船舶动态定位系统简介

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1、Intodction o DP1 - nodunynacpositionn (P)i a apidlymatringtecholgy， havn benborn o neesty aarelt of t incresing dmands ofthe rpidl xpadin o an ga eploatin indutryn the 960s and rly170sEvn o， wenthre et over 1，000 D-pable ess, h aortyofhm ae opeatinly relae o te pltoor explittionofoil adgas servs动态定位

2、系统是一种迅速成熟的技术。是基于196年代到7年代油气勘探工业的需求的基本上产生的。目前已有超过100艘以上的动态定位的船舶，其中绝大部分都后油气勘探有关。heands thfshore oil and gas ndsty havebrut aout a whole ne se o eemensFuther o this, th more recen movsitodeepewaters andhar-environment lcaions, ogeewth the requirement to cnsdemoe environmtlfiendlyethd， asbrought bo the

3、re deelopein theareaf yaiPositiningtchniqus and echnology.油气工业的需求给我们带来了一种全新的需求。不仅如此,随着油气工业向深海及更艰苦的区域发展，同步考虑到环保方式,这给动态定位系统在技术及工艺方面带来了巨大的发展。Tesssltflil the accpte fniion f D wasteEuka, of 11, designdand engineerd b HowadShattThis vessel a fitted with n nalog trosys ofery sc typ, iteed withatauwre efer

4、ece. Equipped ith eae thrusters fore an ft inaddition t hemin roulsio， hsvesl wasfabut 450 tsisplacment ad eth130 feet.第一条动态定位系统概念的船”Eurka”,建于1961年,由Hoa Shto设计和制造。这条船安装着由非常简形式的模拟控制系统,配备有张力线做为参照。在主推力系统之外,有配备了前后可操作的推动系统。该船长130英尺，排水量约450吨。By the late 1s， Dhad become a weletablishe tenqe. In1980 the ume

5、 fP capbe vssels totalled au65, hile b 198 he numbe ha incead obot 50. Curently () i stads at ve 1,00 and issti exanng. s iterstingto note th diverit f vssl tyes and funtions using ,an the way that, during teasttwety yeas, this hs ecompsed many functionsuneated oth fse oln gas inustrie. it oactiviti

6、es excted y DP vsls ol include te flowing：到了70年代晚期,动态定位已经确立为一门技术。到198年,带D功能的船舶就达到了65艘。而到了1985年,这个数字就达到了15。目前（）,这个数字已经高达100,并且还在迅速扩张。很有趣的是，诸多的船形都在使用DP技术。并且,在过去的里,其中的诸多功能已经不再局限于海洋工程油气工业。下面的清单就是重要应用DP技术的船舶类型 Coing 地层取样 exora diln (core sampling) 取样钻井 prdon drilling石油钻井 ive suppt潜水支持 ipely (rgid and fex

7、blpip） 铺管（硬/软管） cabe lay andrepar铺管及维修 ml-role accodtion r flote srvics浮动旅馆hydrrpcuvey 水位检查 pre- o postopeaio urvey wreck survey, sala and remval救济船redgin挖泥船 rcdumping （pipeli prtectin） 管道保护用岩石倾倒船 suseanstlation 海底安装 lifting （tisand subsea) 重吊(海面及 海底） wll stimultionn worover platfor uppy 平台支持船 shutt

8、le tanker offte穿梭油轮 oatin produci(wth or witht age）浮油装置 hevy lft agotnspo重吊货运 pasnger crises 巡游客船 mne countemesues 排雷船 cenograhicalresrch 海洋学研究 seabd iig 海床探矿 is also used inl rocketlauch paorm postining火箭发射平台定位l epair/mantenanc suprt omilitary vessels 军船的修理和维护l sip-o-ship ransr n 船船间转移l mneuvingvnt

9、onal vesels 货品容器间调节DPsstemsave ecome mresopisticted adcompicated,s ell as more reliale. opte tehnoloas deeped aply and o vesls avbenpgrded ticewiw DP control sysems. Poiion fe sytemsnd ot peis are lso imprvn and redunancy is pvided n lvessels dign o ducthherrs paos1.系统目前 变得越来越精密并且复杂。并且更可靠。随着计算机技术的迅速

10、发展，某些船舶已经多次更新，成为了全新的控制系统。位置参照系统和其她外围设备也在迅速发展，冗余设计在有效控制着高风险操作。. -Station KeepinTher e oter methods for vessel ation keepng he include sprea ad fixed moigs o cmbiatis fch. Jack-ups fixthi psition byowerig lg to pentat h sa bd.esselssn moringrlegs my alo ccsionallyha P ono systmsoasist th etig-u o osii

11、on and， i te caseof moodunit, tredue morin lie tnsn Eachystem hadvatag d davanges.尚有其她方式进行平台保持。这些涉及多点系泊，以即固定系泊，或者并列平台。自升式平台通过插入海床的支撑腿来固定位置。船舶通过系泊或支撑腿来固定位置时,偶偶也用DP来辅助定位。或用动态定位来减轻系泊绳的张力。每个系统均有她们的长处和缺陷。Ske 1. stton kepng metosDPAdvanaes：的长处 Vessel isuly sel-opelld;n t are reqred a anystago the perat 船舶

12、有自己的动力。 Setting-uon lcaton is quick ad ay 固定位置快而起容易 esse s very maoevra 船舶易于操纵 Rpid respns toweathe chage is pssil（weaherae) 可以迅速应对气候变化 Rpd rsponse t ches in therreents o the pation 可以迅速应对操作变化 Vsailiyithin system (i.e.tra-ol, RV-folow an ote spcils fctin) 更多的操作功能 Ailiy twrkin antr depth可以适应多种水深 Cn c

13、oplte orttask mo quikl, husmoreeconomicll 迅速完毕小任务 odance ofis amagngsabed hardwa fom morinlines nd achors 避免海床上的硬损伤 Avoidnce o cro-mooingwh othr vsel orfixed pafoms避免和其她平台交叉锚泊绳缆 Can ove tne oction apily (lso void b weater) 可以频繁的移到到新位置DP Davantaes: D的缺陷 Hig caal aopationalexpndiur 高投资和操作成本 Ca fa t ee

14、p iton dueto eqipmen failue 也许由于设备故障导致位置固定失败 ighr dayrate thacomprabl oored systes 和锚泊系统哦相比需要更高的租金 Hiher fl cosumption 消耗更多的燃料 hrusters arehazrds r divs an ROVs推动器对操作人员存在风险 Can lose stion n xtem wethr o in shllw ates nd str tides 极端气象和浅水或大潮时也许丢失位置 ii cntrol is ave and reles on uman oeaor(s wel as eq

15、uipmet) 位置控制与人的操作有关 Reuiresore personnel to opert andaintain eqip需要人员操作及设备维护From the aboe, n besen tat DP will not awys behmst econmi soluon.Wile vsels usigoings hve aumber ofdvatges,icresinly Pis the best optonfo many operaions bausehe see is luttered th pipelns d ther harware，so layinanchorha high

16、rsk ofdame to ppelis orwellheads.Te opin to mor taplatfo rthr thanhe seabed also ess frquet，becasupport vsl vebeco arger and plaormarenot desgned o helads that ca be placd n emorng lineNevrhelss, ther isa rsk tat a D vesel maks coact with platform.从上面可以看出,D不总是最经济的方案。虽然系泊仍然有诸多长处，但随着海床上越来越多的管道及其她硬的物质，

17、D越来越成为一种更好的选项。由于锚链也许会破坏管道或井口。Durig the 0s here was rapid ncreaseinthe number of vessels yamic pitionig sytes afteeees ha ben desged forDP a intgrae cotrolof enine a hrusters， bu herare also a larg numbe of coversonsn ugad. hesiuaion is marke-iven and leson peratinl eiciencywhich, intr, plaes high el

18、abliy requremoneqpent, operators ese nars.0年代以来。动态定位船舶数量大幅上升。诸多船舶已经基于DP进行设计并且集成了主机和推动器控制。但是尚有诸多的升级和改造空间。这个方案是市场驱动，基于高效操作。相应的,也对设备，操作着,船舶管理着提出了更高的可靠性规定。2 - Baic Pricips of DP 基本原理Dnami Poitoning an dcrbed asanintgrationo numbe of hipbord yste obtain he bilit of acurateaneuvrabitDP ca e defid as：动态定位可

19、以描述为通过一定数量船舶系统获得精确操纵能力的集成。可以定义如下：Asystm wicautomatically onols veslspositin andhadingxclsivel by meanof atie hrst一套通过推动装置进行船舶位置和船首自动控制系统。e aboveefinition icudesremaiin a fxeloctn, bto precsn maoeuving， trackingadohrspecialist poitioni biliie.以上定义涉及保持一种固定位置,但是也涉及精确操纵，轨迹控制及其她定位能力。 conveintwy of visuli

20、sngte inrraion of th varous menso Psystemis to ivie hesysemno parts,a theollowing etch so.如下的视图把DP系统提成了6个部分，可以给你一种比较直观的图示：Sketch2.1- chematic Dgram of a D sysemThrie uiono D sysemito alow avesse to aintan positi ad heding. A arietyfftrsubfnctions my be aailale, suchastrckllow,o weathervane mod, bu t

21、heconrl of postion adheading s fumntal.DP系统的最基本功能是保持位置和首向。但是尚有其她某些更多地子功能,如轨迹跟踪，或者气象模式。ny vessel (oroter ojct)as six frdms f oemnt; hre tations and treetranlaons.In a vessel they cn eillstted as roll，itch, yaw, urg, sway ad hav.所有船舶都是六个运动自由度,分别是3个旋转和个变化，对于船舶来讲分别是Rol(左右转动)，Pitch(前后倾斜)，Yaw(左右偏航）,Sr（前后涌

22、浪），Sway (左右横移), heav(上下升降)ketch 2.2-T Six Freedo of MovemDynic ositioning i cored with th autoaticcontlo rg, wayan yw. Sugan sway，ofcure, compisetepostionofthevesel, wi yaw s efinedby te vsel heading. Bth ohes arecotroledboudesie or setoin valuenpuy th opertr, i ostion etpin,ad adng setpoint. ositio

23、n ad headin must eeasred n rerto obainhe erro fro the requred alue Pstion i measrd oe r mor o arnge f psition reence， whilheain ifomatio ispovidfrm e or mo grcompaes. he difernce beween the spin d th feak is th erro oofset,an th DPsystem perate to inims tee rrors.动态定位,重要任务自动控制Surg(前后涌浪),Swy (左右横移),Y

24、a（左右偏航)。Surg(前后涌浪），Say(左右横移)，是用来构成船位控制。Y（左右偏航）是用来定义船首向。以上数据通过操作人员进行输入。例如位置输入点,船首输入点。位置和首向通过测量来获取与参照点或参照航向的误差。动态定位系统操作来减小这些误差 。The vesemust be able control osio adig within aceptble iits in th face oa vrity xteraforce. If thesfoces ar measure dirl, th ctol outers an apply imdt coensatn. Agod examplf

25、hs s compenatonfor win forces, we a ninous measuret isavilale rm windsnsrs.Othe exaplesicud pogh cable enson vessl layng cable, ad fir onofrs i vesel egged n ireghtin.n these cas, force are geneted whh， if uknon, wod trb estatiokeepin funknn. Sensor onected to e able tensioner, an the fire mitors al

26、low directeedbackoftee extenal rc t te DP contro syandallo copnaton tobe ordeed from the hustr before excurio develo.I ddition to aintining tan and heding, Da beued to acevetomati change of pitin or eadng， or oth.h Popratr (P） my choose neposiiosing th cotrl cnsole faciites Te DPO ay ao choe thsped

27、at wiche wthe vesseo move. ilaly, theoraor may input a new heding The vsel ill rotatt n headig at he selectedra-f-urn,while maintan taton. Amatic changes of poston ad heading siultaeousl apible.面对多种外力,船舶必须可以控制船舶位置和首向在一定可以接受的限度以内.如果这些外力可以直接测量,控制电脑可以立即进行修正. 其中风力修正就是一种例子，通过风力传感器来不断测量风力. 此外的例子如布缆船涉及开沟器电

28、缆张力, 如消防船的火力检测等. 信号由产生，到反馈给DP系统,系统在修正这些外力等 为了维持船位和保持首向,DP的操作人员也许会选择性的位置. DP也可以选择特定的速度让船舶运动. 船舶可以根据选定的旋转速率来转到新的航向. 因此 同步自动变换位置和首向使是也许的Some DPvesels,u as dredgers， piplabages an cale lay ves have a need o flo pre-deerined trck.tersned to be abl towatheneb a specfied spot his isthe modeused by shuttle

29、ankes loading rom an offshoreoadg tminl.Ote vessels ollwa movin targt, suhas uersibevhie （OV）,ora abedeice. In heeaseste vesels poitin refec is the vehce rathe tan adesignatdfixed locaion.有些DP船舶,例如挖泥船, 铺管船，铺缆船等需要沿着预定的轨迹航行. 其她如某些特殊的单点平台需要可以自动适应气象.同步也是穿梭油轮的工作模式 有些船舶跟从一种移动的目的, 例如潜水器, 或海床车. 这些状况下，位置参照将是

30、一种移动的车. 而不再是设定的固定位置.1 - DP Moelvry vssel issubjcd oresfrom d, waves an tia movemnts as well as ocesgenated frm he propusion ytem and ote extrna eleents (fire monitors, ipelay tension， ). Therponse t tse foesisvess oveen, rsultingncages of posiio andheadin. hese re msuredby the posit refeenc stemsan

31、yr compsses. Te D ctr systmcalclate he offsets betwen the measuredvaluesof pston nhaig, nthereuird (o etpo) ales, nd cauate th frces tha te ruesmust gner in oder to redce te erors to zero.I aditio the D onolsysem alcl theind frcectin upn the vsel,an thethrst reuired o conterac itbased on he odel of

32、te vesel hel n omput.每条船都要面对风力, 潮流, 以及由推动系统和其她装置产生的外部力量(如火灾监控,铺管张力等) 对这些力量的反映就是移动. 将会导致位置和首向德变化 所有这些都是通过位置参照系统和电罗经.DP系记录算测量值和预设值间的偏差,并计算推动器需要产生的力量来使这个偏差趋于0. DP系统需要计算作用在船舶的风力,船舶需要根据模式,由推动器来抵消这个风力.odellingan ilterng enalea dad reckoningorR mo (oftallememor)t opee ial posiio fencsare lost. he eselwill

33、ninu tomainti position automtil, athoughthe position-kpingwill eterirte wth e nrasing lengtho ti scethelastosiondata reeive.Inpracticl term, th anshat DPoes noted imdatlysct mual cotro uon th os f all siti refeene.所有位置参照都丢失时，模型化,”终点推测” 或”R”模式(或称着记忆模式）用来操作。在最后一次接受到数据后，船舶将自动保持这个船位,或根据时间长度推算的船位。 这就是说如果

34、丢失所有位置参照,D也无需立即改成“手动”模式。Te difere bween the trust cacated from the mol ad the wind spe and dirni the frc takn asecurrent. The curent fore or sea foei therefre aumaon oall t nknown forcs errors in th DP mode d plaedin t model as h speedand iretonf e currnt.推动器通过模型计算 和通过风速风向计算的差别是这个外力被当成了涌流外力。涌流外力或 fo

35、ce是总计了多种未知外力及误差, 在DP模型中及模型显示中为涌流的速度和方向。The ist DP contrl yse comri simple aalogue PDI contrllr hadinot adat to the actal a condiionsandeslnd rr erors. Contro improvments, Kalman filtrian fastdgtl ata rmission (atahighwa)ave enled sinfcntimvme i statnkeeping accurac.第一套DP控制系统由简朴的模拟的DI控制器构成，那时还没有采用精确的

36、的海况及推动器纠差技术。控制技术的提高,Kalman 滤波法和迅速数字数据发送(数据高速公路)的使用,使DP的位置保持精度有了大幅提高。 3-Emnts of P System DP的基本元素3.1 Compters 计算机Th proesos operai the D contr sofware regenealknownas the DP omputer Th mininction of cocento the PO s he number oomputer, heir methods f oerion, ad e level of ndany they rvide.操作DP的控制软件的解

37、决器在DP系统中一般叫做DP计算机。对于DP的操作人员来讲重要的区别就是 计算机数量, 操作的措施，以及提供的冗余级别。The coputersmay beinaledingl, dalor riple cofiguration, depning uo th ee of redndcy quired. odern systms communicat via nethernet, or lalaea netwk (LAN), whc ma incporteny th vessel co functi in aition t eD计算机也许有单个,两套或三套几种配备,是根据冗余级别来定的。现代的系

38、统大多是通过以太网, 或局域网来通信,并且这其中还涉及更多的DP的其她功能。n all Dvesl, the DP contol cmpuersae deicatd spcificaly for te DP uon， wih oother tasks. A single-computer system, or simle contro ysemprvid dndacy.A dua or two-cputer ssmprides redundancy nd ato-hngeovr if the onlisyte ails. A tripl tilexsstem prvid an extra el

39、emenf securit nd an oppotnity or -outf-3votingThe level ofredunany pendso theequientlass electd bhesse(eSction 7 on sstem redunancy)所有P船舶，DP控制计算机都专用于DP 功能，没有其她任务。 单机系统, 或简朴P控制系统不提供冗余。双机或两套计算机系统提供冗余和如果在线系统故障时的自动切换功能。 三机系统提供额外的构成以保证安全和3选的机会.冗余的级别根据船舶选择的船级社规范来定。2 - Control onsoe控制台Th bie ono isthe fcli

40、t fo h POo en ad recev dta. stheloation oal ontrol inu， uttns, swtcs,indcatr, aarmsnsrns. I a l-desgned vesl， osiionrefeencessemcntrl paels, thrterpanels an commncatons reloed clse to thePcontrolconoes驾驶台是DP的操作人员发送和接受收据的设施。这里有多种控制输入,键盘，按钮，开关,显示屏。报警器,和屏幕。在好的船舶设计中， 位置参照系统面板，推动器面板和通讯设备都离DP操作台很近。he DP c

41、onolconole is not alays loced n te frwad bdge-mavesel, inluding ost ofshre supovesels av heD consoleloated on t afr bridge， acinga. Shuttl nkrsma hv eDPsystsitutedi theo conrlstaion though mst ewbuild takers norporatete Dyseon tide.ossiblythe lat saisfcorylocation forte DP consle isin compartme whou

42、iview isis hecase in fwolder drilling rigs.D操作台不是总在驾驶室前部。 诸多船舶，涉及大部分海工支持船都将DP控制台放在驾驶室后部区域。面向船尾，穿梭油轮也许把D操作台放在前控制台。几乎所有的新造船都会把DP系统放在驾驶室内。DP操作台的也许最新的满意位置应当是在一种区隔内,而没有特定的外部形状。下图是一种老的钻井平台的示例。 3.1 Phos - Kongerg Simrad onole ad AlomA Series consolTefcilitiesfor t operat varyfruutos anoouc-screens o pulldo

43、menuactad y roler bals andeabl btons操作人员的应用 可以通过从 按钮,触摸屏 ，下拉菜单及滚动球或使能”nle”按钮等等来实现。3. - oin Ree Stem 位置参照系统h umber of pitn referencesenaled ped on numr o actos. n partiular, the leo rsk nvolved intheoperatin， t redndanc lvl tatsenbl fr theoperaton,te avilability of rfren of autal type， dthe conequenc

44、e oflssof oe or moe poition refernces需要的位置参照的数目依托某些列参数 特别是波及操作的危险级别, 冗余级别对操作也很敏感。有效的，合适的参照， 要考虑丢失一种或多种位置参卡的成果。 varetyf positon reference ys is e y DP stems. The ost comon ar: diferetia gobalpositionig （DP- see Stio45), atres, hyoacustics (HR), alie-of-ight ser r mcroave sym系统使用某些列的位置参照系统。最通用的有:差分PS，

45、张力绳，水声，及激光视线 或微波系统。The relibiiy positirefeence is a ao coniderat.Each has dtgesad dsvanages, sotat cobination i sstial for highreliabity0 Idiidua ption efeence ystems are describd in Sction .位置参照的可靠性是重要问题。每一种措施均有优缺陷。因此混合措施的核心是其高可靠。多种位置参照请参见第章的描述。ktch3.2 Poiti eerencetmsPosition informtion frm ositio

46、n-referen systesm e receive y teP ssem many frms. adtion, the ty of co-rdiate ssteme maybe careian r geoet. The DP col system isable to handle inomton bsedon etherco-oriate stem ACatsian, r local, co-ordiaesysem s aedupn flatrface two-dimnsinal easuremnt of t rthSth (X)d st/West(Y） dstance rom a loc

47、aly defind reerene origin.hi efereneorii wil be ke rom one othe positn refrene sytes(.g.HP ranpo, fabeam relector, at wir epreso weightloon). This typ o oordiae reference system s urel ocal, orelative, ot aolut or ear-xed.DP系统接受位置参照系统的位置信息，可以有多种形式。此外,坐标系统的形式 也许是 笛卡尔坐标或大地测量坐标 DP系统需要可以解决基于任何一种坐标, 笛卡尔坐

48、标,或本地坐标。 坐标系统是基于相对于定义参照原点，平面两维的NrtSoth （）和Eas/est(Y) 距离测量值。 参照原点 取之于多种位置参照系统 (如. 水声, 扇形波射束反射器, 张力绳阻压器位置).这种坐标参照系统纯属于于本地,相对,不是绝对位置或地球定点位置Sh3.3Lcal eference c-oriteFor the DPsytem t handeerth-referec typ of data t i nary to confgureth Psyste o accept geoetc dta, globalreference, suh GPS.为了DP系统需要解决地球参照

49、类型数据,它需要可以配备为接受地球坐标数据。例如GP信号。A DGPS syste，poies o-orinte terms o ltitude and lontude refreced o th WS4 atu4st ofsor oeationsaeconduce using UTM (iersalTransvere Mror) s te chat r orksite iaram projetonT educes theosinalco-ordinates int NtngsanEstings in etres A fulr descripion of he TMroectio nco-or

50、dinat syse is gien inSecin 差分P系统，提供S84格式的经纬度坐标。大部分海工操作都采用通用横轴墨卡托投影海图做海图或工作站图形投影。这是通过换算位置坐标成为北东向的米坐标。具体有关横轴墨卡托投影海图和坐标系统具体解释参见第6节。ost oen DPcontrol systems enale the PO to selce tpe o presetat quire, e. aresa， egaphic （la/long r UTM). If the latter, theystem ill autmatical caculate theUMzoe fo receive

51、d godetc psitionmeasuremts. he datum isally elecabefrom amenu.现代DP控制系统使DP操作员可以选择具体的坐标系统类型, 如笛卡尔坐标,大地坐标 (经纬 或墨卡托）. 如果是新设备, 系统能通过大地坐标自动计算墨卡托区域。数据类型可以通过菜单进行选择。 3.4 - Heing frence 船首参照The DPsesheaing i prvedby or moregyo copass， hihrasm data to te DP cntrl tem. I vselwere dundancs neessry, en two o re gyros ar fittedDP 船舶的首向来自一种或多种电罗经。在需要冗余的船舶，则需要两到三套电罗经。If three gyos re ftted, tnthe P ystem may us wo-ouof-thre votit detect agro falu, and give napprorite arnntte DPO. Thee g