波浪運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

秦小健，吳垠峰，錢正宏，劉碧燕，邱利林

（江蘇海上龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 南通 226400）

海上作業(yè)時(shí)，往往需要船舶、海工裝備保持位置穩(wěn)定，或者不同浮式裝置在共同完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)保持相對(duì)位置不變，如，浮吊在海上起吊重物、補(bǔ)給船與被補(bǔ)給船之間進(jìn)行貨物運(yùn)移、海洋平臺(tái)鉆探作業(yè)等。受海面波動(dòng)影響，這些浮式裝置發(fā)生六自由度運(yùn)動(dòng)，即使在同一海況下，不同浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也不相同。為解決上述問(wèn)題，波浪補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，經(jīng)多年研發(fā)，當(dāng)前波浪補(bǔ)償技術(shù)和裝置已較為成熟，然而供應(yīng)商主要為外企，并逐漸形成技術(shù)壁壘，壟斷市場(chǎng)。

波浪補(bǔ)償裝置的研發(fā)，最初主要針對(duì)波浪補(bǔ)償起重機(jī)。Delago 等[2]開(kāi)發(fā)了一種由液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置，可用于惡劣海況下的供應(yīng)船－鉆井平臺(tái)物資輸送，通過(guò)傳感器和控制裝置控制起重裝置的上下移動(dòng)。Alp 和Agrawal[3]研發(fā)了一種纜索懸掛式機(jī)器人，通過(guò)反饋控制閉環(huán)系統(tǒng)，并基于仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。Hanson 等[4]設(shè)計(jì)了一種由交流異步電動(dòng)機(jī)和齒輪箱構(gòu)成的補(bǔ)償垂蕩絞車系統(tǒng)。

本文闡述波浪運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償基本原理，分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)，總結(jié)國(guó)內(nèi)外技術(shù)概況，研究波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，為研究波浪補(bǔ)償技術(shù)和裝置提供參考。

1 波浪運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕驹?/h2>

按照波浪運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的分類及使用場(chǎng)合，波浪補(bǔ)償技術(shù)從工作原理主要分為以下三類[6]:

1.1 被動(dòng)波浪補(bǔ)償

被動(dòng)式補(bǔ)償裝置一般由張緊器部分、蓄能器部分和鋼纜等組成[7]，其中張緊器部分由滑輪組和補(bǔ)償油缸構(gòu)成；蓄能器部分包括蓄能器與氮?dú)馄康?；鋼纜繞過(guò)滑輪組與負(fù)載相連。浮體隨波浪上升時(shí)，鋼纜拉力增加，張緊器壓縮，釋放鋼纜，補(bǔ)償負(fù)載位移，使負(fù)載盡量保持在平衡位置。同時(shí)補(bǔ)償油缸中液壓油進(jìn)入蓄能器存儲(chǔ)能量；浮體隨波浪下降時(shí)，反向補(bǔ)償。波浪補(bǔ)償過(guò)程中，系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)液壓彈簧，對(duì)波浪影響起緩沖作用。被動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)工作過(guò)程不消耗能量，適用于載荷較大、精度要求較低的浮體運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

1.2 主動(dòng)波浪補(bǔ)償

主動(dòng)波浪補(bǔ)償主要由運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、作動(dòng)系統(tǒng)等組成。運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)收集傳感器信號(hào)，經(jīng)多源融合算法處理，輸入到控制系統(tǒng)；在完成數(shù)據(jù)處理后，進(jìn)行位置與姿態(tài)反解，得出作動(dòng)系統(tǒng)期望值，控制作動(dòng)產(chǎn)生與測(cè)得浮體運(yùn)動(dòng)大小相等方向相反的六自由度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償。

半主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)通過(guò)液氣彈簧和主動(dòng)液壓系統(tǒng)相結(jié)合，前者為系統(tǒng)的承載構(gòu)件，后者用于克服載重的慣性和摩擦，以提高精度。此外，還有一種用于絞車的波浪補(bǔ)償裝置，該裝置通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)分析浮體垂蕩數(shù)據(jù)，主動(dòng)控制絞車指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

1.3 復(fù)合波浪補(bǔ)償

復(fù)合波浪補(bǔ)償裝置主要包括控制器、閥組、泵站、復(fù)合油缸、蓄能器、絞車、纜繩和傳感器等。傳感器測(cè)量出負(fù)載位移，與期望值進(jìn)行比較后輸入到控制器，控制器經(jīng)計(jì)算輸出控制信號(hào)，從而控制閥組以增加或減少流量，實(shí)現(xiàn)油缸動(dòng)作。無(wú)波浪時(shí)，浮體的重力主要由復(fù)合油缸被動(dòng)腔承擔(dān)；有波浪時(shí)，浮體和補(bǔ)償裝置隨波浪上下運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)腔充入或流出液壓油，從而通過(guò)活塞桿移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮體的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

除上述被動(dòng)補(bǔ)償、主動(dòng)補(bǔ)償和復(fù)合補(bǔ)償外，還有綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，即將波浪產(chǎn)生的垂向和橫向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償相結(jié)合。

2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

波浪補(bǔ)償技術(shù)始于美國(guó)，首個(gè)使用機(jī)械反饋調(diào)整升沉幅度的主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)于1970 年投入使用[8]。此后，被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)發(fā)展迅速，并應(yīng)用于海洋油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng) 域。自此，波浪運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，更多科研人員對(duì)波浪補(bǔ)償技術(shù)展開(kāi)理論研究和實(shí)驗(yàn)分析[9]。近二十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了有效的傳感器集成和系統(tǒng)建模，波浪補(bǔ)償技術(shù)快速提升，補(bǔ)償?shù)撵`敏度和精度得到了大大提高。

目前，多家國(guó)外公司制造的波浪補(bǔ)償裝置在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用。其中，美國(guó)NOV (National Oilwell Varco)公司研發(fā)的升沉波浪補(bǔ)償裝置應(yīng)用較廣，主要集中在鉆井船和浮式鉆井平臺(tái)，裝置通過(guò)控制液壓構(gòu)件的平穩(wěn)性，減少鉆柱垂直運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定井底鉆壓。挪威MH公司研發(fā)了以船用起重機(jī)以及配套為主的升沉補(bǔ)償裝置，其主要作用是隔絕浮吊船運(yùn)動(dòng)對(duì)起吊物的影響。英國(guó)Houlder 公司生產(chǎn)的TAS 系統(tǒng)主要安裝在小型工作艇上，適用于近海風(fēng)機(jī)運(yùn)維作業(yè)。

在波浪補(bǔ)償技術(shù)研究方面，最初的主動(dòng)式升沉補(bǔ)償裝置通過(guò)機(jī)械反饋裝置，構(gòu)成了比例控制器。Korde 等[10]提出了一種用于深水鉆井裝置在不規(guī)則波激勵(lì)下的主動(dòng)升沉補(bǔ)償器，并驗(yàn)證其在大的波頻帶寬上表現(xiàn)良好，及其在線性范圍內(nèi)的有效性。Kuchler 等[11]提出了一種船舶垂直運(yùn)動(dòng)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，針對(duì)時(shí)間延遲引入新的控制策略，并驗(yàn)證其有效性。J.Pan[12]提出一種利用雙桿制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的電液系統(tǒng)為主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)的非線性控制器，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)立管上端到海床的距離，有效減少船舶垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)立管影響。

3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)波浪補(bǔ)償技術(shù)基本處于理論和實(shí)驗(yàn)研究階段，少量波浪補(bǔ)償設(shè)備投入應(yīng)用。

孫魯閩等[13]研究了用于二級(jí)海況下船與船的人員換乘裝置，補(bǔ)償兩船間的相對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)。完成了動(dòng)力學(xué)分析、電氣控制系統(tǒng)及實(shí)船實(shí)驗(yàn)。蘇長(zhǎng)青等[14]提出一種三自由度主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，裝置固定于船艏，補(bǔ)償船體的升沉、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)了模擬海況實(shí)驗(yàn)。2018 年底，由上海雄程海服研制能夠補(bǔ)償六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)的海上風(fēng)電登乘裝置，名為“雄程云橋”，可以支持頂接和搭接兩種對(duì)接方式，兩種方式可分別消除沿橋梯方向和垂直方向的位移。

李春林等[16]針對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)設(shè)備與人員的影響，提出了一種主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，并通過(guò)驗(yàn)證仿真與試驗(yàn)結(jié)果，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試提供幫助。盧道華等[15]設(shè)計(jì)了一種采用控制算法對(duì)進(jìn)行通道控制的穩(wěn)定平臺(tái)，改進(jìn)了由于機(jī)械元件引發(fā)的滯后性，并通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。楊文林等[18]設(shè)計(jì)了一個(gè)主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠結(jié)合自適應(yīng)高通濾波器進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)采用雙目視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)補(bǔ)償平臺(tái)末端運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。唐剛等[17]基于波浪補(bǔ)償平臺(tái)工作原理設(shè)計(jì)一種電動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)，對(duì)船舶升沉運(yùn)動(dòng)展開(kāi)動(dòng)力學(xué)建模與動(dòng)力學(xué)分析，并利用仿真驗(yàn)證控制系統(tǒng)具有良好的靈敏性和穩(wěn)定性?！膀札?zhí)枴钡哪复跋蜿?yáng)紅09”采用了復(fù)合式波浪補(bǔ)償器。利用該補(bǔ)償裝置可以在收放潛水器時(shí)提高作業(yè)過(guò)程的平穩(wěn)度。

4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著深海工程的發(fā)展，各類海上施工作業(yè)的需求，促進(jìn)了波浪補(bǔ)償技術(shù)的快速發(fā)展。近年來(lái)，波浪運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)存在以下發(fā)展趨勢(shì)：

（1）波浪補(bǔ)償?shù)木戎鸩教岣?。在深海海洋的?fù)雜環(huán)境下，要滿足嚴(yán)苛的作業(yè)要求，波浪補(bǔ)償?shù)哪康囊阎鸩綇脑缙诘陌踩?，向現(xiàn)在的高精度發(fā)展。在滿足海上作業(yè)的安全要求之外，補(bǔ)償?shù)木纫笠苍絹?lái)越高。這對(duì)于波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及作動(dòng)系統(tǒng)的軟硬件都提出了更高的要求。

（2）動(dòng)作響應(yīng)靈敏度高。隨著海上施工作業(yè)的需求，波浪運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的反應(yīng)快速性和靈敏性直接關(guān)系到補(bǔ)償系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。這對(duì)于控制算法的有效性和控制設(shè)備的精密程度提出了更高的要求。

（3）適應(yīng)更大的浮體載荷。隨著人類對(duì)海洋探索的深度不斷刷新、以及大型浮體及設(shè)備的應(yīng)用，在采礦領(lǐng)域隨著及海洋科考方面，設(shè)備重量越來(lái)越大，這對(duì)于波浪補(bǔ)償來(lái)說(shuō)，需要適應(yīng)更大的載荷要求。

5 結(jié)論

波浪補(bǔ)償裝置及其相關(guān)技術(shù)，原理多樣，類型繁多，同時(shí)，該類裝置具有集成性，是集多學(xué)科于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，因此也具有試驗(yàn)驗(yàn)證困難、核心技術(shù)復(fù)雜性高等問(wèn)題。為此，需要從基本原理做起，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證與改進(jìn)，逐步掌握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，突破技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)、制造。

波浪補(bǔ)償裝置的核心技術(shù)主要是控制方式，現(xiàn)今的位移、速度和加速度控制方法已趨于成熟，難以提高補(bǔ)償精度。為此，需要進(jìn)一步提高研發(fā)力度，開(kāi)展浮體位姿預(yù)測(cè)工作，同時(shí)探究混合驅(qū)動(dòng)模式等新型技術(shù)的研究工作。

應(yīng)加快帶主動(dòng)控制功能的波浪補(bǔ)償裝置研究。從僅能補(bǔ)償升沉、橫搖和縱搖三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的三自由度補(bǔ)償，到能全自由度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，更適合應(yīng)用于深海開(kāi)發(fā)。

波浪補(bǔ)償系統(tǒng)具有軍民通用的特點(diǎn)，海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。國(guó)外波浪補(bǔ)償技術(shù)基本成熟，而國(guó)內(nèi)還處于起步階段，大部分情況下還是在使用進(jìn)口產(chǎn)品。近年來(lái)，波浪補(bǔ)償技術(shù)受到國(guó)內(nèi)許多廠家和研究機(jī)構(gòu)的重視，未來(lái)相關(guān)技術(shù)和裝置將在我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)中發(fā)揮重要作用。