摘要：隨著我國海洋事業(yè)和深海技術(shù)的快速發(fā)展，深海鉆井平臺、海底管線和電纜鋪設、起重船、海上打撈救生等海上作業(yè)對其定位精度、穩(wěn)定性和可靠性的要求越來越高，船舶動力定位系統(tǒng)（以下簡稱DP系統(tǒng)）在海洋工程中也獲得了越來越廣泛的應用。動力定位系統(tǒng)通過它的控制系統(tǒng)驅(qū)動船舶的推進器來抵消風、浪和海流等作用于船上的環(huán)境外力，從而使船舶保持在確定的位置上或沿著預設的航跡航行。本文介紹了動力定位系統(tǒng)的定義和分級，簡述了動力定位系統(tǒng)的組成、工作原理和關鍵控制技術(shù)并分析了電力推進系統(tǒng)的技術(shù)特點。在上述基礎上研發(fā)了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的基于貝加萊雙主站和雙網(wǎng)絡冗余X20PLC（PCC，可編程計算機控制器）的船舶動力定位系統(tǒng)，著重描述了該DP系統(tǒng)的構(gòu)成與硬件配置、主要人機操作界面和優(yōu)勢。

引言

船舶動力定位系統(tǒng)(DynamicPositioningSystem，DPS)是一種船用閉環(huán)控制系統(tǒng)，它通過其控制系統(tǒng)驅(qū)動船舶的推進器來抵消風、浪、潮流等作用于船體的環(huán)境外力,從而使船舶保持在所要求的海平面某位置上。DP通過測量系統(tǒng)不斷檢測船舶的實際位置與目標位置的偏差，再根據(jù)環(huán)境外力的影響計算出使船舶恢復到目標位置所需推力的大小，進而對全船的各推進器進行推力分配，使各推進器產(chǎn)生相應的推力以克服風、浪、流等環(huán)境外力的影響，使船舶保持在某一確定位置或沿著預設航跡航行[1]。DP廣泛用于海上作業(yè)船舶和海上平臺的定點系泊，具有定位精度高、靈活性好、機動性強、適用于多種海況作業(yè)等諸多優(yōu)點，受到廣泛關注[2]。

圖1船舶動力定位所需考慮的外部環(huán)境因素

圖2船舶動力定位所需考慮的內(nèi)部操控因素

1動力定位系統(tǒng)的定義和分級

DP系統(tǒng)的定義

最初，在國際海運承包商協(xié)會(InternationalMarineContractorsAssociation,IMCA)的《動力定位船舶設計和使用指南》中，動力定位系統(tǒng)包括了三個部分，即動力（power）、控制（control）和參照值（references）。動力可以再被分為發(fā)電、配電和用電（推進器系統(tǒng)）；控制指的是對功率的控制和管理，有自動和手動兩種方式，還含位置控制系統(tǒng)；參照就是指關于位置、環(huán)境以及船舶方位的傳感器。

后來，國際海事組織（InternationalMaritimeOrganization，IMO）和國際海運承包商協(xié)會(IMCA)將動力定位（DP）定義為動力定位船舶所需要裝備的全部設備，包括動力系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)。

1.2DP系統(tǒng)的分級

DP的分級標準主要考慮設備的可靠性和冗余度，目的是對動力定位系統(tǒng)的設計標準、必須安裝的設備、操作要求和試驗程序等作出規(guī)定，保證DP安全可靠運行，并避免在DP作業(yè)時對人員、船舶和其它設備造成損傷和危害。

由于海上作業(yè)船舶對于動力定位系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，IMO以及各國的船級社都對DP系統(tǒng)提出了非常嚴格的要求，除了在各種條件下都能使用手動控制和自動控制這個基本要求之外，還制定了以下三個等級標準：

（1）設備等級一(DP1)：在單故障的情況下可能發(fā)生定位失常。

（2）設備等級二(DP2)：有源組件或發(fā)電機、推進器、配電盤遙控閥門等系統(tǒng)單故障時，不會發(fā)生定位失常，但當電纜、管道、手控閥等靜態(tài)元件發(fā)生故障時可能會發(fā)生定位失常。

（3）設備等級三(DP3)：任何單故障都不會導致定位失常?；谪惣尤R雙主站和雙網(wǎng)絡冗余PCC設計、研發(fā)的船舶動力定位系統(tǒng)屬于這一等級。

1.3DP系統(tǒng)屬于高門檻應用

DP系統(tǒng)并非簡單的海裝平臺的監(jiān)控，它不同于通常的SCADA系統(tǒng)，而是一個具有全局要求的高可靠性和高可用性的系統(tǒng)，而且，它還必須通過嚴格的資質(zhì)認證，包括IMO、ABS、DNV、IMCA、勞氏船級社等國際權(quán)威機構(gòu)的認證才可以被確認為DP1-3的等級。此外，所有DP系統(tǒng)對于操作人員的資質(zhì)、系統(tǒng)的文檔、冗余系統(tǒng)設計、測試驗證等都有著嚴格的規(guī)定。

目前，國外各主要DP廠家的產(chǎn)品均符合IMO及主要船級社的要求，但目前全球市場上僅有不到十家企業(yè)能夠提供DP3等級的系統(tǒng)，其產(chǎn)品均能提供手動、半自動和自動三種操作方式，對船舶的位置和艏向的控制可單獨進行或兩者同步進行。由于各家公司設計理念及產(chǎn)品用途的不同，產(chǎn)品的配置也不完全一樣，但大體上均包括操控臺、控制和信號處理單元、測量系統(tǒng)、動力推進系統(tǒng)和網(wǎng)絡等。

振華集團海裝研究院作為國內(nèi)最大的海洋裝備與系統(tǒng)研發(fā)機構(gòu)，一直積極地推動該項技術(shù)的自主研發(fā)與應用，以迎接國際船舶認證機構(gòu)的最嚴格挑戰(zhàn)，獲得全球產(chǎn)業(yè)競爭力。

基于與貝加萊在數(shù)字化碼頭的AGV、岸橋防搖系統(tǒng)項目中的成功合作，貝加萊系統(tǒng)的優(yōu)良性能得到了振華海裝研究院的信任，這也是開發(fā)DP系統(tǒng)時直接選用了貝加萊系統(tǒng)的原因。貝加萊提供的冗余控制系統(tǒng)（雙CPU、雙網(wǎng)絡）已能直接滿足DP2的要求，如在既有系統(tǒng)的基礎上增加手動操作模式，即可滿足最高的DP3等級的需求。

2動力定位系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1DP系統(tǒng)的組成

船舶DP系統(tǒng)主要由位置測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力系統(tǒng)三部分組成，如圖3所示。

圖3船舶動力定位系統(tǒng)組成示意圖

（1）位置測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)系指可獲得船舶相關運動參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的傳感器系統(tǒng)，主要包括：聲學定位系統(tǒng)、提供船舶艏向的電羅經(jīng)、提供船舶準確位置的DGPS、提供船舶姿態(tài)的垂向基準傳感器、提供風速和風向變化的風向風速儀和張緊索等。

（2）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要對測量系統(tǒng)獲得的船舶運動信息及當前環(huán)境作用信息進行處理，經(jīng)計算得出推進器的控制信號以對推進器進行控制，從而使動力定位船舶在風、流、浪等外力和推進器的推力綜合作用下保持所期望的位置及艏向不變或向著預設位置航行。

（3）推力系統(tǒng)

推力系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，包括動力系統(tǒng)和推進器。推力系統(tǒng)按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令控制推進器所發(fā)出推力的大小和方向，以抵抗外部環(huán)境的干擾力和力矩。

2.2電氣推進系統(tǒng)的組成和特點

2.2.1電氣推進系統(tǒng)的組成[5]

電氣推進系統(tǒng)屬于DP系統(tǒng)中推力系統(tǒng)的一種，比較常見的船舶電氣推進系統(tǒng)通常都由以下幾部分組成的：原動機和發(fā)電機、配電裝置、變流裝置、電動機、螺旋槳以及相關控制設備等。

（1）原動機和發(fā)電機

原動機、發(fā)電機還有配電裝置組成的電站能夠為電氣推進器提供需要的電能，原動機一般采用柴油機組，也可能采用汽輪機、燃氣輪機、核動力和燃料電池等。依據(jù)不同的船型，電氣推進器可以由獨立的電站供電，也可以與船上的其他負載一起由公共電站供電，也就是通常所說的綜合電氣推進系統(tǒng)。

（2）配電裝置

配電裝置是為電氣推進系統(tǒng)配電并為相關設備和電網(wǎng)提供保護。船舶所用的配電裝置一般由主配電板、分配電板、馬達控制中心和應急配電板等設備組成。根據(jù)電網(wǎng)的電壓等級和電制需求，主配電板可以采用高、中壓配電，低壓配電板還有直流和交流配電等不同形式。

（3）變流裝置

變流裝置主要用來控制推進電機的速度，是船舶電氣推進的核心裝置之一。

（4）電動機

電動機用來驅(qū)動螺旋槳，根據(jù)不同需求可選擇采用直流電機、交流異步電機或同步電機，推進電機的功率從數(shù)百千瓦到數(shù)兆瓦，同步電機通常用在大功率推進裝置上。

（5）螺旋槳

螺旋槳用于將電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成使船舶運動的動力，由于電氣推進系統(tǒng)可以方便地改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，所以電氣推進的螺旋槳通常使用固定螺旋槳。

2.2.2電氣推進系統(tǒng)的特點[5]

（1）可以使用新型的高效推進器

由于電氣推進是采用變速驅(qū)動的方式來改變船舶航速的，所以不需要改變螺旋槳的結(jié)構(gòu)和形狀，這樣就可以使用固定螺旋槳。

（2）推進性能得到了充分的提高

電氣推進的轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍比較大、旋轉(zhuǎn)換向快、起動轉(zhuǎn)矩較大，既能滿足各種船舶不同推進工作情況的性能需求，又能夠充分的提高推進系統(tǒng)的生命力。

（3）節(jié)省有效空間

電氣推進的最大好處就是可以把原動機和螺旋槳分開布置，這是與柴油機直接推進方式的最大區(qū)別。電氣推進的動力裝置是柴油發(fā)電機組，它可以在整艘船舶中靈活布置。

（4）節(jié)能環(huán)保

使用電氣推進的船舶，由于柴油發(fā)電機組總是能夠保證滿載運行，幾乎沒有輕載的工況，效率保持在佳運行點上，耗油率較低，廢物排放較少，能夠較好地保護環(huán)境。

2.3DP系統(tǒng)的工作原理

DP系統(tǒng)根據(jù)其測量系統(tǒng)測出的船舶運動信息和環(huán)境參數(shù)，分析比較船舶位置及艏向和期望數(shù)值，然后控制系統(tǒng)根據(jù)這種偏差計算出推力并合理分配推力。船舶在控制系統(tǒng)的調(diào)控下，通過自身的動力驅(qū)動推進器，形成一個可以抵擋外部時變環(huán)境載荷的主動力，以對抗風、浪、流等力矩的負面影響，確保船舶成為具有一定位置和方向的體系。DP系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。船舶在大海上的動力學特點難以用精確的數(shù)學模型進行描述，且風、浪、流會隨著時間和不同的海況而產(chǎn)生較大的變化。在根據(jù)動力定位系統(tǒng)（DPS）的工作機理來制訂控制策略時，既應考慮到DP系統(tǒng)自身的控制精度，又必須考慮到系統(tǒng)的響應速度和能耗。

圖4DP系統(tǒng)的簡化工作原理框圖

2.4DP系統(tǒng)的關鍵控制技術(shù)

控制系統(tǒng)是整個DP系統(tǒng)的核心部分，其定位精度和速度直接影響DP系統(tǒng)的性能，可以說控制系統(tǒng)的性能決定了DP系統(tǒng)的技術(shù)水平。目前DP系統(tǒng)中采用的主要控制技術(shù)有PID控制、LQG控制和以模糊控制和神經(jīng)元技術(shù)為代表的智能控制技術(shù)。

（1）PID控制

以經(jīng)典PID控制技術(shù)為基礎，控制船舶的橫蕩、縱蕩與艏搖。通過位置、艏向之間的偏差計算出推力的值，確定推力分配邏輯并形成推力，以定位船舶。PID技術(shù)早已成熟且應用廣泛、成本低、易于操作，因此早期的船舶動力定位系統(tǒng)多采用這種技術(shù)。但隨著動力定位船舶對控制精度和速度要求的進一步提高，目前該技術(shù)已不能滿足要求，在新研發(fā)的系統(tǒng)中已逐漸被淘汰。

（2）LQG控制

LQG控制技術(shù)即線性二次高斯型控制技術(shù)，主要由Kalman濾波與最優(yōu)化控制組合而成，其在第二代DP系統(tǒng)中被廣泛應用。該技術(shù)解決了定位控制中因濾波而形成的滯后問題，其在安全、節(jié)能與魯棒性能方面與PID控制技術(shù)相比有明顯改善。LQG控制技術(shù)的控制精度和響應速度基本能滿足系統(tǒng)需求，是現(xiàn)階段中普遍采用的控制技術(shù)之一。

（3）智能控制

對于某些復雜系統(tǒng)，難以建立有效的數(shù)學模型和采用常規(guī)的控制理論去進行定量計算和分析，而必須采用定量與定性相結(jié)合的推理判斷方式，其目的是使控制裝置采用類似于人類的智慧和經(jīng)驗來引導求解過程。

這里智能控制以模糊控制技術(shù)為代表。模糊控制技術(shù)的量值區(qū)域條件判斷和推理形式模仿了人的智能，是處理非線性、數(shù)學表達式存在不確定性問題的有效手段之一。考慮到船舶動力定位工藝本身的特征，采用模糊控制技術(shù)比較適宜。智能控制技術(shù)具有抗干擾能力較強、響應速度快等優(yōu)點，據(jù)有關資料披露，目前DP3等級的DP系統(tǒng)中已有采用模糊控制算法和DRNN神經(jīng)網(wǎng)絡等智能控制技術(shù)的。

3基于貝加萊PLC（PCC）的船舶動力定位系統(tǒng)技術(shù)方案

隨著我國海洋事業(yè)的飛速發(fā)展，各類船舶對動力定位可靠性的要求越來越高，國家對于擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“定船神針”——最高級別的船舶動力定位系統(tǒng)DP3的需求也日益迫切，振華重工海工集團與貝加萊合作研發(fā)的DP系統(tǒng)就是在這一背景下推出的。

3.1系統(tǒng)研發(fā)原則

（1）能適應惡劣的海洋環(huán)境

海工項目上使用的產(chǎn)品必須能經(jīng)受鹽霧、潮濕、風浪等的侵蝕和影響。貝加萊控制系統(tǒng)的全系列產(chǎn)品均通過了要求苛刻的GL-DNV船級社認證，并且專門為長期海上應用提供了防腐蝕涂層處理。

（2）具有高可靠性

基于貝加萊X20PLC（PCC）的DP系統(tǒng)提供冗余控制方案，采用雙CPU和雙通訊網(wǎng)絡，硬件系統(tǒng)配置完善，按照對可靠性要求最高的DP3等級來開展設計。

（3）系統(tǒng)保密性高

全球擁有DP3等級系統(tǒng)設計和開發(fā)能力的公司不超過10家，在國內(nèi)有能力開發(fā)這一系統(tǒng)的公司更是寥寥無幾。因此，對于用戶來說，選擇何種控制系統(tǒng)，其保密性能如何，是否能有效地保護其核心Know-how，將成為其選擇的關鍵因素。

（4）強大的軟件功能

DP系統(tǒng)的動力定位算法的復雜程度較高，還可能涉及到智能控制算法，對系統(tǒng)的軟件平臺有較高要求。

（5）良好的開放性

DP系統(tǒng)作為工程類船舶、海洋平臺、石油鉆井平臺等的重要控制系統(tǒng)，需要與包括推進器在內(nèi)的其它子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，可能涉及大量數(shù)據(jù)交互。因此，對其開放性也提出了較高要求。

3.2系統(tǒng)構(gòu)成和硬件配置

貝加萊DP系統(tǒng)方案的構(gòu)成如圖5所示。圖5中示出了構(gòu)成DP系統(tǒng)的各主要控制部件和數(shù)據(jù)流向。

圖5貝加萊DP系統(tǒng)方案構(gòu)成示意圖

圖6示出了基于貝加萊X20PLC（PCC）的DP系統(tǒng)的硬件配置，是按照DP3等級的要求來設計的，從圖中可看出其主控制器和通訊網(wǎng)絡都采用了可靠性較高的全冗余架構(gòu)。

圖6基于貝加萊X20PLC（PCC）的DP3系統(tǒng)的硬件配置

3.3系統(tǒng)的人機操作界面

振華重工海工集團基于貝加萊X20PLC（PCC）的DP系統(tǒng)，配置了豐富的用于人機交互的可視化圖形界面，具有強大而便捷的人機交互和操作功能，有利于對船舶動力定位作業(yè)的實施。圖7主界面圖。

圖7主界面

3.4系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）系統(tǒng)的高可用性帶來的高可靠性

對于船舶DP系統(tǒng)而言，從高可用性的角度來看系統(tǒng)必須支持冗余的能力，因為在海上的大風大浪中，突然發(fā)生的系統(tǒng)故障（掉電、通訊中斷等潛在風險是存在的）必須由可靠的系統(tǒng)自動切換來保持持續(xù)的控制，瞬間的變化對海上的平臺都意味著巨大的風險。

貝加萊的X20控制器，支持多種冗余方式，包括POWERLINK高速實時以太網(wǎng)可以實現(xiàn)故障下的自動高速切換，除了雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)的設計，也能支持多主站冗余方式。

可以說，貝加萊的X20系統(tǒng)是一款能滿足船級社要求的，具有高可用性與高可靠性、開放互聯(lián)、復雜算法設計與程序安全能力的完美的控制系統(tǒng)，這也是為什么振華重工決定選擇這一系統(tǒng)的原因。正如研發(fā)經(jīng)理XXX所言：“這的確是一個好的選擇，當然，來自貝加萊的經(jīng)驗豐富的工程師的支持也是我們系統(tǒng)成功開發(fā)的重要因素”。

（2）良好的開放互聯(lián)能力

DP動力定位系統(tǒng)作為工程類船舶、海洋平臺、石油平臺等的重要控制系統(tǒng)，需要與包括推進器在內(nèi)的大量子站實現(xiàn)通訊及大量數(shù)據(jù)交互。貝加萊平臺的開放性優(yōu)勢非常顯著：

船舶集控中心與各個子站間的通信，采用OPCUA/數(shù)據(jù)庫的方式來實現(xiàn)，貝加萊的X20系列PLC支持OPCUASerever提供的對各個Client（客戶端）的直接訪問。

船用的子系統(tǒng)通常具有其行業(yè)特征，因此，一般采用專用芯片開發(fā)，通過各種現(xiàn)場總線可實現(xiàn)與包括推進器在內(nèi)的各子系統(tǒng)的通訊。而這里則借助了高速實時以太網(wǎng)POWERLINK的開源特性，由振華自主研發(fā)了POWERLINK從站，這些從站與主站之間可以通過POWERLINK實現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，包括現(xiàn)場推進器的各種運行狀態(tài)信息和參數(shù)，對于高達100Mbps的網(wǎng)絡而言，可輕松地實現(xiàn)高動態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸與響應，并且實現(xiàn)與DP系統(tǒng)的無縫連接。

由于X20CPU同時支持多種現(xiàn)場總線，因此，可以通過總線控制器來連接第三方設備。

貝加萊為系統(tǒng)提供了包括實時通訊、第三方現(xiàn)場總線、OPCUA的多層次數(shù)據(jù)支持能力，這也是貝加萊系統(tǒng)具有強大開放能力的象征。

（3）強大的算法設計能力

貝加萊的AutomationStudio軟件開發(fā)平臺支持高級語言（C/C++）編程，有利于客戶的軟件團隊實施復雜算法的開發(fā)。

考慮到DP系統(tǒng)對于復雜算法設計的需求，所選擇的控制器必須具備高級語言開發(fā)能力。貝加萊的X20系列PLC（PCC）基于RTOS實時操作系統(tǒng)，具有編譯能力，支持C/C++高級語言的開發(fā)，這些在降低了算法設計難度的同時，也提高了軟件的模塊化封裝能力。

（4）較高的程序安全性

在軟件設計中另外一個必須考慮的因素是算法加密，這對于投入巨大研發(fā)資源的振華重工尤為重要。選用X20控制器可便于強化算法保密措施，由于采用了二進制代碼編譯的方式以及采用了額外的硬件TG這兩種保護模式，運行于X20系統(tǒng)的程序就如同加了兩把大鎖一樣安全可靠。

貝加萊在這方面為用戶提供了以下兩道防線，確保用戶核心Know-how的安全：

（i）二進制代碼，無法下載；

（ii）TechnologyGuarding（技術(shù)保護）。

（5）強大的仿真建模能力

貝加萊提供了MATLAB/Simulink軟件，也即提供了一個用于動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量編寫程序，而只需通過簡單直觀的可視化操作，即可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。

由于傳統(tǒng)系統(tǒng)往往不具備仿真建模的能力，需要先通過PC建模，然后再移植到PLC平臺中，或者直接采用PC進行控制。貝加萊的X20系列PLC和AutomationStudio軟件開發(fā)平臺，其仿真建模能力為系統(tǒng)開發(fā)提供了最大的方便。另一方面，無論是采用復雜的模糊控制還是卡爾曼濾波等算法來進行設計，貝加萊的AutomationStudio與MATLAB/Simulink的有機結(jié)合都會使算法能輕易地被集成到PLC（PCC）中。

仿真建模是針對整個系統(tǒng)的運行過程進行的，根據(jù)外界環(huán)境的變化，每個推進系統(tǒng)應該如何應對，這些都是確保系統(tǒng)平穩(wěn)運行的關鍵因素。

4結(jié)束語

近些年來，隨著我國船舶與海洋工程的快速發(fā)展，作為船舶和海洋平臺運行重要基礎技術(shù)的動力定位系統(tǒng)受到了較多關注和國家的重視。目前我國已加強了對船舶DP系統(tǒng)的探討和研究，研究課題主要集中在船舶的運動模型、控制模型和控制算法等方面。

DP系統(tǒng)的設計涉及到功率系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、參數(shù)系統(tǒng)的建模，它的設計與功能安全系統(tǒng)設計類似，從頭至尾貫通了全生命周期的管理思想，包括系統(tǒng)的風險評估、建模開發(fā)、工程變更、系統(tǒng)運營、維護等整個過程，必須制訂完整的評估、測試與驗證規(guī)程，才能保障系統(tǒng)的安全運行。