|
说到抛锚大家一定不陌生，每当船要靠近港口的时候就需要下锚，这样才能停住轮船，就连一些小船靠岸也同样需要用一根绳子绑住桅杆，防止船因为风浪吹走。众所周知，船锚就像是车子的刹车系统一样，想要船停着不乱动就必须要抛锚。但毕竟船和车子不同，即便是再沉的船，只要它能够漂浮在海面上就一定会受到风浪影响慢慢飘走，除非这艘船到了无风区。 要做到正确抛锚也是有很多讲究。首先一点，并不是所有船支在停歇时都可以抛锚，而且抛锚的时候也不是只要把船锚抛下水就可以了。那么正确做法是什么呢？这里就涉及到一个船锚落点问题，抛锚区就是水下不是礁石和各种岩石的地区，因为船锚一旦抛入水中就有可能钩到岩石，导致船支没法行走。船锚相当于船支的刹车，它需要落到地面位置才能算成功的抛锚；其次，船锚也不是任何地方都能抛，可以满足抛锚的地方只有两种，第一就是浅水区，第二就是可以抛锚区，一般都会被标记出来。什么叫浅水区呢，也就是水深不超过100米，最好是20米到50米。而那么，船舶到了深水区想停船怎么办？这里就必须要来谈谈船舶动力定位系统（DP）了。 人类的海洋开发活动已经逐渐走向深海，大家知道要开展各种海洋作业，就把船先固定在一个区域，然后才能开始工作。通常在浅水区域，都是用锚抓住海底，通过锚链连接到船上，把船固定住。但是在深水区，由于海底海床的状况可能不适合抛锚固定，另外超过一定的水深，配备很长的锚链也很部现实，还不经济，因此动力定位系统就应运而生了。 比如海洋石油平台长期固定在一个地方采油炼油，平台上需要的淡水、水泥、燃油等物质，就需要平台供应船运送。平台供应船从港口将这些物资装船，再到海上石油平台边上，要用软管连接起两艘船，尔后再给传输过去。在大海上风平浪静的时刻可是非常罕见的，大多数时间都是波涛汹涌，两条船连接起来转移物资，海洋石油平台一般有桩腿插在海底，撑起整个平台，使得平台能够保持固定的位置；而供应船本来船就小，在波浪的作用下，一定是上下起伏，加上风和洋流的作用，极容易将软管拉断开。 什么是船舶动力定位系统？ 用一句话，船舶动力定位系统(DP)，就是能控制船舶的动力系统，将船舶保持在一个固定的物理位置，也就是说，动力定位系统能够通过传感器，测量出风、水流、浪涌等能够改变船舶位置的参数，来自动调整船舶的推进力和推进方向，从而保持船舶的固定航向和固定位置。船舶动力定位(DP)系统是一种闭环控制系统，它通过控制系统驱动船舶推进器来抵消风、浪、流等作用于船上的环境外力，从而使船舶保持在海平面某要求的位置上。 船舶动力定位系统(DP)通过测量系统不断检测船舶的实际位置与目标位置的偏差，再根据环境外力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小，进而对全船的各推进器进行推力分配，使各推进器产生相应的推力以克服风、浪、流等环境外力的干扰，使船舶保持在某确定位置或沿一定预定航迹航行。船舶动力定位系统(DP)广泛用于海上作业船舶和海上平台的定点系泊，具有定位精度高、灵活性好、机动性强、适用于多种海况作业等诸多优点，受到广泛关注。 船舶动力定位系统是进行深水海洋油气勘探开采，从事海底工程作业，水下打捞，海洋资源调查、海洋工程起重、海洋工程管缆铺设、深潜水作业支持、水下工程作业、海洋工程综合检测等海上作业不可或缺的手段。 船舶动力定位系统的定义和分类 国际海事组织（IMO）和国际海洋工程承包商协会(IIMCA)将DP定义为动力定位船舶需要装备的全部设备，包括动力系统、推进器系统和动力定位控制系统。由于海上作业船舶对动力定位系统的可靠性要求越来越高，IMO和各国船级社都对DP提出了严格要求，制定了三个等级标准。 ①设备等级一(DP1)：在单故障的情况下可能发生定位失常；②设备等级二(DP2)：有源组件或发电机、推进器、配电盘遥控阀门等系统单故障时，不会发生定位失常，但当电缆、管道、手控阀等静态元件发生故障时可能会发生定位失常；③设备等级三(DP3)：任何单故障都不会导致定位失常。 船舶动力定位系统(DP)的分级主要是考虑设备的可靠性和冗余度，目的是对动力定位系统的设计标准、必须安装的设备、操作要求和试验程序等作出规定，保证DP安全可靠运行，并避免在DP作业时对人员、船舶、其它设备造成损害。 船舶动力定位系统的组成 船舶动力定位系统由测量系统、控制系统、电源系统以及推进系统等组成。船舶动力定位系统具有保持指定位置、目标定位、自动搜寻最佳船首位置、转向点跟踪、ROV自动跟踪、变换回转中心、自动航行、平行移动等功能。 船舶动力定位系统根据测量系统测量到的船舶运动信息及当前环境参数，将船舶的位置和艏向与期望值比较，控制系统依据此偏差计算出所需推力，同时对推力进行分配。船舶在控制系统的控制下利用自身的动力驱动推进器，形成一个足以抵消外界时变环境载荷的主动力，从而抵消风、浪、流等环境外力（矩）的干扰，使船舶保持在一定位置和方向的系统。动力定位系统工作原理下图所示。 船舶动力定位系统工作原理 1.控制和操作系统 控制系统首先根据外部环境条件（风、浪、流）计算出船舶或平台所受的扰动力，然后由此外力与测量所得位置，计算得到保持船位所需的作用力，即推力系统应产生的合力。在动力定位的过程中，控制器读取位置测量系统所得到的位置信号，将其数值与预定的目标值作比较，经过运算，得到抵消位置偏差和外界干扰力所需要的推力，然后对推力器发出指令，以产生推力使船尽可能靠近所希望的位置。 控制和操作系统集成在DP控制台内，用于收发信息，包括控制输入、按钮、开关、显示器、报警器、显示屏、操作手柄等，以及位置参考系统控制板、推进器控制板和通信板。相当于DPS的“脑部”。 DPS操控站（后驾控台） ⒉位置测量系统 动力定位船舶能否顺利执行一项或几项任务，很自然地取决于动力定位系统所用的位置测量系统，要求以足够的速度和精度获取所需的信息，以便控制器计算出推力器指令，使船舶完成预定的任务。定位通常采用的位置参考系统有DGPS、拉索系统、海底声波探测系统、激光/微波探测系统等。 几种常见的DPS位置参考系统示意图 ①DGPS是最常用的位置参考系统，所谓DGPS是指在已知地点设立参考台，通过接受参考台信号对GPS数据进行差分校正来提高GPS的精度，通过已知点的测距比较，获得每一个卫星测量伪距的修正量。船舶接收机收到修正量后，申请对观测伪距进行修正，并计算出差分修正后的位置。当然，在北斗信号（BDS）接入后，可用全球导航卫星系统GNSS，是对北斗系统、GPS、GLONASS、Galileo系统等这些单个卫星导航定位系统的统一称谓，也可指代他们的增强型系统（包括星基增强和地基增强），又指代所有这些卫星导航定位系统及其增强型系统的相加混合体。 GNSS天线 ②拉索系统包含固定在船舷旁的一台吊机，通过恒力绞车收紧钢丝，在钢丝与起重机交汇处有一个角度传感器，可以测出钢丝的夹角。钢丝钩在海底沉重物上像系泊一样，可以通过该系统反映船舶的移动。 拉索系统吊机和收紧钢丝 ③海底声波探测系统是通过安装在船底的声波收发器搜索固定在海底的应答器测算出位置。通常使用的有三种声波位置参考系统：超短基线系统（USBL or SSBL）、短基线系统（SBL）和长基线系统（LBL）。 海底声波探测系统示意图 ④激光或微波扫描系统是采用锁定一个或几个已知位置目标，通过脉冲的发射和接收测量出距离和方位。该系统的测量距离受气象或能见度的影响很大。 激光位置参考系统 微波雷达扫描位置参考系统 每个位置参考系统都有其优缺点，因此可采取多个位置参考系统的组合，就能够提高可靠性。 ⒊艏向参考系统 船艏向由一个或多个电罗经提供，电罗经将数据发送给DPS控制系统。GPS接收机也可以提供航向参考信号。 电罗经（主罗经） ⒌传感器系统 传感器系统主要用于测量外界对船舶的作用力作为DPS数学模型的输入量。 风速风向仪 风速风向的巨大变化是影响船位的主要干扰，风向风速传感器可以将风力变化信息实时提供给DPS控制系统。 运动参考单元示意图 船舶在海上存在横摇和纵摇，往往幅度较大，这样全球导航卫星系统GNSS天线也会随之摇摆，从而造成给出的定位信号反复变化，使得船上推进器来回往复动作，最终会导致推进器来不及响应，定位失败。所以全球导航卫星系统GNSS需要配置运动参考单元（MRU），通过MRU来测量船舶摇摆的幅度，来实时校正GNSS的信号。 另外，船舶会随着海浪上下起伏，造成水听器反馈的信号反复变化，最终会导致跟踪失败。此时，MRU的作用再次凸显出来，MRU除了可以测量船舶的横摇和纵摇外，还可以测量船舶的上下起伏，利用MRU可以做升沉补偿，确保水听器不受船舶上下起伏运行的影响，顺利完成水下作业。 为了达到更好的测量效果，MRU通常需要安装在船舶重心位置，并且需要水平安装。所以MRU必须在下水前安装完毕。当然，根据实际情况MRU很难准确安装在船舶重心位置，所以计算机系统需要知道MRU的准确安装坐标，通过其与船舶重心的偏差来校正测量结果，以弥补安装上存在的缺陷。 ⒌供电系统 DPS操纵船舶的重点是控制发电机和供电的分配。多数DP船舶配备电力推进系统，功率消耗是通过柴油发电机和电动机驱动推进器，DPS能控制发电机灵活调节功率以避免不必要的功率消耗，并且在气象快速变化时能迅速调节功率。 典型的DP船舶电力系统单线图 DPS还配备不间断电源（UPS）用于防止主电源故障，如果船用交流电中断，UPS电源将给DPS供电至少30分钟。 ⒍推进器系统 推力器系统是动力定位系统的一个组成部分，用于产生力和力矩，来抗衡作用于船上的干扰力和干扰力矩。推力器一般来说是指螺旋桨，目前，国外各主要DP厂家的产品均符合IMO及主要船级社的要求，均能提供三个等级的产品，其产品均能提供手动、半自动和自动三种操作方式，对船舶的位置和艏向的控制可单独进行或两者同步进行。 DPS最终是通过控制推进器来控制船位，通常DP船舶上使用的推进器有三种：主螺旋浆推进器、侧推和方位推进器。主螺旋浆推进器无论是单浆还是双浆都适用于普通船舶，DP船舶的主推进器可能是可变螺距的或变速的，固定螺距推进器通过变频系统或直流马达实现变速，主螺旋浆推进器通常配备传统的舵和舵机，DPS安装包含舵机控制和舵角反馈。 但由于各家公司设计理念及产品用途的不同，产品的配置也不完全一样，但大体上均包括操控台、控制和信号处理单元、测量系统、动力推进系统和网络等。Kongsberg公司典型的动力定位系统SDP11(DP1)配置图见下图所示。 Kongsberg公司的SDP11 船舶动力定位系统的发展状况 船舶动力定位系统最初的应用开始于20世纪60年代。1961年，美国壳牌石油公司的钻井船Eureka号完成下水，很快自动控制推进器的设备就进行了装船，它是由HowardShatto设计完成的。这艘船配备了一套最基本类型的模拟式控制系统，并和外部的一个张紧索参考系统相连。除了主推进器外，还在船头和船尾加装了易于操纵的推进器，船长为40m，排水量为450000kg，船上装有动力定位系统后最显著标志是它具有多台推进器。 在第一批动力定位船舶中，最成功最著名的是“格洛马挑战者”号船舶，该船几乎遍游地球的每一个海洋，收集到水深达6100m处的岩心，为地质学上的发现尤其是为板壳结构理论提供了大量有利证据。第二代动力定位系统于20世纪70年代初开始形成，第二代动力定位船舶中最具有代表性的是“SEDC0445”号，该船于1971年投入营运，系统具有连续作业50天能力。“SEDC0445”号也装有多台推力装置，包括11只辅助推进器和2只主螺旋桨。与第一代动力定位系统相比，主要特点是采用了卡尔曼滤波等现代控制技术，各动力定位船舶都采用几乎相同的传感元件和数字计算机控制系统，而位置传感器则由单一型发展成综合型，在一个动力定位系统中可同时采用声学、张紧索和竖管角三种位置基准传感器，系统的各个原件都有冗余，可长期不间断地运行。 “格洛马挑战者”号 第三代动力定位系统于20世纪80年代初开始形成的，主要采用现代计算机技术和现场总线技术。经过多年的发展，动力定位系统的鲁棒性、灵活性、功能性和操作的简易性均提高到新的水平。其中典型的有Kongsberg公司的SDP11系列，Navis公司的NavDP4000系列，L3公司的NMS6000系列。 这些动力定位系统均具有开放性的结构，能够实现船舶位置和航向的高精度保持，广泛用于风力发电安装船、溢油回收船、平台供应船、铺管船、辅缆船、挖泥船、打桩船、半潜运输船、钻井平台、打捞船、起重船、无限区化学品船、LNG船等船舶和海洋工程领域。目前最先进的DP可以在2级流、6级风的海况下实现0.35m的位置定位精度，0.1°的艏向保持精度和1m的航迹保持精度。 船舶动力定位系统的控制策略 船舶在海上的动力学特性很难用精确的数学模型加以描述，而风、浪、流等外部随机干扰的统计特性也随着不同的海况而发生很大的变化且难以预知。如何对动力定位系统进行控制是动力定位系统需要解决的关键问题之一。应用于海上作业船舶和海洋平台动力定位系统的主要性能指标包括：动力定位系统能快速响应外界环境因素的影响，使船舶保持在预期的位置、艏向范围内或沿预期的航迹行驶，并且在确保动力定位系统安全可靠工作前提下使推进系统能耗最小。在此要求下，制定动力定位系统的控制策略时主要考虑以下约束条件： ⑴功率消耗 船舶能产生的功率数量是有限的，推力器只能使用其中的一部分。随着海况、作业类型、服役发动机的数目和故障情况的不同，所分配的功率的数量也有所不同，因此，执行机构得到的控制指令必须受到限制。为了达到最高的性能而不发生执行器饱和，在控制器和推力分配系统中都应考虑功率的约束限制。 ⑵推力器负载 推力器推力的大小与推力器的机械属性有关，是制定控制策略时要考虑的硬约束，如由电力推进产生的高峰值推力能损坏齿轮箱。因此，出于安全考虑，螺旋桨的转速必须受到约束。另外，光滑的推力变化对节约能源也有好处，因此，速度约束也应和与作业有关的功率约束综合起来考虑。 ⑶操作区约束 根据作业不同（如钻井、跟踪ROV、装载等），可能存在和工作区域相关的不同操作约束。为了达到操作条件下船舶的最大性能，常要求从性能或安全角度引入操作区约束，该约束一旦违反，作业可能发生灾难性的后果。 ⑷冗余度 理想的推进器能够产生任何方向的推力，一般情况仅由2个推进器就能组成推力系统。但由于目前单个推进器的推力容量有限，2个推进器无法满足推力容量的要求，同时推进器系统必须满足平台工作的可操纵性和可靠性，因此推进器系统中的推进器一般多于5个。这种情况下需要考虑推进器与船体以及推进器间的互相影响等因素，以及由多个推进器组成的冗余系统的控制问题。 综上所述，在制定船舶动力定位系统的控制策略时，不仅要考虑动力定位系统的控制精度，还需要考虑定位系统的响应速度与能耗。动力定位系统的控制是精度、功耗、负载、冗余度和响应速度等多约束情况下的优化控制问题。 近年来，随着我国船舶与海洋工程的迅速发展，作为船舶及海洋平台运营基础技术的动力定位系统必将得到更多的重视和发展。早在2010年，哈工大、708所、中海油和武汉船机就开始联合开发国产的动力定位系统。2013年在8月，首套样机DP-3动力定位系统在中国南海进行海试，通过了中国船级社验船师的检验，并获得了中国船级社颁发的“船用产品证书”，实现了国产动力定位系统零的突破，填补了国内空白。 国内研发动力定位系统的根本途径在于通过引进和消化国外先进的船舶动力定位系统技术，开展动力定位系统的体系结构、信息流程、控制策略、控制技术、推力分配、能力预测、故障模式影响分析及人机工程等关键技术研究，进行动力定位系统一体化设计，突破船舶动力定位的操作控制台、控制和信号处理单元、报警管理和综合信息显示等关键单元的设计，力争开发出功能达到国际先进水平的动力定位系统。
' n4 s: m" f" w1 r* Y0 C | 
) i% R% ~- x. l! T2 X Z
