張紅升

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海201208）

抓斗挖泥船移船絞車動態(tài)定位控制技術(shù)

張紅升

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海201208）

抓斗挖泥船深海作業(yè)時(shí)受到定位鋼樁長度限制，一般采用移船絞車定位方式施工。該方式特點(diǎn)是機(jī)動、靈活、挖深大、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用中受到風(fēng)浪流等外力影響，船位不斷發(fā)生變化，為保持船位需要對絞車進(jìn)行動態(tài)定位控制。文中在分析抓斗挖泥船移船絞車動態(tài)定位控制需求的基礎(chǔ)上，采用動態(tài)定位和主動糾偏方法，建立移船絞車控制模型，提出一套動態(tài)定位控制方案。該方案能夠提高船舶定位精度，增強(qiáng)了船舶作業(yè)對風(fēng)浪流環(huán)境的適應(yīng)性。

挖泥船；移船絞車；動態(tài)定位

0 引言

21世紀(jì)是海洋資源開發(fā)的新世紀(jì)，世界各國把開發(fā)海洋、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和海洋產(chǎn)業(yè)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。近年來我國加大對島嶼的開發(fā)與建設(shè)，大型抓斗挖泥船作為深海取料的重要裝備，越來越被人們重視。抓斗挖泥船深海作業(yè)時(shí)受到定位鋼樁長度限制，一般采用移船絞車定位方式施工。海上施工環(huán)境惡劣，風(fēng)浪流等外力對船舶定位影響很大，簡單的移船絞車控制已經(jīng)不能滿足施工需要，這時(shí)需要引入移船絞車動態(tài)定位技術(shù)[1]。

本文在分析抓斗挖泥船移船絞車動態(tài)定位控制需求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了動態(tài)定位控制流程、關(guān)鍵參數(shù)獲取方法和控制系統(tǒng)建模，提出一套動態(tài)定位控制方案。

1 移船絞車動態(tài)定位控制概述

本文依托《工信部聯(lián)裝[2012]539號》文批復(fù)的“大型抓斗式疏浚工程船及抓斗設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目的船體總體設(shè)計(jì)配置進(jìn)行移船定位控制技術(shù)研究。目標(biāo)抓斗船移船配置為：全船配備6臺1 000 kN移船絞車，船艉兩側(cè)各1臺，船艏抓斗機(jī)兩側(cè)各2臺。

移船絞車動態(tài)定位控制系統(tǒng)（以下簡稱“控制系統(tǒng)”）需要根據(jù)目標(biāo)船型建立控制坐標(biāo)系，利用目標(biāo)船位和實(shí)時(shí)船位下移船絞車鋼絲繩出繩點(diǎn)到錨位的鋼絲繩長度變化量，控制移船絞車主動調(diào)節(jié)船位，進(jìn)而達(dá)到動態(tài)控制船位目的[2]。

動態(tài)定位控制過程是絞車恒張力和自動移船的有機(jī)結(jié)合。拋錨結(jié)束后系統(tǒng)記下當(dāng)前需要保持的船位坐標(biāo)和艏向，開啟恒張力模式（恒張力大小根據(jù)當(dāng)前檢測絞車鋼絲繩張力設(shè)定）。施工環(huán)境較好時(shí)，恒張力模式即可有效保持船位。施工環(huán)境惡劣，風(fēng)浪流較大時(shí)，恒張力模式下船位可能發(fā)生較大偏移，需要采用自動移船技術(shù)將船位拉回目標(biāo)船位。自動移船模式下控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取船體坐標(biāo)、船體艏向、錨位坐標(biāo)等重要數(shù)據(jù)[3]。

控制系統(tǒng)執(zhí)行過程由動態(tài)復(fù)原和動態(tài)定位組成。動態(tài)復(fù)原主要針對周期性外力（涌浪）引起船位偏移控制。動態(tài)定位主要針對不規(guī)則性外力（風(fēng)-流）引起船位偏移控制。當(dāng)船位發(fā)生偏移時(shí)，系統(tǒng)會首先執(zhí)行動態(tài)復(fù)原控制，當(dāng)控制誤差大于設(shè)定值時(shí)采用動態(tài)定位進(jìn)行船位糾偏。

2 關(guān)鍵參數(shù)的獲取

2.1 錨位坐標(biāo)

控制系統(tǒng)需要獲取錨位坐標(biāo)用于計(jì)算船體偏移鋼絲繩長度，在錨艇上安裝1套GPS，拋錨結(jié)束后，將錨位通過數(shù)傳電臺方式無線傳輸給母船[4]。

2.2 鋼絲繩長度

絞車收放鋼絲繩長度通過安裝在絞車軸上的絕對值編碼器獲取?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定和維護(hù)方便系統(tǒng)采用ELCO PAM58系列Profibus Dp總線型絕對值編碼器，接入西門子PLC控制系統(tǒng)。

2.3 鋼絲繩拉力

動態(tài)定位系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取絞車鋼絲繩的張力，為恒張力系統(tǒng)提供初始張力值，并在系統(tǒng)運(yùn)行期間提供安全預(yù)警保護(hù)。移船絞車工作期間最多拉力可達(dá)1 000 kN，常規(guī)的鋼絲繩拉力檢測裝置不能滿足要求，而且大部分檢測裝置需要穿繩，不利于安裝維護(hù)。針對項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)了1套檢測裝置。該傳感器利用的是三滾輪法（三點(diǎn)彎曲法）測量原理，采用電阻應(yīng)變式測力傳感器，測量精度高，重復(fù)性好?；顒邮桨惭b，可對被測纜繩直接夾持，無需穿纜，可在不釋放鋼索張力的情況下，夾持于承載鋼索的任何位置，測出鋼索的靜、動張力。安裝、撤卸、使用及維護(hù)方便。滾輪安裝采用高強(qiáng)度密封軸承，環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，在線應(yīng)用，不影響走纜，輸出信號可選0~5 V或4~20 mA輸出，實(shí)船安裝效果見圖1。

圖1 鋼絲繩拉力傳感器Fig.1Wire rope tension sensor

3 動態(tài)定位控制建模

3.1 控制系統(tǒng)坐標(biāo)系

建立控制系統(tǒng)坐標(biāo)系，規(guī)定船尾中心點(diǎn)位置為虛擬參考點(diǎn)。參考點(diǎn)位置為三維坐標(biāo)系原點(diǎn)，原點(diǎn)至船首方向?yàn)閤軸正方向，原點(diǎn)至左舷方向?yàn)閥軸正方向，原點(diǎn)至船底方向?yàn)閦軸正方向。

實(shí)際施工過程中，首先將6個錨拋入水中，并記下拋錨點(diǎn)的坐標(biāo)。艏左1號錨（X1，Y1，Z1）、艏左2號錨（X2，Y2，Z2）、艏右1號錨（X3，Y3，Z3）、艏右2號錨（X4，Y4，Z4）、艉左錨（X5，Y5，Z5）、艉右錨（X6，Y6，Z6）根據(jù)建立的坐標(biāo)系設(shè)定GPS天線在船體的安裝坐標(biāo)（Xg，Yg，Zg）。因?yàn)镚PS安裝位置相對于參考點(diǎn)不變，所以由GPS天線在船體的安裝坐標(biāo)（Xg，Yg，Zg）和船體艏向可以推算出各個絞車出纜器點(diǎn)坐標(biāo)：艏左1號錨（XC1，YC1，ZC1）、艏左2號錨（XC2，YC2，ZC2）、艏右1號錨（XC3，YC3，ZC3）、艏右2號錨（XC4，YC4，ZC4）、艉左錨（XC5，YC5，ZC5）、艉右錨（XC6，YC6，ZC6）。由空間內(nèi)兩點(diǎn)之間的距離可以計(jì)算出6個錨到出纜器點(diǎn)的長度L1、L2、L3、L4、L5、L6。

3.2 控制模型

1）動態(tài)復(fù)原

動態(tài)復(fù)原模式下，拋錨結(jié)束，系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前絞車鋼絲繩拉力補(bǔ)償一定系數(shù)后設(shè)定恒張力值，開啟恒張力模式，并記下當(dāng)前各絞車岀纜器點(diǎn)到錨位的長度L1、L2、L3、L4、L5、L6。當(dāng)外力使船位偏移時(shí)，各絞車岀纜器點(diǎn)到錨位的長度變?yōu)長11、L22、L33、L44、L55、L66。兩次長度相減即可獲得船位偏移后各個絞車的收放量，在錨位不變的情況下，系統(tǒng)控制各個絞車以差值長度進(jìn)行反向動作，使岀纜器點(diǎn)到錨位的長度復(fù)原為：L1、L2、L3、L4、L5、L6。船位即可復(fù)原。但是有與外力的復(fù)雜性、系統(tǒng)檢測誤差和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的累積誤差，動態(tài)復(fù)原后船位誤差可能較大。這時(shí)系統(tǒng)將啟動動態(tài)定位模式，主動進(jìn)行船位糾偏。

2）動態(tài)定位

當(dāng)船位發(fā)生偏移，動態(tài)復(fù)原誤差大于設(shè)定值時(shí)，動態(tài)定位模式啟動。動態(tài)定位模式開啟時(shí)系統(tǒng)記下了目標(biāo)船位和艏向。并記錄了目標(biāo)船位各絞車岀纜器點(diǎn)坐標(biāo)、錨位坐標(biāo)、出纜器到錨位的長度。當(dāng)船位偏移時(shí)根據(jù)偏移后GPS坐標(biāo)和船體艏向，可以推算出當(dāng)前船位6個絞車的目標(biāo)岀纜器坐標(biāo)：艏左1號錨（XC1′，YC1′，ZC1′）、艏左2號錨（XC2′，YC2′，ZC2′）、艏右1號錨（XC3′，YC3′，ZC3′）、艏右2號錨（XC4′，YC4′，ZC4′）、艉左錨（XC5′，YC5′，ZC5′）、艉右錨（XC6′，YC6′，ZC6′）。因?yàn)樵诓蛔咤^的情況下6個錨的坐標(biāo)是固定不變的，所以由空間內(nèi)兩點(diǎn)之間的距離可以計(jì)算出船偏移后6個錨到岀纜器的鋼纜長度L1′、L2′、L3′、L4′、L5′，L6′。船位偏移示意圖如圖2。將計(jì)算的幾個長度值代入式（1）即可獲得船位偏移前后鋼纜長度變化量ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔL5和ΔL6。

式中：ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔL5和ΔL6為船位偏移后鋼纜長度變化量。系統(tǒng)控制6臺絞車使鋼纜長度調(diào)整ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔL5和ΔL6的長度，船位移動到目標(biāo)點(diǎn)，首次動態(tài)定位結(jié)束。實(shí)際施工過程中由于受到風(fēng)浪、鋼絲繩形變及系統(tǒng)檢測誤差影響，首次定位后船位與目標(biāo)船位會有誤差?？刂葡到y(tǒng)設(shè)定首次定位的最大允許誤差，誤差超限時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)會進(jìn)行二次補(bǔ)償定位，重復(fù)首次定位的過程[6]。

圖2 坐標(biāo)系及動態(tài)定位示意圖Fig.2Schematic diagram of coordinate system and dynamic positioning

4 結(jié)語

本文以項(xiàng)目目標(biāo)抓斗挖泥船為對象，分析了6臺移船絞車動態(tài)定位控制原理和方法，重點(diǎn)研究了移船絞車動態(tài)定位控制系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的獲取方法、控制流程和控制系統(tǒng)建模，提出一套動態(tài)定位控制方案。

[1]繆袁泉，田雨，張紅升，等.抓斗挖泥船抓斗機(jī)自動控制技術(shù)[J].中國港灣建設(shè)，2014（12）：47-50. MIAO Yuan-quan,TIAN Yu,ZHANG Hong-sheng,et al.Automatic control technologies for grab machine of grab dredger[J]. China Harbour Engineering,2014(12):47-50.

[2]魏遼國，葉勇，石康，等.新型移動式移船定位絞車的應(yīng)用[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2015（1）：56-58. WEI Liao-guo,YE Yong,SHI Kang,et al.Application of new movable type mooring position winch[J].Ship Standardization Engineer, 2015(1):56-58.

[3]胡斌.工程船定位移船系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].廣東造船，2014（4）：62-64，61. HU Bin.Mobile mooring system of engineering ship[J].Guangdong Shipbuilding,2014(4):62-64,61.

[4]張紅升，繆袁泉，聞峣，等.絞吸式挖泥船三纜定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電設(shè)備，2014（3）：56-58. ZHANG Hong-sheng,MIAO Yuan-quan,WEN Yao,et al.Design of Christmas Tree control system for cutter suction dredger[J]. Mechanical and Electrical Equipment,2014(3):56-58.

[5]張媛.遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的工程船舶控制方法的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005. ZHANG Yuan.Research on using genetic algorithm to optimize fuzzy controller on ship′s controller[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2005.

[6]汪鑫.基于串聯(lián)造船的無裝置移船定位精度控制[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（16）：103. WANG Xin.Accuracy control of shipless positioning based on tandem shipbuilding[J].Science and Technology Innovation Herald, 2010(16):103.

Dynamic positioning control technology of shifting winch for grab dredger

ZHANG Hong-sheng
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

The deep sea operation of grab dredger is limited by the positioning steel pile length,generally uses the shifting winch to moving the ship.The way is characterized by mobility,flexibility,digging deep,strong ability to resist wind and waves. As against the wind,waves and flow of practical application,and many other forces outside,the ship position changed constantly,in order to maintain the position,it is needed for dynamic positioning control of winch.Based on the analysis of the dynamic positioning control requirements of the Grab dredger,we used the dynamic positioning and active correction method to establish the control model of the ship winches and put forward a set of dynamic positioning control scheme.The scheme can improve the accuracy of ship positioning,and enhance the adaptability of ship operation to wind,waves and flow environment. Key words：dredger;shifting winch;dynamic positioning

U615.351

A

2095-7874（2017）07-0069-03

10.7640/zggwjs201707016

2017-02-28

2017-04-21

工信部國家年度重大裝備專項(xiàng)資金項(xiàng)目

張紅升（1983—），男，上海市人，工程師，從事疏浚船舶自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：81673740@qq.com