DP系統在專業救助船上的應用前景

孫程琳 劉現亮

船舶動力定位系統從20世紀70年代逐漸發展起來，在海洋工程、科學考察等領域有著重要的用途。隨著船舶電力推進的成熟和自動控制理論的發展，動力定位系統的性能不斷提高，應用領域也在不斷擴大。在我國當前的海上專業救助船中，DP技術也得到了循序漸進的應用。從早期的DP-0到后來的DP-2，專業救助船對DP技術一直在不斷實踐和探索。本文通過總結分析DP技術的實踐，以提高海上救助能力為目的，展望DP技術在專業救助船上的應用前景。

一、DP技術的概述

DP系統（Dynamic Positioning System）系指僅用推進器的推力保持其自身位置（固定的位置或預先確定的航跡）的操作系統，一般的系統組成為：1.動力系統；2.推力器系統；3.動力定位控制系統及測量系統。

DP系統分級：

DP-0：船舶裝備一套集控手操的集中控制系統，在規定的環境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP-1：船舶裝備一套能夠自動保持艏向的集中控制系統，集中控制系統可以是操作手柄集中控制，也可以是電腦自動控制，在規定的環境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP-2：船舶裝備兩套能夠自動保持艏向的集中控制系統，集中控制系統可以是操作手柄集中控制，也可以是電腦自動控制，在規定的環境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP-3：船舶裝備三套能夠自動保持艏向的集中控制系統，集中控制系統可以是操作手柄集中控制，也可以是電腦自動控制，其中兩套控制系統等同于DP-2，第三套能夠自動保持艏向的集中控制系統需要分開并單獨配置，作為應急之用，在規定的環境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍。

DP系統的分級主要依據系統的可靠性和冗余度，而不是依據精度。

二、當前專業救助船的DP系統應用現狀分析

在專業救助船主力船型中DP系統的應用水平隨著DP技術的發展逐漸升級。DP系統的應用階段大致為：2010年之前建造的船舶為DP-0系統；2010年—2014年建造的船舶為DP-1系統；2014年之后建造的船舶上，DP-2系統開始應用。下面以DP-2系統專業救助船為例，簡要介紹DP系統在專業救助船上的具體應用。

（一）船舶參數

船舶類型:14 000千瓦旗艦級專業救助船，總長：116.95米，型寬：16.2米，型深：7.8米，總噸：4 747，DP等級：IMO DP-2。

全船安裝了兩臺主機（單臺最大持續功率7 200千瓦），通過齒輪箱與軸系驅動兩個可調距螺旋槳（每臺螺旋槳直徑3 450毫米，有四個葉片），每個齒輪箱配備PTO（POWER-TAKEOFF）驅動軸帶發電機。船上同時配備了三臺柴油發電機組（每臺功率500千瓦）。船首部安裝了兩臺（單臺電機輸入功率為1 140千瓦）、船尾部安裝了1臺（單臺電機輸入功率為780千瓦）管道式側向推進器用于船舶機動和動力定位。全船安裝了兩套獨立的轉葉式舵機，每個包含帶獨立動力單元的液壓執行機構。

（二）本船的冗余的定義描述

對本船而言，冗余的要求只有在發電機和柴油機的運行狀態下才得以實現，也就是說某臺柴油機和發電機停止之后的重新啟動再參與船舶定位不被認為是冗余。

本船只有一臺艉側推，停止之后的重新啟動并快速為DP系統接納，重新參與定位，但其操作的簡單性和快速性需要在試驗得到確認，如果滿足要求，將被認同為冗余。

本船動力和推進系統分為兩個冗余分組，每一分組依靠自身的動力，定位和控制系統就能使船舶保持一定的定位能力。所以最嚴重的單點故障影響不能超出一個冗余分組的范圍。鑒于一號艏側推有更大的轉船力矩，其所在的冗余分組失效被認為是嚴重單一故障。

（三）本船的DP系統配置圖（見圖1）

圖1 14 000千瓦旗艦級專業救助船DP系統配置圖

從圖1可以看出，DP系統是動力系統和傳感器系統的計算中心和指令中心，三個系統之間循環相互作用，以便DP系統效能達到最佳。

（四）本船DP系統相關的傳感器

兩個Seatex運動姿態傳感器。位移傳感器（MRU）將船舶橫搖、縱搖信息發給數據分析單元，以便位置參考系統可以糾正的船舶方位。兩臺電羅經作為航向輸入通過NMEA通信格式輸出到數據分析單元。至少有一臺羅經能夠在任何時候都為自動艏向控制提供艏向信息。兩只風速風向傳感器，一只為數字式風速風向傳感器，另外一只是普通機械式，分別裝于主桅桿頂部。至少有一個風速風向傳感器能夠在任何時候為DP系統提供風速和風向信息。一個用于定位的激光信標，基于測量附近區域被動轉發器反射的不可視安全激光信號，實施過程充分固態。一臺差分全球定位系統DGPS，型號為DGPS122。1臺用于定位的高精度聲學定位儀，型號為HIPAP451。

（五）本船DP系統控制軟件和計算方式介紹

本船安裝了KONGSBERG公司提供的DP-2控制系統。康士伯K-POS動力定位系統是一個計算機化的船舶自動定位和航向控制系統。控制船只的航向時，K-POS動力定位系統使用的來自兩臺回轉羅經，同時至少有三個位置參照系統（例如差分全球定位系統或信標定位）的數據，使得K-POS系的能夠為船只定位。航向和所需定位的設置點由操控者輸入，經K-POS系統處理，然后分配給各推力器控制信號。K-POS系統總是最佳分配動力給正在使用中的推進器。

當與所設定的航向或位置偏離時，K-POS將自動檢測，并進行適當調整。K-POS系統還提供了一個手動操縱桿控制功能可用于沒有位置參照系統時的單獨手動控制或聯合手動/自動控制，在使用羅經作為艏向參考時，K-POS系統可自動保持并穩定控制艏向。

K-POS系統利用一種船舶數學模型，包含船舶水動力特性，如目前的阻力系數和虛擬轉船慣量。這一模型被稱為船舶數學模型，反映了船舶如何對外部因素施加力進行反應，例如由風或推進器的作用力。

K-POS系統控制器持續計算實際需求的船舶橫向和縱向推力（推力設定值）以及所需的轉船力矩（轉矩設定值）。K-POS的推力分配器置以設定的螺距/轉速/力/負載和方位控制信號的形式分配給每個推進器/螺旋槳，從而獲得保持艏向和位置所需的力和力矩。同時也確保了最優化的推進器/螺旋槳使用，使其功耗和磨損最低。

（六）故障模式和影響分析（FMEA）結論

經過書面分析和海上試驗，沒有在DP-2規定范圍內的單點故障能導致船舶有失去定位能力的危險。同時各種故障模式的具體影響在海試中也得以驗證，在規定海況下滿足DP-2的規范要求。

三、DP系統的應用對海上救助的實際意義

（一）提高船舶操控水平，提升救助能力，增加作業安全系數

海上救助對船舶的操控水平有很高的要求，這里面既有惡劣天氣下乘風破浪的“急行軍”，也有如穿針引線般的精細作業。專業救助船在各種海況下對船舶操縱都要做到“張弛有度，收放自如”。

DP系統配備了高精度的傳感器，極大地提高了對船舶運動態勢的探測精確度。通過軟件計算和對車、舵和側推的聯合控制，有效地提高了船舶的操縱性能。在專業救助船實施救助直升機著艦和起飛、應急分隊水下探摸、水面無人機和水下機器人作業、海面溢油回收等精細作業時，DP系統的穩定而精確的特點增加了作業的安全系數。

（二）簡化船舶操縱方式，進而優化救助任務時的人力資源分配

在以往的海上救助中，船長往往肩負著實施救助時的船舶操縱和救助指揮決策等重任，其中船長對車、舵、側推等手動操作這種傳統模式下的船舶操縱占用了船長很大精力，會間接影響臨場指揮決策。DP系統是對船舶操作方式的一個變革，很大程度地減少了船長操縱船舶的工作負荷，甚至可以把船舶操縱的工作交給有資質的駕駛員完成，更有利于專業救助船船長發揮決策指揮作用。

（三）精確計算定位負荷，節約燃油消耗

成熟的DP系統通過對傳感器的數值以及船舶模型阻力參數的分析，能精確計算出船舶當前運動態勢的阻力負荷，然后通過對船舶動力系統的精確調整來抵消外力，使船舶處于預設的運動態勢中。這種精確的計算和分析使DP操作模式比傳統船舶操縱模式更能有效控制過量的負荷消耗，從而達到節約燃油消耗的目的。

四、DP技術在專業救助船上更好應用的設想

（一）發展更強大的“大腦”和“肢體”，讓系統更優化，動力更充沛

在上述的介紹中可以大致了解到DP系統對船舶的控制跟人的運動控制機理類似，靠的是大腦的計算反應和四肢的運動能力。DP系統的“大腦”就是穩定而精良的傳感器加上一套合理成熟的控制軟件。在國內初步的DP應用中，傳感器的粗劣和軟件的不成熟讓DP系統的國產化一度陷入瓶頸。因此，應用更穩定和精良的傳感器和開發與船舶更配套的操控軟件是增強DP系統大腦的重要途徑，這也是未來的一個發展方向。

1.當前專業救助船配備的定位傳感器可利用三種不同的方式以適應各種環境下的定位

有三種主要的外力會引起船舶相對設定點的位移或者艏向變化，分別是風、浪、流。目前配備的風、浪、流傳感器已經不能實現精確測量，加上傳統的單一的數據處理方式使數據的有效性打了折扣，因此，升級傳感器有利于DP系統更好地計算外力。同時，傳感器的布置應該考慮以下幾點：

（1）受直升機、主機煙囪影響可能會產生氣流變化的地方。

（2）船體結構不會引起風向變化的地方。

（3）操作員選擇哪個傳感器在活躍狀態。

2.升級姿態傳感器（VRS）和位移傳感器（MRU）

DP控制系統不能對船的滾動、前后顛簸橫搖和上下起伏進行有效補償，但是DP系統需要知道船的相關運動數據。這就需要對MRU從船舶重心的偏移量變化進行補償。使用VRS/MRU來測量這些數據。MRU可以測量線性加速度并計算傾斜角，隨著技術進步，DP系統可以利用定位系統和MRU提供船舶的位置、艏向、滾動、前后顛簸和上下起伏的信息，這就能在每個方向上更準確地給DP系統提供參考，精度在0.01°。

3.增強 “肢體”力量，提高惡劣海況下的定位能力

目前，專業救助船DP系統的主要動力是定軸可調距螺旋槳做主推進器。推進器的數量、類型、功率直接影響船的定位“能力”。一般來說，推進器數量越多，功率越大，船的定位能力就越強。從響應時間和效能方面考量，全回轉推進器優于定軸螺旋槳或隧道式側推。當前世界最先進的DP-3系列的鉆井平臺的動力定位系統采用的都是發電機和全回轉式推進器的組合，在以后的專業救助船設計中可以考慮借鑒這種動力系統的設計理念。

以上幾個方面的改進共同提升了DP系統對惡劣天氣的應對能力，有利于DP系統更“有力”、更穩定。

（二）加強DP系統專業培訓，普及DP系統的日常使用

DP技術已經實現普及和長足發展，對有DP操作資質人員的需求也隨之迫切。加強這方面的專業培訓，讓大家會用才能敢用，進而打破對新設備使用的心理屏障，有利于DP操作的普及推廣。擴大持證人員數量，增加專業訓練，以使人員的操作水平和DP系統的發展齊頭并進，從而使DP系統的作用達到設計效果。

五、結束語

如今海上險情復雜多變，惡劣天氣頻發，使海上救助任務日益艱巨，“以人為本，生命至上”的安全核心理念給海上救助工作提出了更高要求。海上專業救助力量要對新設備積極探索，掌握新技術，用好新設備，才能更堅定地守護好海上生命的防線。