王元慧， 張瀟月， 王成龍

(哈爾濱工程大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著世界經(jīng)濟(jì)增速發(fā)展，石油、天然氣等能源短缺問題日益嚴(yán)重，陸地資源已無法滿足發(fā)展所需，擁有豐富油氣資源的海洋便成為了大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，海洋不同于陸地，水深、水壓以及復(fù)雜多變的風(fēng)、浪、流環(huán)境為資源開采造成了不少阻礙。為解決海洋資源開發(fā)問題，為海洋開發(fā)裝備提供安全、技術(shù)支撐的船舶定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。目前，船舶的定位方式主要有3種：系泊定位技術(shù)、動(dòng)力定位技術(shù)和系泊動(dòng)力定位技術(shù)。

上述3種定位方式都能夠保證船舶的安全作業(yè)，但其應(yīng)用場(chǎng)景不同且各有優(yōu)劣。系泊定位又稱錨泊定位，是最傳統(tǒng)的船舶定位方式，它通過由錨、錨纜和錨鏈等構(gòu)成的系泊系統(tǒng)將船由錨固定在海底，從而確保船舶在一定的工作區(qū)域內(nèi)作業(yè)。這種定位方式簡(jiǎn)便易操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)性好。但是，由于系泊系統(tǒng)的制造及安全成本會(huì)隨著水深增加而大幅增長(zhǎng)，且機(jī)動(dòng)性差，難以抵御惡劣環(huán)境，因此大都用于近海、淺海，海況較好時(shí)的海上作業(yè)[2]。動(dòng)力定位技術(shù)是僅利用船舶自身推進(jìn)系統(tǒng)維持船舶位置及艏向的定位方法。它具有精確靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、不受水深制約等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于各種水域。但是，因其完全依靠推進(jìn)系統(tǒng)抵御外界環(huán)境，對(duì)能源的需求較大，經(jīng)濟(jì)性較差[3]。系泊動(dòng)力定位技術(shù)是結(jié)合了系泊定位和動(dòng)力定位二者的長(zhǎng)處，系泊系統(tǒng)和船舶推進(jìn)系統(tǒng)相互配合使用，既能抵御外界環(huán)境干擾，又能夠減少能源消耗，同時(shí)可以保證惡劣海況下船舶的安全。因此，與單獨(dú)的系泊定位技術(shù)和動(dòng)力定位技術(shù)相比，系泊動(dòng)力定位技術(shù)揚(yáng)長(zhǎng)避短，集合了二者的優(yōu)點(diǎn)，是必不可少的全天候、能耗經(jīng)濟(jì)的安全海洋資源開發(fā)技術(shù)[4]。

由此，系泊動(dòng)力定位技術(shù)一經(jīng)提出就受到了廣泛關(guān)注。近年來，各國(guó)學(xué)者在系泊動(dòng)力定位技術(shù)方面的研究成果頗豐。本文重點(diǎn)關(guān)注系泊動(dòng)力定位控制技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，從系統(tǒng)構(gòu)成、模型建立及控制器設(shè)計(jì)等方面闡述系泊動(dòng)力定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，分析控制策略的優(yōu)劣及應(yīng)用范圍。同時(shí)，展望了未來系泊動(dòng)力定位的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

1 系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)組成

系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)由系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)組成，而動(dòng)力定位系統(tǒng)又是由測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成[5]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由圖1所示。系泊系統(tǒng)提供回復(fù)力抵御部分外界環(huán)境力，由測(cè)量系統(tǒng)獲得位置坐標(biāo)及環(huán)境參數(shù)信息，控制系統(tǒng)根據(jù)期望目標(biāo)和相關(guān)數(shù)據(jù)由算法計(jì)算生成控制指令，并通過推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)。

圖1 系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of position mooring system

系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制目標(biāo)是借助推進(jìn)器和系泊系統(tǒng)補(bǔ)償海洋環(huán)境的干擾，使船舶的位置維持在工作區(qū)域內(nèi)且保持期望艏向。其中，在保證系泊纜繩安全的前提下，充分發(fā)揮系泊系統(tǒng)的能力來抵御外界環(huán)境干擾，減少動(dòng)力定位系統(tǒng)對(duì)推進(jìn)器的調(diào)用，從而節(jié)省能源消耗和機(jī)械磨損。

系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)的一般工作過程如下：在平靜海況下，由系泊系統(tǒng)提供定位支持功能，只使用動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行船舶的艏向控制，以達(dá)到節(jié)省能源降低損耗的目的；在中等及惡劣海況下，動(dòng)力定位系統(tǒng)啟動(dòng)，輔助系泊系統(tǒng)一同為船舶提供回復(fù)力，提高抵御環(huán)境力的能力，提高定位精度，同時(shí)減少系泊纜繩張力，預(yù)防系泊纜繩斷裂的發(fā)生，從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2 系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)模型

2.1 船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

構(gòu)建船舶系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。船舶系泊動(dòng)力定位模型通常采用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)六自由度矢量方程表達(dá)的形式[6]：

(1)

式中：η是北東坐標(biāo)系下的船舶位置姿態(tài)矢量；υ表示船體坐標(biāo)系下的船舶的線速度和角速度矢量；R(ψ)是2個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；M是包含附加質(zhì)量的系統(tǒng)慣性矩陣；C(υ)是包含附加質(zhì)量的科里奧利向心力矩陣；D(υ)是阻尼系數(shù)矩陣；g(η)是重力/浮力引起的力和力矩矢量；τ表示船舶推進(jìn)系統(tǒng)提供的力和力矩；τenv表示風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾產(chǎn)生的力和力矩；τm表示系泊系統(tǒng)提供的系泊張力；go為船舶壓載水提供的均衡力矢量。

系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)一般僅控制水面船或浮式平臺(tái)的位置及艏向。因此，可將六自由度方程簡(jiǎn)化為三自由度方程：

(2)

式中：η=[xyψ]T和υ=[uvr]T分別表示船舶縱蕩、橫蕩及艏搖方向上的位移和速度。

2.2 系泊系統(tǒng)張力模型

上述船舶系統(tǒng)模型中的τm表示的是系泊系統(tǒng)提供的系泊張力，它與船舶位姿、外界環(huán)境及系泊纜繩結(jié)構(gòu)有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，需要構(gòu)建合適的數(shù)學(xué)模型來描述它。目前常用的系泊纜繩張力模型的構(gòu)建方法根據(jù)對(duì)系泊系統(tǒng)力的分析方式可分為靜力分析方法和動(dòng)力分析方法。

2.2.1 靜力分析法

靜力分析法的基本原理是在穩(wěn)態(tài)條件下根據(jù)纜繩的受力情況，利用系泊張力和環(huán)境干擾力使得系統(tǒng)受力平衡原則，預(yù)估纜繩的幾何形狀、船舶平衡狀態(tài)下的位置以及該狀態(tài)下的纜線張力。懸鏈線分析法是典型、常用的靜力分析方法。劉書勝等[7]應(yīng)用懸鏈線法構(gòu)建了多成分系泊系統(tǒng)模型。陳新權(quán)等[8]考慮了多段不同材料的系泊纜繩及其分布對(duì)系泊張力的影響，通過懸鏈線分析法構(gòu)造系泊張力模型并確定合適的纜繩布局方式。于文太等[9]利用懸鏈線法推導(dǎo)得到了帶有浮筒的系泊系統(tǒng)模型，并計(jì)算了多浮筒懸鏈線系泊纜索姿態(tài)參數(shù)。

然而，懸鏈線分析法在計(jì)算過程中一般只考慮浮體的水平位移，忽略了質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)阻尼等動(dòng)力因素。并且建立在下列假定情況下：纜索自身重力遠(yuǎn)大于其受到的流體作用力，忽略流體作用力、纜索慣性力和自身的彈性形變等。雖然淺水區(qū)域的環(huán)境能夠滿足這些所需的假定，保證所求纜繩張力在可接受誤差范圍內(nèi)。但是，在流速大的深水環(huán)境中，或者對(duì)于為了迎合深水需求自重小的新型復(fù)合纜索來說，該方法不再適用[10]。

2.2.2 動(dòng)力分析法

系泊纜張力的精確計(jì)算是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、作業(yè)操作、安全保障的前提和基礎(chǔ)，因此針對(duì)深海、極端環(huán)境下系泊纜的運(yùn)動(dòng)特性分析不能忽略纜繩自重、流體作用、慣性力和運(yùn)動(dòng)阻尼等動(dòng)力因素。對(duì)系泊系統(tǒng)采用動(dòng)力分析法，能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)系統(tǒng)在極端海況下的響應(yīng)，也為系泊系統(tǒng)的疲勞分析提供了保障。

在系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的動(dòng)力分析法中較為常用的有集中質(zhì)量法和有限元法。它們分別將纜繩化作n段質(zhì)量集中在節(jié)點(diǎn)的彈簧和n段彈性桿，根據(jù)受力平衡關(guān)系、邊界初始條件列寫方程，最終推導(dǎo)系泊張力。這2種方法全面考慮了系泊系統(tǒng)非線性，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地預(yù)報(bào)系統(tǒng)在極端海況下的響應(yīng)，也為系泊系統(tǒng)的疲勞分析提供了保障。趙晶瑞等[11]建立帶有浮筒的系泊系統(tǒng)集中質(zhì)量力學(xué)模型，通過仿真驗(yàn)證浮筒可以有效減小纜繩張力，但會(huì)改變最大張力點(diǎn)；海流的作用力在系泊纜的靜力分析中可以忽略。袁夢(mèng)等[12]采用彈性桿單元，構(gòu)建了系泊系統(tǒng)有限元模型。Fang等[13]進(jìn)一步建立了廣義系泊力有限元模型，為后續(xù)系泊系統(tǒng)安全定位控制研究建立了基礎(chǔ)。Lee等[14]通過增量和迭代對(duì)有限元方法進(jìn)行改進(jìn)，推導(dǎo)了單點(diǎn)系泊多段纜繩在波浪力作用下的有限元張力模型，并通過仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了合理性，可應(yīng)用于纜繩的動(dòng)態(tài)分析。

綜上所述，3種方法都能夠推導(dǎo)得到系泊系統(tǒng)的張力模型。懸鏈線分析法是靜力分析方法，多用于近海、淺海等海洋環(huán)境較為簡(jiǎn)單，對(duì)張力精度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景中；集中質(zhì)量法和有限元法是動(dòng)態(tài)分析法，能夠?qū)崟r(shí)、精確地分析系泊纜繩的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、與船舶的耦合運(yùn)動(dòng)以及受海洋環(huán)境的影響變化，可應(yīng)用于深海、遠(yuǎn)海等環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)系泊纜繩張力的精確性要求較高的作業(yè)場(chǎng)景中。

3 系泊動(dòng)力定位控制策略研究進(jìn)展

系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)由系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)組成。根據(jù)對(duì)這2個(gè)系統(tǒng)的處理方式不同，系泊動(dòng)力定位控制策略大致可分為分離控制和混合控制2種不同方式。分離控制就是為系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)2個(gè)控制器，分別控制系泊張力和船舶位姿，從而保證船舶系泊張力在安全限界之內(nèi)，同時(shí)船舶在指定范圍內(nèi)正常作業(yè)?；旌峡刂凭褪侵辉O(shè)計(jì)一個(gè)控制器同時(shí)控制兩個(gè)系統(tǒng)，它能夠同時(shí)保障系泊纜繩安全及船舶的作業(yè)定位要求。

3.1 系泊動(dòng)力定位分離控制策略

將系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)看作2個(gè)獨(dú)立部分，分別設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行控制。系泊系統(tǒng)控制器又可以分為主動(dòng)控制器和被動(dòng)控制器，主動(dòng)控制是通過控制拖纜絞車調(diào)節(jié)纜繩長(zhǎng)度，從而主動(dòng)調(diào)節(jié)系泊張力；被動(dòng)控制是通過控制船舶位置從而改變纜繩結(jié)構(gòu)形態(tài)，達(dá)到調(diào)節(jié)系泊張力的目的。系泊系統(tǒng)主動(dòng)和被動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 系泊系統(tǒng)主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of active control for mooring system

圖3 系泊系統(tǒng)被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of passive control for mooring system

Aamo等[15]提出了一種動(dòng)態(tài)非線性系泊系統(tǒng)錨鏈張力PID主動(dòng)控制器，通過調(diào)節(jié)纜線長(zhǎng)度改變系泊系統(tǒng)回復(fù)力。跟蹤已設(shè)計(jì)好的動(dòng)力定位控制律，盡可能利用系泊張力實(shí)現(xiàn)控制指令，減少調(diào)用推進(jìn)系統(tǒng)，從而減小系統(tǒng)能耗和機(jī)械磨損。但是，系泊系統(tǒng)主動(dòng)控制策略存在明顯缺陷，即由于其執(zhí)行機(jī)構(gòu)絞車存在負(fù)載、繩速等物理特性限制，張力調(diào)節(jié)緩慢，當(dāng)控制指令快速反復(fù)變化，絞車無法實(shí)時(shí)跟蹤指令做出相應(yīng)動(dòng)作，還會(huì)造成一定的機(jī)械磨損。這就會(huì)造成控制效果不佳，甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。

因此，為解決上述問題，提出了通過改變船舶位置調(diào)節(jié)系泊張力的被動(dòng)控制算法，設(shè)定點(diǎn)追蹤算法，即根據(jù)變化的外界環(huán)境自動(dòng)生成新的位置設(shè)定點(diǎn)，系泊張力與環(huán)境載荷在該點(diǎn)處達(dá)到平衡。這樣就可以最大限度地減小使用推進(jìn)系統(tǒng)，而使系泊系統(tǒng)被充分調(diào)用。Nguyen等[16]應(yīng)用設(shè)定點(diǎn)追蹤算法，設(shè)計(jì)了4種控制模式以應(yīng)對(duì)不同海況。Wang等[17]應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真說明設(shè)定點(diǎn)追蹤算法對(duì)系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)的影響，證實(shí)該算法計(jì)算得到的設(shè)定點(diǎn)確能大大提升船舶性能，提高系泊系統(tǒng)的利用率。Fang等[18]改進(jìn)了設(shè)定點(diǎn)追蹤算法，以確保每一根纜繩的系泊張力都在安全界限內(nèi)，設(shè)計(jì)了與張力有關(guān)的二次成本函數(shù)，通過求解函數(shù)取最小值時(shí)的解，計(jì)算最優(yōu)設(shè)定點(diǎn)。并進(jìn)一步考慮纜繩張力的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，引入結(jié)構(gòu)可靠性因子作為權(quán)重參數(shù)，從而提升系泊系統(tǒng)安全性。Srensen等[19]將設(shè)定點(diǎn)追蹤算法應(yīng)用到鉆井船上，構(gòu)建立管有限元模型，根據(jù)立管偏移角度的成本函數(shù)計(jì)算最佳設(shè)定點(diǎn)，并設(shè)計(jì)控制器。Fang等[13]直接利用結(jié)構(gòu)可靠性因子替換系泊張力構(gòu)建最優(yōu)設(shè)定點(diǎn)計(jì)算成本函數(shù)，以考慮快變的系泊張力動(dòng)態(tài)分量且保證張力低于最大閾值。

3.2 系泊動(dòng)力定位混合控制策略

與系泊動(dòng)力定位分離控制策略相比，混合控制策略只設(shè)計(jì)一個(gè)控制器同時(shí)約束系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶作業(yè)定位任務(wù)的控制方法，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，得到了更多的關(guān)注。目前，有如下2種主流的控制方案：

1)將系泊系統(tǒng)視為動(dòng)力定位系統(tǒng)的一部分，其不參與控制器的設(shè)計(jì)。

一部分研究直接將系泊系統(tǒng)視為動(dòng)力定位系統(tǒng)的一部分，主要針對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。與圖2和圖3的不同之處在于：這部分研究將系泊動(dòng)力定位看作統(tǒng)一的一個(gè)整體，并未實(shí)際對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)的控制和約束，僅利用其系泊張力抵消部分外界環(huán)境載荷。重點(diǎn)關(guān)注復(fù)雜的海洋環(huán)境和船舶非線性，其控制策略研究大都集中在非線性智能控制方法上，如：反步控制[20]、動(dòng)態(tài)面控制[21]、滑?？刂芠22]、模糊控制[23]、模型預(yù)測(cè)控制[24]等。Ho等[25]構(gòu)建動(dòng)力定位T-S模糊模型并設(shè)計(jì)二次有限時(shí)域模糊最優(yōu)控制器，通過與傳統(tǒng)最優(yōu)控制器對(duì)比仿真驗(yàn)證了算法的優(yōu)越性。張國(guó)慶等[26]設(shè)計(jì)了自適應(yīng)終端滑?？刂破?，實(shí)現(xiàn)了有限時(shí)間內(nèi)的船舶動(dòng)力定位控制。

圖4 動(dòng)力定位控制結(jié)構(gòu)(系泊系統(tǒng)不參與控制器設(shè)計(jì))Fig.4 Structure of dynamic positioning control(controller design without mooring system participation)

上述研究應(yīng)用了不同的控制算法實(shí)現(xiàn)了船舶定位作業(yè)任務(wù)。在實(shí)現(xiàn)系泊動(dòng)力定位的基本控制目標(biāo)后，控制策略的研究便進(jìn)一步朝著解決工程應(yīng)用所遇到的現(xiàn)實(shí)問題方向開展。為解決通信時(shí)延對(duì)船舶操作的影響，Wang等[27]設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的T-S模糊控制器，并建立觀測(cè)器估計(jì)船舶位置速度狀態(tài)及環(huán)境干擾。針對(duì)速度不可測(cè)、環(huán)境干擾以及建模不確定性問題，Wang等[28]提出了一種基于狀態(tài)約束的自適應(yīng)反步模糊動(dòng)力定位控制器，該控制器可以實(shí)現(xiàn)有限時(shí)間內(nèi)的路徑跟蹤，并且保證跟蹤精度。張玉芳等[29]設(shè)計(jì)干擾估計(jì)器解決干擾問題，并設(shè)計(jì)反步控制器對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償。為解決執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障，文獻(xiàn)[30-31]提出了滑模容錯(cuò)控制策略，保證船舶在故障情況下的正常運(yùn)行。為了拓寬動(dòng)力定位應(yīng)用海域，增強(qiáng)其對(duì)不同海況的適應(yīng)性，Nguyen等[32]設(shè)計(jì)了系泊動(dòng)力定位混合控制系統(tǒng)，能夠監(jiān)控海況并切換相應(yīng)控制器，實(shí)現(xiàn)平靜、中等、惡劣全海況下的船舶運(yùn)動(dòng)控制。Brodtkorb等[33]進(jìn)一步改進(jìn)了混合監(jiān)督動(dòng)力定位控制器，增強(qiáng)對(duì)誤差的魯棒性，提高系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)速度，并通過數(shù)值仿真實(shí)船實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制系統(tǒng)對(duì)各種海況的適應(yīng)性?？紤]海冰存在的場(chǎng)景，為減弱冰載荷對(duì)船舶作業(yè)及系泊系統(tǒng)的影響，提出系泊動(dòng)力定位艏向控制策略。Zhou等[34]應(yīng)用動(dòng)態(tài)冰模擬器設(shè)計(jì)了基于卡爾曼濾波的航向系泊動(dòng)力定位控制器，使船舶艏向與冰漂移方向保持一致，同時(shí)為了防止艏向控制器的持續(xù)使用會(huì)降低系統(tǒng)性能，從而增加系泊張力，設(shè)計(jì)了控制器適時(shí)啟用方案，減少能源消耗。Lee等[35]提出了一種根據(jù)系泊張力確定船舶艏向的系泊動(dòng)力定位控制方法，并通過仿真驗(yàn)證該算法能夠有效降低冰載荷對(duì)船舶的影響。

2)將結(jié)構(gòu)可靠性引入動(dòng)力定位控制設(shè)計(jì)。

上述提到的控制器都沒有對(duì)系泊張力進(jìn)行實(shí)際的約束，系泊系統(tǒng)的安全性無法得到保障。因此，能夠表征系泊纜繩安全的參數(shù)，結(jié)構(gòu)可靠性因子被引入了動(dòng)力定位控制器的設(shè)計(jì)[36-37]。結(jié)構(gòu)可靠性因子是一個(gè)關(guān)于系泊張力的指標(biāo)，它表示系泊纜繩的斷裂可能，該指數(shù)越小，系泊張力越大，表示系泊纜繩越可能發(fā)生斷裂。將該指標(biāo)替換船舶位置作為控制對(duì)象，設(shè)置略大于臨界值的期望結(jié)構(gòu)可靠性因子，調(diào)節(jié)船舶位置，由變化的系泊張力計(jì)算實(shí)時(shí)可靠性，利用其與期望值的誤差通過設(shè)計(jì)的控制律調(diào)節(jié)船舶位姿，最終使得船舶的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)與艏向同期望值一致。這樣就將系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)看作一個(gè)整體，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，只設(shè)計(jì)一個(gè)控制器便可通過調(diào)節(jié)船舶位姿間接地控制系泊張力，并且可以保證在系泊纜繩安全的前提下，充分利用系泊張力維持船舶位置，減少對(duì)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的調(diào)用，從而節(jié)省能源消耗，降低機(jī)械磨損。

圖5 基于結(jié)構(gòu)可靠性的系泊動(dòng)力定位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of structural reliability-based position mooring control system

Berntsen等[38]將結(jié)構(gòu)可靠性因子引入反步控制器設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步通過數(shù)值仿真和實(shí)船實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于結(jié)構(gòu)可靠性的控制器能夠保證船舶在惡劣環(huán)境下的正常作業(yè)，并且充分調(diào)用了系泊系統(tǒng)[39]。Wang等[40]設(shè)計(jì)了基于結(jié)構(gòu)可靠性的動(dòng)態(tài)面控制器，引入了S型跟蹤微分器和Nussbaum函數(shù)簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)過程；并設(shè)計(jì)在線構(gòu)造模糊系統(tǒng)估計(jì)系統(tǒng)不確定性和外界干擾，優(yōu)化了控制器性能[41]。Wang等[42]考慮未知時(shí)變干擾和輸入約束，設(shè)計(jì)了帶有飽和補(bǔ)償?shù)幕诮Y(jié)構(gòu)可靠性的動(dòng)態(tài)面控制器。王元慧等[43-44]提出了基于結(jié)構(gòu)可靠性的滑?？刂破?，并考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和，對(duì)比2種不同處理方式，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制器的有效性。

4 系泊動(dòng)力定位控制策略展望

船舶系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)控制策略的研究主要集中于如何在保證系泊纜繩安全的前提下，盡可能多地利用系泊系統(tǒng)的定位能力，避免對(duì)推進(jìn)器的過度消耗。其未來的發(fā)展趨勢(shì)會(huì)依據(jù)其工程應(yīng)用場(chǎng)景的橫向(即極限海況海域、冰區(qū)和極地等)和縱向(即深水和超深水應(yīng)用)拓寬而向著更高的控制要求(抗干擾能力、響應(yīng)速度、控制精度等)邁進(jìn)。

4.1 極區(qū)環(huán)境下的系泊動(dòng)力定位控制策略展望

北極地區(qū)蘊(yùn)含著豐富的油氣資源，隨著氣候變暖的影響，對(duì)極區(qū)的資源探索與開發(fā)也變成了可能。我國(guó)作為“近北極國(guó)家”，積極參與北極航道的開發(fā)利用，有利于世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家的進(jìn)步。此外，我國(guó)渤海區(qū)域在冬季也存在海冰的情況，因此，對(duì)存在冰載荷干擾的極區(qū)環(huán)境下的系泊動(dòng)力定位控制研究具有重要意義。

由于極區(qū)環(huán)境與普通海洋環(huán)境的最大區(qū)別在于冰載荷的存在，因此對(duì)于極區(qū)環(huán)境下的系泊動(dòng)力定位研究大都集中在對(duì)于冰載荷的處理上。目前，國(guó)外已有學(xué)者通過設(shè)計(jì)冰觀測(cè)系統(tǒng)[45-47]、圖像處理[48]以及危險(xiǎn)評(píng)估[49]等手段觀測(cè)、估計(jì)冰載荷的值，并通過基于來冰方向的艏向控制以及加速度前饋補(bǔ)償?shù)仁侄卧诳刂破髟O(shè)計(jì)階段對(duì)冰載荷干擾進(jìn)行補(bǔ)償。而國(guó)內(nèi)學(xué)者也通過有限元法[50-51]、離散元法[52-54]和實(shí)驗(yàn)法[55-56]等對(duì)冰載荷與浮式結(jié)構(gòu)和錨泊系統(tǒng)之間的作用關(guān)系進(jìn)行了研究。

但是，上述研究多為冰載荷對(duì)浮式結(jié)構(gòu)及錨泊系統(tǒng)能力的影響，很少有針對(duì)系泊動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的影響。因此，冰載荷對(duì)浮式結(jié)構(gòu)定位控制能力的影響有待于進(jìn)一步研究。此外，由于極區(qū)船舶工作時(shí)大都需要配備破冰船為其營(yíng)造碎冰環(huán)境，增大了工作成本。為提高極區(qū)資源探索及開采的經(jīng)濟(jì)性，需研究抗冰能力和應(yīng)急能力強(qiáng)的系泊動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，并提升冰觀測(cè)系統(tǒng)的精度，準(zhǔn)確判斷冰載荷大小，使船舶在正常工作時(shí)可抵御較強(qiáng)的冰載荷沖擊，在遇到無法正常工作的緊急情況下，可啟動(dòng)應(yīng)急脫離系統(tǒng)，快速離開危險(xiǎn)區(qū)域，從而提高船舶作業(yè)的定位精度及安全可靠性。

4.2 復(fù)雜海況下的系泊動(dòng)力定位控制策略展望

海洋環(huán)境復(fù)雜多變，一些特殊海域或極限天氣下，存在變化速度快、幅值大的風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾，這都是船舶在執(zhí)行工作任務(wù)時(shí)不可避免會(huì)遇到的情況。為實(shí)現(xiàn)船舶在復(fù)雜海況下的安全正常工作，一方面應(yīng)從對(duì)環(huán)境干擾的觀測(cè)估計(jì)入手，為后續(xù)控制設(shè)計(jì)提供精確的環(huán)境干擾信息；另一方面應(yīng)從控制器設(shè)計(jì)入手，在允許工況內(nèi)設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)的系泊動(dòng)力定位控制器，在超過閾值范圍狀況下及時(shí)切換控制策略，快速遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

目前，對(duì)于環(huán)境干擾的觀測(cè)估計(jì)方法研究主要有高增益觀測(cè)器[57]、模糊估計(jì)系統(tǒng)[41]以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)系統(tǒng)[58]等。但是，由于上述提到的估計(jì)方法有些需要精確的數(shù)學(xué)模型作為先驗(yàn)知識(shí)，有些需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，實(shí)時(shí)性較差。因此，對(duì)于環(huán)境干擾估計(jì)和觀測(cè)的研究應(yīng)向著不依靠船舶模型，提高觀測(cè)實(shí)時(shí)性和精確性的方向發(fā)展。

而針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的控制器設(shè)計(jì)方案，目前已有很多研究提出了魯棒性強(qiáng)的控制算法，如：滑模控制[59]、自適應(yīng)控制[60]和H∞控制[61]等。但為了應(yīng)對(duì)變化快速且幅值較大的海洋干擾時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步考慮控制器的抗干擾性能、控制精度以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的飽和等問題。所以，在設(shè)計(jì)復(fù)雜海況下的系泊動(dòng)力定位控制系統(tǒng)時(shí)，要全面考慮上述提到的因素。此外，為了保障各種海況下船舶作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性及安全性，還應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展切換控制策略，在平靜和中等海況下，提高船舶作業(yè)經(jīng)濟(jì)性，減少能源消耗；在惡劣環(huán)境下，保證船舶作業(yè)安全，并在超過安全閾值后，可以快速進(jìn)行系泊系統(tǒng)解脫，撤離危險(xiǎn)區(qū)域，保證全海域全海況下的船舶安全作業(yè)。

4.3 系泊動(dòng)力定位遠(yuǎn)程操控?zé)o人控制策略展望

隨著科學(xué)技術(shù)及智能控制的發(fā)展進(jìn)步，針對(duì)一些較為惡劣、不適宜人類生存的海洋環(huán)境中的船舶作業(yè)問題，發(fā)展出遠(yuǎn)程操控的無人系泊動(dòng)力定位控制技術(shù)。針對(duì)其中出現(xiàn)的一些問題，如：通信時(shí)延、遠(yuǎn)程操控精度低以及系統(tǒng)自主智能決策等，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者先后提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[27]、智能路徑規(guī)劃算法[62]、系統(tǒng)強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能決策系統(tǒng)[63]等方法。但是，目前只有少部分研究將系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)與無人遠(yuǎn)程控制結(jié)合應(yīng)用于工程實(shí)際，如：無人水下發(fā)射平臺(tái)[64]、浮式平臺(tái)遠(yuǎn)程安全評(píng)估[65]以及海底發(fā)電系留平臺(tái)[66]等。

這是由于遠(yuǎn)程操縱及無人控制技術(shù)大都應(yīng)用于較惡劣或復(fù)雜環(huán)境干擾下，對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、靈活性及控制精度有較高要求，也對(duì)其工程應(yīng)用存在一些阻礙。為了進(jìn)一步提升遠(yuǎn)程操控或無人控制系統(tǒng)性能，應(yīng)注重縮短通信及控制時(shí)延，提升控制系統(tǒng)反應(yīng)速度；對(duì)智能控制算法而言，應(yīng)注重提升其計(jì)算速度，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，還應(yīng)提供在線學(xué)習(xí)功能，可及時(shí)處理新的、特殊的環(huán)境干擾。

4.4 復(fù)雜工程應(yīng)用中的控制策略展望

隨著對(duì)海洋的進(jìn)一步探索與開發(fā)，系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)的應(yīng)用也越發(fā)多樣化，面向不同的工程應(yīng)用和場(chǎng)景，其控制目標(biāo)也各有側(cè)重。

4.4.1 容錯(cuò)控制

船舶在作業(yè)中會(huì)遇到較為常見的如系泊纜繩斷裂、傳感器故障或推進(jìn)器故障等問題，在這種情況下如何利用本身的控制系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償故障造成的影響，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和期望性能是首要任務(wù)。目前較為常見的故障處理手段是容錯(cuò)控制，它又可以分為被動(dòng)容錯(cuò)[67]、主動(dòng)容錯(cuò)[68]和魯棒容錯(cuò)控制[69]。但是上述控制方案對(duì)系統(tǒng)軟件及硬件有冗余的要求，一定程度上制約了容錯(cuò)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，如何在船舶現(xiàn)有的軟件、硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上識(shí)別、解決故障有待進(jìn)一步研究。

4.4.2 多船協(xié)同動(dòng)力定位

一些海上作業(yè)任務(wù)如：深水水下管道鋪設(shè)、海上結(jié)構(gòu)拆卸安裝、海上船舶補(bǔ)給等，通常需要多艘船協(xié)同配合完成，有時(shí)還需應(yīng)用多艘船連接非機(jī)動(dòng)結(jié)構(gòu)從而控制其運(yùn)動(dòng)。因此多船之間的連接關(guān)系及協(xié)同控制問題也是新的研究熱點(diǎn)。已有一些控制方案：多船的協(xié)同控制70]、基于共識(shí)的控制律設(shè)計(jì)[71]以及多船分布式模型預(yù)測(cè)控制[72]等。但是這些控制方案大都精簡(jiǎn)了拖船與拖纜模型，固定了連接點(diǎn)的位置，并且一部分忽略了外界環(huán)境干擾。因此，對(duì)于多船動(dòng)力定位，如何合理選擇多船分布模式，建立精確連接模型以及考慮外界干擾下的多船協(xié)調(diào)控制都是有待進(jìn)一步研究的熱點(diǎn)問題。

4.4.3 避碰問題

由于一些大型海上浮式機(jī)構(gòu)通常系泊在同一海域進(jìn)行長(zhǎng)期作業(yè)，需要配備其他功能的船舶承擔(dān)其補(bǔ)給、維護(hù)等工作，而這些船只的往來會(huì)對(duì)系泊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)產(chǎn)生一定干擾，同時(shí)也要注意與往來船只之間的避讓。而對(duì)于船舶系泊動(dòng)力定位控制的研究中，鮮少有研究會(huì)考慮過往船只對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾以及研究系泊船舶與船只之間的避碰問題。因此，針對(duì)長(zhǎng)期海上系泊浮式結(jié)構(gòu)來說，系泊船舶與過往船只之間的相互干擾以及避碰問題是普遍存在還未被研究的具有現(xiàn)實(shí)意義的研究方向。

5 結(jié)論

1)現(xiàn)有的系泊動(dòng)力定位控制研究多集中在理論層面，受限于驗(yàn)證平臺(tái)的開發(fā)，缺少相關(guān)算法在實(shí)船上的驗(yàn)證。

2)受系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)工作特點(diǎn)的影響，船舶需長(zhǎng)期處于復(fù)雜的海洋環(huán)境下，變化的船舶參數(shù)及環(huán)境干擾會(huì)影響系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)性能。受制于傳感設(shè)備精度、執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出約束、信號(hào)傳遞延時(shí)等因素影響，對(duì)系泊動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的深入研究是解決系統(tǒng)響應(yīng)速度、控制精度的最有效途徑。

3)系泊動(dòng)力定位系統(tǒng)的應(yīng)用隨著對(duì)海洋資源的探索向著深海、遠(yuǎn)海、極區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，這不僅對(duì)控制系統(tǒng)提出了高抗擾、強(qiáng)魯棒、高精度的標(biāo)準(zhǔn)，還要求其在硬件方面可以配合軟件系統(tǒng)有進(jìn)一步的突破，能夠適應(yīng)各種場(chǎng)景下的作業(yè)。