李 巍，胡智煥，李 欣，孫 浩，WANG Andy，田新亮，張衛(wèi)東

(1. 海洋工程國家重點試驗室(上海交通大學(xué))，上海 200240; 2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240; 3. 上海交通大學(xué) 自動化系，上海 200240; 4. 中遠海運特種運輸股份有限公司，廣東 廣州 600428；5. DNV GL Oil & Gas，上海 200336)

全球海洋油氣開采設(shè)施日益增多，許多老化的海洋平臺結(jié)構(gòu)在未來幾年里將會面臨著退役拆除的問題[1]。對于重量小于5 000噸的海洋平臺上層建筑，采用傳統(tǒng)起重船的單船吊裝技術(shù)進行拆除是一種安全且具有經(jīng)濟效益的方案。而對于更重的大型平臺，通常需要將平臺上部結(jié)構(gòu)分成若干組塊，進行分塊吊裝；這種方案拆除作業(yè)時間長、投資巨大。因此需要提出一種更經(jīng)濟、安全、環(huán)保的大型平臺拆除解決方案。

目前，國內(nèi)外對單船海上作業(yè)的動力特性作了較多的研究。Zou等[2]將浮托安裝過程簡化為單自由度的垂蕩運動，并用分叉圖和龐加萊映射的方法描述系統(tǒng)的非線性特性。針對大型海上平臺上部組塊浮托安裝過程涉及的非線性碰撞載荷和水動力特性，Hu等[3]和Kwak等[4]采用數(shù)值模擬與模型試驗相結(jié)合的方法，重點探索了風(fēng)浪流條件下非線性沖擊載荷、船體隨波運動和水動力響應(yīng)的耦合作用。

動力定位系統(tǒng)可以使船舶保持在固定的位置或按照提前設(shè)置好的軌跡運動，目前研究成果較多的是單船動力定位控制算法。李曄等[5]針對小型海洋觀測平臺，建立海流干擾下的運動學(xué)方程，研究流向和流速對平臺動力定位性能的影響。Du等[6]在未知船體參數(shù)和不確定環(huán)境擾動的情況下，設(shè)計并實現(xiàn)了實時估計環(huán)境擾動的觀測器，提出了不確定海洋環(huán)境作用下的單船魯棒自適應(yīng)控制算法。Brodtkorb等[7-8]探索了一種同時兼顧穩(wěn)態(tài)定位性能和瞬態(tài)運動響應(yīng)的運動控制器。Vrn? Svenn等[9]對比和分析了不同控制策略和觀測器模型對實船動力定位性能的影響，發(fā)現(xiàn)基于線性模型的觀測器和控制器能夠有效地解決單船動力定位問題。

結(jié)合動力定位系統(tǒng)和海上作業(yè)，Tian等[10-11]和Zu等[12]開展了大型半潛作業(yè)船浮托安裝的現(xiàn)場監(jiān)測研究，通過定位能力玫瑰圖分析其動力定位性能(DP-2級)，為現(xiàn)場浮托安裝工程提供了參考依據(jù)。許南等[13-14]對浮托安裝船在動力定位輔助下的安裝過程進行了模型試驗，分析對比了不同角度波浪作用下的定位精度和靠墊碰撞力。Jiang等[15]研究了在波浪和風(fēng)的聯(lián)合作用下，雙體船—單立柱(Spar)系統(tǒng)起重風(fēng)機并完成風(fēng)機與單立柱的對接作業(yè)過程的動態(tài)響應(yīng)分析；在數(shù)值模型中，他們考慮了單立柱的錨泊系統(tǒng)、雙體船的動力定位系統(tǒng)以及液壓裝置的建模，并分析研究了對接點處的運動響應(yīng)和錨鏈力。

對于多船海上作業(yè)，當(dāng)前的研究側(cè)重于多船聯(lián)合作業(yè)過程中的水動力耦合效應(yīng)和非線性碰撞載荷。Sun等[16]將多體繞射勢流理論引入多體運動方程，研究對比了固定式結(jié)構(gòu)物和浮體以及多個浮體之間的運動RAO。采用類似的水動力分析方法，Dessi等[17]針對兩艘彈性連接的駁船，建立數(shù)值模型并分析雙船聯(lián)合彈性機構(gòu)的彈性模態(tài)和固有頻率。Xu等[18]研究了雙駁船旁靠時的水動力耦合問題，同時對比了近場法、中場法和遠場法對二階波浪力計算的影響，他們發(fā)現(xiàn)遠場法的收斂速度更快，對離散網(wǎng)格精度的要求也小。Wang等[19]針對雙駁船的時域模擬，對卷積項計算做出了改進，應(yīng)用狀態(tài)空間模型辨識時域方程中的卷積項，從而快速計算雙船耦合的水動力參數(shù)。Spars平臺的海上安裝通常采用雙船浮托安裝方法，很多學(xué)者通過數(shù)值仿真[20]、模型試驗[21]和現(xiàn)場監(jiān)測[22]，分析了錨鏈動態(tài)力、多浮體運動特性和連接機構(gòu)受力，從而判斷載荷轉(zhuǎn)移過程的作業(yè)氣候窗。

目前，隨著雙船浮托安裝法研究的不斷深入，裝備技術(shù)的不斷提高，其應(yīng)用范圍越來越廣，對海況環(huán)境的要求程度也逐漸降低，目前已經(jīng)可以對20 000 t以上的模塊進行安裝，不僅可以在有效波高1.5 m，譜峰周期超過8 s的不規(guī)則波海況下進行，同時也適用于1.5 m波高的涌浪海況。但該方法對現(xiàn)場實測要求較高，測量成本高，難進行，且受海況限制較為明顯[23]。

2017年，一艘新型雙體船成功拆除布倫特三角洲的一個重達24 000噸的平臺上層建筑，該船專門用于拆卸大型油氣平臺。而這種拆平臺方案的整個施工周期需要12個小時，其中包括動力定位移動進船，甲板支撐單元支架連接，船體壓載調(diào)節(jié)和快速起重托起平臺等操作。該平臺拆除方案費用極高，為了降低成本并同時滿足平臺拆除需求，下文提出一種新型雙船起重拆除平臺方案，并根據(jù)該方案開展了水池模型試驗研究。

該方案采用兩艘半潛船進行平臺拆除，施工步驟：

1) 三艘半潛船(以中遠海運旗下兩艘2萬噸級姊妹船康盛口、泰安口(以下簡稱K級船)和一艘5萬噸級祥瑞口(以下簡稱X級船)為原型)，見圖1(a))抵達平臺所在油田，然后啟動動力定位系統(tǒng)。

2) 兩艘K級船調(diào)節(jié)壓載水系統(tǒng)，改變吃水以達到要求的干舷和橫傾角。

3) 兩艘K級船靠近對接位置，即平臺上層建筑兩側(cè)的下方(見圖1(b))。兩艘船配備了甲板對接單元(DMU)(見1(c))，DMU主要用于吸收浮托過程中的沖擊載荷，并限制兩艘K級船舶的運動[3]。

4) 平臺上層建筑的托舉主要是通過兩艘K級船調(diào)節(jié)壓載水系統(tǒng)，改變吃水，將上層建筑逐漸托起，使平臺重量開始由導(dǎo)管架向兩艘K級船轉(zhuǎn)移；繼續(xù)壓載上浮，直到平臺的承重結(jié)構(gòu)從導(dǎo)管架轉(zhuǎn)變?yōu)閮伤襅級船，且確保上層建筑與導(dǎo)管架頂部有足夠多的安全間隙。

5)兩艘K級船將上層建筑運送至X級船。

6)同時調(diào)節(jié)兩艘K級船和X級船的壓載水系統(tǒng)，通過載荷轉(zhuǎn)移使得平臺上層建筑的樁腿放在X級船的支撐座(DSU)上(見圖1(d))，然后由X級船運輸。

圖1 雙船拆平臺過程示意Fig. 1 Sketch of twin-lift decommissioning operation

模型試驗在海洋工程水池進行。模型試驗主要包括制作船舶模型及設(shè)備、搭建船舶控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)；研究在該系統(tǒng)的控制下，雙船托舉過程中的動力定位性能和低速行駛性能以及評估該拆平臺方案的可靠性。

1 基本理論

1.1 船體運動模型

船體三自由度(3DOF)運動方程：

(1)

(2)

其中，t表示時間，(t)=[xyφ]T是大地坐標(biāo)系(GB)中的位置向量，v(t)=[uvr]T表示隨體坐標(biāo)系(BODY)中的速度矢量(見圖2)。x,y表示在GB中的位置，φ表示船舶在 GB下的艏向角，u,v表示在 BODY中縱向和橫向的速度，r表示在BODY中的艏搖速度。旋轉(zhuǎn)矩陣T((t))∈R3×3用于將速度從BODY轉(zhuǎn)換至GB，表示為：

T(

(3)

其中，τ(t)∈R3和τenvironment∈R3表示船舶受到的螺旋槳推力和環(huán)境載荷。慣性矩陣M∈R3×3表示剛體質(zhì)量矩陣和水動力學(xué)附加質(zhì)量之和。D∈R3×3代表阻尼矩陣。為簡化數(shù)值模擬，將M和D簡化為常系數(shù)項。

圖2 不同的坐標(biāo)系Fig. 2 Different coordinate systems

由此得到船體的狀態(tài)空間方程：

(4)

式中：x(t)=[xyφuvr]T,u(t)是控制輸入，ω(t)是擾動量，對船體而言：

u(t)=τ(t),ω(t)=τenvironment

(5)

(6)

將以上的狀態(tài)空間方程離散化，可得，

x(k+1)=A·x(k)+B·τ(k)

(7)

A=I+Δt·Ac,B=Δt·Bc

(8)

其中，Δt是采樣時間，I是單位矩陣。

1.2 推力分配

推理分配(TA)將理想控制力作為輸入值，計算得到每個推進器(螺旋槳、舵等)的狀態(tài)。推力矢量τ(t)=(τxτyτN)T由推進器共同產(chǎn)生得到

τ(t)=B(α)·u

(9)

其中，u=(u1u2……um)T∈Rm表示每個推進器產(chǎn)生的力的大小。對于每個推進器，所使用的螺旋槳推力是關(guān)于轉(zhuǎn)速ni呈二次相關(guān)

ui=Ki|ni|ni

(10)

其中，推力系數(shù)Ki可以由推力測量試驗得到，從而應(yīng)用上述公式來估算控制系統(tǒng)中的推力。角度向量α=[α1α2……αm]T∈Rm是每個推進器的方位角，即定義了在水平面上產(chǎn)生的推力方向。矩陣B(α)∈R3×m由下式給出

(11)

第i個推進器在BODY中的位置坐標(biāo)是(lxi,lyi)。

在模型試驗中，采用具有線性約束的二次規(guī)劃(QP)解決控制分配問題[24]，避免了推進系統(tǒng)的奇異點[25]。定義以下QP：

(12)

s.t.

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

b=τ-B(α0)·u0

(19)

(20)

QP問題可以描述為：

MinzTHz+gTz

(21)

s.t.

Pz≤h

(22)

Cz=b

(23)

MOSEK[26]提供了一個高效穩(wěn)定的QP求解器，可以實時計算每個推進器的狀態(tài)(轉(zhuǎn)速和方位角)。

1.3 PID控制理論

PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。PID控制器主要是縮小理想值xd(t)和觀測值x(t)之間的誤差e(t)。由此得到該誤差為

e(t)=xd(t)-x(t)

(24)

(25)

PID控制器的實現(xiàn)由下式給出

(26)

其中，ve表示來自觀測器得到的估計速度，N

2 試驗概述

模型試驗中設(shè)計了一個裝有控制和測量系統(tǒng)的試驗平臺，該系統(tǒng)主要用于雙船起重拆平臺試驗過程。該試驗系統(tǒng)由試驗?zāi)Ｐ?、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)三大部分組成?？刂葡到y(tǒng)和實時測量系統(tǒng)軟件采用C++代碼實現(xiàn)，包括低通濾波器、速度估計器、卡爾曼濾波器、比例-積分-微分(PID)控制器和推理分配(TA)算法等。試驗流程如圖3所示。

圖3 試驗系統(tǒng)流程圖Fig. 3 Block diagram of the experimental system

3 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

3.1 船舶幾何模型

鑒于海洋工程水池的主尺度為50 m×30 m×6 m，模型試驗的縮尺比選為37。K級船模長5 m，配備兩個艏側(cè)推進器和兩個全回轉(zhuǎn)推進器(見圖4(a))；X級船模長7 m，配備兩個艏側(cè)推進器，兩個主推進器和兩個懸掛式全回轉(zhuǎn)推進器(見圖4(b))；海洋平臺上層建筑鋼架模型尺寸為1.5 m×1.5 m×0.4 m，鋼架底部設(shè)有6個連接件，用于固定甲板對接單元(見圖4(c))。

圖4 水池試驗?zāi)Ｐ褪疽釬ig. 4 Sketch of wave tank test model

3.2 拆平臺輔助設(shè)備

拆平臺輔助設(shè)備主要包括甲板對接單元(DMU)和樁腿分離單元(LSU)。甲板對接單元由安裝在船舶上和平臺上的兩部分組成：三組甲板對接單元(由水平彈簧和垂直彈簧以及對接錐組成)及其固定支座安裝于船舶上。樁腿分離單元由鋼質(zhì)圓筒和彈簧構(gòu)成，固定在平臺連接件上，其作用為限制平臺樁腿切割后水平方向上的位移和吸收平臺垂直方向上運動產(chǎn)生的能量，如圖5所示。這些單元的水平和垂直剛度根據(jù)其設(shè)計規(guī)格進行了測量和校準(zhǔn)。

圖5 拆平臺輔助設(shè)備及其組件單元示意Fig. 5 Detailed overview of the decommissioning aid setups and their components

4 控制系統(tǒng)

4.1 軟件構(gòu)架

DPDECOM是一個多線程C ++應(yīng)用程序，它是基于圖形用戶界面Qt 5.5庫，線性代數(shù)Eigen 3.3庫，凸優(yōu)化求解器MOSEK 7庫以及數(shù)據(jù)庫SQLite3而開發(fā)出來的。

該程序是根據(jù)六自由度采集系統(tǒng)得到的實際數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的差值，通過PID控制器和推力分配計算出船舶到達目標(biāo)點所需要的推力大小、角度及作用時間，再將數(shù)據(jù)指令打包發(fā)送至可編譯邏輯控制器(PLC)，實現(xiàn)對船舶推進器的控制，并實時通過采集和測量系統(tǒng)的反饋進一步調(diào)整船舶推進器運作。該程序有三種用于控制每艘船的操作模式，分別是使用操控手柄進行手動控制模式，航向控制模式和動力定位模式。

控制系統(tǒng)由基于二次規(guī)劃(QP)的推理分配(TA)和PID控制器組成。根據(jù)每艘船的推力極限，需要考慮PID控制器的輸出極限。因為從六自由度運動采集軟件QTM中得到的艏搖角會在±180°之間，所以估計的艏搖角可能會從180°突變到-180°，因此在設(shè)計DPDECOM程序時需考慮這樣的數(shù)據(jù)突變問題。

4.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

在模型試驗中，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通過工業(yè)無線局域網(wǎng)實現(xiàn)，工業(yè)無線局域網(wǎng)(WLAN)包括一個接入點(AP)和三個客戶端模塊。如圖6所示，每艘船都具有一個客戶端模塊，用于實時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)給AP?；赑rofinet的工業(yè)WLAN能夠以更高的優(yōu)先級進行實時數(shù)據(jù)傳輸，且時間延遲小于10 ms。

圖6 工業(yè)WLAN在模型試驗測試過程中工作示意Fig. 6 Sketch of industrial WLAN in the model test

4.3 執(zhí)行系統(tǒng)

每艘K級船配有2個艏側(cè)推進器和2個全回轉(zhuǎn)推進器。X級船配有2個艏側(cè)推進器，2個全回轉(zhuǎn)推進器，2個主螺旋槳和方向舵。為簡化試驗，主螺旋槳和方向舵不包括在TA中。對于每個全回轉(zhuǎn)推進器，是用全回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速率、螺旋槳的轉(zhuǎn)速及其從零到最大推力的響應(yīng)速度來計算TA中的旋轉(zhuǎn)速度和方位角的約束。對于每個艏側(cè)推進器，還需考慮從左舷最大推力變到右舷最大推力的響應(yīng)速度。

每艘船上的執(zhí)行器由可編譯邏輯控制器(PLC)、伺服電機和伺服驅(qū)動器、變速箱和螺旋槳組成(見圖7)。伺服電機通過基于PLC的伺服驅(qū)動器使螺旋槳實現(xiàn)精準(zhǔn)的速度和角度位置控制。Profinet是工業(yè)以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它實現(xiàn)了伺服驅(qū)動器、PLC和客戶端模塊之間的數(shù)據(jù)交換。通過集成的實時自動調(diào)諧和機器共振的自動抑制，這樣的執(zhí)行器系統(tǒng)自動優(yōu)化才可以實現(xiàn)高動態(tài)性能和平穩(wěn)操作。

在每艘船上，6個AC交流伺服電機帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生推力。其中，四個帶有增量式編碼器的電機用于首側(cè)推和全回轉(zhuǎn)螺旋槳的速度控制；兩個帶有絕對式編碼器的電機用于全回轉(zhuǎn)螺旋槳的角度控制。

圖7 K級船推進器系統(tǒng)主要組成部件Fig. 7 Main components of actuator system on the K-class vessel

圖8 雙船拆平臺作業(yè)水池試驗示意Fig. 8 Sketch of wave tank test for twin-lift decommissioning operation

5 測量系統(tǒng)

模型試驗中，測量系統(tǒng)主要分為六自由度運動采集與分析系統(tǒng)、推力測量系統(tǒng)和應(yīng)力測量系統(tǒng)。

5.1 六自由度運動采集與分析系統(tǒng)

六自由度運動采集系統(tǒng)能以亞毫米級精度實時測量多個運動物體的位置和姿態(tài)。運動捕捉相機可以識別固定在每個船體上的4個標(biāo)記燈球(見圖8)，通過4個燈球所構(gòu)成的剛體可得到船模的六自由度運動數(shù)據(jù)。

DPDECOM程序可以通過TCP / IP接口實時接受從六自由度運動采集與分析系統(tǒng)服務(wù)器處理后的實時6DoF運動數(shù)據(jù)。在模型試驗中，運動捕捉系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為50 Hz。使用動態(tài)的均值濾波器來消除原始運動數(shù)據(jù)中的噪聲，從而實現(xiàn)可靠的速度估算。

5.2 推力測量系統(tǒng)

模型試驗中的推力測量系統(tǒng)主要為了獲得船模推進器轉(zhuǎn)速與推力之間的關(guān)系以及每個推進器的推力系數(shù)。從而對其方位推進器進行禁區(qū)測試，進一步估算不同轉(zhuǎn)速下的推進器的推力大小。如圖9所示，當(dāng)A平面通過下法蘭與船體固定，B平面與連接桿保持固定時，推進器工作對船體產(chǎn)生推力，力傳導(dǎo)至下法蘭與傳感器上，最終可以獲得每個推進器不同轉(zhuǎn)速下的推力。

同時，為得到各個推進器的運作情況，開發(fā)了伺服電機測量系統(tǒng)，可根據(jù)伺服電機的運行狀態(tài)得到推進器的螺旋槳轉(zhuǎn)速和方位角。該系統(tǒng)是基于工業(yè)WLAN實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可以實時測量和顯示每艘船上伺服電機的運行狀態(tài)，包括每個伺服電機的功耗、轉(zhuǎn)速或角度以及報警信號。

圖9 K級船I的全回轉(zhuǎn)推進器的推力測量(左方位角90°，右方位角0°)Fig. 9 Thrust measurement on the twin azimuth thruster of K-class-I vessel (left azimuth=90°, right azimuth=0°)

5.3 應(yīng)力測量系統(tǒng)

應(yīng)力測量系統(tǒng)由應(yīng)力采集裝置和應(yīng)力測量裝置兩部分組成(見圖10)。應(yīng)力采集裝置中的工控機(IPC)用于采集和保存甲板對接單元(DMU)中錐頭與對接錐之間的作用力，即平臺上層建筑與K級船之間的作用力，同時基于TCP/IP通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)至應(yīng)力測量裝置。應(yīng)力測量裝置可以實時接收和顯示各個DMU中x、y、z三個方向上的受力情況。

圖10 應(yīng)力測量系統(tǒng)流程及模型示意Fig. 10 Block diagram of the force measurement system and diagram of model

6 試驗結(jié)果與分析

6.1 推力測量試驗

螺旋槳的推力采用量程為500 N的三分力傳感器進行測量，即沿船長(x)方向、沿船寬(y)方向和垂向(z)上進行力的動態(tài)測量。對K級船的艏側(cè)推進器和全回轉(zhuǎn)推進器進行了推力測量，試驗結(jié)果如圖11所示。從圖11(a)和圖11(b)可以得到船模艏側(cè)推進器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的推力大小與轉(zhuǎn)速成正比，艏側(cè)推進器正轉(zhuǎn)至3 000轉(zhuǎn)速時的推力約為反轉(zhuǎn)時候的2倍。圖11(c)表示船模前進時(方位角為0°)推進器轉(zhuǎn)速與推力大小的關(guān)系；圖11(d)表示船模后退時(方位角為180°)推進器轉(zhuǎn)速與推力大小的關(guān)系，其變化趨勢滿足圖中所擬合的二次函數(shù)，推力大小與轉(zhuǎn)速成正比，且船模前進時推進器的推力略大于后退時的推力。圖11(e)和圖11(f)表示的是左推進器方位角為90°，右推進器方位角為0°時，即船模向右運動時推進器轉(zhuǎn)速與沿x和y方向上推力大小的關(guān)系。

圖11 K級船推進器轉(zhuǎn)速與推力之間的函數(shù)變化關(guān)系Fig. 11 Variation of thrust as a function of rotational speed of K-class vessel

由圖可知兩個方向上的推力大小隨轉(zhuǎn)速的變化基本一致。除了以上幾組數(shù)據(jù)，試驗還分別得到了左右推進器方位角為45°和135°時轉(zhuǎn)速與推力大小之間的函數(shù)關(guān)系。

通過推力測量試驗，可得到每個推進器轉(zhuǎn)速和推力之間的函數(shù)關(guān)系，以及相同轉(zhuǎn)速下推進器處于不同方位角時對船模x和y方向的推力大小的函數(shù)關(guān)系，這證明了螺旋槳—船體相互作用引起的推力損失效應(yīng)可以忽略不計。因此，在DPDECOM程序中可以使用恒定的推進器系數(shù)來估算每個螺旋槳的推力。

6.2 動力定位試驗—矩形軌跡運動演示

為了測試雙船的協(xié)同性和DP系統(tǒng)的性能，在海洋工程水池中同時模擬不規(guī)則波浪(Jonswap)和恒定風(fēng)速場，并讓兩艘K級船沿著規(guī)定路線同步進行低速運動，測試兩艘船在位置和姿態(tài)一直處在動態(tài)變化時兩者之間的同步性。

圖12 K級船I和K級船II船的運動軌跡Fig. 12 Trajectory of K-class-I vessel and K-class-II vessel

接著進行兩艘K級船托舉平臺上層建筑沿矩形軌跡低速運動的測試，即模擬雙船運輸上層建筑至x級船的過程，并在該過程中對甲板對接單元的受力進行實時測量，通過試驗效果和測量結(jié)果來反映該過程中雙船的協(xié)同性和DP系統(tǒng)的穩(wěn)定性。工況參數(shù)為上層建筑載荷為50%，Jonswap波浪譜參數(shù)為Hs=0.75 m，Tp=6 s，θ=135°，恒定風(fēng)速為VW=1.35 m/s，θ=135°時的雙船托舉平臺上層建筑沿矩形軌跡低速運動的試驗結(jié)果如圖12和圖13所示。

雙船托舉平臺上層建筑沿矩形軌跡低速運動的軌跡如圖12所示，虛線表示K級船I的運動軌跡，實線表示K級船Ⅱ的運動軌跡，點線表示試驗的目標(biāo)軌跡，艏搖角為45°，且在運動過程中船艏角度始終保持不變。由圖可知運動軌跡誤差較小，DP控制精度符合試驗要求，穩(wěn)定性良好。

圖13(a)為雙船托舉平臺上層建筑沿矩形軌跡低速運動過程中K級船I的運動響應(yīng)，分別是船?？v蕩、橫蕩和艏搖的時歷曲線。由K級船I的艏搖時歷曲線可以看到在實時低通濾波之后船模艏搖曲線的數(shù)值大致穩(wěn)定在45°，即表示在運動過程中船頭朝向始終為45°。圖13(b)為雙船托舉平臺上層建筑沿矩形軌跡低速運動過程中K級船Ⅱ的運動響應(yīng)，可見其運動曲線變化趨勢與K級船I基本一致。由圖中數(shù)據(jù)可知該工況下雙船間的相互干擾小，在研究分析所有角度工況下雙船間的干擾性后，得到90°情況下雙船之間的干擾最大，但仍然能夠保證平臺拆除工作穩(wěn)定進行，滿足安全施工要求。

圖14為雙船托舉平臺上層建筑沿矩形軌跡低速運動過程中DMU應(yīng)力測量統(tǒng)計結(jié)果，試驗過程中共采集了位于四角的四個DMU的應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖10所示。圖14中的線段長度為試驗過程中DMU應(yīng)力變化的范圍，小方框所在的數(shù)值點為這一過程中的應(yīng)力均值。在該工況下，四個DMU在x和y方向上的應(yīng)力均值穩(wěn)定在0左右，并未出現(xiàn)某一點應(yīng)力過大或者過小的現(xiàn)象，說明整個雙船托舉平臺上層建筑沿矩形軌跡低速運動過程中平臺與船之間受力均勻且穩(wěn)定，而單個DMU在z向可承受最大載荷為815.248 t，則整個系統(tǒng)對于垂向載荷最大可承受值為4 891.488 t。因此，通過軌跡圖、運動響應(yīng)時歷曲線和DMU應(yīng)力測量結(jié)果，可以驗證試驗在完成既定軌跡的前提下，得到雙船同步性能和DP系統(tǒng)穩(wěn)定性良好的結(jié)論。

圖13 K級船的平面運動響應(yīng)的時歷曲線(黑線表示實時低通濾波之后的數(shù)據(jù))Fig. 13 Time variation of planar motion response of K-class vessel (black line indicates low-pass filtered data)

圖14 矩形軌跡運動試驗中的DMU應(yīng)力測量統(tǒng)計Fig. 14 Statistics of DMU load during the 4-corner maneuver test

7 結(jié) 語

針對一種新型雙船拆除平臺方案，開展了試驗研究。采用PID控制器和基于二次規(guī)劃的推力分配算法，使得單船、雙船協(xié)同都能夠?qū)崿F(xiàn)動力定位和低速航行能力，同時也實現(xiàn)了雙船托舉平臺上層建筑沿規(guī)定軌跡低速運動的能力，驗證了雙船拆除平臺方案中雙船運輸這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的可行性和安全性。同時開發(fā)了試驗測量系統(tǒng)，以確保水池波浪試驗和未來實際運行的高效性和安全性。DP控制主要是克服船體的二階波浪力、風(fēng)力和流力，而試驗中的風(fēng)采用了定常風(fēng)，使得DP控制難度降低，但實際中非定常風(fēng)對拆平臺操作的影響巨大，還有待進一步試驗研究。