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船舶DP系統(tǒng)在科考船中的應(yīng)用

2020-05-26 02:07李文明于洋俞啟軍
中國(guó)水運(yùn) 2020年3期
關(guān)鍵詞:科考船應(yīng)用

李文明 于洋 俞啟軍

摘 要:針對(duì)大洋科考船在海洋科考作業(yè)中的特殊需求問(wèn)題,結(jié)合大洋科考船幾種關(guān)鍵作業(yè)特點(diǎn),對(duì)船舶動(dòng)力定位(Dynamic Positioning DP)系統(tǒng)的組成及其核心技術(shù)介紹,分析討論船舶DP系統(tǒng)在大洋科考作業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)越性,利用典型科考船的科考作業(yè)實(shí)踐給予引證,并總結(jié)DP系統(tǒng)在科考作業(yè)應(yīng)用中的注意事項(xiàng),為業(yè)內(nèi)拓展海上科考船DP系統(tǒng)的應(yīng)用和新型DP科考船的整體設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞:科考船;動(dòng)力定位(DP);科考作業(yè);應(yīng)用

近年來(lái)我國(guó)海洋科考事業(yè)的發(fā)展迅速,陸續(xù)新造了“東方紅3號(hào)”、“科學(xué)號(hào)”、“嘉庚號(hào)”、“大洋號(hào)”等先進(jìn)科考船[1],科考船根據(jù)作業(yè)需求通常對(duì)其定點(diǎn)的作業(yè)能力、靈活的操作性能和低速航行性能等特定技術(shù)提出較高要求[2]。船舶DP系統(tǒng)以其穩(wěn)定的控制系統(tǒng)和精準(zhǔn)的定位能力也獲得科考船舶的廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)科考船DP系統(tǒng)的介紹,利用典型案例論證船舶DP系統(tǒng)在科考實(shí)踐中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),總結(jié)DP系統(tǒng)在科考船中應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)注意事項(xiàng),為相關(guān)從業(yè)人員作為參考。

1 船舶DP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

船舶DP系統(tǒng)是船舶操縱控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)完成集成控制的一套系統(tǒng),船舶DP控制系統(tǒng)是它的核心,并由具有核心技術(shù)的硬件和軟件組成。

1.1 DP系統(tǒng)的最優(yōu)LQ設(shè)計(jì)

如圖1 DP系統(tǒng)控制原理圖所示,船舶DP系統(tǒng)采用線性二次型最優(yōu)(LQ)控制律理論[3],通過(guò)控制器給出的推進(jìn)器指令,即基于當(dāng)前估計(jì)狀態(tài)與期望狀態(tài)的偏差和控制算法計(jì)算得到,最終由推進(jìn)器系統(tǒng)為船舶提供抵抗外界環(huán)境力所需的推力和轉(zhuǎn)矩。

1.2 精確位置參考系統(tǒng)

精確的位置信息是船舶DP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵參數(shù),船舶DP系統(tǒng)的位置參考單元主要有衛(wèi)星定位、水聲定位、微波激光定位和張緊索定位。以船舶采用的挪威Kongsberg水深定位系統(tǒng)HiPAP500為例:在其作用距離4000m時(shí),定位精度可達(dá)0.2%,測(cè)向精度為≤0.12°,測(cè)距精度為≤0.10m[4]。利用DGPS定位是船舶DP系統(tǒng)廣泛采用的一種定位方式,DPGS的差分技術(shù)可以有效的削弱因電離層延遲、星歷誤差和衛(wèi)星鐘等誤差影響,可使船舶DP定位精度達(dá)到厘米級(jí)。

1.3 船舶運(yùn)動(dòng)傳感器

在DP控制系統(tǒng)建模時(shí),可通過(guò)船舶運(yùn)動(dòng)傳感器能精準(zhǔn)有效測(cè)量相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù),輸出高質(zhì)量的船舶搖擺和垂蕩等數(shù)據(jù),及時(shí)準(zhǔn)確地將船舶DGPS衛(wèi)星天線和水聲測(cè)量探頭偏離船舶重心的位置進(jìn)行修正,從而達(dá)到減少因測(cè)量單元假偏移導(dǎo)致的船舶定位誤差。以船舶常用的Kongsberg Seatex MRU5 為例,其各項(xiàng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸出指標(biāo)[3],參見(jiàn)表1 MRU5性能參數(shù)表。

2 大洋科考作業(yè)特點(diǎn)及其應(yīng)用DP系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

大洋科考主要包括執(zhí)行海底調(diào)查、深海淺鉆、潛水支援、ROV 和AUV(自主式水下潛航器)布放回收、海上搜救等海上科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)急任務(wù),而船舶DP系統(tǒng)在科考船的應(yīng)用能有效滿足以上實(shí)驗(yàn)任務(wù)的嚴(yán)格要求,大幅降低船舶駕駛?cè)藛T的作業(yè)強(qiáng)度,從而保障海上科考作業(yè)任務(wù)的安全完成。

2.1 大洋科考船作業(yè)特點(diǎn)

大洋科考船按其對(duì)船舶操縱要求特點(diǎn)可分為海上定點(diǎn)精確定位作業(yè)、海上機(jī)動(dòng)操縱作業(yè)、海上低速指定軌跡作業(yè)等[5]。

(1)其中以深海礦機(jī)鉆探、海底礦產(chǎn)取樣等為代表的定點(diǎn)精確定位實(shí)驗(yàn)是對(duì)船舶操縱能力有著超高要求的作業(yè)。在深海開(kāi)闊水域下,沒(méi)有船舶DP系統(tǒng)的輔助,船駕人員很難獲得有效的定位參考,并完成長(zhǎng)時(shí)間的高精度船舶保持;

(2)以自主式水下潛航器(AUV)、波浪滑翔機(jī)布放回收為代表的海上機(jī)動(dòng)操縱同樣需要船駕人員合理調(diào)整船位,有效利用風(fēng)流合力,完成各類科考實(shí)驗(yàn)的精貴設(shè)備施放與回收;

(3)以深水多波束掃描、水下AUV動(dòng)態(tài)監(jiān)控為代表的低速指定軌跡作業(yè)要求,則需綜合利用風(fēng)流合力對(duì)低速船舶操控影響提前做出分析,并按預(yù)定軌跡完成操縱,這對(duì)普通船舶的自動(dòng)舵和手動(dòng)操縱均難以達(dá)到DP科考船的應(yīng)用效果。

2.2 應(yīng)用DP系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

具有多項(xiàng)核心技術(shù)的船舶DP系統(tǒng),不僅具有實(shí)現(xiàn)船舶精度可靠、性能穩(wěn)定的船舶定點(diǎn)作業(yè)和預(yù)設(shè)條件評(píng)估的船舶DP能力,而且人機(jī)對(duì)話單元還可為駕駛者提供多種操作模式的選擇同時(shí)還可實(shí)時(shí)匯總船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和作業(yè)環(huán)境的有效顯示,為部分高??瓶甲鳂I(yè)提供必要的安全評(píng)估等功能。

2.2.1? 多選擇的人機(jī)對(duì)話單元

船舶DP系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話單元操縱模式多樣,系統(tǒng)功能強(qiáng)大。一方面,為DPO(DP Operator)提供多視覺(jué)的駕控位置選擇,如DPO除可在船舶DP操控臺(tái)上實(shí)現(xiàn)船舶DP操控外,還可利用船舶DP系統(tǒng)配備的移動(dòng)式操縱桿控制終端(C-Wing Terminal)在船雙舷側(cè)、船頭和科考船八角樓(科考船獨(dú)特的綜合集合設(shè)備操控室)等處完成船舶的遠(yuǎn)程操控,以保障船駕人員最佳的操縱視角,確保船舶安全操縱作業(yè)。

另一方面,船舶DP系統(tǒng)為DPO提供了更多更方便的操作模式選擇,如:①操縱桿模式(Joystick Mode),通過(guò)該模式可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋科考船的一桿聯(lián)動(dòng)操控;②自動(dòng)首向(Auto Heading),船舶艏向控制是船舶操縱的首要控制維度,該功能可減輕船駕者對(duì)艏向的過(guò)渡關(guān)注,使其集中精力用于控制船舶其他維度的運(yùn)動(dòng)控制和科考作業(yè)配合;③自動(dòng)定位模式(Auto Position),船舶DP系統(tǒng)自動(dòng)船位控制,DPO按需設(shè)定合適的首向和位置,DP系統(tǒng)自行控制多個(gè)推進(jìn)器完成船位艏向的控制。④自主航行模式(Auto Track)和自動(dòng)跟蹤目標(biāo)(Fellow Target),則可在船舶低速下實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡的船舶自動(dòng)航行,特別是自動(dòng)跟蹤目標(biāo)功能,則可利用水聲定位系統(tǒng)完成水下ROV或者AUV的近距離自動(dòng)跟蹤。

2.2.2? 有效多元數(shù)據(jù)參考

船舶DP系統(tǒng)不僅能接收處理船舶位置和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的各種參數(shù)用以建立船舶DP控制模型,而且能有效集成分析顯示船舶運(yùn)動(dòng)控制所需參考數(shù)據(jù),DPO提供信息源參考。

(1)外部環(huán)境數(shù)據(jù)。自由運(yùn)動(dòng)下的船舶主要受風(fēng)和流的影響,船舶DP系統(tǒng)應(yīng)用風(fēng)置前饋控制原理[6],通過(guò)數(shù)學(xué)建模將其余外力歸集為海流力,俗稱為DP流。大洋開(kāi)闊水域的科考作業(yè)由于陌生海域缺乏詳實(shí)的海流資料,船舶DP系統(tǒng)所給定的DP流能相對(duì)合理地反應(yīng)所受外界水動(dòng)力的影響,為船舶操縱和科考設(shè)備的上下水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供重要參考。

(2)船位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸出主要包括船舶實(shí)時(shí)艏向、位置和船舶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)速度等,通過(guò)船舶DP系統(tǒng)的位置和艏向等參數(shù)設(shè)置,可以實(shí)現(xiàn)如船位偏差達(dá)3米和艏向偏差3°的警告與船位偏差達(dá)5米和艏向偏差5°的警報(bào)提示,用以提醒DP操作者船舶動(dòng)態(tài)的偏差并及時(shí)有效地采取控制措施,更好的完成科考定位作業(yè)實(shí)驗(yàn)協(xié)助功能,如圖2船舶動(dòng)力定位顯示單元所示。

(3)位置參考數(shù)據(jù)。船舶位置參考單元是DP系統(tǒng)的關(guān)鍵輸出輸入單元,超高精度的船舶定位取決于位置參考單元提供的信號(hào)精度。船舶水聲定位和DGPS定位是科考船在開(kāi)闊大洋的主要定位手段。船舶水聲定位控制顯示單元不僅能有效的監(jiān)控船舶水聲定位的輸入?yún)?shù),而且還可以有效監(jiān)控水下移動(dòng)信標(biāo)的相對(duì)位置,用以識(shí)別定位水下科考設(shè)備如ROV、AUV等設(shè)備的實(shí)時(shí)位置,協(xié)助船舶DPO安全合理控制船位。此外船舶DGPS信號(hào)雖然不收距離限制,但其信號(hào)依然受晨昏蒙影、電離層異常及太陽(yáng)黑子活動(dòng)的影響,利用Kongsberg DPS200等系列DPGS處理單元能有效顯示船舶定位時(shí)所用的衛(wèi)星數(shù)量以及位置精度因子(PDOP)等參數(shù),有利于DPO能合理調(diào)整各參考系統(tǒng)的權(quán)重比例,提高船舶DP控制的穩(wěn)定性[7]。

(4)動(dòng)力分配數(shù)據(jù)。船舶DP系統(tǒng)的顯示單元可多種方式顯示動(dòng)力分配要素。在船舶顯示主推進(jìn)器的模式下,界面可通過(guò)柱狀推力消耗百分比等信息為DPO提供各推進(jìn)器的富余推力、合力總值和力矩總合,為DPO評(píng)估船舶定位能力以及操縱策略提供有力參考,特別是船舶處理遭遇強(qiáng)對(duì)流天氣或者亂流時(shí)的緊急情況。此外在船舶推力分配設(shè)置上,船舶DPO還可以主動(dòng)設(shè)置某一個(gè)或一組推進(jìn)器的偏執(zhí)設(shè)置,用以改善船舶的推進(jìn)器的排出流對(duì)科考設(shè)備的上下水操縱影響[8]。

3 科考船DP系統(tǒng)應(yīng)用案例

應(yīng)用船舶DP系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)科考船的碼頭靠泊[9],DP系統(tǒng)更為重要的是應(yīng)用在各類海上科考作業(yè)操縱和船舶應(yīng)急,從而有效協(xié)助船駕人員確保任務(wù)順利完成以保障船舶作業(yè)安全。本文以“大洋號(hào)”科考船DP系統(tǒng)應(yīng)用為例,介紹船舶DP應(yīng)用的典型案例。

3.1 科考設(shè)備的上下水操縱

海洋科考設(shè)備中潛龍2號(hào)(AUV)不僅單體價(jià)值昂貴[10],而且此類AUV沒(méi)有像ROV那樣有臍帶纜的鏈接,致使其上下水操作成為該類作業(yè)實(shí)踐風(fēng)險(xiǎn)很高。在操作實(shí)踐中,首先通過(guò)DP系統(tǒng)控制船舶獲得船舶搖擺幅度最小的艏向,以便科考人員完成船舷內(nèi)甲板上AUV的吊裝并擺至舷外操作,然后根據(jù)DP系統(tǒng)計(jì)算外界流向、流力等,再及時(shí)調(diào)整船舶艏向,可以確保入水的潛龍2號(hào)快速遠(yuǎn)離大洋號(hào)船體及其推進(jìn)器。同樣在AUV回收過(guò)程時(shí),如圖3自動(dòng)艏向控制應(yīng)用所示,在船舶科考人員捕獲潛龍四號(hào)將其引至船尾時(shí),船舶DPO在低流速時(shí)調(diào)整推進(jìn)器偏置或者高流速時(shí)采用自動(dòng)艏向功能,可以減輕船舶推進(jìn)器排出流對(duì)潛龍四號(hào)自航能力不足的缺陷,確保了AUV的安全快捷回收。

3.2 深水礦機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

以千米級(jí)別深海礦機(jī)海底鉆探為例,深水礦機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)從設(shè)備入水到海底完成淺鉆實(shí)驗(yàn)后再?gòu)?fù)原回船往往需要20多個(gè)小時(shí),但一旦設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)間不可估計(jì)?!按笱筇?hào)”在作業(yè)中利用船舶DP系統(tǒng)的輔助,協(xié)助深海鉆機(jī)完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)的位置誤差可在為2-3米以內(nèi),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)驗(yàn)要求的25米標(biāo)準(zhǔn)。船舶駕駛?cè)藛T還可通過(guò)船舶DP系統(tǒng)有效分析船舶動(dòng)力定位能力,實(shí)時(shí)監(jiān)控外界流向流速變化,以便船舶DPO能及早采取措施應(yīng)對(duì)亂流等影響。

3.3? 海上待命和臺(tái)風(fēng)應(yīng)急

“大洋號(hào)”科考船在實(shí)驗(yàn)任務(wù)間歇期,經(jīng)常需要船舶在附件海域待命以便等待新科考作業(yè)的準(zhǔn)備工作。利用船舶DP系統(tǒng)的綠色定位功能,能實(shí)現(xiàn)船舶在設(shè)定待命圈子內(nèi)保持艏向穩(wěn)定的低速待命狀態(tài),既解決了深海無(wú)法拋錨而浪費(fèi)燃油的問(wèn)題,又有效減輕船舶橫搖,為科考人員甲板作業(yè)和休息創(chuàng)造了良好的條件,大大的減輕了船駕人員的工作強(qiáng)度。

另外海上錨地抗風(fēng)避臺(tái)時(shí),由于“大洋號(hào)”科考船的功能需求導(dǎo)致其上層建筑高大且風(fēng)力中心靠前,不僅容易走錨,而且其在安全富余量較小的錨位抗臺(tái)時(shí),經(jīng)常與周圍貨船轉(zhuǎn)向相反形成緊張局面。應(yīng)急抗臺(tái)情況下,在充分考慮避風(fēng)錨地的富余水深影響后,利用船舶DP系統(tǒng)用以輔助抗臺(tái)也是非常成功的。

4 DP系統(tǒng)在科考船應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

隨著我國(guó)大量新型科考船交付使用,船舶DP系統(tǒng)極大地提高了我國(guó)科考船舶的作業(yè)能力,但應(yīng)用之余更應(yīng)注意以下相關(guān)事項(xiàng):

(1)多艘新型DP系統(tǒng)的科考船中陸續(xù)入列服役,必然造成科考船上持證DPO的緊缺,應(yīng)加大對(duì)未完全取證人員的實(shí)操培訓(xùn)力度,特備是關(guān)鍵操作更應(yīng)由持有DPO證書(shū)的人員操縱或監(jiān)督下完成;

(2)船舶DP系統(tǒng)功能強(qiáng)大且操作模式多樣化,DPO應(yīng)充分開(kāi)發(fā)DP各項(xiàng)功能和合理應(yīng)用各類操縱模式,并注意科考船應(yīng)急情況的處理和經(jīng)驗(yàn)積累,切記過(guò)渡依靠船舶DP系統(tǒng)各項(xiàng)應(yīng)用;

(3)船舶DP系統(tǒng)應(yīng)需經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的輪機(jī)人員加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng),并根據(jù)規(guī)定做好DP系統(tǒng)的年度檢驗(yàn)和五年特檢,以保障船舶DP系統(tǒng)軟、硬件持續(xù)可靠性;

(4)船舶DP系統(tǒng)中的設(shè)備經(jīng)常與科考船的科考設(shè)備形成重復(fù)配置,如海上氣象觀測(cè)系統(tǒng)的風(fēng)速儀,水聲定位系統(tǒng)以及船舶運(yùn)動(dòng)參考單元(MRU)等,如在設(shè)計(jì)之初能有效統(tǒng)一整合,更能有效利用科考船的各類綜合設(shè)備形成資源共享,提升船舶設(shè)備和空間的使用價(jià)值,降低船舶建造和運(yùn)營(yíng)成本。

5 結(jié)論

海洋科考,裝備先行,海洋科考設(shè)備的多樣化、智能化和高精化快速發(fā)展,使得作為各類海洋科考設(shè)備的船舶載體提出了更加多樣化、多功能的要求,同時(shí)也對(duì)科考船的駕駛?cè)藛T提出了更高的船舶操縱要求。船舶DP系統(tǒng)地廣泛應(yīng)用,必將進(jìn)一步滿足海洋科考各類海洋科學(xué)考察的特殊需求,減輕科考作業(yè)人員的工作強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)各類科考調(diào)查實(shí)驗(yàn)的高效設(shè)計(jì),促進(jìn)我國(guó)科考調(diào)查對(duì)大洋資源和環(huán)境更加深入和全面的調(diào)查研究工作。

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基金資助項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51379026)

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