動力定位(DP)系統(tǒng)簡介

摘要：隨著海洋工程項目的蓬勃發(fā)展，動力定位系統(tǒng)(簡稱DP系統(tǒng))的應用已越來越廣泛。本文對DP系統(tǒng)等級、工作原理以及根據(jù)船級社不同入級符號的設備配置等作了簡單的介紹，希望能夠對大家以后的開發(fā)設計及生產(chǎn)有所幫助。

關鍵詞：DP；入級符號；特點；工作原理

中圖分類號：P751文獻標識碼：A

Investigation of Dynamic Positioning System

WANG Weiwei

( Guangzhou Shipyard International Co.， Ltd. Guangzhou 510382 )

Abstract: The application of Dynamic Positioning System (DP system) is more and more popular because of development of ocean project. The article introduce the level of DP system， work principle， the requirement of equipment according to different DP notations. I hope it is helpful to exploder， design and production in the future.

Key words: DP;Classification notation;characteristic;work principle

1前言

動力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）簡稱DP系統(tǒng)，是從上個世紀70年代逐漸發(fā)展起來的，并逐步由淺水海域向深水海域發(fā)展，應用于各種海洋工程、海上科考、水下工程等領域。隨著船舶自動化程度越來越高，DP系統(tǒng)的定位能力以及自動化程度也越來越高，而以上各類領域的工程項目也越來越離不開帶有DP系統(tǒng)的海上鉆井平臺和船舶。本文簡要介紹DP系統(tǒng)的工作原理，以及根據(jù)船級社不同入級符號對DP系統(tǒng)的等級和不同等級下設備的配置。

2DP系統(tǒng)工作原理

IMO給出的DP船舶定義為：僅靠推力器的推力作用能夠自動保持船舶位置（固定位置或者預定航跡）的船舶。

DP系統(tǒng)的工作原理：由于海上海浪、風速、風向的影響，船舶或者平臺在海上必然會產(chǎn)生移動，DP系統(tǒng)就是利用計算機軟件對采集到的周圍的環(huán)境因素如水流、風速、風向、海浪等，根據(jù)位置參照系統(tǒng)（GPS、羅經(jīng)等）進行匯總計算后不斷控制調整船舶或者平臺上的各個推力器的大小和方向，從而使得船舶或者平臺保持事先設定的位置。

3船級社入級符號

隨著對具有DP系統(tǒng)的船舶及平臺的需求越來越大，各個船級社根據(jù)DP系統(tǒng)的功能以及設備冗余度的情況提出了DP系統(tǒng)的等級劃分以及相應的附加入級符號，如表1所列，這里要特別說明的是DNV關于DP系統(tǒng)的入級符號有兩個系列（DYNPOS –系列和DPS-系列），前者的設計要求要比后者更加嚴格。

表1DP系統(tǒng)等級分類及各船級社入級符號

注：對于DYNPOS –系列的符號為必需補充符號；對于DPS系列符號為非必需符號，是可選符號。

3.10級DP系統(tǒng)

船舶裝備有一套能夠自動保持航向的集中控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以是電腦自動控制，也可以是操作手柄集中控制，能在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍之內。對于0級的控制系統(tǒng)，有的船級社要求為自動控制，有的船級社要求為控制手柄。目前使用的動力定位系統(tǒng)等級最低為1級，0級幾乎不再使用，因此本文對0級DP系統(tǒng)不做詳細介紹。

3.21級DP系統(tǒng)

船舶裝備具有自動定位和航向保持的動力定位系統(tǒng)及一套獨立的帶自動保持航向的集控手操裝置，能在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍之內。根據(jù)定義，1級DP系統(tǒng)較0級相比增加了自動定位和航向保持的裝置，而另外一套獨立的帶有自動航向保持功能的集控手操裝置作為備用，使得自動控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，DP系統(tǒng)仍能手動操作。

1級DP系統(tǒng)的特點：自動；不冗余。

3.32級DP系統(tǒng)

船舶裝備兩個具有自動定位和航向保持的動力定位系統(tǒng)及一套獨立的帶自動保持航向的集控手操裝置，即使發(fā)生單個故障（包括火災、破艙等），也能在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍之內。一個自動控制系統(tǒng)發(fā)生故障后，自動切換到另外一個自動控制系統(tǒng)，如兩個自動控制系統(tǒng)都失效，可以手動進行集中控制。

2級DP系統(tǒng)的特點：自動；有冗余。

3.43級DP系統(tǒng)

船舶裝備三個具有自動定位和航向保持的動力定位系統(tǒng)及一套獨立的帶自動保持航向的集控手操裝置，即使發(fā)生單個故障（包括火災、破艙等），也能在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍之內。其中的兩個自動控制系統(tǒng)標準等同于2級配置，第三個自動控制系統(tǒng)獨立于其他兩個自動控制系統(tǒng)，作為應急備用。如三個自動控制系統(tǒng)都失效，則轉入手動集控手柄進行手動操作。

3級DP系統(tǒng)的特點：自動；有冗余且物理分隔；相關的電纜布線和管路有冗余且進行相應的防水、A-60防火的物理分隔。

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4設備配置要求

4.1推進器系統(tǒng)

推進器包括：管遂推進器；全回轉推進器；固定或可調槳推進器。

推進器應能在規(guī)定的環(huán)境下提供足夠的橫向或者縱向的推力，以保證船只定位穩(wěn)定性。對于2級和3級的DP系統(tǒng)，要有冗余設計，即任意一個推進器發(fā)生故障后，剩余的推進器仍能夠提供橫向或者縱向的推力，保持船只的定位。對于3級的定位系統(tǒng)，不僅要冗余設計，而且各推進器布置上也要分隔，即單個艙室發(fā)生火災、破艙等故障時，也不會影響到其他推進器的工作。

4.2電力系統(tǒng)

規(guī)范主要對發(fā)機電、功率管理系統(tǒng)、主配電板等方面進行了要求。

對于配有2級入級符號的船只，船上發(fā)電機需要進行冗余設計，任意發(fā)電機出現(xiàn)單一故障，剩余的發(fā)電機仍能保證動力定位的穩(wěn)定性；

配電板應分成兩部分或者更多部分，每一部分之間用斷路器開關連接。出現(xiàn)單一故障時，斷路器開關自動斷開，出現(xiàn)故障的配電板被隔離，不會造成電源的全部中斷，這里的單一故障是指系統(tǒng)或部件的技術性損壞；

對于3級入級符號的船只，發(fā)電機與主配電板除了滿足2級入級符號技術設計上的冗余，還應使發(fā)電機與主配電板分布在兩個或兩個以上的艙室中，艙室之間進行水密、防火分隔。即發(fā)生除了系統(tǒng)或部件的技術性損壞外，由于失火、浸水等引起的故障，也不會影響到船舶的定位性能。

對于2級和3級入級符號的船只，還應該有功率管理系統(tǒng)且冗余，此系統(tǒng)能使發(fā)電機隨著負荷的變化而起動和停止。當沒有足夠大電功率來起動大功率負載時，能夠阻止大功率負載設備的啟動，按照要求起動備用的發(fā)電機獲得足夠大功率時，才能起動大功率設備。

另外，IMO要求3級入級符號的船只在進行動力定位操作時，不同冗余部分配電系統(tǒng)之間的斷路器開關應該斷開。除非采用特殊的構造，無論發(fā)生任何單一故障時，船舶仍能保持動力定位能力。

4.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括：自動控制（基于計算機控制）；操縱手柄控制；手動控制。

相應等級的動力定位系統(tǒng)，至少需要與之等級類別相同的計算機：1級DP系統(tǒng)，需要1臺計算機；2級DP系統(tǒng)，需要兩臺計算機且冗余設計；3級DP系統(tǒng)，需要3臺計算機且冗余設計和物理分割。每一計算機系統(tǒng)都需要配一臺UPS，持續(xù)時間為至少30 min。

對于1~3級的DP系統(tǒng)，IMO要求在各個控制站都要求配有獨立的聯(lián)合操控手柄，聯(lián)合操控手柄可以綜合控制船上的各個推進器、舵機等。在每個控制站都需要提供能觀察到各推進器的運行、停止、螺距、方位、轉速等的儀器儀表。

另外，IMO還要求在每個控制站都配備各個推進器的單獨的操作手柄.

4.4傳感器系統(tǒng)

傳感器主要包括：位置參照系統(tǒng)和外部傳感器系統(tǒng)。

一套動力定位系統(tǒng)至少應包括兩套位置參照系統(tǒng)，對于2級和3級的DP系統(tǒng)應該配備有3套位置參照系統(tǒng)。當使用兩個或兩個以上的位置參照系統(tǒng)時，這些系統(tǒng)不應該采用同一工作原理。常見的位置參照系統(tǒng)主要有GPS、DGPS、 Loran、 Arthemis、水下聲學位置參照系統(tǒng)等。

外部傳感器系統(tǒng)主要包括：垂直面參照系統(tǒng)；陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)（首向）；風速風向儀系統(tǒng)。這些傳感器的作用主要是輸入風速、風向等信號到DP系統(tǒng)中，通過電腦計算，消除風、浪、水流等對動力定位的影響，從而使定位更加精確。不同的船級社對于外部傳感器的要求配置不同。

對于3級DP系統(tǒng)，其中一套傳感器系統(tǒng)應該連接到備用控制站，并且用A-60級分割與其他傳感器系統(tǒng)分開。

5故障模式與影響分析（FMEA）

故障模式與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis），縮寫為FMEA。2級和3級的DP系統(tǒng)要求有FMEA報告。FMEA的主要目的是說明與動力定位系統(tǒng)有關的系統(tǒng)設備的不同的故障模式，以及發(fā)生故障后對動力定位所產(chǎn)生的影響分析。

通常由船廠和DP系統(tǒng)供應商以外的第三方完成FMEA分析報告和試驗程序及海試驗證。常見的機構有C-MCR、DNV、ULSTEIN、MARINE、GLOBAL MAEINE等。應該盡可能詳盡地包括所有系統(tǒng)的主要部件，內容至少應該包括：所有系統(tǒng)的主要部件的描述及相互之間的作用；所有的故障模式；探測故障的方法；故障對船位及系統(tǒng)的影響分析等。除此之外，各個船級社還有一些其他的要求，詳見各個船級社規(guī)范。

6動力定位能力

除了1~3級入級符號外，大部分船級社會有關于動力定位能力的補充入級符號，各個船級社動力定位能力符號見表1。

動力定位能力: 表示在給定的環(huán)境條件下保持定位能力的時間百分比，通常是由廠家或者咨詢公司來完成并送審船級社。雖然每個船級社所要求計算的故障模式不同，但是廠家或咨詢公司在完成定位能力報告時，還是會按照自己的習慣計算下述情況下的能力：所有推進器工作；出現(xiàn)推進器最小單個故障；出現(xiàn)推進器最嚴重的單個故障；出現(xiàn)最嚴重的單個故障。

以ABS符號為例，SKP（95， 95， 85， 75， 2， North Sea）表示：

（1）在北海海況（風速和浪高），2 kt水流，所有推進器都工作時，95%的時間船舶能夠保持定位穩(wěn)定；

（2）在北海海況（風速和浪高），2 kt水流，出現(xiàn)推進器最小單個故障時，95%的時間船舶能夠保持定位穩(wěn)定；

（3）在北海海況（風速和浪高），2 kt水流，出現(xiàn)推進器最嚴重單個故障時，85%的時間船舶能夠保持定位穩(wěn)定；

（4）在北海海況（風速和浪高），2 kt水流，出現(xiàn)最嚴重單個故障時，75%的時間船舶能夠保持定位穩(wěn)定。

7結束語

隨著海洋開發(fā)事業(yè)的不斷發(fā)展，海工設備不斷增加，動力定位系統(tǒng)也將越來越多地被應用，最終成為海洋工程的必備設備。本文僅對DP系統(tǒng)作簡單的概括介紹，每個船級社對于各個系統(tǒng)的設計及布置都有更加詳細的要求，我們需要對各個船級社規(guī)范詳加了解，希望本文能對大家以后的設計生產(chǎn)有所幫助。

參考文獻

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[8] GL-Rules for Classification and Construction ，2012

作者簡介：王衛(wèi)衛(wèi) （1985-） 男， 助理工程師。主要從事船舶電氣研究和設計工作。

收稿日期：2013-09-22