劉偉東

（廣船國(guó)際有限公司,廣州 511462）

1 前言

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是指船舶利用自身的動(dòng)力去反向作用于外界干擾，使船舶保持在某個(gè)固定位置。該系統(tǒng)主要包含：動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)；環(huán)境信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)；船舶計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)三個(gè)分組成。計(jì)算機(jī)處理中心通過(guò)解算外部環(huán)境的干擾力，發(fā)出執(zhí)行相反作用力的動(dòng)作指令，并由動(dòng)力設(shè)備根據(jù)指令做出相應(yīng)的動(dòng)力輸出。

影響船舶定位性能的外部因素很多，主要是海風(fēng)、洋流、浪高等。洋流、浪高的變化速率較低，基本上作用于船體水面以下的部分；風(fēng)是產(chǎn)生洋流、海浪的主因，它吹向船體的上建部分引起船體的左右和上下晃動(dòng)，嚴(yán)重影響船體的穩(wěn)定。在海試調(diào)試動(dòng)力系統(tǒng)的時(shí)候，必須認(rèn)真考慮風(fēng)對(duì)船體干擾的影響。本文通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得出風(fēng)力和船體力的關(guān)系，然后通過(guò)軟件模擬測(cè)試出航向和風(fēng)的關(guān)系。

2 風(fēng)對(duì)船舶得作用力

2.1 風(fēng)速和風(fēng)向

由于海面有洋流，因此船舶在海面不是固定不動(dòng)的；風(fēng)相對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)也不是固定的，所以船舶上感覺(jué)的風(fēng)速和風(fēng)向都是相對(duì)的：絕對(duì)風(fēng)速（也叫真風(fēng)）是陸地上觀察到的風(fēng)；而對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的船舶來(lái)說(shuō)，相對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向是利用船上的儀器測(cè)量的風(fēng)速和風(fēng)向。如圖1 所示：真風(fēng)速用VΤ表示，真風(fēng)向用ψΤ表示,規(guī)定正北向風(fēng)的ψΤ為0°，正東方風(fēng)為90°，風(fēng)向范圍是0°～360°；海面船舶受到的風(fēng)均為相對(duì)風(fēng)，而相對(duì)風(fēng)向角（風(fēng)和船首航向的夾角）αR和相對(duì)風(fēng)速VR可以用風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)量。設(shè)定風(fēng)自左舷吹來(lái)時(shí)為正向，即＞ 0；風(fēng)從右舷吹來(lái)時(shí)為負(fù)向，即＜ 0；對(duì)于船舶本身來(lái)說(shuō)，相對(duì)風(fēng)向的變化范圍為-180°～180°。

圖1 為風(fēng)、洋流對(duì)船舶作用力示意圖。

圖1 風(fēng)、洋流對(duì)船舶作用力示意圖

u、υ、r分別為V在沿船舶中軸線（首向?yàn)檎?、垂直船舶中軸線（船舶右舷為正）及垂直于海面（向上為正）的速度分量；

β為漂移角度；

ψ為航向角；

VΤ、ψΤ、VR、αR分別為絕對(duì)風(fēng)速、絕對(duì)風(fēng)舷角、相對(duì)風(fēng)速、相對(duì)風(fēng)舷角；

ψw為海浪方向：

Vc、ψc分別為洋流速度和方向。

相對(duì)風(fēng)速、真風(fēng)速及船速的關(guān)系如下：

2.2 風(fēng)力與風(fēng)力矩系數(shù)

船舶在海面漂浮隨時(shí)受到海風(fēng)和洋流的作用，不會(huì)以一個(gè)固定方向和直線方式運(yùn)動(dòng)，而是隨著船體轉(zhuǎn)動(dòng)曲線行進(jìn)的。因此,風(fēng)會(huì)以力矩的形式作用于船舶上，所以，計(jì)算時(shí)要以力矩去計(jì)算風(fēng)力對(duì)船舶的影響。對(duì)于水面船舶，可只考慮外力對(duì)船舶引起高低震蕩、左右橫移和船首向轉(zhuǎn)向三個(gè)方向上的平均作用力和力矩，用矢量形式表示如下：

式中：

cx、cY定義為風(fēng)力系數(shù)；

cN為風(fēng)力矩系數(shù)；

ρα為空氣的密度（kg/m3）；

AT、AL為正向作用力面積和側(cè)向作用力面積，可以理解成投影面積( m2 )；

L為船長(zhǎng)( m )；

VR為相對(duì)風(fēng)速（kn）。

由于不同的海洋環(huán)境風(fēng)力系數(shù)是不同的，通常都是采用經(jīng)驗(yàn)方式進(jìn)行估算，艾什伍德提出了風(fēng)力和風(fēng)力矩系數(shù)的估算公式[2]如下：

圖2 是利用軟件模型輸入系數(shù)的數(shù)值，經(jīng)過(guò)模擬得出的風(fēng)力和風(fēng)力矩圖。

圖2 利用軟件計(jì)算出的風(fēng)力及風(fēng)力矩

圖2 中，×表示風(fēng)速10 m/s，○表示風(fēng)速30 m/s。從模擬結(jié)果可以看出：因?yàn)榇蟛糠执岸际羌?xì)長(zhǎng)型的，風(fēng)速越高，船體受到的風(fēng)力和力矩也就越大；順著船體中軸線方向的受風(fēng)面積較小，風(fēng)力和風(fēng)力矩也較?。淮怪贝字芯€的受風(fēng)面積較大，風(fēng)力和風(fēng)力矩也較大。也就是說(shuō)，當(dāng)船首或者船尾正面頂風(fēng)或逆風(fēng)行駛時(shí)，船體所承受的風(fēng)力及力矩最小，即外部風(fēng)干擾力最小，定位性能最穩(wěn)定，精度也越高。

3 選擇船舶最佳航向的方式

裝有動(dòng)力定位的船舶，都是長(zhǎng)期工作在一個(gè)固定的位置，希望船舶的位置偏差和搖晃角度都比較小。當(dāng)處于最合適航向時(shí)，動(dòng)力推進(jìn)器僅輸出較小動(dòng)力就能保持船位；如果受外力干擾船舶偏離了當(dāng)前航向，推進(jìn)器就要輸出推力去抵消這個(gè)干擾力，推力的大小和和干擾力的大小成正比。如果干擾力超過(guò)了輸出動(dòng)力的界限，就會(huì)造成定位失敗，無(wú)法保證航向的穩(wěn)定，即工程作業(yè)失敗，所以工程作業(yè)前都需先找一個(gè)最合適的船舶航向，或者來(lái)回?cái)[動(dòng)幅度最小的航向；但是由于船舶在海面浮動(dòng)不穩(wěn)定，不可能一下子就測(cè)量出周圍的風(fēng)和海流的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此航海人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)找出了兩個(gè)確定最佳航向的方法：

（1）第一種方法是客觀的現(xiàn)場(chǎng)巡航法。它需要觀察和檢測(cè)船舶前進(jìn)方向和左右方向的推進(jìn)器的推力，當(dāng)船轉(zhuǎn)到某個(gè)航向時(shí)，如果側(cè)推力為輸出最小或者為零，則此時(shí)航向?yàn)樽罴押较蚪?。這種方法的好處是簡(jiǎn)單方便，不需要高級(jí)設(shè)備的檢測(cè)模型計(jì)算，且適用于任何等級(jí)的動(dòng)力定位船舶；缺點(diǎn)是能耗較高，有時(shí)需要來(lái)回轉(zhuǎn)圈很長(zhǎng)時(shí)間去比較，尤其是當(dāng)外部海面環(huán)境變化較快時(shí)能耗更多，但是最終可通過(guò)一段時(shí)間的能耗來(lái)尋找出最佳航向，從而降低后期長(zhǎng)時(shí)間工程作業(yè)的能耗，還是比較劃算的。

（2）第二種方法就是通過(guò)增加計(jì)算機(jī)設(shè)備，建立軟件計(jì)算模型，通過(guò)測(cè)量海面環(huán)境各項(xiàng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較計(jì)算后確定船舶最佳航向。這種方法的好處是不需要較大的能耗就能找到最佳航向；缺點(diǎn)是軟件模型精度計(jì)算不高，計(jì)算出的洋流數(shù)據(jù)有一定誤差，最終最佳航向也會(huì)有偏差，有時(shí)計(jì)算的結(jié)果可能與實(shí)際觀測(cè)到的洋流表面相差太大，可能是暗涌的存在，這就需要有經(jīng)驗(yàn)的航海人員現(xiàn)場(chǎng)確定能否進(jìn)行定位作業(yè)。目前大部分動(dòng)力定位船舶都采用這種方式，包括我司建造的所有等級(jí)的動(dòng)力定位船舶都是采用此方法。

4 船舶定位的外部干擾力和風(fēng)向的關(guān)系

船舶定位的外部干擾力主要包括：海風(fēng)、洋流、海浪等。有時(shí)較大的雨量也會(huì)對(duì)船體產(chǎn)生沖擊作用力，此時(shí)船舶一般會(huì)停止作業(yè)，所以只需考慮常見(jiàn)的海風(fēng)和洋流的影響。那么如何利用船舶自身發(fā)動(dòng)機(jī)的推力去抵消這些外來(lái)力對(duì)船體的影響，這就需要?jiǎng)恿Χㄎ幌到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員利用數(shù)學(xué)理論計(jì)算，并用實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)設(shè)備進(jìn)行不斷的試驗(yàn)，檢測(cè)計(jì)算結(jié)果是否正確。

下面介紹國(guó)內(nèi)某校研究所結(jié)合某型船的船體參數(shù)進(jìn)行的矩陣實(shí)驗(yàn)室仿真軟件測(cè)試校驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)船的配置為尾部?jī)蓚€(gè)螺旋槳推進(jìn)器（主推進(jìn)器）、三個(gè)側(cè)推進(jìn)器和兩個(gè)轉(zhuǎn)向?yàn)?0°范圍角的轉(zhuǎn)頁(yè)舵：船尾平行于船體中軸線的兩側(cè)，平行對(duì)稱布置兩個(gè)主推進(jìn)器；兩個(gè)轉(zhuǎn)頁(yè)舵，分別布置在兩個(gè)主推進(jìn)器后面；船鼻首后面，布置兩個(gè)側(cè)向推進(jìn)器；船尾布置一個(gè)側(cè)向推進(jìn)器；三個(gè)側(cè)推進(jìn)器的方向并列垂直于船體中軸線，尾側(cè)推進(jìn)器要求在船體中心和重心點(diǎn)之后。

測(cè)試過(guò)程中，船舶航向始終指向某一個(gè)固定的位置，也可叫做定錨轉(zhuǎn)向。在程序中輸入設(shè)置單獨(dú)的某個(gè)方向的洋流和海風(fēng)兩個(gè)外力的方向和大小，這兩個(gè)是海洋中最常見(jiàn)的能使船舶移位的外力，由于一般洋流是跟海風(fēng)同向而行的，因此把兩個(gè)外力方向都設(shè)置成235°；船舶速度設(shè)置為2 kn，模擬采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔設(shè)置為1 s。設(shè)置完成后，啟動(dòng)動(dòng)力定位軌跡跟蹤顯示程序，便可以顯示曲線軌跡圖，記錄數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換船舶操舵模式進(jìn)入自動(dòng)航行狀態(tài)，并開(kāi)始尋找最佳航向模式，觀察船舶移動(dòng)過(guò)程中的軌跡圖以及航向的變化過(guò)程。從圖3 可以看到：船舶航向最終停留在60°方向附近并穩(wěn)定下來(lái)，大致與海域中風(fēng)的吹來(lái)方向相反。由于我們?cè)O(shè)置的船體排水量較小，從開(kāi)始到穩(wěn)定航向耗時(shí)也比較短，大約10 min 左右就可以初步穩(wěn)定。

圖3 船舶航向變化軌跡圖

經(jīng)過(guò)多次模擬，最后穩(wěn)定的船舶航向始終與外部干擾力的合力方向相反，基本上就是與海風(fēng)吹來(lái)的方向相反。根據(jù)地理知識(shí)，我們可以了解到海面洋流是由于海風(fēng)引起，并且洋流的速度和海風(fēng)的速度成正比狀態(tài)，海風(fēng)是干擾船舶定位的外力主因，那么就可以基本確定船舶航向就是與風(fēng)吹來(lái)方向相反，即頂風(fēng)逆流向。

5 實(shí)際調(diào)試應(yīng)用

船舶設(shè)計(jì)時(shí)，都會(huì)在船底和桅桿處安裝多個(gè)測(cè)量設(shè)備用來(lái)測(cè)量海域海流和風(fēng)的方向、速度等外部干擾力的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)系統(tǒng)的軟件參數(shù)設(shè)定和實(shí)地系統(tǒng)建模，計(jì)算出推進(jìn)器推力的大小，軟件程序鎖定后，實(shí)際操作船舶檢驗(yàn)定位的精度，確保實(shí)現(xiàn)定位功能。由于每艘船的配置不同，有時(shí)即使是同系列船，由于同種設(shè)備的性能有差異，其發(fā)揮的作用就會(huì)不同，意味著每一艘船的系統(tǒng)軟件模型是唯一的，所以建模就是為了把所有設(shè)備都調(diào)試到最出色的高效臨界點(diǎn)，達(dá)到最優(yōu)的定位性能。

動(dòng)力系統(tǒng)的軟件計(jì)算模型中，一般采用伺服前饋-反饋復(fù)合控制的方式來(lái)抵消外部作用力的影響，反饋的程序中也包含了船舶本身設(shè)備的輸出能效等相關(guān)參數(shù)設(shè)置。目前，由于國(guó)外技術(shù)封鎖，我們正在努力摸索進(jìn)一步解決整個(gè)技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)動(dòng)力定位系統(tǒng)的普及推廣。圖4 為DP 系統(tǒng)模型完成后形成的定位能力圖[1]，可以直觀地看到風(fēng)向位于船尾或者船首時(shí)定位性能較強(qiáng)，而風(fēng)向位于兩舷時(shí)定位能力比較差，所以相關(guān)船舶在海上進(jìn)行工程作業(yè)時(shí)，都是定位在頂風(fēng)逆流狀態(tài)下再進(jìn)行作業(yè)的，可以大大提高定位的穩(wěn)定性，降低出現(xiàn)差錯(cuò)定位和事故的概率。

圖4 動(dòng)力定位能力圖

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)簡(jiǎn)單介紹裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶在定位過(guò)程中確認(rèn)船首向的初步原理，展示了風(fēng)對(duì)船舶定位性能影響效果，有助于大家對(duì)相關(guān)船舶的調(diào)試進(jìn)行了解，積累調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。