DP系统在专业救助船上的应用前景

孙程琳 刘现亮

船舶动力定位系统从20世纪70年代逐渐发展起来，在海洋工程、科学考察等领域有着重要的用途。随着船舶电力推进的成熟和自动控制理论的发展，动力定位系统的性能不断提高，应用领域也在不断扩大。在我国当前的海上专业救助船中，DP技术也得到了循序渐进的应用。从早期的DP-0到后来的DP-2，专业救助船对DP技术一直在不断实践和探索。本文通过总结分析DP技术的实践，以提高海上救助能力为目的，展望DP技术在专业救助船上的应用前景。

一、DP技术的概述

DP系统（Dynamic Positioning System）系指仅用推进器的推力保持其自身位置（固定的位置或预先确定的航迹）的操作系统，一般的系统组成为：1.动力系统；2.推力器系统；3.动力定位控制系统及测量系统。

DP系统分级：

DP-0：船舶装备一套集控手操的集中控制系统，在规定的环境条件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范围。

DP-1：船舶装备一套能够自动保持艏向的集中控制系统，集中控制系统可以是操作手柄集中控制，也可以是电脑自动控制，在规定的环境条件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范围。

DP-2：船舶装备两套能够自动保持艏向的集中控制系统，集中控制系统可以是操作手柄集中控制，也可以是电脑自动控制，在规定的环境条件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范围。

DP-3：船舶装备三套能够自动保持艏向的集中控制系统，集中控制系统可以是操作手柄集中控制，也可以是电脑自动控制，其中两套控制系统等同于DP-2，第三套能够自动保持艏向的集中控制系统需要分开并单独配置，作为应急之用，在规定的环境条件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范围。

DP系统的分级主要依据系统的可靠性和冗余度，而不是依据精度。

二、当前专业救助船的DP系统应用现状分析

在专业救助船主力船型中DP系统的应用水平随着DP技术的发展逐渐升级。DP系统的应用阶段大致为：2010年之前建造的船舶为DP-0系统；2010年—2014年建造的船舶为DP-1系统；2014年之后建造的船舶上，DP-2系统开始应用。下面以DP-2系统专业救助船为例，简要介绍DP系统在专业救助船上的具体应用。

（一）船舶参数

船舶类型:14 000千瓦旗舰级专业救助船，总长：116.95米，型宽：16.2米，型深：7.8米，总吨：4 747，DP等级：IMO DP-2。

全船安装了两台主机（单台最大持续功率7 200千瓦），通过齿轮箱与轴系驱动两个可调距螺旋桨（每台螺旋桨直径3 450毫米，有四个叶片），每个齿轮箱配备PTO（POWER-TAKEOFF）驱动轴带发电机。船上同时配备了三台柴油发电机组（每台功率500千瓦）。船首部安装了两台（单台电机输入功率为1 140千瓦）、船尾部安装了1台（单台电机输入功率为780千瓦）管道式侧向推进器用于船舶机动和动力定位。全船安装了两套独立的转叶式舵机，每个包含带独立动力单元的液压执行机构。

（二）本船的冗余的定义描述

对本船而言，冗余的要求只有在发电机和柴油机的运行状态下才得以实现，也就是说某台柴油机和发电机停止之后的重新启动再参与船舶定位不被认为是冗余。

本船只有一台艉侧推，停止之后的重新启动并快速为DP系统接纳，重新参与定位，但其操作的简单性和快速性需要在试验得到确认，如果满足要求，将被认同为冗余。

本船动力和推进系统分为两个冗余分组，每一分组依靠自身的动力，定位和控制系统就能使船舶保持一定的定位能力。所以最严重的单点故障影响不能超出一个冗余分组的范围。鉴于一号艏侧推有更大的转船力矩，其所在的冗余分组失效被认为是严重单一故障。

（三）本船的DP系统配置图（见图1）

图1 14 000千瓦旗舰级专业救助船DP系统配置图

从图1可以看出，DP系统是动力系统和传感器系统的计算中心和指令中心，三个系统之间循环相互作用，以便DP系统效能达到最佳。

（四）本船DP系统相关的传感器

两个Seatex运动姿态传感器。位移传感器（MRU）将船舶横摇、纵摇信息发给数据分析单元，以便位置参考系统可以纠正的船舶方位。两台电罗经作为航向输入通过NMEA通信格式输出到数据分析单元。至少有一台罗经能够在任何时候都为自动艏向控制提供艏向信息。两只风速风向传感器，一只为数字式风速风向传感器，另外一只是普通机械式，分别装于主桅杆顶部。至少有一个风速风向传感器能够在任何时候为DP系统提供风速和风向信息。一个用于定位的激光信标，基于测量附近区域被动转发器反射的不可视安全激光信号，实施过程充分固态。一台差分全球定位系统DGPS，型号为DGPS122。1台用于定位的高精度声学定位仪，型号为HIPAP451。

（五）本船DP系统控制软件和计算方式介绍

本船安装了KONGSBERG公司提供的DP-2控制系统。康士伯K-POS动力定位系统是一个计算机化的船舶自动定位和航向控制系统。控制船只的航向时，K-POS动力定位系统使用的来自两台回转罗经，同时至少有三个位置参照系统（例如差分全球定位系统或信标定位）的数据，使得K-POS系的能够为船只定位。航向和所需定位的设置点由操控者输入，经K-POS系统处理，然后分配给各推力器控制信号。K-POS系统总是最佳分配动力给正在使用中的推进器。

当与所设定的航向或位置偏离时，K-POS将自动检测，并进行适当调整。K-POS系统还提供了一个手动操纵杆控制功能可用于没有位置参照系统时的单独手动控制或联合手动/自动控制，在使用罗经作为艏向参考时，K-POS系统可自动保持并稳定控制艏向。

K-POS系统利用一种船舶数学模型，包含船舶水动力特性，如目前的阻力系数和虚拟转船惯量。这一模型被称为船舶数学模型，反映了船舶如何对外部因素施加力进行反应，例如由风或推进器的作用力。

K-POS系统控制器持续计算实际需求的船舶横向和纵向推力（推力设定值）以及所需的转船力矩（转矩设定值）。K-POS的推力分配器置以设定的螺距/转速/力/负载和方位控制信号的形式分配给每个推进器/螺旋桨，从而获得保持艏向和位置所需的力和力矩。同时也确保了最优化的推进器/螺旋桨使用，使其功耗和磨损最低。

（六）故障模式和影响分析（FMEA）结论

经过书面分析和海上试验，没有在DP-2规定范围内的单点故障能导致船舶有失去定位能力的危险。同时各种故障模式的具体影响在海试中也得以验证，在规定海况下满足DP-2的规范要求。

三、DP系统的应用对海上救助的实际意义

（一）提高船舶操控水平，提升救助能力，增加作业安全系数

海上救助对船舶的操控水平有很高的要求，这里面既有恶劣天气下乘风破浪的“急行军”，也有如穿针引线般的精细作业。专业救助船在各种海况下对船舶操纵都要做到“张弛有度，收放自如”。

DP系统配备了高精度的传感器，极大地提高了对船舶运动态势的探测精确度。通过软件计算和对车、舵和侧推的联合控制，有效地提高了船舶的操纵性能。在专业救助船实施救助直升机着舰和起飞、应急分队水下探摸、水面无人机和水下机器人作业、海面溢油回收等精细作业时，DP系统的稳定而精确的特点增加了作业的安全系数。

（二）简化船舶操纵方式，进而优化救助任务时的人力资源分配

在以往的海上救助中，船长往往肩负着实施救助时的船舶操纵和救助指挥决策等重任，其中船长对车、舵、侧推等手动操作这种传统模式下的船舶操纵占用了船长很大精力，会间接影响临场指挥决策。DP系统是对船舶操作方式的一个变革，很大程度地减少了船长操纵船舶的工作负荷，甚至可以把船舶操纵的工作交给有资质的驾驶员完成，更有利于专业救助船船长发挥决策指挥作用。

（三）精确计算定位负荷，节约燃油消耗

成熟的DP系统通过对传感器的数值以及船舶模型阻力参数的分析，能精确计算出船舶当前运动态势的阻力负荷，然后通过对船舶动力系统的精确调整来抵消外力，使船舶处于预设的运动态势中。这种精确的计算和分析使DP操作模式比传统船舶操纵模式更能有效控制过量的负荷消耗，从而达到节约燃油消耗的目的。

四、DP技术在专业救助船上更好应用的设想

（一）发展更强大的“大脑”和“肢体”，让系统更优化，动力更充沛

在上述的介绍中可以大致了解到DP系统对船舶的控制跟人的运动控制机理类似，靠的是大脑的计算反应和四肢的运动能力。DP系统的“大脑”就是稳定而精良的传感器加上一套合理成熟的控制软件。在国内初步的DP应用中，传感器的粗劣和软件的不成熟让DP系统的国产化一度陷入瓶颈。因此，应用更稳定和精良的传感器和开发与船舶更配套的操控软件是增强DP系统大脑的重要途径，这也是未来的一个发展方向。

1.当前专业救助船配备的定位传感器可利用三种不同的方式以适应各种环境下的定位

有三种主要的外力会引起船舶相对设定点的位移或者艏向变化，分别是风、浪、流。目前配备的风、浪、流传感器已经不能实现精确测量，加上传统的单一的数据处理方式使数据的有效性打了折扣，因此，升级传感器有利于DP系统更好地计算外力。同时，传感器的布置应该考虑以下几点：

（1）受直升机、主机烟囱影响可能会产生气流变化的地方。

（2）船体结构不会引起风向变化的地方。

（3）操作员选择哪个传感器在活跃状态。

2.升级姿态传感器（VRS）和位移传感器（MRU）

DP控制系统不能对船的滚动、前后颠簸横摇和上下起伏进行有效补偿，但是DP系统需要知道船的相关运动数据。这就需要对MRU从船舶重心的偏移量变化进行补偿。使用VRS/MRU来测量这些数据。MRU可以测量线性加速度并计算倾斜角，随着技术进步，DP系统可以利用定位系统和MRU提供船舶的位置、艏向、滚动、前后颠簸和上下起伏的信息，这就能在每个方向上更准确地给DP系统提供参考，精度在0.01°。

3.增强 “肢体”力量，提高恶劣海况下的定位能力

目前，专业救助船DP系统的主要动力是定轴可调距螺旋桨做主推进器。推进器的数量、类型、功率直接影响船的定位“能力”。一般来说，推进器数量越多，功率越大，船的定位能力就越强。从响应时间和效能方面考量，全回转推进器优于定轴螺旋桨或隧道式侧推。当前世界最先进的DP-3系列的钻井平台的动力定位系统采用的都是发电机和全回转式推进器的组合，在以后的专业救助船设计中可以考虑借鉴这种动力系统的设计理念。

以上几个方面的改进共同提升了DP系统对恶劣天气的应对能力，有利于DP系统更“有力”、更稳定。

（二）加强DP系统专业培训，普及DP系统的日常使用

DP技术已经实现普及和长足发展，对有DP操作资质人员的需求也随之迫切。加强这方面的专业培训，让大家会用才能敢用，进而打破对新设备使用的心理屏障，有利于DP操作的普及推广。扩大持证人员数量，增加专业训练，以使人员的操作水平和DP系统的发展齐头并进，从而使DP系统的作用达到设计效果。

五、结束语

如今海上险情复杂多变，恶劣天气频发，使海上救助任务日益艰巨，“以人为本，生命至上”的安全核心理念给海上救助工作提出了更高要求。海上专业救助力量要对新设备积极探索，掌握新技术，用好新设备，才能更坚定地守护好海上生命的防线。