徐業(yè)會 潘劭華

摘 要：動力定位系統(tǒng)在浮式海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，隨著全球深水油氣資源開發(fā)的加速，該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將更加成熟。本文簡述了動力定位系統(tǒng)及其基本組成，結(jié)合現(xiàn)場的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)調(diào)試的流程和需測試的功能，對調(diào)試過程中常見問題和解決方法進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞：動力定位；調(diào)試流程；FMEA

中圖分類號：TE83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

動力定位系統(tǒng)于上世紀(jì)70年代后期由美國海軍研制成功，起初主要裝備在潛水艇上，并用于海底電纜鋪設(shè)等作業(yè)。從上世紀(jì)80年代初開始，隨著北海油田、墨西哥灣油田的大規(guī)模開發(fā)，動力定位系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于油田守護(hù)、平臺避碰、水下工程施工、海底管線檢修、水下機(jī)器人跟蹤作業(yè)。20世紀(jì)90年代以來，海上油氣勘探開發(fā)逐步向深水（300～1 500 m）和超深水（1 500 m以上）發(fā)展，幾乎所有的深水鉆井船、油田守護(hù)船都裝備了動力定位系統(tǒng)。

2 動力定位系統(tǒng)簡介

所謂動力定位（Dynamic Positioning 簡稱DP）技術(shù)，是在有風(fēng)、浪、流干擾的情況下，不借助錨泊系統(tǒng)，利用自身的計(jì)算機(jī)自動控制推進(jìn)器系統(tǒng)使得船舶保持一定的位置和首向，或者按照預(yù)定的運(yùn)動軌跡運(yùn)動船舶或浮動平臺位置的技術(shù)。DP廣泛應(yīng)用于深水海洋工程裝備，如鉆井船、鋪管鋪纜船、潛水支持船、穿梭油輪、海洋平臺供應(yīng)船（PSV）和海上浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）等。

3 動力定位系統(tǒng)組成及基本原理

（1）控制系統(tǒng)：由一臺或多臺裝有控制器即控制軟件的計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制，控制整個定位過程?？刂破魈幚韨鞲衅餍畔⒁郧蟮脤?shí)際位置與首向，將實(shí)際位置和首向與給定值相比較，產(chǎn)生誤差信號，內(nèi)部計(jì)算后將力和力矩指令分配給各個推進(jìn)器?？刂栖浖男阅茉诤艽蟪潭壬蠜Q定著整個系統(tǒng)的優(yōu)劣，目前海洋工程應(yīng)用較多的是挪威Kongsberg Maritime（KM）的DP系統(tǒng)，Navis Engineering Oy、Converteam、Rolls Royce及L3等公司的DP系統(tǒng)也有一定市場份額。

（2）位置參考系統(tǒng)：負(fù)責(zé)測量船舶或平臺相對于某一參考點(diǎn)的位置和首向。

DP系統(tǒng)需要精確的位置信息作為參考，通常接收全球定位系統(tǒng)（如GPS或GLONASS）信息，GPS的定位精度在100 m左右，用差分定位系統(tǒng)DGPS進(jìn)行信號矯正，能獲得較高精度的位置信息，精度可以達(dá)到1～3 m。

① 激光定位（Laser）系統(tǒng)——是將激光反射裝置固定在石油平臺等固定的物體上，再由船舶上的激光發(fā)射器對著激光反射裝置發(fā)射出激光信號，在船舶上接收到反射回來的激光信號后，DP系統(tǒng)會根據(jù)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。

② 水聲定位系統(tǒng)——如KM的HiPAP500，在船舶的底部裝有收發(fā)器，海底安有反應(yīng)器，當(dāng)反應(yīng)器一收到船舶發(fā)來的聲頻信號，立即啟動發(fā)射裝置，反饋一個信號到船上。收發(fā)器收到后，它們之間的距離和方位數(shù)據(jù)就可計(jì)算出來并輸入DP系統(tǒng)中。

③ 張緊索定位系統(tǒng)—一個約半噸重的重塊由一根細(xì)鋼絲吊著放到海底，船左或右舷伸出一小吊臂，細(xì)鋼絲經(jīng)吊臂頭上的滑輪后纏繞在絞盤機(jī)的滾筒上。鋼絲的張力要穩(wěn)定在125 kg，這樣鋼絲的排放長度就隨船的運(yùn)動而變。裝在滑輪上的傳感器把垂線的垂角和長度數(shù)據(jù)輸入DP系統(tǒng)中，就可以計(jì)算出船舶相對于重塊的位置。

④ 微波定位——如Artemis，系統(tǒng)分為固定臺和移動臺兩部分。船舶上放移動臺，固定臺放在類似石油平臺的固定物體上。兩個單元都有相似的雷達(dá)天線， X波段（3 m）的微波發(fā)射使兩單元建立聯(lián)系，精確的距離和方位數(shù)據(jù)被測出并輸入DP系統(tǒng)中，不過周圍其他的3m雷達(dá)的發(fā)射會對它產(chǎn)生干擾。

（3）環(huán)境參考系統(tǒng)：用于測量外界環(huán)境狀態(tài)（如風(fēng)速和風(fēng)向）、船舶縱搖、橫搖和垂蕩運(yùn)動以及首向等信息。常用的有Gill的風(fēng)速風(fēng)向儀、KM或者SMC提供的運(yùn)動參考單元MRU，電羅經(jīng)多采用Sperry的產(chǎn)品。

（4）動力系統(tǒng)：為整個動力定位系統(tǒng)供電并負(fù)責(zé)電站的保護(hù)和自動控制等。一般由發(fā)電機(jī)組、配電系統(tǒng)、機(jī)艙自動化系統(tǒng)等組成。發(fā)電機(jī)常用的品牌有卡特彼勒（Caterpillar）和瓦錫蘭（Wartsila）等。

（5）推力系統(tǒng)：提供反抗環(huán)境因素的力和力矩，以使船舶處于規(guī)定的回旋圈內(nèi)。一般由主推進(jìn)器和側(cè)推進(jìn)器組成，有的船舶還安裝了可伸縮式方位推。一般常用的推進(jìn)器品牌有勞斯萊斯（Rolls-Royce）、瓦錫蘭（Wartsila）和肖特兒（Schottel）。

4 動力定位系統(tǒng)調(diào)試

動力定位系統(tǒng)調(diào)試過程分為碼頭調(diào)試HAT和海上試航調(diào)試SAT。

4.1 碼頭調(diào)試

4.1.1 機(jī)械完工檢查

機(jī)械完工檢查的目的是確認(rèn)設(shè)備安裝及接線等滿足規(guī)范要求，包括設(shè)備安裝及外觀檢查、電纜敷設(shè)和電纜接線檢查等工作，屬于靜態(tài)測試。在DP系統(tǒng)設(shè)備安裝過程中，需特別關(guān)注位置參考系統(tǒng)傳感器的安裝，如風(fēng)速風(fēng)向儀周圍不能有大的建筑物遮擋，運(yùn)動參考單元的安裝位置應(yīng)當(dāng)盡量靠近船舶中心，同時(shí)應(yīng)避免周圍有較大的震動設(shè)備。此外，DP系統(tǒng)設(shè)備易受外界信號干擾，需要特別注意設(shè)備的接地保護(hù)（保護(hù)接地PE和儀表接地IE）。

4.1.2 系統(tǒng)設(shè)備通電及接口測試

DP控制系統(tǒng)設(shè)備主要有控制器、操作臺、傳感器和位置參考系統(tǒng)。設(shè)備安裝和接線完成后，可逐步對設(shè)備進(jìn)行通電和接口間的測試。

控制器和操作臺的軟件在出廠測試FAT時(shí)已經(jīng)安裝，碼頭測試時(shí)主要檢查系統(tǒng)是否正常啟動、軟硬件版本是否需要升級和網(wǎng)絡(luò)通信等。

4.1.3 FMEA檢查

FMEA即Failure Mode and Effects Analysis的簡稱，F(xiàn)MEA的程序由具備資質(zhì)的第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)（如ABSG或GL等）編制，并現(xiàn)場進(jìn)行檢驗(yàn)，最后頒發(fā)相應(yīng)的DP證書。

做FMEA是一個交互的過程，達(dá)成協(xié)議后，服務(wù)商先和船東確定FMEA的標(biāo)準(zhǔn)。確定標(biāo)準(zhǔn)后，F(xiàn)MEA服務(wù)商會給出一個需要由設(shè)計(jì)院、船廠和主要設(shè)備商提供的文件清單，收到后就可以著手分析，并和各方就具體技術(shù)問題展開溝通和澄清。FMEA服務(wù)商在完成書面分析后，會把撰寫的包含有試驗(yàn)程序的報(bào)告提交船級社等待批復(fù)。

在船舶試航前，F(xiàn)MEA服務(wù)商需要在碼頭做管系和電纜敷設(shè)的檢查，DP3系統(tǒng)的船舶還得進(jìn)行防水和防火分隔檢查。

4.2 海上試航調(diào)試

4.2.1 調(diào)試前準(zhǔn)備

DP系統(tǒng)的海上調(diào)試，是指在電站管理系統(tǒng)和推進(jìn)器系統(tǒng)測試完成后的完整性功能測試。該項(xiàng)工作開始前，需要對推進(jìn)器的輸出功率進(jìn)行標(biāo)定，確認(rèn)功率和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。其次是要測試突加或突卸情況下的推進(jìn)器響應(yīng)時(shí)間，即推進(jìn)器控制命令從0至100%和100%至0的推進(jìn)器響應(yīng)，通?？紤]在30 s內(nèi)的響應(yīng)曲線。

4.2.2 船舶模型修正及參數(shù)設(shè)定

此項(xiàng)工作是系統(tǒng)調(diào)試的關(guān)鍵，必須考慮不同工況條件下的模型修正。

（1）分別調(diào)整橫蕩、縱蕩和首搖三個方向的參數(shù)，每種運(yùn)動模式下，調(diào)整0～30s內(nèi)系統(tǒng)模型曲線與實(shí)際曲線的吻合度，直至二者基本一致；

（2）在定位模式下，選用兩個中的任一個或同時(shí)選用兩個GPS這三種工況下，改變平臺首向，系統(tǒng)自動控制平臺運(yùn)動并進(jìn)行模型調(diào)整，即所謂的Tuning。此過程主要測試GPS信號的準(zhǔn)確度并進(jìn)行模型修正。在模型中需要輸入GPS天線的安裝坐標(biāo)，即X、Y、Z的絕對坐標(biāo)值，這是在天線安裝結(jié)束后測量得到的；

（3）單個工況條件下的模型修正需要反復(fù)進(jìn)行，直至達(dá)到模型與實(shí)際環(huán)境狀況下的完全吻合。

4.2.3 功能測試

我司建造的PSV項(xiàng)目使用的是DP2系統(tǒng)，功能測試分為主DP、備用DP和獨(dú)立操作桿系統(tǒng)Joystick三個部分，必須對每個系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試。

（1）自動控制測試

動力定位系統(tǒng)的自動控制模式是根據(jù)人工輸入的船位和首向自動定位并加以保持，可采用下列方式進(jìn)行試驗(yàn)：

①在確保各系統(tǒng)均工作正常的前提下，在DP系統(tǒng)中輸入給定的船位及首向；

②啟動自動控制模式，保持6～8 h，期間每隔一段時(shí)間記錄船舶位置及首向或由系統(tǒng)自動記錄；

③考察船舶位置及首向的誤差，應(yīng)在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。且在整個系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)，至少有連續(xù)2 h的氣候條件達(dá)到一定水平，即使推進(jìn)器的平均載荷達(dá)到50%或更高。當(dāng)環(huán)境條件無法達(dá)到上述要求時(shí)，可推遲到在適當(dāng)場合下作為一個特殊的試驗(yàn)來進(jìn)行；

④取消位置參考系統(tǒng)后，系統(tǒng)根據(jù)操作前的環(huán)境數(shù)據(jù)，自動保持約5 min的定位功能。在位置丟失后的報(bào)警測試：第一為運(yùn)動過程中的推進(jìn)器冗余測試；第二為旋轉(zhuǎn)中心測試。

（2）位置參考系統(tǒng)測試

該功能主要考察位置參考系統(tǒng)的精確度，在僅使用一個位置參考系統(tǒng)下的運(yùn)動平臺，如選用GPS1而取消GPS2，測試GPS1的精確度。同樣的方法測試其他位置參考系統(tǒng)。

（3）自動駕駛測試

自動駕駛模式通常僅放置在推進(jìn)器控制臺，用于測試系統(tǒng)的自動航行功能。自動駕駛命令發(fā)出后，推進(jìn)器控制系統(tǒng)會自動判斷電網(wǎng)功率，在功率不滿足的情況下通過電站管理系統(tǒng)自動啟動備機(jī)和并網(wǎng)。因此，該功能測試同時(shí)也是對電站管理系統(tǒng)的一次全面檢驗(yàn)。

（4）自動軌跡低速運(yùn)動測試

DP系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)自動定位，而且可使平臺或船舶按照預(yù)先設(shè)定的軌跡運(yùn)動。在DP操作臺設(shè)定一條路徑，啟動命令后，系統(tǒng)將自動控制平臺按照預(yù)定軌跡移動并保持位置在偏差范圍內(nèi)。

（5）系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試用于冗余控制器間的切換、操作臺的切換、DP姿態(tài)預(yù)測和DP能力分析等功能的調(diào)試，是對軟件的自動切換能力和自動分析能力的考察。

4.3 故障模式及影響分析FMEA測試

功能試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行故障模式及影響分析FMEA測試，即測試故障產(chǎn)生時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)能力，分為DP模式和非DP模式。本文主要討論針對DP系統(tǒng)的FMEA測試。

DP系統(tǒng)的故障模擬主要檢驗(yàn)單個控制器、單個傳感器（如風(fēng)速風(fēng)向儀、MRU和電羅經(jīng)）、單個位置參考系統(tǒng)（如GPS）在斷電或通訊等故障情況下的自動切換功能，主DP失效時(shí)切換到備用DP的功能，以及DP系統(tǒng)的定位能力分析功能。以上測試都必須保證任何單一故障（如果是DP3系統(tǒng)，則包括某一分區(qū)失火或浸水等）都不會導(dǎo)致平臺或船舶失去位置，自動定位功能不受影響。

4.4 調(diào)試中常見問題及解決

動力定位系統(tǒng)作為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，不僅技術(shù)難度較大，且與推進(jìn)器和電站關(guān)系密切，因而還需要進(jìn)行協(xié)調(diào)管理和配合。調(diào)試過程兼具技術(shù)和協(xié)調(diào)管理兩方面的內(nèi)容。

4.4.1 技術(shù)方面

DP系統(tǒng)設(shè)備安裝問題最容易在調(diào)試中遇到，如：風(fēng)速風(fēng)向儀安裝位置不合理，周圍有結(jié)構(gòu)物遮擋，因此最好將其安裝在船舶或平臺最高處；MRU的安裝位置應(yīng)當(dāng)避開周圍振動物體，為減小振動可以增加減震墊。另外，關(guān)于DGPS的信號受附近大功率設(shè)備信號的干擾等問題大多是安裝位置不理想造成的。

另一個問題則是設(shè)備間的通訊故障，通?？赏ㄟ^檢查線路連接、接口協(xié)議、數(shù)據(jù)率設(shè)置和軟硬件版本等進(jìn)行解決。

4.4.2 管理方面

動力定位控制系統(tǒng)的最終目的是控制各個推進(jìn)器的方向和作用力，以抵抗外界環(huán)境力的影響，實(shí)現(xiàn)動態(tài)定位。海上調(diào)試期間，面臨著復(fù)雜的外界環(huán)境，又必須保證電力系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)、配電板和電站管理系統(tǒng)等）、推進(jìn)器系統(tǒng)（螺旋槳、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等）及其他輔助系統(tǒng)（如CCTV、應(yīng)急切斷等）等正常工作，針對不同工況要求，須頻繁對船舶進(jìn)行壓載或卸壓操作。這些設(shè)備的運(yùn)行和操作的實(shí)施，很容易因管理不到位而出現(xiàn)問題。所以，調(diào)試期間不僅需要各個專業(yè)團(tuán)隊(duì)密切配合、協(xié)同工作，而且對于系統(tǒng)操作的安全必須給予足夠的認(rèn)識。調(diào)試工作尤其是海上調(diào)試工作，對于各級組織的管理、規(guī)范的制定及各項(xiàng)應(yīng)急措施的準(zhǔn)備尤為重要。

5 結(jié)束語

動力定位系統(tǒng)自研發(fā)成功至今，已經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展和應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制理論的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)將日趨成熟并不斷完善。而全球深水油氣資源開發(fā)的飛速發(fā)展，使得動力定位系統(tǒng)的應(yīng)用更加普遍。本文在闡述系統(tǒng)的產(chǎn)生、基本組成和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，對DP系統(tǒng)調(diào)試的流程進(jìn)行梳理和總結(jié)，并提出了調(diào)試過程中的注意事項(xiàng)，以期形成較為完整的調(diào)試程序結(jié)構(gòu)，對今后我司類似船舶系統(tǒng)的調(diào)試提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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