譚永燦

（江龍船艇科技股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

對于船舶的制造和加工環(huán)節(jié)來說，進一步提高動力定位系統(tǒng)的運行效率，能夠有效地控制船舶，實現(xiàn)自動化操作，防止出現(xiàn)突發(fā)問題。本文所研究的高性能船舶對象，具備多樣化的作業(yè)功能。在其上方需要進行動力定位系統(tǒng)的配置，不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)對于自動化船舶操作的控制，同時還能夠確保在大風浪的條件之下，船舶也能夠安全的作業(yè)。因此，就需要在原有系統(tǒng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)之上，針對具體的設(shè)計思路，展開深入的研究和探討。通過改進方案的提出，對于原有的設(shè)計方案，進行優(yōu)化與完善。

1 研究背景

對于當前的海洋工程來說，在深海技術(shù)持續(xù)推進發(fā)展的過程中，動力定位系統(tǒng)也具有較為廣泛的應(yīng)用范圍。在船舶上所設(shè)置的動力定位系統(tǒng)就是依靠控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對于推機器的驅(qū)動，這樣就能夠使船舶在航行的過程中，面對風浪、水流等外界環(huán)境條件之下，能夠?qū)τ谒饔糜诖耐饬Γ瑢崿F(xiàn)有效的抵消，并通過對于船舶推力器大小、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。對于船舶動力定位系統(tǒng)而言，可以將其簡稱為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)能夠依靠測量系統(tǒng)，對于船舶的實際位置進行檢測。并通過對比得到和目標位置之間的偏差，在環(huán)境外力影響的基礎(chǔ)之上，對于全部重新回歸到目標位置所需要的推力大小，展開進一步計算。這樣就能夠針對船舶上的各個推進器，進行推力的分配，確保其能夠通過推力的產(chǎn)生，從而抵抗環(huán)境外力對于船舶的運行所帶來的干擾和阻礙。讓船舶在航行的過程中，能夠自動維持在預(yù)設(shè)值的軌道位置上。按照預(yù)先設(shè)計好的航線不斷地前進。在當前的海上作業(yè)中，很多船舶都應(yīng)用了動力定位系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的設(shè)置，不僅能夠提高定位的精確度，而且具有良好的機動性和靈活性。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。所以，在現(xiàn)階段的各項研究中，也得到了重點的關(guān)注。

2 原有設(shè)計方案的概述

前期有一個廣東省沿海600 噸級綜合消防雙體船的項目，因該船設(shè)計對外消防能力較強，全船配備7 臺水炮，其中多功能消防炮1 臺（流量3000m3/h，水射程大于200m），主消防水/泡沫炮2 臺，副消防水/泡沫炮4臺，所有消防炮通過駕駛室控制臺及無線遙控器遙控，同時配有手動操作。船東要求在對外消防救援時，能精準打到目標?？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)計方案，引入DP 動力定位系統(tǒng)。另根據(jù)船東實際使用需要和作業(yè)海域情況，確認DP-1 入級符號。

在設(shè)計方案中，對于DP 動力定位系統(tǒng)進行了基本的配置，其中包含三方面的內(nèi)容，分別為動力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)。

（1）在動力系統(tǒng)中，我們選用船舶電站，涉及兩臺主柴油發(fā)電機組。在其中進行了相應(yīng)的管理系統(tǒng)的設(shè)置，通過管理系統(tǒng)，能夠進行自動并車和起停機組的操作，同時還能夠進行負載的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)對于大功率負載的詢問。對于所出現(xiàn)的故障問題，具備報警和處理的功能。通過電力系統(tǒng)，能夠?qū)τ趧恿Χㄎ幌到y(tǒng)中的各項設(shè)備，進行驅(qū)動動力的提供。作為工作電源，對于其他的控制系統(tǒng)和設(shè)備的運行，提供充足的電力。

（2）在推力器系統(tǒng)中，我們選用柴油機驅(qū)動的推進器，主推進裝置選用全回轉(zhuǎn)推進器，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。對于推進系統(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系統(tǒng)維持在正常的運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)運行的效率，這樣才能對于動力定位系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn)，做到基本的保障，提高系統(tǒng)功能的安全性和可靠性。對于推進系統(tǒng)來說，其中所設(shè)置的設(shè)備相互之間的聯(lián)通，以動力定位系統(tǒng)和通信線路作為主要的媒介。以自動或者是人工的方式，進行動力定位系統(tǒng)的操作與控制，這樣就能夠確保動力推進功能的實現(xiàn)。

（3）在動力定位控制系統(tǒng)中，包含動力定位操作臺、系統(tǒng)控制器、便攜式操作板等等。通過該系統(tǒng)的運行，能夠在船舶行駛的過程中，實現(xiàn)自動化的定位、轉(zhuǎn)向、巡航、導航以及跟蹤目標航行。在整個系統(tǒng)中，主要的控制中心就是動力定位操縱臺，在其上方設(shè)置了操縱桿、顯示器等設(shè)備。對于操作臺來說，通過便攜式的操作板，起到備用的作用。在動力定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)控制器主要負責信號采集以及信息處理等功能。在本文所設(shè)計的船舶系統(tǒng)中，在進行信號采集以后，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傳送到控制模塊，進行具體的運算。并且在控制推進或者是報警設(shè)備中，對于控制指令進行發(fā)送，這樣就能夠讓船舶的推進控制和報警功能，得到進一步實現(xiàn)[1]。

3 動力定位系統(tǒng)的設(shè)計原理

DP 定位系統(tǒng)可通過運用定位控制算法，對船舶在運行的過程中所處的位置進行具體計算。這樣就能對于船舶進行有效控制，確保船舶能夠在提前設(shè)計好的軌跡上按部就班的航行。對于船舶自動定位目標的實現(xiàn)具體的判定來說，就是在船舶實際航行的過程中，其與提前設(shè)定的坐標點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定位目標的實現(xiàn)。

對于本文所設(shè)計的船舶來說，進行動力定位系統(tǒng)的控制的具體原理，就是在控制器中，對于提前設(shè)計好的航線軌跡和所要到達的終點坐標，進行預(yù)先輸入。之后就能夠在預(yù)定軌跡的基礎(chǔ)之上，通過動力定位控制系統(tǒng)，結(jié)合相關(guān)的控制算法，對于船舶的航速和航向展開進一步設(shè)計。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。因此對于所采用的算法來說，也有著較高的復雜性。通過相關(guān)的航海實驗數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)之上，進行了動力自動定位運動曲線的繪制，如圖1所示。

圖1 自動定位運動曲線

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，進一步的針對自動定位的流程，做到了數(shù)據(jù)上的反映。通過運動曲線得知，相較于實際的過程，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。通過對于運動曲線的分析，能夠判斷動力定位控制系統(tǒng)具有較為復雜的結(jié)構(gòu)，雖然針對控制器做出了一定的處理，但是依然無法實現(xiàn)良好的控制效果。整個系統(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 動力定位系統(tǒng)的控制測量

對于船舶的海上動力學特性而言，難以通過精準的數(shù)學模型來進行描述。而且在不同的海況背景之下，也會面對隨機的外部干擾，從而導致統(tǒng)計特性出現(xiàn)難以預(yù)料的改變。所以在當前的動力定位系統(tǒng)中，對于系統(tǒng)進行有效控制，屬于一個重點的研究內(nèi)容。在船舶動力定位系統(tǒng)中，具體的應(yīng)用性能指標涉及對于外界環(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，維持在正確的位置。同時還要在保證系統(tǒng)安全、可靠運行的基礎(chǔ)之上，能夠在最大程度上，降低推進系統(tǒng)的能耗。所以針對這種控制要求，在進行控制策略的制定時，要對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)動機數(shù)量、海況、故障問題等多方面因素的差異性，也會分配不同的功率數(shù)量，所以就要有效的限制執(zhí)行機構(gòu)所獲得的控制指令。要想最大化的實現(xiàn)性能，不會出現(xiàn)執(zhí)行器的飽和，就要對于推力分配系統(tǒng)以及控制器，對功率的約束限制做到充分考慮。

（2）推力器負載。對于推力器的推力而言，其與機械屬性有著密切的關(guān)系。所以在進行控制策略的制定時，也要對于硬約束做到充分的考慮。如果在電力的推進之下，就會帶來高峰值推力，從而造成齒輪箱的損壞。所以為了確保運行的安全性，就要有效的限制螺旋槳的轉(zhuǎn)速。另外，針對光滑的推力變化來說，也有助于能源節(jié)約目標的實現(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。要想在當前的操作條件下，促進船舶性能最大化的實現(xiàn)。一般就要從安全或者是性能的角度上，進行操作區(qū)約束的引進。如果違背了這一約束，那么就可能會在作業(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，通過推進器可以對于任何方向，進行推力的產(chǎn)生。在通常情況下，通過兩個推進器就能夠組成整個推力系統(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，對于推進器系統(tǒng)而言，要能夠達到平臺工作所提出的可靠性和可操作性的特點，所以一般來說在推進器系統(tǒng)中，會進行數(shù)量多達五個以上的推進器的設(shè)置。在這一過程中，需要對于推進器和船體之間各種影響因素，進行充分的考慮，并且要重視起來控制多個推進器所構(gòu)成的冗余系統(tǒng)[3]。

所以，在對于船舶的動力定位系統(tǒng)進行控制策略的制定和安排時，要對于該系統(tǒng)的控制精度，做到充分的考慮和把握。同時，還要能夠分析定位系統(tǒng)所具有的能耗以及響應(yīng)速度。要想實現(xiàn)良好的動力定位系統(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)對于系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

5 控制系統(tǒng)技術(shù)

針對控制對象來說，具有雙輸入雙輸出的特點，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，就要通過解耦算法或者是多變量的控制。但是，對于這種算法處理方式來說，具有一定的復雜性，而且響應(yīng)速度比較慢，因此在面對不確定多變量對象時，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，其中對于BP 網(wǎng)絡(luò)來說，所應(yīng)用的為二級網(wǎng)。在隱含層的內(nèi)部包括五個單元，具體的原理就是在集中計算的基礎(chǔ)之上，從而得到誤差測度以及實際輸出兩個數(shù)值。同時還要進一步的調(diào)整輸出層權(quán)，經(jīng)過多次的循環(huán)和反復，直到對所有的樣本都開展重復訓練，確保其能夠符合容限誤差，滿足預(yù)先設(shè)計好的學習速率以后，就能夠判定訓練工作目標的順利完成[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的運轉(zhuǎn)方向。通過人工的船舶操作，從而將所獲得的數(shù)據(jù)當作樣本，進行之后的網(wǎng)絡(luò)訓練。這樣就能夠在船舶朝目標坐標航行的過程中，通過網(wǎng)絡(luò)對于具體的主機和舵機運行規(guī)律進行識別。同時還能夠在網(wǎng)絡(luò)權(quán)重中，完成對于規(guī)律的貯存。在這種情況之下，如果提前進行了船舶運行航線的確定，那么在經(jīng)過訓練之后的網(wǎng)絡(luò)，就可以在船舶航行的各個階段，對于舵角和主機選項進行有效的預(yù)報。這樣就能夠?qū)τ诖皩崿F(xiàn)自動化的引導，讓其能夠朝著指定的位置不斷地前進。

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

6 結(jié)語

綜上所述，對于高性能船舶而言，通過高效的動力定位系統(tǒng)的建立，能夠促進船舶自動化航行目標的實現(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。船舶的動力定位系統(tǒng)從70 年代逐漸發(fā)展起來，在海洋工程、科學考察等領(lǐng)域有著重要的用途，也因應(yīng)國家海洋強國的政策，各種公務(wù)執(zhí)法船艇、特種工作船和海上風電運維船的功能需求提高。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)的性能也不斷提高。所以就要通過進一步的強化對于動力定位系統(tǒng)技術(shù)的分析，促進系統(tǒng)技術(shù)水平的提高。