張大朋，石景東，姜淏予，白 勇

（1.廣東海洋大學船舶與海運學院，廣東湛江 524088；2.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東湛江 524088；3.浙江大學建工學院，杭州 310058）

0 引言

由于傳統(tǒng)的錨泊定位精度比較低、機動性比較差且施工作業(yè)范圍受到海水水深的限制，海工界逐漸產生了利用控制單元實現(xiàn)海上大型船舶和海洋平臺動力定位的想法[1-2]。國外關于定力定位的研究開始較早，在2000年，F(xiàn)ossen 和Pettersen 等[3-4]依據(jù)其提出的理論實現(xiàn)了對水下航行器六自由度的動力定位控制。Skjetne 等[5]提出了一種自適應控制理論，并在特隆赫姆的一個實驗室淺水水槽中對一艘名為Cybership II 的船的物理模型利用該理論進行了運動控制實驗。實驗結果表明，他們的理論在淺水域有較強的實用價值。而Gierusz 等[6]開發(fā)了由兩種不同的控制器組成的船舶操縱系統(tǒng)，并對其功能進行了有效驗證。Morawski 和Nguyen Cong[7]開發(fā)了一種使用模糊邏輯在港區(qū)內操縱船舶的控制器，這種控制器對于狹小空間內船舶運動姿態(tài)調整和控制有著一定的積極作用。針對船舶的非線性運動，蔡志為等[8]提出一種基于船舶定位系統(tǒng)的非線性狀態(tài)估算方法，為精確定位船舶位置提供可靠的保障。賴垚等[9]分析了動力定位系統(tǒng)在海上風電施工過程中的應用，發(fā)現(xiàn)動力定位的應用使基礎施工和風機安裝作業(yè)施工效率大大提高。李剛強等[10]面向一種以噴水推進器為動力定位執(zhí)行機構的單體噴水推進船舶，開展了船舶仿真模型建立、推力分配及進一步動力定位相關控制算法的設計與仿真模擬。胡芳林等[11]對深水作業(yè)的動力定位海洋平臺的特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)學模型中的剛體質量科氏力不容忽視；在垂直面內干擾力作用下，無海流環(huán)境中平臺擾動仿真結果與有海流環(huán)境中平臺擾動仿真結果接近；當干擾外力引起平臺六自由度擾動時，無海流環(huán)境下的結果與有海流情況下的相差較大，應直接對考慮海流的數(shù)學模型進行求解。

有鑒動力定位海洋平臺的復雜性，有必要對其定位性能進行評估與分析。但傳統(tǒng)的評估方法和評估流程較為復雜，考慮的因素也較多。在工程中，很多情況下只要知道海洋平臺在二維平面內X、Y方向上的平動以及繞Z軸的艏搖轉動情況就足夠了?；谶@種情況，本文設計了一種簡易的動力定位海洋平臺二維測評軟件，并結合海洋石油981 的具體參數(shù)進行了仿真分析，所得結論可為具體工程實踐提供參考。

1 C++語言功能簡介及海洋平臺的動力定位二維測評軟件建立構架

1.1 C++語言的特點

C++語言是面向對象的程序設計語言，且由于C++語言本身就擁有種類極其豐富的C++庫，只需將注意力放到程序的個性化部分。因此，可以在C++語言中把一個較大的程序分解為若干個規(guī)模較小的程序文件，并按照需求完成對各種類和目標對象的定義與創(chuàng)建。在完成以上工作后，把所需各個相關函數(shù)按照次序放在一個文件中就形成了一系列按照功能分類的文件，而多文件結構需要通過工程來進行統(tǒng)籌管理[12]。

1.2 海洋平臺的動力定位二維測評軟件建立構架

可以通過程序編譯器來實現(xiàn)工程文件的建立，對于該海洋平臺的動力定位二維測評軟件來說，可在工程中建立各種所需定義的頭文件.h（Controller.h、Maneuver.h、DPcontrol.h 等）和各種源程序文件.cpp（Controller.cpp、Maneuver.cpp、DPcontrol.cpp 等），如圖1 所示。特別需要指出的是，一般在頭文件中來定義需要自定義的各種數(shù)據(jù)類型和給出外部函數(shù)聲明，而各種函數(shù)功能的具體實現(xiàn)則一般定義在不同的.cpp 文件中?？梢詫γ總€源程序文件單獨地進行編輯和編譯生成與之相對應的后綴為.obj的目標文件；接著，通過對數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)資源的動態(tài)安排和釋放，將所有的后綴為.h 的頭文件、后綴為.cpp 的源代碼文件和后綴為.obj 的目標文件經(jīng)過連接最終動態(tài)綁定并封裝生成完整的該動力定位評估軟件的可執(zhí)行文件，該可執(zhí)行文件的后綴為.exe。

圖1 工程文件中包含的各種子文件

2 動力定位二維測評軟件中的海洋平臺模塊

2.1 海洋石油981的參數(shù)

深水半潛式浮式平臺“海洋石油981”（簡稱981）型長為114 m、型寬為79 m，作為第六代3 000 m 深水半潛式鉆井平臺，它代表了當今世界海洋石油鉆井平臺技術的最高水平，也是我國走進新世紀后在海工高新技術最新發(fā)展成果的集中展示，具有很強的針對性和技術代表性以及十分廣泛的工程應用性，其最大作業(yè)水深可達3 000 m，鉆井深度最大可達12 000 m，作業(yè)范圍包括了我國周邊的絕大部分海域，具有勘探、鉆井等多種功能。

海洋石油981 深海浮式鉆井平臺配備了DP3 級動力定位系統(tǒng)，推進器系統(tǒng)選用8 個完全相同的瓦錫蘭FS3500∕NU 型伸縮式全回轉推進器，如圖2 和表1 所示。它們分別被安裝在平臺兩個浮體底部的兩端，每端兩臺推進器作為一組并排布置。（Fi，αi）代表第i個全方位推進器所發(fā)出的推力大小與方向角，i為1～8。這種布置方式可以大大增加推力對海洋平臺水平旋轉中心的力臂，從而使海洋平臺可以獲得較大的定位回復力矩。

圖2 “海洋石油981”全回轉式推進器的布局

表1 半潛式平臺的推進器（瓦錫蘭FS3500∕NU）參數(shù)

由于“海洋石油981”深海浮式平臺相鄰的兩個全回轉式推進器之間的距離比較小，當兩個相鄰的可轉向全回轉式推進器提供的推力在方向上與兩推進器的連線方向一致或它們提供的推力同時指向某一特定的區(qū)域時，兩個全回轉式推進器將處于一前一后的狀態(tài)，此時推進器間的尾流會發(fā)生相互干擾，甚至會出現(xiàn)嚴重的水動力干擾，從而導致海洋平臺實際受到的推力發(fā)生非常嚴重的衰減。為此，在對該海洋平臺進行推力分配時有必要對各個推進器設置一定的禁止角，具體如圖3所示。

圖3 “海洋石油981”浮式平臺推進器禁止角的設置

2.2 推力及推力分配側略

“海洋石油981”的8 個可轉向全回轉式推進器組成的推進器系統(tǒng)的推力用于抵抗外界風、海流與2 階波浪力等環(huán)境載荷作用，根據(jù)海洋平臺縱向、橫向以及艏向方向上的力與力矩平衡原則，可列出如下等式。

式中：Xtrep、Ytrep、Ntrep分別為縱蕩、橫蕩方向上的期望控制力，以及艏搖方向的期望控制力矩指令；Txi、Tyi、Mzi分別為單個推進器在縱蕩、橫蕩以及艏搖方向上的推力與力矩；Fcx、Fcy、Mxz分別為海流在縱蕩、橫蕩方向上的力以及艏搖方向上的合矩；Fwdx、Fwdy、Mwdz分別為風在縱蕩、橫蕩方向上的力以及艏搖合矩；Fwvx、Fwvy、Mwvz分別為波浪2階漂移力在縱蕩、橫蕩方向上的力以及艏搖合力矩。

由981 海洋石油深水平臺的推進器布置情況可得推進系統(tǒng)產生的合力及力矩需要滿足式（2）。

其中推進器配置矩陣為：

式中：（lxi，lyi）為第i個可轉向全回轉式推進器的位置坐標；αi為可轉向全回轉式推進器的方向角，i為1～8；f=[F1，…，F(xiàn)8]T為可轉向全回轉式推進器發(fā)出的推力值，可轉向全回轉式推進器一般情況下是不會反轉的，所以推力值始終是正數(shù)，推進器主要通過轉動改變方向角來產生不同的反作用力。

由于αi與f都是未知數(shù)，為了便于求解，這里特意引入擴展推力Fix=Fi·cosαi，F(xiàn)iy=Fi·sinαi來分別表示可轉向全回轉式推進器的縱向推力分量與橫向推力分量，則式（2）可進一步表示為：

引入擴展推力的最小平方和J=feTWfe作為為目標函數(shù)，引入拉格朗日方程以后可求解得擴展推力的大小，如式（5）所示。

由此可得各個可轉向全回轉式推進器的推力大小，如式（6）所示。

從而由反三角函數(shù)可得各個可轉向全回轉式推進器的方位角可表示為：

因此，該海洋平臺動力定位性能二維評估軟件中的動力定位海洋平臺型寬、型深、排水量基本參數(shù)與技術參數(shù)及各個可轉向全回轉式推進器的在海洋平臺上位置的布局情況等完全參照“海洋石油981”深海浮式平臺的相關參數(shù)，這樣軟件中的海洋平臺模塊所代表的動力定位海洋平臺就具有了很強的工程代表性和技術通用性。

3 動態(tài)定位能力分析

需要說明的是，由于系統(tǒng)的相對坐標系方向的設置，對載荷方向（包括流向、浪向、風向）做以下說明：0°外界載荷方向為北向坐標軸的負方向，180°外界載荷方向為北向坐標軸的正方向；90°外界載荷方向為東向坐標軸的負方向，270°外界載荷方向為東向坐標軸的正方向。海洋平臺定位坐標為北向55 m、東向75 m，海洋平臺初始艏向角為0°，目標艏向角為0°。

3.1 單一流作用

因海洋平臺本身結構對稱與推進器布置的對稱性，故只考慮0°～90°的流向即可。由于海洋平臺適用于深海海域，尤其是我國的南海海域，而南海海域最大的海流流速是由于“南海暖流”存在導致的，這種情況下的最大海流流速約為2 kn（1 kn約為0.514 4 m∕s），但一般情況下不到3 kn[13]。為保守估計，這里的海流流速設為1.5 m∕s。

3.1.1 流向角為0°時的響應

圖4 流向角為0°時平臺的定位情形

0°流向時平臺的動力定位情況如圖4 所示。由圖可知，在大部分時間段里，海洋平臺的8 個全回轉式推進器的轉速和方位角的大小變化是同步的；在向目標位置行進定位的過程中，存在明顯的加速和減速階段；在加速定位階段，8 個全回轉式推進器的方位角與螺旋槳轉速在各個時刻的大小變化基本同步；在加速階段，各個螺旋槳的轉速逐漸增加。8 個全回轉式推進器的方位角與螺旋槳轉速變化不同步的階段主要集中在海洋平臺從加速定位向目標位置移動到減速定位向目標位置移動這一階段。這是由于需要各個推進器通過以不同的轉速和方位角來形成某種合力和合力矩來阻礙海流造成的海洋平臺的轉動趨勢并將海洋平臺推向定位點，故而在這一階段有可能8 個全回轉式推進器的螺旋槳轉速和方位角在某一時刻各不相同或是有其中幾個推進器的方位角及螺旋槳轉速不相同。在減速定位階段，各個推進器轉向方位角變?yōu)樨撝担菪龢霓D速逐漸降低。在海洋平臺距離定位點很近時（約0.1 m），各個全回轉式推進器的螺旋槳轉速幾乎減小到0，隨著平臺的小幅運動開始對平臺進行小范圍內的微調，8 個推進器的方位角忽大忽小，但變化同步；最終到達定位位置后各個全回轉式推進器的方位角穩(wěn)定在10.3°～10.4°。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，在距離定位點很遠時，海洋平臺的定位方式是在北向和東向同時縮短定位；但在距離定位點很近時，海洋平臺的各個推進器會先將某一個方向的定位位置調整好以后再調整另一個方向的定位誤差；通過全回轉式推進器的螺旋槳轉速變化情況發(fā)現(xiàn)，全回轉式推進器上的螺旋槳的轉速最大值出現(xiàn)在最初開始加速定位的初始階段，且在整個定位過程中各個螺旋槳的轉速的最大值（144 r∕min）都小于其最大轉速（181 r∕min），不會出現(xiàn)推進器超負荷工作的情況。由于此時螺旋槳的最大轉速已經(jīng)達到144 r∕min，如流速繼續(xù)增大到某一值，或是考慮到海風與海浪的作用時，當海風風速增加到某一值或海浪過大時，則不能保證推進器可以繼續(xù)安全工作。但在南海的風平浪靜的海域，當海流流速為0°時，定位作業(yè)是可以安全進行的。

3.1.2 流向角為45°時的響應

圖5 所示為流向角為45°時海洋平臺的動力定位情況。由圖可知，與0°流向時相比，在動力定位的整個過程中，各個全回轉式推進器的螺旋槳的最大轉速仍然穩(wěn)定在144 r∕min 左右，并未發(fā)生較大變化，但達到目標定位坐標位置所需的時間有所減少。分析產生這種現(xiàn)象的原因為：平臺的定位坐標位置均在北向和東向的正方向，隨著流向由0°變?yōu)?5°，相比于0°海流時的流作用力對海洋平臺合力的矢量方向，此時流作用力對海洋平臺合力的矢量方向使得海洋平臺從初始位置到定位坐標位置的矢量方向所在的直線方向靠近，這種作用可減少各個推進器進行推力分配的時間，進而某種程度上能減少海洋平臺到達定位位置的時間。

這也說明當海洋平臺轉艏角在定位過程中保持0°不變時，在斜流向下，流向角所在的直線方向越接近海洋平臺從初始位置到定位坐標位置的矢量方向所在的直線方向，海洋平臺達到動力定位坐標位置最終達到穩(wěn)定所需的時間越短，接下來的分析結果說明了這一點。

3.1.3 流向角為arctan（75∕55）時的響應

圖5 流向角為45°時平臺的定位情形

對于海洋平臺的定位位置來說，當流向角的方向作用直線與海洋平臺從初始位置到定位坐標位置的矢量方向所在的直線方向相同時（此時流向角為arctan（75∕55），約為53.746°），是相對于海洋平臺初始位置到最終位置的流載荷對稱工況，因此有必要對這種工況下的海洋平臺定位情形進行研究。圖6 所示為流向角為arctan（75∕55）時海洋平臺動力定位情況。由圖可知，與0°流向時的情況相比，此時海流載荷的作用力的矢量方向與海洋平臺從初始位置到定位位置的矢量方向恰好相反，但在同一條直線上，因此海洋平臺的各個全回轉式推進器需要克服的外界載荷所造成的海洋平臺的運動相對而言比較簡單。因此海洋平臺在較短時間內就被通力器推到比較靠近定位坐標的附近，且在大部分時間里推進器的螺旋槳轉速是比較低的，螺旋槳的最大轉速不會比45°流向時的最大轉速更大。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，在此流向時，推進器的螺旋槳只是在最初的啟動階段會以相對高的轉速將海洋平臺逆著流速方向向著定位坐標位置推動，但這一時間相對于后期的低速轉動階段（此階段主要是實現(xiàn)海洋平臺的減速運動）是比較短的；8 個全回轉式推進器的方位角與螺旋槳轉速變化不同步的階段主要集中在海洋平臺減速定位向目標位置移動這一階段。且在流向變化為0°～90°時，在這種流向下的海洋平臺達到動力定位穩(wěn)定的階段所需的時間是最短的。對比已經(jīng)得到的0°流向時的結果、45°流向和下面90°流向時的結果可知，這一推論是正確的。

例如：人教版實驗4-5干燥的氯氣能否漂白物質的實驗，探討次氯酸的漂白性與二氧化硫漂白性的區(qū)別，可把這些實驗過程中的現(xiàn)象進行錄像，制作成微課.使用微課視頻教學，學生可以直觀觀察演示操作，掌握操作技能，而且實驗現(xiàn)象清晰可見，形象生動，便于學生理解記憶，而且上課不管哪個位置的學生都能仔細觀察實驗過程.

圖6 流向角為arctan（75∕55）時平臺的定位情形

從理論上來說，由于海洋平臺的定位坐標位置為（北向55 m，東向75 m），當只考慮海流作用時，在流向的作用力直接正向指向坐標定位位置（也就是流向角為arctan（75∕55）+180°）時，借助海流力的助推海洋平臺到達定位穩(wěn)定階段所需的定位時間和所耗費的螺旋槳的功率應該是最少的。

3.1.4 流向角為90°時的響應

圖7 所示為流向角為90°時海洋平臺的動力定位情況。由圖可知，在流向角為90°時海洋平臺達到動力定位穩(wěn)定階段的時間比流向角為0°時所需的時間反而減少，但所需時間比流向角為45°時有所增加。分析產生這種現(xiàn)象的原因為流向角為90°時，其相對于本象限的流載荷的對稱流向（arctan（75∕55），約為53.746°）偏離了36.624°；而流向角為0°時其相對于本象限的流載荷的對稱流向（arctan（75∕55），約為53.746°）偏離了53.746°；流向角為45°時，其相對于本象限的流載荷的對稱流向（arctan（75∕55），約為53.746°）偏離了8.746°。綜上所述，正是由于流向角為90°時相對流載荷的對稱流向的方向偏角小于0°流向時的方向偏角而大于45°流向時的方向偏角，才造成了流向角為90°時海洋平臺達到動力定位穩(wěn)定階段所需的時間要小于流向角為0°時海洋平臺達到動力定位穩(wěn)定階段所需的時間，但大于流向角為45°時海洋平臺達到動力定位穩(wěn)定階段所需的時間。也就是說，當僅僅考慮流作用時，當海流的流向與海洋平臺由初始位置指向定位坐標位置的矢量方向相同時，海洋平臺到達定位穩(wěn)定階段所需的定位時間和所耗費的螺旋槳的功率應該是最少的；當海流的流向與海洋平臺由初始位置指向定位坐標位置的矢量方向的逆方向相同時，雖然其到達動力定位穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間不是4 個方向象限中最短的，但在卻是海流流向所在方向象限的所有流向所需時間中是最短的；在斜流向下，流向角所在的直線方向越接近海洋平臺從初始位置到定位坐標位置的矢量方向所在的直線方向，海洋平臺達到動力定位坐標位置最終達到穩(wěn)定所需的時間越短。

3.2 單一浪作用

因海洋平臺本身結構對稱與推進器布置的對稱性，故只考慮0°～90°浪向的變化即可。根據(jù)宗芳伊等[14]對南海近20 年來的波浪分布及變化情況的研究結果可知，南海的大部分海域的有義波高在1.5 m以上，但最大有義波高一般不會超過5 m，且其平均周期介于2～10 s 之間；且當最大有義波高在5 m 左右時，其平均周期一般在5～8 s之間。故在這里為了盡可能接近真實波浪情況并保證充足的安全余量，有義波高設為6 m，平均周期設為6 s。

3.2.1 浪向角為0°時的響應

圖8 浪向角為0°時平臺的定位情形

圖8 所示為單一浪作用下浪向角為0°時海洋平臺的定位情形。由圖可知，與單一流作用下0°流向角時海洋平臺的定位情形相比，不同之處體現(xiàn)在兩點：（1）達到動力定位穩(wěn)定的時間大大減少，海洋平臺由初始位置到目標位置達到穩(wěn)定的時間僅僅為6 min左右，而在流作用下這一時間約為110 min；（2）在靠近定位目標坐標位置附近（在0°浪向下，距離目標位置約1.5 m左右）時，會出現(xiàn)海洋平臺先小幅度遠離定位坐標位置（這一現(xiàn)象持續(xù)的時間和遠離的范圍是比較小的）又繼續(xù)向定位坐標位置靠近直至與定位坐標位置重合的現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象在單一流作用下是沒有出現(xiàn)過的；在單一流作用下海洋平臺距離定位坐標位置的距離始終是在減小的。且進一步觀察發(fā)現(xiàn)，為了克服此時的2 階波浪漂移力，在到達定位目標坐標位置以后，海洋平臺的8 個全回轉式推進器上的螺旋槳還需要維持一定的轉速（轉速約為27 r∕min）。

3.2.2 浪向角為45°時的響應

當浪向角為45°時，由圖9可以發(fā)現(xiàn)海洋平臺在定位的過程中還是會出現(xiàn)在距離海洋平臺定位坐標位置比較近時海洋平臺會先小幅度遠離定位坐標位置又繼續(xù)向定位坐標位置靠近直至與定位坐標位置重合的現(xiàn)象，但在浪向為45°開始發(fā)生這一現(xiàn)象時，平臺距離定位目標坐標位置約為3.5 m（0°浪向時約為1.5 m），且遠離持續(xù)的時間和偏離的范圍也有所延長（0°浪向時遠離的持續(xù)時間越為10 s 左右，偏離的最大距離約為1.7 m；但45°浪向時，遠離的持續(xù)時間越為30 s 左右，偏離的最大距離約為6.2 m）。且進一步對比發(fā)現(xiàn)，浪向為45°時海洋平臺達到最終定位穩(wěn)定階段所需的時間約是浪向為0°時所需時間的兩倍左右；這說明在浪向角為45°時，定位的過程比0°時更為復雜，而所需的時間也更多，且大部分時間消耗在修正最后0.1m 的定位偏差上。但在達到穩(wěn)定時，全回轉式推進器的螺旋槳轉速稍微有所降低。分析產生這種現(xiàn)象的原因為，在這種浪向下2 階波浪載荷對海洋平臺的運動影響成分比較復雜，除了會使得海洋平臺有負北向的平動運動分量以外還有負東向的平動運動分量，因此在調整定位坐標向目標位置靠近時推進器需要更長的時間來克服和修正這種影響，且由于2階波浪載荷的特性使得海洋平臺在距離定位點非常近時（0.1 m）各個推進器需要降低轉速不斷微調來緩慢接近定位位置，這也是此時定位時間大幅度增長的一個重要原因。

圖9 浪向角為45°時平臺的定位情形

3.2.3 浪向角為arctan（75∕55）時的響應

圖10所示為浪向角為arctan（75∕55）（約53.746°）時海洋平臺的動力定位情況。由圖可知，在此浪向下海洋平臺達到動力定位穩(wěn)定階段的時刻再次大幅度下降為6 min 左右。分析產生這種現(xiàn)象的原因為：在此浪向下的2階波浪載荷使得產生的平動運動分量的方向恰好與平臺由初位置到定位坐標位置的矢量指向方向相反、在一條直線上，在這種情況波浪載荷對平臺平動運動的影響恰好與由初位置到最終位置的矢量指向相反，這就使得推進器所要克服的平動運動修正過程變得較為簡單，從而縮短了定位所需時間。但在定位過程中還是會出現(xiàn)在距離海洋平臺定位坐標位置比較近時（4.5 m），海洋平臺會先小幅度遠離定位坐標位置又繼續(xù)向定位坐標位置靠近直至與定位坐標位置重合的現(xiàn)象，與0°浪向和45°浪向相比，這一距離明顯增加。

3.2.4 浪向角為90°時的響應

圖10 浪向角為arctan（75∕55）時平臺的定位情形

圖11 所示為浪向角為90°時海洋平臺的動力定位情況。由圖可知，在此浪向下海洋平臺在6 min左右的時間里就達到了定位穩(wěn)定，且在海洋平臺向著定位目標坐標靠近的過程中，海洋平臺在距離定位目標位置約1.6 m之前，海洋平臺距離定位目標坐標位置的距離逐漸減小；海洋平臺在到達離定位目標位置約1.6 m的位置后，隨著時間的遞增，海洋平臺距離目標坐標位置的距離開始持續(xù)小幅度增加，直至增大到距離目標坐標位置約5.5 m；隨后平臺距離目標坐標位置的距離再次開始減小，直至減小至0.1 m；在偏移位置減小至0.1 m 后在極短時間內增加至0.2 m，隨后繼續(xù)持續(xù)減小，最終穩(wěn)定定位在目標坐標位置。

圖11 浪向角為90°時平臺的定位情形

3.3 風浪流聯(lián)合作用

除了單一流和單一浪作用外，風浪流聯(lián)合作用下的動力定位也是一種常見的作業(yè)工況。在風浪流同向時由于3 種載荷疊加使得定位過程更加復雜，因此有必要對這種工況進行分析。海流和海浪載荷的大小分別與前文中的大小相同，風載荷的大小參考王靜等在文獻[15]中得到的南海海域的最大風速值9 m∕s。

風浪流方向分別為0°、45°、53.746°、90°時，平臺的定位情形如圖12～15 所示。

圖12 風浪流方向為0°時平臺的定位情形

圖13 風浪流方向為45°時平臺的定位情形

由圖12～15 發(fā)現(xiàn)，在風浪流聯(lián)合作用下，當風浪流方向為由0°變?yōu)?0°時，平臺總體的定位過程與單一流作用和單一浪作用下的定位過程相比有明顯的不同。這種不同主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，雖然風浪流聯(lián)合作用下平臺承受的載荷明顯增大，但達到定位坐標穩(wěn)定所需的時間與單一流或單一浪作用下所需的時間并沒有明顯的增加，甚至有小幅度的縮?。黄浯?，單一流作用時，不論方向如何改變，平臺在X方向上的定位過程在到達目標X坐標點后其在X方向上的坐標基本不再發(fā)生變化；而在單一浪或風浪流聯(lián)合作用下，平臺在X方向上的定位過程在到達目標X坐標點后其在X方向上的坐標先增大，后減小至穩(wěn)定后不再發(fā)生變化，也就是說在單一浪或是風浪流聯(lián)合作用下，平臺在X方向的定位過程存在一個先靠近定位坐標后小幅度遠離定位坐標最后再逐漸趨于穩(wěn)定的過程。進一步對比觀察可以發(fā)現(xiàn)，在3 種載荷模式下，平臺在Y方向的定位都存在一個在平臺靠近Y方向定位坐標時的Y方向的位移小幅度躍升現(xiàn)象，在躍升后平臺在推進系統(tǒng)的調節(jié)下最終又逐漸回復到目標Y坐標點。且在風浪流聯(lián)合作用下，海洋平臺在靠近定位坐標的過程中，其推進器的螺旋槳的轉速變化更加急劇，各個推進器螺旋槳轉速變化的同步性有所降低。也就是說，在風浪流聯(lián)合作用下，載荷的增大導致推進器的螺旋槳轉速變化更快，因此這種情況下定位所需的時間并不比單一浪作用下所需的時間更久。

圖14 風浪流方向為53.746°時平臺的定位情形

圖15 風浪流方向為90°時平臺的定位情形

4 結束語

總體來說，與海流作用下的定位過程相比，在波浪作用下海洋平臺在定位過程中的特性有著明顯的不同：浪向的改變對海洋平臺的動力定位響應有著非常明顯而不同的影響；不同浪向下，海洋平臺在定位的過程中均會出現(xiàn)在距離海洋平臺定位坐標位置比較近時，海洋平臺會先小幅度遠離定位坐標位置又繼續(xù)向定位坐標位置靠近，直至與定位坐標位置重合的現(xiàn)象；浪向不同，出現(xiàn)這一現(xiàn)象時海洋平臺距離目標定位位置的距離也不同，隨著浪向由0°向90°靠近，這一距離呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；在浪向由0°向90°變化時，海洋平臺達到定位穩(wěn)定階段所需的時間會先增大后減小；且在浪向為90°時，在海洋平臺距離目標坐標距離為0.1 m 時，海洋平臺還會發(fā)生偏移目標位置距離的先增大后減小現(xiàn)象，只是在這一階段的偏移距離增加幅度最大只有0.1 m（由0.1 m增加至0.2 m）。

通過仿真發(fā)現(xiàn)，單一流作用下達到動力定位穩(wěn)定所需的時間要遠遠大于單一浪作用（2階波浪力）下所需的時間，前者所需時間幾乎是后者所需時間的10 倍；流向和浪向的變化對動力定位過程有著非常顯著的影響；當海流的方向、波浪的方向分別與海洋平臺由初始位置指向定位坐標位置的矢量方向相同時，對于動力定位過程是一個相對省時省力的方向，在具體工程實踐過程中如條件允許，可對這一特性加以利用，從而達到效率性與經(jīng)濟性兼顧。

當風浪流同向時，在風浪流聯(lián)合作用下，載荷的增大導致推進器的螺旋槳轉速變化更快，因此這種情況下定位所需的時間并不比單一浪作用下所需的時間更久。