動力定位系統(tǒng)與艉錨機在自航耙吸式挖泥船上的聯(lián)合應(yīng)用

劉功偉，胡 勇，程憑杰

（1. 中國船級社 青島分社，山東青島 266034；2. 大連中遠(yuǎn)海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

挖泥船作為水上疏浚的主要工具，在清理航道和港口、保證航道暢通方面一直發(fā)揮著不可替代的作用。自航耙吸式挖泥船以其其靈活的機動性、效率高、挖深大和抗風(fēng)浪能力強等優(yōu)點[1]，越來越受到國內(nèi)外各大疏浚企業(yè)的青睞，并已成為國內(nèi)外大型疏浚企業(yè)的主干力量。各大疏浚企業(yè)在不斷開發(fā)大型化、自動化的自航耙吸式挖泥船以提升疏浚效率的同時，也在尋求能量利用與效率之間的平衡，以達(dá)到收益最大化。

為此，各種技術(shù)手段在也不斷地在挖泥船上得到了應(yīng)用，動力定位（Dynamic Position，DP）系統(tǒng)在自航耙吸式挖泥船上的使用[2]，使疏浚效率得到了大幅提升，但也增加了更多的建造和維護(hù)成本和能量消耗；吹填作業(yè)通過拋艏艉雙錨固定船身[3]的方法，使能量能夠更多的用于吹填作業(yè)，以提高吹填作業(yè)效率，但并不適用于深水和惡劣環(huán)境海況條件下作業(yè)。那么結(jié)合DP系統(tǒng)與拋錨定位的特點，將兩者有效聯(lián)合的一種應(yīng)用技術(shù)手段也應(yīng)運而生。本文以某18 000 m3自航耙吸式挖泥船為例，介紹DP系統(tǒng)與艉錨機的聯(lián)合控制方式在該船上的應(yīng)用，為更好的提升挖泥船疏浚效率和能量利用提供參考。

1 動力定位系統(tǒng)及工作模式

動力定位船舶是指僅用推進(jìn)器的推力自動保持其自身船位（固定的位置或預(yù)先確定的航跡）的裝置或船舶[4]。動力定位系統(tǒng)是指使動力定位船舶實現(xiàn)動力定位所必需的一整套系統(tǒng)，包括推進(jìn)器系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。由于挖泥船在疏浚作業(yè)過程中需要高精度的航線控制，因此，DP系統(tǒng)需要配備可靠性和精度更高的位置參考系統(tǒng)、羅經(jīng)和風(fēng)速風(fēng)向傳感器以及可控性更好的推進(jìn)系統(tǒng)來滿足作業(yè)使用要求。

本船為18 000 m3自航耙吸式挖泥船，配備DP1系統(tǒng)，具備DP/DT（Dynamic Position/Dynamic Tracking）功能，可通過推進(jìn)器及艉錨機實現(xiàn)船位控制，其布置見圖1，其中①和②為2臺艏側(cè)推、③為2臺主推進(jìn)螺旋槳、④為2臺舵機、⑤為1臺艉錨機。

圖1 某挖泥船推進(jìn)器及艉錨機布置示意圖

本船DP系統(tǒng)具有如下工作模式。

1）備用模式（Standby mode）是DP系統(tǒng)處于高度就緒狀態(tài)，但并不對船舶發(fā)出控制命令，控制命令是以操舵手輪、主推進(jìn)和側(cè)推控制手柄的實際位置作為設(shè)定值，通過DP系統(tǒng)輸入至操舵和推進(jìn)器各自的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對船舶運動的控制。

2）便攜式操縱桿模式（Joystick mode）是DP系統(tǒng)通過三軸便攜式操縱桿對船舶位置和運動進(jìn)行控制，通過操縱桿的傾斜方向和角度來控制施加力的方向和大小，通過旋轉(zhuǎn)操縱桿的方向和角度來控制旋轉(zhuǎn)力矩的方向和大小。

3）自動定位模式（Auto Position mode）是通過DP系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)艏向、目標(biāo)船位等自動保持船舶的艏向或位置。

4）自動舵模式（Autopilot mode）是通過DP系統(tǒng)精確地控制船舶艏向，在較高航速下，通過船舶的主推進(jìn)和方向舵自動保持船舶航向。

5）自動追蹤模式（Auto Track mode）是通過DP系統(tǒng)使船舶能夠精確地沿著預(yù)定義的航跡點的軌跡自動移動。通過不同的航速和艏向控制策略，自動追蹤模式又分為低速（不超過3 kn航速），高速（3 kn～4 kn航速）和航線偏移3種工作模式。

（6）跟蹤目標(biāo)模式（Follow Target mode）是通過DP系統(tǒng)使船舶能夠自動跟隨一個或多個移動目標(biāo)的位置或航向，并將船舶保持在相對于目標(biāo)位置的特定范圍內(nèi)。

7）疏浚模式（Dredging mode）是通過DP系統(tǒng)在自動追蹤模式下，根據(jù)選定的耙頭的位置作為參考點沿著預(yù)定的軌跡自動移動。

2 艉錨機及工作模式

艉錨是指設(shè)置在船尾部的錨泊設(shè)備，常規(guī)運輸船舶一般很少設(shè)置。在登陸艦[5]、港內(nèi)漁船[6]及挖泥船[2]上有所應(yīng)用。挖泥船由于其作業(yè)需要，有時會采用同時拋艏艉錨的方式來使船舶相對穩(wěn)定，以保證作業(yè)需要。艉錨機作為起拋艉錨的設(shè)備，根據(jù)其工作原理主要分為電動和液壓驅(qū)動錨機，本船在主甲板尾部中線設(shè)置了一臺液壓驅(qū)動艉錨機，見圖2，用于挖泥船吹填作業(yè)時輔助定位。其工作模式包括：手動收/放模式（Manual hauling/paying out mode）、制動模式（Band brake mode）和恒張力模式（Constant tension mode）。

圖2 某挖泥船艉錨機外形圖

1）手動收/放模式是指通過艉錨機本地控制箱進(jìn)行錨鏈的收/放操作。在進(jìn)行此模式操作前，應(yīng)先在本地控制箱上選擇“本地控制”和“手動收/放”模式，確認(rèn)艉錨機無超速，液壓制動器已經(jīng)連通且方向控制手柄處于“0”位后，將離合器合排，釋放制動器，此時可通過本地手柄進(jìn)行錨鏈的收/放操作。此模式下，艉錨機的制動模式和恒張力模式將禁止使用。

2）制動模式是指通過艉錨機本地控制箱對制動控制器的釋放/收緊的操作。在進(jìn)行此模式操作前，應(yīng)在控制箱上選擇“本地控制”和“制動”模式，確認(rèn)艉錨機無超速，制動控制器處于100%后，將離合器脫排，此時可通過本地進(jìn)行制動器的釋放/收緊操作。此模式下，艉錨機的手動收/放模式和恒張力模式將禁止使用。

3）恒張力模式是指通過在本地、駕駛室疏?？刂疲↖ntegrated Monitoring and Control，IMC）系統(tǒng)或DP系統(tǒng)設(shè)定錨鏈的張力，以保持艉錨鏈上的張力恒定，此時艉錨機絞車處于牽引狀態(tài)。如錨鏈上的張力高于設(shè)定值時，艉錨機將釋放錨鏈，反之，絞車將收緊錨鏈。此模式下，艉錨機的手動收/放模式和制動模式將禁止使用。

3 DP 系統(tǒng)與艉錨機聯(lián)合應(yīng)用

在艉錨機的恒張力模式下，錨鏈張力可以在3個位置進(jìn)行設(shè)定，包括：1）艉錨機在本地控制模式下，通過本地控制箱進(jìn)行設(shè)定；2）艉錨機在遙控模式下，通過駕駛室IMC系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定；3）艉錨機在遙控模式下，通過DP系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定。但艉錨鏈的張力設(shè)定和控制不能在上述3個位置同時進(jìn)行，只能在所選位置進(jìn)行控制。由此可見，DP系統(tǒng)可以通過IMC系統(tǒng)與艉錨機進(jìn)行聯(lián)合控制，即在艉錨機的遙控狀態(tài)下，通過DP系統(tǒng)對艉錨鏈張力的設(shè)定，并經(jīng)IMC系統(tǒng)將設(shè)定值發(fā)送至艉錨機本地控制箱進(jìn)行錨鏈張力的控制。

本船DP系統(tǒng)在自動定位模式下可與艉錨機有2種聯(lián)合控制方式：絞車恒張力（Winch CT）聯(lián)合控制和轉(zhuǎn)向恒張力（Steering CT）聯(lián)合控制。

1）絞車恒張力聯(lián)合控制：可視為DP系統(tǒng)對艉錨機的一種被動控制方式，DP系統(tǒng)不對艉錨鏈的張力進(jìn)行控制，僅在DP系統(tǒng)中顯示艉錨及錨鏈的有相數(shù)據(jù)信息，例如艉錨的位置信息、錨鏈張力、錨鏈角度、允許最小/最大張力等。所有數(shù)據(jù)信息均通過IMC系統(tǒng)輸入DP系統(tǒng)，同時DP系統(tǒng)將所需數(shù)據(jù)在自身控制系統(tǒng)模型中不斷地進(jìn)行計算，以便隨時接替IMC系統(tǒng)，對艉錨進(jìn)行恒張力控制。

2）轉(zhuǎn)向恒張力聯(lián)合控制：可視為DP系統(tǒng)對艉錨機的一種主動控制方式，艉錨機的控制從IMC系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到DP系統(tǒng)后，艉錨鏈張力設(shè)定值將被DP系統(tǒng)重新定義。DP系統(tǒng)在自動定位模式下，自動控制艉錨鏈張力的設(shè)定值，并將艉錨鏈張力作為DP系統(tǒng)的補償力，進(jìn)而降低船舶定位所需推力，使船舶在僅使用單個主推進(jìn)螺旋槳和側(cè)推的條件下保持船舶所需位置。操作人員可以在DP系統(tǒng)中輸入錨鏈的張力設(shè)定值，控制命令將通過IMC系統(tǒng)輸入至艉錨機并對其進(jìn)行恒張力控制，同時IMC系統(tǒng)將錨鏈的實際張力值反饋至DP系統(tǒng)，此時所需的艉錨鏈張力不能超過DP系統(tǒng)中設(shè)定的最大張力值，也不能低于系統(tǒng)中設(shè)定的最小張力值。

為實現(xiàn)轉(zhuǎn)向恒張力聯(lián)合控制，必須滿足以下條件：1）艉錨機本地控制箱上的“遙控”已選擇，“恒張力控制”已就緒；2）DP系統(tǒng)中艉錨鏈角度要求為真，即錨鏈長度不小于50 m，錨鏈角矢量必須向后；3）DP系統(tǒng)已準(zhǔn)備就緒，包括DP系統(tǒng)IMC系統(tǒng)的通信正常、自動定位模式已激活等；4）DP系統(tǒng)轉(zhuǎn)向恒張力控制已被選擇，并已在IMC系統(tǒng)確認(rèn)。各系統(tǒng)間信號通信見圖3。

圖3 DP 系統(tǒng)、IMC 系統(tǒng)與艉錨機聯(lián)合控制通信示意圖

如果在DP系統(tǒng)與艉錨機轉(zhuǎn)向恒張力聯(lián)合控制過程中，若出現(xiàn)任何通信信號丟失，IMC系統(tǒng)將激活艉錨機制動器，此時，DP系統(tǒng)輸出恒張力設(shè)定值將被越控，無張力控制命令輸入至艉錨機，艉錨機的方向控制閥將置于零位，DP系統(tǒng)將觸發(fā)報警，轉(zhuǎn)向恒張力控制也將被取消。若保持船位所需的力超過了主推進(jìn)螺旋槳和設(shè)定的錨鏈張力（或最大錨鏈張力），這時DP系統(tǒng)將發(fā)出推力不足，船舶將失去位置或艏向的報警。

4 DP 系統(tǒng)與艉錨機的聯(lián)合應(yīng)用特點

本自航耙吸式挖泥船采用DP系統(tǒng)與艉錨機的聯(lián)合控制應(yīng)用具有如下特點：

1）艉錨找回功能，在艉錨釋放后，通過按下DP系統(tǒng)中的拋錨按鈕固定艉錨的位置，根據(jù)GPS數(shù)據(jù)便得到了艉錨的位置。由于艉錨的位置及相關(guān)數(shù)據(jù)信息將在DP系統(tǒng)中存儲，根據(jù)記錄的艉錨的位置以及船舶當(dāng)前的位置和錨鏈實際張力，得到艉錨力的矢量，進(jìn)而獲得艉錨在水中的位置。因此在錨鏈斷裂后，通過DP系統(tǒng)的存儲數(shù)據(jù)，能夠確定艉錨位置實現(xiàn)艉錨回收和重新利用。

2）提高吹填作業(yè)效率，由于挖泥船的電站總?cè)萘坑邢?，通過拋艉錨輔助定位的方式，降低了船舶定位所需推進(jìn)功率，通過單個主推進(jìn)螺旋槳和側(cè)推來保持船位，可將更多的能量用于吹填作業(yè)所需負(fù)載，進(jìn)一步提高了吹填效率，也相應(yīng)的減少了氣體排放。

3）增強船舶定位能力，挖泥船在轉(zhuǎn)向恒張力聯(lián)合控制下，DP系統(tǒng)將錨鏈張力作為補償力，相當(dāng)于增強了推力，進(jìn)而增強了船舶在惡劣環(huán)境和海況下的定位能力。

5 結(jié)論

隨著水上交通運輸事業(yè)的日益發(fā)展，我國疏浚量的日益增大，在強大的疏浚市場需求下，挖泥船的疏浚效率成為了搶占市場，創(chuàng)造效益的重要指標(biāo)。結(jié)合本自航耙吸式挖泥船DP系統(tǒng)與艉錨機的聯(lián)合控制的實際應(yīng)用經(jīng)驗，通過各系統(tǒng)之間進(jìn)行合理配置，以能將更多的能量用于吹填作業(yè)，有效的縮短作業(yè)時間，提高作業(yè)效率。通過新的技術(shù)手段在挖泥船上不斷的嘗試和應(yīng)用，也將會進(jìn)一步降低疏浚企業(yè)的營運成本，提高疏浚市場競爭力。