動(dòng)力定位(DP)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

摘要：隨著海洋工程項(xiàng)目的蓬勃發(fā)展，動(dòng)力定位系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱DP系統(tǒng))的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。本文對(duì)DP系統(tǒng)等級(jí)、工作原理以及根據(jù)船級(jí)社不同入級(jí)符號(hào)的設(shè)備配置等作了簡(jiǎn)單的介紹，希望能夠?qū)Υ蠹乙院蟮拈_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)有所幫助。

關(guān)鍵詞：DP；入級(jí)符號(hào)；特點(diǎn)；工作原理

中圖分類號(hào)：P751文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Investigation of Dynamic Positioning System

WANG Weiwei

( Guangzhou Shipyard International Co.， Ltd. Guangzhou 510382 )

Abstract: The application of Dynamic Positioning System (DP system) is more and more popular because of development of ocean project. The article introduce the level of DP system， work principle， the requirement of equipment according to different DP notations. I hope it is helpful to exploder， design and production in the future.

Key words: DP;Classification notation;characteristic;work principle

1前言

動(dòng)力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）簡(jiǎn)稱DP系統(tǒng)，是從上個(gè)世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展起來(lái)的，并逐步由淺水海域向深水海域發(fā)展，應(yīng)用于各種海洋工程、海上科考、水下工程等領(lǐng)域。隨著船舶自動(dòng)化程度越來(lái)越高，DP系統(tǒng)的定位能力以及自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，而以上各類領(lǐng)域的工程項(xiàng)目也越來(lái)越離不開(kāi)帶有DP系統(tǒng)的海上鉆井平臺(tái)和船舶。本文簡(jiǎn)要介紹DP系統(tǒng)的工作原理，以及根據(jù)船級(jí)社不同入級(jí)符號(hào)對(duì)DP系統(tǒng)的等級(jí)和不同等級(jí)下設(shè)備的配置。

2DP系統(tǒng)工作原理

IMO給出的DP船舶定義為：僅靠推力器的推力作用能夠自動(dòng)保持船舶位置（固定位置或者預(yù)定航跡）的船舶。

DP系統(tǒng)的工作原理：由于海上海浪、風(fēng)速、風(fēng)向的影響，船舶或者平臺(tái)在海上必然會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，DP系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)采集到的周圍的環(huán)境因素如水流、風(fēng)速、風(fēng)向、海浪等，根據(jù)位置參照系統(tǒng)（GPS、羅經(jīng)等）進(jìn)行匯總計(jì)算后不斷控制調(diào)整船舶或者平臺(tái)上的各個(gè)推力器的大小和方向，從而使得船舶或者平臺(tái)保持事先設(shè)定的位置。

3船級(jí)社入級(jí)符號(hào)

隨著對(duì)具有DP系統(tǒng)的船舶及平臺(tái)的需求越來(lái)越大，各個(gè)船級(jí)社根據(jù)DP系統(tǒng)的功能以及設(shè)備冗余度的情況提出了DP系統(tǒng)的等級(jí)劃分以及相應(yīng)的附加入級(jí)符號(hào)，如表1所列，這里要特別說(shuō)明的是DNV關(guān)于DP系統(tǒng)的入級(jí)符號(hào)有兩個(gè)系列（DYNPOS –系列和DPS-系列），前者的設(shè)計(jì)要求要比后者更加嚴(yán)格。

表1DP系統(tǒng)等級(jí)分類及各船級(jí)社入級(jí)符號(hào)

注：對(duì)于DYNPOS –系列的符號(hào)為必需補(bǔ)充符號(hào)；對(duì)于DPS系列符號(hào)為非必需符號(hào)，是可選符號(hào)。

3.10級(jí)DP系統(tǒng)

船舶裝備有一套能夠自動(dòng)保持航向的集中控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以是電腦自動(dòng)控制，也可以是操作手柄集中控制，能在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍之內(nèi)。對(duì)于0級(jí)的控制系統(tǒng)，有的船級(jí)社要求為自動(dòng)控制，有的船級(jí)社要求為控制手柄。目前使用的動(dòng)力定位系統(tǒng)等級(jí)最低為1級(jí)，0級(jí)幾乎不再使用，因此本文對(duì)0級(jí)DP系統(tǒng)不做詳細(xì)介紹。

3.21級(jí)DP系統(tǒng)

船舶裝備具有自動(dòng)定位和航向保持的動(dòng)力定位系統(tǒng)及一套獨(dú)立的帶自動(dòng)保持航向的集控手操裝置，能在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍之內(nèi)。根據(jù)定義，1級(jí)DP系統(tǒng)較0級(jí)相比增加了自動(dòng)定位和航向保持的裝置，而另外一套獨(dú)立的帶有自動(dòng)航向保持功能的集控手操裝置作為備用，使得自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，DP系統(tǒng)仍能手動(dòng)操作。

1級(jí)DP系統(tǒng)的特點(diǎn)：自動(dòng)；不冗余。

3.32級(jí)DP系統(tǒng)

船舶裝備兩個(gè)具有自動(dòng)定位和航向保持的動(dòng)力定位系統(tǒng)及一套獨(dú)立的帶自動(dòng)保持航向的集控手操裝置，即使發(fā)生單個(gè)故障（包括火災(zāi)、破艙等），也能在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍之內(nèi)。一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障后，自動(dòng)切換到另外一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如兩個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)都失效，可以手動(dòng)進(jìn)行集中控制。

2級(jí)DP系統(tǒng)的特點(diǎn)：自動(dòng)；有冗余。

3.43級(jí)DP系統(tǒng)

船舶裝備三個(gè)具有自動(dòng)定位和航向保持的動(dòng)力定位系統(tǒng)及一套獨(dú)立的帶自動(dòng)保持航向的集控手操裝置，即使發(fā)生單個(gè)故障（包括火災(zāi)、破艙等），也能在規(guī)定的環(huán)境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍之內(nèi)。其中的兩個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)等同于2級(jí)配置，第三個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)獨(dú)立于其他兩個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，作為應(yīng)急備用。如三個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)都失效，則轉(zhuǎn)入手動(dòng)集控手柄進(jìn)行手動(dòng)操作。

3級(jí)DP系統(tǒng)的特點(diǎn)：自動(dòng)；有冗余且物理分隔；相關(guān)的電纜布線和管路有冗余且進(jìn)行相應(yīng)的防水、A-60防火的物理分隔。

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4設(shè)備配置要求

4.1推進(jìn)器系統(tǒng)

推進(jìn)器包括：管遂推進(jìn)器；全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器；固定或可調(diào)槳推進(jìn)器。

推進(jìn)器應(yīng)能在規(guī)定的環(huán)境下提供足夠的橫向或者縱向的推力，以保證船只定位穩(wěn)定性。對(duì)于2級(jí)和3級(jí)的DP系統(tǒng)，要有冗余設(shè)計(jì)，即任意一個(gè)推進(jìn)器發(fā)生故障后，剩余的推進(jìn)器仍能夠提供橫向或者縱向的推力，保持船只的定位。對(duì)于3級(jí)的定位系統(tǒng)，不僅要冗余設(shè)計(jì)，而且各推進(jìn)器布置上也要分隔，即單個(gè)艙室發(fā)生火災(zāi)、破艙等故障時(shí)，也不會(huì)影響到其他推進(jìn)器的工作。

4.2電力系統(tǒng)

規(guī)范主要對(duì)發(fā)機(jī)電、功率管理系統(tǒng)、主配電板等方面進(jìn)行了要求。

對(duì)于配有2級(jí)入級(jí)符號(hào)的船只，船上發(fā)電機(jī)需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，任意發(fā)電機(jī)出現(xiàn)單一故障，剩余的發(fā)電機(jī)仍能保證動(dòng)力定位的穩(wěn)定性；

配電板應(yīng)分成兩部分或者更多部分，每一部分之間用斷路器開(kāi)關(guān)連接。出現(xiàn)單一故障時(shí)，斷路器開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，出現(xiàn)故障的配電板被隔離，不會(huì)造成電源的全部中斷，這里的單一故障是指系統(tǒng)或部件的技術(shù)性損壞；

對(duì)于3級(jí)入級(jí)符號(hào)的船只，發(fā)電機(jī)與主配電板除了滿足2級(jí)入級(jí)符號(hào)技術(shù)設(shè)計(jì)上的冗余，還應(yīng)使發(fā)電機(jī)與主配電板分布在兩個(gè)或兩個(gè)以上的艙室中，艙室之間進(jìn)行水密、防火分隔。即發(fā)生除了系統(tǒng)或部件的技術(shù)性損壞外，由于失火、浸水等引起的故障，也不會(huì)影響到船舶的定位性能。

對(duì)于2級(jí)和3級(jí)入級(jí)符號(hào)的船只，還應(yīng)該有功率管理系統(tǒng)且冗余，此系統(tǒng)能使發(fā)電機(jī)隨著負(fù)荷的變化而起動(dòng)和停止。當(dāng)沒(méi)有足夠大電功率來(lái)起動(dòng)大功率負(fù)載時(shí)，能夠阻止大功率負(fù)載設(shè)備的啟動(dòng)，按照要求起動(dòng)備用的發(fā)電機(jī)獲得足夠大功率時(shí)，才能起動(dòng)大功率設(shè)備。

另外，IMO要求3級(jí)入級(jí)符號(hào)的船只在進(jìn)行動(dòng)力定位操作時(shí)，不同冗余部分配電系統(tǒng)之間的斷路器開(kāi)關(guān)應(yīng)該斷開(kāi)。除非采用特殊的構(gòu)造，無(wú)論發(fā)生任何單一故障時(shí)，船舶仍能保持動(dòng)力定位能力。

4.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括：自動(dòng)控制（基于計(jì)算機(jī)控制）；操縱手柄控制；手動(dòng)控制。

相應(yīng)等級(jí)的動(dòng)力定位系統(tǒng)，至少需要與之等級(jí)類別相同的計(jì)算機(jī)：1級(jí)DP系統(tǒng)，需要1臺(tái)計(jì)算機(jī)；2級(jí)DP系統(tǒng)，需要兩臺(tái)計(jì)算機(jī)且冗余設(shè)計(jì)；3級(jí)DP系統(tǒng)，需要3臺(tái)計(jì)算機(jī)且冗余設(shè)計(jì)和物理分割。每一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都需要配一臺(tái)UPS，持續(xù)時(shí)間為至少30 min。

對(duì)于1~3級(jí)的DP系統(tǒng)，IMO要求在各個(gè)控制站都要求配有獨(dú)立的聯(lián)合操控手柄，聯(lián)合操控手柄可以綜合控制船上的各個(gè)推進(jìn)器、舵機(jī)等。在每個(gè)控制站都需要提供能觀察到各推進(jìn)器的運(yùn)行、停止、螺距、方位、轉(zhuǎn)速等的儀器儀表。

另外，IMO還要求在每個(gè)控制站都配備各個(gè)推進(jìn)器的單獨(dú)的操作手柄.

4.4傳感器系統(tǒng)

傳感器主要包括：位置參照系統(tǒng)和外部傳感器系統(tǒng)。

一套動(dòng)力定位系統(tǒng)至少應(yīng)包括兩套位置參照系統(tǒng)，對(duì)于2級(jí)和3級(jí)的DP系統(tǒng)應(yīng)該配備有3套位置參照系統(tǒng)。當(dāng)使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的位置參照系統(tǒng)時(shí)，這些系統(tǒng)不應(yīng)該采用同一工作原理。常見(jiàn)的位置參照系統(tǒng)主要有GPS、DGPS、 Loran、 Arthemis、水下聲學(xué)位置參照系統(tǒng)等。

外部傳感器系統(tǒng)主要包括：垂直面參照系統(tǒng)；陀螺羅經(jīng)系統(tǒng)（首向）；風(fēng)速風(fēng)向儀系統(tǒng)。這些傳感器的作用主要是輸入風(fēng)速、風(fēng)向等信號(hào)到DP系統(tǒng)中，通過(guò)電腦計(jì)算，消除風(fēng)、浪、水流等對(duì)動(dòng)力定位的影響，從而使定位更加精確。不同的船級(jí)社對(duì)于外部傳感器的要求配置不同。

對(duì)于3級(jí)DP系統(tǒng)，其中一套傳感器系統(tǒng)應(yīng)該連接到備用控制站，并且用A-60級(jí)分割與其他傳感器系統(tǒng)分開(kāi)。

5故障模式與影響分析（FMEA）

故障模式與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis），縮寫為FMEA。2級(jí)和3級(jí)的DP系統(tǒng)要求有FMEA報(bào)告。FMEA的主要目的是說(shuō)明與動(dòng)力定位系統(tǒng)有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備的不同的故障模式，以及發(fā)生故障后對(duì)動(dòng)力定位所產(chǎn)生的影響分析。

通常由船廠和DP系統(tǒng)供應(yīng)商以外的第三方完成FMEA分析報(bào)告和試驗(yàn)程序及海試驗(yàn)證。常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)有C-MCR、DNV、ULSTEIN、MARINE、GLOBAL MAEINE等。應(yīng)該盡可能詳盡地包括所有系統(tǒng)的主要部件，內(nèi)容至少應(yīng)該包括：所有系統(tǒng)的主要部件的描述及相互之間的作用；所有的故障模式；探測(cè)故障的方法；故障對(duì)船位及系統(tǒng)的影響分析等。除此之外，各個(gè)船級(jí)社還有一些其他的要求，詳見(jiàn)各個(gè)船級(jí)社規(guī)范。

6動(dòng)力定位能力

除了1~3級(jí)入級(jí)符號(hào)外，大部分船級(jí)社會(huì)有關(guān)于動(dòng)力定位能力的補(bǔ)充入級(jí)符號(hào)，各個(gè)船級(jí)社動(dòng)力定位能力符號(hào)見(jiàn)表1。

動(dòng)力定位能力: 表示在給定的環(huán)境條件下保持定位能力的時(shí)間百分比，通常是由廠家或者咨詢公司來(lái)完成并送審船級(jí)社。雖然每個(gè)船級(jí)社所要求計(jì)算的故障模式不同，但是廠家或咨詢公司在完成定位能力報(bào)告時(shí)，還是會(huì)按照自己的習(xí)慣計(jì)算下述情況下的能力：所有推進(jìn)器工作；出現(xiàn)推進(jìn)器最小單個(gè)故障；出現(xiàn)推進(jìn)器最嚴(yán)重的單個(gè)故障；出現(xiàn)最嚴(yán)重的單個(gè)故障。

以ABS符號(hào)為例，SKP（95， 95， 85， 75， 2， North Sea）表示：

（1）在北海海況（風(fēng)速和浪高），2 kt水流，所有推進(jìn)器都工作時(shí)，95%的時(shí)間船舶能夠保持定位穩(wěn)定；

（2）在北海海況（風(fēng)速和浪高），2 kt水流，出現(xiàn)推進(jìn)器最小單個(gè)故障時(shí)，95%的時(shí)間船舶能夠保持定位穩(wěn)定；

（3）在北海海況（風(fēng)速和浪高），2 kt水流，出現(xiàn)推進(jìn)器最嚴(yán)重單個(gè)故障時(shí)，85%的時(shí)間船舶能夠保持定位穩(wěn)定；

（4）在北海海況（風(fēng)速和浪高），2 kt水流，出現(xiàn)最嚴(yán)重單個(gè)故障時(shí)，75%的時(shí)間船舶能夠保持定位穩(wěn)定。

7結(jié)束語(yǔ)

隨著海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)的不斷發(fā)展，海工設(shè)備不斷增加，動(dòng)力定位系統(tǒng)也將越來(lái)越多地被應(yīng)用，最終成為海洋工程的必備設(shè)備。本文僅對(duì)DP系統(tǒng)作簡(jiǎn)單的概括介紹，每個(gè)船級(jí)社對(duì)于各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及布置都有更加詳細(xì)的要求，我們需要對(duì)各個(gè)船級(jí)社規(guī)范詳加了解，希望本文能對(duì)大家以后的設(shè)計(jì)生產(chǎn)有所幫助。

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作者簡(jiǎn)介：王衛(wèi)衛(wèi) （1985-） 男， 助理工程師。主要從事船舶電氣研究和設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2013-09-22