張紅升

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海201208）

抓斗挖泥船移船絞車動態(tài)定位控制技術

張紅升

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海201208）

抓斗挖泥船深海作業(yè)時受到定位鋼樁長度限制，一般采用移船絞車定位方式施工。該方式特點是機動、靈活、挖深大、抗風浪能力強。實際應用中受到風浪流等外力影響，船位不斷發(fā)生變化，為保持船位需要對絞車進行動態(tài)定位控制。文中在分析抓斗挖泥船移船絞車動態(tài)定位控制需求的基礎上，采用動態(tài)定位和主動糾偏方法，建立移船絞車控制模型，提出一套動態(tài)定位控制方案。該方案能夠提高船舶定位精度，增強了船舶作業(yè)對風浪流環(huán)境的適應性。

挖泥船；移船絞車；動態(tài)定位

0 引言

21世紀是海洋資源開發(fā)的新世紀，世界各國把開發(fā)海洋、發(fā)展海洋經(jīng)濟和海洋產(chǎn)業(yè)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略目標。近年來我國加大對島嶼的開發(fā)與建設，大型抓斗挖泥船作為深海取料的重要裝備，越來越被人們重視。抓斗挖泥船深海作業(yè)時受到定位鋼樁長度限制，一般采用移船絞車定位方式施工。海上施工環(huán)境惡劣，風浪流等外力對船舶定位影響很大，簡單的移船絞車控制已經(jīng)不能滿足施工需要，這時需要引入移船絞車動態(tài)定位技術[1]。

本文在分析抓斗挖泥船移船絞車動態(tài)定位控制需求的基礎上，重點研究了動態(tài)定位控制流程、關鍵參數(shù)獲取方法和控制系統(tǒng)建模，提出一套動態(tài)定位控制方案。

1 移船絞車動態(tài)定位控制概述

本文依托《工信部聯(lián)裝[2012]539號》文批復的“大型抓斗式疏浚工程船及抓斗設備關鍵技術研究”項目的船體總體設計配置進行移船定位控制技術研究。目標抓斗船移船配置為：全船配備6臺1 000 kN移船絞車，船艉兩側(cè)各1臺，船艏抓斗機兩側(cè)各2臺。

移船絞車動態(tài)定位控制系統(tǒng)（以下簡稱“控制系統(tǒng)”）需要根據(jù)目標船型建立控制坐標系，利用目標船位和實時船位下移船絞車鋼絲繩出繩點到錨位的鋼絲繩長度變化量，控制移船絞車主動調(diào)節(jié)船位，進而達到動態(tài)控制船位目的[2]。

動態(tài)定位控制過程是絞車恒張力和自動移船的有機結(jié)合。拋錨結(jié)束后系統(tǒng)記下當前需要保持的船位坐標和艏向，開啟恒張力模式（恒張力大小根據(jù)當前檢測絞車鋼絲繩張力設定）。施工環(huán)境較好時，恒張力模式即可有效保持船位。施工環(huán)境惡劣，風浪流較大時，恒張力模式下船位可能發(fā)生較大偏移，需要采用自動移船技術將船位拉回目標船位。自動移船模式下控制系統(tǒng)需要實時獲取船體坐標、船體艏向、錨位坐標等重要數(shù)據(jù)[3]。

控制系統(tǒng)執(zhí)行過程由動態(tài)復原和動態(tài)定位組成。動態(tài)復原主要針對周期性外力（涌浪）引起船位偏移控制。動態(tài)定位主要針對不規(guī)則性外力（風-流）引起船位偏移控制。當船位發(fā)生偏移時，系統(tǒng)會首先執(zhí)行動態(tài)復原控制，當控制誤差大于設定值時采用動態(tài)定位進行船位糾偏。

2 關鍵參數(shù)的獲取

2.1 錨位坐標

控制系統(tǒng)需要獲取錨位坐標用于計算船體偏移鋼絲繩長度，在錨艇上安裝1套GPS，拋錨結(jié)束后，將錨位通過數(shù)傳電臺方式無線傳輸給母船[4]。

2.2 鋼絲繩長度

絞車收放鋼絲繩長度通過安裝在絞車軸上的絕對值編碼器獲取?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定和維護方便系統(tǒng)采用ELCO PAM58系列Profibus Dp總線型絕對值編碼器，接入西門子PLC控制系統(tǒng)。

2.3 鋼絲繩拉力

動態(tài)定位系統(tǒng)需要實時獲取絞車鋼絲繩的張力，為恒張力系統(tǒng)提供初始張力值，并在系統(tǒng)運行期間提供安全預警保護。移船絞車工作期間最多拉力可達1 000 kN，常規(guī)的鋼絲繩拉力檢測裝置不能滿足要求，而且大部分檢測裝置需要穿繩，不利于安裝維護。針對項目需求設計了1套檢測裝置。該傳感器利用的是三滾輪法（三點彎曲法）測量原理，采用電阻應變式測力傳感器，測量精度高，重復性好。活動式安裝，可對被測纜繩直接夾持，無需穿纜，可在不釋放鋼索張力的情況下，夾持于承載鋼索的任何位置，測出鋼索的靜、動張力。安裝、撤卸、使用及維護方便。滾輪安裝采用高強度密封軸承，環(huán)境適應力強，在線應用，不影響走纜，輸出信號可選0~5 V或4~20 mA輸出，實船安裝效果見圖1。

圖1 鋼絲繩拉力傳感器Fig.1Wire rope tension sensor

3 動態(tài)定位控制建模

3.1 控制系統(tǒng)坐標系

建立控制系統(tǒng)坐標系，規(guī)定船尾中心點位置為虛擬參考點。參考點位置為三維坐標系原點，原點至船首方向為x軸正方向，原點至左舷方向為y軸正方向，原點至船底方向為z軸正方向。

實際施工過程中，首先將6個錨拋入水中，并記下拋錨點的坐標。艏左1號錨（X1，Y1，Z1）、艏左2號錨（X2，Y2，Z2）、艏右1號錨（X3，Y3，Z3）、艏右2號錨（X4，Y4，Z4）、艉左錨（X5，Y5，Z5）、艉右錨（X6，Y6，Z6）根據(jù)建立的坐標系設定GPS天線在船體的安裝坐標（Xg，Yg，Zg）。因為GPS安裝位置相對于參考點不變，所以由GPS天線在船體的安裝坐標（Xg，Yg，Zg）和船體艏向可以推算出各個絞車出纜器點坐標：艏左1號錨（XC1，YC1，ZC1）、艏左2號錨（XC2，YC2，ZC2）、艏右1號錨（XC3，YC3，ZC3）、艏右2號錨（XC4，YC4，ZC4）、艉左錨（XC5，YC5，ZC5）、艉右錨（XC6，YC6，ZC6）。由空間內(nèi)兩點之間的距離可以計算出6個錨到出纜器點的長度L1、L2、L3、L4、L5、L6。

3.2 控制模型

1）動態(tài)復原

動態(tài)復原模式下，拋錨結(jié)束，系統(tǒng)會根據(jù)當前絞車鋼絲繩拉力補償一定系數(shù)后設定恒張力值，開啟恒張力模式，并記下當前各絞車岀纜器點到錨位的長度L1、L2、L3、L4、L5、L6。當外力使船位偏移時，各絞車岀纜器點到錨位的長度變?yōu)長11、L22、L33、L44、L55、L66。兩次長度相減即可獲得船位偏移后各個絞車的收放量，在錨位不變的情況下，系統(tǒng)控制各個絞車以差值長度進行反向動作，使岀纜器點到錨位的長度復原為：L1、L2、L3、L4、L5、L6。船位即可復原。但是有與外力的復雜性、系統(tǒng)檢測誤差和執(zhí)行機構(gòu)的累積誤差，動態(tài)復原后船位誤差可能較大。這時系統(tǒng)將啟動動態(tài)定位模式，主動進行船位糾偏。

2）動態(tài)定位

當船位發(fā)生偏移，動態(tài)復原誤差大于設定值時，動態(tài)定位模式啟動。動態(tài)定位模式開啟時系統(tǒng)記下了目標船位和艏向。并記錄了目標船位各絞車岀纜器點坐標、錨位坐標、出纜器到錨位的長度。當船位偏移時根據(jù)偏移后GPS坐標和船體艏向，可以推算出當前船位6個絞車的目標岀纜器坐標：艏左1號錨（XC1′，YC1′，ZC1′）、艏左2號錨（XC2′，YC2′，ZC2′）、艏右1號錨（XC3′，YC3′，ZC3′）、艏右2號錨（XC4′，YC4′，ZC4′）、艉左錨（XC5′，YC5′，ZC5′）、艉右錨（XC6′，YC6′，ZC6′）。因為在不走錨的情況下6個錨的坐標是固定不變的，所以由空間內(nèi)兩點之間的距離可以計算出船偏移后6個錨到岀纜器的鋼纜長度L1′、L2′、L3′、L4′、L5′，L6′。船位偏移示意圖如圖2。將計算的幾個長度值代入式（1）即可獲得船位偏移前后鋼纜長度變化量ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔL5和ΔL6。

式中：ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔL5和ΔL6為船位偏移后鋼纜長度變化量。系統(tǒng)控制6臺絞車使鋼纜長度調(diào)整ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔL5和ΔL6的長度，船位移動到目標點，首次動態(tài)定位結(jié)束。實際施工過程中由于受到風浪、鋼絲繩形變及系統(tǒng)檢測誤差影響，首次定位后船位與目標船位會有誤差。控制系統(tǒng)設定首次定位的最大允許誤差，誤差超限時系統(tǒng)默認會進行二次補償定位，重復首次定位的過程[6]。

圖2 坐標系及動態(tài)定位示意圖Fig.2Schematic diagram of coordinate system and dynamic positioning

4 結(jié)語

本文以項目目標抓斗挖泥船為對象，分析了6臺移船絞車動態(tài)定位控制原理和方法，重點研究了移船絞車動態(tài)定位控制系統(tǒng)關鍵參數(shù)的獲取方法、控制流程和控制系統(tǒng)建模，提出一套動態(tài)定位控制方案。

[1]繆袁泉，田雨，張紅升，等.抓斗挖泥船抓斗機自動控制技術[J].中國港灣建設，2014（12）：47-50. MIAO Yuan-quan,TIAN Yu,ZHANG Hong-sheng,et al.Automatic control technologies for grab machine of grab dredger[J]. China Harbour Engineering,2014(12):47-50.

[2]魏遼國，葉勇，石康，等.新型移動式移船定位絞車的應用[J].船舶標準化工程師，2015（1）：56-58. WEI Liao-guo,YE Yong,SHI Kang,et al.Application of new movable type mooring position winch[J].Ship Standardization Engineer, 2015(1):56-58.

[3]胡斌.工程船定位移船系統(tǒng)設計探討[J].廣東造船，2014（4）：62-64，61. HU Bin.Mobile mooring system of engineering ship[J].Guangdong Shipbuilding,2014(4):62-64,61.

[4]張紅升，繆袁泉，聞峣，等.絞吸式挖泥船三纜定位控制系統(tǒng)設計[J].機電設備，2014（3）：56-58. ZHANG Hong-sheng,MIAO Yuan-quan,WEN Yao,et al.Design of Christmas Tree control system for cutter suction dredger[J]. Mechanical and Electrical Equipment,2014(3):56-58.

[5]張媛.遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的工程船舶控制方法的研究[D].武漢：武漢理工大學，2005. ZHANG Yuan.Research on using genetic algorithm to optimize fuzzy controller on ship′s controller[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2005.

[6]汪鑫.基于串聯(lián)造船的無裝置移船定位精度控制[J].科技創(chuàng)新導報，2010（16）：103. WANG Xin.Accuracy control of shipless positioning based on tandem shipbuilding[J].Science and Technology Innovation Herald, 2010(16):103.

Dynamic positioning control technology of shifting winch for grab dredger

ZHANG Hong-sheng
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

The deep sea operation of grab dredger is limited by the positioning steel pile length,generally uses the shifting winch to moving the ship.The way is characterized by mobility,flexibility,digging deep,strong ability to resist wind and waves. As against the wind,waves and flow of practical application,and many other forces outside,the ship position changed constantly,in order to maintain the position,it is needed for dynamic positioning control of winch.Based on the analysis of the dynamic positioning control requirements of the Grab dredger,we used the dynamic positioning and active correction method to establish the control model of the ship winches and put forward a set of dynamic positioning control scheme.The scheme can improve the accuracy of ship positioning,and enhance the adaptability of ship operation to wind,waves and flow environment. Key words：dredger;shifting winch;dynamic positioning

U615.351

A

2095-7874（2017）07-0069-03

10.7640/zggwjs201707016

2017-02-28

2017-04-21

工信部國家年度重大裝備專項資金項目

張紅升（1983—），男，上海市人，工程師，從事疏浚船舶自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計研究工作。E-mail：81673740@qq.com