船舶系泊动力定位控制技术综述_王元慧.pdf

第 44 卷第 2 期2023 年 2 月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.44.2Feb.2023船舶系泊动力定位控制技术综述王元慧,张潇月,王成龙(哈尔滨工程大学 智能科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要:船舶系泊动力定位系统是海洋资源开发中不可或缺的核心装备之一。它能够解决复杂海洋环境下船舶的定位作业问题,可以提升船舶的机动灵活性,同时保证作业安全,减少能源消耗。本文介绍了系泊动力定位系统的组成及工作原理;系统模型的建立、应用场景及相应局限性。归纳总结了国内外关于系泊动力定位技术的研究,分类介绍控制策略进展现状,并讨论系泊动力定位技术未来的发展方向和趋势。指出适用场景横向纵向发展、控制无人化智能化以及面向多任务的需求是系泊动力定位技术进一步发展的方向。关键词:海洋工程;系泊动力定位;系泊系统;动力定位;数学模型;控制系统;可靠性;节能DOI:10.11990/jheu.202107078网络出版地址:https:/ 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2023)02-0172-09A survey on ship position mooring control technologyWANG Yuanhui,ZHANG Xiaoyue,WANG Chenglong(College of Intelligent Systems Science and Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)Abstract:The ship position mooring system is one of the indispensable installments for marine resources develop-ment.It can solve the problem of ship positioning operations in a complicated ocean environment and improve ma-neuverability of ships,while operational safety is guaranteed and energy consumption is reduced.This paper firstly introduces the composition and working principle of the position mooring system,as well as the establishment of sys-tem model,application scenarios and corresponding limitations,and finally,summarizes the research on position mooring technology at home and abroad,classifies the research status of the control strategy,discusses future devel-opment direction and trend of the position mooring technology.It is pointed out that horizontal and vertical develop-ment of applicable scenarios,unmanned and intelligent control,and multi-task-oriented requirements are the direc-tions for further development of position mooring technology.Keywords:marine engineering;position mooring;mooring system;dynamic positioning;mathematical model;con-trol system;reliability;energy conservation收稿日期:2021-07-28.网络出版日期:2022-11-03.基金项目:国家自然科学基金项目(51879049);黑龙江省自然科学基金(LH2019E039);中国科协创新战略研究院科研项目.作者简介:王元慧,女,教授,博士生导师.通信作者:王元慧,E-mail:wangyuanhui .随着世界经济增速发展,石油、天然气等能源短缺问题日益严重,陆地资源已无法满足发展所需,拥有丰富油气资源的海洋便成为了大众关注的焦点。然而,海洋不同于陆地,水深、水压以及复杂多变的风、浪、流环境为资源开采造成了不少阻碍。为解决海洋资源开发问题,为海洋开发装备提供安全、技术支撑的船舶定位技术应运而生1。目前,船舶的定位方式主要有 3 种:系泊定位技术、动力定位技术和系泊动力定位技术。上述 3 种定位方式都能够保证船舶的安全作业,但其应用场景不同且各有优劣。系泊定位又称锚泊定位,是最传统的船舶定位方式,它通过由锚、锚缆和锚链等构成的系泊系统将船由锚固定在海底,从而确保船舶在一定的工作区域内作业。这种定位方式简便易操作,结构简单、可靠、经济性好。但是,由于系泊系统的制造及安全成本会随着水深增加而大幅增长,且机动性差,难以抵御恶劣环境,因此大都用于近海、浅海,海况较好时的海上作业2。动力定位技术是仅利用船舶自身推进系统维持船舶位置及艏向的定位方法。它具有精确灵活、机动性强、不受水深制约等优点,可应用于各种水域。但是,因其完全依靠推进系统抵御外界环境,对能源的 需 求 较 大,经 济 性 较差3。系泊动力定位技术是结合了系泊定位和动力定位二者的长处,系泊系统和船舶推进系统相互配合使用,既能抵御外界环境干扰,又能够减少第 2 期王元慧,等:船舶系泊动力定位控制技术综述能源消耗,同时可以保证恶劣海况下船舶的安全。因此,与单独的系泊定位技术和动力定位技术相比,系泊动力定位技术扬长避短,集合了二者的优点,是必不可少的全天候、能耗经济的安全海洋资源开发技术4。由此,系泊动力定位技术一经提出就受到了广泛关注。近年来,各国学者在系泊动力定位技术方面的研究成果颇丰。本文重点关注系泊动力定位控制技术的发展动态,从系统构成、模型建立及控制器设计等方面阐述系泊动力定位技术的发展趋势,分析控制策略的优劣及应用范围。同时,展望了未来系泊动力定位的发展趋势和应用前景。1 系泊动力定位系统组成 系泊动力定位系统由系泊系统和动力定位系统组成,而动力定位系统又是由测量系统、控制系统和推进系统构成5,其系统结构由图 1 所示。系泊系统提供回复力抵御部分外界环境力,由测量系统获得位置坐标及环境参数信息,控制系统根据期望目标和相关数据由算法计算生成控制指令,并通过推进系统执行实现。图 1 系泊动力定位系统结构Fig.1 Structure of position mooring system系泊动力定位系统的控制目标是借助推进器和系泊系统补偿海洋环境的干扰,使船舶的位置维持在工作区域内且保持期望艏向。其中,在保证系泊缆绳安全的前提下,充分发挥系泊系统的能力来抵御外界环境干扰,减少动力定位系统对推进器的调用,从而节省能源消耗和机械磨损。系泊动力定位系统的一般工作过程如下:在平静海况下,由系泊系统提供定位支持功能,只使用动力定位系统进行船舶的艏向控制,以达到节省能源降低损耗的目的;在中等及恶劣海况下,动力定位系统启动,辅助系泊系统一同为船舶提供回复力,提高抵御环境力的能力,提高定位精度,同时减少系泊缆绳张力,预防系泊缆绳断裂的发生,从而提高了系统的安全性和可靠性。2 系泊动力定位系统模型2.1 船舶运动数学模型 构建船舶系统数学模型是控制器设计的基础。船舶系泊动力定位模型通常采用运动学和动力学六自由度矢量方程表达的形式6:=R()M+C()+D()+g()=+env+m+go(1)式中:是北东坐标系下的船舶位置姿态矢量;表示船体坐标系下的船舶的线速度和角速度矢量;R()是 2 个坐标系之间的转换矩阵;M 是包含附加质量的系统惯性矩阵;C()是包含附加质量的科里奥利向心力矩阵;D()是阻尼系数矩阵;g()是重力/浮力引起的力和力矩矢量;表示船舶推进系统提供的力和力矩;env表示风、浪、流等环境干扰产生的力和力矩;m表示系泊系统提供的系泊张力;go为船舶压载水提供的均衡力矢量。系泊动力定位系统一般仅控制水面船或浮式平台的位置及艏向。因此,可将六自由度方程简化为三自由度方程:=R()M+D=+env+m(2)式中:=x y T和 =u v rT分别表示船舶纵荡、横荡及艏摇方向上的位移和速度。2.2 系泊系统张力模型 上述船舶系统模型中的 m表示的是系泊系统提供的系泊张力,它与船舶位姿、外界环境及系泊缆绳结构有关,是一个复杂的非线性系统,需要构建合适的数学模型来描述它。目前常用的系泊缆绳张力模型的构建方法根据对系泊系统力的分析方式可分为静力分析方法和动力分析方法。2.2.1 静力分析法 静力分析法的基本原理是在稳态条件下根据缆绳的受力情况,利用系泊张力和环境干扰力使得系统受力平衡原则,预估缆绳的几何形状、船舶平衡状态下的位置以及该状态下的缆线张力。悬链线分析法是典型、常用的静力分析方法。刘书胜等7应用悬链线法构建了多成分系泊系统模型。陈新权等8考虑了多段不同材料的系泊缆绳及其分布对系泊张力的影响,通过悬链线分析法构造系泊张力模型并确定合适的缆绳布局方式。于文太等9利用悬链线法推导得到了带有浮筒的系泊系统模型,并计算了多浮筒悬链线系泊缆索姿态参数。然而,悬链线分析法在计算过程中一般只考虑浮体的水平位移,忽略了质量、运动阻尼等动力因素。并且建立在下列假定情况下:缆索自身重力远大于其受到的流体作用力,忽略流体作用力、缆索惯性力和自身的弹性形变等。虽然浅水区域的环境能够满足这些所需的假定,保证所求缆绳张力在可接371哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报第 44 卷受误差范围内。但是,在流速大的深水环境中,或者对于为了迎合深水需求自重小的新型复合缆索来说,该方法不再适用10。2.2.2 动力分析法 系泊缆张力的精确计算是系统设计、作业操作、安全保障的前提和基础,因此针对深海、极端环境下系泊缆的运动特性分析不能忽略缆绳自重、流体作用、惯性力和运动阻尼等动力因素。对系泊系统采用动力分析法,能够准确预报系统在极端海况下的响应,也为系泊系统的疲劳分析提供了保障。在系泊系统运动特性的动力分析法中较为常用的有集中质量法和有限元法。它们分别将缆绳化作n 段质量集中在节点的弹簧和 n 段弹性杆,根据受力平衡关系、边界初始条件列写方程,最终推导系泊张力。这 2 种方法全面考虑了系泊系统非线性,能够准确、实时地预报系统在极端海况下的响应,也为系泊系统的疲劳分析提供了保障。赵晶瑞等11建立带有浮筒的系泊系统集中质量力学模型,通过仿真验证浮筒可以有效减小缆绳张力,但会改变最大张力点;海流的作用力在系泊缆的静力分析中可以忽略。袁梦等12采用弹性杆单元,构建了系泊系统有限元模型。Fang 等13进一步建立了广义系泊力有限元模型,为后续系泊系统安全定位控制研究建立了基础。Lee 等14通过增量和迭代对有限元方法进行改进,推导了单点系泊多段缆绳在波浪力作用下的有限元张力模型,并通过仿真对比实验验证了合理性,可应用于缆绳的动态分析。综上所述,3 种方法都能够推导得到系泊系统的张力模型。悬链线分析法是静力分析方法,多用于近海、浅海等海洋环境较为简单,对张力精度要求不高的应用场景中;集中质量法和有限元法是动态分析法,能够实时、精确地分析系泊缆绳的运动状态、与船舶的耦合运动以及受海洋环境的影响变化,可应用于深海、远海等环境较为复杂,对系泊缆绳张力的精确性要求