船舶動力定位系統(tǒng)的使用

1、船舶動力定位系統(tǒng)的使用國家海洋局北海分局陸會勝隨著計算機的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大,船舶動力定位系統(tǒng),被逐漸廣泛地應(yīng)用在一些工程船和海洋調(diào)查船上。這些船舶在作業(yè)中對于保持船位的要求特別高。最近幾年,在一些新造的港作船和大噸位的客滾船上也裝有動力定位系統(tǒng)。本文以“大洋一號”為例介紹動力定位系統(tǒng)的使用?！按笱笠惶枴边h洋科學考察船于2002年進行現(xiàn)代化增改裝時,增加了一套動力定位系統(tǒng),自2003年開始,一直應(yīng)用在海洋調(diào)查作業(yè)中。1“大洋一號”船動力定位系統(tǒng)簡介動力定位系統(tǒng)由測量系統(tǒng)、組成。信息,對抗船舶受到的各種外力(風、浪和慣性),使船舶保持所希望的(固定的或變化的)位置和船首向。具備定點控位、水下目標跟

2、蹤與自動循跡航行能力?！按笱笠惶枴贝瑒恿Χㄎ幌到y(tǒng)的控制系統(tǒng)是挪威Kongsberg公司生產(chǎn)的,型號SDP-11型,設(shè)計指標是在風力不大于6級,海流不大于1kn時,利用廣域差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定點控位精度不低于40m。為方便操作,本系統(tǒng)配有一個便攜式手操終端和3個插座,可在駕駛室兩舷或尾部控制室對動力定位系統(tǒng)實施手動控制。測量系統(tǒng)的功能是測量船的位置信息、運動信息和環(huán)境信息,并將信號輸出至控制系統(tǒng)。由船上的下列測量設(shè)備組成:(1)風速風向儀,提供風速風向的數(shù)字信號;(2)激光慣性導航系統(tǒng),其中PHINS提供數(shù)字航向信號,OCTANS提供模擬量縱橫搖信號;(3)超短基線水下聲學定位系統(tǒng);(4)(

3、DGPS)。,產(chǎn)生足夠的(風、流、浪和?！按笱笠惶枴贝亩鏅C和主推進,2臺PC2-5L柴油機,并設(shè)有2臺軸帶發(fā)電機。主柴油機除了驅(qū)動可變螺距槳外,還需帶動軸帶發(fā)電機。主柴油機額定功率2572.5kW,軸帶發(fā)電機額定功率1600kW。另增設(shè)輔助推力裝置:船首部設(shè)1臺可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳裝置,最大推力125kN,輸入功率735kW;尾部增設(shè)一臺尾側(cè)推裝置,最大推力65kN,輸入功率550kW。2動力定位系統(tǒng)的作用船舶動力定位系統(tǒng)具有定點控位、水下目標跟蹤與自動循跡航行能力。水下目標跟蹤應(yīng)用在水下機器人的作業(yè)過程中,自動循跡航行則是在高速航行時的一種控制方式,對于船舶的首尾側(cè)推負荷要求不高。在實際應(yīng)用中

4、,定點控位功能適用的場合最為廣泛。在幾千米水深的大洋中進行海洋調(diào)查作業(yè)時,需要把調(diào)查設(shè)備懸掛在鋼纜或鎧裝電纜的端部,停船向和必要的。建議有關(guān)標準對VDR記錄AIS數(shù)據(jù)進行規(guī)定,這樣只要獲得一船的VDR回放數(shù)據(jù),就可同時獲得他船的有關(guān)數(shù)據(jù),不僅可以很好地解決未安裝記錄設(shè)備的事故船舶的數(shù)據(jù)源問題,從而可以更有效地利用“基于航行記錄數(shù)據(jù)的船舶碰撞過程仿真系統(tǒng)”進行碰撞事故分析9,而且也可以有助于有關(guān)部門,如VTS、船公司,了解其他海事事故、附近船舶的航行動態(tài)和進行更有效的船舶管理。5結(jié)束語本文在分析了目前船舶碰撞分析的現(xiàn)狀,結(jié)合AIS的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)更新率、安裝期限等特點,提出了要求VDR記錄AIS

5、數(shù)據(jù)的建議。此外,本文是從VDR的角度出發(fā),建議對AIS數(shù)據(jù)進行記錄,也可以從AIS角度出發(fā)進行研究,即AIS發(fā)射數(shù)據(jù)信息可以從VDR中進行讀取,以實現(xiàn)VDR與AIS的完美結(jié)合。3注:基金項目:上海市教育委員會科研項目(2004097)船舶動力定位系統(tǒng)的使用陸會勝參考文獻1234567吳兆麟編.海上避碰與交通安全研究M.大連海事大學出版社,中華人民共和國海事局.1974年國際海上人命安全公約第章航行中國船級社.國際海事組織第79屆海上安全委員會情況介紹(上)國際海事組織.PerformanceStandardsforshipbornevoyagedata陳宇里.孔凡.船舶“黑匣子”的最新發(fā)展及

6、選用J.航海技術(shù)任松濤.淺談船舶自動識別系統(tǒng)AISJ.浙江交通職業(yè)技術(shù)學院中國船級社.船舶自動識別系統(tǒng)檢驗指南(AIS)S.人民交通出版2001安全及其相關(guān)導則M.大連海事大學,2002Z.中國船級社,2004records(VDRs)S.國際海事組織,1997.2005(4)學報.2002(3)社,20038趙勁松.王逢辰等編.船舶避碰學原理M.大連海事大學出版社,19999孔凡,胡勤友,陳宇里.基于VDR回放數(shù)據(jù)的船舶碰撞過程仿真系統(tǒng)的設(shè)計J.中國航海.2004(2)31© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishin

7、g House. All rights reserved. 海中放出幾千米的鋼纜或鎧裝電纜進行調(diào)查作業(yè)。在還沒有動力定位系統(tǒng)時,只能將船舶停在預(yù)定的工作站位上漂泊進行作業(yè),從開始停船向海中放出調(diào)查設(shè)備至到達幾千米深的海底再將設(shè)備回收到甲板上,一個站位的工作時間一般往往需要45個小時,這期間,按12kn的洋流計算,船位已經(jīng)隨波逐流漂出了46nmile,調(diào)查資料的準確性可想而知。利用動力定位系統(tǒng)保持在預(yù)定的位置上進行作業(yè),保持作業(yè)資料的準確性,這是定點控位的首要用途;其次,現(xiàn)在進行的大部分深海取樣調(diào)查工作,都是可視化作業(yè)方式,即通過鎧裝電纜將海底的視像數(shù)據(jù)傳回到實驗室,實驗室根據(jù)底質(zhì)情況向海底的取

8、樣設(shè)備發(fā)出工作指令。位置上進行調(diào)查取樣作業(yè)(等),且在工作過程中,保持船位不發(fā)生漂移,還。還有一類調(diào)查設(shè)備,如多管取樣器、箱式取樣器等,在進行作業(yè)時要求鋼纜必須垂直于海平面下放入水,才能在海底正常完成取樣動作。以上幾種情況,都要求動力定位系統(tǒng)作為保障。3在海上作業(yè)時,動力定位系統(tǒng)的使用和探討在近幾年的海上調(diào)查作業(yè)中,“大洋一號”船主要是在20005000m的深海大洋中進行定點調(diào)查取樣作業(yè)?，F(xiàn)著重談一下定點控位配合作業(yè)的情況。(1)選擇船首頂風流的合力方向停船,以減少首尾側(cè)推的負荷按照動力定位的設(shè)計要求,應(yīng)該是船在可工作的海況下,在任何船首向上都可以停船進行控位。不過,若這樣操作,船舶受到的外界

9、作用力在橫向上的矢量較大,首尾側(cè)推的負荷就會很大,一般情況下會出現(xiàn)接近滿負荷運轉(zhuǎn),負荷指示在90%100%,此時動力定位系統(tǒng)操作控制面板上出現(xiàn)超負荷指示,在駕駛室的監(jiān)視屏幕上,也會發(fā)現(xiàn)負荷突然升高到安全負荷以上,對于船舶動力設(shè)備的安全產(chǎn)生很大的隱患。根據(jù)“大洋一號”船動力定位系統(tǒng)的設(shè)計指標,可以在小于6級風、1kn海流的海況下進行動力定位工作。但是進行大洋考察期間,海上的風力大部分都是在67級,若達到8級風時,海上的風浪就已經(jīng)不適合安全作業(yè),只能選擇航行到風力較小海區(qū)避風或原地抗風,等待風浪較小時再進行作業(yè)。但是我們不可能在占風力概率60%70%的67級風時,不進行調(diào)查作業(yè)。此外,我們工作的海

10、區(qū)大都處于中低緯度,那里的海流以洋流為主,不受潮汐的影響,相對穩(wěn)定,據(jù)我們進行水文調(diào)查的數(shù)據(jù)顯示,海流大于1kn的概率為85%,在東太平洋的赤道附近海流甚至達到34kn。32據(jù)此,我們只能針對現(xiàn)實的海況條件和動力定位系統(tǒng)的特點找出新的使用方法。海上的風和海流等外界作用力在一定時間內(nèi)是相對穩(wěn)定的,變化很慢。若船只橫向受到風和海流的作用時,會產(chǎn)生很大的側(cè)壓力,船只欲保持原位,控制系統(tǒng)會向首尾側(cè)推發(fā)出指令給予反向補償,需要很大的負荷才會產(chǎn)生效果,而首尾側(cè)推的推力與主推進器相比很小。若是船只受到縱向的風和海流作用時,對于船只的側(cè)壓力很少,只有前后的作用力,此時,動力定位的,即。因此,考慮到船舶,所以、

11、流的合力方向停船最為理想?！按笱笠惶枴贝瑒恿Χㄎ坏臏y量系統(tǒng)中,只有風速風向傳感器,而沒有表層海流傳感器,動力定位控制系統(tǒng)操作屏幕上顯示的海流數(shù)據(jù)是計算機根據(jù)各種外力情況反推出來的,只具有參考意義。在操船時可根據(jù)操作屏幕上顯示的橫向位移值來判斷哪一舷側(cè)的受力較大,然后再向該舷側(cè)調(diào)整船首向,以找到最佳船首向。當船被控制在最佳的船首向停船時,可變螺距槳的負荷一般在全負荷的5%10%,首尾側(cè)推的負荷在5%15%之間。動力定位系統(tǒng)的各推進裝置工作穩(wěn)定、安全。(2)將左右主機單獨使用,改為雙機合排并車使用由于“大洋一號”船是一艘舊船改裝而成,主機和軸帶發(fā)電機等核心動力設(shè)備的使用壽命已經(jīng)有20年。在增改裝時

12、,為了穩(wěn)妥起見,設(shè)計成在動力定位工作模式時,左右主機不合排使用,而是單獨使用,即:左主機單獨驅(qū)動可變螺距螺旋槳工作,同時帶動左軸帶發(fā)電機工作,向全船正常供電;右主機的離合器脫開,不參加驅(qū)動可變螺距槳的工作,僅僅帶動右軸帶發(fā)電機單獨向首尾側(cè)推供電。作為駕駛室的操作者來說,以最小的動力負荷換取最穩(wěn)定的控位效果,這是最佳的操作效果。但是長時間的低負荷運轉(zhuǎn)也會對主機造成損傷,如對主機的活塞和缸套等部位造成穴蝕,對于主機有潛在的危害。而在海上進行調(diào)查作業(yè)時,一個站位的作業(yè)時間往往很長,短則12個小時,長則89個小時,對于船舶設(shè)備的安全和調(diào)查作業(yè)的需要來說,產(chǎn)生了矛盾。2004年,左右主機的電子調(diào)速器進行

13、了更換,經(jīng)過一段時間的觀測,左右主機運行平穩(wěn),調(diào)速器工作正常,在日常航行作業(yè)時,雙機并車工作,能夠自動均衡左右主機的負荷?；诖?我們嘗試改變了動力定位系統(tǒng)工作時左右主機單獨使用的工作模式,不再對右主機脫開離合器使用,而是讓右主機在帶動右軸帶發(fā)電機向首尾側(cè)推供電的同時,還要驅(qū)動可變螺距槳工作,航海技術(shù)2006年第5期© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 使其的負荷可與左主機均衡,不再產(chǎn)生低負荷運轉(zhuǎn)的情況。解決了低負荷運轉(zhuǎn)與長時間工作的矛盾,可以長時間的進

14、行動力定位控位,滿足調(diào)查作業(yè)的需要。(3)注意DGPS差分信號不穩(wěn)定對動力定位操作的影響在測量系統(tǒng)中最為重要的傳感器(Sensor)就是差分GPS,即DGPS信號,若是它的信號丟失,動力定位系統(tǒng)將無法正常工作。DGPS的定位精度為35m,甚至更小,而普通GPS的定位精度則在100m左右,由于動力定位控制系統(tǒng)對于船位信息的要求特別高,必須是差分GPS信號才可以解讀,不接受普通的GPS信號?！按笱笠惶枴贝褂玫腄GPS是Seastar和SeatexDGPS102,的情況。在某些船首向停船時,向調(diào)整1020度,持穩(wěn)定,情況嚴重時,而動力定位系統(tǒng)在自動定位模式下,不論船位信號指示值是否經(jīng)過差分,都是以

15、船位信號指示值做為判斷標準向推進裝置發(fā)出補償指令。因為無差分信號,顯示的船位變化值很小或沒有變化,此時的動力負荷往往很小。經(jīng)過一段時間后,盡管動力定位系統(tǒng)操作窗口顯示的船位經(jīng)緯度沒有發(fā)生變化,實際上船位已經(jīng)隨著風和海流等外界作用力發(fā)生了漂移。一旦再重新有差分信號后,經(jīng)判斷位置出現(xiàn)偏移,會立即向動力裝置發(fā)出補償指令,可變螺距槳和首尾側(cè)推等就會以比較大的負荷運轉(zhuǎn),待回復(fù)到設(shè)定位置時,再以維持船位的低負荷運行;當再次出現(xiàn)一段時間沒有差分信號而后又重新有差分信號的情況時,還會產(chǎn)生動力負荷突然增加的情況。如此周而復(fù)始的出現(xiàn)設(shè)備負荷的突加突減,對于船舶主機的正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的負荷沖擊。(4)根據(jù)海上的實際

16、情況,將自動工作模式分解為自動與手動相結(jié)合的工作模式動力定位系統(tǒng)在定點控位的工作模式下,控制系統(tǒng)向推進裝置發(fā)出負荷指令的依據(jù)是船舶所在經(jīng)緯度的變化情況。當海上的風和海流較大時,或DGPS的差分信號不穩(wěn)定時,控制系統(tǒng)會向動力裝置發(fā)出很大的負荷要求,或是使得動力負荷突高突低,對于船舶推進設(shè)備損害較大,輕則容易造成首尾側(cè)推等推進裝置的損壞,重則會使船舶的原動機主機燒損,造成船舶無法正常航行的嚴重后果。因此,在現(xiàn)有船舶設(shè)備條件下,我們所追求的不能僅滿足于完成某一個調(diào)查站位的作業(yè)要求,而是在保證船舶航行安全的基礎(chǔ)上要完成一個航次幾百個調(diào)查站位的工作任務(wù),還要確保動力設(shè)備不出現(xiàn)故障。船舶動力定位系統(tǒng)的使用

17、陸會勝船舶在海上時,除了在水平方向上受到縱向移動(Surge)、橫向移動(Sway)、偏航(Yaw)三個矢量方向作用力的影響外還受到縱搖(Pitch)、橫搖(Roll)、顛簸起伏(Heave)三個矢量方向作用力的影響。船舶動力定位系統(tǒng)主要是克服來自水平方向上的外力影響,對于縱、橫搖、顛簸等外力并不能被動力定位系統(tǒng)所控制,但是可以被運動傳感器測量并顯示出來。動力定位的自動控位工作模式就是同時控制船舶的三個水平運動矢量,它的參照系統(tǒng)是DGPS提供的。一旦因差分信號不穩(wěn),就會頻繁。運動矢量Sway/Yaw)分解控制,并將這三個水平運動矢量都轉(zhuǎn)成自動控制模式工作,就成為全自動工作模式,仍以經(jīng)緯度信號作

18、為參照系統(tǒng)。而將這三個矢量中的任何一個以手動方式控制,另外兩個運動矢量以自動方式控制,就成為自動與手動相結(jié)合的控制模式。據(jù)此,為了以最小的負荷來獲得控制船位的準確性,我們采用兩個自動模式加上一個手動模式的操作方式來保持船舶位置的穩(wěn)定?？紤]到船舶保持船首向和前后位置的穩(wěn)定需要頻繁地用操作手柄來進行手動操作,且效果還不一定理想,所以把這兩個矢量轉(zhuǎn)換成自動工作模式。當船舶的船首向選準確后,即對準風和海流的合力方向,船舶的左右位移量就很小了,可以通過向左右方向操作手柄來保持橫向速度為零或是接近于零,達到保持船位的目的。此時,船舶可變螺距槳和首尾側(cè)推的負荷都很小,不會再出現(xiàn)負荷較大的情況,更不會出現(xiàn)負荷突加突減的情況。按照在實際工作中總結(jié)的這些行之有效的使用方法,在太平洋、大西洋和印度洋的洋中脊上進行調(diào)查作業(yè)時,對僅在海底2030m直徑范圍內(nèi)存在有熱液硫化物煙囪體的調(diào)查中,我們根據(jù)微地形圖利用動力定位系統(tǒng)操控著船舶在海上一點一點的往各個方向移動,帶動接近海底的取樣設(shè)備尋找并抓取熱液硫化物煙囪體,最終在三大洋中,都取得了滿意的調(diào)查樣品。自2003年以來,在“