船舶系泊动力定位控制技术综述

2023-02-15王元慧张潇月王成龙

哈尔滨工程大学学报 2023年2期

王元慧，张潇月，王成龙

(哈尔滨工程大学智能科学与工程学院, 黑龙江哈尔滨 150001)

随着世界经济增速发展，石油、天然气等能源短缺问题日益严重，陆地资源已无法满足发展所需，拥有丰富油气资源的海洋便成为了大众关注的焦点。然而，海洋不同于陆地，水深、水压以及复杂多变的风、浪、流环境为资源开采造成了不少阻碍。为解决海洋资源开发问题，为海洋开发装备提供安全、技术支撑的船舶定位技术应运而生[1]。目前，船舶的定位方式主要有3种：系泊定位技术、动力定位技术和系泊动力定位技术。

上述3种定位方式都能够保证船舶的安全作业，但其应用场景不同且各有优劣。系泊定位又称锚泊定位，是最传统的船舶定位方式，它通过由锚、锚缆和锚链等构成的系泊系统将船由锚固定在海底，从而确保船舶在一定的工作区域内作业。这种定位方式简便易操作，结构简单、可靠、经济性好。但是，由于系泊系统的制造及安全成本会随着水深增加而大幅增长，且机动性差，难以抵御恶劣环境，因此大都用于近海、浅海，海况较好时的海上作业[2]。动力定位技术是仅利用船舶自身推进系统维持船舶位置及艏向的定位方法。它具有精确灵活、机动性强、不受水深制约等优点，可应用于各种水域。但是，因其完全依靠推进系统抵御外界环境，对能源的需求较大，经济性较差[3]。系泊动力定位技术是结合了系泊定位和动力定位二者的长处，系泊系统和船舶推进系统相互配合使用，既能抵御外界环境干扰，又能够减少能源消耗，同时可以保证恶劣海况下船舶的安全。因此，与单独的系泊定位技术和动力定位技术相比，系泊动力定位技术扬长避短，集合了二者的优点，是必不可少的全天候、能耗经济的安全海洋资源开发技术[4]。

由此，系泊动力定位技术一经提出就受到了广泛关注。近年来，各国学者在系泊动力定位技术方面的研究成果颇丰。本文重点关注系泊动力定位控制技术的发展动态，从系统构成、模型建立及控制器设计等方面阐述系泊动力定位技术的发展趋势，分析控制策略的优劣及应用范围。同时，展望了未来系泊动力定位的发展趋势和应用前景。

1 系泊动力定位系统组成

系泊动力定位系统由系泊系统和动力定位系统组成，而动力定位系统又是由测量系统、控制系统和推进系统构成[5]，其系统结构由图1所示。系泊系统提供回复力抵御部分外界环境力，由测量系统获得位置坐标及环境参数信息，控制系统根据期望目标和相关数据由算法计算生成控制指令，并通过推进系统执行实现。

图1 系泊动力定位系统结构Fig.1 Structure of position mooring system

系泊动力定位系统的控制目标是借助推进器和系泊系统补偿海洋环境的干扰，使船舶的位置维持在工作区域内且保持期望艏向。其中，在保证系泊缆绳安全的前提下，充分发挥系泊系统的能力来抵御外界环境干扰，减少动力定位系统对推进器的调用，从而节省能源消耗和机械磨损。

系泊动力定位系统的一般工作过程如下：在平静海况下，由系泊系统提供定位支持功能，只使用动力定位系统进行船舶的艏向控制，以达到节省能源降低损耗的目的；在中等及恶劣海况下，动力定位系统启动，辅助系泊系统一同为船舶提供回复力，提高抵御环境力的能力，提高定位精度，同时减少系泊缆绳张力，预防系泊缆绳断裂的发生，从而提高了系统的安全性和可靠性。

2 系泊动力定位系统模型

2.1 船舶运动数学模型

构建船舶系统数学模型是控制器设计的基础。船舶系泊动力定位模型通常采用运动学和动力学六自由度矢量方程表达的形式[6]：

(1)

式中：η是北东坐标系下的船舶位置姿态矢量；υ表示船体坐标系下的船舶的线速度和角速度矢量；R(ψ)是2个坐标系之间的转换矩阵；M是包含附加质量的系统惯性矩阵；C(υ)是包含附加质量的科里奥利向心力矩阵；D(υ)是阻尼系数矩阵；g(η)是重力/浮力引起的力和力矩矢量；τ表示船舶推进系统提供的力和力矩；τenv表示风、浪、流等环境干扰产生的力和力矩；τm表示系泊系统提供的系泊张力；go为船舶压载水提供的均衡力矢量。

系泊动力定位系统一般仅控制水面船或浮式平台的位置及艏向。因此，可将六自由度方程简化为三自由度方程：

(2)

式中：η=[xyψ]T和υ=[uvr]T分别表示船舶纵荡、横荡及艏摇方向上的位移和速度。

2.2 系泊系统张力模型

上述船舶系统模型中的τm表示的是系泊系统提供的系泊张力，它与船舶位姿、外界环境及系泊缆绳结构有关，是一个复杂的非线性系统，需要构建合适的数学模型来描述它。目前常用的系泊缆绳张力模型的构建方法根据对系泊系统力的分析方式可分为静力分析方法和动力分析方法。

2.2.1 静力分析法

静力分析法的基本原理是在稳态条件下根据缆绳的受力情况，利用系泊张力和环境干扰力使得系统受力平衡原则，预估缆绳的几何形状、船舶平衡状态下的位置以及该状态下的缆线张力。悬链线分析法是典型、常用的静力分析方法。刘书胜等[7]应用悬链线法构建了多成分系泊系统模型。陈新权等[8]考虑了多段不同材料的系泊缆绳及其分布对系泊张力的影响，通过悬链线分析法构造系泊张力模型并确定合适的缆绳布局方式。于文太等[9]利用悬链线法推导得到了带有浮筒的系泊系统模型，并计算了多浮筒悬链线系泊缆索姿态参数。

然而，悬链线分析法在计算过程中一般只考虑浮体的水平位移，忽略了质量、运动阻尼等动力因素。并且建立在下列假定情况下：缆索自身重力远大于其受到的流体作用力，忽略流体作用力、缆索惯性力和自身的弹性形变等。虽然浅水区域的环境能够满足这些所需的假定，保证所求缆绳张力在可接受误差范围内。但是，在流速大的深水环境中，或者对于为了迎合深水需求自重小的新型复合缆索来说，该方法不再适用[10]。

2.2.2 动力分析法

系泊缆张力的精确计算是系统设计、作业操作、安全保障的前提和基础，因此针对深海、极端环境下系泊缆的运动特性分析不能忽略缆绳自重、流体作用、惯性力和运动阻尼等动力因素。对系泊系统采用动力分析法，能够准确预报系统在极端海况下的响应，也为系泊系统的疲劳分析提供了保障。

在系泊系统运动特性的动力分析法中较为常用的有集中质量法和有限元法。它们分别将缆绳化作n段质量集中在节点的弹簧和n段弹性杆，根据受力平衡关系、边界初始条件列写方程，最终推导系泊张力。这2种方法全面考虑了系泊系统非线性，能够准确、实时地预报系统在极端海况下的响应，也为系泊系统的疲劳分析提供了保障。赵晶瑞等[11]建立带有浮筒的系泊系统集中质量力学模型，通过仿真验证浮筒可以有效减小缆绳张力，但会改变最大张力点；海流的作用力在系泊缆的静力分析中可以忽略。袁梦等[12]采用弹性杆单元，构建了系泊系统有限元模型。Fang等[13]进一步建立了广义系泊力有限元模型，为后续系泊系统安全定位控制研究建立了基础。Lee等[14]通过增量和迭代对有限元方法进行改进，推导了单点系泊多段缆绳在波浪力作用下的有限元张力模型，并通过仿真对比实验验证了合理性，可应用于缆绳的动态分析。

综上所述，3种方法都能够推导得到系泊系统的张力模型。悬链线分析法是静力分析方法，多用于近海、浅海等海洋环境较为简单，对张力精度要求不高的应用场景中；集中质量法和有限元法是动态分析法，能够实时、精确地分析系泊缆绳的运动状态、与船舶的耦合运动以及受海洋环境的影响变化，可应用于深海、远海等环境较为复杂，对系泊缆绳张力的精确性要求较高的作业场景中。

3 系泊动力定位控制策略研究进展

系泊动力定位系统由系泊系统和动力定位系统组成。根据对这2个系统的处理方式不同，系泊动力定位控制策略大致可分为分离控制和混合控制2种不同方式。分离控制就是为系泊系统和动力定位系统设计2个控制器，分别控制系泊张力和船舶位姿，从而保证船舶系泊张力在安全限界之内，同时船舶在指定范围内正常作业。混合控制就是只设计一个控制器同时控制两个系统，它能够同时保障系泊缆绳安全及船舶的作业定位要求。

3.1 系泊动力定位分离控制策略

将系泊系统和动力定位系统看作2个独立部分，分别设计控制器进行控制。系泊系统控制器又可以分为主动控制器和被动控制器，主动控制是通过控制拖缆绞车调节缆绳长度，从而主动调节系泊张力；被动控制是通过控制船舶位置从而改变缆绳结构形态，达到调节系泊张力的目的。系泊系统主动和被动控制的结构图分别如图2、图3所示。

图2 系泊系统主动控制结构Fig.2 Structure of active control for mooring system

图3 系泊系统被动控制结构Fig.3 Structure of passive control for mooring system

Aamo等[15]提出了一种动态非线性系泊系统锚链张力PID主动控制器，通过调节缆线长度改变系泊系统回复力。跟踪已设计好的动力定位控制律，尽可能利用系泊张力实现控制指令，减少调用推进系统，从而减小系统能耗和机械磨损。但是，系泊系统主动控制策略存在明显缺陷，即由于其执行机构绞车存在负载、绳速等物理特性限制，张力调节缓慢，当控制指令快速反复变化，绞车无法实时跟踪指令做出相应动作，还会造成一定的机械磨损。这就会造成控制效果不佳，甚至出现危险情况。

因此，为解决上述问题，提出了通过改变船舶位置调节系泊张力的被动控制算法，设定点追踪算法，即根据变化的外界环境自动生成新的位置设定点，系泊张力与环境载荷在该点处达到平衡。这样就可以最大限度地减小使用推进系统，而使系泊系统被充分调用。Nguyen等[16]应用设定点追踪算法，设计了4种控制模式以应对不同海况。Wang等[17]应用实验和数值仿真说明设定点追踪算法对系泊动力定位系统的影响，证实该算法计算得到的设定点确能大大提升船舶性能，提高系泊系统的利用率。Fang等[18]改进了设定点追踪算法，以确保每一根缆绳的系泊张力都在安全界限内，设计了与张力有关的二次成本函数，通过求解函数取最小值时的解，计算最优设定点。并进一步考虑缆绳张力的动态效应，引入结构可靠性因子作为权重参数，从而提升系泊系统安全性。Srensen等[19]将设定点追踪算法应用到钻井船上，构建立管有限元模型，根据立管偏移角度的成本函数计算最佳设定点，并设计控制器。Fang等[13]直接利用结构可靠性因子替换系泊张力构建最优设定点计算成本函数，以考虑快变的系泊张力动态分量且保证张力低于最大阈值。

3.2 系泊动力定位混合控制策略

与系泊动力定位分离控制策略相比，混合控制策略只设计一个控制器同时约束系泊系统和动力定位系统，实现船舶作业定位任务的控制方法，因其结构简便，得到了更多的关注。目前，有如下2种主流的控制方案：

1)将系泊系统视为动力定位系统的一部分，其不参与控制器的设计。

一部分研究直接将系泊系统视为动力定位系统的一部分，主要针对动力定位系统的控制器进行设计，其系统控制结构如图4所示。与图2和图3的不同之处在于：这部分研究将系泊动力定位看作统一的一个整体，并未实际对系泊系统进行单独的控制和约束，仅利用其系泊张力抵消部分外界环境载荷。重点关注复杂的海洋环境和船舶非线性，其控制策略研究大都集中在非线性智能控制方法上，如：反步控制[20]、动态面控制[21]、滑模控制[22]、模糊控制[23]、模型预测控制[24]等。Ho等[25]构建动力定位T-S模糊模型并设计二次有限时域模糊最优控制器，通过与传统最优控制器对比仿真验证了算法的优越性。张国庆等[26]设计了自适应终端滑模控制器，实现了有限时间内的船舶动力定位控制。

图4 动力定位控制结构(系泊系统不参与控制器设计)Fig.4 Structure of dynamic positioning control(controller design without mooring system participation)

上述研究应用了不同的控制算法实现了船舶定位作业任务。在实现系泊动力定位的基本控制目标后，控制策略的研究便进一步朝着解决工程应用所遇到的现实问题方向开展。为解决通信时延对船舶操作的影响，Wang等[27]设计了基于神经网络的T-S模糊控制器，并建立观测器估计船舶位置速度状态及环境干扰。针对速度不可测、环境干扰以及建模不确定性问题，Wang等[28]提出了一种基于状态约束的自适应反步模糊动力定位控制器，该控制器可以实现有限时间内的路径跟踪，并且保证跟踪精度。张玉芳等[29]设计干扰估计器解决干扰问题，并设计反步控制器对干扰进行补偿。为解决执行机构故障，文献[30-31]提出了滑模容错控制策略，保证船舶在故障情况下的正常运行。为了拓宽动力定位应用海域，增强其对不同海况的适应性，Nguyen等[32]设计了系泊动力定位混合控制系统，能够监控海况并切换相应控制器，实现平静、中等、恶劣全海况下的船舶运动控制。Brodtkorb等[33]进一步改进了混合监督动力定位控制器，增强对误差的鲁棒性，提高系统瞬态响应速度，并通过数值仿真实船实验验证该控制系统对各种海况的适应性。考虑海冰存在的场景，为减弱冰载荷对船舶作业及系泊系统的影响，提出系泊动力定位艏向控制策略。Zhou等[34]应用动态冰模拟器设计了基于卡尔曼滤波的航向系泊动力定位控制器，使船舶艏向与冰漂移方向保持一致，同时为了防止艏向控制器的持续使用会降低系统性能，从而增加系泊张力，设计了控制器适时启用方案，减少能源消耗。Lee等[35]提出了一种根据系泊张力确定船舶艏向的系泊动力定位控制方法，并通过仿真验证该算法能够有效降低冰载荷对船舶的影响。

2)将结构可靠性引入动力定位控制设计。

上述提到的控制器都没有对系泊张力进行实际的约束，系泊系统的安全性无法得到保障。因此，能够表征系泊缆绳安全的参数，结构可靠性因子被引入了动力定位控制器的设计[36-37]。结构可靠性因子是一个关于系泊张力的指标，它表示系泊缆绳的断裂可能，该指数越小，系泊张力越大，表示系泊缆绳越可能发生断裂。将该指标替换船舶位置作为控制对象，设置略大于临界值的期望结构可靠性因子，调节船舶位置，由变化的系泊张力计算实时可靠性，利用其与期望值的误差通过设计的控制律调节船舶位姿，最终使得船舶的实时结构可靠性指标与艏向同期望值一致。这样就将系泊系统和动力定位系统看作一个整体，其控制结构图如图5所示，只设计一个控制器便可通过调节船舶位姿间接地控制系泊张力，并且可以保证在系泊缆绳安全的前提下，充分利用系泊张力维持船舶位置，减少对推进机构的调用，从而节省能源消耗，降低机械磨损。

图5 基于结构可靠性的系泊动力定位控制系统结构Fig.5 Structure of structural reliability-based position mooring control system

Berntsen等[38]将结构可靠性因子引入反步控制器设计，并进一步通过数值仿真和实船实验验证了基于结构可靠性的控制器能够保证船舶在恶劣环境下的正常作业，并且充分调用了系泊系统[39]。Wang等[40]设计了基于结构可靠性的动态面控制器，引入了S型跟踪微分器和Nussbaum函数简化控制器设计过程；并设计在线构造模糊系统估计系统不确定性和外界干扰，优化了控制器性能[41]。Wang等[42]考虑未知时变干扰和输入约束，设计了带有饱和补偿的基于结构可靠性的动态面控制器。王元慧等[43-44]提出了基于结构可靠性的滑模控制器，并考虑执行机构饱和，对比2种不同处理方式，通过实验验证了控制器的有效性。

4 系泊动力定位控制策略展望

船舶系泊动力定位系统控制策略的研究主要集中于如何在保证系泊缆绳安全的前提下，尽可能多地利用系泊系统的定位能力，避免对推进器的过度消耗。其未来的发展趋势会依据其工程应用场景的横向(即极限海况海域、冰区和极地等)和纵向(即深水和超深水应用)拓宽而向着更高的控制要求(抗干扰能力、响应速度、控制精度等)迈进。

4.1 极区环境下的系泊动力定位控制策略展望

北极地区蕴含着丰富的油气资源，随着气候变暖的影响，对极区的资源探索与开发也变成了可能。我国作为“近北极国家”，积极参与北极航道的开发利用，有利于世界经济的发展和国家的进步。此外，我国渤海区域在冬季也存在海冰的情况，因此，对存在冰载荷干扰的极区环境下的系泊动力定位控制研究具有重要意义。

由于极区环境与普通海洋环境的最大区别在于冰载荷的存在，因此对于极区环境下的系泊动力定位研究大都集中在对于冰载荷的处理上。目前，国外已有学者通过设计冰观测系统[45-47]、图像处理[48]以及危险评估[49]等手段观测、估计冰载荷的值，并通过基于来冰方向的艏向控制以及加速度前馈补偿等手段在控制器设计阶段对冰载荷干扰进行补偿。而国内学者也通过有限元法[50-51]、离散元法[52-54]和实验法[55-56]等对冰载荷与浮式结构和锚泊系统之间的作用关系进行了研究。

但是，上述研究多为冰载荷对浮式结构及锚泊系统能力的影响，很少有针对系泊动力定位控制系统的影响。因此，冰载荷对浮式结构定位控制能力的影响有待于进一步研究。此外，由于极区船舶工作时大都需要配备破冰船为其营造碎冰环境，增大了工作成本。为提高极区资源探索及开采的经济性，需研究抗冰能力和应急能力强的系泊动力定位控制系统，并提升冰观测系统的精度，准确判断冰载荷大小，使船舶在正常工作时可抵御较强的冰载荷冲击，在遇到无法正常工作的紧急情况下，可启动应急脱离系统，快速离开危险区域，从而提高船舶作业的定位精度及安全可靠性。

4.2 复杂海况下的系泊动力定位控制策略展望

海洋环境复杂多变，一些特殊海域或极限天气下，存在变化速度快、幅值大的风、浪、流等环境干扰，这都是船舶在执行工作任务时不可避免会遇到的情况。为实现船舶在复杂海况下的安全正常工作，一方面应从对环境干扰的观测估计入手，为后续控制设计提供精确的环境干扰信息；另一方面应从控制器设计入手，在允许工况内设计抗干扰能力强的系泊动力定位控制器，在超过阈值范围状况下及时切换控制策略，快速远离危险区域，规避风险。

目前，对于环境干扰的观测估计方法研究主要有高增益观测器[57]、模糊估计系统[41]以及神经网络估计系统[58]等。但是，由于上述提到的估计方法有些需要精确的数学模型作为先验知识，有些需要大量数据进行系统训练，实时性较差。因此，对于环境干扰估计和观测的研究应向着不依靠船舶模型，提高观测实时性和精确性的方向发展。

而针对复杂环境下的控制器设计方案，目前已有很多研究提出了鲁棒性强的控制算法，如：滑模控制[59]、自适应控制[60]和H∞控制[61]等。但为了应对变化快速且幅值较大的海洋干扰时，应进一步考虑控制器的抗干扰性能、控制精度以及执行机构的饱和等问题。所以，在设计复杂海况下的系泊动力定位控制系统时，要全面考虑上述提到的因素。此外，为了保障各种海况下船舶作业的经济性及安全性，还应进一步发展切换控制策略，在平静和中等海况下，提高船舶作业经济性，减少能源消耗；在恶劣环境下，保证船舶作业安全，并在超过安全阈值后，可以快速进行系泊系统解脱，撤离危险区域，保证全海域全海况下的船舶安全作业。

4.3 系泊动力定位远程操控无人控制策略展望

随着科学技术及智能控制的发展进步，针对一些较为恶劣、不适宜人类生存的海洋环境中的船舶作业问题，发展出远程操控的无人系泊动力定位控制技术。针对其中出现的一些问题，如：通信时延、远程操控精度低以及系统自主智能决策等，国内外的研究学者先后提出了神经网络控制[27]、智能路径规划算法[62]、系统强化学习智能决策系统[63]等方法。但是，目前只有少部分研究将系泊动力定位系统与无人远程控制结合应用于工程实际，如：无人水下发射平台[64]、浮式平台远程安全评估[65]以及海底发电系留平台[66]等。

这是由于远程操纵及无人控制技术大都应用于较恶劣或复杂环境干扰下，对控制系统实时性、灵活性及控制精度有较高要求，也对其工程应用存在一些阻碍。为了进一步提升远程操控或无人控制系统性能，应注重缩短通信及控制时延，提升控制系统反应速度；对智能控制算法而言，应注重提升其计算速度，保证系统实时性的同时，还应提供在线学习功能，可及时处理新的、特殊的环境干扰。

4.4 复杂工程应用中的控制策略展望

随着对海洋的进一步探索与开发，系泊动力定位系统的应用也越发多样化，面向不同的工程应用和场景，其控制目标也各有侧重。

4.4.1 容错控制

船舶在作业中会遇到较为常见的如系泊缆绳断裂、传感器故障或推进器故障等问题，在这种情况下如何利用本身的控制系统自动补偿故障造成的影响，从而确保系统的稳定性和期望性能是首要任务。目前较为常见的故障处理手段是容错控制，它又可以分为被动容错[67]、主动容错[68]和鲁棒容错控制[69]。但是上述控制方案对系统软件及硬件有冗余的要求，一定程度上制约了容错控制的系统设计。因此，如何在船舶现有的软件、硬件架构的基础上识别、解决故障有待进一步研究。

4.4.2 多船协同动力定位

一些海上作业任务如：深水水下管道铺设、海上结构拆卸安装、海上船舶补给等，通常需要多艘船协同配合完成，有时还需应用多艘船连接非机动结构从而控制其运动。因此多船之间的连接关系及协同控制问题也是新的研究热点。已有一些控制方案：多船的协同控制70]、基于共识的控制律设计[71]以及多船分布式模型预测控制[72]等。但是这些控制方案大都精简了拖船与拖缆模型，固定了连接点的位置，并且一部分忽略了外界环境干扰。因此，对于多船动力定位，如何合理选择多船分布模式，建立精确连接模型以及考虑外界干扰下的多船协调控制都是有待进一步研究的热点问题。

4.4.3 避碰问题

由于一些大型海上浮式机构通常系泊在同一海域进行长期作业，需要配备其他功能的船舶承担其补给、维护等工作，而这些船只的往来会对系泊结构的运动和作业产生一定干扰，同时也要注意与往来船只之间的避让。而对于船舶系泊动力定位控制的研究中，鲜少有研究会考虑过往船只对船舶运动产生的干扰以及研究系泊船舶与船只之间的避碰问题。因此，针对长期海上系泊浮式结构来说，系泊船舶与过往船只之间的相互干扰以及避碰问题是普遍存在还未被研究的具有现实意义的研究方向。