孫程琳 劉現(xiàn)亮

船舶動力定位系統(tǒng)從20世紀70年代逐漸發(fā)展起來，在海洋工程、科學考察等領域有著重要的用途。隨著船舶電力推進的成熟和自動控制理論的發(fā)展，動力定位系統(tǒng)的性能不斷提高，應用領域也在不斷擴大。在我國當前的海上專業(yè)救助船中，DP技術也得到了循序漸進的應用。從早期的DP-0到后來的DP-2，專業(yè)救助船對DP技術一直在不斷實踐和探索。本文通過總結分析DP技術的實踐，以提高海上救助能力為目的，展望DP技術在專業(yè)救助船上的應用前景。

一、DP技術的概述

DP系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）系指僅用推進器的推力保持其自身位置（固定的位置或預先確定的航跡）的操作系統(tǒng)，一般的系統(tǒng)組成為：1.動力系統(tǒng)；2.推力器系統(tǒng)；3.動力定位控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)。

DP系統(tǒng)分級：

DP-0：船舶裝備一套集控手操的集中控制系統(tǒng)，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP-1：船舶裝備一套能夠自動保持艏向的集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)可以是操作手柄集中控制，也可以是電腦自動控制，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP-2：船舶裝備兩套能夠自動保持艏向的集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)可以是操作手柄集中控制，也可以是電腦自動控制，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP-3：船舶裝備三套能夠自動保持艏向的集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)可以是操作手柄集中控制，也可以是電腦自動控制，其中兩套控制系統(tǒng)等同于DP-2，第三套能夠自動保持艏向的集中控制系統(tǒng)需要分開并單獨配置，作為應急之用，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP系統(tǒng)的分級主要依據系統(tǒng)的可靠性和冗余度，而不是依據精度。

二、當前專業(yè)救助船的DP系統(tǒng)應用現(xiàn)狀分析

在專業(yè)救助船主力船型中DP系統(tǒng)的應用水平隨著DP技術的發(fā)展逐漸升級。DP系統(tǒng)的應用階段大致為：2010年之前建造的船舶為DP-0系統(tǒng)；2010年—2014年建造的船舶為DP-1系統(tǒng)；2014年之后建造的船舶上，DP-2系統(tǒng)開始應用。下面以DP-2系統(tǒng)專業(yè)救助船為例，簡要介紹DP系統(tǒng)在專業(yè)救助船上的具體應用。

（一）船舶參數(shù)

船舶類型:14 000千瓦旗艦級專業(yè)救助船，總長：116.95米，型寬：16.2米，型深：7.8米，總噸：4 747，DP等級：IMO DP-2。

全船安裝了兩臺主機（單臺最大持續(xù)功率7 200千瓦），通過齒輪箱與軸系驅動兩個可調距螺旋槳（每臺螺旋槳直徑3 450毫米，有四個葉片），每個齒輪箱配備PTO（POWER-TAKEOFF）驅動軸帶發(fā)電機。船上同時配備了三臺柴油發(fā)電機組（每臺功率500千瓦）。船首部安裝了兩臺（單臺電機輸入功率為1 140千瓦）、船尾部安裝了1臺（單臺電機輸入功率為780千瓦）管道式側向推進器用于船舶機動和動力定位。全船安裝了兩套獨立的轉葉式舵機，每個包含帶獨立動力單元的液壓執(zhí)行機構。

（二）本船的冗余的定義描述

對本船而言，冗余的要求只有在發(fā)電機和柴油機的運行狀態(tài)下才得以實現(xiàn)，也就是說某臺柴油機和發(fā)電機停止之后的重新啟動再參與船舶定位不被認為是冗余。

本船只有一臺艉側推，停止之后的重新啟動并快速為DP系統(tǒng)接納，重新參與定位，但其操作的簡單性和快速性需要在試驗得到確認，如果滿足要求，將被認同為冗余。

本船動力和推進系統(tǒng)分為兩個冗余分組，每一分組依靠自身的動力，定位和控制系統(tǒng)就能使船舶保持一定的定位能力。所以最嚴重的單點故障影響不能超出一個冗余分組的范圍。鑒于一號艏側推有更大的轉船力矩，其所在的冗余分組失效被認為是嚴重單一故障。

（三）本船的DP系統(tǒng)配置圖（見圖1）

圖1 14 000千瓦旗艦級專業(yè)救助船DP系統(tǒng)配置圖

從圖1可以看出，DP系統(tǒng)是動力系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)的計算中心和指令中心，三個系統(tǒng)之間循環(huán)相互作用，以便DP系統(tǒng)效能達到最佳。

（四）本船DP系統(tǒng)相關的傳感器

兩個Seatex運動姿態(tài)傳感器。位移傳感器（MRU）將船舶橫搖、縱搖信息發(fā)給數(shù)據分析單元，以便位置參考系統(tǒng)可以糾正的船舶方位。兩臺電羅經作為航向輸入通過NMEA通信格式輸出到數(shù)據分析單元。至少有一臺羅經能夠在任何時候都為自動艏向控制提供艏向信息。兩只風速風向傳感器，一只為數(shù)字式風速風向傳感器，另外一只是普通機械式，分別裝于主桅桿頂部。至少有一個風速風向傳感器能夠在任何時候為DP系統(tǒng)提供風速和風向信息。一個用于定位的激光信標，基于測量附近區(qū)域被動轉發(fā)器反射的不可視安全激光信號，實施過程充分固態(tài)。一臺差分全球定位系統(tǒng)DGPS，型號為DGPS122。1臺用于定位的高精度聲學定位儀，型號為HIPAP451。

（五）本船DP系統(tǒng)控制軟件和計算方式介紹

本船安裝了KONGSBERG公司提供的DP-2控制系統(tǒng)?？凳坎甂-POS動力定位系統(tǒng)是一個計算機化的船舶自動定位和航向控制系統(tǒng)。控制船只的航向時，K-POS動力定位系統(tǒng)使用的來自兩臺回轉羅經，同時至少有三個位置參照系統(tǒng)（例如差分全球定位系統(tǒng)或信標定位）的數(shù)據，使得K-POS系的能夠為船只定位。航向和所需定位的設置點由操控者輸入，經K-POS系統(tǒng)處理，然后分配給各推力器控制信號。K-POS系統(tǒng)總是最佳分配動力給正在使用中的推進器。

當與所設定的航向或位置偏離時，K-POS將自動檢測，并進行適當調整。K-POS系統(tǒng)還提供了一個手動操縱桿控制功能可用于沒有位置參照系統(tǒng)時的單獨手動控制或聯(lián)合手動/自動控制，在使用羅經作為艏向參考時，K-POS系統(tǒng)可自動保持并穩(wěn)定控制艏向。

K-POS系統(tǒng)利用一種船舶數(shù)學模型，包含船舶水動力特性，如目前的阻力系數(shù)和虛擬轉船慣量。這一模型被稱為船舶數(shù)學模型，反映了船舶如何對外部因素施加力進行反應，例如由風或推進器的作用力。

K-POS系統(tǒng)控制器持續(xù)計算實際需求的船舶橫向和縱向推力（推力設定值）以及所需的轉船力矩（轉矩設定值）。K-POS的推力分配器置以設定的螺距/轉速/力/負載和方位控制信號的形式分配給每個推進器/螺旋槳，從而獲得保持艏向和位置所需的力和力矩。同時也確保了最優(yōu)化的推進器/螺旋槳使用，使其功耗和磨損最低。

（六）故障模式和影響分析（FMEA）結論

經過書面分析和海上試驗，沒有在DP-2規(guī)定范圍內的單點故障能導致船舶有失去定位能力的危險。同時各種故障模式的具體影響在海試中也得以驗證，在規(guī)定海況下滿足DP-2的規(guī)范要求。

三、DP系統(tǒng)的應用對海上救助的實際意義

（一）提高船舶操控水平，提升救助能力，增加作業(yè)安全系數(shù)

海上救助對船舶的操控水平有很高的要求，這里面既有惡劣天氣下乘風破浪的“急行軍”，也有如穿針引線般的精細作業(yè)。專業(yè)救助船在各種海況下對船舶操縱都要做到“張弛有度，收放自如”。

DP系統(tǒng)配備了高精度的傳感器，極大地提高了對船舶運動態(tài)勢的探測精確度。通過軟件計算和對車、舵和側推的聯(lián)合控制，有效地提高了船舶的操縱性能。在專業(yè)救助船實施救助直升機著艦和起飛、應急分隊水下探摸、水面無人機和水下機器人作業(yè)、海面溢油回收等精細作業(yè)時，DP系統(tǒng)的穩(wěn)定而精確的特點增加了作業(yè)的安全系數(shù)。

（二）簡化船舶操縱方式，進而優(yōu)化救助任務時的人力資源分配

在以往的海上救助中，船長往往肩負著實施救助時的船舶操縱和救助指揮決策等重任，其中船長對車、舵、側推等手動操作這種傳統(tǒng)模式下的船舶操縱占用了船長很大精力，會間接影響臨場指揮決策。DP系統(tǒng)是對船舶操作方式的一個變革，很大程度地減少了船長操縱船舶的工作負荷，甚至可以把船舶操縱的工作交給有資質的駕駛員完成，更有利于專業(yè)救助船船長發(fā)揮決策指揮作用。

（三）精確計算定位負荷，節(jié)約燃油消耗

成熟的DP系統(tǒng)通過對傳感器的數(shù)值以及船舶模型阻力參數(shù)的分析，能精確計算出船舶當前運動態(tài)勢的阻力負荷，然后通過對船舶動力系統(tǒng)的精確調整來抵消外力，使船舶處于預設的運動態(tài)勢中。這種精確的計算和分析使DP操作模式比傳統(tǒng)船舶操縱模式更能有效控制過量的負荷消耗，從而達到節(jié)約燃油消耗的目的。

四、DP技術在專業(yè)救助船上更好應用的設想

（一）發(fā)展更強大的“大腦”和“肢體”，讓系統(tǒng)更優(yōu)化，動力更充沛

在上述的介紹中可以大致了解到DP系統(tǒng)對船舶的控制跟人的運動控制機理類似，靠的是大腦的計算反應和四肢的運動能力。DP系統(tǒng)的“大腦”就是穩(wěn)定而精良的傳感器加上一套合理成熟的控制軟件。在國內初步的DP應用中，傳感器的粗劣和軟件的不成熟讓DP系統(tǒng)的國產化一度陷入瓶頸。因此，應用更穩(wěn)定和精良的傳感器和開發(fā)與船舶更配套的操控軟件是增強DP系統(tǒng)大腦的重要途徑，這也是未來的一個發(fā)展方向。

1.當前專業(yè)救助船配備的定位傳感器可利用三種不同的方式以適應各種環(huán)境下的定位

有三種主要的外力會引起船舶相對設定點的位移或者艏向變化，分別是風、浪、流。目前配備的風、浪、流傳感器已經不能實現(xiàn)精確測量，加上傳統(tǒng)的單一的數(shù)據處理方式使數(shù)據的有效性打了折扣，因此，升級傳感器有利于DP系統(tǒng)更好地計算外力。同時，傳感器的布置應該考慮以下幾點：

（1）受直升機、主機煙囪影響可能會產生氣流變化的地方。

（2）船體結構不會引起風向變化的地方。

（3）操作員選擇哪個傳感器在活躍狀態(tài)。

2.升級姿態(tài)傳感器（VRS）和位移傳感器（MRU）

DP控制系統(tǒng)不能對船的滾動、前后顛簸橫搖和上下起伏進行有效補償，但是DP系統(tǒng)需要知道船的相關運動數(shù)據。這就需要對MRU從船舶重心的偏移量變化進行補償。使用VRS/MRU來測量這些數(shù)據。MRU可以測量線性加速度并計算傾斜角，隨著技術進步，DP系統(tǒng)可以利用定位系統(tǒng)和MRU提供船舶的位置、艏向、滾動、前后顛簸和上下起伏的信息，這就能在每個方向上更準確地給DP系統(tǒng)提供參考，精度在0.01°。

3.增強 “肢體”力量，提高惡劣海況下的定位能力

目前，專業(yè)救助船DP系統(tǒng)的主要動力是定軸可調距螺旋槳做主推進器。推進器的數(shù)量、類型、功率直接影響船的定位“能力”。一般來說，推進器數(shù)量越多，功率越大，船的定位能力就越強。從響應時間和效能方面考量，全回轉推進器優(yōu)于定軸螺旋槳或隧道式側推。當前世界最先進的DP-3系列的鉆井平臺的動力定位系統(tǒng)采用的都是發(fā)電機和全回轉式推進器的組合，在以后的專業(yè)救助船設計中可以考慮借鑒這種動力系統(tǒng)的設計理念。

以上幾個方面的改進共同提升了DP系統(tǒng)對惡劣天氣的應對能力，有利于DP系統(tǒng)更“有力”、更穩(wěn)定。

（二）加強DP系統(tǒng)專業(yè)培訓，普及DP系統(tǒng)的日常使用

DP技術已經實現(xiàn)普及和長足發(fā)展，對有DP操作資質人員的需求也隨之迫切。加強這方面的專業(yè)培訓，讓大家會用才能敢用，進而打破對新設備使用的心理屏障，有利于DP操作的普及推廣。擴大持證人員數(shù)量，增加專業(yè)訓練，以使人員的操作水平和DP系統(tǒng)的發(fā)展齊頭并進，從而使DP系統(tǒng)的作用達到設計效果。

五、結束語

如今海上險情復雜多變，惡劣天氣頻發(fā)，使海上救助任務日益艱巨，“以人為本，生命至上”的安全核心理念給海上救助工作提出了更高要求。海上專業(yè)救助力量要對新設備積極探索，掌握新技術，用好新設備，才能更堅定地守護好海上生命的防線。