浅析DPDT动态定位动态轨迹跟踪系统在耙吸挖泥船上的应用

周晓莹

（广州文冲船厂有限责任公司，广州 510727）

浅析DPDT动态定位动态轨迹跟踪系统在耙吸挖泥船上的应用

周晓莹

（广州文冲船厂有限责任公司，广州 510727）

随着耙吸挖泥船向大型化、智能化发展，船东越来越多地考虑在挖泥船上安装DPDT动态定位、动态轨迹跟踪系统，希望借此系统能减少船员的操作强度、提高作业精度和效率、有效缩短施工时间。对DPDT动态定位、动态轨迹跟踪系统在耙吸挖泥船上的应用进行了简单阐述。

动态定位(DP)；动态轨迹跟踪(DT)；耙吸挖泥船

0 引言

动态定位(Dynamic positioning，DP)系统在海洋工程船上已经成熟使用，各船级社对船舶的动态定位有明确的入级符号和详细的要求[1]。但是，DP动态定位系统在挖泥船上的使用却并不多，到目前为止，国内挖泥船船东仅在4条挖泥船上装载，使用情况不明。在广州某船厂建造的挖泥船上，有3条耙吸挖泥船装配了DPDT (Dynamic positioning and dynamic tracking)系统，对此系统在挖泥船上的应用积累了一定的经验。

1 DPDT在耙吸挖泥船上的应用

耙吸挖泥船是一个移动的工厂，它的作业可划分为：在某已勘测好的区域挖泥、装舱作业，在泥舱装满后航行至某指定区域，将泥舱内的泥卸掉或通过彩虹喷头进行艏喷作业吹填或通过艏吹接头排岸；再返回至挖泥区域挖泥装舱，开始一个新的循环[2]。

从耙吸挖泥船的作业过程来看，DP动态定位系统在艏喷和艏吹作业时能将船定位在某设定参考点上，可代替抛艏锚和/或尾锚。通常，抛锚和起锚的时间约为90min，吹泥的时间约为70min～80min。所以，DP的使用可缩短一半的时间，提高一倍的效率。

在大片疏浚作业完成后，会留下一些点高出施工要求的深度(称为浅点)，这时，挖泥船还需要准确找到这些点，将它们逐个挖掉。通过测量船，将这些点的实际坐标测绘在施工图上，余下的工作就是将耙吸挖泥船开到这些“点”上，将它们清除掉。对船长最大的挑战就是如何将船开到这些点上，让水下的耙头通过这些浅点，将这些高点扫平，这正是DPDT系统很容易就可以做到的工作。所以，若能将动态定位动态轨迹跟踪系统安装在耙吸挖泥船上，并有足够的操纵能力，将给耙吸挖泥船的作业带来极大的方便。

2 DPDT动态定位动态轨迹跟踪系统的主要配置

因船级社对疏浚作业没有任何强制要求，所以，DPDT的配置不需要像海洋工程船的DP1、DP2、DP3那么严格，通常取决于船东。但位置参考设备的精度非常重要，DGPS的选型就需要特别注意其精度[3]。通常的配置为：2套DPDT工作站(包含控制计算机、19″液晶触摸屏、控制板等)；2套UPS电源；2套DPDT控制单元；参考系统包含：1套电罗经，1套风速风向仪，2套DGPS，1套运动参考单元。

3 DPDT系统与船舶设备的接口

耙吸挖泥船的推进系统通常采用双推进轴系，配备中速推进柴油机作为主机，推进主机采用一拖二、或一拖三复合驱动模式。推进主机除了驱动CPP推进器外，还驱动2台轴带发电机，若是一拖三复合驱动模式，还将驱动两台泥泵。艏部配备2台侧推器。所以，DPDT与船舶系统的接口通常包含：左、右主机推进控制系统；1、2艏侧推器控制系统；左、右舵机控制系统；全船PMS功率管理系统；集成疏浚控制系统；机舱监测报警系统；电子海图。

4 DPDT动态定位动态轨迹跟踪系统的主要操作模式

此系统具备常规DP系统的主要功能，同时根据挖泥船的施工特点，增加了与挖泥作业相关的特殊功能。详细描述如下：

4.1 DP的标准控制模式

1）联合操纵杆模式: 使用3轴联合操纵杆手动定位。

2）组合联合操纵杆/自动模式：操纵人员可选择船舶三个运动(纵向、横向、艏向)中的任何一个进行手动或自动控制。

3）自动艏向模式：根据设定的目标艏向、旋转速率、旋转速率加速度，精确控制设定的船舶艏向。

4）自动定位模式：通过设定的目标艏向、目标船位、移动速度、移动加速度、旋转中心等实现自动定位。

5）自动舵模式：船舶高速航行时使用此模式，实现船舶航行时的自动艏向控制。

6）自动轨迹(低速)模式：设定艏向、螃蟹脚、旋转速率、旋转速率加速度等，拐点减速、恒速通过拐点，最后定位在最末的拐点上。

7）自动风补偿模式(AWC)：在自动艏向模式或自动定位模式，启动AWC功能，允许系统稳定10min；在手动艏向模式或手动定位模式，取消AWC功能，船位将慢慢丢失，船开始漂流。

4.2 挖泥船的特殊模式

1）挖泥自动舵模式：在自动舵模式，耙头的阻力由耙臂上的拉力传感器提供或在窗口手动输入，艏向和航速取自于刚进入此状态时的设置，也可人工调整。侧推器将被使用以调整所需的艏向。此模式用于在区域疏浚，而不需要设定轨迹疏浚时使用。

2）DT挖泥模式：为了低速跟踪预设定的轨迹挖泥模式，用于耙头必须按预设定的轨迹挖泥作业或者开挖管道沟槽时，可手动设定左或右耙头为跟踪点。在船舶低速或在洋流流速比较高时，需使用侧推器以更好地保证耙头在预定的轨迹上。船舶的速度设定在1节～4节。操纵人员可调整船舶艏向、船舶航速及轨迹的偏移量。

3）扫浅疏浚模式：在大片区域疏浚后，常常会留下一些浅点，需单独逐个挖除，但经常是很难找准浅点。此特别为挖泥船开发的模式，可操纵船舶驶向设定的浅点，在到达浅点前某设定的距离，在SCADA人机界面上弹出窗口，提醒操耙手下放耙头、扫浅、通过该浅点后通过人机界面提醒可以提升耙头、船舶可继续驶向下一个浅点，或操纵船舶倒退至同一个浅点前的预设定的距离，船舶再由倒退转为前进，再重新开始一个新的循环，直至此浅点被扫除。为保证耙头、耙臂的安全，只有在耙头离地至某安全距离时，船舶才能开始倒退。

4）卸泥模式：用于在预定的轨迹上卸泥的作业，在船舶低速或在洋流流速比较高时，需使用侧推器以更好地保证船舶航行在预定的轨迹上。船舶的速度设定在 1～4节。操纵人员可调整船舶艏向、船舶航速及轨迹的偏移量。

5）彩虹艏喷模式：此模式将控制船舶在某设定的位置上，完成艏喷作业，定位点可设置在艏喷出口，系统将考虑艏喷的后坐力(也可手动输入)。此模式下有三种工作方式：a）定点定向艏喷，定点定船舶艏向的艏喷作业方式。b）定点扇型艏喷，设定艏向的变化范围及调整速率，设置艏喷出口为船舶参考点，系统控制舵机、CPP，使船舶以艏喷点为原定左右转动，实现定点扇型艏喷。c）变位扇型艏喷，设定艏向的变化范围及调整速率，设置艏喷点的步进或后退距离，在完成一个艏喷点的定点扇型艏喷后，操纵船舶前进或后退一步，再次开始定点扇型艏喷，实现变位扇型艏喷。d）艏吹模式，设定艏吹接头处为控制点的动态定位模式，可在不抛锚的状态下将船舶很好地控制在设定的允许范围内完成艏吹作业，节省了抛锚时间。

DPDT内置功率管理功能为：将预估各种模式下，需要的推进功率及电动功率。若电站系统无法提供，DPDT系统将发出报警，所选择的模式将不被执行，确保了电站系统及船舶的安全。DPDT通过与全船PMS功率管理系统的通讯，接收到配电网络各开关的状态、发电机的功率信号等。

5 DPDT动态定位动态轨迹跟踪系统与疏浚控制系统的数据通讯

DTDP系统与集成疏浚控制系统的信息交换是项目的难点，主要体现在如何使DPDT厂家的编程人员理解疏浚作业的逻辑控制，其次，也遇到了通讯数据量大、实时性要求高、通讯语句/协议的编制、参考坐标需统一等其它难题。

通常，DTDP系统与集成疏浚控制系统的信息交换是通过以太网通讯，数据交换使用TCP/IP通讯协议或双方一致同意的方式。

1）从集成疏浚控制系统发送给DPDT系统的数据

从集成疏浚控制系统发送给 DPDT系统的数据主要分为：a）船舶装载数据包，包含数据：艏吃水、左中吃水、右中吃水、艉吃水、计算的平均吃水、计算的排水量或装泥量。b）疏浚轨迹数据包，疏浚轨迹可在DTPM疏浚轨迹及剖面显示系统上设定，也可在电子海图的显示器上设定，拐点数据使用WGS-84的形式。c）挖泥动态信息数据包，此数据包是传送耙管快速变化的数据，对传输数据的更新速度有所要求。此数据包包含：左耙、右耙、耙头着地、耙头抬起、耙管的数量、耙头未就绪；耙臂拖力(可选项)；耙头的坐标x，y，z，耙唇角度，耙头压差，挖深；耙臂的姿态，水平角度、垂直角度；耙臂绞车的数据：弯管绞车、耙中绞车、耙头绞车的钢丝绳拉力(可选项)，钢丝绳垂直角度，钢丝绳水平角度，钢丝绳长度。其中，耙臂的拖力可通过安装在耙臂十字绞轴销上的拉力传感器来测量，但由于拉力传感器长期浸泡在海水中，对使用寿命有较大影响。考虑耙头、下耙臂的质量及耙头与海底的拖力及一定的安全系数，此拉力传感器的量程范围通常较大，所以测量的精度不太理想。故也有一些欧洲的疏浚公司不设拉力传感器，耙臂的拖力由疏浚人员手动输入。挖泥慢速信息数据包：泥浆浓度，泥浆流速；由船至耙头的泥泵的数量，吸口真空压力；高压冲水泵的工作状态。卸泥动态数据包：此数据包传输卸泥操作的快速变化数据。卸泥方式：彩虹喷、艏吹、泥门卸泥；彩虹喷数据：彩虹喷时x，y，z方向的后坐力；彩虹喷时的泥浆浓度，泥浆流速。

2）从DPDT系统发送给集成疏浚控制系统的数据根据船东的要求，DPDT的部分数据可通过数据包的形式发送给集成疏浚控制系统。如DPDT系统估算的耙头拖力、洋流的方向和流速等，这些数据发送给集成疏浚控制系统，可用于分析、估算等。

6 DPDT动态定位动态轨迹跟踪系统的试验

DPDT动态定位动态轨迹跟踪系统在挖泥船上安装后，进行了海上的调试工作，经过硬件检查测试、软件调整、与各系统特别是与集成疏浚控制系统通讯数据的测试后，在海上对其各项控制模式进行了试验，基本实现了船东的预期[4]。但同时也发现无论是动力定位的能力还是轨迹跟踪的能力均受风、浪、流的影响较大，某些方位的风水流对船的定位能力有一定的限制，主要原因是艏部侧推器的能力不足，以及船体的受风面积太大。

挖泥船在疏浚时，船长通常是通过舵浆的配合，再辅以侧推器来调整船位，但DP厂家通常是首选艏部的侧推器作为第一推进动力来调整船舶的艏向。由于受电站负荷的限制，侧推器的功率不足，所以，DP厂家后期还需要根据使用的情况做一些调整。

7 结束语

根据在3条挖泥船上安装DPDT动态定位动态轨迹跟踪系统的经验，动力系统的配置是否足够至关重要。在船舶的方案设计初期，需要根据所选择的主推进CPP、舵、艏侧推器进行动力定位能力分析，考虑疏浚挖泥船实际作业的海洋环境和作业模式，调整主推进CPP、舵、艏侧推器的功率。

相信 DPDT动态定位动态轨迹跟踪系统将会更成熟地使用到挖泥船上，通过其计算机强大的计算分析能力、精确的数学模型，再加上合理的动力配置，使其能将船员从繁重的操作中解脱出来，提高作业精度和效率、有效缩短施工时间、降低成本，提高挖泥船参与国际疏浚竞标的竞争力。

[1] Asgeir J S. A survey of dynamic positioning control systems[J]. Annual Reviews in Control, 2011 (35):123-136.

[2] Cees de Keizer. A new generation DPDT system for dredging vessels[J]. Dynamic Ositioning Conference,2000(10): 23-26.

[3] 王芳, 万磊, 徐玉如, 等. 深水半潜式钻井平台动力定位建模与仿真[J]. 船舶工程, 2011, 33(3): 75-78.

[4] Fossen T I. Marine control systems: guidance, navigation and control of ships, rigs and underwater vehicles.Trondheim[M]. Norway: Marine Cybernetics, 2002.

最有效的压缩空气测量方法 —直接在现场或直接在 EtherCAT 系统中进行测量

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Brief Analysis on Dynamic Positioning and Dynamic Tracking System in Application of Trailing Suction Hopper Dredger

ZHOU Xiao-ying
(Guangzhou Wenchong Shipyard Co., Ltd., Guangzhou 510727, China)

With the trailing suction hopper dredger to large-scale and intelligent development，more and more ship owners consider to install DPDT dynamic positioning and dynamic tracking system on suction hopper dredger, hoping this system can reduce the operation strength of crew, improve operation accuracy and efficiency, and shorten the construction time. DPDT dynamic positioning and dynamic tracking system in the application of trailing suction dredger is briefly expounded.

dynamic positioning (DP); dynamic tracking (DT); trailing suction hopper dredger

U665

A

周晓莹（1967-），女，高级工程师，主要从事船舶电气设计工作。