动力定位系统介绍

动力定位系统介绍

1、动力定位系统的产生和发展

动力定位系统于上世纪70年代后期由美国海军研制成功，起初主要应用于潜水艇支持船、军用海底电缆铺设等作业。从上世纪80年代初开始，随着北海油田、墨西哥湾油田的大规模开发，动力定位系统被广泛应用于油田守护、平台避碰、水下工程施工、海底管线检修、水下机器人(ROV)跟踪等作业。尤其是90年代以来，随着海上勘探开发逐步向深水(500m～1500m)和超深水(1500m以上)发展，几乎所有的深水钻井船、油田守护船都装备了动力定位系统。据初步估计，目前全世界装备动力定位系统的各类船只已超过1 000艘。

2、动力定位系统简述

海洋中的船舶因不可避免的受到风、波浪与水流产生的力的影响，船舶在这些环境外力的干扰作用下，将产生六个自由度(纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇、艏摇)运动，而对于定位船舶而言，需要控制的只是水平面内的三个运动，即纵荡(Surge)、横荡(Sway)和艏摇(Yaw)运动。

使用动力定位控制系统能够抵消那些作用在船体上不断变化的阻力，维持操作员指定的位置与航向，或者使船舶沿着需要的轨迹移动。

动力定位控制系统使用来自一个或多个电罗经的数据来控制船舶航向；至少使用一个位置参考系统（如DGPS或声纳）的数据来控制船舶位置，从而进行船舶定位。

风传感可以测量船舶受到的风阻力的大小和方向，但是海流力和波浪力不是测量出来的，而是由船舶数学模型计算得出。

动力定位中的船舶数学模型是由扩展卡尔曼滤波算法建立的，该算法用于估计船舶航向、位置以及在各个方向运动的自由度：纵荡，横荡与艏摇，它合并了估计海洋水流与波浪影响的算法。但是该数学模型是无法100％准确代表真正的船舶，因此根据位置参考系与传感器的测量值来不断修正该船舶数学模型，这是一个闭环控制过程。下图是动力定位系统的控制原理图：

动力定位系统可以检测与显示船舶的实际航向和位置与期望的航向和位置之间发生偏离的情况，控制器基于这些信息来控制船舶。

由操作员指定航向和位置的选点，控制系统对这些选点进行处理，然后向推进器发送控

制信号。该系统总是能够检测出航向或者位置是否与需求值发生偏移，并进行适当的调节。

3、动力定位系统的分类

动力定位方面的分类一般有以下几种标准：分别是IMO、ABS、CCS。其中IMO分类和CCS分类只有三级，即DPS-1、DPS-2、DPS-3。不论等级高低，它们的控制原理都是一样的，但是动力定位等级越高，其冗余度就越大，可靠性就越高。

动力定位系统主要单元有外部环境/运动视图、手动控制系统、自动控制系统、位置参考系统、风传感器、罗经、不间断电源下（UPS）、结果分析器、冗余电源系统、电源管理系统等。

DPS-0、DPS-1和DPS-2之间的区别主要体现在设备的冗余程度不同，其中DPS-2系统在单个部件发生故障时，仍然能够正常保持定位功能；而DPS-3的复杂程度不仅体现在设备冗余程度最高，更由于其具有比较复杂的舱室布置。但是，正是由于其复杂的舱室布置，DPS-3具有抵御单个舱室进水或失火的功能，这是其他等级的动力定位系统不具备的。下表是它们在设备和主要功能方面的区别（括号内分别表示IMO和CCS规范的要求）：

4、在海洋石油勘探、开发及生产等阶段的应用

随着世界经济的快速发展，能源问题变得越来越突出。人们把寻找能源的目光都不约而同地转移到了丰富的海洋石油资源上，而且寻找海洋石油已经开始由浅水海域向深水海域发展。与之相适应的诸如深水钻井、海底管线的检测和调查、ROV(水下机器人)作业、水下工程施工、海上避碰等作业，越来越离不开带有动力定位系统的海上钻井平台、船舶。

5、动力定位钻井平台在海洋石油勘探、开发及生产等阶段的应用

随着海洋石油勘探、开发及生产所涉及的海域的水深越来越深，当水深达到或超过500m 后，像自升式钻井平台、普通半潜式钻井平台等钻井平台已经难于承担作业任务，除非对半潜式平台的锚泊系统进行相应的改造。但对于动力定位钻井平台来说，虽然其建造和维持费用高等原因，使平台的日作业费用相对普通钻井平台来说要高。但拥有的广泛适用性和机动性，即使在更深的海域，一样可以承担钻井作业，同时，省去了平台拖航、起/抛锚等作业费用等特点。因此，就其作业的经济性来说，还不能说一定比普通钻井平台高。

6、动力定位船舶在海洋石油勘探、开发及生产等阶段的应用

动力定位船舶的应用比动力定位平台更为广泛和普遍。不论在深海还是在浅海，诸如海上工程安装、ROV(水下机器人)作业、海底管线／电缆的铺设、水下检测、海底调查等要求船舶具有优越操纵和控制性能的作业，都需要动力定位船舶来进行作业。