DP系統(tǒng)在專業(yè)救助船上的應(yīng)用前景

孫程琳 劉現(xiàn)亮

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展起來(lái)，在海洋工程、科學(xué)考察等領(lǐng)域有著重要的用途。隨著船舶電力推進(jìn)的成熟和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，動(dòng)力定位系統(tǒng)的性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。在我國(guó)當(dāng)前的海上專業(yè)救助船中，DP技術(shù)也得到了循序漸進(jìn)的應(yīng)用。從早期的DP-0到后來(lái)的DP-2，專業(yè)救助船對(duì)DP技術(shù)一直在不斷實(shí)踐和探索。本文通過(guò)總結(jié)分析DP技術(shù)的實(shí)踐，以提高海上救助能力為目的，展望DP技術(shù)在專業(yè)救助船上的應(yīng)用前景。

一、DP技術(shù)的概述

DP系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）系指僅用推進(jìn)器的推力保持其自身位置（固定的位置或預(yù)先確定的航跡）的操作系統(tǒng)，一般的系統(tǒng)組成為：1.動(dòng)力系統(tǒng)；2.推力器系統(tǒng)；3.動(dòng)力定位控制系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)。

DP系統(tǒng)分級(jí)：

DP-0：船舶裝備一套集控手操的集中控制系統(tǒng)，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP-1：船舶裝備一套能夠自動(dòng)保持艏向的集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)可以是操作手柄集中控制，也可以是電腦自動(dòng)控制，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP-2：船舶裝備兩套能夠自動(dòng)保持艏向的集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)可以是操作手柄集中控制，也可以是電腦自動(dòng)控制，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP-3：船舶裝備三套能夠自動(dòng)保持艏向的集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)可以是操作手柄集中控制，也可以是電腦自動(dòng)控制，其中兩套控制系統(tǒng)等同于DP-2，第三套能夠自動(dòng)保持艏向的集中控制系統(tǒng)需要分開并單獨(dú)配置，作為應(yīng)急之用，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP系統(tǒng)的分級(jí)主要依據(jù)系統(tǒng)的可靠性和冗余度，而不是依據(jù)精度。

二、當(dāng)前專業(yè)救助船的DP系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

在專業(yè)救助船主力船型中DP系統(tǒng)的應(yīng)用水平隨著DP技術(shù)的發(fā)展逐漸升級(jí)。DP系統(tǒng)的應(yīng)用階段大致為：2010年之前建造的船舶為DP-0系統(tǒng)；2010年—2014年建造的船舶為DP-1系統(tǒng)；2014年之后建造的船舶上，DP-2系統(tǒng)開始應(yīng)用。下面以DP-2系統(tǒng)專業(yè)救助船為例，簡(jiǎn)要介紹DP系統(tǒng)在專業(yè)救助船上的具體應(yīng)用。

（一）船舶參數(shù)

船舶類型:14 000千瓦旗艦級(jí)專業(yè)救助船，總長(zhǎng)：116.95米，型寬：16.2米，型深：7.8米，總噸：4 747，DP等級(jí)：IMO DP-2。

全船安裝了兩臺(tái)主機(jī)（單臺(tái)最大持續(xù)功率7 200千瓦），通過(guò)齒輪箱與軸系驅(qū)動(dòng)兩個(gè)可調(diào)距螺旋槳（每臺(tái)螺旋槳直徑3 450毫米，有四個(gè)葉片），每個(gè)齒輪箱配備PTO（POWER-TAKEOFF）驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)。船上同時(shí)配備了三臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組（每臺(tái)功率500千瓦）。船首部安裝了兩臺(tái)（單臺(tái)電機(jī)輸入功率為1 140千瓦）、船尾部安裝了1臺(tái)（單臺(tái)電機(jī)輸入功率為780千瓦）管道式側(cè)向推進(jìn)器用于船舶機(jī)動(dòng)和動(dòng)力定位。全船安裝了兩套獨(dú)立的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)，每個(gè)包含帶獨(dú)立動(dòng)力單元的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（二）本船的冗余的定義描述

對(duì)本船而言，冗余的要求只有在發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)下才得以實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)某臺(tái)柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)停止之后的重新啟動(dòng)再參與船舶定位不被認(rèn)為是冗余。

本船只有一臺(tái)艉側(cè)推，停止之后的重新啟動(dòng)并快速為DP系統(tǒng)接納，重新參與定位，但其操作的簡(jiǎn)單性和快速性需要在試驗(yàn)得到確認(rèn)，如果滿足要求，將被認(rèn)同為冗余。

本船動(dòng)力和推進(jìn)系統(tǒng)分為兩個(gè)冗余分組，每一分組依靠自身的動(dòng)力，定位和控制系統(tǒng)就能使船舶保持一定的定位能力。所以最嚴(yán)重的單點(diǎn)故障影響不能超出一個(gè)冗余分組的范圍。鑒于一號(hào)艏側(cè)推有更大的轉(zhuǎn)船力矩，其所在的冗余分組失效被認(rèn)為是嚴(yán)重單一故障。

（三）本船的DP系統(tǒng)配置圖（見圖1）

圖1 14 000千瓦旗艦級(jí)專業(yè)救助船DP系統(tǒng)配置圖

從圖1可以看出，DP系統(tǒng)是動(dòng)力系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)的計(jì)算中心和指令中心，三個(gè)系統(tǒng)之間循環(huán)相互作用，以便DP系統(tǒng)效能達(dá)到最佳。

（四）本船DP系統(tǒng)相關(guān)的傳感器

兩個(gè)Seatex運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器。位移傳感器（MRU）將船舶橫搖、縱搖信息發(fā)給數(shù)據(jù)分析單元，以便位置參考系統(tǒng)可以糾正的船舶方位。兩臺(tái)電羅經(jīng)作為航向輸入通過(guò)NMEA通信格式輸出到數(shù)據(jù)分析單元。至少有一臺(tái)羅經(jīng)能夠在任何時(shí)候都為自動(dòng)艏向控制提供艏向信息。兩只風(fēng)速風(fēng)向傳感器，一只為數(shù)字式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，另外一只是普通機(jī)械式，分別裝于主桅桿頂部。至少有一個(gè)風(fēng)速風(fēng)向傳感器能夠在任何時(shí)候?yàn)镈P系統(tǒng)提供風(fēng)速和風(fēng)向信息。一個(gè)用于定位的激光信標(biāo)，基于測(cè)量附近區(qū)域被動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)器反射的不可視安全激光信號(hào)，實(shí)施過(guò)程充分固態(tài)。一臺(tái)差分全球定位系統(tǒng)DGPS，型號(hào)為DGPS122。1臺(tái)用于定位的高精度聲學(xué)定位儀，型號(hào)為HIPAP451。

（五）本船DP系統(tǒng)控制軟件和計(jì)算方式介紹

本船安裝了KONGSBERG公司提供的DP-2控制系統(tǒng)。康士伯K-POS動(dòng)力定位系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)化的船舶自動(dòng)定位和航向控制系統(tǒng)?？刂拼坏暮较驎r(shí)，K-POS動(dòng)力定位系統(tǒng)使用的來(lái)自兩臺(tái)回轉(zhuǎn)羅經(jīng)，同時(shí)至少有三個(gè)位置參照系統(tǒng)（例如差分全球定位系統(tǒng)或信標(biāo)定位）的數(shù)據(jù)，使得K-POS系的能夠?yàn)榇欢ㄎ弧：较蚝退瓒ㄎ坏脑O(shè)置點(diǎn)由操控者輸入，經(jīng)K-POS系統(tǒng)處理，然后分配給各推力器控制信號(hào)。K-POS系統(tǒng)總是最佳分配動(dòng)力給正在使用中的推進(jìn)器。

當(dāng)與所設(shè)定的航向或位置偏離時(shí)，K-POS將自動(dòng)檢測(cè)，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。K-POS系統(tǒng)還提供了一個(gè)手動(dòng)操縱桿控制功能可用于沒(méi)有位置參照系統(tǒng)時(shí)的單獨(dú)手動(dòng)控制或聯(lián)合手動(dòng)/自動(dòng)控制，在使用羅經(jīng)作為艏向參考時(shí)，K-POS系統(tǒng)可自動(dòng)保持并穩(wěn)定控制艏向。

K-POS系統(tǒng)利用一種船舶數(shù)學(xué)模型，包含船舶水動(dòng)力特性，如目前的阻力系數(shù)和虛擬轉(zhuǎn)船慣量。這一模型被稱為船舶數(shù)學(xué)模型，反映了船舶如何對(duì)外部因素施加力進(jìn)行反應(yīng)，例如由風(fēng)或推進(jìn)器的作用力。

K-POS系統(tǒng)控制器持續(xù)計(jì)算實(shí)際需求的船舶橫向和縱向推力（推力設(shè)定值）以及所需的轉(zhuǎn)船力矩（轉(zhuǎn)矩設(shè)定值）。K-POS的推力分配器置以設(shè)定的螺距/轉(zhuǎn)速/力/負(fù)載和方位控制信號(hào)的形式分配給每個(gè)推進(jìn)器/螺旋槳，從而獲得保持艏向和位置所需的力和力矩。同時(shí)也確保了最優(yōu)化的推進(jìn)器/螺旋槳使用，使其功耗和磨損最低。

（六）故障模式和影響分析（FMEA）結(jié)論

經(jīng)過(guò)書面分析和海上試驗(yàn)，沒(méi)有在DP-2規(guī)定范圍內(nèi)的單點(diǎn)故障能導(dǎo)致船舶有失去定位能力的危險(xiǎn)。同時(shí)各種故障模式的具體影響在海試中也得以驗(yàn)證，在規(guī)定海況下滿足DP-2的規(guī)范要求。

三、DP系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)海上救助的實(shí)際意義

（一）提高船舶操控水平，提升救助能力，增加作業(yè)安全系數(shù)

海上救助對(duì)船舶的操控水平有很高的要求，這里面既有惡劣天氣下乘風(fēng)破浪的“急行軍”，也有如穿針引線般的精細(xì)作業(yè)。專業(yè)救助船在各種海況下對(duì)船舶操縱都要做到“張弛有度，收放自如”。

DP系統(tǒng)配備了高精度的傳感器，極大地提高了對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)的探測(cè)精確度。通過(guò)軟件計(jì)算和對(duì)車、舵和側(cè)推的聯(lián)合控制，有效地提高了船舶的操縱性能。在專業(yè)救助船實(shí)施救助直升機(jī)著艦和起飛、應(yīng)急分隊(duì)水下探摸、水面無(wú)人機(jī)和水下機(jī)器人作業(yè)、海面溢油回收等精細(xì)作業(yè)時(shí)，DP系統(tǒng)的穩(wěn)定而精確的特點(diǎn)增加了作業(yè)的安全系數(shù)。

（二）簡(jiǎn)化船舶操縱方式，進(jìn)而優(yōu)化救助任務(wù)時(shí)的人力資源分配

在以往的海上救助中，船長(zhǎng)往往肩負(fù)著實(shí)施救助時(shí)的船舶操縱和救助指揮決策等重任，其中船長(zhǎng)對(duì)車、舵、側(cè)推等手動(dòng)操作這種傳統(tǒng)模式下的船舶操縱占用了船長(zhǎng)很大精力，會(huì)間接影響臨場(chǎng)指揮決策。DP系統(tǒng)是對(duì)船舶操作方式的一個(gè)變革，很大程度地減少了船長(zhǎng)操縱船舶的工作負(fù)荷，甚至可以把船舶操縱的工作交給有資質(zhì)的駕駛員完成，更有利于專業(yè)救助船船長(zhǎng)發(fā)揮決策指揮作用。

（三）精確計(jì)算定位負(fù)荷，節(jié)約燃油消耗

成熟的DP系統(tǒng)通過(guò)對(duì)傳感器的數(shù)值以及船舶模型阻力參數(shù)的分析，能精確計(jì)算出船舶當(dāng)前運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)的阻力負(fù)荷，然后通過(guò)對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的精確調(diào)整來(lái)抵消外力，使船舶處于預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)中。這種精確的計(jì)算和分析使DP操作模式比傳統(tǒng)船舶操縱模式更能有效控制過(guò)量的負(fù)荷消耗，從而達(dá)到節(jié)約燃油消耗的目的。

四、DP技術(shù)在專業(yè)救助船上更好應(yīng)用的設(shè)想

（一）發(fā)展更強(qiáng)大的“大腦”和“肢體”，讓系統(tǒng)更優(yōu)化，動(dòng)力更充沛

在上述的介紹中可以大致了解到DP系統(tǒng)對(duì)船舶的控制跟人的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理類似，靠的是大腦的計(jì)算反應(yīng)和四肢的運(yùn)動(dòng)能力。DP系統(tǒng)的“大腦”就是穩(wěn)定而精良的傳感器加上一套合理成熟的控制軟件。在國(guó)內(nèi)初步的DP應(yīng)用中，傳感器的粗劣和軟件的不成熟讓DP系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化一度陷入瓶頸。因此，應(yīng)用更穩(wěn)定和精良的傳感器和開發(fā)與船舶更配套的操控軟件是增強(qiáng)DP系統(tǒng)大腦的重要途徑，這也是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。

1.當(dāng)前專業(yè)救助船配備的定位傳感器可利用三種不同的方式以適應(yīng)各種環(huán)境下的定位

有三種主要的外力會(huì)引起船舶相對(duì)設(shè)定點(diǎn)的位移或者艏向變化，分別是風(fēng)、浪、流。目前配備的風(fēng)、浪、流傳感器已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，加上傳統(tǒng)的單一的數(shù)據(jù)處理方式使數(shù)據(jù)的有效性打了折扣，因此，升級(jí)傳感器有利于DP系統(tǒng)更好地計(jì)算外力。同時(shí)，傳感器的布置應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：

（1）受直升機(jī)、主機(jī)煙囪影響可能會(huì)產(chǎn)生氣流變化的地方。

（2）船體結(jié)構(gòu)不會(huì)引起風(fēng)向變化的地方。

（3）操作員選擇哪個(gè)傳感器在活躍狀態(tài)。

2.升級(jí)姿態(tài)傳感器（VRS）和位移傳感器（MRU）

DP控制系統(tǒng)不能對(duì)船的滾動(dòng)、前后顛簸橫搖和上下起伏進(jìn)行有效補(bǔ)償，但是DP系統(tǒng)需要知道船的相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。這就需要對(duì)MRU從船舶重心的偏移量變化進(jìn)行補(bǔ)償。使用VRS/MRU來(lái)測(cè)量這些數(shù)據(jù)。MRU可以測(cè)量線性加速度并計(jì)算傾斜角，隨著技術(shù)進(jìn)步，DP系統(tǒng)可以利用定位系統(tǒng)和MRU提供船舶的位置、艏向、滾動(dòng)、前后顛簸和上下起伏的信息，這就能在每個(gè)方向上更準(zhǔn)確地給DP系統(tǒng)提供參考，精度在0.01°。

3.增強(qiáng) “肢體”力量，提高惡劣海況下的定位能力

目前，專業(yè)救助船DP系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿κ嵌ㄝS可調(diào)距螺旋槳做主推進(jìn)器。推進(jìn)器的數(shù)量、類型、功率直接影響船的定位“能力”。一般來(lái)說(shuō)，推進(jìn)器數(shù)量越多，功率越大，船的定位能力就越強(qiáng)。從響應(yīng)時(shí)間和效能方面考量，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器優(yōu)于定軸螺旋槳或隧道式側(cè)推。當(dāng)前世界最先進(jìn)的DP-3系列的鉆井平臺(tái)的動(dòng)力定位系統(tǒng)采用的都是發(fā)電機(jī)和全回轉(zhuǎn)式推進(jìn)器的組合，在以后的專業(yè)救助船設(shè)計(jì)中可以考慮借鑒這種動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。

以上幾個(gè)方面的改進(jìn)共同提升了DP系統(tǒng)對(duì)惡劣天氣的應(yīng)對(duì)能力，有利于DP系統(tǒng)更“有力”、更穩(wěn)定。

（二）加強(qiáng)DP系統(tǒng)專業(yè)培訓(xùn)，普及DP系統(tǒng)的日常使用

DP技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)普及和長(zhǎng)足發(fā)展，對(duì)有DP操作資質(zhì)人員的需求也隨之迫切。加強(qiáng)這方面的專業(yè)培訓(xùn)，讓大家會(huì)用才能敢用，進(jìn)而打破對(duì)新設(shè)備使用的心理屏障，有利于DP操作的普及推廣。擴(kuò)大持證人員數(shù)量，增加專業(yè)訓(xùn)練，以使人員的操作水平和DP系統(tǒng)的發(fā)展齊頭并進(jìn)，從而使DP系統(tǒng)的作用達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

如今海上險(xiǎn)情復(fù)雜多變，惡劣天氣頻發(fā)，使海上救助任務(wù)日益艱巨，“以人為本，生命至上”的安全核心理念給海上救助工作提出了更高要求。海上專業(yè)救助力量要對(duì)新設(shè)備積極探索，掌握新技術(shù)，用好新設(shè)備，才能更堅(jiān)定地守護(hù)好海上生命的防線。