周曉瑩

（廣州文沖船廠有限責(zé)任公司，廣州 510727）

淺析DPDT動態(tài)定位動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)在耙吸挖泥船上的應(yīng)用

周曉瑩

（廣州文沖船廠有限責(zé)任公司，廣州 510727）

隨著耙吸挖泥船向大型化、智能化發(fā)展，船東越來越多地考慮在挖泥船上安裝DPDT動態(tài)定位、動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)，希望借此系統(tǒng)能減少船員的操作強(qiáng)度、提高作業(yè)精度和效率、有效縮短施工時(shí)間。對DPDT動態(tài)定位、動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)在耙吸挖泥船上的應(yīng)用進(jìn)行了簡單闡述。

動態(tài)定位(DP)；動態(tài)軌跡跟蹤(DT)；耙吸挖泥船

0 引言

動態(tài)定位(Dynamic positioning，DP)系統(tǒng)在海洋工程船上已經(jīng)成熟使用，各船級社對船舶的動態(tài)定位有明確的入級符號和詳細(xì)的要求[1]。但是，DP動態(tài)定位系統(tǒng)在挖泥船上的使用卻并不多，到目前為止，國內(nèi)挖泥船船東僅在4條挖泥船上裝載，使用情況不明。在廣州某船廠建造的挖泥船上，有3條耙吸挖泥船裝配了DPDT (Dynamic positioning and dynamic tracking)系統(tǒng)，對此系統(tǒng)在挖泥船上的應(yīng)用積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 DPDT在耙吸挖泥船上的應(yīng)用

耙吸挖泥船是一個(gè)移動的工廠，它的作業(yè)可劃分為：在某已勘測好的區(qū)域挖泥、裝艙作業(yè)，在泥艙裝滿后航行至某指定區(qū)域，將泥艙內(nèi)的泥卸掉或通過彩虹噴頭進(jìn)行艏噴作業(yè)吹填或通過艏吹接頭排岸；再返回至挖泥區(qū)域挖泥裝艙，開始一個(gè)新的循環(huán)[2]。

從耙吸挖泥船的作業(yè)過程來看，DP動態(tài)定位系統(tǒng)在艏噴和艏吹作業(yè)時(shí)能將船定位在某設(shè)定參考點(diǎn)上，可代替拋艏錨和/或尾錨。通常，拋錨和起錨的時(shí)間約為90min，吹泥的時(shí)間約為70min～80min。所以，DP的使用可縮短一半的時(shí)間，提高一倍的效率。

在大片疏浚作業(yè)完成后，會留下一些點(diǎn)高出施工要求的深度(稱為淺點(diǎn))，這時(shí)，挖泥船還需要準(zhǔn)確找到這些點(diǎn)，將它們逐個(gè)挖掉。通過測量船，將這些點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)測繪在施工圖上，余下的工作就是將耙吸挖泥船開到這些“點(diǎn)”上，將它們清除掉。對船長最大的挑戰(zhàn)就是如何將船開到這些點(diǎn)上，讓水下的耙頭通過這些淺點(diǎn)，將這些高點(diǎn)掃平，這正是DPDT系統(tǒng)很容易就可以做到的工作。所以，若能將動態(tài)定位動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)安裝在耙吸挖泥船上，并有足夠的操縱能力，將給耙吸挖泥船的作業(yè)帶來極大的方便。

2 DPDT動態(tài)定位動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)的主要配置

因船級社對疏浚作業(yè)沒有任何強(qiáng)制要求，所以，DPDT的配置不需要像海洋工程船的DP1、DP2、DP3那么嚴(yán)格，通常取決于船東。但位置參考設(shè)備的精度非常重要，DGPS的選型就需要特別注意其精度[3]。通常的配置為：2套DPDT工作站(包含控制計(jì)算機(jī)、19″液晶觸摸屏、控制板等)；2套UPS電源；2套DPDT控制單元；參考系統(tǒng)包含：1套電羅經(jīng)，1套風(fēng)速風(fēng)向儀，2套DGPS，1套運(yùn)動參考單元。

3 DPDT系統(tǒng)與船舶設(shè)備的接口

耙吸挖泥船的推進(jìn)系統(tǒng)通常采用雙推進(jìn)軸系，配備中速推進(jìn)柴油機(jī)作為主機(jī)，推進(jìn)主機(jī)采用一拖二、或一拖三復(fù)合驅(qū)動模式。推進(jìn)主機(jī)除了驅(qū)動CPP推進(jìn)器外，還驅(qū)動2臺軸帶發(fā)電機(jī)，若是一拖三復(fù)合驅(qū)動模式，還將驅(qū)動兩臺泥泵。艏部配備2臺側(cè)推器。所以，DPDT與船舶系統(tǒng)的接口通常包含：左、右主機(jī)推進(jìn)控制系統(tǒng)；1、2艏側(cè)推器控制系統(tǒng)；左、右舵機(jī)控制系統(tǒng)；全船PMS功率管理系統(tǒng)；集成疏浚控制系統(tǒng)；機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)；電子海圖。

4 DPDT動態(tài)定位動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)的主要操作模式

此系統(tǒng)具備常規(guī)DP系統(tǒng)的主要功能，同時(shí)根據(jù)挖泥船的施工特點(diǎn)，增加了與挖泥作業(yè)相關(guān)的特殊功能。詳細(xì)描述如下：

4.1 DP的標(biāo)準(zhǔn)控制模式

1）聯(lián)合操縱桿模式: 使用3軸聯(lián)合操縱桿手動定位。

2）組合聯(lián)合操縱桿/自動模式：操縱人員可選擇船舶三個(gè)運(yùn)動(縱向、橫向、艏向)中的任何一個(gè)進(jìn)行手動或自動控制。

3）自動艏向模式：根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)艏向、旋轉(zhuǎn)速率、旋轉(zhuǎn)速率加速度，精確控制設(shè)定的船舶艏向。

4）自動定位模式：通過設(shè)定的目標(biāo)艏向、目標(biāo)船位、移動速度、移動加速度、旋轉(zhuǎn)中心等實(shí)現(xiàn)自動定位。

5）自動舵模式：船舶高速航行時(shí)使用此模式，實(shí)現(xiàn)船舶航行時(shí)的自動艏向控制。

6）自動軌跡(低速)模式：設(shè)定艏向、螃蟹腳、旋轉(zhuǎn)速率、旋轉(zhuǎn)速率加速度等，拐點(diǎn)減速、恒速通過拐點(diǎn)，最后定位在最末的拐點(diǎn)上。

7）自動風(fēng)補(bǔ)償模式(AWC)：在自動艏向模式或自動定位模式，啟動AWC功能，允許系統(tǒng)穩(wěn)定10min；在手動艏向模式或手動定位模式，取消AWC功能，船位將慢慢丟失，船開始漂流。

4.2 挖泥船的特殊模式

1）挖泥自動舵模式：在自動舵模式，耙頭的阻力由耙臂上的拉力傳感器提供或在窗口手動輸入，艏向和航速取自于剛進(jìn)入此狀態(tài)時(shí)的設(shè)置，也可人工調(diào)整。側(cè)推器將被使用以調(diào)整所需的艏向。此模式用于在區(qū)域疏浚，而不需要設(shè)定軌跡疏浚時(shí)使用。

2）DT挖泥模式：為了低速跟蹤預(yù)設(shè)定的軌跡挖泥模式，用于耙頭必須按預(yù)設(shè)定的軌跡挖泥作業(yè)或者開挖管道溝槽時(shí)，可手動設(shè)定左或右耙頭為跟蹤點(diǎn)。在船舶低速或在洋流流速比較高時(shí)，需使用側(cè)推器以更好地保證耙頭在預(yù)定的軌跡上。船舶的速度設(shè)定在1節(jié)～4節(jié)。操縱人員可調(diào)整船舶艏向、船舶航速及軌跡的偏移量。

3）掃淺疏浚模式：在大片區(qū)域疏浚后，常常會留下一些淺點(diǎn)，需單獨(dú)逐個(gè)挖除，但經(jīng)常是很難找準(zhǔn)淺點(diǎn)。此特別為挖泥船開發(fā)的模式，可操縱船舶駛向設(shè)定的淺點(diǎn)，在到達(dá)淺點(diǎn)前某設(shè)定的距離，在SCADA人機(jī)界面上彈出窗口，提醒操耙手下放耙頭、掃淺、通過該淺點(diǎn)后通過人機(jī)界面提醒可以提升耙頭、船舶可繼續(xù)駛向下一個(gè)淺點(diǎn)，或操縱船舶倒退至同一個(gè)淺點(diǎn)前的預(yù)設(shè)定的距離，船舶再由倒退轉(zhuǎn)為前進(jìn)，再重新開始一個(gè)新的循環(huán)，直至此淺點(diǎn)被掃除。為保證耙頭、耙臂的安全，只有在耙頭離地至某安全距離時(shí)，船舶才能開始倒退。

4）卸泥模式：用于在預(yù)定的軌跡上卸泥的作業(yè)，在船舶低速或在洋流流速比較高時(shí)，需使用側(cè)推器以更好地保證船舶航行在預(yù)定的軌跡上。船舶的速度設(shè)定在 1～4節(jié)。操縱人員可調(diào)整船舶艏向、船舶航速及軌跡的偏移量。

5）彩虹艏噴模式：此模式將控制船舶在某設(shè)定的位置上，完成艏噴作業(yè)，定位點(diǎn)可設(shè)置在艏噴出口，系統(tǒng)將考慮艏噴的后坐力(也可手動輸入)。此模式下有三種工作方式：a）定點(diǎn)定向艏噴，定點(diǎn)定船舶艏向的艏噴作業(yè)方式。b）定點(diǎn)扇型艏噴，設(shè)定艏向的變化范圍及調(diào)整速率，設(shè)置艏噴出口為船舶參考點(diǎn)，系統(tǒng)控制舵機(jī)、CPP，使船舶以艏噴點(diǎn)為原定左右轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)扇型艏噴。c）變位扇型艏噴，設(shè)定艏向的變化范圍及調(diào)整速率，設(shè)置艏噴點(diǎn)的步進(jìn)或后退距離，在完成一個(gè)艏噴點(diǎn)的定點(diǎn)扇型艏噴后，操縱船舶前進(jìn)或后退一步，再次開始定點(diǎn)扇型艏噴，實(shí)現(xiàn)變位扇型艏噴。d）艏吹模式，設(shè)定艏吹接頭處為控制點(diǎn)的動態(tài)定位模式，可在不拋錨的狀態(tài)下將船舶很好地控制在設(shè)定的允許范圍內(nèi)完成艏吹作業(yè)，節(jié)省了拋錨時(shí)間。

DPDT內(nèi)置功率管理功能為：將預(yù)估各種模式下，需要的推進(jìn)功率及電動功率。若電站系統(tǒng)無法提供，DPDT系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，所選擇的模式將不被執(zhí)行，確保了電站系統(tǒng)及船舶的安全。DPDT通過與全船PMS功率管理系統(tǒng)的通訊，接收到配電網(wǎng)絡(luò)各開關(guān)的狀態(tài)、發(fā)電機(jī)的功率信號等。

5 DPDT動態(tài)定位動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)與疏?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊

DTDP系統(tǒng)與集成疏?？刂葡到y(tǒng)的信息交換是項(xiàng)目的難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在如何使DPDT廠家的編程人員理解疏浚作業(yè)的邏輯控制，其次，也遇到了通訊數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高、通訊語句/協(xié)議的編制、參考坐標(biāo)需統(tǒng)一等其它難題。

通常，DTDP系統(tǒng)與集成疏?？刂葡到y(tǒng)的信息交換是通過以太網(wǎng)通訊，數(shù)據(jù)交換使用TCP/IP通訊協(xié)議或雙方一致同意的方式。

1）從集成疏浚控制系統(tǒng)發(fā)送給DPDT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

從集成疏?？刂葡到y(tǒng)發(fā)送給 DPDT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要分為：a）船舶裝載數(shù)據(jù)包，包含數(shù)據(jù)：艏吃水、左中吃水、右中吃水、艉吃水、計(jì)算的平均吃水、計(jì)算的排水量或裝泥量。b）疏浚軌跡數(shù)據(jù)包，疏浚軌跡可在DTPM疏浚軌跡及剖面顯示系統(tǒng)上設(shè)定，也可在電子海圖的顯示器上設(shè)定，拐點(diǎn)數(shù)據(jù)使用WGS-84的形式。c）挖泥動態(tài)信息數(shù)據(jù)包，此數(shù)據(jù)包是傳送耙管快速變化的數(shù)據(jù)，對傳輸數(shù)據(jù)的更新速度有所要求。此數(shù)據(jù)包包含：左耙、右耙、耙頭著地、耙頭抬起、耙管的數(shù)量、耙頭未就緒；耙臂拖力(可選項(xiàng))；耙頭的坐標(biāo)x，y，z，耙唇角度，耙頭壓差，挖深；耙臂的姿態(tài)，水平角度、垂直角度；耙臂絞車的數(shù)據(jù)：彎管絞車、耙中絞車、耙頭絞車的鋼絲繩拉力(可選項(xiàng))，鋼絲繩垂直角度，鋼絲繩水平角度，鋼絲繩長度。其中，耙臂的拖力可通過安裝在耙臂十字絞軸銷上的拉力傳感器來測量，但由于拉力傳感器長期浸泡在海水中，對使用壽命有較大影響。考慮耙頭、下耙臂的質(zhì)量及耙頭與海底的拖力及一定的安全系數(shù)，此拉力傳感器的量程范圍通常較大，所以測量的精度不太理想。故也有一些歐洲的疏浚公司不設(shè)拉力傳感器，耙臂的拖力由疏浚人員手動輸入。挖泥慢速信息數(shù)據(jù)包：泥漿濃度，泥漿流速；由船至耙頭的泥泵的數(shù)量，吸口真空壓力；高壓沖水泵的工作狀態(tài)。卸泥動態(tài)數(shù)據(jù)包：此數(shù)據(jù)包傳輸卸泥操作的快速變化數(shù)據(jù)。卸泥方式：彩虹噴、艏吹、泥門卸泥；彩虹噴數(shù)據(jù)：彩虹噴時(shí)x，y，z方向的后坐力；彩虹噴時(shí)的泥漿濃度，泥漿流速。

2）從DPDT系統(tǒng)發(fā)送給集成疏?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)根據(jù)船東的要求，DPDT的部分?jǐn)?shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給集成疏?？刂葡到y(tǒng)。如DPDT系統(tǒng)估算的耙頭拖力、洋流的方向和流速等，這些數(shù)據(jù)發(fā)送給集成疏?？刂葡到y(tǒng)，可用于分析、估算等。

6 DPDT動態(tài)定位動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)的試驗(yàn)

DPDT動態(tài)定位動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)在挖泥船上安裝后，進(jìn)行了海上的調(diào)試工作，經(jīng)過硬件檢查測試、軟件調(diào)整、與各系統(tǒng)特別是與集成疏?？刂葡到y(tǒng)通訊數(shù)據(jù)的測試后，在海上對其各項(xiàng)控制模式進(jìn)行了試驗(yàn)，基本實(shí)現(xiàn)了船東的預(yù)期[4]。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)無論是動力定位的能力還是軌跡跟蹤的能力均受風(fēng)、浪、流的影響較大，某些方位的風(fēng)水流對船的定位能力有一定的限制，主要原因是艏部側(cè)推器的能力不足，以及船體的受風(fēng)面積太大。

挖泥船在疏浚時(shí)，船長通常是通過舵漿的配合，再輔以側(cè)推器來調(diào)整船位，但DP廠家通常是首選艏部的側(cè)推器作為第一推進(jìn)動力來調(diào)整船舶的艏向。由于受電站負(fù)荷的限制，側(cè)推器的功率不足，所以，DP廠家后期還需要根據(jù)使用的情況做一些調(diào)整。

7 結(jié)束語

根據(jù)在3條挖泥船上安裝DPDT動態(tài)定位動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，動力系統(tǒng)的配置是否足夠至關(guān)重要。在船舶的方案設(shè)計(jì)初期，需要根據(jù)所選擇的主推進(jìn)CPP、舵、艏側(cè)推器進(jìn)行動力定位能力分析，考慮疏浚挖泥船實(shí)際作業(yè)的海洋環(huán)境和作業(yè)模式，調(diào)整主推進(jìn)CPP、舵、艏側(cè)推器的功率。

相信 DPDT動態(tài)定位動態(tài)軌跡跟蹤系統(tǒng)將會更成熟地使用到挖泥船上，通過其計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算分析能力、精確的數(shù)學(xué)模型，再加上合理的動力配置，使其能將船員從繁重的操作中解脫出來，提高作業(yè)精度和效率、有效縮短施工時(shí)間、降低成本，提高挖泥船參與國際疏浚競標(biāo)的競爭力。

[1] Asgeir J S. A survey of dynamic positioning control systems[J]. Annual Reviews in Control, 2011 (35):123-136.

[2] Cees de Keizer. A new generation DPDT system for dredging vessels[J]. Dynamic Ositioning Conference,2000(10): 23-26.

[3] 王芳, 萬磊, 徐玉如, 等. 深水半潛式鉆井平臺動力定位建模與仿真[J]. 船舶工程, 2011, 33(3): 75-78.

[4] Fossen T I. Marine control systems: guidance, navigation and control of ships, rigs and underwater vehicles.Trondheim[M]. Norway: Marine Cybernetics, 2002.

最有效的壓縮空氣測量方法 —直接在現(xiàn)場或直接在 EtherCAT 系統(tǒng)中進(jìn)行測量

壓縮空氣仍然在幾乎所有行業(yè)領(lǐng)域中使用，不管是用于驅(qū)動、控制、運(yùn)動還是傳輸。對于高效的機(jī)器設(shè)備加工來說，必須盡可能徹底地分析和監(jiān)測壓縮空氣，以最佳方式集成到控制系統(tǒng)中。EtherCAT 端子盒EP3744 就是適用于此應(yīng)用的緊湊型一體化解決方案。此款防護(hù)等級為 IP 67 的端子盒整合了壓縮空氣測量、EtherCAT 連接和數(shù)字量 I/O，可直接用于加工現(xiàn)場，安裝在電氣柜外面。

除了 6 個(gè)數(shù)字量輸入和 2 個(gè)數(shù)字量輸出之外，EtherCAT 端子盒EP3744 有 4 個(gè)壓力輸入，集成了 6 mm 的安裝配件。 壓力作為與第五個(gè)壓力接口的差值測量，接口通過一根軟管接入到一個(gè)防護(hù)等級為 IP 67的保護(hù)外殼中。測得的數(shù)值以 16 位值的形式提供，該值以電隔離的方式傳輸給控制器。測量范圍為 0…1 bar（15 psi），分辨率為每數(shù)位 1 mbar。

這些都使得這款獨(dú)立的緊湊型單機(jī)設(shè)備可用于直接測量和監(jiān)測現(xiàn)場壓力。一方面，省去了從加工現(xiàn)場到控制柜之間的長路線和軟管連接。另一方面，頻繁進(jìn)行規(guī)定的電隔離和氣動系統(tǒng)隔離變得異常簡單。該系統(tǒng)集成式解決方案的其它優(yōu)點(diǎn)還包響應(yīng)時(shí)間短 — 由于本地測量僅使用一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn) — 以及 EtherCAT 接口和其它數(shù)字量 I/O，因此可以特別高效地集成到控制系統(tǒng)中。

檢測和杜絕泄漏點(diǎn)，以降低能耗。除了控制及調(diào)節(jié)之外，在使用了氣動系統(tǒng)的地方，分析和診斷也是必不可少的。例如，操作壓力可以使用 EtherCAT 端子盒 EP3744 監(jiān)測，可以提高設(shè)備的透明度。另外一個(gè)重要的功能是杜絕泄露點(diǎn)，這樣可以減少生成壓縮空氣時(shí)相應(yīng)產(chǎn)生的能耗成本。分布式和系統(tǒng)集成式的壓力測量也是及時(shí)檢測和確定泄漏位置的理想解決方案。

EP3744 也可以讓工藝流程更加流暢：例如，可以毫不費(fèi)力地監(jiān)控全自動取放機(jī)器中夾緊工藝所需的真空。為此，EtherCAT 端子盒僅需通過簡單的接頭（T 形接頭）就可集成到吸爪的壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)中。

倍福始終以基于 PC 的自動化新技術(shù)作為公司的發(fā)展理念，所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。30 多年來，倍福公司的元件和系統(tǒng)解決方案在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。

Brief Analysis on Dynamic Positioning and Dynamic Tracking System in Application of Trailing Suction Hopper Dredger

ZHOU Xiao-ying
(Guangzhou Wenchong Shipyard Co., Ltd., Guangzhou 510727, China)

With the trailing suction hopper dredger to large-scale and intelligent development，more and more ship owners consider to install DPDT dynamic positioning and dynamic tracking system on suction hopper dredger, hoping this system can reduce the operation strength of crew, improve operation accuracy and efficiency, and shorten the construction time. DPDT dynamic positioning and dynamic tracking system in the application of trailing suction dredger is briefly expounded.

dynamic positioning (DP); dynamic tracking (DT); trailing suction hopper dredger

U665

A

周曉瑩（1967-），女，高級工程師，主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。