152 000载重吨穿梭油船动力定位系统浅析

李景赞

(舟山中远海运重工有限公司，浙江 舟山 316131)

0 引 言

穿梭油船主要用于在浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)与采油平台之间驳运原油。由于海上石油转运技术要求较高，因此穿梭油船除了具有一般油船的设备以外，还具有很多其他设备，比如动力定位系统和艏装载系统等，其造价远高于同等吨位油船。舟山中远海运重工有限公司建造的152 000载重吨穿梭油船是其与挪威船东合作的项目，该船已成功交付2艘，并已在南美投入运营。该船在装卸和驳运原油过程中的各项性能指标表现良好，未出现任何异常，得到了船东的好评。目前该型船已成为舟山中远海运重工有限公司的特色品牌船型。本文主要对该152 000载重吨穿梭油船动力定位系统的配置进行简单介绍。

1 船舶动力定位系统的概念和工作原理

船舶动力定位是指船舶或海上平台不借助锚泊系统的作用，利用自身装备的各类传感器测出船舶的运动状态和位置变化，以及外界风力、波浪和海流等扰动力的大小与方向，并利用计算机进行实时计算，使船上的各推力装置产生适当的推力和力矩，以抵消扰动力，从而使船舶尽可能地保持目标船位和艏向。目前，动力定位的功能和适用范围正在逐渐扩大。采用动力定位技术，能使船舶与其他船舶保持相对位置不变，使船舶按预定的轨迹移位，按预定的计划航线以预定航速航行和对水下目标进行自动跟踪等。

图1为动力定位系统的基本工作原理。船舶在海上除了受到自身推力器的推力以外，还受到风力、波浪和海流的作用力，从而产生6个自由度的运动，即纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇和艏摇。动力定位系统利用位置测量设备测出自身位置的变化，利用各类传感器测出艏向、纵摇、横摇、风力和风向，并采用现代控制理论建立船舶与推力器的数学模型。

图1 动力定位系统的基本工作原理

2 船舶动力定位系统的组成

船舶动力定位系统通常由测量部分、控制部分和执行部分等3部分组成。

2.1 测量部分

测量部分包括位置测量设备(用于测量船舶的位置)和传感器(用于测量船舶的艏向、运动状态和外界环境状态)，一般配有全球卫星定位系统(Difference Global Positioning System,DGPS)、俄罗斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System)、差动绝对和相对定位系统(Differential Absolute and Relative Positioning System,DARPS)、水声定位系统(Hipap Position System)、远程微波系统(X Position Reference,XPR)、罗经、运动参考单元(Motion Reference Unit,MRU)、激光位置参照系统和风速风向仪等。

1)DARPS是一套基于GPS和GLONASS的系统，使用同时从远程目标物和本船上的高性能传感器中收集的GPS/GLONASS数据计算到目标的距离和方位。2套DARPS之间的数据由运行的超高频无线电单位传送。

2)XPR工作在9.2～9.3 GHz频段。当同时使用几个传感器单元时，将这些传感器单元布置在不同方向可使该系统的操作范围扩大到280°。该系统可与动态定位系统等远程系统交互，具有目标自动选择、内置系统测试和验证功能。

2.2 控制部分

控制部分是动力定位系统的核心，主要是对测量部分测量到的船舶运动信息和当前环境作用信息进行处理，根据处理结果向推力器发出控制信号，以对推力器进行控制，使船舶的推力装置产生适当的推力和力矩，从而抵消扰动力，进而使船舶在外力和推力器推力的作用下尽可能地保持目标船位和艏向。

2.3 执行部分

执行部分是动力定位系统的执行机构，根据控制部分的指令产生推力和力矩，以平衡作用于船上的扰动力和扰动力矩。动力定位船舶通常设置有多台推力器，包括主推进螺旋桨、舵和艏艉辅助推力装置(包括侧向推力器和全回转推力器)。

3 船舶定位系统在穿梭油船上的应用

以舟山中远海运重工有限公司建造的152 000载重吨穿梭油船为例，对船舶动力定位系统在穿梭油船上的应用进行介绍。该船采用一套双冗余动力定位系统，该系统满足挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)DYNPOS(AUTR)的要求，功能齐全、强大(见图2)。

图2 穿梭油船上的动力定位系统的基本组成

该动力定位系统由1套双冗余控制器单元(DPC-2)和2个操作站(K-POS)组成。

控制器单元包含2个功能强大的控制计算机和监测报警单元，为位置参考系统、传感器和双网络系统提供接口。每个操作站都包含1台运行Windows系统的高性能计算机、高分辨率的彩色平板显示器和经过认证的可显示海上工程作业数据的主要图形显示器。该系统具有双冗余、无单点故障等特点，同时具有故障检测、故障隔离、热备转换和对传输到计算机上的不同传感器数据进行分析等功能。

该系统采用扩展式卡尔曼滤波，建立一套船舶数学模型。扩展的卡尔曼滤波器具有以下优点：

1)根据噪声水平和测量更新频率，对航向和位置测量进行最佳的自适应噪声滤波；

2)对不同位置参考系统的数据进行比较之后给出最佳组合；

3)在缺乏位置测量的情况下，该模型可提供一种“推算船位”模式。

在定位操作中，该系统的控制器具有高精度控制、偏移回馈、风力前馈和涌流反馈等特性，同时具有环境补偿、模型预测控制和位置预测等功能。

3.1 该型船的动力定位系统的基本配置

该船配有3套DGPS、2套无线电定位系统、1套XPR、2套光纤罗经、1套陀螺罗经、1套运动参考单元、1套激光位置参照系统和3套风速风向仪。

控制部分采用双回路的数据处理单元和多套多功能控制台，能实现传感器系统数据处理，当1个传感器组包含2台传感器(已启用)时，若采集的数据出现偏差，将执行差异测试。此外，能实现位置参考系统数据处理、系统报警诊断、报警显示和信息打印输出等功能。

该船的执行部分配备1台持续服务功率为13 208 kW、转速为74 r/min的MAN 6G70ME-C10.5 CPP主机，驱动可调螺距螺旋桨；配置2台电动机驱动的油泵进行螺距控制，1台电动机驱动的油泵进行零螺距系统控制。可调螺距推力器和舵机辅助系统配置冗余电源，单电源出现故障不会对系统产生直接影响。3套可调螺距可伸缩方位推力器由电机驱动。每套方位推力器都装备有1个启动面板，可在需要时单独控制。2套艏方位角推力器的额定功率均为3 100 kW，位于艏推力器室。艉方位推力器的额定功率为2 500 kW，位于机舱底层。另外装有2套管道推力器。艏管道推力器的额定为3 100 kW，位于艏推力器室。艉管道推力器的额定功率为2 200 kW，位于艉部。

该船可进行定位能力在线分析。定制控制器增益选择，可允许操作员执行定制设置控制器的增益级；吃水补偿，可自动调整船的数学模型和实际吃水；预设通风功能，可使操作员选择预设的通风条件；吃水传感器，可不断读取船的吃水状态；运动预测，可进行在线分析(使用传感器数据)和离线分析(操作员指定数据)等。

该船的动力定位能力为：在浪高5 m、波浪周期为8.6 s、风速为20.5 m/s、流速为1.1 m/s的情况下，最严重的情况是当1组设备或系统发生故障时发生故障。典型的单点故障为：关键推力器失效，1套推力器组发生故障，1段电源母排发生故障。保持船舶与风和流的夹角在20°以内。

3.2 动力定位系统的基本操作模式

该船的动力定位系统有操纵杆模式、自动艏向模式、混合操作杆/自动模式、自动定位模式、自动操舵模式、自动循迹航行(低速与高速)、自动保持移动速度和任意中心自动回转等8种操作模式，船舶航行或工作时，根据实际需要实时选择适宜的操作模式。

3.3 通过动力定位系统实现的特殊装载功能

该船可通过动力定位系统实现以下功能：

1)海上装油，通过艏装载系统从FPSO上装入货油，到离岸卸货点卸载货油；

2)单点系泊，船舶通过单点形式系泊在另一个固定式或浮式结构物上，围绕该结构物随风、浪、流360°回转，在风标效应的作用下停泊在环境力最小的方位上；

3)不系泊装油浮筒，抵消固定端点附近的风标效应，使船舶围绕装油浮筒作规定角度的摆动；

4)串联装载，FPSO(Floating Production Storage and Offloading)/FSU(Floating Storage Unit)艉部的装载连接处保持连接，并抵消风标效应，实现海工装置间的货油输送。

4 结 语

船舶动力定位系统具有操作方便、精度高和定位准等优点，随着船舶与海洋工程的不断发展，该系统必将得到广泛应用，目前越来越多的工程船和军用辅助舰船开始配备该系统。该系统能大大提高船舶的远洋作业能力，但高昂的价格限制了其在普通船舶上的应用。相信随着人们对海洋活动的需求越来越多，该系统会逐渐朝着人性化、易操作化的方向发展。