用于拆平臺(tái)的雙船協(xié)同動(dòng)力定位試驗(yàn)研究

付振秋，李 欣，郭孝先，田新亮

(1. 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室(上海交通大學(xué))，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 上海交通大學(xué) 三亞崖州灣深?？萍佳芯吭?，海南 三亞 572024)

據(jù)估計(jì)現(xiàn)階段全球有超過7 000個(gè)海洋油氣平臺(tái)分布在全球超過53個(gè)國(guó)家內(nèi)，包括美國(guó)墨西哥灣、歐洲北海、東南亞海域、中東海域等地區(qū)[1]，通常海洋油氣平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命為20 a左右，因此已經(jīng)迎來海洋油氣平臺(tái)退役高峰期。在未來十年(2019—2029年)，全球平臺(tái)退役市場(chǎng)估值超過850億美元，僅歐洲北海地區(qū)就有超過120 t上部組塊需要拆除[2]。為了保護(hù)環(huán)境、保證航行安全、維護(hù)漁業(yè)及其他海洋使用者權(quán)益，近些年相關(guān)國(guó)際組織和地區(qū)組織制定了一系列規(guī)范和準(zhǔn)則，如《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》、《聯(lián)合國(guó)大陸架公約》、《巴塞爾公約》、《倫敦公約》等，要求必須將廢棄海洋平臺(tái)進(jìn)行妥善處理[3]。

針對(duì)廢棄海洋平臺(tái)上部組塊的拆除，現(xiàn)階段存在多種方式，如吊裝法、浮托法及特種船拆除法等。第一種是傳統(tǒng)的使用重載起重船進(jìn)行平臺(tái)的吊裝拆除。和使用起重船進(jìn)行安裝類似，使用重型起重船進(jìn)行拆除時(shí)又可以細(xì)分為兩種方式。一種是整體吊起拆除，另一種是對(duì)上部組塊進(jìn)行切割后分塊吊起拆除。受限于大型起重船數(shù)量及能力的限制，整體吊裝拆除一般適用于小于5 000 t的重量較小的平臺(tái)，而對(duì)于重量較大的上部組塊，起重船就需要進(jìn)行切割后吊裝拆除。但進(jìn)行海洋平臺(tái)切割拆除作業(yè)時(shí)會(huì)存在內(nèi)部污染物泄露風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)環(huán)境和施工人員都有潛在的危害，且有耗時(shí)長(zhǎng)、投資大的缺點(diǎn)。

第二種是使用浮托法[4]。浮托法在導(dǎo)管架上部組塊安裝過程中已經(jīng)得到大量應(yīng)用，其通過單船或者雙船托起導(dǎo)管架平臺(tái)的上部組塊，通過調(diào)節(jié)壓載或者通過液壓系統(tǒng)又或者利用潮位的變化，將上層組塊頂托至預(yù)定高度，將上層組塊整體安裝于導(dǎo)管架平臺(tái)上。該方法單次安裝能力大，避免了海上連接調(diào)試時(shí)間，對(duì)大重量上部組塊安裝有很大優(yōu)勢(shì)。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大型半潛船浮托安裝過程中的沖擊載荷[5]、水動(dòng)力特征[6]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[7-10]、模型試驗(yàn)技術(shù)[11-12]等進(jìn)行了大量深入研究。而浮托拆除技術(shù)正是浮托安裝技術(shù)的逆過程，但受限于導(dǎo)管架建造形式各不相同，上部組塊工作年限久，重量分布不明等問題，單船浮托拆除法應(yīng)用范圍極其有限。

第三種是使用特種船舶進(jìn)行拆除作業(yè)，如ALLSEAS公司近些年使用Pioneering Spirit特種船在北海完成了數(shù)座上部組塊的拆除工作，最重達(dá)4.8 t。該方法可以一次性完整將上部組塊整體運(yùn)輸至陸地，可以節(jié)省海上作業(yè)時(shí)間與成本，并可以充分利用上部組塊的再用價(jià)值，但使用這些特種船舶進(jìn)行拆除依舊存在特種船舶數(shù)量少，建造成本和租金成本高昂的缺點(diǎn)。

綜合考慮上述幾種方案的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，現(xiàn)提出一種更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更安全、更靈活的大型海洋平臺(tái)上部組塊拆除方案。雙船起重拆除方案需要三艘半潛船，以中遠(yuǎn)海運(yùn)特運(yùn)集團(tuán)運(yùn)營(yíng)的兩艘2萬 t級(jí)姊妹船“泰安口”、“康盛口”(簡(jiǎn)稱K級(jí)船)和5萬 t級(jí)“祥瑞口”(簡(jiǎn)稱X級(jí)船)半潛船為例，具體施工過程如下[13]：

1) 三艘半潛船抵達(dá)平臺(tái)所在目標(biāo)海域就位，開啟動(dòng)力定位系統(tǒng)。

2) 兩艘K級(jí)船通過調(diào)節(jié)壓載系統(tǒng)，使其吃水和橫傾角滿足目標(biāo)平臺(tái)對(duì)接單元要求。

3) 兩艘K級(jí)船通過動(dòng)力定位系統(tǒng)從兩側(cè)靠近目標(biāo)平臺(tái)下方，如圖1(a)所示。

圖1 雙船協(xié)同拆平臺(tái)過程示意Fig. 1 Sketch of twin-lift decommissioning operation

4) 兩艘K級(jí)船通過調(diào)節(jié)壓載水系統(tǒng)改變吃水，使半潛船上的甲板支撐單元(DMU)與平臺(tái)樁腿上的錐形插件互相接觸對(duì)接；繼續(xù)排除壓載水上浮，使上部組塊的重量由導(dǎo)管架向兩艘半潛船轉(zhuǎn)移，最終完全脫離導(dǎo)管架由兩艘K級(jí)船承擔(dān)上部組塊全部重量。

5) 兩艘K級(jí)船協(xié)同動(dòng)力定位，將上部組塊運(yùn)輸至X級(jí)半潛船，如圖1(b)所示。

6) 兩艘K級(jí)船和X級(jí)船同步調(diào)節(jié)壓載系統(tǒng)，將上部組塊重量完全轉(zhuǎn)移至X級(jí)半潛船上后，由X級(jí)船運(yùn)輸至陸地。

目前，針對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的研究多集中于控制算法[14-16]、推力分配[17-19]、狀態(tài)估計(jì)[20-22]等。在雙船或多船的海上作業(yè)研究中，更多的集中于對(duì)多浮體水動(dòng)力耦合效應(yīng)的研究[23-25]或雙平臺(tái)同步定點(diǎn)等[26]，而對(duì)多船協(xié)同動(dòng)力定位運(yùn)動(dòng)研究較少。

針對(duì)上述雙船起重拆除法拆除方案進(jìn)行了水池模型試驗(yàn)，并對(duì)動(dòng)力定位試驗(yàn)過程中關(guān)鍵的雙船協(xié)同運(yùn)輸階段和進(jìn)船階段的定位精度、功率消耗等方面進(jìn)行了深入分析比較，以期對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 坐標(biāo)系

該模型試驗(yàn)共涉及兩個(gè)坐標(biāo)系，分別為大地坐標(biāo)系和隨船坐標(biāo)系。船體坐標(biāo)系原點(diǎn)取在重心處，縱軸ox取在縱向剖面內(nèi)，指向船艏；橫軸oy與縱剖面垂直，指向右舷，平行于水平面；oz軸按照右手法則指向船底方向。試驗(yàn)中的風(fēng)浪方向一致，浪向角α定義為船艏方向順時(shí)針轉(zhuǎn)到風(fēng)浪方向的夾角。坐標(biāo)系關(guān)系及浪向角定義如圖2所示。

1.2 船體運(yùn)動(dòng)模型

水面船舶3自由度(3DOF)運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

(2)

其中，η=[xyφ]T∈R3是大地坐標(biāo)系下的位置向量，ν=[uvr]T∈R3表示隨體坐標(biāo)系中的速度矢量(見圖2)。R(φ)∈R3是將隨體坐標(biāo)系下的速度向量轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣，表示為：

(3)

τthruster∈R3和τthruster∈R3分別表示作用在船體上的螺旋槳推力和環(huán)境載荷。環(huán)境載荷可表示為如下形式:

τenvironment=τwave+τwind+τcurrent

(4)

其中，τwave∈R3，τwind∈R3,τcurrent∈R3分別為二階波浪力，風(fēng)載荷，流載荷。

總質(zhì)量矩陣M∈R3×3包括船體質(zhì)量矩陣MRB∈R3×3和附加質(zhì)量矩陣MA∈R3×3。

M=MRB+MA

(5)

矩陣C(v)∈R3×3包括科氏力項(xiàng)和向心力項(xiàng)，D(v)∈R3×3為阻尼矩陣。

1.3 PID控制

比例—積分—微分(PID)控制理論是船舶動(dòng)力定位中的經(jīng)典控制理論，PID控制就是通過比例、積分、微分三項(xiàng)去縮小觀測(cè)值和目標(biāo)值之間的誤差。

(6)

其中，Kp,KI,KD分別為比例、積分和微分系數(shù)，e(t)為目標(biāo)值和觀測(cè)值之間的誤差。

e(t)=xd(t)-x(t)

(7)

實(shí)際應(yīng)用中，將時(shí)間離散化處理：

(8)

其中，ve是船舶速度。

1.4 推力分配方法

推力分配算法是將PID控制器計(jì)算出的作用在船體上的力分配為各個(gè)推進(jìn)器的推力。對(duì)于裝配有m個(gè)廣義推進(jìn)器(推進(jìn)器、舵以及槳等)的船來說，推力矢量τ=(τX,τY,τN)T∈R3由所有推進(jìn)器共同產(chǎn)生。

τ=B(α)u

(9)

其中，u=(u1,u2,……,um)T∈Rm為每個(gè)推進(jìn)器產(chǎn)生的推力。假設(shè)每個(gè)推進(jìn)器產(chǎn)生的推力都在同一平面，每個(gè)推進(jìn)器的角度為α=[α1,α2,……,αm]T∈Rm，則矩陣B(α)∈R3×3表示為:

(10)

式中：(lxi,lyi)為船體坐標(biāo)系下第i個(gè)推進(jìn)器的坐標(biāo)。

在模型試驗(yàn)中將推力分配視為帶有線性約束的二次規(guī)劃問題，同時(shí)采用了可以有效避免奇異值的方法[17]：

(11)

其中，式(11)需滿足：

s=τ-B(α)u

(12)

umin≤u≤umax

(13)

αmin≤α≤αmax

(14)

Δαmin≤α-α0≤Δαmax

(15)

目標(biāo)函數(shù)(11)中第一項(xiàng)Wi(ui)為消耗總功率；第二項(xiàng)sTQs中的s表示目標(biāo)推力與實(shí)際推力的誤差，Q為對(duì)角矩陣，表示每個(gè)自由度上誤差的權(quán)值；第三項(xiàng)(α-α0)TΩ(α-α0)為對(duì)角度變化的約束，Ω為對(duì)角矩陣，表示對(duì)每個(gè)螺旋槳約束角度的權(quán)值；最后一項(xiàng)為避免奇異值項(xiàng)，ρ是一個(gè)大于0的權(quán)重參數(shù)，參數(shù)ε主要為避免出現(xiàn)數(shù)值計(jì)算問題。式(12)、(13)、(14)、(15)分別為該優(yōu)化問題的合力等式約束、每個(gè)推進(jìn)器推力大小約束、推力角度約束和角度變化率約束。

2 試驗(yàn)設(shè)置

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)在海洋工程水池進(jìn)行，水池主尺度為50 m×30 m×6 m(長(zhǎng)×寬×高)，可以模擬風(fēng)、浪、流各種海洋環(huán)境，并能夠根據(jù)試驗(yàn)要求在0～5 m內(nèi)改變水深。推板造波機(jī)可產(chǎn)生規(guī)則和不規(guī)則長(zhǎng)峰波，最大波高可達(dá)0.5 m，造波機(jī)另一端安裝有消波裝置。軸流風(fēng)機(jī)造風(fēng)系統(tǒng)可產(chǎn)生定常和不定常風(fēng)，最大風(fēng)速可達(dá)10 m/s，風(fēng)向可任意改變。

2.2 船舶模型

根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案，模型試驗(yàn)采用中遠(yuǎn)海運(yùn)旗下的兩艘主尺度與配置相同的K級(jí)半潛船“泰安口”和“康盛口”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備與實(shí)船主尺度將縮尺比選為37。K級(jí)半潛船的實(shí)際值和模型值見表1。

表1 K級(jí)半潛船主尺度

半潛船模型根據(jù)實(shí)船型線圖嚴(yán)格按照縮尺比確定船模的幾何尺寸，半潛船的重量、重心位置、吃水、橫搖縱搖慣性半徑等參數(shù)在試驗(yàn)前嚴(yán)格按照實(shí)船對(duì)應(yīng)載況進(jìn)行調(diào)節(jié)，其誤差在5%以內(nèi)。

試驗(yàn)兩艘K級(jí)半潛船都裝配有四套推進(jìn)器，兩套位于艏部的槽道推進(jìn)器和兩套位于船尾的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。推進(jìn)器布置位置示意如圖3所示，每個(gè)推進(jìn)器位置坐標(biāo)見表2。

圖3 K級(jí)半潛船推進(jìn)器布置示意Fig. 3 Sketch of all thrusters in K-class vessel

表2 K級(jí)半潛船推進(jìn)器模型主要參數(shù)

2.3 環(huán)境條件模擬

模型試驗(yàn)中通過升降海洋工程水池的整體大面積可升降假底的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水深的模擬。試驗(yàn)中，水池的整體水深為2.4 m。風(fēng)的模擬采用定常風(fēng)，通過調(diào)節(jié)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的調(diào)節(jié)。不規(guī)則波浪譜采用Jonswap譜。

為全面驗(yàn)證在不同環(huán)境載荷下的雙船協(xié)同動(dòng)力定位性能，風(fēng)浪方向從0°～360°分8個(gè)角度進(jìn)行試驗(yàn)。參考浮托安裝的施工經(jīng)驗(yàn)，將施工窗口上限設(shè)置為試驗(yàn)條件。將迎浪、尾浪時(shí)波高設(shè)為1.25 m，橫浪時(shí)波高設(shè)為0.50 m，艏斜浪和尾斜浪工況波高設(shè)為0.75 m。風(fēng)浪組合的試驗(yàn)工況具體見表3。

表3 試驗(yàn)海況環(huán)境Tab. 3 Experimental marine environment

試驗(yàn)前水池中不放任何模型，通過固定在試驗(yàn)時(shí)船模位置的電阻式浪高儀測(cè)量波高進(jìn)行波浪模擬校驗(yàn)。共模擬3個(gè)不規(guī)則波，圖4給出了波浪譜分析結(jié)果和目標(biāo)譜對(duì)比，可以看出試驗(yàn)?zāi)M波浪與目標(biāo)譜吻合較好。

圖4 波浪譜分析結(jié)果與目標(biāo)譜對(duì)比Fig. 4 Comparison of wave spectrum analysis results and target spectra

2.4 動(dòng)力定位協(xié)同控制系統(tǒng)

針對(duì)該模型試驗(yàn)開發(fā)了一套多船協(xié)同動(dòng)力定位控制軟件DPDECOM，該軟件基于圖形用戶界面Qt 5.5庫，線性代數(shù)Eigen 3.3庫，凸優(yōu)化求解器MOSEK 7庫以及數(shù)據(jù)庫SQLite 3.3 庫開發(fā)，采用多線程并發(fā)框架。

船舶運(yùn)動(dòng)通過光學(xué)6自由度運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)采集，采用TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給岸基DPDECOM多船控制系統(tǒng)。在DPDECOM系統(tǒng)內(nèi)部采用多線程框架，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)低通濾波器與卡爾曼濾波器后得到兩艘半潛船的低頻運(yùn)動(dòng)位置；根據(jù)設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)與低頻位置誤差，通過PID控制器計(jì)算得到需要作用在船體上的推力大小與角度；推力分配算法再將該推力分配至每個(gè)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速與角度，將指令打包通過基于Profinet協(xié)議的工業(yè)無線局域網(wǎng)(WLAN)發(fā)送至船上可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)而控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)指令。圖5詳細(xì)給出了控制系統(tǒng)框架。

圖5 多船動(dòng)力定位控制系統(tǒng)框架Fig. 5 Control system framework of multi-vessels dynamic positioning

3 模型試驗(yàn)

3.1 雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)

雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)主要內(nèi)容是兩艘K級(jí)船托起導(dǎo)管架上部組塊，協(xié)同動(dòng)力定位沿直線將其由導(dǎo)管架上方運(yùn)輸至第三艘半潛船，如圖6所示。該試驗(yàn)的目的主要是為了測(cè)試該過程中動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位精度和螺旋槳功率消耗等參數(shù)，檢驗(yàn)是否會(huì)發(fā)生雙船非協(xié)同響應(yīng)，導(dǎo)致上部組塊落水或其他意外情況，為實(shí)際工程方案的設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算提供指導(dǎo)和參考。各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)由上文所述自主開發(fā)的DECOM動(dòng)力定位軟件實(shí)時(shí)記錄。圖7和圖8給出了S2工況下雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)時(shí)歷結(jié)果與運(yùn)動(dòng)軌跡?？梢姍M蕩和縱蕩在整個(gè)過程非常穩(wěn)定，艏向角在波浪作用下在1°以內(nèi)有輕微波動(dòng)。

圖6 雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)Fig. 6 Twin vessel coordinated transport test

圖7 S2工況下雙船協(xié)同運(yùn)輸K級(jí)船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig. 7 Time variation of planar motion response of K-class vessel under case S2

圖8 S2工況下雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)K級(jí)船運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 8 Trajectory of K class vessels under case S2

為方便描述雙船在協(xié)同運(yùn)輸完成直線軌跡下定位誤差的分析，首先定義一個(gè)變量來描述該誤差。定位誤差d定義為船舶實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(x0,y0)與目標(biāo)軌跡(直線Ax+Bx+C=0)之間的距離，即：

(16)

其中，目標(biāo)軌跡直線為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)船模位置確定，參數(shù)A，B，C為確定目標(biāo)軌跡直線時(shí)的參數(shù)。

在雙船協(xié)同作業(yè)過程中，除了區(qū)分定位誤差的距離，雙船的運(yùn)動(dòng)方向也同樣重要，橫蕩方向劇烈的非協(xié)同響應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸組塊落水，因此選取帶符號(hào)的定位誤差作為定位精度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。其中，平均值統(tǒng)計(jì)為針對(duì)動(dòng)力定位過程中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差d求平均值得到，由于波浪方向不同以及兩艘船受到的波浪作用不同，所以出現(xiàn)偏向?qū)嶋H軌跡左側(cè)、右側(cè)等情況，即出現(xiàn)正負(fù)值情況，以此反應(yīng)偏離方向。在進(jìn)行有效值統(tǒng)計(jì)時(shí)，將所有計(jì)算出的誤差d進(jìn)行取絕對(duì)值后計(jì)算有效值，以反應(yīng)偏離程度的大小，因此沒有正負(fù)號(hào)出現(xiàn)。對(duì)定位誤差d的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以此來反應(yīng)整個(gè)過程定位誤差的離散程度，進(jìn)而反應(yīng)雙船系統(tǒng)運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性。

動(dòng)力定位系統(tǒng)的性能同樣反映在推進(jìn)器的使用情況上，較高的推進(jìn)器功率意味著推進(jìn)器處在高負(fù)荷的工作狀態(tài)下，動(dòng)力定位系統(tǒng)因而接近定位能力的極限；反之則意味著系統(tǒng)仍具有抵抗更大環(huán)境載荷的能力。針對(duì)雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)過程中，不同環(huán)境條件下，統(tǒng)計(jì)分析了每個(gè)螺旋槳試驗(yàn)過程平均功率占最大功率百分比。每艘船的兩個(gè)艏側(cè)推執(zhí)行指令完全一致，因此后文數(shù)據(jù)僅給出其中一個(gè)艏側(cè)推數(shù)據(jù)。

3.2 三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)

在雙船協(xié)同動(dòng)力定位運(yùn)輸上部組塊至第三艘半潛船附近時(shí)，三艘半潛船將開啟三船協(xié)同控制。第三艘半潛船即X級(jí)半潛船始終定位在某固定點(diǎn)，兩艘K級(jí)船繼續(xù)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，直至兩艘船運(yùn)輸上部組塊至X級(jí)船甲板上方，此時(shí)三艘船將會(huì)近距離并列動(dòng)力定位。三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)主要測(cè)試在進(jìn)船階段，三船水動(dòng)力耦合和動(dòng)力定位干擾不斷增強(qiáng)的情況下，雙船協(xié)同動(dòng)力定位的運(yùn)動(dòng)性能及各推進(jìn)器的性能，并檢驗(yàn)是否會(huì)發(fā)生協(xié)同控制失效或船體碰撞等潛在問題，為后續(xù)實(shí)際工程方案的制定和數(shù)值計(jì)算提供指導(dǎo)和參考。三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)過程如圖9所示。

圖9 三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)Fig. 9 Three vessels’ coordinated entry test

為和雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)采用和上述試驗(yàn)完全相同環(huán)境參數(shù)和工況設(shè)置(表1)。針對(duì)進(jìn)船階段兩艘K級(jí)船的運(yùn)動(dòng)性能分析采用和上一試驗(yàn)采用相同的分析方法。圖10和圖11給出了S2工況下進(jìn)船試驗(yàn)時(shí)歷結(jié)果與運(yùn)動(dòng)軌跡。與上一試驗(yàn)類似，橫蕩和縱蕩在整個(gè)過程非常穩(wěn)定，艏向角在波浪作用下在1°以內(nèi)有輕微波動(dòng)。

圖10 S2工況下進(jìn)船試驗(yàn)K級(jí)船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig. 10 Time variation of planar motion response of K-class vessel under case S2

圖11 S2工況下進(jìn)船試驗(yàn)K級(jí)船及X級(jí)船運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 11 Trajectory of K class vessels and X class vessel under case S2

4 結(jié)果分析與討論

4.1 定位精度分析

由圖12分析可以看出，在雙船協(xié)同運(yùn)輸上部組塊試驗(yàn)中，在不同海況、不同角度條件下，雙船均有較強(qiáng)的動(dòng)力定位能力，協(xié)同性較好，其運(yùn)輸過程最大有效偏差小于2 m，能夠通過動(dòng)力定位系統(tǒng)按照預(yù)定軌跡完成協(xié)同運(yùn)輸任務(wù)。45°、135°、225°、315°工況下定位能力和穩(wěn)定性較弱，一方面因?yàn)檫@幾個(gè)方向的波浪高于橫浪時(shí)的波高，側(cè)向環(huán)境力較大；另一方面是由于這幾個(gè)工況下受力面積較大。

圖12 雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)定位誤差分析Fig. 12 Analysis on positioning error of twin-vessel coordinated transport test

由圖13分析可以看出，三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)中表現(xiàn)出的動(dòng)力定位能力較強(qiáng)，定位誤差有效值分布在1 m到2 m之間，能夠安全完成進(jìn)船運(yùn)輸任務(wù)，未發(fā)生碰撞。90°和270°時(shí)，由于兩艘船之間的空隙被第三艘船占據(jù)，形成狹窄的遮蔽區(qū)域，造成艏部或尾部環(huán)境力加強(qiáng)，其定位誤差的平均值和有效值均較大(圖13(a)、(b))，穩(wěn)定性也會(huì)變差(圖13(c))。

圖13 三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)定位誤差分析Fig. 13 Analysis on positioning error of three-vessel coordinated entry test

進(jìn)一步，將雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)和三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)對(duì)比，從定位誤差的平均值角度分析(圖14)，兩個(gè)過程大部分工況的平均值正負(fù)號(hào)相反，也就是說協(xié)同運(yùn)輸過程和進(jìn)船過程大部分工況下偏差方向相反。雙船協(xié)同運(yùn)輸過程略大于進(jìn)船試驗(yàn)過程，這部分主要由于雙船協(xié)同運(yùn)輸過程比三船協(xié)同進(jìn)船過程速度略快，環(huán)境載荷直接作用在雙船上，缺少遮蔽，雙船同時(shí)產(chǎn)生了比較大的誤差。

圖14 雙船協(xié)同運(yùn)輸與三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)定位誤差的平均值對(duì)比Fig. 14 Comparison of the mean value of positioning errors between two-vessel coordinated transport and three-vessel coordinated entry test

從有效值角度分析(圖15)，進(jìn)船過程由于三船水動(dòng)力干擾效果加強(qiáng)，進(jìn)船過程定位誤差的有效值均大于運(yùn)輸過程，說明雖然整個(gè)過程均圍繞目標(biāo)軌跡波動(dòng)，但進(jìn)船試驗(yàn)過程波動(dòng)幅值較雙船運(yùn)輸過程明顯加大。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的對(duì)比分析(圖(16))也可以看出，進(jìn)船過程波動(dòng)的離散程度較大，整個(gè)過程的穩(wěn)定性有所下降。

圖15 雙船協(xié)同運(yùn)輸與三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)定位誤差的有效值對(duì)比Fig. 15 Comparison of the significant value of positioning errors between two-vessel coordinated transport and three-vessel coordinated entry test

圖16 雙船協(xié)同運(yùn)輸與三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比Fig. 16 Comparison of the standard deviation of positioning errors between two-vessel coordinated transport and three-vessels coordinated entry test

4.2 功率消耗分析

對(duì)雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)和三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)整體來講(圖17、圖18)，在整個(gè)試驗(yàn)中功率消耗維持在一個(gè)較低的水平，兩個(gè)試驗(yàn)功率消耗差異不大。尤其對(duì)尾部?jī)蓚€(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器來說，功率均維持在10%以下，有較大的功率儲(chǔ)備。

圖17 雙船協(xié)同運(yùn)輸試驗(yàn)功率分析Fig. 17 Power analysis of the three-vessel coordinated entry test

圖18 三船協(xié)同進(jìn)船試驗(yàn)功率分析Fig. 18 Power analysis of three-vessel coordinated entry test

對(duì)于裝備兩套艏側(cè)推的K級(jí)半潛船來說，在海上作業(yè)過程中為保證單一艏側(cè)推故障失效后，另一個(gè)能獨(dú)立承擔(dān)定位任務(wù)保證作業(yè)安全，一般每個(gè)艏側(cè)推使用功率不會(huì)超過50%。但在協(xié)同運(yùn)輸和進(jìn)船試驗(yàn)過程中，浪向角270°和315°(對(duì)應(yīng)S7和S8工況)時(shí)，艏側(cè)推都會(huì)使用較大功率，尤其是K-1船甚至超過50%。其原因?yàn)?70°和315°工況下船舶所受的環(huán)境力來自于左舷，此時(shí)艏側(cè)推的螺旋槳需要反轉(zhuǎn)來產(chǎn)生推力，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩抵抗船舶的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過試驗(yàn)測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)，由于螺旋槳的槳葉水動(dòng)力性能差異導(dǎo)致其反轉(zhuǎn)時(shí)推力系數(shù)小于正轉(zhuǎn)的推力系數(shù)，故抵抗同樣大小的環(huán)境力，反轉(zhuǎn)時(shí)需要更大的轉(zhuǎn)速。螺旋槳功率消耗與螺旋槳轉(zhuǎn)速的三次方成正比，故轉(zhuǎn)速的差異會(huì)帶來更大的功率差異。因此，對(duì)于浪向角270°、315°這樣環(huán)境力來自左舷的工況，其所用功率要大于浪向角45°(S2工況)、90°(S3工況)這樣環(huán)境力來自右舷的工況。其中，45°和315°這兩個(gè)工況下，風(fēng)浪作用力正對(duì)著艏側(cè)推，螺旋槳正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)帶來的功率消耗差異更為明顯。由于兩船始終平行，因此直接面對(duì)風(fēng)浪的K-1船會(huì)比受遮擋的K-2船功率消耗更大。

5 結(jié) 語

針對(duì)采用雙船協(xié)同動(dòng)力定位拆除導(dǎo)管架平臺(tái)的方案，設(shè)計(jì)了一套多船協(xié)同動(dòng)力定位試驗(yàn)系統(tǒng)來進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)拆平臺(tái)過程的兩個(gè)關(guān)鍵階段——雙船協(xié)同運(yùn)輸階段和三船協(xié)同進(jìn)船階段中的船舶運(yùn)動(dòng)信息從平均值、有效值、標(biāo)準(zhǔn)差角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1) 雙船協(xié)同動(dòng)力定位拆除導(dǎo)管架平臺(tái)方案整體可行，船舶動(dòng)力定位過程運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，未發(fā)生碰撞、結(jié)構(gòu)物墜落等危險(xiǎn)情況。

2) 雙船協(xié)同運(yùn)輸過程中，浪向角為45°、135°、225°、315°海況下，定位能力和穩(wěn)定性較弱，最危險(xiǎn)情況下定位誤差的有效值可達(dá)2 m，海上作業(yè)應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境與船舶運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3) 三船協(xié)同動(dòng)力定位時(shí)，定位誤差有效值范圍在1 m 到2 m之間，浪向角為90°和270°時(shí)，水動(dòng)力干擾造成雙船定位精度和穩(wěn)定性明顯下降。

4) 功率消耗分析中，由于艏側(cè)推安裝方向、葉型差異等因素導(dǎo)致在浪向角為270°和315°等斜浪情況下，艏側(cè)推使用功率會(huì)超過最大功率的50%，造成儲(chǔ)備功率不足，這是一個(gè)不容忽視的問題。