動(dòng)力定位系統(tǒng)的最新技術(shù)進(jìn)展分析

史斌杰，吳喆瑩

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

0 引 言

隨著深海技術(shù)的不斷發(fā)展和推進(jìn)，動(dòng)力定位系統(tǒng)被逐漸廣泛地應(yīng)用在一些工程船和海洋調(diào)查船上。近幾年，一些新造的港作船和大噸位的客滾船上也裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)[1]。本文將分別從動(dòng)力定位系統(tǒng)的3個(gè)組成部分——位置測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力系統(tǒng)分析動(dòng)力定位系統(tǒng)的最新技術(shù)進(jìn)展。

1 位置測(cè)量系統(tǒng)

動(dòng)力定位系統(tǒng)能達(dá)到的精度首先取決于位置測(cè)量系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)的精度和速度。只有以足夠的速度和精度獲取所需的信息，才能使控制器計(jì)算出推力器指令，使船舶完成預(yù)定的任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)所需的信息包括船舶位置、艏向以及外部干擾力的信息，這些都是由位置測(cè)量系統(tǒng)提供的。所以對(duì)于動(dòng)力定位的位置測(cè)量系統(tǒng)，不僅要求有非常高的精度，還要有非常高的速度。

動(dòng)力定位系統(tǒng)主要有如下幾種常用測(cè)量系統(tǒng)：聲學(xué)系統(tǒng)、張緊索系統(tǒng)、無(wú)線電系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。各種測(cè)量系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。聲學(xué)系統(tǒng)具有較好的精確度，但會(huì)受到瞬時(shí)或短時(shí)間段的干擾；張緊索系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)會(huì)發(fā)生偏移，所以精確度不如聲學(xué)系統(tǒng)，但張緊索不會(huì)受瞬時(shí)或短時(shí)間段的干擾；無(wú)線電系統(tǒng)具有較高的精確度，但是抗干擾性能較差，容易受到無(wú)線電波、天氣等的干擾，并且覆蓋使用范圍受到信號(hào)的限制；全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠迅速、準(zhǔn)確、全天候地提供定位導(dǎo)航信息，是目前應(yīng)用比較廣泛、精度也比較高的定位系統(tǒng)[2]，但成本較高，且相關(guān)技術(shù)受到有關(guān)國(guó)家的壟斷。

在最新的位置測(cè)量系統(tǒng)中，一般應(yīng)用2種及2種以上的測(cè)量方法，以達(dá)到高精度，高速度，抗干擾的良好效果。挪威康士伯公司的幾款最新動(dòng)力定位系統(tǒng)就是將無(wú)線電系統(tǒng)和差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）相結(jié)合來(lái)測(cè)定位置信息。如同時(shí)運(yùn)用無(wú)線電系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，既可保證高精度，又可彌補(bǔ)無(wú)線電系統(tǒng)抗干擾性差的不足。雖然此類方法有著良好的效果，但是若要覆蓋全球范圍進(jìn)行定位，綜合運(yùn)用成本較高，所以目前還沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。但采用多種測(cè)量方法，特別是無(wú)線電和DGPS聯(lián)合運(yùn)用，將是位置測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心部分。動(dòng)力定位系統(tǒng)的精度和速度直接取決于控制系統(tǒng)的性能，因此如何提高控制系統(tǒng)的性能成為了動(dòng)力定位系統(tǒng)發(fā)展中的關(guān)鍵問(wèn)題，也標(biāo)志著動(dòng)力定位系統(tǒng)的發(fā)展水平。目前動(dòng)力定位系統(tǒng)的主要控制技術(shù)如下：

1)PID（比例-積分-微分）控制：比較成熟，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，又有著廣泛的應(yīng)用，所以早期都采用此技術(shù)。但是隨著對(duì)精度和速度的要求不斷提高，PID控制已經(jīng)不能滿足人們的需求，目前已很少使用。

2)LQG（線性二次高斯型）控制：解決了控制中由于濾波而導(dǎo)致的相位滯后問(wèn)題，并在節(jié)能、安全、魯棒性能上都有比較大的進(jìn)步，控制精度和響應(yīng)速度也滿足了大部分需求，是目前動(dòng)力定位系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制技術(shù)[3]。

3)智能控制：包括模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。在一定程度上模仿人的智能控制，具有良好的控制性能。如模糊控制有不依賴于對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，魯棒性好的特點(diǎn)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能和容錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。從上世紀(jì)90年代起，特別是本世紀(jì)，智能控制方法在動(dòng)力定位系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用[3]。

目前，雖然使用最為廣泛的依然是傳統(tǒng)的LQG控制，但是智能控制已有取而代之的趨勢(shì)。將遺傳算法[4]、蟻群算法、動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]、模型預(yù)測(cè)等新型智能算法應(yīng)用到動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，并取得了重要的研究成果。挪威康士伯公司新推出的綠色動(dòng)力定位控制模式運(yùn)用了一種新型的智能控制技術(shù)——非線性模型預(yù)測(cè)控制。該技術(shù)在2001年挪威船舶展覽會(huì)上首次被引入到動(dòng)力定位系統(tǒng)中。該控制模式由兩部分組成∶環(huán)境補(bǔ)償器和模型預(yù)測(cè)控制器。環(huán)境補(bǔ)償器是提供一個(gè)緩慢變化的推力指令，來(lái)補(bǔ)償一般的環(huán)境作用力，使得響應(yīng)更為緩慢和光滑，對(duì)變化環(huán)境的反應(yīng)也更理想；非線性模型預(yù)測(cè)控制器是通過(guò)不斷地求解一個(gè)精確的船舶非線性動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)船舶的行為以進(jìn)行控制。模型預(yù)測(cè)控制算法的計(jì)算比一般用于動(dòng)力定位的傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)更加復(fù)雜且更為耗時(shí)，主要有3個(gè)步驟：(1)利用非線性船舶模型預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)；(2)尋找階躍響應(yīng)曲線；(3)定義和求解計(jì)算將使用的“最佳可能”推力的最優(yōu)化任務(wù)。

動(dòng)力定位船舶在正常作業(yè)期間，外部環(huán)境的作用力變化不大，船位于工作區(qū)邊界以內(nèi)，此時(shí)，僅需一個(gè)基于QL理論的動(dòng)力定位最優(yōu)控制器—EC產(chǎn)生緩慢變化的推力指令來(lái)補(bǔ)償平均環(huán)境作用力。當(dāng)外部作用力突然發(fā)生變化，如陣風(fēng)等作用時(shí)，船舶不會(huì)馬上作出反應(yīng)，這樣減少了不必要的推力器損耗，但是，一旦模型預(yù)測(cè)到船舶運(yùn)動(dòng)軌跡超出工作區(qū)或操作區(qū)，非線性模型預(yù)測(cè)控制器就會(huì)迅速產(chǎn)生作用，由這兩個(gè)控制器聯(lián)合作用，產(chǎn)生最優(yōu)的動(dòng)態(tài)推力使預(yù)測(cè)軌跡盡可能地接近工作區(qū)邊界，而使船不違反約束邊界。此類控制方法確保了在任何外部條件情況下消耗最低功耗來(lái)達(dá)到符合精度要求的定位[6]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)模型預(yù)測(cè)控制在動(dòng)力定位系統(tǒng)中的研究還停留在線性層面，非線性層面研究才剛剛起步。

在最新的控制系統(tǒng)中，一般都存在著多種控制模式來(lái)滿足不同海況下的不同定位要求。挪威康士伯公司最新的控制系統(tǒng)中采用3種不同的控制模式：高精度控制模式、放松控制模式和綠色動(dòng)力定位控制模式來(lái)分別適應(yīng)不同的條件和要求。一個(gè)動(dòng)力定位控制系統(tǒng)中存在多種控制模式，特別是智能控制模式，在不同情況下都能達(dá)到最佳定位是動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的最新發(fā)展方向。

3 推力系統(tǒng)

推力系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其作用是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的一系列推力指令，形成一個(gè)時(shí)變的推力系統(tǒng)，以抵消外在的時(shí)變環(huán)境載荷。此推力系統(tǒng)包括一個(gè)特定方向的水平力和一個(gè)艏搖彎矩。理想的推進(jìn)器能夠產(chǎn)生任何方向的推力，而僅需要2個(gè)推進(jìn)器就能夠產(chǎn)生這個(gè)瞬時(shí)的推力系統(tǒng)。但由于目前單個(gè)推進(jìn)器的推力容量有限，僅僅2個(gè)推進(jìn)器無(wú)法滿足推力容量的要求，同時(shí)推進(jìn)器系統(tǒng)必須滿足平臺(tái)工作的可操縱性和可靠性，因此推進(jìn)器系統(tǒng)中推進(jìn)器一般多于5個(gè)，但不是越多越好，因?yàn)檫€要考慮到推進(jìn)器與船體以及推進(jìn)器間的互相影響等因素[7]。由多個(gè)推進(jìn)器組成的系統(tǒng)便成了一個(gè)冗余系統(tǒng)，存在無(wú)數(shù)多個(gè)不同大小和方向的推力組合，均能滿足特定的水平力和艏搖彎矩。

推力分配問(wèn)題是一個(gè)多約束情況下的最優(yōu)化問(wèn)題，目前解決方法有Johan Wichers提出的推力器分組法[8]、0.J.Serdalen提出的奇異值分解和濾波法[9]、S. P. Berge等提出的阻尼最小方差法[10]、William C. Webster提出的線性規(guī)劃法[11]、T. A. Johansen提出的二次規(guī)劃法[12]等。近年來(lái)，新型的智能算法在解決推力分配問(wèn)題中也有應(yīng)用[13]，取得了較好的效果。

最新的動(dòng)力定位系統(tǒng)的推力分配除了正常工作時(shí)的推力分配，還要求在系統(tǒng)部分受損的情況下，依然能夠進(jìn)行合理的推力分配以達(dá)到定位。

按照IMO的分類[14]，現(xiàn)有3種不同冗余度的動(dòng)力定位系統(tǒng)：第一種是無(wú)冗余的動(dòng)力定位系統(tǒng)，即系統(tǒng)受到一定的干擾和損壞就不能完成定位任務(wù)；第二種是有冗余的動(dòng)力定位系統(tǒng)，即系統(tǒng)在單個(gè)設(shè)備有故障的情況下依然能夠完成定位；第三種是有備份的動(dòng)力定位系統(tǒng)，即在整個(gè)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞的情況下，可以啟動(dòng)備用系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力定位。目前，有備份的動(dòng)力定位系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，控制系統(tǒng)和位置測(cè)量可進(jìn)行較簡(jiǎn)單的備份來(lái)解決問(wèn)題，但是推力系統(tǒng)卻不能，因?yàn)橐坏┰黾恿送七M(jìn)器數(shù)量，那么對(duì)原系統(tǒng)的推力分配就是顛覆性的，需要重新計(jì)算最優(yōu)解，并且要計(jì)算在部分推進(jìn)器無(wú)法工作的情況下依然合理分配推力，推力分配將變得非常復(fù)雜。所以挪威康士伯等公司的動(dòng)力定位推力系統(tǒng)的最新技術(shù)已解決了此類推力分配問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

自上世紀(jì) 60年代第一艘裝有自動(dòng)反饋系統(tǒng)的動(dòng)力定位船“尤勒卡”號(hào)下水以來(lái)，動(dòng)力定位系統(tǒng)不斷地發(fā)展和成熟，并得到廣泛應(yīng)用，目前正朝著以下幾個(gè)方向進(jìn)展：

1)提高精度，確保準(zhǔn)確定位。提高精度是動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位任務(wù)性質(zhì)所要求的。采用更先進(jìn)的智能算法優(yōu)化控制系統(tǒng)是提高精度的必然手段，同時(shí)改進(jìn)位置測(cè)量系統(tǒng)，規(guī)范測(cè)量方法，提高測(cè)定參數(shù)的精度。

2)提高速度，確?？焖俣ㄎ弧钠x位置到達(dá)指定位置的時(shí)間是動(dòng)力定位系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。采用更先進(jìn)的智能算法優(yōu)化控制系統(tǒng)同樣是提高速度的最主要手段。同時(shí)優(yōu)化推力分配也能提高推進(jìn)系統(tǒng)的效率，達(dá)到提高速度的目的。

3)提高可靠性，確保安全定位。提高可靠性是對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)提出的新要求和新任務(wù)。即不僅要求在正常情況下快速、準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置，還要求在某些設(shè)備和部件發(fā)生故障的情況下，依然能夠進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

目前，國(guó)內(nèi)使用的動(dòng)力定位系統(tǒng)基本被康士伯等跨國(guó)公司壟斷，而自主開(kāi)發(fā)的動(dòng)力定位系統(tǒng)幾乎沒(méi)有，與國(guó)外的差距較大。但是隨著綜合國(guó)力的增強(qiáng)，憑借廣大科研工作者不懈的努力奮斗，使我國(guó)自主開(kāi)發(fā)研制的動(dòng)力定位系統(tǒng)將在國(guó)際和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上占有一席之地，并達(dá)到世界先進(jìn)水平。

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