淺談動力定位系統在起拋錨作業中的應用

鄧春林 王高虎

摘 要：近年來，隨著科技的發展和社會的進步，配備DP（動力定位）系統的各類海洋工程裝備陸續涌入大海，AHV（起拋錨工作船）也不例外。深刻理解DP系統的工作原理和正確熟練使用DP系統的各項功能，對安全高效完成海上浮式裝置的起拋錨作業不可或缺。

關鍵詞：DP;AHV;起拋錨作業;浮式裝置

中圖分類號：U66? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0066-03

1 DP系統簡介及使用管理

1.1 DP系統簡介

近年來，隨著科技的發展和社會的進步，配備DP系統的各類海洋工程裝備陸續涌入大海。例如，深水鉆井平臺“海洋石油981”、深水鋪管船“海洋石油202”、潛水支持船“深潛號”等大型裝備，均采用了類似的動力定位技術。

DP系統的全稱為Dynamic positioning system。如果非要對DP系統下一個精確的定義，那么可以這樣描述：基于計算機的自動控制船位的系統，可以使船舶保持在某一個位置，也可以移動船位。

追溯DP系統發明及應用的根源，最初是為了滿足海洋工程裝備從中前海挺進中深海鉆探的需要。1961年，第一代DP技術的雛形被運用到美國的CUSS 1 浮式鉆探船，主要依靠四個固定在海底的類似聲吶信標向船上發射信號來獲取位置變化，然后用四臺推進器來維持船位在井位上方。通過這種方法，CUSS 1 浮式鉆探船在水深948米的加利福利亞近海成功進行了深海海底鉆探作業，證明了通過動力將船位長時間維持在一個精確位置的可行性。隨著科技的迅速發展，DP技術取得了快速進步，甚至被用于軍事、地球物理勘探及船舶操縱方面。

隨著配備DP系統的海洋工程裝備量產化、多樣化，操作DP系統的專業人才隊伍開始出現缺口。對于許多已經取得適任證書的船長和駕駛員來說，他們開始將目光聚焦于由英國航海學會負責頒發的DPO（動力定位值班駕駛員）證書，但是取證道路并不輕松，培訓、考試和實習等流程時間至少需要半年，即便取得證書以后并非終身有效，臨近五年有限期時，依然要根據船上服務資歷向英國航海學會來申請換發證書。

1.2? DP系統的使用管理

目前，國內海洋工程船DP系統的配備和使用是非強制要求的，2010年版STCW（海員培訓、發證和值班標準國際公約）中對于DP系統的操作培訓和經驗指南也是非強制性的。DP作業時的安全管理，推薦參考國際承包商協會（IMCA）的指導文件IMCA M182，內容包括了作業前、作業中相關作業人員應該遵循的安全注意事項以及設備保障、操作規則和應急反應等方面。具備一定條件的公司，應參考文件要求做好技術和人員儲備，并結合本公司實際情況將有關DP作業的安全管理內容納入到公司管理體系中去，使安全體系內容更加完善。

2 起拋錨作業綜述

本文提到的起拋錨作業特指海上浮式裝置需要專門的AHV協助完成的起拋錨作業，而不是指船舶自身的錨泊作業。當海上油氣資源、風力資源開發和生產開始后，長時間或永久性的海上系泊裝置的需求是顯而易見的，后來各種各樣的系泊裝置被開發出來，現如今盡管有DP系統的存在，使一些浮式裝置長時間使用動力定位成為可能，但是錨泊定位憑其簡單、可靠和成本優勢在近海海洋工程中還是占有主要的地位，暫時沒有發現其被淘汰的趨勢。

錨泊定位的適用水深從幾十米到上千米，主要應用類型有以下幾個方面：

（1）海上浮式裝置的錨泊定位，包括半潛式鉆井石油平臺、儲油輪等。需要均勻分布的八套或者以上的錨和錨纜組成的錨泊系統來固定設施位置，根據水深的不同采用不同的錨和錨纜的類型，例如深水平臺會把系泊纜由錨鏈換成鋼纜或者尼龍纜以減輕系泊纜的重量，錨由大抓力錨更換成垂向負載錨或者吸力錨以增加錨抵抗垂直方向的能力。

（2）自升式石油鉆井平臺的精確就位，有時自升式鉆井平臺需要依靠錨泊定位靠近導管架石油平臺協助其鉆井，自升式鉆井平臺先在離導管架較遠處完成錨泊定位，然后通過絞放錨纜來控制平臺位置。

（3）潛水鋪管（電纜）船的錨泊定位，鋪管作業中通過不間斷地拋起錨來調整錨位從而來移動船位。

（4）上述錨泊定位中起拋錨作業都需要專業的AHV來完成，現代AHV綜合來說具有馬力大、船首尾配有側推操縱靈活的特點;另外，AHV加強過的主甲板上裝有拖纜機，靠近船尾部有液壓鉗和滾筒，錨和錨鏈等可以通過尾部滾筒被拖纜機絞上甲板。海上浮式裝置的起拋錨作業是一項復雜的作業，往往時間非常緊迫并需要持續作業幾天甚至更長，船上甲板操作人員要通宵工作直至整個作業結束，也給操縱船舶帶來了有挑戰性的工作量。

3 DP在起拋錨作業中的應用

AHV配備DP系統的好處在于，能夠極大程度減輕船舶操縱方面的工作量。但是，當AHV在起拋錨作業時，拖纜因受力會產生一個額外的復雜力矩，并且受力方向和大小變化較快，這一問題至今仍未完全解決。

類似這樣的問題不止一個，許多AHV因本船舶拖纜機拖力傳感器的數據無法及時傳遞，導致DP系統會把拖纜產生的船舶力矩歸結于DP CURRENT（流）。例如，在起拋錨作業中，船尾有拖纜而且有張力（拖纜張力小于30公噸）的場景十分常見，如果啟用動力定位，船位前后定位誤差最大可以達到9-10米，明顯不滿足船舶靠泊浮式裝置的安全距離要求。換言之，船舶操縱者機械地套用常規的DP系統使用規定，則會給整個作業帶來很多風險。

隨著船舶的智能化發展，起拋錨作業船舶操縱既要利用現有的高集成度設備來減輕手動操船壓力、高效率完成作業，又要確保作業過程人員和設備的安全，并且為DP系統的后續改進升級提供數據和積累經驗值。

3.1起拋錨作業DP操作模式的選擇

如今主流的DP系統面板上有MANNUL 、JOYSTICK 和DP三檔可供選擇，一些新款的軟件會把起拋錨產生的額外力矩列為DP系統外部力，從而區別于上文提到的DP CURRENT，并且會把起拋錨作業時的DP MODE（模式）選擇為AH-MODE 。實際上，啟用的模式和正常DP模式操作上并沒有本質上的區別，原理本質為一種混合操作模式，即手動操作模式加上自動操作模式 ，達到控制船舶前后移動、左右橫移，或者船舶首向的目的。不過，這種方法只適合于有模式選擇的DP系統船舶，通用的選擇是選用JOYSTICK? MODE（操縱桿模式）。在很多DP產品說明書里，將JOYSTICK歸結于手動操作，筆者認為這樣的提法值得商榷。因為JOYSTICK不僅是手動單元，系統工作時會同樣采集各傳感器數據并計算給出指令。和DP自動單元相比，唯一差別在于船舶的移動位置、航向和速度的精確控制，需要依靠操縱者的輸出命令。

3.2? JOYSTICK的正確設置

（1）功率限制，一般對于大馬力的AHV，都有兩檔選擇general reduced和full thrust 前面的意思就是發揮的功率大概一半左右，但是起拋錨作業中特別是拋錨作業主機有時功率會接近滿負荷，如果不解除功率限制，起拋工作錨船主機功率受限，馬力較小的AHV根本不可能將海上浮式裝置的錨拋到指定的位置。不同類型的設備在菜單表述上也不同，使用時注意選擇，為了操縱的方便，可以在靠近浮式裝置時用general 這一檔，在比較安全的區域解除DP的功率限制。

（2） 靈敏度的設置（加速度、轉向速率設置），在各種型號的DP系統中，也以不同形式展示，以KONSBERG 的DP-21為例CONTROLLER MODE有 HIGH PRECISION /GREEN兩檔設置，GAIN LEVEL有HIGH /MEDIUM /LOW 三擋選擇，還有加速度和轉向率設置則以百分比和具體數字來表示，整體考慮到起拋錨作業的效率，從保護設備的原則出發，靈敏度設置選擇HIGH PRECISION和MEDIUM 檔，結合船舶設備具體的功率和操作特點 ，調整加速度和轉向速率的參數到合適的范圍。

3.3 起拋錨作業中使用DP的注意事項

3.3.1船長親自操作或在場監督

按照DP通用的操作規定，持證的DP值班駕駛員能獨立完成移動船位，改變船首向等任務，但現階段的DP培訓課程里面基本上船舶都處于單船自由狀態，像起拋錨、拖航等復雜作業并未涉及，船長在向拖纜機等甲板機械發出指令的同時，實際上作業全程還需要密切關注拖纜受力情況以及浮式裝置的移動情況，本船的位置和移動方向和移動速度對保證甲板作業人員和船舶設備安全至關重要（有類似需求的還有挖泥船等），需要經驗豐富的船長來監督整個作業的安全順利進行，DPO通常只能在作業過程中起輔助作用，包括和外界聯系、作業記錄和操作甲板機械等，但是作業暫停期間把船舶操縱權轉移給DPO。

3.3.2 合適的船首向

船首向的選擇不僅在DP操作里面屬于很重要的選項，在起拋錨作業的過程中特別是在大風浪（7-8級）作業中也是不能忽視的問題，通俗地解釋，不同的首向會導致船舶不同的受力（風、浪、流）狀況，結合船舶的流線型設計（包括水下和水面以上）和推進器配置，一般情況下AHV動力配置中主推進器的功率遠大于側推器的功率，選擇讓外界阻力來自于船首（船尾次之）方向，則能讓船舶獲得最大的抵御風浪流的能力，作業時DP系統經過一段時間測算后會給出一個最優推薦的船首向，為了讓船舶推進設備處于一個較好的工作狀況，值班駕駛員應該結合現場實際作業的情況選擇合適的船首向。由于期望錨鏈在海底鋪直的原因，起拋錨作業時多數情況下會要求AHV維持恒定的船首向，以保證浮式裝置的錨鏈能沿固定的方位線被松出或絞起，大風浪時船舶的操縱更為復雜，請參看下面的示意圖

B是預定的海上浮式裝置和錨之間的計劃方位線，AHV不改變首向，橫風橫流的結局就是AHV在布錨的過程中慢慢偏離預定的方位線，形成C的軌跡。采取起始階段就啟用DP系統中Auto-heading功能選用合適的船首向，最后拋錨時的落錨點是可以達到要求的。如果控制不當，造成C的局面，該錨則需要重拋。

在作業過程中有時為了增加船舶的靠泊安全系數，船長會選擇從下風接近海上浮式裝置，但是隨著作業時間的推移，下風也有可能變成上風。還有在碰到船尾嚴重上浪影響甲板作業人員安全的情況時，也會考慮到選擇船首迎風浪以減輕船尾上浪。

3.3.3 撤退路線

撤退路線是指作業中當機器設備發生故障時，作業前就制定的準備撤退的安全路線，與正常DP作業的不同在于，起拋錨作業要考慮到拖纜的對船舶的移動限制，有些時候船尾拖纜在吃力繃緊的情況下，首先要讓拖纜快速松出，才能使船舶處于自由狀態，操縱船舶沿安全路線離開危險區域;在中國南海海域作業時，密度流（又稱內波流）的影響也不容忽視，如果遭遇強流時不采取任何措施，密度流可以輕松使船舶偏離原來位置20米以上，導致在靠離海上浮式裝置的過程當中極易發生碰撞等事故，事先做好預案就顯得非常重要，作業中隨時關注計程儀的流速和DP CURRENT的變化，當發現二者顯示數字同時異常時，即可判定密度流來襲，及時調整靈敏度等設置或直接切換到手動模式，迅速將船位移動到安全地帶，同樣的道理，有些情況不要忘記松出拖纜。

參考文獻：

[1] IMCA M182 International Guidelines for The Safe Operation of DP Vessels 2020.

[2] Michael Hancox Anchor-Handling Operation 2010.