动力定位系统浅析及调试工艺

徐业会 潘劭华

摘 要：动力定位系统在浮式海洋工程领域应用非常广泛，随着全球深水油气资源开发的加速，该技术的发展和应用将更加成熟。本文简述了动力定位系统及其基本组成，结合现场的调试经验，重点介绍系统调试的流程和需测试的功能，对调试过程中常见问题和解决方法进行了分析探讨。

关键词：动力定位；调试流程；FMEA

中图分类号：TE83 文献标识码：A

1 前言

动力定位系统于上世纪70年代后期由美国海军研制成功，起初主要装备在潜水艇上，并用于海底电缆铺设等作业。从上世纪80年代初开始，随着北海油田、墨西哥湾油田的大规模开发，动力定位系统被广泛应用于油田守护、平台避碰、水下工程施工、海底管线检修、水下機器人跟踪作业。20世纪90年代以来，海上油气勘探开发逐步向深水（300～1 500 m）和超深水（1 500 m以上）发展，几乎所有的深水钻井船、油田守护船都装备了动力定位系统。

2 动力定位系统简介

所谓动力定位（Dynamic Positioning 简称DP）技术，是在有风、浪、流干扰的情况下，不借助锚泊系统，利用自身的计算机自动控制推进器系统使得船舶保持一定的位置和首向，或者按照预定的运动轨迹运动船舶或浮动平台位置的技术。DP广泛应用于深水海洋工程装备，如钻井船、铺管铺缆船、潜水支持船、穿梭油轮、海洋平台供应船（PSV）和海上浮式生产储油船（FPSO）等。

3 动力定位系统组成及基本原理

（1）控制系统：由一台或多台装有控制器即控制软件的计算机执行控制，控制整个定位过程。控制器处理传感器信息以求得实际位置与首向，将实际位置和首向与给定值相比较，产生误差信号，内部计算后将力和力矩指令分配给各个推进器。控制软件的性能在很大程度上决定着整个系统的优劣，目前海洋工程应用较多的是挪威Kongsberg Maritime（KM）的DP系统，Navis Engineering Oy、Converteam、Rolls Royce及L3等公司的DP系统也有一定市场份额。

（2）位置参考系统：负责测量船舶或平台相对于某一参考点的位置和首向。

DP系统需要精确的位置信息作为参考，通常接收全球定位系统（如GPS或GLONASS）信息，GPS的定位精度在100 m左右，用差分定位系统DGPS进行信号矫正，能获得较高精度的位置信息，精度可以达到1～3 m。

① 激光定位（Laser）系统——是将激光反射装置固定在石油平台等固定的物体上，再由船舶上的激光发射器对着激光反射装置发射出激光信号，在船舶上接收到反射回来的激光信号后，DP系统会根据测得的数据进行定位。

② 水声定位系统——如KM的HiPAP500，在船舶的底部装有收发器，海底安有反应器，当反应器一收到船舶发来的声频信号，立即启动发射装置，反馈一个信号到船上。收发器收到后，它们之间的距离和方位数据就可计算出来并输入DP系统中。

③ 张紧索定位系统—一个约半吨重的重块由一根细钢丝吊着放到海底，船左或右舷伸出一小吊臂，细钢丝经吊臂头上的滑轮后缠绕在绞盘机的滚筒上。钢丝的张力要稳定在125 kg，这样钢丝的排放长度就随船的运动而变。装在滑轮上的传感器把垂线的垂角和长度数据输入DP系统中，就可以计算出船舶相对于重块的位置。

④ 微波定位——如Artemis，系统分为固定台和移动台两部分。船舶上放移动台，固定台放在类似石油平台的固定物体上。两个单元都有相似的雷达天线， X波段（3 m）的微波发射使两单元建立联系，精确的距离和方位数据被测出并输入DP系统中，不过周围其他的3m雷达的发射会对它产生干扰。

（3）环境参考系统：用于测量外界环境状态（如风速和风向）、船舶纵摇、横摇和垂荡运动以及首向等信息。常用的有Gill的风速风向仪、KM或者SMC提供的运动参考单元MRU，电罗经多采用Sperry的产品。

（4）动力系统：为整个动力定位系统供电并负责电站的保护和自动控制等。一般由发电机组、配电系统、机舱自动化系统等组成。发电机常用的品牌有卡特彼勒（Caterpillar）和瓦锡兰（Wartsila）等。

（5）推力系统：提供反抗环境因素的力和力矩，以使船舶处于规定的回旋圈内。一般由主推进器和侧推进器组成，有的船舶还安装了可伸缩式方位推。一般常用的推进器品牌有劳斯莱斯（Rolls-Royce）、瓦锡兰（Wartsila）和肖特儿（Schottel）。

4 动力定位系统调试

动力定位系统调试过程分为码头调试HAT和海上试航调试SAT。

4.1 码头调试

4.1.1 机械完工检查

机械完工检查的目的是确认设备安装及接线等满足规范要求，包括设备安装及外观检查、电缆敷设和电缆接线检查等工作，属于静态测试。在DP系统设备安装过程中，需特别关注位置参考系统传感器的安装，如风速风向仪周围不能有大的建筑物遮挡，运动参考单元的安装位置应当尽量靠近船舶中心，同时应避免周围有较大的震动设备。此外，DP系统设备易受外界信号干扰，需要特别注意设备的接地保护（保护接地PE和仪表接地IE）。

4.1.2 系统设备通电及接口测试

DP控制系统设备主要有控制器、操作台、传感器和位置参考系统。设备安装和接线完成后，可逐步对设备进行通电和接口间的测试。

控制器和操作台的软件在出厂测试FAT时已经安装，码头测试时主要检查系统是否正常启动、软硬件版本是否需要升级和网络通信等。

4.1.3 FMEA检查

FMEA即Failure Mode and Effects Analysis的简称，FMEA的程序由具备资质的第三方检验机构（如ABSG或GL等）编制，并现场进行检验，最后颁发相应的DP证书。

做FMEA是一个交互的过程，达成协议后，服务商先和船东确定FMEA的标准。确定标准后，FMEA服务商会给出一个需要由设计院、船厂和主要设备商提供的文件清单，收到后就可以着手分析，并和各方就具体技术问题展开沟通和澄清。FMEA服务商在完成书面分析后，会把撰写的包含有试验程序的报告提交船级社等待批复。

在船舶试航前，FMEA服务商需要在码头做管系和电缆敷设的检查，DP3系统的船舶还得进行防水和防火分隔检查。

4.2 海上试航调试

4.2.1 调试前准备

DP系统的海上调试，是指在电站管理系统和推进器系统测试完成后的完整性功能测试。该项工作开始前，需要对推进器的输出功率进行标定，确认功率和转速数据满足设计要求。其次是要测试突加或突卸情况下的推进器响应时间，即推进器控制命令从0至100%和100%至0的推进器响应，通常考虑在30 s内的响应曲线。

4.2.2 船舶模型修正及参数设定

此项工作是系统调试的关键，必须考虑不同工况条件下的模型修正。

（1）分别调整横荡、纵荡和首摇三个方向的参数，每种运动模式下，调整0～30s内系统模型曲线与实际曲线的吻合度，直至二者基本一致；

（2）在定位模式下，选用两个中的任一个或同时选用两个GPS这三种工况下，改变平台首向，系统自动控制平台运动并进行模型调整，即所谓的Tuning。此过程主要测试GPS信号的准确度并进行模型修正。在模型中需要输入GPS天线的安装坐标，即X、Y、Z的绝对坐标值，这是在天线安装结束后测量得到的；

（3）单个工况条件下的模型修正需要反复进行，直至达到模型与实际环境状况下的完全吻合。

4.2.3 功能测试

我司建造的PSV项目使用的是DP2系统，功能测试分为主DP、备用DP和独立操作杆系统Joystick三个部分，必须对每个系统的功能进行测试。

（1）自动控制测试

動力定位系统的自动控制模式是根据人工输入的船位和首向自动定位并加以保持，可采用下列方式进行试验：

①在确保各系统均工作正常的前提下，在DP系统中输入给定的船位及首向；

②启动自动控制模式，保持6～8 h，期间每隔一段时间记录船舶位置及首向或由系统自动记录；

③考察船舶位置及首向的误差，应在设计要求范围之内。且在整个系统进行操作时，至少有连续2 h的气候条件达到一定水平，即使推进器的平均载荷达到50%或更高。当环境条件无法达到上述要求时，可推迟到在适当场合下作为一个特殊的试验来进行；

④取消位置参考系统后，系统根据操作前的环境数据，自动保持约5 min的定位功能。在位置丢失后的报警测试：第一为运动过程中的推进器冗余测试；第二为旋转中心测试。

（2）位置参考系统测试

该功能主要考察位置参考系统的精确度，在仅使用一个位置参考系统下的运动平台，如选用GPS1而取消GPS2，测试GPS1的精确度。同样的方法测试其他位置参考系统。

（3）自动驾驶测试

自动驾驶模式通常仅放置在推进器控制台，用于测试系统的自动航行功能。自动驾驶命令发出后，推进器控制系统会自动判断电网功率，在功率不满足的情况下通过电站管理系统自动启动备机和并网。因此，该功能测试同时也是对电站管理系统的一次全面检验。

（4）自动轨迹低速运动测试

DP系统不仅可实现自动定位，而且可使平台或船舶按照预先设定的轨迹运动。在DP操作台设定一条路径，启动命令后，系统将自动控制平台按照预定轨迹移动并保持位置在偏差范围内。

（5）系统测试

系统测试用于冗余控制器间的切换、操作台的切换、DP姿态预测和DP能力分析等功能的调试，是对软件的自动切换能力和自动分析能力的考察。

4.3 故障模式及影响分析FMEA测试

功能试验结束后，进行故障模式及影响分析FMEA测试，即测试故障产生时系统的响应能力，分为DP模式和非DP模式。本文主要讨论针对DP系统的FMEA测试。

DP系统的故障模拟主要检验单个控制器、单个传感器（如风速风向仪、MRU和电罗经）、单个位置参考系统（如GPS）在断电或通讯等故障情况下的自动切换功能，主DP失效时切换到备用DP的功能，以及DP系统的定位能力分析功能。以上测试都必须保证任何单一故障（如果是DP3系统，则包括某一分区失火或浸水等）都不会导致平台或船舶失去位置，自动定位功能不受影响。

4.4 调试中常见问题及解决

动力定位系统作为复杂的控制系统，不仅技术难度较大，且与推进器和电站关系密切，因而还需要进行协调管理和配合。调试过程兼具技术和协调管理两方面的内容。

4.4.1 技术方面

DP系统设备安装问题最容易在调试中遇到，如：风速风向仪安装位置不合理，周围有结构物遮挡，因此最好将其安装在船舶或平台最高处；MRU的安装位置应当避开周围振动物体，为减小振动可以增加减震垫。另外，关于DGPS的信号受附近大功率设备信号的干扰等问题大多是安装位置不理想造成的。

另一个问题则是设备间的通讯故障，通常可通过检查线路连接、接口协议、数据率设置和软硬件版本等进行解决。

4.4.2 管理方面

动力定位控制系统的最终目的是控制各个推进器的方向和作用力，以抵抗外界环境力的影响，实现动态定位。海上调试期间，面临着复杂的外界环境，又必须保证电力系统（发电机、配电板和电站管理系统等）、推进器系统（螺旋桨、冷却系统和控制系统等）及其他辅助系统（如CCTV、应急切断等）等正常工作，针对不同工况要求，须频繁对船舶进行压载或卸压操作。这些设备的运行和操作的实施，很容易因管理不到位而出现问题。所以，调试期间不仅需要各个专业团队密切配合、协同工作，而且对于系统操作的安全必须给予足够的认识。调试工作尤其是海上调试工作，对于各级组织的管理、规范的制定及各项应急措施的准备尤为重要。

5 结束语

动力定位系统自研发成功至今，已经过半个多世纪的发展和应用。随着计算机技术、网络通信技术和控制理论的不断进步，系统将日趋成熟并不断完善。而全球深水油气资源开发的飞速发展，使得动力定位系统的应用更加普遍。本文在阐述系统的产生、基本组成和应用的基础上，结合作者的调试经验，对DP系统调试的流程进行梳理和总结，并提出了调试过程中的注意事项，以期形成较为完整的调试程序结构，对今后我司类似船舶系统的调试提供借鉴。

参考文献

[1] Dynamic positioning[EB/OL] 2012.

[2] David Bray FNI.Dynamic positioning[M].2003.