錢小斌，尹　勇，張秀鳳（大連海事大學 航海動態(tài)仿真和控制實驗室，遼寧 大連 116026）

船舶動力定位模擬器自動定位功能研究與實現

錢小斌，尹勇，張秀鳳
（大連海事大學 航海動態(tài)仿真和控制實驗室，遼寧 大連 116026）

為了自主研發(fā)功能完備、擴展性好的船舶動力定位模擬器，分析船舶動力定位模擬器中各個模塊的功能，對現有航海模擬器的系統架構進行改進，提出適用于多單元協同仿真的船舶動力定位模擬器系統架構。根據動力定位系統自動定位模式的原理，設計動力定位控制器和推力分配算法，提出使用 Direct2D 圖形技術來設計動力定位人機交互界面。最后在所設計的動力定位模擬器系統架構下，以 1 艘動力定位供給船為仿真對象實現在不同海況條件下的自動定位功能和系統信息顯示，并驗證算法的有效性。

動力定位模擬器；系統架構；自動定位；人機界面

0　引 言

動力定位系統由導航系統、控制系統、推進系統及動力系統組成，其運行模式包括手動模式、自動定位模式、自動區(qū)域定位模式、目標跟蹤模式等［1］。動力定位模擬器是模擬動力定位船舶在海上作業(yè)時動力定位系統的操作和運行，主要用于人員培訓和適任評估［2-3］。研究如何將諸多仿真單元高效、系統地整合為一個有機整體是研究動力定位模擬器的前提，這就需要研究運行效率高、擴展性強的動力定位模擬器系統架構。文獻［4］開發(fā)的船舶操縱模擬器是虛擬現實技術在航海領域應用的一個成功案例。但操縱模擬器系統架構中的仿真節(jié)點負擔過重［5］，如海圖機同時負擔海圖軟件運行、數學模型解算、網絡數據收發(fā)和轉發(fā)等任務。為了能夠成功地研制出船舶動力定位模擬器，本文分析動力定位系統各個模塊的功能，在原有航海模擬器系統架構的基礎上進行改進，提出適用于多單元協同仿真的船舶動力定位模擬器系統架構。

動力定位系統經歷了經典控制理論、現代控制理論和智能控制技術 3個階段。目前大多數動力定位系統產品以第2 代現代控制理論技術為主，由 Balchen 等首先提出［6］。隨后 Saelid和 Fung 分別采用頻率自適應算法和自校正卡爾曼濾波器算法進行了改進和擴展［7-8］。在動力定位系統人機交互界面仿真方面，徐榮華等采用 VC 開發(fā)了半物理半仿真動力定位系統平臺［9］，吳楠等使用 VB和 Matlab 混合編程實現了界面的仿真［10］，施吉偉使用 VC和 Matlab 混合編程實現了界面的仿真［11］，劉學軍使用 WPF 技術實現了界面的仿真［12］。

針對船舶在不同海況條件下受到非零均值環(huán)境擾動的自動定位問題，在消化吸收現階段的動力定位系統的相關理論研究成果，本文建立帶有積分器的線性二次型動力定位控制器和推力分配算法，采用 Direct2D圖形技術對挪威康斯伯格海事公司的K-Pos 動力定位系統的人機交互界面進行仿真，并在所設計的架構下實現了船舶在不同海況條件下的自動定位功能。

1　船舶動力定位模擬器系統架構

1.1設計思想

挪威船級社對動力定位模擬器的等級劃分為 A、B、C和 S，其中 A 級為最高級的全功能船舶動力定位操縱模擬器［1］。動力定位船舶可用于單船作業(yè)（鉆井平臺定位），也可應用于海上多船協同作業(yè)（如浮式生產儲存裝載單元作業(yè)等），因而模擬器需要實現多船交互功能。因此，DP 模擬器應是一個多船協同仿真系統，采用分布交互式仿真技術，將不同房間的船型和教練員站連接在同一個網絡中，同時將不同單元的子系統進行整合，從而實現整個系統的互聯和實時運行。

為解決現有航海模擬器系統架構中各個網絡節(jié)點（海圖機）存在負擔過重的問題［5］，在動力定位模擬器系統架構中進行以下改進：

1）船舶運動數學模型解算的任務將由 DP 機實現，對于滿足 DP2的系統（含 2 套 DP 機），由主 DP 機實現。則 DP 機需要實時解算船舶運動數學模型、動力定位控制系統功能解算等。

2）增加 1臺網絡服務器，用于網絡數據的接收和轉發(fā)。系統中各個計算機將數據發(fā)送給服務器，服務器再將接收的數據轉發(fā)給其他計算機。

因此，網絡通信結構在軟件上由樹形拓撲結構變?yōu)樾菭钔負浣Y構（見圖1），通信協議采用 TCP/IP協議。

圖1　動力定位模擬器系統架構Fig.1　System architecture of dynamic positioning simulator

1.2系統組成

動力定位模擬器由 1個教練員站和多個船構成，各個本船根據其大小可布置在同一房間或不同的房間中，系統構成如圖1所示。DP 模擬器的關鍵技術包括船舶運動數學模型、數據處理與濾波技術、動力定位控制算法、推力分配算法、三維視景顯示技術、計算機網絡技術、DP 故障與評估模型等。

教練員站主要用于教師對學員進行教學和講評，并控制學員站的運行，由教師機、網絡服務器、本船視景監(jiān)控終端、DP 機操作界面監(jiān)控終端、閉路電視視頻監(jiān)控、投影儀和打印機等組成。本船單元由 DP機、視景系統、雷達、ECDIS、報警機、望遠鏡以及傳感器（位置參考系統、風傳感器、首向傳感器）等模擬設備組成，其中 DP 機、報警單元、傳感器是主要的模擬對象。而所有仿真設備的數據通信均需通過網絡服務器進行轉發(fā)。

2　船舶自動定位功能仿真

針對船舶受到非零均值環(huán)境擾動下的自動定位問題，動力定位控制器根據該測量位置和期望位置的偏差計算所需的控制力，同時與風擾動的前饋補償疊加，通過推力分配得到各個推進器的推力，以克服環(huán)境擾動使船舶自動定位，最后由船舶運動數學模型計算出船舶的運動狀態(tài)，并在人機交互界面中顯示相關信息，如圖2所示。

圖2　自動定位模式的工作原理Fig.2　Principle of auto position model

2.1船舶動力定位系統的數學模型

船舶水面動力定位只考慮縱蕩、橫蕩和首搖 3個自由度。如圖3所示，向量表示船舶在北東坐標系 O0X0Y0下的位置和航向，向量表示船舶在隨船坐標系下的水平速度和首搖角速度。由于船舶首向變化很小，應用小角理論，引入船體平行坐標 OpXpYp，原點 Op是在期望位置位置向量可表示為則動力定位船舶在海面運動的數學模型表示為［13］：

圖3　船體平行參考系統Fig.3　Vessel parallel coordinates

式中：M為含附加質量的慣性矩陣；C為科氏向心力；D為線性的阻尼矩陣；g為恢復力和力矩；τ為推進器實際產生的推力；τE為環(huán)境擾動；R（ψ）為旋轉矩陣。

2.2環(huán)境擾動模型

動力定位船舶在自動定位過程中，處于低速或靜止狀態(tài)，易受到風浪等海洋環(huán)境擾動的影響，為此建立海洋環(huán)境擾動模型。

風對船舶的作用力和力矩的計算可按如下計算［14］：

式中：ρa為空氣密度；CX、CY和 CN為風壓力（矩）系數，本文采用 Isherwood 經驗公式計算獲得；AT和AL分別為船舶水線以上正投影面積和側投影面積；L為船長。

1階波浪力和力矩采用文獻［15］的波浪擾動力算法。2階波浪力和力矩采用 Daidola 提出的波浪漂移力和力矩的計算公式［16］：

式中：ζ為波高；χe為遭遇浪向角；Cxw，Cyw，Cnw均為波浪漂移力系數。

2.3控制器的設計

針對船舶受到非零均值的海洋環(huán)境擾動的影響，設計帶有積分器的線性二次型最優(yōu)控制的動力定位控制器。同時通過擴展卡爾曼濾波器可得到低頻的運動狀態(tài)。船舶處于低速或靜止狀態(tài)，忽略科氏向心力和回復力，引入積分項，根據式（1）可得到線性狀態(tài)空間表達式［13］：

系統矩陣為：

控制輸入矩陣和擾動輸入矩陣為：

狀態(tài)輸出矩陣為：

海洋環(huán)境風的作用可視為緩慢變化，并根據風傳感器測量計算得到近似的風力（矩）大小，可以將其近似前向反饋，因此 τ 可分為 2 部分，一部分是用于克服低頻運動的力（矩），另一部分則是前向反饋風的干擾力（矩），可表示為：

LQ 控制器的最優(yōu)性能指標函數 J為［17］：

則用于克服低頻運動的力（矩）表示為：

其中 P為黎卡提矩陣代數方程 ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0的解。

2.4推力分配模型

推力分配系統是動力定位系統的重要組成部分，推力分配模型將控制器發(fā)出虛擬控制力 τ 轉化為對推進器的轉向 α和轉速 u，即［13］：

式中：f為推進器的推力；T（α）為推進器布置矩陣；K為推力系數。

由于推進器機械特性的約束，將推力分配優(yōu)化問題轉化為二次規(guī)劃問題的求解，優(yōu)化的目標函數為［18］：

約束條件：

式中：W為各個推進器的能耗權值矩陣；Ω為舵的變化頻率權值矩陣；Q為推力分配的推力誤差權值矩陣。

2.5人機交互界面的設計

人機交互界面能夠直觀地顯示動力定位船舶的運行狀態(tài)，DP 操作員通過人機交互界面完成對 DP 系統的操作。為實現 DP 模擬器的環(huán)境真實感，要求仿真界面應與真實 DP 系統的界面一致或者接近。本文以Visual Studio 2010為開發(fā)平臺，使用 Direct2D 圖形技術，對 Kongsberg 公司的K-Pos 動力定位系統的人機交互界面進行仿真。

Direct2D 圖形技術支持硬件加速，具有抗鋸齒等優(yōu)點，繪圖性能優(yōu)于傳統的GDI（Graphics Device Interface，圖形設備接口）。為了能夠方便實現代碼的移植，將Direct2D中常用的底層圖形函數接口（即點、線、面、字符串的繪制接口）進行了重新封裝，所需繪制的圖形通過自定義的函數接口繪制。從而，可以通過更換底層的封裝函數就可以實現使用其他圖形技術的開發(fā)，適合平臺的移植。其中“自動定位模式”的仿真界面效果如圖4所示。

圖4　“自動定位”模式的人機交互主界面Fig.4　Man-machine interaction interface of “Autopos” mode

3　仿真實驗

在所設計的船舶動力定位模擬器系統架構下，將相關算法和人機交互界面進行集成，用于驗證本文所設計的控制算法和模型，以1艘動力定位供給船為實驗對象，進行船舶自動定位模式的仿真。該供給船的無因次慣性矩陣和阻尼矩陣分別為［19］：在仿真實驗中，船舶的起始位置是期望位置為進行2次仿真實驗，環(huán)境擾動變量分別設置為：1）風速為 8kn，真風向為 180°，有義波高為 1m，浪向為0°，相當于 3 級海況 3 級風；2）風速為 12kn，真風向為 45°，有義波高為 2m，浪向為 225°，相當于 4 級海況 4 級風。仿真時間為 1 000 s，實驗結果如圖5和圖6所示。

圖5　3 級風和 3 級海況的實驗結果Fig.5　Experiment result of Beaufort No.3 and Sea State 3

圖5和圖6是人機交互界面軟件的“Posplot” 視圖，每個網格間距（Grid）為 4m，中心點為期望位置，黑色曲線為船舶的運動軌跡，可以看出，船舶在不同海況條件下，帶有積分器的線性二次型最優(yōu)控制器能夠克服船舶所受到的非零均值外界海洋環(huán)境擾動，快速回到期望位置，控制性能良好，實現了船舶的自動定位。

圖6　4 級風和 4 級海況的實驗結果Fig.6　Experiment result of Beaufort No.4 and Sea State 4

4　結 語

本文根據船舶動力定位模擬器的功能需求，設計具有星型網絡拓撲結構的船舶動力定位模擬器系統架構。根據自動定位模式下的DP 系統工作原理，建立海洋環(huán)境擾動下的船舶運動數學模型，設計動力定位控制器和推力分配模型，提出采用 Direct2D 圖形技術來開發(fā)動力定位系統的人機交互界面。最后在所設計的系統架構下，以1艘動力定位供給船為仿真對象，實現了船舶在環(huán)境擾動下的自動定位。進一步的研究工作是研究動力定位系統的其他工作模式仿真，如目標跟蹤、航跡控制等，實現動力定位模擬器的全部功能。

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Auto position function research and implementation for ship dynamic positioning simulator

QIAN Xiao-bin，YIN Yong，ZHANG Xiu-feng
（Key Laboratory of Marine Simulation and Control，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China）

In order to develop the full-featured dynamic positioning simulator with good extensibility，the function of each module of DP system is analyzed.System architecture is designed and improved based on the existing navigation simulator.According to the principle of auto position mode，DP controller and thruster allocation algorithm are designed.Human-machine interface module is developed by using Direct2D graphics technology.Under the architecture of DP simulator，the simulation experiments verify the effectiveness of the proposed algorithm，which can simulate Auto Position and system information display.

dynamic positioning simulator；system architecture；auto position；man-machine interface

U674.38

A

1672-7619（2016）07-0039-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.009

2015-12-28；

2016-02-02

863課題資助項目（2015AA016404）；海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目（201505017-4）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（No.313204330）

錢小斌（1989-），男，博士研究生，研究方向為交通信息工程與控制、航海仿真、虛擬現實技術。