1912年霍夫加特 (W.Hovgaard)建立了计算船舶稳定旋回直径的实用方法与图谱，1932年W.Kuchaski发表的“关于船舶的操纵理论"一文把船舶当作机翼来处理:1938年G.Weinblum 把飞 艇操纵理论应用到船舶操纵性研究中來，建立了有效的数学研究方法；1939年巴辛利用里 亚普诺夫的运动稳定性理论研究了船舶的航向稳定性问题；1944年Kemf提出了用Z形试 验结果来评价船舶操纵性1946年戴维逊(Davidson)[9]提出了比较完整的船舶操纵运动方程，揭示了船舶旋回性与航向稳定性的矛盾制约关系，提出了船舶旋回性和航向稳定性 指数，标志着现代船舶操纵性理论的形成o 1957年野本谦作把船舶操舵产生的操纵运动看 作为一个动态响应系统，将分析动态系统的经典自动调节理论运用于船舶操纵性研究，并 在分析Z形操纵试验的基础上提出了一阶的运动响应模型和表征船舶操纵性的K、T指数。
1960年，国际第一次船舶操纵性会议在美国华盛顿举行Norrbin【8】在这次会议上介绍了对船舶操纵性所进行的理论研究从此，越来越多的注意力集中到这一特 殊研究领域船舶操纵与控制学科逐步形成，操船与控制技术呈定量化趋势船舶操纵与控制技术的形成和成长可以分为以下几个方面：1. 船舶操纵运动方程的建立1956年野本从工程控制的观点出发，将船舶看成是一个动态系统，舵角为系统的 输入，严格地说，操船环境还有内部环境，指船舶内部的人机关系、人际关系等，因 为这对操船者的正确决策会产生影响，进而会影响操船因其已经超出本章讨论范围，在此不作考虑3船舶操纵与控制技术44船舶首向或首摇角速度为系统的输出，建立了描述系统输入输出的响应关系的一 阶响应模型【10】,以后又根据不同的需要，先后建立了二阶响应模型和非线性响应模型这些模 型的特点是模型参数可以直接从自航模或实船试验中获取这种模型在船舶航向航迹 自动控制中得到了广泛的应用1967 年Abkowitz【13】在丹麦水动力研究所的一次讲学中，提出了整体型船舶操纵运动方程，在该模型中，船、浆、舵被看着一个不可分的整体该数学模型的特点是 用整体的观点把作用在船舶上的流体力展开为各运动变量的泰勒级数。
从数学分析的角度 看这样做比较完整严密，缺点是流体力展开为泰勒级数后一些项的物理意义不明显这种 数学模型主要在欧美得到广泛的应用1977年，日本的船舶操纵运动数学模型研讨小组（MMG）提出了分离型数学模 型[14]简称MMG模型其主要特点是将作用于船舶上的流体力和力矩按照物理意义, 分解为作用于裸体船、螺旋桨和舵上的流体力和力矩，再考虑船体、螺旋桨和舵之间流体 力和力矩的相互干涉，这种数学模型物理意义明确，也是目前国际上较为流行的一种船舶 操纵运动数学模型2. 船舶流体力的求取船舶运动数学模型的建立为定量研究船舶操纵与控制打下了基础，但这仅是一 个起步，数学模型中的参数、作用在船体上的流体力的求取将是更艰巨的任务求取作用 于船体的流体力的方法主要分两类，一类是实验方法，另一类是理论方法由于理论方法 本身的局限性，正确求取流体力还必须依赖实验方法【5】O用于计算船体流体力的理论方法经过多年的努力，己经基本形成体系，主耍有势 流理论、细长体理论、小展弦比机翼理论和横流理论等势流理论可用于计算惯性类 流体力和力矩的部分成分；细长体理论、小展弦比机翼理论和横流理论等则用于计算作用 在船体上的粘性类流体力和力矩的部分成分。
因船舶形状复杂而在理论上还不能精确计算的船舶附加质量和附加惯性矩及粘性 类流体力的部分成分，通常采用试验的方法确定，试验的方法主要有振荡试验法、冲 击试验法和平面运动机构（PMM）、斜拖试验、旋臂试验等[J5J5]□目前在操纵性的研究中主要采取得是拘束模型试验加理论计算的方法利用约束模型实验求取船体水动力仍有许多不尽如人意的地方，比如说尺度效应、 经费昂贵等20世纪70年代发展起来的过。