動力控制定位系統(tǒng)在耙吸船施工中的應用研究

耿長興，冀振亞，胡 博

（水利部長春機械研究所，吉林 長春 130012）

耙吸船是一種能邊挖泥邊疏通航道，將泥漿自動裝載和卸放的挖泥船，一般應用于港口、航道的清淤挖深作業(yè)中。耙吸船能夠高效率完成作業(yè)，而且靈活性較高。但隨著人們對船舶和海洋的不斷深入研究，耙吸船的疏浚功能也從港口和航道逐步深入到海洋中。過去，耙吸船的挖泥方式一般是利用多點拋錨的方法進行定位，但這種方法只適用于淺水區(qū)，隨著水深的增加，多點拋錨的定位方法必然無法滿足實際情況的需求。在這樣的條件下，勢必要開發(fā)一種新的定位方式來提升耙吸船疏浚的精度和速度，讓疏浚的效益更高。

1 耙吸船施工效率影響因素

耙吸船的疏浚作業(yè)雖然是一項傳統(tǒng)行業(yè)，但是卻包含了多項學科知識，包括水利、機械、氣象、水文、工程地質(zhì)等。不過，對于耙吸船的疏浚作業(yè)，一直都沒有一個最為合適的施工參數(shù)的理論或方法，這對疏浚的施工效率和效益產(chǎn)生了一定的制約。對于耙吸船的施工效率，有很多影響因素，一般認為航速、泥泵轉(zhuǎn)速、高壓沖水壓力和波浪補償器壓力等是對施工效率影響最大的因素。可以通過一定的措施讓耙吸船的施工效率得到提升。耙吸船的主要挖掘工具是耙頭，其質(zhì)量和效益將直接影響到施工的效率。為了提升效率，可以改進耙頭，讓耙頭更適合疏浚作業(yè)。

2 動力定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

由于耙吸船的作業(yè)范圍日趨擴大，原來的耙吸船作業(yè)方式已經(jīng)難以滿足這種需求，因此，新的動力控制定位系統(tǒng)逐漸被應用于耙吸船上，能夠更好地滿足施工的需求。

動力控制定位系統(tǒng)是一種能夠在外界風力、水力等干擾下，不借助錨泊，而是利用船舶自身的推力系統(tǒng)讓船舶在水上保持一定的位置和船艏向。這一系統(tǒng)的工作原理是通過計算風力、水力、波浪顛簸度、風向等，利用激光定位儀、差分定位儀等儀器進行定位，調(diào)節(jié)相應的船體助推器進行速度調(diào)節(jié)和方向調(diào)節(jié)。動力控制定位系統(tǒng)的組成部分有位置參照系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、推力器等，還包括顛簸度傳感器、風速傳感器、電羅經(jīng)、差分全球定位系統(tǒng)、點波速單元等。動力控制定位系統(tǒng)能夠?qū)χ車沫h(huán)境進行參數(shù)采集，并根據(jù)這些參數(shù)來計算各個助推器的推力大小，保證船只可以在環(huán)境中一直維持一定的方向和位置。動力定位系統(tǒng)中的位置參照系統(tǒng)可以獲得當前船舶所處的環(huán)境位置，DP傳感系統(tǒng)能夠?qū)︼L、水等的速度和方向進行測定，最后進行計算，得出助推器能夠維持的動力和方向。動力控制定位系統(tǒng)經(jīng)過不斷發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展了幾代。

3 動力控制定位系統(tǒng)的具體應用

耙吸船在進行施工作業(yè)時，一般都需要在特定的區(qū)域保持靜止，或者是按照預先設定的軌跡移動，這些工作在最開始是需要人力來完成的。但隨著動力控制定位系統(tǒng)的引入，可以利用這套系統(tǒng)來控制耙吸船的施工作業(yè)定位。

動力定位系統(tǒng)在耙吸船的運用中能夠提升艏吹效率，讓相應的挖泥和吹岸等流程得到改善。耙吸船通過動力控制定位系統(tǒng)來對船身定位，讓船身在施工中一直處于作業(yè)區(qū)域。作業(yè)區(qū)域都是規(guī)劃好的，耙吸船自身的兩個耙和高壓水槍對泥沙進行沖刷并吸入泥艙。根據(jù)定位系統(tǒng)，耙吸船沿著已經(jīng)設定好的航線來回施工。耙吸船的疏浚模式結(jié)合船舶常規(guī)設定的航行軌跡，僅僅依靠工作人員是難以精確判斷施工區(qū)域和路線的，通過DP動力控制定位系統(tǒng)，就能夠讓船舶的航行路線和方位得以精確控制。在耙吸船中，設有兩個差分全球定位系統(tǒng)，分別放在船艏和船中央，通過定位系統(tǒng)獲取環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過中央處理器進行計算，最后反饋船舶信息到駕駛臺上。動力控制定位系統(tǒng)能根據(jù)偏差大小對船的航行軌跡進行分區(qū)控制分析，讓船舶一直處于良好的航行動態(tài)性能上，提升疏浚的效率和精度。

當耙吸船挖泥結(jié)束后，就可以根據(jù)動力控制定位系統(tǒng)將裝滿的泥沙運到自浮管快速接頭位置進行接管艏吹作業(yè)。如果耙吸船僅靠自身的推力設備進行接管操作，將難以準確停靠在接管前方，很容易因為操作不當而將接管撞斷。此時，可根據(jù)動力控制定位系統(tǒng)提前設定好運行路線和?？课恢?，這樣能夠準確地行駛到快速接頭位置前，提高了工作效率。動力控制定位系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)位置產(chǎn)生進行差分定位，不斷對船舶的位置信息進行計算，以做到位置精準。在低速航行中，動力系統(tǒng)的感應器會對船身的阻力進行計算，同時還根據(jù)姿態(tài)傳感器、風速傳感器對風力、波浪顛簸等外界信息進行測定，最后建立模型，設定移動方向和?？课恢谩?/p>

當船舶?？吭诳焖俳宇^前方，即可進行接管艏吹作業(yè)。此時，船舶速度要保持為零，但由于風、水流、波浪等的干擾，耙吸船并不能依靠自身重力保持靜止。而通過人工操作，船身會出現(xiàn)一定的偏移或抖動。而如果用動力控制定位系統(tǒng)，將能夠很好地解決問題。動力控制定位系統(tǒng)可以根據(jù)位置參數(shù)進行差分定位，將船舶的信息和外界的環(huán)境參數(shù)進行處理和計算，建立船舶數(shù)學模型，對船舶的位置和艏向進行設定。如此，可根據(jù)操作系統(tǒng)對推理系統(tǒng)進行分配，將信息發(fā)送到每一個推力器上，就能夠改變推力器的方向、速度等，讓船舶位置得到相應的調(diào)節(jié)。艏吹作業(yè)時，動力控制定位系統(tǒng)將使船舶定位保持在相對靜止的狀態(tài)，大大降低了對管道的影響，讓施工作業(yè)更為安全，工作效率也得到了提升。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的多點拋錨定位方法在日益加快的耙吸船施工作業(yè)中逐漸落伍，而動力控制定位系統(tǒng)將取代其應用地位。這一系統(tǒng)在耙吸船的施工作業(yè)中起到了關(guān)鍵性的作用，提升了耙吸船的工作效率，也讓工作人員的工作更為安全、可靠。

［1］廣超越.船舶動力定位系統(tǒng)定位能力分析［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

［2］孫守勝，肖博，林森，等.超大型耙吸挖泥船系列化耙頭研發(fā)與應用［J］.中國港灣建設，2015（1）：64-67．［3］周利，王磊，陳恒.動力定位控制系統(tǒng)研究［J］.船海工程，2008，37（2）：86-91．