船舶DP系統(tǒng)在科考船中的應用

李文明 于洋 俞啟軍

摘 要：針對大洋科考船在海洋科考作業(yè)中的特殊需求問題，結合大洋科考船幾種關鍵作業(yè)特點，對船舶動力定位（Dynamic Positioning DP）系統(tǒng)的組成及其核心技術介紹，分析討論船舶DP系統(tǒng)在大洋科考作業(yè)應用中的優(yōu)越性，利用典型科考船的科考作業(yè)實踐給予引證，并總結DP系統(tǒng)在科考作業(yè)應用中的注意事項，為業(yè)內拓展海上科考船DP系統(tǒng)的應用和新型DP科考船的整體設計提供一定指導和借鑒。

關鍵詞：科考船;動力定位（DP）;科考作業(yè);應用

近年來我國海洋科考事業(yè)的發(fā)展迅速，陸續(xù)新造了“東方紅3號”、“科學號”、“嘉庚號”、“大洋號”等先進科考船[1]，科考船根據作業(yè)需求通常對其定點的作業(yè)能力、靈活的操作性能和低速航行性能等特定技術提出較高要求[2]。船舶DP系統(tǒng)以其穩(wěn)定的控制系統(tǒng)和精準的定位能力也獲得科考船舶的廣泛應用。本文通過對科考船DP系統(tǒng)的介紹，利用典型案例論證船舶DP系統(tǒng)在科考實踐中的應用優(yōu)勢，總結DP系統(tǒng)在科考船中應用領域的有關注意事項，為相關從業(yè)人員作為參考。

1 船舶DP系統(tǒng)的關鍵技術

船舶DP系統(tǒng)是船舶操縱控制系統(tǒng)綜合運用計算機完成集成控制的一套系統(tǒng)，船舶DP控制系統(tǒng)是它的核心，并由具有核心技術的硬件和軟件組成。

1.1 DP系統(tǒng)的最優(yōu)LQ設計

如圖1 DP系統(tǒng)控制原理圖所示，船舶DP系統(tǒng)采用線性二次型最優(yōu)（LQ）控制律理論[3]，通過控制器給出的推進器指令，即基于當前估計狀態(tài)與期望狀態(tài)的偏差和控制算法計算得到，最終由推進器系統(tǒng)為船舶提供抵抗外界環(huán)境力所需的推力和轉矩。

1.2 精確位置參考系統(tǒng)

精確的位置信息是船舶DP系統(tǒng)實現(xiàn)準確定位的關鍵參數(shù)，船舶DP系統(tǒng)的位置參考單元主要有衛(wèi)星定位、水聲定位、微波激光定位和張緊索定位。以船舶采用的挪威Kongsberg水深定位系統(tǒng)HiPAP500為例：在其作用距離4000m時，定位精度可達0.2%，測向精度為≤0.12°，測距精度為≤0.10m[4]。利用DGPS定位是船舶DP系統(tǒng)廣泛采用的一種定位方式，DPGS的差分技術可以有效的削弱因電離層延遲、星歷誤差和衛(wèi)星鐘等誤差影響，可使船舶DP定位精度達到厘米級。

1.3 船舶運動傳感器

在DP控制系統(tǒng)建模時，可通過船舶運動傳感器能精準有效測量相關運動參數(shù)，輸出高質量的船舶搖擺和垂蕩等數(shù)據，及時準確地將船舶DGPS衛(wèi)星天線和水聲測量探頭偏離船舶重心的位置進行修正，從而達到減少因測量單元假偏移導致的船舶定位誤差。以船舶常用的Kongsberg Seatex MRU5 為例，其各項動態(tài)數(shù)據輸出指標[3]，參見表1 MRU5性能參數(shù)表。

2 大洋科考作業(yè)特點及其應用DP系統(tǒng)優(yōu)勢

大洋科考主要包括執(zhí)行海底調查、深海淺鉆、潛水支援、ROV 和AUV（自主式水下潛航器）布放回收、海上搜救等海上科學實驗和應急任務，而船舶DP系統(tǒng)在科考船的應用能有效滿足以上實驗任務的嚴格要求，大幅降低船舶駕駛人員的作業(yè)強度，從而保障海上科考作業(yè)任務的安全完成。

2.1 大洋科考船作業(yè)特點

大洋科考船按其對船舶操縱要求特點可分為海上定點精確定位作業(yè)、海上機動操縱作業(yè)、海上低速指定軌跡作業(yè)等[5]。

（1）其中以深海礦機鉆探、海底礦產取樣等為代表的定點精確定位實驗是對船舶操縱能力有著超高要求的作業(yè)。在深海開闊水域下，沒有船舶DP系統(tǒng)的輔助，船駕人員很難獲得有效的定位參考，并完成長時間的高精度船舶保持;

（2）以自主式水下潛航器（AUV）、波浪滑翔機布放回收為代表的海上機動操縱同樣需要船駕人員合理調整船位，有效利用風流合力，完成各類科考實驗的精貴設備施放與回收;

（3）以深水多波束掃描、水下AUV動態(tài)監(jiān)控為代表的低速指定軌跡作業(yè)要求，則需綜合利用風流合力對低速船舶操控影響提前做出分析，并按預定軌跡完成操縱，這對普通船舶的自動舵和手動操縱均難以達到DP科考船的應用效果。

2.2 應用DP系統(tǒng)優(yōu)勢

具有多項核心技術的船舶DP系統(tǒng)，不僅具有實現(xiàn)船舶精度可靠、性能穩(wěn)定的船舶定點作業(yè)和預設條件評估的船舶DP能力，而且人機對話單元還可為駕駛者提供多種操作模式的選擇同時還可實時匯總船舶運動姿態(tài)和作業(yè)環(huán)境的有效顯示，為部分高危科考作業(yè)提供必要的安全評估等功能。

2.2.1? 多選擇的人機對話單元

船舶DP系統(tǒng)的人機對話單元操縱模式多樣，系統(tǒng)功能強大。一方面，為DPO（DP Operator）提供多視覺的駕控位置選擇，如DPO除可在船舶DP操控臺上實現(xiàn)船舶DP操控外，還可利用船舶DP系統(tǒng)配備的移動式操縱桿控制終端（C-Wing Terminal）在船雙舷側、船頭和科考船八角樓（科考船獨特的綜合集合設備操控室）等處完成船舶的遠程操控，以保障船駕人員最佳的操縱視角，確保船舶安全操縱作業(yè)。

另一方面，船舶DP系統(tǒng)為DPO提供了更多更方便的操作模式選擇，如：①操縱桿模式（Joystick Mode），通過該模式可實現(xiàn)對海洋科考船的一桿聯(lián)動操控;②自動首向（Auto Heading），船舶艏向控制是船舶操縱的首要控制維度，該功能可減輕船駕者對艏向的過渡關注，使其集中精力用于控制船舶其他維度的運動控制和科考作業(yè)配合;③自動定位模式（Auto Position），船舶DP系統(tǒng)自動船位控制，DPO按需設定合適的首向和位置，DP系統(tǒng)自行控制多個推進器完成船位艏向的控制。④自主航行模式（Auto Track）和自動跟蹤目標（Fellow Target），則可在船舶低速下實現(xiàn)預定軌跡的船舶自動航行，特別是自動跟蹤目標功能，則可利用水聲定位系統(tǒng)完成水下ROV或者AUV的近距離自動跟蹤。

2.2.2? 有效多元數(shù)據參考

船舶DP系統(tǒng)不僅能接收處理船舶位置和動態(tài)運動的各種參數(shù)用以建立船舶DP控制模型，而且能有效集成分析顯示船舶運動控制所需參考數(shù)據，DPO提供信息源參考。

（1）外部環(huán)境數(shù)據。自由運動下的船舶主要受風和流的影響，船舶DP系統(tǒng)應用風置前饋控制原理[6]，通過數(shù)學建模將其余外力歸集為海流力，俗稱為DP流。大洋開闊水域的科考作業(yè)由于陌生海域缺乏詳實的海流資料，船舶DP系統(tǒng)所給定的DP流能相對合理地反應所受外界水動力的影響，為船舶操縱和科考設備的上下水作業(yè)風險評估提供重要參考。

（2）船位動態(tài)數(shù)據。船舶動態(tài)數(shù)據輸出主要包括船舶實時艏向、位置和船舶運動趨勢速度等，通過船舶DP系統(tǒng)的位置和艏向等參數(shù)設置，可以實現(xiàn)如船位偏差達3米和艏向偏差3°的警告與船位偏差達5米和艏向偏差5°的警報提示，用以提醒DP操作者船舶動態(tài)的偏差并及時有效地采取控制措施，更好的完成科考定位作業(yè)實驗協(xié)助功能，如圖2船舶動力定位顯示單元所示。

（3）位置參考數(shù)據。船舶位置參考單元是DP系統(tǒng)的關鍵輸出輸入單元，超高精度的船舶定位取決于位置參考單元提供的信號精度。船舶水聲定位和DGPS定位是科考船在開闊大洋的主要定位手段。船舶水聲定位控制顯示單元不僅能有效的監(jiān)控船舶水聲定位的輸入參數(shù)，而且還可以有效監(jiān)控水下移動信標的相對位置，用以識別定位水下科考設備如ROV、AUV等設備的實時位置，協(xié)助船舶DPO安全合理控制船位。此外船舶DGPS信號雖然不收距離限制，但其信號依然受晨昏蒙影、電離層異常及太陽黑子活動的影響，利用Kongsberg DPS200等系列DPGS處理單元能有效顯示船舶定位時所用的衛(wèi)星數(shù)量以及位置精度因子（PDOP）等參數(shù)，有利于DPO能合理調整各參考系統(tǒng)的權重比例，提高船舶DP控制的穩(wěn)定性[7]。

（4）動力分配數(shù)據。船舶DP系統(tǒng)的顯示單元可多種方式顯示動力分配要素。在船舶顯示主推進器的模式下，界面可通過柱狀推力消耗百分比等信息為DPO提供各推進器的富余推力、合力總值和力矩總合，為DPO評估船舶定位能力以及操縱策略提供有力參考，特別是船舶處理遭遇強對流天氣或者亂流時的緊急情況。此外在船舶推力分配設置上，船舶DPO還可以主動設置某一個或一組推進器的偏執(zhí)設置，用以改善船舶的推進器的排出流對科考設備的上下水操縱影響[8]。

3 科考船DP系統(tǒng)應用案例

應用船舶DP系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)科考船的碼頭靠泊[9]，DP系統(tǒng)更為重要的是應用在各類海上科考作業(yè)操縱和船舶應急，從而有效協(xié)助船駕人員確保任務順利完成以保障船舶作業(yè)安全。本文以“大洋號”科考船DP系統(tǒng)應用為例，介紹船舶DP應用的典型案例。

3.1 科考設備的上下水操縱

海洋科考設備中潛龍2號（AUV）不僅單體價值昂貴[10]，而且此類AUV沒有像ROV那樣有臍帶纜的鏈接，致使其上下水操作成為該類作業(yè)實踐風險很高。在操作實踐中，首先通過DP系統(tǒng)控制船舶獲得船舶搖擺幅度最小的艏向，以便科考人員完成船舷內甲板上AUV的吊裝并擺至舷外操作，然后根據DP系統(tǒng)計算外界流向、流力等，再及時調整船舶艏向，可以確保入水的潛龍2號快速遠離大洋號船體及其推進器。同樣在AUV回收過程時，如圖3自動艏向控制應用所示，在船舶科考人員捕獲潛龍四號將其引至船尾時，船舶DPO在低流速時調整推進器偏置或者高流速時采用自動艏向功能，可以減輕船舶推進器排出流對潛龍四號自航能力不足的缺陷，確保了AUV的安全快捷回收。

3.2 深水礦機的測試實驗應用

以千米級別深海礦機海底鉆探為例，深水礦機測試實驗從設備入水到海底完成淺鉆實驗后再復原回船往往需要20多個小時，但一旦設備出現(xiàn)故障時間不可估計。“大洋號”在作業(yè)中利用船舶DP系統(tǒng)的輔助，協(xié)助深海鉆機完成實驗測試時的位置誤差可在為2-3米以內，遠遠超過實驗要求的25米標準。船舶駕駛人員還可通過船舶DP系統(tǒng)有效分析船舶動力定位能力，實時監(jiān)控外界流向流速變化，以便船舶DPO能及早采取措施應對亂流等影響。

3.3? 海上待命和臺風應急

“大洋號”科考船在實驗任務間歇期，經常需要船舶在附件海域待命以便等待新科考作業(yè)的準備工作。利用船舶DP系統(tǒng)的綠色定位功能，能實現(xiàn)船舶在設定待命圈子內保持艏向穩(wěn)定的低速待命狀態(tài)，既解決了深海無法拋錨而浪費燃油的問題，又有效減輕船舶橫搖，為科考人員甲板作業(yè)和休息創(chuàng)造了良好的條件，大大的減輕了船駕人員的工作強度。

另外海上錨地抗風避臺時，由于“大洋號”科考船的功能需求導致其上層建筑高大且風力中心靠前，不僅容易走錨，而且其在安全富余量較小的錨位抗臺時，經常與周圍貨船轉向相反形成緊張局面。應急抗臺情況下，在充分考慮避風錨地的富余水深影響后，利用船舶DP系統(tǒng)用以輔助抗臺也是非常成功的。

4 DP系統(tǒng)在科考船應用中的注意事項

隨著我國大量新型科考船交付使用，船舶DP系統(tǒng)極大地提高了我國科考船舶的作業(yè)能力，但應用之余更應注意以下相關事項：

（1）多艘新型DP系統(tǒng)的科考船中陸續(xù)入列服役，必然造成科考船上持證DPO的緊缺，應加大對未完全取證人員的實操培訓力度，特備是關鍵操作更應由持有DPO證書的人員操縱或監(jiān)督下完成;

（2）船舶DP系統(tǒng)功能強大且操作模式多樣化，DPO應充分開發(fā)DP各項功能和合理應用各類操縱模式，并注意科考船應急情況的處理和經驗積累，切記過渡依靠船舶DP系統(tǒng)各項應用;

（3）船舶DP系統(tǒng)應需經過培訓的輪機人員加強日常維護保養(yǎng)，并根據規(guī)定做好DP系統(tǒng)的年度檢驗和五年特檢，以保障船舶DP系統(tǒng)軟、硬件持續(xù)可靠性;

（4）船舶DP系統(tǒng)中的設備經常與科考船的科考設備形成重復配置，如海上氣象觀測系統(tǒng)的風速儀，水聲定位系統(tǒng)以及船舶運動參考單元（MRU）等，如在設計之初能有效統(tǒng)一整合，更能有效利用科考船的各類綜合設備形成資源共享，提升船舶設備和空間的使用價值，降低船舶建造和運營成本。

5 結論

海洋科考，裝備先行，海洋科考設備的多樣化、智能化和高精化快速發(fā)展，使得作為各類海洋科考設備的船舶載體提出了更加多樣化、多功能的要求，同時也對科考船的駕駛人員提出了更高的船舶操縱要求。船舶DP系統(tǒng)地廣泛應用，必將進一步滿足海洋科考各類海洋科學考察的特殊需求，減輕科考作業(yè)人員的工作強度和作業(yè)風險，實現(xiàn)各類科考調查實驗的高效設計，促進我國科考調查對大洋資源和環(huán)境更加深入和全面的調查研究工作。

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基金資助項目：國家自然科學基金項目 （51379026）