李景贊

(舟山中遠海運重工有限公司，浙江 舟山 316131)

0 引 言

穿梭油船主要用于在浮式生產儲油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)與采油平臺之間駁運原油。由于海上石油轉運技術要求較高，因此穿梭油船除了具有一般油船的設備以外，還具有很多其他設備，比如動力定位系統(tǒng)和艏裝載系統(tǒng)等，其造價遠高于同等噸位油船。舟山中遠海運重工有限公司建造的152 000載重噸穿梭油船是其與挪威船東合作的項目，該船已成功交付2艘，并已在南美投入運營。該船在裝卸和駁運原油過程中的各項性能指標表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)任何異常，得到了船東的好評。目前該型船已成為舟山中遠海運重工有限公司的特色品牌船型。本文主要對該152 000載重噸穿梭油船動力定位系統(tǒng)的配置進行簡單介紹。

1 船舶動力定位系統(tǒng)的概念和工作原理

船舶動力定位是指船舶或海上平臺不借助錨泊系統(tǒng)的作用，利用自身裝備的各類傳感器測出船舶的運動狀態(tài)和位置變化，以及外界風力、波浪和海流等擾動力的大小與方向，并利用計算機進行實時計算，使船上的各推力裝置產生適當?shù)耐屏土?，以抵消擾動力，從而使船舶盡可能地保持目標船位和艏向。目前，動力定位的功能和適用范圍正在逐漸擴大。采用動力定位技術，能使船舶與其他船舶保持相對位置不變，使船舶按預定的軌跡移位，按預定的計劃航線以預定航速航行和對水下目標進行自動跟蹤等。

圖1為動力定位系統(tǒng)的基本工作原理。船舶在海上除了受到自身推力器的推力以外，還受到風力、波浪和海流的作用力，從而產生6個自由度的運動，即縱蕩、橫蕩、升沉、縱搖、橫搖和艏搖。動力定位系統(tǒng)利用位置測量設備測出自身位置的變化，利用各類傳感器測出艏向、縱搖、橫搖、風力和風向，并采用現(xiàn)代控制理論建立船舶與推力器的數(shù)學模型。

圖1 動力定位系統(tǒng)的基本工作原理

2 船舶動力定位系統(tǒng)的組成

船舶動力定位系統(tǒng)通常由測量部分、控制部分和執(zhí)行部分等3部分組成。

2.1 測量部分

測量部分包括位置測量設備(用于測量船舶的位置)和傳感器(用于測量船舶的艏向、運動狀態(tài)和外界環(huán)境狀態(tài))，一般配有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Difference Global Positioning System,DGPS)、俄羅斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System)、差動絕對和相對定位系統(tǒng)(Differential Absolute and Relative Positioning System,DARPS)、水聲定位系統(tǒng)(Hipap Position System)、遠程微波系統(tǒng)(X Position Reference,XPR)、羅經、運動參考單元(Motion Reference Unit,MRU)、激光位置參照系統(tǒng)和風速風向儀等。

1)DARPS是一套基于GPS和GLONASS的系統(tǒng)，使用同時從遠程目標物和本船上的高性能傳感器中收集的GPS/GLONASS數(shù)據(jù)計算到目標的距離和方位。2套DARPS之間的數(shù)據(jù)由運行的超高頻無線電單位傳送。

2)XPR工作在9.2～9.3 GHz頻段。當同時使用幾個傳感器單元時，將這些傳感器單元布置在不同方向可使該系統(tǒng)的操作范圍擴大到280°。該系統(tǒng)可與動態(tài)定位系統(tǒng)等遠程系統(tǒng)交互，具有目標自動選擇、內置系統(tǒng)測試和驗證功能。

2.2 控制部分

控制部分是動力定位系統(tǒng)的核心，主要是對測量部分測量到的船舶運動信息和當前環(huán)境作用信息進行處理，根據(jù)處理結果向推力器發(fā)出控制信號，以對推力器進行控制，使船舶的推力裝置產生適當?shù)耐屏土?，從而抵消擾動力，進而使船舶在外力和推力器推力的作用下盡可能地保持目標船位和艏向。

2.3 執(zhí)行部分

執(zhí)行部分是動力定位系統(tǒng)的執(zhí)行機構，根據(jù)控制部分的指令產生推力和力矩，以平衡作用于船上的擾動力和擾動力矩。動力定位船舶通常設置有多臺推力器，包括主推進螺旋槳、舵和艏艉輔助推力裝置(包括側向推力器和全回轉推力器)。

3 船舶定位系統(tǒng)在穿梭油船上的應用

以舟山中遠海運重工有限公司建造的152 000載重噸穿梭油船為例，對船舶動力定位系統(tǒng)在穿梭油船上的應用進行介紹。該船采用一套雙冗余動力定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)DYNPOS(AUTR)的要求，功能齊全、強大(見圖2)。

圖2 穿梭油船上的動力定位系統(tǒng)的基本組成

該動力定位系統(tǒng)由1套雙冗余控制器單元(DPC-2)和2個操作站(K-POS)組成。

控制器單元包含2個功能強大的控制計算機和監(jiān)測報警單元，為位置參考系統(tǒng)、傳感器和雙網(wǎng)絡系統(tǒng)提供接口。每個操作站都包含1臺運行Windows系統(tǒng)的高性能計算機、高分辨率的彩色平板顯示器和經過認證的可顯示海上工程作業(yè)數(shù)據(jù)的主要圖形顯示器。該系統(tǒng)具有雙冗余、無單點故障等特點，同時具有故障檢測、故障隔離、熱備轉換和對傳輸?shù)接嬎銠C上的不同傳感器數(shù)據(jù)進行分析等功能。

該系統(tǒng)采用擴展式卡爾曼濾波，建立一套船舶數(shù)學模型。擴展的卡爾曼濾波器具有以下優(yōu)點：

1)根據(jù)噪聲水平和測量更新頻率，對航向和位置測量進行最佳的自適應噪聲濾波；

2)對不同位置參考系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行比較之后給出最佳組合；

3)在缺乏位置測量的情況下，該模型可提供一種“推算船位”模式。

在定位操作中，該系統(tǒng)的控制器具有高精度控制、偏移回饋、風力前饋和涌流反饋等特性，同時具有環(huán)境補償、模型預測控制和位置預測等功能。

3.1 該型船的動力定位系統(tǒng)的基本配置

該船配有3套DGPS、2套無線電定位系統(tǒng)、1套XPR、2套光纖羅經、1套陀螺羅經、1套運動參考單元、1套激光位置參照系統(tǒng)和3套風速風向儀。

控制部分采用雙回路的數(shù)據(jù)處理單元和多套多功能控制臺，能實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，當1個傳感器組包含2臺傳感器(已啟用)時，若采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，將執(zhí)行差異測試。此外，能實現(xiàn)位置參考系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)報警診斷、報警顯示和信息打印輸出等功能。

該船的執(zhí)行部分配備1臺持續(xù)服務功率為13 208 kW、轉速為74 r/min的MAN 6G70ME-C10.5 CPP主機，驅動可調螺距螺旋槳；配置2臺電動機驅動的油泵進行螺距控制，1臺電動機驅動的油泵進行零螺距系統(tǒng)控制?？烧{螺距推力器和舵機輔助系統(tǒng)配置冗余電源，單電源出現(xiàn)故障不會對系統(tǒng)產生直接影響。3套可調螺距可伸縮方位推力器由電機驅動。每套方位推力器都裝備有1個啟動面板，可在需要時單獨控制。2套艏方位角推力器的額定功率均為3 100 kW，位于艏推力器室。艉方位推力器的額定功率為2 500 kW，位于機艙底層。另外裝有2套管道推力器。艏管道推力器的額定為3 100 kW，位于艏推力器室。艉管道推力器的額定功率為2 200 kW，位于艉部。

該船可進行定位能力在線分析。定制控制器增益選擇，可允許操作員執(zhí)行定制設置控制器的增益級；吃水補償，可自動調整船的數(shù)學模型和實際吃水；預設通風功能，可使操作員選擇預設的通風條件；吃水傳感器，可不斷讀取船的吃水狀態(tài)；運動預測，可進行在線分析(使用傳感器數(shù)據(jù))和離線分析(操作員指定數(shù)據(jù))等。

該船的動力定位能力為：在浪高5 m、波浪周期為8.6 s、風速為20.5 m/s、流速為1.1 m/s的情況下，最嚴重的情況是當1組設備或系統(tǒng)發(fā)生故障時發(fā)生故障。典型的單點故障為：關鍵推力器失效，1套推力器組發(fā)生故障，1段電源母排發(fā)生故障。保持船舶與風和流的夾角在20°以內。

3.2 動力定位系統(tǒng)的基本操作模式

該船的動力定位系統(tǒng)有操縱桿模式、自動艏向模式、混合操作桿/自動模式、自動定位模式、自動操舵模式、自動循跡航行(低速與高速)、自動保持移動速度和任意中心自動回轉等8種操作模式，船舶航行或工作時，根據(jù)實際需要實時選擇適宜的操作模式。

3.3 通過動力定位系統(tǒng)實現(xiàn)的特殊裝載功能

該船可通過動力定位系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能：

1)海上裝油，通過艏裝載系統(tǒng)從FPSO上裝入貨油，到離岸卸貨點卸載貨油；

2)單點系泊，船舶通過單點形式系泊在另一個固定式或浮式結構物上，圍繞該結構物隨風、浪、流360°回轉，在風標效應的作用下停泊在環(huán)境力最小的方位上；

3)不系泊裝油浮筒，抵消固定端點附近的風標效應，使船舶圍繞裝油浮筒作規(guī)定角度的擺動；

4)串聯(lián)裝載，F(xiàn)PSO(Floating Production Storage and Offloading)/FSU(Floating Storage Unit)艉部的裝載連接處保持連接，并抵消風標效應，實現(xiàn)海工裝置間的貨油輸送。

4 結 語

船舶動力定位系統(tǒng)具有操作方便、精度高和定位準等優(yōu)點，隨著船舶與海洋工程的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)必將得到廣泛應用，目前越來越多的工程船和軍用輔助艦船開始配備該系統(tǒng)。該系統(tǒng)能大大提高船舶的遠洋作業(yè)能力，但高昂的價格限制了其在普通船舶上的應用。相信隨著人們對海洋活動的需求越來越多，該系統(tǒng)會逐漸朝著人性化、易操作化的方向發(fā)展。