船舶機艙自動化4.9 動力定位系統(tǒng)

第4章船舶推進裝置自動控制系統(tǒng)4.9動力定位系統(tǒng)簡介4.9.1動力定位DynamicPositioningSystem或者DP-System是一種可以不用錨系而自動保持水上浮動裝置的定位方法。

4.9.2動力定位船舶的發(fā)展（1）世界上第一艘符合公認動力定位系統(tǒng)定義的船只1961年美國HowardShatto為殼牌石油公司設(shè)計建造的鉆井平臺Eureka號；（2）第二代動力定位的船舶，20世紀70年代初，基本上都引入了計算機控制，位置傳感器也由單一型的發(fā)展成同時采用聲學(xué)、張緊索和豎管角三種位置基準傳感器的綜合型系統(tǒng)，推進裝置也大幅度增加了。4.9.2動力定位船舶的發(fā)展（3）20世紀80年代，動力定位船舶引入了多總線技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域也從鉆井平臺拓展到了風(fēng)力發(fā)電安裝船、鋪管船、挖泥船、打樁船、打撈船、起重船等。（4）近些年來，船舶動力定位系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為比較成熟的技術(shù)，隨著計算機、傳感器等硬件技術(shù)的發(fā)展，大量的高性能硬件裝備、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、智能控制技術(shù)等得到廣泛應(yīng)用，動力定位系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛。4.9.3動力定位系統(tǒng)的組成（1）控制單元

由控制計算機為核心包括其控制網(wǎng)絡(luò)組成；（2）環(huán)境參考系統(tǒng)

由檢測風(fēng)、浪和流情況的傳感器組成；（3）位置參考系統(tǒng)

由差分全球定位（DGPS）、張緊索系統(tǒng)、水聲系統(tǒng)（HPR）以及激光或微波測距系統(tǒng)等一種或者幾種系統(tǒng)組成；（4）航向參考系統(tǒng)

由陀螺儀系統(tǒng)組成；（5）船舶電站與電源系統(tǒng)

組成類似于電力推進船舶；（6）推進系統(tǒng)

組成類似于電力推進船舶，形式略有不同。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（1）控制單元

DP系統(tǒng)的核心控制系統(tǒng)一般為以計算機為核心的控制網(wǎng)絡(luò)，這里根據(jù)需要有些系統(tǒng)需要有冗余設(shè)計，即控制計算機根據(jù)冗余級別的需要，可以單重，雙重或三重配置安裝，它們之間可以通過以太網(wǎng)或局域網(wǎng)（LAN）進行通信，互為備用，同時，DP系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間的通信以及控制指令的傳輸也需要通過以太網(wǎng)、局域網(wǎng)等工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

許多船舶的DP駕駛控制臺并非始終位于船舶駕駛臺所在的前橋上，包括大多數(shù)近海支援船的DP駕駛控制臺都位于后橋上，朝向船尾。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（1）控制單元

動力定位操作員（DPO）可以通過駕駛控制臺操縱、監(jiān)控整個定位系統(tǒng)，駕駛操控臺上擁有所有控制按鈕、開關(guān)、指示器、警報，如圖所示，所有用于控制的傳感器信號匯集與此，所有的控制信號也由此發(fā)送。因此環(huán)境、位置參考系統(tǒng)控制面板、推進器控制系統(tǒng)面板和通訊裝置都位于DP控制臺附近。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（2）位置參考系統(tǒng)(PRS)

準確、可靠和連續(xù)的位置信息對于動態(tài)定位至關(guān)重要，動力定位控制系統(tǒng)需要不間斷地讀取船舶位置信息，根據(jù)設(shè)定的位置信息和實際的位置信息來做出控制；

錯誤的位置信息會導(dǎo)致危及設(shè)備安全甚至人員生命的事故發(fā)生，由于上述不同的位置檢測方法各有利弊，因此往往需要把它們結(jié)合起來提高整個系統(tǒng)的可靠性。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（2）位置參考系統(tǒng)(PRS)

通常情況，DP控制系統(tǒng)“匯集”或組合兩個或多個位置參考系統(tǒng)的位置參考數(shù)據(jù)，這里常常涉及信息融合技術(shù)，比較常用的方法是針對不同的位置參考系統(tǒng)監(jiān)測的位置信息選擇加權(quán)平均選項，其中，不同的位置參考的權(quán)重與位置數(shù)據(jù)的方差或分布成反比，單個位置參考系統(tǒng)的權(quán)重越高，該系統(tǒng)在位置計算中的影響越大。

早期的DP控制系統(tǒng)基本使用PID算法，沒有自學(xué)習(xí)功能，現(xiàn)代系統(tǒng)能夠通過使用卡爾曼濾波器和人工智能算法，來提高性能。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（2）位置參考系統(tǒng)(PRS)DP系統(tǒng)可以多種形式接收來自位置參考系統(tǒng)的位置信息，并能夠根據(jù)任一坐標系來處理信息。所使用的坐標系的類型：

笛卡爾坐標系；對于水聲系統(tǒng)、激光反射器以及張緊索系統(tǒng)的信息，往往采用基于從本地定義的直角坐標系或局部坐標系，這種類型的坐標參考系統(tǒng)是局部的或相對的，不是絕對的或固定的。

大地坐標系；如GPS，則需要采用以地球為參考類型的大地坐標系，包括地理坐標（緯度/經(jīng)度）；

墨卡爾（UTM）地圖投影坐標系。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（2）位置參考系統(tǒng)(PRS)

所有動力定位船舶都有位置參考系統(tǒng)(PRS)，有時稱為位置監(jiān)控設(shè)備（PME），它獨立于船舶的正常導(dǎo)航系統(tǒng)；DP系統(tǒng)一般使用多種位置參考系統(tǒng)。最常見的是：

差分全球定位（DGPS）；

張緊索系統(tǒng)；

聲吶系統(tǒng)（HPR）；

激光或微波測距系統(tǒng)等構(gòu)成的位置參考系統(tǒng)。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（2）常用的位置參考系統(tǒng)(PRS)

A.差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）

普通GPS的定位精度無法滿足動力定位的需要，通過在WGS84球體（GPS系統(tǒng)的工作球體）上的已知點建立參考站來實現(xiàn)對定位信息差分校正的差分GPS和網(wǎng)絡(luò)GPS系統(tǒng)可以達到動力定位所需的精度，但是該精度會受到參考站的距離、地球大氣電離層狀況以及可用衛(wèi)星的顆數(shù)的影響，同時，大型平臺附近的DGPS精度也往往較低；差分全球定位可提供參照WGS84基準的緯度和經(jīng)度坐標。目前大多數(shù)海上作業(yè)都是使用墨卡爾地圖投影，這樣會使位置精度控制在米級范圍內(nèi)。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（2）常用的位置參考系統(tǒng)(PRS)

B.聲吶（水聲）位置參考系統(tǒng)（HPR）

位置測量的原理是通過安裝在船體上的水聽器與接收器和一個或多個位于海床的定位應(yīng)答器之間的水聲頻率通信進行定位的。為DP系統(tǒng)提供位置參考是水下聲學(xué)技術(shù)諸多應(yīng)用之一，聲學(xué)定位還可以用于跟蹤水下車輛或設(shè)備，標記水下特征或控制水下設(shè)備，例如：聲遙測的技術(shù)。

目前聲吶位置參考系統(tǒng)分為三種類型：

超短基線系統(tǒng)（USBL或SSBL）；

短基線系統(tǒng)（SBL）；

長基線系統(tǒng)（LBL）。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（2）常用的位置參考系統(tǒng)(PRS)C.張緊索位置參考系統(tǒng)

當(dāng)船舶在水文環(huán)境比較平靜且水深有限的作業(yè)區(qū)時，位置參考系統(tǒng)通常采用張緊索位置參考系統(tǒng)。

張緊索系統(tǒng)通常由安裝在船舶的側(cè)舷的一臺恒轉(zhuǎn)矩絞車（通常是一臺起重機）和與絞車鋼絲繩連接沉入海床的配重組成的，正常工作時鋼絲繩一般是垂直于水面的。在絞車起重機臂架末端安裝的角度傳感器可監(jiān)測起重機臂架末端的鋼絲繩的角度變化，如果起重機吊臂滑輪到海床的垂直距離已知，則可以根據(jù)鋼絲繩長度以及鋼絲繩的角度計算出船舶的位置。一般鋼絲繩角度的變化需要限制在20度以內(nèi)，否則會增加拖曳水下配重的風(fēng)險，造成定位失效；同時，角度傳感器所檢測的角度也需要根據(jù)船舶的實際的運動（橫搖或者縱搖）來進行補償和校正。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（2）常用的位置參考系統(tǒng)(PRS)

D.激光或微波測距系統(tǒng)

系統(tǒng)通過激光或者微波鎖定在固定參照物上的單個目標或多個目標上，通過發(fā)送和接收光脈沖，可以測量位置變化的范圍和方位。

這種方法所測量位置的精度容易受到天氣條件和能見度的影響。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（3）環(huán)境參考系統(tǒng)

海況環(huán)境風(fēng)、浪和流會導(dǎo)致船舶偏離其設(shè)定點位置和/或航向。通常情況下，水流變化比較緩慢，所以在動力定位控制系統(tǒng)中很少采用價格昂貴的具有前饋功能的水流測量裝置，大多數(shù)動力定位控制器都采用積分器來解決這個問題，通過調(diào)節(jié)積分器的時間參數(shù)，來使控制器適應(yīng)潮汐等變化的環(huán)境。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（3）環(huán)境參考系統(tǒng)的參數(shù)補償

對于海浪，由于海浪頻率、幅度的不確定性，一般情況下在動力定位系統(tǒng)中不會對海浪進行主動直接的補償，因此DP控制系統(tǒng)無法補償船舶的側(cè)傾，俯仰和升降運動，但必須為DP控制系統(tǒng)提供準確的側(cè)傾和俯仰的值，通過這些參數(shù)來對位置參考系統(tǒng)進行補償，例如垂直參考傳感器（VRS），垂直參考單元（VRU）或運動參考單元（使用線性加速度計測量加速度并計算傾斜角）（MRU）。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（3）環(huán)境參考系統(tǒng)的參數(shù)補償

對于海浪的參數(shù)測量，現(xiàn)在比較常用的做法是通過對船舶的航向、側(cè)傾、俯仰和升降的監(jiān)測來替代直接對環(huán)境參數(shù)（風(fēng)、浪、流）的檢測，目前采用比較多的方式是使用兩個或更多個差分GPS接收器，它們的天線間隔一定距離安裝，通過GPS定位器和運動傳感器可提供船舶的位置、航向、側(cè)傾、俯仰和升降的數(shù)據(jù)，這能夠為船舶運動的位置、方向以及動態(tài)過程提供參考。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（3）環(huán)境參考系統(tǒng)的參數(shù)補償

所有DP系統(tǒng)都配備風(fēng)傳感器。傳感器的數(shù)據(jù)用于計算作用在船體和結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力，通過控制算法，可以在風(fēng)力引起作業(yè)船舶位置或航向變化之前對其進行補償。風(fēng)傳感器由一個簡單的傳輸風(fēng)速計組成，通常是旋轉(zhuǎn)杯型。風(fēng)向?qū)τ谛枰巷L(fēng)或風(fēng)標或?qū)ふ易钚」β屎较虻拇缓苤匾?，例如穿梭油輪和浮船，它們依賴風(fēng)向參數(shù)來尋找最佳航向。風(fēng)力傳感器之所以重要，是因為如果不對其進行選擇或屏蔽，風(fēng)速或風(fēng)向的較大變化可能會對定位造成重大干擾，許多DP控制系統(tǒng)在手動（操縱桿）控制功能內(nèi)還具有風(fēng)補償功能。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（4）航向參考系統(tǒng)

動力定位船舶的航向由一個或多個陀螺儀提供，也可以從多個GPS接收器獲得航向。

在需要冗余的船舶中，需要安裝兩個或三個陀螺儀。如果安裝了三個陀螺儀，則DP系統(tǒng)可以使用三選二的數(shù)據(jù)對比來檢測陀螺儀故障，如果出現(xiàn)故障，會向動力定位操作員發(fā)出適當(dāng)?shù)木妗?.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（5）船舶電站與電源系統(tǒng)

發(fā)電和配電是電力推進船舶可靠運營的重要組成部分；DP船舶都基本都采用電力推進的方式，其船舶電站裝機容量根據(jù)船舶推進功率從幾兆瓦到幾十兆瓦不等，大部分采用6kV~10kV的高壓電制，為了最佳調(diào)配船舶電力，其配電盤多裝備有自動電源管理系統(tǒng)（PMS）。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（5）船舶電站與電源系統(tǒng)

為了保障DP控制系統(tǒng)免受船舶電站可能的故障影響，DP控制系統(tǒng)一般會配置不間斷電源（UPS），UPS可提供穩(wěn)定的電源，不受船舶交流電源的短期中斷或波動的影響。

它主要為計算機、控制臺、顯示器、警報、環(huán)境參考系統(tǒng)、位置參考系統(tǒng)等提供在船舶電站主要交流電源中斷的情況下不少于30分鐘的供電時間。4.9.3動力定位系統(tǒng)的主要組成（6）推進裝置

包括推進電機和推進器。

推進電機可采用直流電機或交流