船舶动力定位系统的使用.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 31 船 舶 动 力 定 位 系 统 的 使 用 国家海洋局北海分局陆会胜 随着计算机的应用领域不断扩大 船舶动力定位 系统 被逐渐广泛地应用在一些工程船和海洋调查船 上 这些船舶在作业中对于保持船位的要求特别高 最 近几年 在一些新造的港作船和大吨位的客滚船上也 装有动力定位系统 本文以 大洋一号 为例介绍动力 定位系统的使用 大洋一号 远洋科学考察船于2002 年进行现代化增改装时 增加了一套动力定位系统 自 2003年开始 一直应用在海洋调查作业中 1 大洋一号 船动力定位系统简介 动力定位系统由测量系统 控制系统和推进装置 组成 控制系统接受测量系统发出的位置信息和环境力 信息 通过计算机自动控制船上的各推进装置 对抗船 舶受到的各种外力 风 流 浪和惯性 使船舶保持所 希望的 固定的或变化的 位置和船首向 具备定点控 位 水下目标跟踪与自动循迹航行能力 大洋一号 船 动力定位系统的控制系统是挪威Kongsberg公司生产 的 型号SDP 11型 设计指标是在风力不大于6级 海流不大于1kn时 利用广域差分全球卫星定位系统 的定点控位精度不低于40m 为方便操作 本系统配有 一个便携式手操终端和3个插座 可在驾驶室两舷或 尾部控制室对动力定位系统实施手动控制 测量系统的功能是测量船的位置信息 运动信息 和环境信息 并将信号输出至控制系统 由船上的下列 测量设备组成 1 风速风向仪 提供风速风向的数字信号 2 激光惯性导航系统 其中PHINS提供数字航 向信号 OCTANS提供模拟量纵横摇信号 3 超短基线水下声学定位系统 4 广域差分全球定位系统 DGPS 推进装置接受控制系统发出的指令 产生足够的 推力和力矩以抵抗船舶受到的各种外力 风 流 浪和 惯性 实现动力定位 大洋一号 船的舵机和主推进 装置 可变螺距桨均纳入动力定位系统 2台PC2 5L柴油机 并设有2台轴带发电机 主柴油机除了驱 动可变螺距桨外 还需带动轴带发电机 主柴油机额定 功率2572 5kW 轴带发电机额定功率1600kW 另增 设辅助推力装置 船首部设1台可伸缩全回转舵桨装 置 最大推力125kN 输入功率735kW 尾部增设一台 尾侧推装置 最大推力65kN 输入功率550kW 2动力定位系统的作用 船舶动力定位系统具有定点控位 水下目标跟踪 与自动循迹航行能力 水下目标跟踪应用在水下机器 人的作业过程中 自动循迹航行则是在高速航行时的 一种控制方式 对于船舶的首尾侧推负荷要求不高 在 实际应用中 定点控位功能适用的场合最为广泛 在几千米水深的大洋中进行海洋调查作业时 需 要把调查设备悬挂在钢缆或铠装电缆的端部 停船向 船舶动力定位系统的使用 陆会胜 和必要的 建议有关标准对VDR记录AIS数据进行 规定 这样只要获得一船的VDR回放数据 就可同时 获得他船的有关数据 不仅可以很好地解决未安装记 录设备的事故船舶的数据源问题 从而可以更有效地 利用 基于航行记录数据的船舶碰撞过程仿真系统 进 行碰撞事故分析 9 而且也可以有助于有关部门 如 V TS 船公司 了解其他海事事故 附近船舶的航行动 态和进行更有效的船舶管理 5结束语 本文在分析了目前船舶碰撞分析的现状 结合AIS 的数据类型 数据更新率 安装期限等特点 提出了要求 VDR记录AIS数据的建议 此外 本文是从VDR的角 度出发 建议对AIS数据进行记录 也可以从AIS角度 出发进行研究 即AIS发射数据信息可以从VDR中进 行读取 以实现VDR与AIS的完美结合 3 注 基金项目 上海市教育委员会科研项目 2004097 参考文献 1吴兆麟编 海上避碰与交通安全研究 M 大连海事大学出版社 2001 2中华人民共和国海事局 1974年国际海上人命安全公约第 章航行 安全及其相关导则 M 大连海事大学 2002 3中国船级社 国际海事组织第79届海上安全委员会情况介绍 上 Z 中国船级社 2004 4国际海事组织 Performance Standards for shipborne voyage data records VDRs S 国际海事组织 1997 5陈宇里 孔凡 船舶 黑匣子 的最新发展及选用 J 航海技术 2005 4 6任松涛 浅谈船舶自动识别系统 AIS J 浙江交通职业技术学院 学报 2002 3 7中国船级社 船舶自动识别系统检验指南 AIS S 人民交通出版 社 2003 8赵劲松 王逢辰等编 船舶避碰学原理 M 大连海事大学出版社 1999 9孔凡 胡勤友 陈宇里 基于VDR回放数据的船舶碰撞过程仿真 系统的设计 J 中国航海 2004 2 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 32 航海技术 2006年第5期 海中放出几千米的钢缆或铠装电缆进行调查作业 在 还没有动力定位系统时 只能将船舶停在预定的工作 站位上漂泊进行作业 从开始停船向海中放出调查设 备至到达几千米深的海底再将设备回收到甲板上 一 个站位的工作时间一般往往需要4 5个小时 这期 间 按1 2kn的洋流计算 船位已经随波逐流漂出了 4 6n mile 调查资料的准确性可想而知 利用动力定 位系统保持在预定的位置上进行作业 保持作业资料 的准确性 这是定点控位的首要用途 其次 现在进行的大部分深海取样调查工作 都是 可视化作业方式 即通过铠装电缆将海底的视像数据 传回到实验室 实验室根据底质情况向海底的取样设 备发出工作指令 这一类的调查设备都要求在指定的 位置上进行调查取样作业 如深海浅钻和电视抓斗 等 且在工作过程中 为了完成浅钻和抓斗工作 必须 保持船位不发生漂移 否则不仅无法完成海底作业 还 有可能对水下的设备造成损坏 还有一类调查设备 如多管取样器 箱式取样器 等 在进行作业时要求钢缆必须垂直于海平面下放入 水 才能在海底正常完成取样动作 以上几种情况 都要求动力定位系统作为保障 3在海上作业时 动力定位系统的使用和探讨 在近几年的海上调查作业中 大洋一号 船主要 是在2000 5000m的深海大洋中进行定点调查取样 作业 现着重谈一下定点控位配合作业的情况 1 选择船首顶风流的合力方向停船 以减少首尾 侧推的负荷 按照动力定位的设计要求 应该是船在可工作的 海况下 在任何船首向上都可以停船进行控位 不过 若这样操作 船舶受到的外界作用力在横向上的矢量 较大 首尾侧推的负荷就会很大 一般情况下会出现接 近满负荷运转 负荷指示在90 100 此时动力定 位系统操作控制面板上出现超负荷指示 在驾驶室的 监视屏幕上 也会发现负荷突然升高到安全负荷以上 对于船舶动力设备的安全产生很大的隐患 根据 大洋一号 船动力定位系统的设计指标 可 以在小于6级风 1kn海流的海况下进行动力定位工 作 但是进行大洋考察期间 海上的风力大部分都是在 6 7级 若达到8级风时 海上的风浪就已经不适合 安全作业 只能选择航行到风力较小海区避风或原地 抗风 等待风浪较小时再进行作业 但是我们不可能在 占风力概率60 70 的6 7级风时 不进行调查作 业 此外 我们工作的海区大都处于中低纬度 那里的 海流以洋流为主 不受潮汐的影响 相对稳定 据我们 进行水文调查的数据显示 海流大于1kn的概率为 85 在东太平洋的赤道附近海流甚至达到3 4kn 据此 我们只能针对现实的海况条件和动力定位系统 的特点找出新的使用方法 海上的风和海流等外界作用力在一定时间内是相 对稳定的 变化很慢 若船只横向受到风和海流的作用 时 会产生很大的侧压力 船只欲保持原位 控制系统 会向首尾侧推发出指令给予反向补偿 需要很大的负 荷才会产生效果 而首尾侧推的推力与主推进器相比 很小 若是船只受到纵向的风和海流作用时 对于船只 的侧压力很少 只有前后的作用力 此时 动力定位的 控制系统只需向可变螺距桨发出很小的补偿指令 即 可抑制船舶的移动 达到保持指定船位的效果 因此 选择船只纵向顶风 流停船控位较为理想 考虑到船舶 主机在设计时 允许进车负荷比倒车负荷大很多 所以 选择船首方向顶风 流的合力方向停船最为理想 大洋一号 船动力定位的测量系统中 只有风速风 向传感器 而没有表层海流传感器 动力定位控制系统 操作屏幕上显示的海流数据是计算机根据各种外力情 况反推出来的 只具有参考意义 在操船时可根据操作 屏幕上显示的横向位移值来判断哪一舷侧的受力较大 然后再向该舷侧调整船首向 以找到最佳船首向 当船 被控制在最佳的船首向停船时 可变螺距桨的负荷一般 在全负荷的5 10 首尾侧推的负荷在5 15 之间 动力定位系统的各推进装置工作稳定 安全 2 将左右主机单独使用 改为双机合排并车使用 由于 大洋一号 船是一艘旧船改装而成 主机和 轴带发电机等核心动力设备的使用寿命已经有20 年 在增改装时 为了稳妥起见 设计成在动力定位工 作模式时 左右主机不合排使用 而是单独使用 即 左 主机单独驱动可变螺距螺旋桨工作 同时带动左轴带 发电机工作 向全船正常供电 右主机的离合器脱开 不参加驱动可变螺距桨的工作 仅仅带动右轴带发电 机单独向首尾侧推供电 作为驾驶室的操作者来说 以最小的动力负荷换 取最稳定的控位效果 这是最佳的操作效果 但是长时 间的低负荷运转也会对主机造成损伤 如对主机的活 塞和缸套等部位造成穴蚀 对于主机有潜在的危害 而 在海上进行调查作业时 一个站位的作业时间往往很 长 短则1 2个小时 长则8 9个小时 对于船舶设 备的安全和调查作业的需要来说 产生了矛盾 2004年 左右主机的电子调速器进行了更换 经 过一段时间的观测 左右主机运行平稳 调速器工作正 常 在日常航行作业时 双机并车工作 能够自动均衡 左右主机的负荷 基于此 我们尝试改变了动力定位系 统工作时左右主机单独使用的工作模式 不再对右主 机脱开离合器使用 而是让右主机在带动右轴带发电 机向首尾侧推供电的同时 还要驱动可变螺距桨工作 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 33 船舶动力定位系统的使用 陆会胜 使其的负荷可与左主机均衡 不再产生低负荷运转的 情况 解决了低负荷运转与长时间工作的矛盾 可以长 时间的进行动力定位控位 满足调查作业的需要 3 注意DGPS差分信号不稳定对动力定位操作 的影响 在测量系统中最为重要的传感器 Sensor 就是差 分GPS 即DGPS信号 若是它的信号丢失 动力定位 系统将无法正常工作 DGPS的定位精度为3 5m 甚 至更小 而普通GPS的定位精度则在100m左右 由于 动力定位控制系统对于船位信息的要求特别高 必须是 差分GPS信号才可以解读 不接受普通的GPS信号 大洋一号 船使用的DGPS是Seastar和Seatex DGPS 102 在远离岸边的大洋上会出现差分信号不稳定 的情况 在某些船首向停船时 便没有差分信号 将船首 向调整10 20度 差分信号就会出现并在一定时间内保 持稳定 情况严重时 差分信号时有时无 断断续续 船位信息中的经纬度数据中若是没有差分信号 位置信息就无法进入操作系统 而动力定位系统在自 动定位模式下 不论船位信号指示值是否经过差分 都 是以船位信号指示值做为判断标准向推进装置发出补 偿指令 因为无差分信号 显示的船位变化值很小或没 有变化 此时的动力负荷往往很小 经过一段时间后 尽管动力定位系统操作窗口显示的船位经纬度没有发 生变化 实际上船位已经随着风和海流等外界作用力 发生了漂移 一旦再重新有差分信号后 经判断位置出 现偏移 会立即向动力装置发出补偿指令 可变螺距桨 和首尾侧推等就会以比较大的负荷运转 待回复到设 定位置时 再以维持船位的低负荷运行 当再次出现一 段时间没有差分信号而后又重新有差分信号的情况 时 还会产生动力负荷突然增加的情况 如此周而复始 的出现设备负荷的突加突减 对于船舶主机的正常运 转产生很大的负荷冲击 4 根据海上的实际情况 将自动工作模式分解为 自动与手动相结合的工作模式 动力定位系统在定点控位的工作模式下 控制系 统向推进装置发出负荷指令的依据是船舶所在经纬度 的变化情况 当海上的风和海流较大时 或DGPS的差 分信号不稳定时 控制系统会向动力装置发出很大的 负荷要求 或是使得动力负荷突高突低 对于船舶推进 设备损害较大 轻则容易造成首尾侧推等推进装置的 损坏 重则会使船舶的原动机 主机烧损 造成船舶 无法正常航行的严重后果 因此 在现有船舶设备条件下 我们所追求的不能 仅满足于完成某一个调查站位的作业要求 而是在保 证船舶航行安全的基础上要完成一个航次几百个调查 站位的工作任务 还要确保动力设备不出现故障 船舶在海上时 除了在水平方向上受到纵向移动 Surge 横向移动 Sway 偏航 Yaw 三个矢量方向 作用力的影响外还受到纵摇 Pitch 横摇 Roll 颠簸 起伏 Heave 三个矢量方向作用力的影响 船舶动力定 位系统主要是克服来自水平方向上的外力影响 对于 纵 横摇 颠簸等外力并不能被动力定位系统所控制 但是可以被运动传感器测量并显示出来 动力定位的自动控位工作模式就是同时控制船舶 的三个水平运动矢量 它的参照系统是DGPS提供的 经差分信号修正的经纬度数据 一旦因差分信号不稳 定或是风浪较大造成船位发生轻微变化时 就会频繁 产生较大的负荷输出 使船舶主机受到负荷冲击 如果将船舶运动的三个水平方向的运动矢量 Surge Sway Yaw 分解控制 并将这三个水平运动 矢量都转成自动控制模式工作 就成为全自动工作模 式 仍以经纬度信号作为参照系统 而将这三个矢量中 的任何一个以手动方式控制 另外两个运动矢量以自 动方式控制 就成为自动与手动相结合的