淺談動(dòng)力定位系統(tǒng)在起拋錨作業(yè)中的應(yīng)用

鄧春林 王高虎

摘 要：近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，配備DP（動(dòng)力定位）系統(tǒng)的各類(lèi)海洋工程裝備陸續(xù)涌入大海，AHV（起拋錨工作船）也不例外。深刻理解DP系統(tǒng)的工作原理和正確熟練使用DP系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，對(duì)安全高效完成海上浮式裝置的起拋錨作業(yè)不可或缺。

關(guān)鍵詞：DP;AHV;起拋錨作業(yè);浮式裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：U66? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）06-0066-03

1 DP系統(tǒng)簡(jiǎn)介及使用管理

1.1 DP系統(tǒng)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，配備DP系統(tǒng)的各類(lèi)海洋工程裝備陸續(xù)涌入大海。例如，深水鉆井平臺(tái)“海洋石油981”、深水鋪管船“海洋石油202”、潛水支持船“深潛號(hào)”等大型裝備，均采用了類(lèi)似的動(dòng)力定位技術(shù)。

DP系統(tǒng)的全稱為Dynamic positioning system。如果非要對(duì)DP系統(tǒng)下一個(gè)精確的定義，那么可以這樣描述：基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制船位的系統(tǒng)，可以使船舶保持在某一個(gè)位置，也可以移動(dòng)船位。

追溯DP系統(tǒng)發(fā)明及應(yīng)用的根源，最初是為了滿足海洋工程裝備從中前海挺進(jìn)中深海鉆探的需要。1961年，第一代DP技術(shù)的雛形被運(yùn)用到美國(guó)的CUSS 1 浮式鉆探船，主要依靠四個(gè)固定在海底的類(lèi)似聲吶信標(biāo)向船上發(fā)射信號(hào)來(lái)獲取位置變化，然后用四臺(tái)推進(jìn)器來(lái)維持船位在井位上方。通過(guò)這種方法，CUSS 1 浮式鉆探船在水深948米的加利福利亞近海成功進(jìn)行了深海海底鉆探作業(yè)，證明了通過(guò)動(dòng)力將船位長(zhǎng)時(shí)間維持在一個(gè)精確位置的可行性。隨著科技的迅速發(fā)展，DP技術(shù)取得了快速進(jìn)步，甚至被用于軍事、地球物理勘探及船舶操縱方面。

隨著配備DP系統(tǒng)的海洋工程裝備量產(chǎn)化、多樣化，操作DP系統(tǒng)的專業(yè)人才隊(duì)伍開(kāi)始出現(xiàn)缺口。對(duì)于許多已經(jīng)取得適任證書(shū)的船長(zhǎng)和駕駛員來(lái)說(shuō)，他們開(kāi)始將目光聚焦于由英國(guó)航海學(xué)會(huì)負(fù)責(zé)頒發(fā)的DPO（動(dòng)力定位值班駕駛員）證書(shū)，但是取證道路并不輕松，培訓(xùn)、考試和實(shí)習(xí)等流程時(shí)間至少需要半年，即便取得證書(shū)以后并非終身有效，臨近五年有限期時(shí)，依然要根據(jù)船上服務(wù)資歷向英國(guó)航海學(xué)會(huì)來(lái)申請(qǐng)換發(fā)證書(shū)。

1.2? DP系統(tǒng)的使用管理

目前，國(guó)內(nèi)海洋工程船DP系統(tǒng)的配備和使用是非強(qiáng)制要求的，2010年版STCW（海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際公約）中對(duì)于DP系統(tǒng)的操作培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)指南也是非強(qiáng)制性的。DP作業(yè)時(shí)的安全管理，推薦參考國(guó)際承包商協(xié)會(huì)（IMCA）的指導(dǎo)文件IMCA M182，內(nèi)容包括了作業(yè)前、作業(yè)中相關(guān)作業(yè)人員應(yīng)該遵循的安全注意事項(xiàng)以及設(shè)備保障、操作規(guī)則和應(yīng)急反應(yīng)等方面。具備一定條件的公司，應(yīng)參考文件要求做好技術(shù)和人員儲(chǔ)備，并結(jié)合本公司實(shí)際情況將有關(guān)DP作業(yè)的安全管理內(nèi)容納入到公司管理體系中去，使安全體系內(nèi)容更加完善。

2 起拋錨作業(yè)綜述

本文提到的起拋錨作業(yè)特指海上浮式裝置需要專門(mén)的AHV協(xié)助完成的起拋錨作業(yè)，而不是指船舶自身的錨泊作業(yè)。當(dāng)海上油氣資源、風(fēng)力資源開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)開(kāi)始后，長(zhǎng)時(shí)間或永久性的海上系泊裝置的需求是顯而易見(jiàn)的，后來(lái)各種各樣的系泊裝置被開(kāi)發(fā)出來(lái)，現(xiàn)如今盡管有DP系統(tǒng)的存在，使一些浮式裝置長(zhǎng)時(shí)間使用動(dòng)力定位成為可能，但是錨泊定位憑其簡(jiǎn)單、可靠和成本優(yōu)勢(shì)在近海海洋工程中還是占有主要的地位，暫時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其被淘汰的趨勢(shì)。

錨泊定位的適用水深從幾十米到上千米，主要應(yīng)用類(lèi)型有以下幾個(gè)方面：

（1）海上浮式裝置的錨泊定位，包括半潛式鉆井石油平臺(tái)、儲(chǔ)油輪等。需要均勻分布的八套或者以上的錨和錨纜組成的錨泊系統(tǒng)來(lái)固定設(shè)施位置，根據(jù)水深的不同采用不同的錨和錨纜的類(lèi)型，例如深水平臺(tái)會(huì)把系泊纜由錨鏈換成鋼纜或者尼龍纜以減輕系泊纜的重量，錨由大抓力錨更換成垂向負(fù)載錨或者吸力錨以增加錨抵抗垂直方向的能力。

（2）自升式石油鉆井平臺(tái)的精確就位，有時(shí)自升式鉆井平臺(tái)需要依靠錨泊定位靠近導(dǎo)管架石油平臺(tái)協(xié)助其鉆井，自升式鉆井平臺(tái)先在離導(dǎo)管架較遠(yuǎn)處完成錨泊定位，然后通過(guò)絞放錨纜來(lái)控制平臺(tái)位置。

（3）潛水鋪管（電纜）船的錨泊定位，鋪管作業(yè)中通過(guò)不間斷地拋起錨來(lái)調(diào)整錨位從而來(lái)移動(dòng)船位。

（4）上述錨泊定位中起拋錨作業(yè)都需要專業(yè)的AHV來(lái)完成，現(xiàn)代AHV綜合來(lái)說(shuō)具有馬力大、船首尾配有側(cè)推操縱靈活的特點(diǎn);另外，AHV加強(qiáng)過(guò)的主甲板上裝有拖纜機(jī)，靠近船尾部有液壓鉗和滾筒，錨和錨鏈等可以通過(guò)尾部滾筒被拖纜機(jī)絞上甲板。海上浮式裝置的起拋錨作業(yè)是一項(xiàng)復(fù)雜的作業(yè)，往往時(shí)間非常緊迫并需要持續(xù)作業(yè)幾天甚至更長(zhǎng)，船上甲板操作人員要通宵工作直至整個(gè)作業(yè)結(jié)束，也給操縱船舶帶來(lái)了有挑戰(zhàn)性的工作量。

3 DP在起拋錨作業(yè)中的應(yīng)用

AHV配備DP系統(tǒng)的好處在于，能夠極大程度減輕船舶操縱方面的工作量。但是，當(dāng)AHV在起拋錨作業(yè)時(shí)，拖纜因受力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的復(fù)雜力矩，并且受力方向和大小變化較快，這一問(wèn)題至今仍未完全解決。

類(lèi)似這樣的問(wèn)題不止一個(gè)，許多AHV因本船舶拖纜機(jī)拖力傳感器的數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳遞，導(dǎo)致DP系統(tǒng)會(huì)把拖纜產(chǎn)生的船舶力矩歸結(jié)于DP CURRENT（流）。例如，在起拋錨作業(yè)中，船尾有拖纜而且有張力（拖纜張力小于30公噸）的場(chǎng)景十分常見(jiàn)，如果啟用動(dòng)力定位，船位前后定位誤差最大可以達(dá)到9-10米，明顯不滿足船舶靠泊浮式裝置的安全距離要求。換言之，船舶操縱者機(jī)械地套用常規(guī)的DP系統(tǒng)使用規(guī)定，則會(huì)給整個(gè)作業(yè)帶來(lái)很多風(fēng)險(xiǎn)。

隨著船舶的智能化發(fā)展，起拋錨作業(yè)船舶操縱既要利用現(xiàn)有的高集成度設(shè)備來(lái)減輕手動(dòng)操船壓力、高效率完成作業(yè)，又要確保作業(yè)過(guò)程人員和設(shè)備的安全，并且為DP系統(tǒng)的后續(xù)改進(jìn)升級(jí)提供數(shù)據(jù)和積累經(jīng)驗(yàn)值。

3.1起拋錨作業(yè)DP操作模式的選擇

如今主流的DP系統(tǒng)面板上有MANNUL 、JOYSTICK 和DP三檔可供選擇，一些新款的軟件會(huì)把起拋錨產(chǎn)生的額外力矩列為DP系統(tǒng)外部力，從而區(qū)別于上文提到的DP CURRENT，并且會(huì)把起拋錨作業(yè)時(shí)的DP MODE（模式）選擇為AH-MODE 。實(shí)際上，啟用的模式和正常DP模式操作上并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，原理本質(zhì)為一種混合操作模式，即手動(dòng)操作模式加上自動(dòng)操作模式 ，達(dá)到控制船舶前后移動(dòng)、左右橫移，或者船舶首向的目的。不過(guò)，這種方法只適合于有模式選擇的DP系統(tǒng)船舶，通用的選擇是選用JOYSTICK? MODE（操縱桿模式）。在很多DP產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)里，將JOYSTICK歸結(jié)于手動(dòng)操作，筆者認(rèn)為這樣的提法值得商榷。因?yàn)镴OYSTICK不僅是手動(dòng)單元，系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)同樣采集各傳感器數(shù)據(jù)并計(jì)算給出指令。和DP自動(dòng)單元相比，唯一差別在于船舶的移動(dòng)位置、航向和速度的精確控制，需要依靠操縱者的輸出命令。

3.2? JOYSTICK的正確設(shè)置

（1）功率限制，一般對(duì)于大馬力的AHV，都有兩檔選擇general reduced和full thrust 前面的意思就是發(fā)揮的功率大概一半左右，但是起拋錨作業(yè)中特別是拋錨作業(yè)主機(jī)有時(shí)功率會(huì)接近滿負(fù)荷，如果不解除功率限制，起拋工作錨船主機(jī)功率受限，馬力較小的AHV根本不可能將海上浮式裝置的錨拋到指定的位置。不同類(lèi)型的設(shè)備在菜單表述上也不同，使用時(shí)注意選擇，為了操縱的方便，可以在靠近浮式裝置時(shí)用general 這一檔，在比較安全的區(qū)域解除DP的功率限制。

（2） 靈敏度的設(shè)置（加速度、轉(zhuǎn)向速率設(shè)置），在各種型號(hào)的DP系統(tǒng)中，也以不同形式展示，以KONSBERG 的DP-21為例CONTROLLER MODE有 HIGH PRECISION /GREEN兩檔設(shè)置，GAIN LEVEL有HIGH /MEDIUM /LOW 三擋選擇，還有加速度和轉(zhuǎn)向率設(shè)置則以百分比和具體數(shù)字來(lái)表示，整體考慮到起拋錨作業(yè)的效率，從保護(hù)設(shè)備的原則出發(fā)，靈敏度設(shè)置選擇HIGH PRECISION和MEDIUM 檔，結(jié)合船舶設(shè)備具體的功率和操作特點(diǎn) ，調(diào)整加速度和轉(zhuǎn)向速率的參數(shù)到合適的范圍。

3.3 起拋錨作業(yè)中使用DP的注意事項(xiàng)

3.3.1船長(zhǎng)親自操作或在場(chǎng)監(jiān)督

按照DP通用的操作規(guī)定，持證的DP值班駕駛員能獨(dú)立完成移動(dòng)船位，改變船首向等任務(wù)，但現(xiàn)階段的DP培訓(xùn)課程里面基本上船舶都處于單船自由狀態(tài)，像起拋錨、拖航等復(fù)雜作業(yè)并未涉及，船長(zhǎng)在向拖纜機(jī)等甲板機(jī)械發(fā)出指令的同時(shí)，實(shí)際上作業(yè)全程還需要密切關(guān)注拖纜受力情況以及浮式裝置的移動(dòng)情況，本船的位置和移動(dòng)方向和移動(dòng)速度對(duì)保證甲板作業(yè)人員和船舶設(shè)備安全至關(guān)重要（有類(lèi)似需求的還有挖泥船等），需要經(jīng)驗(yàn)豐富的船長(zhǎng)來(lái)監(jiān)督整個(gè)作業(yè)的安全順利進(jìn)行，DPO通常只能在作業(yè)過(guò)程中起輔助作用，包括和外界聯(lián)系、作業(yè)記錄和操作甲板機(jī)械等，但是作業(yè)暫停期間把船舶操縱權(quán)轉(zhuǎn)移給DPO。

3.3.2 合適的船首向

船首向的選擇不僅在DP操作里面屬于很重要的選項(xiàng)，在起拋錨作業(yè)的過(guò)程中特別是在大風(fēng)浪（7-8級(jí)）作業(yè)中也是不能忽視的問(wèn)題，通俗地解釋，不同的首向會(huì)導(dǎo)致船舶不同的受力（風(fēng)、浪、流）狀況，結(jié)合船舶的流線型設(shè)計(jì)（包括水下和水面以上）和推進(jìn)器配置，一般情況下AHV動(dòng)力配置中主推進(jìn)器的功率遠(yuǎn)大于側(cè)推器的功率，選擇讓外界阻力來(lái)自于船首（船尾次之）方向，則能讓船舶獲得最大的抵御風(fēng)浪流的能力，作業(yè)時(shí)DP系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間測(cè)算后會(huì)給出一個(gè)最優(yōu)推薦的船首向，為了讓船舶推進(jìn)設(shè)備處于一個(gè)較好的工作狀況，值班駕駛員應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)的情況選擇合適的船首向。由于期望錨鏈在海底鋪直的原因，起拋錨作業(yè)時(shí)多數(shù)情況下會(huì)要求AHV維持恒定的船首向，以保證浮式裝置的錨鏈能沿固定的方位線被松出或絞起，大風(fēng)浪時(shí)船舶的操縱更為復(fù)雜，請(qǐng)參看下面的示意圖

B是預(yù)定的海上浮式裝置和錨之間的計(jì)劃方位線，AHV不改變首向，橫風(fēng)橫流的結(jié)局就是AHV在布錨的過(guò)程中慢慢偏離預(yù)定的方位線，形成C的軌跡。采取起始階段就啟用DP系統(tǒng)中Auto-heading功能選用合適的船首向，最后拋錨時(shí)的落錨點(diǎn)是可以達(dá)到要求的。如果控制不當(dāng)，造成C的局面，該錨則需要重拋。

在作業(yè)過(guò)程中有時(shí)為了增加船舶的靠泊安全系數(shù)，船長(zhǎng)會(huì)選擇從下風(fēng)接近海上浮式裝置，但是隨著作業(yè)時(shí)間的推移，下風(fēng)也有可能變成上風(fēng)。還有在碰到船尾嚴(yán)重上浪影響甲板作業(yè)人員安全的情況時(shí)，也會(huì)考慮到選擇船首迎風(fēng)浪以減輕船尾上浪。

3.3.3 撤退路線

撤退路線是指作業(yè)中當(dāng)機(jī)器設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，作業(yè)前就制定的準(zhǔn)備撤退的安全路線，與正常DP作業(yè)的不同在于，起拋錨作業(yè)要考慮到拖纜的對(duì)船舶的移動(dòng)限制，有些時(shí)候船尾拖纜在吃力繃緊的情況下，首先要讓拖纜快速松出，才能使船舶處于自由狀態(tài)，操縱船舶沿安全路線離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域;在中國(guó)南海海域作業(yè)時(shí)，密度流（又稱內(nèi)波流）的影響也不容忽視，如果遭遇強(qiáng)流時(shí)不采取任何措施，密度流可以輕松使船舶偏離原來(lái)位置20米以上，導(dǎo)致在靠離海上浮式裝置的過(guò)程當(dāng)中極易發(fā)生碰撞等事故，事先做好預(yù)案就顯得非常重要，作業(yè)中隨時(shí)關(guān)注計(jì)程儀的流速和DP CURRENT的變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)二者顯示數(shù)字同時(shí)異常時(shí)，即可判定密度流來(lái)襲，及時(shí)調(diào)整靈敏度等設(shè)置或直接切換到手動(dòng)模式，迅速將船位移動(dòng)到安全地帶，同樣的道理，有些情況不要忘記松出拖纜。

參考文獻(xiàn)：

[1] IMCA M182 International Guidelines for The Safe Operation of DP Vessels 2020.

[2] Michael Hancox Anchor-Handling Operation 2010.