譚永燦

（江龍船艇科技股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

對(duì)于船舶的制造和加工環(huán)節(jié)來說，進(jìn)一步提高動(dòng)力定位系統(tǒng)的運(yùn)行效率，能夠有效地控制船舶，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，防止出現(xiàn)突發(fā)問題。本文所研究的高性能船舶對(duì)象，具備多樣化的作業(yè)功能。在其上方需要進(jìn)行動(dòng)力定位系統(tǒng)的配置，不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于自動(dòng)化船舶操作的控制，同時(shí)還能夠確保在大風(fēng)浪的條件之下，船舶也能夠安全的作業(yè)。因此，就需要在原有系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)之上，針對(duì)具體的設(shè)計(jì)思路，展開深入的研究和探討。通過改進(jìn)方案的提出，對(duì)于原有的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行優(yōu)化與完善。

1 研究背景

對(duì)于當(dāng)前的海洋工程來說，在深海技術(shù)持續(xù)推進(jìn)發(fā)展的過程中，動(dòng)力定位系統(tǒng)也具有較為廣泛的應(yīng)用范圍。在船舶上所設(shè)置的動(dòng)力定位系統(tǒng)就是依靠控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于推機(jī)器的驅(qū)動(dòng)，這樣就能夠使船舶在航行的過程中，面對(duì)風(fēng)浪、水流等外界環(huán)境條件之下，能夠?qū)τ谒饔糜诖耐饬?，?shí)現(xiàn)有效的抵消，并通過對(duì)于船舶推力器大小、方向的調(diào)整和控制，讓其始終維持在事先設(shè)定的位置上。對(duì)于船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)而言，可以將其簡(jiǎn)稱為DP 系統(tǒng)。DP 系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠維持船舶航行的穩(wěn)定性，確定船中心和船艏向，減少乃至消除航行方向與軌道偏離的問題。DP 系統(tǒng)能夠依靠測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于船舶的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。并通過對(duì)比得到和目標(biāo)位置之間的偏差，在環(huán)境外力影響的基礎(chǔ)之上，對(duì)于全部重新回歸到目標(biāo)位置所需要的推力大小，展開進(jìn)一步計(jì)算。這樣就能夠針對(duì)船舶上的各個(gè)推進(jìn)器，進(jìn)行推力的分配，確保其能夠通過推力的產(chǎn)生，從而抵抗環(huán)境外力對(duì)于船舶的運(yùn)行所帶來的干擾和阻礙。讓船舶在航行的過程中，能夠自動(dòng)維持在預(yù)設(shè)值的軌道位置上。按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的航線不斷地前進(jìn)。在當(dāng)前的海上作業(yè)中，很多船舶都應(yīng)用了動(dòng)力定位系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的設(shè)置，不僅能夠提高定位的精確度，而且具有良好的機(jī)動(dòng)性和靈活性。在多種類型的海上作業(yè)中都較為適用，具有很多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。所以，在現(xiàn)階段的各項(xiàng)研究中，也得到了重點(diǎn)的關(guān)注。

2 原有設(shè)計(jì)方案的概述

前期有一個(gè)廣東省沿海600 噸級(jí)綜合消防雙體船的項(xiàng)目，因該船設(shè)計(jì)對(duì)外消防能力較強(qiáng)，全船配備7 臺(tái)水炮，其中多功能消防炮1 臺(tái)（流量3000m3/h，水射程大于200m），主消防水/泡沫炮2 臺(tái)，副消防水/泡沫炮4臺(tái)，所有消防炮通過駕駛室控制臺(tái)及無線遙控器遙控，同時(shí)配有手動(dòng)操作。船東要求在對(duì)外消防救援時(shí)，能精準(zhǔn)打到目標(biāo)?？紤]該船水炮數(shù)量多、流量大和后坐力大的綜合因素，我們經(jīng)過多次技術(shù)討論，最終給船東定下設(shè)計(jì)方案，引入DP 動(dòng)力定位系統(tǒng)。另根據(jù)船東實(shí)際使用需要和作業(yè)海域情況，確認(rèn)DP-1 入級(jí)符號(hào)。

在設(shè)計(jì)方案中，對(duì)于DP 動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行了基本的配置，其中包含三方面的內(nèi)容，分別為動(dòng)力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。

（1）在動(dòng)力系統(tǒng)中，我們選用船舶電站，涉及兩臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組。在其中進(jìn)行了相應(yīng)的管理系統(tǒng)的設(shè)置，通過管理系統(tǒng)，能夠進(jìn)行自動(dòng)并車和起停機(jī)組的操作，同時(shí)還能夠進(jìn)行負(fù)載的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)對(duì)于大功率負(fù)載的詢問。對(duì)于所出現(xiàn)的故障問題，具備報(bào)警和處理的功能。通過電力系統(tǒng)，能夠?qū)τ趧?dòng)力定位系統(tǒng)中的各項(xiàng)設(shè)備，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的提供。作為工作電源，對(duì)于其他的控制系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行，提供充足的電力。

（2）在推力器系統(tǒng)中，我們選用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器，主推進(jìn)裝置選用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艏部設(shè)液壓艏側(cè)推，左右片體各一套以及有關(guān)的各種輔助性的設(shè)施。對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)來說，其中很多設(shè)備可以相互備用，這樣就能夠確保整個(gè)系統(tǒng)維持在正常的運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率，這樣才能對(duì)于動(dòng)力定位系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，做到基本的保障，提高系統(tǒng)功能的安全性和可靠性。對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)來說，其中所設(shè)置的設(shè)備相互之間的聯(lián)通，以動(dòng)力定位系統(tǒng)和通信線路作為主要的媒介。以自動(dòng)或者是人工的方式，進(jìn)行動(dòng)力定位系統(tǒng)的操作與控制，這樣就能夠確保動(dòng)力推進(jìn)功能的實(shí)現(xiàn)。

（3）在動(dòng)力定位控制系統(tǒng)中，包含動(dòng)力定位操作臺(tái)、系統(tǒng)控制器、便攜式操作板等等。通過該系統(tǒng)的運(yùn)行，能夠在船舶行駛的過程中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的定位、轉(zhuǎn)向、巡航、導(dǎo)航以及跟蹤目標(biāo)航行。在整個(gè)系統(tǒng)中，主要的控制中心就是動(dòng)力定位操縱臺(tái)，在其上方設(shè)置了操縱桿、顯示器等設(shè)備。對(duì)于操作臺(tái)來說，通過便攜式的操作板，起到備用的作用。在動(dòng)力定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)控制器主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集以及信息處理等功能。在本文所設(shè)計(jì)的船舶系統(tǒng)中，在進(jìn)行信號(hào)采集以后，通過控制處理器展開相應(yīng)的分析和處理，之后再將處理過的信號(hào)傳送到控制模塊，進(jìn)行具體的運(yùn)算。并且在控制推進(jìn)或者是報(bào)警設(shè)備中，對(duì)于控制指令進(jìn)行發(fā)送，這樣就能夠讓船舶的推進(jìn)控制和報(bào)警功能，得到進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)[1]。

3 動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

DP 定位系統(tǒng)可通過運(yùn)用定位控制算法，對(duì)船舶在運(yùn)行的過程中所處的位置進(jìn)行具體計(jì)算。這樣就能對(duì)于船舶進(jìn)行有效控制，確保船舶能夠在提前設(shè)計(jì)好的軌跡上按部就班的航行。對(duì)于船舶自動(dòng)定位目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具體的判定來說，就是在船舶實(shí)際航行的過程中，其與提前設(shè)定的坐標(biāo)點(diǎn)之間存在的距離誤差，能夠控制在允許的范圍內(nèi)，那么就說明船舶自動(dòng)定位目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的船舶來說，進(jìn)行動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制的具體原理，就是在控制器中，對(duì)于提前設(shè)計(jì)好的航線軌跡和所要到達(dá)的終點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行預(yù)先輸入。之后就能夠在預(yù)定軌跡的基礎(chǔ)之上，通過動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，結(jié)合相關(guān)的控制算法，對(duì)于船舶的航速和航向展開進(jìn)一步設(shè)計(jì)。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)船舶的有效控制，確保其能夠按照預(yù)先制定好的軌跡，實(shí)現(xiàn)正常的航行。

從本質(zhì)上來看，該系統(tǒng)屬于多變量控制系統(tǒng)，具有雙輸入雙輸出的特點(diǎn)。因此對(duì)于所采用的算法來說，也有著較高的復(fù)雜性。通過相關(guān)的航海實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了動(dòng)力自動(dòng)定位運(yùn)動(dòng)曲線的繪制，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)定位運(yùn)動(dòng)曲線

為了讓數(shù)據(jù)的比較更加鮮明，還在航海環(huán)境條件的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步的針對(duì)自動(dòng)定位的流程，做到了數(shù)據(jù)上的反映。通過運(yùn)動(dòng)曲線得知，相較于實(shí)際的過程，仿真結(jié)果能夠做到很大程度上接近。因此，這也證明了仿真算法具有一定的可信性。通過對(duì)于運(yùn)動(dòng)曲線的分析，能夠判斷動(dòng)力定位控制系統(tǒng)具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，雖然針對(duì)控制器做出了一定的處理，但是依然無法實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。整個(gè)系統(tǒng)具有較為遲緩的響應(yīng)速度，存在著較為明顯的控制偏差。

4 動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制測(cè)量

對(duì)于船舶的海上動(dòng)力學(xué)特性而言，難以通過精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行描述。而且在不同的海況背景之下，也會(huì)面對(duì)隨機(jī)的外部干擾，從而導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)特性出現(xiàn)難以預(yù)料的改變。所以在當(dāng)前的動(dòng)力定位系統(tǒng)中，對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，屬于一個(gè)重點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容。在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中，具體的應(yīng)用性能指標(biāo)涉及對(duì)于外界環(huán)境因素的快速響應(yīng)，確保船舶能夠按照預(yù)期的航行路線前進(jìn)，維持在正確的位置。同時(shí)還要在保證系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)之上，能夠在最大程度上，降低推進(jìn)系統(tǒng)的能耗。所以針對(duì)這種控制要求，在進(jìn)行控制策略的制定時(shí)，要對(duì)于如下幾方面的約束條件，做到充分的考慮[2]。

（1）功率消耗。對(duì)于船舶而言，具體的功率產(chǎn)生比較有限，所以只有部分能夠應(yīng)用于推力器。在船舶航行的過程中，由于作業(yè)類型、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量、海況、故障問題等多方面因素的差異性，也會(huì)分配不同的功率數(shù)量，所以就要有效的限制執(zhí)行機(jī)構(gòu)所獲得的控制指令。要想最大化的實(shí)現(xiàn)性能，不會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行器的飽和，就要對(duì)于推力分配系統(tǒng)以及控制器，對(duì)功率的約束限制做到充分考慮。

（2）推力器負(fù)載。對(duì)于推力器的推力而言，其與機(jī)械屬性有著密切的關(guān)系。所以在進(jìn)行控制策略的制定時(shí)，也要對(duì)于硬約束做到充分的考慮。如果在電力的推進(jìn)之下，就會(huì)帶來高峰值推力，從而造成齒輪箱的損壞。所以為了確保運(yùn)行的安全性，就要有效的限制螺旋槳的轉(zhuǎn)速。另外，針對(duì)光滑的推力變化來說，也有助于能源節(jié)約目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（3）操作區(qū)約束。在不同的作業(yè)類型的基礎(chǔ)之上，就會(huì)根據(jù)具體的工作區(qū)域，存在差異性的操作約束。要想在當(dāng)前的操作條件下，促進(jìn)船舶性能最大化的實(shí)現(xiàn)。一般就要從安全或者是性能的角度上，進(jìn)行操作區(qū)約束的引進(jìn)。如果違背了這一約束，那么就可能會(huì)在作業(yè)的過程中，帶來災(zāi)難性的后果。

（4）冗余度。在理想狀態(tài)之下，通過推進(jìn)器可以對(duì)于任何方向，進(jìn)行推力的產(chǎn)生。在通常情況下，通過兩個(gè)推進(jìn)器就能夠組成整個(gè)推力系統(tǒng)。但是由于推力器具有有限的推力容量，所以也就無法符合推力容量的需求。另外，對(duì)于推進(jìn)器系統(tǒng)而言，要能夠達(dá)到平臺(tái)工作所提出的可靠性和可操作性的特點(diǎn)，所以一般來說在推進(jìn)器系統(tǒng)中，會(huì)進(jìn)行數(shù)量多達(dá)五個(gè)以上的推進(jìn)器的設(shè)置。在這一過程中，需要對(duì)于推進(jìn)器和船體之間各種影響因素，進(jìn)行充分的考慮，并且要重視起來控制多個(gè)推進(jìn)器所構(gòu)成的冗余系統(tǒng)[3]。

所以，在對(duì)于船舶的動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行控制策略的制定和安排時(shí)，要對(duì)于該系統(tǒng)的控制精度，做到充分的考慮和把握。同時(shí)，還要能夠分析定位系統(tǒng)所具有的能耗以及響應(yīng)速度。要想實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制效果，就要在綜合多效約束情況的基礎(chǔ)之上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

5 控制系統(tǒng)技術(shù)

針對(duì)控制對(duì)象來說，具有雙輸入雙輸出的特點(diǎn)，因此在控制通道之間，具有耦合和關(guān)聯(lián)關(guān)系的存在。在具體的處理時(shí)，就要通過解耦算法或者是多變量的控制。但是，對(duì)于這種算法處理方式來說，具有一定的復(fù)雜性，而且響應(yīng)速度比較慢，因此在面對(duì)不確定多變量對(duì)象時(shí)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的應(yīng)用，具有較高的適用性。

在本次的方案設(shè)計(jì)中，采取的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP 算法的應(yīng)用。這種算法的發(fā)展比較成熟，其中對(duì)于BP 網(wǎng)絡(luò)來說，所應(yīng)用的為二級(jí)網(wǎng)。在隱含層的內(nèi)部包括五個(gè)單元，具體的原理就是在集中計(jì)算的基礎(chǔ)之上，從而得到誤差測(cè)度以及實(shí)際輸出兩個(gè)數(shù)值。同時(shí)還要進(jìn)一步的調(diào)整輸出層權(quán)，經(jīng)過多次的循環(huán)和反復(fù)，直到對(duì)所有的樣本都開展重復(fù)訓(xùn)練，確保其能夠符合容限誤差，滿足預(yù)先設(shè)計(jì)好的學(xué)習(xí)速率以后，就能夠判定訓(xùn)練工作目標(biāo)的順利完成[4]。

在具體的控制方案中，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，以方位距離作為輸入元素，而網(wǎng)絡(luò)輸出則為舵角和主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。通過人工的船舶操作，從而將所獲得的數(shù)據(jù)當(dāng)作樣本，進(jìn)行之后的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。這樣就能夠在船舶朝目標(biāo)坐標(biāo)航行的過程中，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)于具體的主機(jī)和舵機(jī)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)還能夠在網(wǎng)絡(luò)權(quán)重中，完成對(duì)于規(guī)律的貯存。在這種情況之下，如果提前進(jìn)行了船舶運(yùn)行航線的確定，那么在經(jīng)過訓(xùn)練之后的網(wǎng)絡(luò)，就可以在船舶航行的各個(gè)階段，對(duì)于舵角和主機(jī)選項(xiàng)進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)。這樣就能夠?qū)τ诖皩?shí)現(xiàn)自動(dòng)化的引導(dǎo)，讓其能夠朝著指定的位置不斷地前進(jìn)。

通過對(duì)于完成訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用，讓其成為在動(dòng)力定位系統(tǒng)中的控制器。在經(jīng)過運(yùn)算輸出以后，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于操舵儀和主推進(jìn)器的直接控制，進(jìn)行船舶在航行過程中的方向和速度的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)于船只的自動(dòng)化的操作，從而讓其不斷地接近指定位置。

6 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于高性能船舶而言，通過高效的動(dòng)力定位系統(tǒng)的建立，能夠促進(jìn)船舶自動(dòng)化航行目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。并在這一過程中，有效地防止各種問題的出現(xiàn)。即便遇到較為惡劣的海上作業(yè)條件，也能夠?qū)崿F(xiàn)船舶的安全航行。船舶的動(dòng)力定位系統(tǒng)從70 年代逐漸發(fā)展起來，在海洋工程、科學(xué)考察等領(lǐng)域有著重要的用途，也因應(yīng)國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)的政策，各種公務(wù)執(zhí)法船艇、特種工作船和海上風(fēng)電運(yùn)維船的功能需求提高。隨著船舶電力推進(jìn)的成熟和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，動(dòng)力定位系統(tǒng)的性能也不斷提高。所以就要通過進(jìn)一步的強(qiáng)化對(duì)于動(dòng)力定位系統(tǒng)技術(shù)的分析，促進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)水平的提高。