“海洋石油286”船三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)配置分析

李嚴(yán)　李素美　劉蘇粵

摘 要：本文介紹了動(dòng)力定位系統(tǒng)工作原理及基本組成，給出了一種三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)此結(jié)構(gòu)框架分析了“海洋石油286”船的三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)配置，并簡(jiǎn)要的作了FMEA分析。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力定位；冗余推進(jìn)

中圖分類號(hào)：U674.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis on the Third Class Dynamic Positioning Systems of

“HAI YANG SHI YOU 286”

LI Yan， LI Sumei， LIU Suyue

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.，Ltd. Guangzhou 510715 ）

Abstract： This article introduces the working principle and structure of Dynamic Positioning systems， and lays out one kind of frame for the third class Dynamic Positioning systems. It tries to analyse the third class Dynamic Positioning systems of the vessel “HAI YANG SHI YOU 286”by using the frame， and then give a simple FMEA.

Key words： Dynamic Positioning； Redundant Propulsion

1 動(dòng)力定位系統(tǒng)原理

動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其采用推進(jìn)器來提供抵抗風(fēng)、浪、流等作用在船上的環(huán)境力，從而使船舶盡可能地保持在海面上要求的位置，其定位成本不會(huì)隨著水深增加而增加，且操作也比較方便。動(dòng)力定位系統(tǒng)首先在海洋鉆井船、平臺(tái)支持船、潛水器支持船、管道和電纜敷設(shè)船、科學(xué)考察船、深海救生船等方面得到應(yīng)用。

動(dòng)力定位船（DP船），是指僅用推進(jìn)器的推力自動(dòng)保持其自身船位（固定的位置或預(yù)先確定的航跡）和首向的船舶。動(dòng)力定位船在海上受外力（風(fēng)、浪、流）影響有四種狀態(tài)：橫搖、縱搖、偏航和上下顛簸（見圖1）。

動(dòng)力定位系統(tǒng)主要原理是：分析計(jì)算機(jī)采集的外力參數(shù)（風(fēng)、浪、流），根據(jù)位置參照系統(tǒng)提供的位置自動(dòng)地進(jìn)行計(jì)算，控制各推力器推力的大小和方向，以對(duì)抗外力對(duì)船產(chǎn)生的橫搖、縱搖和偏航，使船舶保持首向和船位不動(dòng)。

2 動(dòng)力定位系統(tǒng)組成

動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP系統(tǒng)）由動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、DP控制系統(tǒng)和獨(dú)立的聯(lián)合操縱系統(tǒng)四部分組成：

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)

向動(dòng)力定位系統(tǒng)提供動(dòng)力的所有部件和系統(tǒng)，包括：原動(dòng)機(jī)；發(fā)電機(jī)；配電板；UPS和蓄電池；配電系統(tǒng)。

2.2 推進(jìn)器系統(tǒng)

需給動(dòng)力定位系統(tǒng)提供動(dòng)力和方向的所有部件和系統(tǒng)，包括：具有驅(qū)動(dòng)設(shè)備和必要的附屬系統(tǒng)（含管路）的推進(jìn)器；推進(jìn)器控制系統(tǒng)；相關(guān)電纜和電纜布線；受控于動(dòng)力定位系統(tǒng)的主螺旋槳和舵機(jī)。

2.3 DP控制系統(tǒng)

動(dòng)力定位船舶需要的所有部件、硬件、軟件和控制系統(tǒng)，包括：動(dòng)力定位控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；傳感器系統(tǒng)；顯示系統(tǒng)；操作系統(tǒng)；位置參照系統(tǒng)；相關(guān)的電纜和布線。

（1）位置參照系統(tǒng)

包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、水聲定位系統(tǒng)、張繩器定位系統(tǒng)、激光定位系統(tǒng)、雷達(dá)定位系統(tǒng)等：

① 衛(wèi)星定位系統(tǒng)，有美國(guó)的GPS、歐洲的伽利略、俄羅斯的格洛納斯和中國(guó)的北斗，依靠空間無線電波通信定位；

② 水聲定位系統(tǒng)，是利用聲納定位，可以同時(shí)滿足定位的高精度和遠(yuǎn)距離要求，并能彌補(bǔ)因無線電波在水中衰減快而不能用于水下載體定位的缺點(diǎn)；

③ 張繩器定位技術(shù)是海底固定點(diǎn)與船上絞車之間設(shè)有恒張力的張繩，通過測(cè)量張繩的傾角與長(zhǎng)度來確定船舶的水平位移。此方法對(duì)海域水深有限制，且海況較差時(shí)不能使用。

（2）傳感器系統(tǒng)

包括風(fēng)速風(fēng)向儀、電羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)參考單元：

① 風(fēng)速風(fēng)向儀，用于測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向；

② 電羅經(jīng)， 用于測(cè)量船舶的首向；

③ 運(yùn)動(dòng)參考單元， 用于測(cè)量船舶的縱搖、橫搖與升沉。

2.4 聯(lián)合操縱系統(tǒng)

一個(gè)易于調(diào)整矢量推力（包括轉(zhuǎn)距）的裝置。

3 動(dòng)力定位系統(tǒng)故障模式與影響分析（FMEA）

所謂FMEA，就是對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)可能的故障模式及故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響進(jìn)行評(píng)估。FMEA，它是確定動(dòng)力定位船舶可靠性的重要方法，通過FMEA可發(fā)現(xiàn)動(dòng)力定位系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的缺陷。一般來講，設(shè)計(jì)單位沒有能力進(jìn)行這方面的分析，國(guó)際上有專門進(jìn)行FMEA的機(jī)構(gòu)，船級(jí)社也具有這方面的能力。

在進(jìn)行FMEA時(shí)，應(yīng)盡可能詳細(xì)地包括動(dòng)力定位系統(tǒng)的所有主要部件，一般應(yīng)包括下列內(nèi)容：

（1）系統(tǒng)所有主要部件描述以及表示他們之間相互作用的功能框圖；

（2）所有嚴(yán)重故障模式；

（3）每一故障模式的主要可預(yù)測(cè)原因；

（4）每一故障對(duì)船位的瞬態(tài)影響；

（5）探測(cè)故障的方法；

（6）故障對(duì)系統(tǒng)剩余能力的影響；

（7）對(duì)可能的公共故障模式的分析。

FMEA的分析結(jié)果要通過航行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果向船東提供動(dòng)力定位系統(tǒng)在操作上的注意事項(xiàng)。

4 三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)入級(jí)符號(hào)

下面介紹CCS的DP-3和DNV的DPS 3兩個(gè)三級(jí)動(dòng)力定位入級(jí)符號(hào)的組成。

（1）CCS的DP-3入級(jí)符號(hào)

CCS動(dòng)力定位附加符號(hào)為DP-1、DP-2和DP-3：

① DP-1：安裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，自動(dòng)保持船舶的位置和首向，同時(shí)還應(yīng)設(shè)有獨(dú)立聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)；

② DP-2：在出現(xiàn)單個(gè)故障（不包括一個(gè)艙室或幾個(gè)艙室的損失）后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下、在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和首向；

③ DP-3：在出現(xiàn)任一故障（包括由于失火或進(jìn)水造成一個(gè)艙室的完全損失）后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下、在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和首向。

（2）DNV的DPS 3入級(jí)符號(hào)

DNV動(dòng)力定位符號(hào)分為DPS系列和DYNPOS-系列：

① DPS系列包含DPS 0、DPS 1、DPS 2和DPS 3；

② DYNPOS-系列包含DYNPOS-AUTS、DYNPOS-AUT、DYNPOS-AUTR和DYNPOS-AUTRO。

（3）DP-3和DPS 3的區(qū)別

DP-3和DPS3兩者要求有所不同。

5 三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)框圖

圖2為DP-3和DPS 3兩個(gè)符號(hào)下的共性三級(jí)動(dòng)力定位框圖。圖中未對(duì)兩者區(qū)別進(jìn)行體現(xiàn)，主要是考慮為后面的“海洋石油286”船的配置介紹做鋪墊。

6 三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)工作原理

三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)中的推進(jìn)系統(tǒng)是一個(gè)冗余推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)器系統(tǒng)冗余A組和B組之間用A60防火分割，A組和B組均能獨(dú)立給船提供橫向、縱向和保持船首方向的推力。在最大單點(diǎn)故障——獨(dú)立隔艙失火或進(jìn)水時(shí)，A和B兩組功能互不影響，至少保持一組推力足夠完成船舶準(zhǔn)確定位。

DP控制系統(tǒng)1、2和3之間完全獨(dú)立，1和2為主DP控制系統(tǒng)，3為備用DP控制系統(tǒng)，主DP控制系統(tǒng)和備用DP控制系統(tǒng)之間用A60防火分割，在最大單點(diǎn)故障——獨(dú)立隔艙失火或進(jìn)水時(shí)，至少保持一個(gè)DP控制系統(tǒng)能完成船舶準(zhǔn)確定位的推力控制及跟蹤定位。主DP控制系統(tǒng)1和2本身也相互冗余，因此供電需與推進(jìn)器冗余組的供電保持一致——分別來自兩個(gè)獨(dú)立的配電板。

7 “海洋石油286”船三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的特點(diǎn)

7.1 “海洋石油286”船簡(jiǎn)介

“海洋石油286”船是中船黃埔文沖船舶有限公司為中海油建造的平臺(tái)輔助船。該船于2014年交付使用，掛中國(guó)國(guó)旗，按中國(guó)船級(jí)社和挪威船級(jí)社現(xiàn)行的最新規(guī)范規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造。該船配置有三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，為該公司建造的第一艘配置該系統(tǒng)的船舶。

“海洋石油286”船，配置有400 t大型海洋工程起重機(jī)、350 t A字架、250 t錨處理絞車、ROV等裝備，具有飽和潛水支持、立式深水柔性管鋪設(shè)、深水錨系處理作業(yè)、深水ROV（水下機(jī)器人）作業(yè)和IMR（檢驗(yàn)、維護(hù)和維修）作業(yè)支持能力。由于這些作業(yè)操作的危險(xiǎn)性較高，有時(shí)會(huì)涉及到人命安全，需要在最大程度上確保船舶不失船位和首向，所以選擇高等級(jí)的三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)。

7.2 三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)入籍符號(hào)

CCS船級(jí)符號(hào)：DP-3

DNV船級(jí)符號(hào)：DPS3

7.3 動(dòng)力定位系統(tǒng)框架和設(shè)備配置

7.3.1 動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)器系統(tǒng)

該船為電力推進(jìn)船，推進(jìn)器的推力來自發(fā)電機(jī)。

該船配有6臺(tái)發(fā)電機(jī)：DG1、DG2和DG3屬于冗余組A；DG4、DG5和DG6屬于冗余組B。

該船配有5個(gè)推進(jìn)器：首側(cè)推THR1和THR2；伸縮推進(jìn)器THR3；主推進(jìn)器THR4和THR5。其中THR1、THR5屬于冗余組A，THR2、THR4屬于冗余組B，THR3是冗余組A和冗余組B的共用推進(jìn)器。

7.3.2 DP控制系統(tǒng)、位置參照系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)

三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)常用DP 2+DP 1來形容，即一個(gè)二級(jí)定位系統(tǒng)疊加一個(gè)一級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，這是因?yàn)閽侀_動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)，但就DP的控制系統(tǒng)、位置參照系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)而言，這部分的內(nèi)容的確就是這樣的。

（1）主DP控制及相關(guān)系統(tǒng)部分（簡(jiǎn)稱主DP）

這部分是一套完整的二級(jí)定位系統(tǒng)，有兩套完整控制網(wǎng)絡(luò)NET A和NET C，這兩套網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立；

（2）備用DP控制及相關(guān)系統(tǒng)部分（簡(jiǎn)稱備用DP）

這部分是一套完整的一級(jí)定位系統(tǒng)，有一套完整控制網(wǎng)絡(luò)NET B。該套網(wǎng)絡(luò)整個(gè)系統(tǒng)與主DP控制及相關(guān)系統(tǒng)用A60隔離；

（3）三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)

主DP和備用DP當(dāng)作相互冗余的兩套控制系統(tǒng)，則組成了三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)?？梢钥闯?，三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)有三套完全獨(dú)立的控制網(wǎng)絡(luò)（NET A、NET B和NET C），每一套控制網(wǎng)絡(luò)都可以獨(dú)立完整的操作全船的5臺(tái)推進(jìn)器；

（4）操作站

它是操作三套控制網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)（裝有相關(guān)軟件）、顯示器及鼠標(biāo)鍵盤的組合，用于在線操作三套控制網(wǎng)絡(luò)中的任意一套。

該船配有操作站4個(gè)：操作站4在備用DP控制區(qū)，其余3個(gè)在主DP區(qū)，4個(gè)操作站的地位完全平等。操作站1和2為主DP操作站，操作站4為備用操作站，操作站1、2和4與三套控制網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性對(duì)應(yīng)。操作站3比較特殊，它只是利用三套控制網(wǎng)絡(luò)的資源實(shí)現(xiàn)在線控制，專用于ROV高速操作；

（5）傳感器系統(tǒng)

該船配有3套風(fēng)速風(fēng)向儀、3套電羅經(jīng)和3套運(yùn)動(dòng)參考單元，形成三組獨(dú)立的傳感器系統(tǒng)，與NET A、NET B 和NET C三網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立冗余性對(duì)應(yīng)，任何一組都可以作為定位時(shí)的參考數(shù)據(jù)，三組數(shù)據(jù)之間還可以相互校驗(yàn)；

（6）位置參照系統(tǒng)

該船配有3套GPS，其分配與傳感器系統(tǒng)類似。兩套張繩器系統(tǒng)的冗余性與主/備DP一致；

（7）DP控制及相關(guān)系統(tǒng)供電

供電是整個(gè)DP控制及相關(guān)系統(tǒng)最重要的一環(huán)，供電能否與三套控制網(wǎng)絡(luò)保持一致而不破壞其獨(dú)立性，是三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。該船配有6個(gè)DP專用UPS，這6個(gè)UPS分別由兩個(gè)冗余組供電。

7.3.3 冗余組A、B與三套控制網(wǎng)絡(luò)NET A、NET B 和NET C的關(guān)系

如果把動(dòng)力定位系統(tǒng)簡(jiǎn)單的分成兩部分，則一部分是動(dòng)力推進(jìn)（含發(fā)電、配電和輔助設(shè)備），另一部分是動(dòng)力推進(jìn)的遙控。

冗余組A和冗余組B指的是有兩組動(dòng)力推進(jìn)（含發(fā)電、配電和輔助設(shè)備），一組簡(jiǎn)單的區(qū)分為冗余組A，另一組簡(jiǎn)單分為冗余組B。NET A、NET B 和NET C指的是有A、B、C三個(gè)動(dòng)力推進(jìn)的遙控網(wǎng)絡(luò)，這三個(gè)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單的區(qū)分為NET A、NET B 和NET C。這類似你有一部手機(jī)可以插三張手機(jī)卡，這三張卡分別是移動(dòng)、聯(lián)通和電信，你的這部手機(jī)就類似于三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)里面的操作站1、2、3或4，手機(jī)可以使用任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)打電話或上網(wǎng)，也可以在移動(dòng)、聯(lián)通和電信之間隨意切換。

7.3.4簡(jiǎn)易的FMEA分析

（1）冗余組A丟失——前機(jī)艙及前配電板間失火或進(jìn)水，導(dǎo)致冗余組A丟失，NET A和NET C丟失，操作站1和3丟失，操作站2和4不受影響，NET B不受影響，冗余組B的3臺(tái)推進(jìn)器推力依然存在，故船舶定位能力未受影響；

（2）冗余組B丟失——后機(jī)艙及后配電板間失火或進(jìn)水，導(dǎo)致冗余組B丟失，NET B丟失，操作站2和4丟失，操作站1和3不受影響，NET A和NET C不受影響，冗余組A的三臺(tái)推進(jìn)器推力依然存在，故船舶定位能力未受影響；

（3）NET A丟失——雙網(wǎng)絡(luò)單元NDU A1或雙控制器單元DPC 2中的A組模塊丟失，導(dǎo)致NET A丟失，NET B和NET C不受影響，4個(gè)操作站不受影響，冗余組A和冗余組B不受影響，故船舶定位能力未受影響；

（4） NET B丟失——雙網(wǎng)絡(luò)單元（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

NDU A1或雙控制器單元DPC 2中的B組模塊丟失，導(dǎo)致NET B丟失，NET A和NET C不受影響，4個(gè)操作站不受影響，冗余組A和冗余組B不受影響，故船舶定位能力未受影響；

（5）NET C丟失——UPS5失電，導(dǎo)致NET C丟失，操作站4丟失，NET A和NET B不受影響，操作站1、2和3不受影響，冗余組A和冗余組B不受影響，故船舶定位能力未受影響；

（6）NET A和NET B丟失——UPS1失電，導(dǎo)致NET A和NET B丟失，操作站1丟失，NET C不受影響，操作站2、3和4不受影響，冗余組A和冗余組B不受影響，故船舶定位能力未受影響。

8 結(jié)束語

三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)NETA、NET B和NET C三網(wǎng)獨(dú)立和三套位置參照系統(tǒng)間相互獨(dú)立、相互校準(zhǔn)的功能。這種功能的設(shè)計(jì)，歸根結(jié)底是一種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而控制的對(duì)象就是冗余推進(jìn)系統(tǒng)。所以，要真正做好三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須掌握CCS和DNV兩個(gè)規(guī)范的“冗余推進(jìn)”和“動(dòng)力定位”，而且要掌握此兩個(gè)規(guī)范的最高級(jí)要求。