史斌杰，吳喆瑩

（上海交通大學，上海 200240）

0 引 言

隨著深海技術的不斷發(fā)展和推進，動力定位系統(tǒng)被逐漸廣泛地應用在一些工程船和海洋調查船上。近幾年，一些新造的港作船和大噸位的客滾船上也裝有動力定位系統(tǒng)[1]。本文將分別從動力定位系統(tǒng)的3個組成部分——位置測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力系統(tǒng)分析動力定位系統(tǒng)的最新技術進展。

1 位置測量系統(tǒng)

動力定位系統(tǒng)能達到的精度首先取決于位置測量系統(tǒng)獲得數(shù)據的精度和速度。只有以足夠的速度和精度獲取所需的信息，才能使控制器計算出推力器指令，使船舶完成預定的任務?？刂葡到y(tǒng)所需的信息包括船舶位置、艏向以及外部干擾力的信息，這些都是由位置測量系統(tǒng)提供的。所以對于動力定位的位置測量系統(tǒng)，不僅要求有非常高的精度，還要有非常高的速度。

動力定位系統(tǒng)主要有如下幾種常用測量系統(tǒng)：聲學系統(tǒng)、張緊索系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。各種測量系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點。聲學系統(tǒng)具有較好的精確度，但會受到瞬時或短時間段的干擾；張緊索系統(tǒng)在長時間段內會發(fā)生偏移，所以精確度不如聲學系統(tǒng)，但張緊索不會受瞬時或短時間段的干擾；無線電系統(tǒng)具有較高的精確度，但是抗干擾性能較差，容易受到無線電波、天氣等的干擾，并且覆蓋使用范圍受到信號的限制；全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠迅速、準確、全天候地提供定位導航信息，是目前應用比較廣泛、精度也比較高的定位系統(tǒng)[2]，但成本較高，且相關技術受到有關國家的壟斷。

在最新的位置測量系統(tǒng)中，一般應用2種及2種以上的測量方法，以達到高精度，高速度，抗干擾的良好效果。挪威康士伯公司的幾款最新動力定位系統(tǒng)就是將無線電系統(tǒng)和差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）相結合來測定位置信息。如同時運用無線電系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，既可保證高精度，又可彌補無線電系統(tǒng)抗干擾性差的不足。雖然此類方法有著良好的效果，但是若要覆蓋全球范圍進行定位，綜合運用成本較高，所以目前還沒有被廣泛應用。但采用多種測量方法，特別是無線電和DGPS聯(lián)合運用，將是位置測量系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個動力定位系統(tǒng)的核心部分。動力定位系統(tǒng)的精度和速度直接取決于控制系統(tǒng)的性能，因此如何提高控制系統(tǒng)的性能成為了動力定位系統(tǒng)發(fā)展中的關鍵問題，也標志著動力定位系統(tǒng)的發(fā)展水平。目前動力定位系統(tǒng)的主要控制技術如下：

1)PID（比例-積分-微分）控制：比較成熟，操作簡單，價格便宜，又有著廣泛的應用，所以早期都采用此技術。但是隨著對精度和速度的要求不斷提高，PID控制已經不能滿足人們的需求，目前已很少使用。

2)LQG（線性二次高斯型）控制：解決了控制中由于濾波而導致的相位滯后問題，并在節(jié)能、安全、魯棒性能上都有比較大的進步，控制精度和響應速度也滿足了大部分需求，是目前動力定位系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制技術[3]。

3)智能控制：包括模糊控制和神經網絡控制等。在一定程度上模仿人的智能控制，具有良好的控制性能。如模糊控制有不依賴于對象的精確數(shù)學模型，抗干擾能力強，響應速度快，魯棒性好的特點，而神經網絡控制具有自適應學習功能和容錯能力強等特點。從上世紀90年代起，特別是本世紀，智能控制方法在動力定位系統(tǒng)中獲得了廣泛應用[3]。

目前，雖然使用最為廣泛的依然是傳統(tǒng)的LQG控制，但是智能控制已有取而代之的趨勢。將遺傳算法[4]、蟻群算法、動態(tài)模糊神經網絡[5]、模型預測等新型智能算法應用到動力定位控制系統(tǒng)，并取得了重要的研究成果。挪威康士伯公司新推出的綠色動力定位控制模式運用了一種新型的智能控制技術——非線性模型預測控制。該技術在2001年挪威船舶展覽會上首次被引入到動力定位系統(tǒng)中。該控制模式由兩部分組成∶環(huán)境補償器和模型預測控制器。環(huán)境補償器是提供一個緩慢變化的推力指令，來補償一般的環(huán)境作用力，使得響應更為緩慢和光滑，對變化環(huán)境的反應也更理想；非線性模型預測控制器是通過不斷地求解一個精確的船舶非線性動態(tài)數(shù)學模型，來預測未來船舶的行為以進行控制。模型預測控制算法的計算比一般用于動力定位的傳統(tǒng)控制器設計更加復雜且更為耗時，主要有3個步驟：(1)利用非線性船舶模型預測運動；(2)尋找階躍響應曲線；(3)定義和求解計算將使用的“最佳可能”推力的最優(yōu)化任務。

動力定位船舶在正常作業(yè)期間，外部環(huán)境的作用力變化不大，船位于工作區(qū)邊界以內，此時，僅需一個基于QL理論的動力定位最優(yōu)控制器—EC產生緩慢變化的推力指令來補償平均環(huán)境作用力。當外部作用力突然發(fā)生變化，如陣風等作用時，船舶不會馬上作出反應，這樣減少了不必要的推力器損耗，但是，一旦模型預測到船舶運動軌跡超出工作區(qū)或操作區(qū)，非線性模型預測控制器就會迅速產生作用，由這兩個控制器聯(lián)合作用，產生最優(yōu)的動態(tài)推力使預測軌跡盡可能地接近工作區(qū)邊界，而使船不違反約束邊界。此類控制方法確保了在任何外部條件情況下消耗最低功耗來達到符合精度要求的定位[6]。目前國內對模型預測控制在動力定位系統(tǒng)中的研究還停留在線性層面，非線性層面研究才剛剛起步。

在最新的控制系統(tǒng)中，一般都存在著多種控制模式來滿足不同海況下的不同定位要求。挪威康士伯公司最新的控制系統(tǒng)中采用3種不同的控制模式：高精度控制模式、放松控制模式和綠色動力定位控制模式來分別適應不同的條件和要求。一個動力定位控制系統(tǒng)中存在多種控制模式，特別是智能控制模式，在不同情況下都能達到最佳定位是動力定位控制系統(tǒng)的最新發(fā)展方向。

3 推力系統(tǒng)

推力系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)的執(zhí)行機構，其作用是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的一系列推力指令，形成一個時變的推力系統(tǒng)，以抵消外在的時變環(huán)境載荷。此推力系統(tǒng)包括一個特定方向的水平力和一個艏搖彎矩。理想的推進器能夠產生任何方向的推力，而僅需要2個推進器就能夠產生這個瞬時的推力系統(tǒng)。但由于目前單個推進器的推力容量有限，僅僅2個推進器無法滿足推力容量的要求，同時推進器系統(tǒng)必須滿足平臺工作的可操縱性和可靠性，因此推進器系統(tǒng)中推進器一般多于5個，但不是越多越好，因為還要考慮到推進器與船體以及推進器間的互相影響等因素[7]。由多個推進器組成的系統(tǒng)便成了一個冗余系統(tǒng)，存在無數(shù)多個不同大小和方向的推力組合，均能滿足特定的水平力和艏搖彎矩。

推力分配問題是一個多約束情況下的最優(yōu)化問題，目前解決方法有Johan Wichers提出的推力器分組法[8]、0.J.Serdalen提出的奇異值分解和濾波法[9]、S. P. Berge等提出的阻尼最小方差法[10]、William C. Webster提出的線性規(guī)劃法[11]、T. A. Johansen提出的二次規(guī)劃法[12]等。近年來，新型的智能算法在解決推力分配問題中也有應用[13]，取得了較好的效果。

最新的動力定位系統(tǒng)的推力分配除了正常工作時的推力分配，還要求在系統(tǒng)部分受損的情況下，依然能夠進行合理的推力分配以達到定位。

按照IMO的分類[14]，現(xiàn)有3種不同冗余度的動力定位系統(tǒng)：第一種是無冗余的動力定位系統(tǒng)，即系統(tǒng)受到一定的干擾和損壞就不能完成定位任務；第二種是有冗余的動力定位系統(tǒng)，即系統(tǒng)在單個設備有故障的情況下依然能夠完成定位；第三種是有備份的動力定位系統(tǒng)，即在整個系統(tǒng)受到嚴重破壞的情況下，可以啟動備用系統(tǒng)進行動力定位。目前，有備份的動力定位系統(tǒng)已經占據主導地位，控制系統(tǒng)和位置測量可進行較簡單的備份來解決問題，但是推力系統(tǒng)卻不能，因為一旦增加了推進器數(shù)量，那么對原系統(tǒng)的推力分配就是顛覆性的，需要重新計算最優(yōu)解，并且要計算在部分推進器無法工作的情況下依然合理分配推力，推力分配將變得非常復雜。所以挪威康士伯等公司的動力定位推力系統(tǒng)的最新技術已解決了此類推力分配問題。

4 結 語

自上世紀 60年代第一艘裝有自動反饋系統(tǒng)的動力定位船“尤勒卡”號下水以來，動力定位系統(tǒng)不斷地發(fā)展和成熟，并得到廣泛應用，目前正朝著以下幾個方向進展：

1)提高精度，確保準確定位。提高精度是動力定位系統(tǒng)的定位任務性質所要求的。采用更先進的智能算法優(yōu)化控制系統(tǒng)是提高精度的必然手段，同時改進位置測量系統(tǒng)，規(guī)范測量方法，提高測定參數(shù)的精度。

2)提高速度，確?？焖俣ㄎ?。從偏離位置到達指定位置的時間是動力定位系統(tǒng)的一項重要指標。采用更先進的智能算法優(yōu)化控制系統(tǒng)同樣是提高速度的最主要手段。同時優(yōu)化推力分配也能提高推進系統(tǒng)的效率，達到提高速度的目的。

3)提高可靠性，確保安全定位。提高可靠性是對動力定位系統(tǒng)提出的新要求和新任務。即不僅要求在正常情況下快速、準確地到達指定位置，還要求在某些設備和部件發(fā)生故障的情況下，依然能夠進行準確定位。

目前，國內使用的動力定位系統(tǒng)基本被康士伯等跨國公司壟斷，而自主開發(fā)的動力定位系統(tǒng)幾乎沒有，與國外的差距較大。但是隨著綜合國力的增強，憑借廣大科研工作者不懈的努力奮斗，使我國自主開發(fā)研制的動力定位系統(tǒng)將在國際和國內市場上占有一席之地，并達到世界先進水平。

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