動力定位系統(tǒng)在海洋綜合科考船定點作業(yè)中的應(yīng)用

張彬彬 俞啟軍 吳永亭 華清峰 李治遠 石旭亮

摘 要：動力定位系統(tǒng)具有自動定位模式、自動艏向模式、自動航跡模式、目標跟蹤模式、Joystick聯(lián)合操縱模式等功能，可有效降低外部風、浪等環(huán)境因素對科考船調(diào)查作業(yè)的影響，提高調(diào)查作業(yè)的工作效率、原位精度，保障調(diào)查作業(yè)安全，對科考船調(diào)查作業(yè)具有極其重要的支撐作用。本文在介紹動力定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，針對“向陽紅01”號新一代綜合科考船動力定位的定點空位功能，結(jié)合船載調(diào)查設(shè)備，以海洋定點溫鹽觀測（CTD）為例，詳細分析動力定位系統(tǒng)在科考船定點作業(yè)中的應(yīng)用，證明該系統(tǒng)能夠有力保障定點作業(yè)的安全性，有力提高作業(yè)精度和效率，為科考船調(diào)查作業(yè)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：科考船;動力定位系統(tǒng);定點作業(yè);作業(yè)效率;原位精度

中圖分類號：U644.1? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0078-03

隨著地球人口的急劇增加和世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，導(dǎo)致的資源短缺問題和全球環(huán)境變化問題日益嚴重，海洋作為全球各類資源的儲量庫和環(huán)境污染的容納器，海洋已成為各國海洋權(quán)益和經(jīng)濟發(fā)展的重要戰(zhàn)略要地[1，2]。人類對海洋開發(fā)和探索的范圍不斷增加，我國海洋科學(xué)考察區(qū)域也步入深遠海，科學(xué)家對新一代海洋綜合科學(xué)考察平臺表現(xiàn)出了迫切需求。海洋綜合科考船是用于海洋科學(xué)調(diào)查、應(yīng)用技術(shù)研究以及測量或勘探等船舶的統(tǒng)稱，是人類探索海洋、認識海洋的重要工具，尤其是對中遠海海域的科學(xué)考察發(fā)揮著不可替代的作用，我國自20世紀50年代開始建造海洋科考船，先后經(jīng)歷了改造、自主設(shè)計階段[3-4]。經(jīng)過半個多世紀的積淀與發(fā)展，隨著“海洋強國戰(zhàn)略”的實施，中國科考船進入高速發(fā)展階段，尤其近幾年國內(nèi)建造了一大批新一代綜合科考船，均配備先進的船舶動力系統(tǒng)和大量的海洋科考裝備。如何充分利用船舶先進的動力系統(tǒng)和科考設(shè)備，進一步提高調(diào)查效率和精度、保證調(diào)查安全，需要一線船舶操控和作業(yè)人員利用專業(yè)知識交叉融合，共同深入探討。

本文通過對科考船動力定位系統(tǒng)的介紹，結(jié)合“向陽紅01”號科考船動力定位系統(tǒng)，分析其在科考作業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢，具體實例分析其在定點作業(yè)中的應(yīng)用，為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

1 動力定位系統(tǒng)組成與工作原理

動力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）簡稱動力定位（DP），是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，它無須借助錨泊系統(tǒng)的作用，利用自身裝備的各類傳感器不斷檢測出船舶實際位置與目標位置的偏差、運動狀態(tài)、外界風力、波浪、海流等擾動力的大小與方向，計算出使船舶恢復(fù)到預(yù)設(shè)目標所需推力的大小，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動船舶推進器來抵消作用于船上的外力，使船舶保持在某確定位置或沿一定預(yù)定航跡航行，從而使船舶具備定點控位、水下目標跟蹤與自動循跡航行能力，是深水鉆井平臺、深水輔助工程船、海洋科學(xué)考察船等均必須配的控制系統(tǒng)[5-8]。

船舶動力定位系統(tǒng)一般由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推進系統(tǒng)三部分組成。測量系統(tǒng)提供了坐標反饋及環(huán)境傳感器功能，包括提供船舶實時位置的定位系統(tǒng)、艏向數(shù)據(jù)的羅經(jīng)系統(tǒng)、船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)的運動傳感器、提供外界環(huán)境數(shù)據(jù)的風速計、海流計等;控制系統(tǒng)通過一定的算法提供閉環(huán)調(diào)節(jié)功能，主要有數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)接口單元、數(shù)據(jù)解算單元和人員控制單元等;推進系統(tǒng)是執(zhí)行機構(gòu)，接受控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，產(chǎn)生足夠的推力和力矩以抵抗船舶受到的各種外力，實現(xiàn)動力定位，主要由多套發(fā)電機、尾部推進器、側(cè)推進器組成[9-10]。

我國新一代綜合科考船“向陽紅01”安裝的動力定位系統(tǒng)是DP1系統(tǒng)，其具備動力定位系統(tǒng)所有的基本功能。圖1是“向陽紅01”船動力定位系統(tǒng)組成圖，為Kongsberg提供的K-Pos DP-11動力定位系統(tǒng)，其測量系統(tǒng)包括兩套DGPS、MRU5、風速風向儀;其控制系統(tǒng)包括1套K-Pos DP-1控制器單元，3套K-Pos DP操作單元分別位于駕駛臺、八角樓和ROV控制室，1套cJoy操作終端，兩套K-Thrust便攜控制面板;推進系統(tǒng)包括2臺主發(fā)電機，吊艙推進器和側(cè)推各1套。

K-Pos DP-11具有自動定位模式、自動艏向模式、自動航跡模式、目標跟蹤模式、Joystick聯(lián)合操縱模式等，功能豐富，滿足科考船所有的調(diào)查作業(yè)需求[11]。使用自動定位模式時，在五級海況和1.5節(jié)流的條件下，控位精度誤差不大于3米，在科考船定點作業(yè)中具有極其重要的作用。

2 動力定位系統(tǒng)在定點作業(yè)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的科考船定點作業(yè)中，一般要求駕駛員根據(jù)水深、風流速度和方向等環(huán)境因素將船舶作業(yè)面迎風停泊在作業(yè)點附近，然后完車，使船舶在漂航的狀態(tài)下作業(yè)，當船舶橫向迎風時，船舶晃動加劇，降低作業(yè)人員和設(shè)備的安全。根據(jù)一般調(diào)查作業(yè)經(jīng)驗，科考船進行3000米水下設(shè)備定點作業(yè)時，絞車運行速度為40-60m/min，設(shè)備收放大概需要2-3個小時，受風、浪、流對船舶位置的影響，船舶一般漂出2-5海里，導(dǎo)致絞車纜傾斜收放，單次放纜長度在4000米以上。這種作業(yè)方式有以下缺點，首先，會增加絞車收放纜的長度，延長作業(yè)時間、降低作業(yè)效率，浪費船時;其次，會影響原位觀測數(shù)據(jù)準度，如水體調(diào)查觀測值并非垂直剖面，或地質(zhì)采樣作業(yè)時采樣點與船位坐標偏差較大;最后，船舶漂移會降低著地取樣的成功率。若船舶開啟動力定位定點作業(yè)，動力定位系統(tǒng)則會抵抗外部風流等因素的影響，保持在設(shè)計作業(yè)點作業(yè)，既保障了船舶原位觀測數(shù)據(jù)準度，又能夠提高作業(yè)效率。因此，動力定位系統(tǒng)對重力柱取樣、箱式取樣、溫鹽深（CTD）觀測、巖芯取樣、電視抓斗、熱流探針、聲學(xué)原位測量等定點作業(yè)具有極其重要的意義。以下以“向陽紅01”船定點作業(yè)為例，綜合應(yīng)用船上深水單波束測深系統(tǒng)，詳細展示動力定位系統(tǒng)在科考船定點作業(yè)中的作用。

在某海域，“向陽紅01”船在CTD作業(yè)前開啟動力定位系統(tǒng)，使用導(dǎo)航定位軟件Hypack記錄科考船航跡，如圖2所示，圖中紅色圓圈為船舶位置，直線代表航向，曲線代表航跡，外部圓圈的半徑為5m，可以看出DP系統(tǒng)定位精度在2米左右。實踐表明，“向陽紅01”船在開啟動力定位系統(tǒng)后，具有極高的控位精度，有助于提高定點調(diào)查作業(yè)的原位測量精度。此外，當遇到較差海況時，啟用DP把船保持在頂風頂流方向，船舶的橫搖將大幅縮小，有效降低作業(yè)風險。

為記錄水下設(shè)備在作業(yè)過程中狀態(tài)，開啟深水單波束測深系統(tǒng)（EA600），觀測CTD作業(yè)過程。當設(shè)備下放到一定深度，設(shè)備位于單波束的波束開角范圍內(nèi)形成反射單元，部分下傳聲波能量遇到設(shè)備后形成除海底反射之外的反射能量，反射回換能器，而被單波束系統(tǒng)記錄下來。

圖3為作業(yè)時記錄的單波束剖面圖，由于開啟動力定位，船舶實現(xiàn)精準定位，單波束探測海底區(qū)域為同一個反射面，所以在數(shù)據(jù)記錄過程中水深為恒定值。設(shè)備的下放和回收過程均被單波束系統(tǒng)記錄下來，如圖3中虛線所示，剖面圖可以反映設(shè)備的深度、海底深度，進一步可計算出設(shè)備的離底高度，而虛線的斜率則表示設(shè)備收放時絞車收放纜的速度。根據(jù)單波束EA600就可計算水下設(shè)備距底高度，為絞車放纜長度提供指導(dǎo)，避免設(shè)備作業(yè)安全問題。

為驗證動力定位系統(tǒng)在作業(yè)效率方面的提高，在作業(yè)過程中記錄CTD測得的深度、單波束EA600測得的設(shè)備深度以及CTD絞車放纜長度，對比三者之間的差值，如表1所示。將表1紀錄三種數(shù)據(jù)進行繪圖，橫坐標為紀錄序號，縱坐標為設(shè)備深度，進行對比，如圖4所示。

CTD掛載的壓力計是根據(jù)水壓計算水深，具有極高的測深精度。根據(jù)表1數(shù)據(jù)對比CTD絞車放出纜長和壓力計所測得的深度，兩者最大差值在100米左右，表明在科考船使用動力定位作業(yè)時，設(shè)備基本垂直收放，避免因船舶隨風流漂移而導(dǎo)致的設(shè)備傾斜收放，減少定點作業(yè)時絞車收、放纜長度，從而節(jié)約作業(yè)占用船時，提高作業(yè)效率。

另一方面，根據(jù)表1紀錄數(shù)據(jù)，作業(yè)深度在3200米內(nèi)時，對比壓力計測得設(shè)備深度和單波束EA600測得水深，兩者之間誤差最大為40米，精度控制在4%以內(nèi)，可有效指導(dǎo)設(shè)備與絞車的收放操作，對比圖4所繪制的壓力計測量深度曲線和EA600所測得深度曲線，兩者可以很好地擬合，表明可以利用單波束能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備水下定深。當設(shè)備距底較近時，在圖4中仍可觀測到設(shè)備的反射信號，提醒設(shè)備與絞車操作人員提高注意力，調(diào)整絞車收放纜速度，保障作業(yè)安全。

3 結(jié)論

根據(jù)動力定位系統(tǒng)工作原理，綜合分析船舶動力定位系統(tǒng)作用和水下設(shè)備作業(yè)流程，通過實例分析得到以下結(jié)論：

（1）科考船定點作業(yè)時應(yīng)用動力定位系統(tǒng)，可有效降低外界因素對船舶位置的影響，實現(xiàn)精準控位，可以減少絞車收放纜長度，從而節(jié)約作業(yè)占用船時提高作業(yè)效率，并且能夠提高科考船深水定點作業(yè)原位觀測數(shù)據(jù)準確度;

（2）海洋科考，裝備先行，新一代綜合科考船調(diào)查設(shè)備種類越來越豐富、技術(shù)指標越來越先進，然而現(xiàn)場工程師技術(shù)水平是作業(yè)安全、作業(yè)效率、測量精度的決定性因素，現(xiàn)場工程師應(yīng)向全面型專業(yè)人才發(fā)展，綜合利用船上調(diào)查設(shè)備，充分發(fā)揮設(shè)備能力，交叉印證，保障調(diào)查任務(wù)順利實施。

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基金項目：中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會項目（DY135-S2-2-04）