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1.动力定位技术背景
1.1 国外动力定位技术发展
当前, 国际上主要的动力定位系统制造商有Kongsberg公司、 Converteam公司、 Nautronix公司等。
下面分别介绍动力定位系统各个关键组成部分的技术发展现状。
1．动力定位控制系统
1)测量系统
测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器。国内外动力定位控制系统生产厂家均根据船舶的作业使命选择国内外各专业厂家的产品。位置参考系统主要采用DGPS, 水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐, 微波位置参考系统可选择Artemis Mk 4, 张紧索位置参考系统可选择LTW Mk, 激光位置参考系统可选择Fanbeam Mk 4, 雷达位置参考系统可选择RADius 500X。罗经、 风传感器、 运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品。
2)控制技术
20世纪60年代出现了第一代动力定位产品, 该产品采用经典控制理论来设计控制器, 一般采用常规的PID控制规律, 同时为了避免响应高频运动, 采用滤波器剔除偏差信号中的高频成分。
20世纪70年代中叶, Balchen等提出了一种以现代控制理论为基础的控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位控制方法, 即产生了第二代也是应用比较广泛的动力定位系统。
近年来出现的第三代动力定位系统采用了智能控制理论和方法, 使动力定位控制进一步向智能化的方向发展。智能控制方法主要体现在鲁棒控制、 模糊控制、 非线性模型预测控制等方面。
年 5 月份, 挪威著名的 Kongsberg Simrad 公司首次展出了一项的新产品—绿色动力定位系统( Green DP) , 将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。Green DP 控制器由两部分组成: 环境补偿器和模型预测控制器。环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力; 模型预测控制器是经过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型, 用以预测船舶的预期行为。模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位传统的控制器设计更加复杂且更为耗时, 主要有三个步骤: 1.从非线性船舶模型预测运动; 2.寻找阶跃响应曲线; 3.求解最佳推力。控制器结构如图所示[1]:

图1.1Green-DP总体控制图
荷兰的Marin在20世纪80年代初期即确定了关于推进器和动力定位的研究计划, 并开展了动力定位的模型实验, 内容包括: ①推进器和推进器之间的相互作用; ②推进器和船体之间的相互作用; ③环境力和船舶的低频运动。研究结果产生了应用于动力定位的模拟程序RUNSIM, 包括模拟实验的程序DPCON和理论模型计算的程序DPSIM。初步进行了流力、 风力、 二阶波浪漂移力、 推进器力的计算, 控制系统采用经典的PID控制算法[2]和扩展卡尔曼滤波算法, 风力采用前馈的形式。同时, Marin还开展了下述工作: 动力定位系统和系泊系统联合使用的情况; 扩展了动力定位系统在航迹控制方面的应用, 航迹控制功能现已成为动力定位控制系统的基本要求; 动力定位设计阶段的性能评估、 功率需求估算。一般认为, Marin在动力定位系统实验研究方面已走在世界前沿。
挪威在20世纪90年代做过动力定位方面的实验, 她们将重点放在控制理论和控制方法上面, 在满足李雅普诺夫大范围渐进稳定的基础上, 应用现代控制理论的方法, 采取状态反馈和输出反馈两种形式, 设计不同的状态观测器, 观测速度和干扰, 并以此代替卡尔曼滤波, 在比例为1: 70的船模实验中证实定位的效果。
由于系统模型的不精确性, 以及所受环境力的扰动性对船舶动力定位系统稳定性有很大的影响, 因此在解决稳定性方面存在优势的H∞控制理论和鲁棒控制越来越受到了人们的关注。日本的九州(Kyushu)大学还在1: 100的船模实验中验证了控制结果的有效性。
当前, 国际上应用得较为成熟的动力定位控制系统一般都采用第二代控制方法, 而基于第三代控制方法(如自适应模糊控制、 自学习模糊控制等)及实时测量和计算二阶波浪慢漂力以提升更高精度的动力定位系统研制是一种趋势, 世界各国都正在加紧研制中。
在国外, 有些大学以船舶运动为对象进行深入的控制理论研究。如麻省理工学院的Triantafyllou和Hover所研究的船舶运动控制, 加州大学的Girard、 Hedrick等研究的协调动力定位理论和实验等。由美国海洋学会组织的国际动力定位年会, 近年来发表的文章主要从技术层面出发, 研究动力定位系统的设计与改进。 , 挪威Kongsberg公司的Jens-sen发表的”基于模型的流估计”和”基于能量最优的推力使用”、 日本Akishima发表的”深海钻井船‘CHIKYU’的动力定位系系统”、 美国Prasad、 Elgamiel发表的”半潜式平台模型实验”、 挪威Kongsberg公司的Halyard发表的”综合控制系统的改进方法”, 都对各自动力定位控制系统的研究进行了论述。
挪威科学与技术大学与挪威的Kongsberg公司具有密切的联系, 每年都有博士生作相关方面的理论研究|, 每年都邀请Kongsberg公司的相关技术人员给学生讲授动力定位方面的最新进展。 , Kongsberg公司的Lokling Oyvind在”动力定位和导航系统的产品和开发”一文中提到了动力定位系统的要求及未来的挑战。其认为未来的挑战有: 在模型预测方面, 主要涉及速度、 铺管力、 起重力、 一些未知力的干扰预测等; 在控制系统方面, 主要在于危险作业要求的高精度六自度定位, 以及能量消耗和推进器的损耗, 推进器方面的推进器布置、 推进器的限制及影响, 推力分配中的推进器响应时间、 推进器组的顺序控制等。
由于网络的发展, 主要以动力定位为主的舰桥集成控制系统的研制也是船舶操纵的发展趋势。
2．推进系统
用于动力定位船舶的推进系统, 除常规的主推进器和舵外, 还有舵桨推进器、 槽道推进器、 喷水推进器、 全回转推进器等。
国外生产动力定位全回转推进系统的厂家主要有英国的Rolls-Royce、 荷兰的Wgrtsilg、 德国的Schottel和日本的川崎。其中, Roils-Royce是国际上最大全回转推进器的生产厂家, 全回转推进器的功率从900kW到5000kW, 可安装在各种船型上; Wartsila、 Schottel和川崎也是全回转推进器的主要生产厂家, 电力驱动可达7000kW, 可安装在各种船型上。
3．动力系统
现代船舶自动化程度越来越高, 各类达到24h无人机舱要求的船舶基本都采用了船舶电站功率管理系统。船舶电站功率管理系统基本可分为基于主配电板为平台和基于机舱监控系统为平台两种模式。以机舱监控系统为平台的典型代表是Kongsberg公司的DC-C20型机舱监控系统中的功率管理系统。
1.1.1 Kongsberg公司动力定位技术的发展
挪威对于动力定位技术的探索始于1975年Kongsberg Vapenfabrikk (KV)公司的一个称为Dynapos的工程师小组, 此小组原属于国防部门, 之后很快转到石油部门, 即隶属于KV的近海分部。
30多年的今天, Kongsberg公司已经成为世界最大的动力定位系统制造厂商。Kongsberg动力定位系统主要分为以下两类[3]:
( 1) 早年采用KV技术的Kongsberg500原型系统, 即KS500.在20世纪70年代早期, 系统计算机是由Forsvarets Forskning 和KV研制, 是基于晶体管逻辑技术的。
( 2) 几年后出现了基于单片机系统的单一插件计算机( SBC) 新技术, Kongsberg Simrad 利用Intel80186、 80286和80386等处理器分别开发了SBC1000、 SBC 和SBC3000、 BC3003。SBC1000的原型机是世界上第一台使用Intel80186微处理器的计算机。
Kongsberg 公司在1500个动力定位系统开发经验的基础上 , 研制出了Kongsberg K-pos系统, 如图所示。

图1.2 Kongsberg K-Pos 动力定位操作站
其将动力定位系统的鲁棒性、 灵活性、 功能性与操作的简易性上升到了一个新的水平。Kongsberg K-Pos包括了国际海事组织所规定的所有等级的动力定位系统, 以满足不同的经济需求和操作需求。为位置参考系统等传感器提供了广泛的接口, 使整个系统具有透明性和交互性。除了拥有种类繁多的标准模式和功能, Kongsberg K-pos还有一系列的定制功能来辅助某些特定的操作。该系统有一个开发的系统结构, 因而具有良好的结合性。
它能够实现船舶位置和航向的高精度保持。在操作中, 系统能够容忍推进器和测量系统的瞬态误差。其适应性扩展卡尔曼滤波器能够估计船舶的航向、 位置和速度, 以及来自于海流和海浪的干扰。估计器使用船舶的精确数学模型。卡尔曼滤波技术使用模型预测和实时测量, 为其提供了良好的滤波质量、 鲁棒性和位置保持特性。
Kongsberg K-pos系统的基本配置如下。
( 1) SDP11( 基本系统) 和SDP12( 集成系统)

图1.3 SDP11(基本系统)示意图

图1.4 SDP12( 集成系统) 示意图
( 2) SDP21( 基本系统) 和SDP22( 集成系统)

图1.5 SDP21( 基本系统) 示意图

图1.6 SDP22( 集成系统) 示意图
( 3) SDP31( 基本系统) 和SDP32( 集成系统)

图1.7 SDP31( 基本系统) 示意图

图1.8 SDP32( 集成系统) 示意图

图1.9 L3公司的NMS6000

图1.10 Kongsberg公司动力定位系统的发展
1.2 国外动力定位系统的应用
船舶动力定位系统最初的应用开始于60 年代[4], 第一批装有动力定位系统的船舶的排水量仅为450-1000t。这些船舶用于钻探、 敷设电缆或对水下作业进行水面支援。第一艘装有自动反馈系统的动力定位船是”尤勒卡”号。1961年, 美国壳牌石油公司的钻井船Eureka号完成下水, 很快自动控制推进器的设备就进行了装船, 它是由HowardShatto设计完成的。这艘船配备了一套最基本类型的模拟式控制系统, 并和外部的一个张紧索参考系统相连。除了主推进器外, 还在船头和船尾加装了易于操纵的推进器, 船长为40 m, 排水量为4.5×105 kg。动力定位系统对船体的尺寸和形状并没有影响, 最显著的标志是它装有多台推力器。在世界上早期的动力定位船舶中, 最成功也最出名的是”格洛马挑战者”号。 该船几乎遍游地球的每一个海洋, 收集水深大于600m 处的岩心, 为地质学上的发现特别是为板壳结构理论提供了大量有利的证据。
第二代动力定位船舶中, 每艘船舶都有其独到之处, 可是都采用几乎相同的传感元件和数字计算机控制系统, 一般都采用计算机组成的数字控制器, 而位置传感器由单一型发展成综合型, 在一个系统中可同时采用声学、 张紧索和竖管角三种位置基准传感器。最具有代表性的第二代动力定位船舶是”SEDC0445”号, 该船于1971 年投入营运, 其动力定位系统与早期系统相比, 主要特点是采用数字式控制器, 包括一台16 位的小型计算机, 系统的各个原件都有冗余, 可长期不间断的运行, 系统在设计时要求能连续作业50d。”SEDC0445”号也装有多台推力装置, 包括11只辅助推进器和2只主螺旋桨。
自80 年代初开始形成的第三代动力定位系统, 主要采用当时刚开始发展的微处理机技术和Mutibus、 Vme 多总线标准等。其中典型的有Kongsberg公司的SDP11系列, Navis公司的NavDP 4000系列, L3公司的NMS6000系列。这些动力定位系统均具有开放性的结构, 能够实现船舶位置和航向的高精度保持, 广泛用于风力发电安装船、 溢油回收船、 平台供应船、 铺管船、 辅缆船、 挖泥船、 打桩船、 半潜运输船、 钻井平台、 打捞船、 起重船、 无限区化学品船、 LNG船等船舶和海洋工程领域。当前最先进的DP能够在2级流、 6级风的海况下实现0.35 m的位置定位精度, 0.1°的艏向保持精度和1 m的航迹保持精度[5]。
第四代船舶动力定位系统中典型的有美国NAUTRONlx公司的ASK400O系列、 挪威的ADP700系列、 法国的DPS90O系列等动力定位控制台, 这些系统均采用高性能的微处理机、 图形发生器、 高速数据通道作为系统的控制核心, 传感器也从模拟传感器逐渐变成数字传感器。
船舶定位控制是在不断壮大的石油和天然气勘探作业以及舰船作业需要的背景下于20世纪60年代初期产生, 当前己经迅速发展为一项高新而成熟的技术。1980年, 具有动力定位能力的船舶数量为65艘, 到1985年增长到150艘, 到 其数量超过了1000艘, 当前全世界已有 多艘具有动力定位能力的船舶。动力定位技术在军事和海洋工程领域得到了广泛应用。
1.3 国内动力定位技术的发展
国内自七十年代末开始研究动力定位技术, 当前, 大多数研究单位尚处于理论研究或实验研究阶段。哈尔滨工程大学的边信黔教授首先开展了船舶动力定位这一课题的立项研究, 作为领航者, 在国内最早提出了要进行动力定位技术的研究工作。
( 1) 其课题组于1996年首次完成了国内第一套装备实船的水下动力定位系统。该系统已运行在中国的深潜救生艇上;
( 2) 该课题组于1997年又完成了国内第一套装备水面船舶的动力定位系统,该系统己运行在某试验场区的ROV工作母船上, 这些研究成果使得动力定位技术从理论研究走向了实用[6]。
( 3) 在此之后, 作者所在的课题组又结合深潜救生的需要, 于 开发完成了水下六自由度动力定位技术, 解决了在混浊海水、 且有较大海流的条件下,进行有倾斜的对口救生的难题, 使中国水下动力定位技术达到国际先进水平。
( 4) , 该课题组已将动力定位技术推向海洋石油行业, 为胜利油田研制用于海底管线检测和维修装置的动力定位系统[7], 提出基于多处理机的系统设计方案合理、 并行度高、 实时性好、 可靠性高, 能够很好地完成复杂船舶动力定位系统所要求的实时信息采集、 数据处理、 控制计算、 推力分配、 能源管理等任务[8]。
( 5) , 边信黔教授课题组对松散耦合的船舶动力定位系统分布式体系结构,提出了一种基于改进的二值PMC模型的分布式系统级故障诊断算法。采用自诊断与互诊断相结合的方法,给出了分布式诊断算法、 图论模型、 诊断内容及算法中使用的报文种类、 故障向量[9]。
( 6) , 研究了模型预测控制在船舶动力定位系统约束控制中的应用, 建立了 3 自由度动力定位船舶的数学模型, 提出了船舶动力定位系统设计中应考虑的各种约束[10]。
( 7) , 其课题组针对船舶在海上的定位和作业受到海洋环境的扰动力影响, 其动力定位控制具有很强的非线性特性。基于自抗扰控制技术, 设计了船舶动力定位控制器。该控制器经过非线性观测器估计出船舶运动速度和系统的总扰动, 并采用非线性反馈进行补偿, 实现对船舶的动力定位控制I 经过仿真实验验证了控制器具有很强的抗干扰能力和鲁棒性[11]。
( 8) 之后, 其课题组针对起重船的作业特点, 在起重船动力定位控制器的设计中引入了先进的模型预测控制技术, 提高了其起重船的作业效率[12]。
( 9) , 针对传统同步构图定位( SLAM) 传感器具有数据量大、 处理速度慢、 实时性差的不足和基于扩展卡尔曼滤波的同步构图定位( EKF-SLAM) 具有对水下无人航行器( UUV) 位置估计精度低、 甚至发散的缺陷, 提出了基于多元测距声呐( MRS) 的水下无人航行器( UUV) 结构环境SFEKF-SLAM( Suboptimal fading extended Kalman filter-SLAM) 方法, 相对于常见的基于 EKF-SLAM 的 UUV 导航系统具有更高的定位精度, 能够构建更加精确的港口堤岸地图[13]。
( 10) , 就移动机器人同步定位与地图构建展开研究, 针对FastSLAM算法产生的粒子退化及粒子集重采样问题, 提出了基于自适应重采样的FastSLAM算法。基于自适应重采样FastSLAM重采样效率更高, 鲁棒性更好, 在机器人路径和陆标位置的估计上也具有更高的精度[14]。
( 11) , 针对移动机器人同步定位与地图构建存在的计算量大、 数值不稳定等问题, 结合容积卡尔曼滤波( cubature Kalman filter, CKF) 原理, 设计了一种基于平方根 CKF(squareroot cubature Kalman filter, SRCKF) 的SLAM算法RCKF-SLAM) 。SRCKF-SLAM 算法经过移动机器人运动模型和观测模型进行预测和观测, 并以目标状态均值和协方差的平方根进行迭代更新, 确保了协方差矩阵的对称性和半正定性, 改进了数值精度和稳定性[15]。
另外, 上海交通大学海洋工程实验室曾开发过控制系统, 并完成了模型试验的调试和验证, 当前正准备结合工程实际进行更加深入的研究, 李和贵教授采用模糊控制对动力定位进行了仿真研究。哈工大将模糊控制技术应用到船舶的艏向寻优和控制器的设计中, 并对此进行了仿真模拟, 结果良好, 但模糊控制技术在动力定位的实用中仍需更深的研究。
1.4 国内动力定位系统的应用
1998年中国首套动力定位系统在哈尔滨工程大学研制成功,但未见产业化。哈尔滨工程大学也自主开发出控制系统, 其研制的 DK-1 型动力定位系统已经具备了在小型船舶上应用的经验。
8月报导,上海708研究所在此领域成功研发出有自主知识产权的中国动力定位系统,已经达到了DP3的水平,中海油第一艘海上石油平台于 下水。
知名的造船企业, 如上海外高桥造船有限公司、 广州江南造船厂等也都投身到动力定位产品的研发中。 年 4 月, 有着亚洲动力定位第一吊的”威力”号 3000 吨自航起重船正式交付使用, 该起重船能够在锚泊无法定位的复杂海域实现良好的定位作业, 填补了中国大深度水下打捞救援的短缺。
年 5月, 国内自主详细设计和建造的 3000m 深水铺管起重船”海洋石油 201”开始在南海作业, 该船的动力定位系统采用了当前最先进的第三代 DP-3 级动力定位系统, 推进系统配置了全电力推进的 7 个推进器, 其在作业时的精确位置经过卫星定位技术得到了保证, 能够完成 3000m 水深的铺管作业任务, 与之前服役第六代深水半潜式钻井平台的”海洋石油 981” 形成了完美的结合。
动力定位产品进口价格高: 50万欧元/每套, 动力定位的需求增长快速。市场需求大; 国际上每年以 台套增长,国内每年需要200-300套,约人民币10-15亿元。国内研究与国际差距较大, 尚未见产业化。为打破国外技术垄断,填补国内空白, 节省大量外汇,船舶动力定位系统的开发、 推广并进行产业化迫在眉睫。

参考文献:
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