动力定位系统
动力定位是钻井船、半潜钻井平台以及像“三拖”供应船等海洋油气开发装备都采用的重要配套系统。
钻井船的主要功能是进行海上油气勘探钻井作业。为了保护钻井隔水管及下部的球形接头，钻井船的船体运动应限制在一定的范围内，这就对钻井船的定位性能提出了很高的要求。钻井船的定位方式有多点锚泊定位和动力定位两种，近几年新建的钻井船中，以配备动力定位的钻井船为多，主要因为此类钻井船具有快速投入作业、快速撤离的优势。
动力定位系统是一种闭环的控制系统，能不断检测出船舶的实际位置与目标位置的偏差，再根据风、浪、流等外界扰动力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小，并对船舶上各推进器进行推力分配，使各推进器产生相应的推力，从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置上。20世纪70年代后期，动力定位已经成为一门较为成熟的技术。有资料显示，1980年具有动力定位能力的船舶的数量大约为65艘，至1985年为150艘，至2002年在役的动力定位船已超过1 000艘（未计及可移动式钻井平台），目前全世界已有2 000多艘船舶具有动力定位能力。海洋油气资源的勘探开发是动力定位系统发展最主要的推动力。现在，动力定位系统被安装在多种类型的海上作业船上，以满足相应的海上操作需要。这些海上作业主要有：海底钻探和取芯，油气开采，管道或线缆铺设及维修，安装吊装，穿梭油船装卸，潜水支持，供应补给，科考和调查，救助和消防，挖泥等。动力定位系统还被安装在邮轮以及其他一些需要海上定位的特殊船上。动力定位之所以能在这些不同作业环境中得到广泛应用，是因为动力定位有着锚泊定位所不具备的优点，同时它的劣势也不容忽视。表4-1列出动力定位的主要优缺点。
表4-1 动力定位的主要优缺点
现在，动力定位系统被安装在多种类型的船上并且能够适应多种海上操作的需要。动力定位系统的应用主要在以下几个行业：
（1）近海石油和天然气工业。安装在近海辅助船、钻探设备和钻探船、穿梭油船、电缆和导管铺设船、浮式生产储运单元、海洋调查船以及多用途船等上。
（2）船舶制造业。船舶所有人除了要求安装传统的自动驾驶系统外，还要求安装更多的自动控制系统，包括辅以导航系统的自动轨迹控制系统（含低速和高速）。另外，更多精确的按气候定航线和计划的系统被要求安装。将来，自动停靠系统以及在限制水域里采用动力定位系统的精确定位系统会得到更多的应用。
（3）游艇快艇业。某些游艇和快艇也需要采用自动定位系统。某些水域有大量的珊瑚礁，不能采用锚泊定位，只能用动力定位系统来定位。在某些港口和限制水域，有时也需要进行精确的定位。
动力定位系统（见图4-2）主要由以下三部分组成：①位置测量系统，测量船舶或平台相对于某一参考点的位置。②推力系统，一般由数个推进器组成。③控制系统，首先根据外部环境条件（风、浪、流）计算出船舶或平台所受的扰动力；其次由此外力与测量所得位置，计算得到保持船位所需的作用力，即推力系统应产生的合力。
图4-2 动力定位系统
1）位置测量系统
一艘动力定位船舶能否顺利执行一项或几项任务，取决于动力定位系统所用的位置测量系统。以足够的速度和精度获取所需的信息，以便控制系统计算出推进器指令，使船舶完成预定的任务。控制系统所需的信息包括船舶位置、艏向以及外部干扰力的信息。一个精确可靠的船体位置反馈是确保闭环控制系统正常运行的基本要求。动力定位系统需要一个合适的位置测量系统在全部工作时段提供所需的全部测量信息。一般把定位系统所采用的不同的测量系统分为位置参考系统和传感器系统。
（1）常用的位置参考系统。
①全球卫星定位系统（global positioning system，GPS）。水面船舶的最常见的导航系统是美国的Navstar GPS系统，能够覆盖全球。另外一种卫星导航系统是俄国的GLONASS系统，只能覆盖某些地区。对区域作业，使用差分全球卫星定位（difference global positioning system，DGPS）系统可以达到米级的精度，使用车载CDGPS可以达到分米级的精度。广域增强系统（wide area augmentation system，WAAS）的发展，可以在整块大陆上达到米级的精度。当使用卫星导航系统时，为了得到可靠的位置信息，至少有四颗卫星是可以看见的。如果船舶进入遮蔽区域，则不能得到冗余信号，易引起船舶位置信息的丢失。另外电离层干扰、水面的反射等都将降低位置测量的准确性。
②北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统是由中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成；地面段包括主控站、时间同步／注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施；用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度为0.2米／秒，授时精度10纳秒。
③水声位置参考系统。在海底的固定点安装一个或多个应答器，并在船体安装一个或多个发射器，就可以确定船的位置。该位置测量系统的精度主要由水深及发射器与应答器的距离来决定。水声位置参考系统可细分为短基线系统和长基线系统。
④张紧索位置参考系统。用来测量船舶在漂浮状态下的相对位置。该系统由一个安置在海底的重载荷组成。重载和船通过一根钢索连接起来，钢索的一端连在船上的绞车上，通过绞车使钢索保持恒定的张力。测量钢索两端的角度以及钢索的长度，通过求解3个几何方程便可以得出3个未知量。
其他的位置参考系统包括微波系统［如ARTEMIS、MICRORAGER、MICROFIX、无线电波系统（如SYLEDIS）、光学系统（激光）以及立管角位置测量系统］。
（2）传感器系统。
①电罗经和／或磁罗经，用来测量船舶的艏向。
②竖直参考单元，用来测量垂荡、横摇和纵摇量。一般也可以得到相应的角速度。它的一个主要的作用是用来调整通过GPS、HPR[1]等系统得到的横摇和纵摇位置量。对于深海的动力定位操作，横摇纵摇的量必须非常精确，提供给HPR做修正。
③惯性运动单元，包括陀螺仪和3个方向的加速度仪，能够测量船体坐标系中纵荡、横荡和垂荡的加速度、横摇、纵摇和艏摇的角速度以及相应的欧拉角的角速度，与滤波器（或观测器）一起使用，可用来处理DGPS或者HPR的测量值，得到比较精确的速度值。
④风传感器，用来测量风速及风向角。
⑤吃水传感器。(https://www.daowen.com)
⑥流传感器和浪传感器。
2）推力系统
推进器是动力定位系统的一个组成部分，用于产生力和力矩，来抗衡作用于船上的干扰力和干扰力矩。动力定位系统中所用的推进器一般有两种形式：
（1）侧推器或称首推器。它是将一螺旋桨安放在一孔道中，孔道可以安置在船体的任意位置。一般孔道垂直船体的中心平面。
（2）方位推进器。它是一个可以改变螺旋桨轴在水平面上方位的推进器。一般为带有导管的导管螺旋桨。螺旋桨是可调螺距的。推进器性能的估算建立在敞水性能的基础上，它由模型试验得到（也可以用理论方法计算）。
3）控制系统
航海船舶上最老的“控制器”是舵手，他通过观察仪表（传感器的输出）操纵舵轮和控制船舶的调速系统，来控制航向、船位和船速，以求达到预定的结果。舵手在执行控制机能时，读取传感器的输出，将其数值与预定值作比较，发出操舵和调速指令，使船尽可能靠近所希望的位置，此时的控制指令是舵手凭经验心算的结果。
在需要动力定位的场合，尤其是需要长时间在某一固定位置进行作业的情况下，将舵手改换成自动控制系统，可以降低对操作人员的要求，并可以达到较好的控制效果。动力定位系统最初的控制器和一般的自动控制系统一样，也是模拟系统。随着数字技术和微处理机的发展，尤其是计算机硬件和软件业的发展，设计一套完整的动力定位控制软件，辅之以性能良好的配套硬件（如各种测量设备、推进设备等），也就成为可能。
动力定位系统的控制系统是一种多回路反馈控制系统，其主要功能包括：①处理传感器信息，求得实际位置与艏向；②将实际位置和艏向同基准值相比较，产生位置的偏差信号；③计算抵抗位置偏移所需要的恢复力和力矩，使偏差的平均值减小到零；④计算风力和力矩，提供风变化的前馈信息；⑤将反馈的风力和力矩信息叠加到误差信号所代表的力和力矩信息上，形成总的力和力矩；⑥按照推力分配逻辑，将力和力矩指令分配到各个推进器；⑦将推力指令转化为推进器指令。
同时，它还起到下列重要作用：补偿动力定位所固有的滞后，以免造成不稳定的闭环动作（稳定性补偿）；消除传感器的错误信号，防止推进器做不必要的运动（推进器调制）。控制方式有下述两种：①如果控制系统是用船的瞬时位置与所要求位置的偏差作为输入来求得所需的推力大小和方向，这种控制方式就称为后反馈；②如果能知道每一时刻作用在船体上的环境力的大小和方向，控制系统中所要求的推力由已知的环境力来确定，则这种控制方式称为前反馈。
动力定位系统的设计包含如下步骤：
（1）控制能力和模拟。在设计阶段，通过静力和动力分析，验证安装在船上的电力容量和推进器能力是否能够满足使用要求。对静力分析，仅考虑风浪流所引起的慢变力的影响，需要以下数据项：
①船舶主尺度，如排水量、型长、型宽和工作吃水。
②跟方向有关的风力流力和波浪慢漂力系数，用来计算相应的力和力矩。
③动力定位船工作区域的最恶劣海况，包括风速、流速、有义波高等。比较重要的参数是波浪周期和波浪的统计描述，一般是通过波谱公式来求得，如Jonswap谱、Pierson-Moskowitz谱等。一条比较重要的规则是用来抵消静载荷的螺旋桨的推力不应超过其最大推力的80%。20%的裕度用来抵消动载荷的影响。静力分析的结果可用控制能力图来表示。一般来说，20%的裕度设计是比较保守的，因此最好结合动态模拟（在时域上），最终还要考虑推力分配方案、螺旋桨的固有动态性能、禁止的方位区域以及整个的控制回路。传统的控制能力模拟中，一般忽略功率限制的影响，而实际上功率限制是引起动力定位系统失效的一个重要的原因。考虑功率限制的性能分析对设计发电站也有指导作用，如要多少电力总线、每根电力总线承载多大电力、每个螺旋桨跟哪一些总线相连等。
（2）可靠性和冗余性。从安全性角度来看，动力定位系统可分为四个子系统。每个子系统可以进一步细分。
①第一级：电力系统。第二级：发电系统、配电系统、激励级，等等。
②第一级：推进系统。第二级：主螺旋桨、导管推进器、方位推进器。
③第一级：位置控制系统。第二级：计算机和输入／输出系统、人机界面、不间断电源等。
④第一级：传感器系统。第二级：陀螺仪、位置参考系统、风传感器。
从底部开始，给定每个基本系统的可靠性，结合考虑每个级别的冗余性，通过统计方法可以算出整个系统的可靠性和可用性。
在可靠性分析中，每个单元都用以上特征量来描述，则可以计算出整个系统的可靠性。
在项目的初始阶段，改变设计方案不会开销很大；若在项目进行时改变设计，将导致很大的花费。在整个项目交付使用以及海上试验阶段，一点微小的系统改变将引起整个项目的推迟以及增加额外的费用。因此，在整个设计阶段，应该采用不同的可靠性方法来分析整个系统的可靠性，判断设计上是否有差错，减小整个系统的风险。图4-3为双重冗余定位系统结构。
（3）失效分析。比较通用的方法是故障模式和影响分析。这是一种定性分析技术，可以比较系统地分析系统可能的失效模式以及相应的对系统、任务和人员的影响。该分析可进一步发展为临界分析，能够根据可能性以及相应的后果来界定故障的级别。
图4-3 双重冗余定位系统结构
