李 巍，胡智煥，李 欣，孫 浩，WANG Andy，田新亮，張衛(wèi)東

(1. 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室(上海交通大學(xué))，上海 200240; 2. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240; 3. 上海交通大學(xué) 自動(dòng)化系，上海 200240; 4. 中遠(yuǎn)海運(yùn)特種運(yùn)輸股份有限公司，廣東 廣州 600428；5. DNV GL Oil & Gas，上海 200336)

全球海洋油氣開(kāi)采設(shè)施日益增多，許多老化的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在未來(lái)幾年里將會(huì)面臨著退役拆除的問(wèn)題[1]。對(duì)于重量小于5 000噸的海洋平臺(tái)上層建筑，采用傳統(tǒng)起重船的單船吊裝技術(shù)進(jìn)行拆除是一種安全且具有經(jīng)濟(jì)效益的方案。而對(duì)于更重的大型平臺(tái)，通常需要將平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)分成若干組塊，進(jìn)行分塊吊裝；這種方案拆除作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、投資巨大。因此需要提出一種更經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保的大型平臺(tái)拆除解決方案。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)單船海上作業(yè)的動(dòng)力特性作了較多的研究。Zou等[2]將浮托安裝過(guò)程簡(jiǎn)化為單自由度的垂蕩運(yùn)動(dòng)，并用分叉圖和龐加萊映射的方法描述系統(tǒng)的非線性特性。針對(duì)大型海上平臺(tái)上部組塊浮托安裝過(guò)程涉及的非線性碰撞載荷和水動(dòng)力特性，Hu等[3]和Kwak等[4]采用數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)探索了風(fēng)浪流條件下非線性沖擊載荷、船體隨波運(yùn)動(dòng)和水動(dòng)力響應(yīng)的耦合作用。

動(dòng)力定位系統(tǒng)可以使船舶保持在固定的位置或按照提前設(shè)置好的軌跡運(yùn)動(dòng)，目前研究成果較多的是單船動(dòng)力定位控制算法。李曄等[5]針對(duì)小型海洋觀測(cè)平臺(tái)，建立海流干擾下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，研究流向和流速對(duì)平臺(tái)動(dòng)力定位性能的影響。Du等[6]在未知船體參數(shù)和不確定環(huán)境擾動(dòng)的情況下，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)估計(jì)環(huán)境擾動(dòng)的觀測(cè)器，提出了不確定海洋環(huán)境作用下的單船魯棒自適應(yīng)控制算法。Brodtkorb等[7-8]探索了一種同時(shí)兼顧穩(wěn)態(tài)定位性能和瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器。Vrn? Svenn等[9]對(duì)比和分析了不同控制策略和觀測(cè)器模型對(duì)實(shí)船動(dòng)力定位性能的影響，發(fā)現(xiàn)基于線性模型的觀測(cè)器和控制器能夠有效地解決單船動(dòng)力定位問(wèn)題。

結(jié)合動(dòng)力定位系統(tǒng)和海上作業(yè)，Tian等[10-11]和Zu等[12]開(kāi)展了大型半潛作業(yè)船浮托安裝的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究，通過(guò)定位能力玫瑰圖分析其動(dòng)力定位性能(DP-2級(jí))，為現(xiàn)場(chǎng)浮托安裝工程提供了參考依據(jù)。許南等[13-14]對(duì)浮托安裝船在動(dòng)力定位輔助下的安裝過(guò)程進(jìn)行了模型試驗(yàn)，分析對(duì)比了不同角度波浪作用下的定位精度和靠墊碰撞力。Jiang等[15]研究了在波浪和風(fēng)的聯(lián)合作用下，雙體船—單立柱(Spar)系統(tǒng)起重風(fēng)機(jī)并完成風(fēng)機(jī)與單立柱的對(duì)接作業(yè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析；在數(shù)值模型中，他們考慮了單立柱的錨泊系統(tǒng)、雙體船的動(dòng)力定位系統(tǒng)以及液壓裝置的建模，并分析研究了對(duì)接點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈力。

對(duì)于多船海上作業(yè)，當(dāng)前的研究側(cè)重于多船聯(lián)合作業(yè)過(guò)程中的水動(dòng)力耦合效應(yīng)和非線性碰撞載荷。Sun等[16]將多體繞射勢(shì)流理論引入多體運(yùn)動(dòng)方程，研究對(duì)比了固定式結(jié)構(gòu)物和浮體以及多個(gè)浮體之間的運(yùn)動(dòng)RAO。采用類似的水動(dòng)力分析方法，Dessi等[17]針對(duì)兩艘彈性連接的駁船，建立數(shù)值模型并分析雙船聯(lián)合彈性機(jī)構(gòu)的彈性模態(tài)和固有頻率。Xu等[18]研究了雙駁船旁靠時(shí)的水動(dòng)力耦合問(wèn)題，同時(shí)對(duì)比了近場(chǎng)法、中場(chǎng)法和遠(yuǎn)場(chǎng)法對(duì)二階波浪力計(jì)算的影響，他們發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)法的收斂速度更快，對(duì)離散網(wǎng)格精度的要求也小。Wang等[19]針對(duì)雙駁船的時(shí)域模擬，對(duì)卷積項(xiàng)計(jì)算做出了改進(jìn)，應(yīng)用狀態(tài)空間模型辨識(shí)時(shí)域方程中的卷積項(xiàng)，從而快速計(jì)算雙船耦合的水動(dòng)力參數(shù)。Spars平臺(tái)的海上安裝通常采用雙船浮托安裝方法，很多學(xué)者通過(guò)數(shù)值仿真[20]、模型試驗(yàn)[21]和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[22]，分析了錨鏈動(dòng)態(tài)力、多浮體運(yùn)動(dòng)特性和連接機(jī)構(gòu)受力，從而判斷載荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的作業(yè)氣候窗。

目前，隨著雙船浮托安裝法研究的不斷深入，裝備技術(shù)的不斷提高，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，對(duì)海況環(huán)境的要求程度也逐漸降低，目前已經(jīng)可以對(duì)20 000 t以上的模塊進(jìn)行安裝，不僅可以在有效波高1.5 m，譜峰周期超過(guò)8 s的不規(guī)則波海況下進(jìn)行，同時(shí)也適用于1.5 m波高的涌浪海況。但該方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)要求較高，測(cè)量成本高，難進(jìn)行，且受海況限制較為明顯[23]。

2017年，一艘新型雙體船成功拆除布倫特三角洲的一個(gè)重達(dá)24 000噸的平臺(tái)上層建筑，該船專門(mén)用于拆卸大型油氣平臺(tái)。而這種拆平臺(tái)方案的整個(gè)施工周期需要12個(gè)小時(shí)，其中包括動(dòng)力定位移動(dòng)進(jìn)船，甲板支撐單元支架連接，船體壓載調(diào)節(jié)和快速起重托起平臺(tái)等操作。該平臺(tái)拆除方案費(fèi)用極高，為了降低成本并同時(shí)滿足平臺(tái)拆除需求，下文提出一種新型雙船起重拆除平臺(tái)方案，并根據(jù)該方案開(kāi)展了水池模型試驗(yàn)研究。

該方案采用兩艘半潛船進(jìn)行平臺(tái)拆除，施工步驟：

1) 三艘半潛船(以中遠(yuǎn)海運(yùn)旗下兩艘2萬(wàn)噸級(jí)姊妹船康盛口、泰安口(以下簡(jiǎn)稱K級(jí)船)和一艘5萬(wàn)噸級(jí)祥瑞口(以下簡(jiǎn)稱X級(jí)船)為原型)，見(jiàn)圖1(a))抵達(dá)平臺(tái)所在油田，然后啟動(dòng)動(dòng)力定位系統(tǒng)。

2) 兩艘K級(jí)船調(diào)節(jié)壓載水系統(tǒng)，改變吃水以達(dá)到要求的干舷和橫傾角。

3) 兩艘K級(jí)船靠近對(duì)接位置，即平臺(tái)上層建筑兩側(cè)的下方(見(jiàn)圖1(b))。兩艘船配備了甲板對(duì)接單元(DMU)(見(jiàn)1(c))，DMU主要用于吸收浮托過(guò)程中的沖擊載荷，并限制兩艘K級(jí)船舶的運(yùn)動(dòng)[3]。

4) 平臺(tái)上層建筑的托舉主要是通過(guò)兩艘K級(jí)船調(diào)節(jié)壓載水系統(tǒng)，改變吃水，將上層建筑逐漸托起，使平臺(tái)重量開(kāi)始由導(dǎo)管架向兩艘K級(jí)船轉(zhuǎn)移；繼續(xù)壓載上浮，直到平臺(tái)的承重結(jié)構(gòu)從導(dǎo)管架轉(zhuǎn)變?yōu)閮伤襅級(jí)船，且確保上層建筑與導(dǎo)管架頂部有足夠多的安全間隙。

5)兩艘K級(jí)船將上層建筑運(yùn)送至X級(jí)船。

6)同時(shí)調(diào)節(jié)兩艘K級(jí)船和X級(jí)船的壓載水系統(tǒng)，通過(guò)載荷轉(zhuǎn)移使得平臺(tái)上層建筑的樁腿放在X級(jí)船的支撐座(DSU)上(見(jiàn)圖1(d))，然后由X級(jí)船運(yùn)輸。

圖1 雙船拆平臺(tái)過(guò)程示意Fig. 1 Sketch of twin-lift decommissioning operation

模型試驗(yàn)在海洋工程水池進(jìn)行。模型試驗(yàn)主要包括制作船舶模型及設(shè)備、搭建船舶控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)；研究在該系統(tǒng)的控制下，雙船托舉過(guò)程中的動(dòng)力定位性能和低速行駛性能以及評(píng)估該拆平臺(tái)方案的可靠性。

1 基本理論

1.1 船體運(yùn)動(dòng)模型

船體三自由度(3DOF)運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

(2)

其中，t表示時(shí)間，(t)=[xyφ]T是大地坐標(biāo)系(GB)中的位置向量，v(t)=[uvr]T表示隨體坐標(biāo)系(BODY)中的速度矢量(見(jiàn)圖2)。x,y表示在GB中的位置，φ表示船舶在 GB下的艏向角，u,v表示在 BODY中縱向和橫向的速度，r表示在BODY中的艏搖速度。旋轉(zhuǎn)矩陣T((t))∈R3×3用于將速度從BODY轉(zhuǎn)換至GB，表示為：

T(

(3)

其中，τ(t)∈R3和τenvironment∈R3表示船舶受到的螺旋槳推力和環(huán)境載荷。慣性矩陣M∈R3×3表示剛體質(zhì)量矩陣和水動(dòng)力學(xué)附加質(zhì)量之和。D∈R3×3代表阻尼矩陣。為簡(jiǎn)化數(shù)值模擬，將M和D簡(jiǎn)化為常系數(shù)項(xiàng)。

圖2 不同的坐標(biāo)系Fig. 2 Different coordinate systems

由此得到船體的狀態(tài)空間方程：

(4)

式中：x(t)=[xyφuvr]T,u(t)是控制輸入，ω(t)是擾動(dòng)量，對(duì)船體而言：

u(t)=τ(t),ω(t)=τenvironment

(5)

(6)

將以上的狀態(tài)空間方程離散化，可得，

x(k+1)=A·x(k)+B·τ(k)

(7)

A=I+Δt·Ac,B=Δt·Bc

(8)

其中，Δt是采樣時(shí)間，I是單位矩陣。

1.2 推力分配

推理分配(TA)將理想控制力作為輸入值，計(jì)算得到每個(gè)推進(jìn)器(螺旋槳、舵等)的狀態(tài)。推力矢量τ(t)=(τxτyτN)T由推進(jìn)器共同產(chǎn)生得到

τ(t)=B(α)·u

(9)

其中，u=(u1u2……um)T∈Rm表示每個(gè)推進(jìn)器產(chǎn)生的力的大小。對(duì)于每個(gè)推進(jìn)器，所使用的螺旋槳推力是關(guān)于轉(zhuǎn)速ni呈二次相關(guān)

ui=Ki|ni|ni

(10)

其中，推力系數(shù)Ki可以由推力測(cè)量試驗(yàn)得到，從而應(yīng)用上述公式來(lái)估算控制系統(tǒng)中的推力。角度向量α=[α1α2……αm]T∈Rm是每個(gè)推進(jìn)器的方位角，即定義了在水平面上產(chǎn)生的推力方向。矩陣B(α)∈R3×m由下式給出

(11)

第i個(gè)推進(jìn)器在BODY中的位置坐標(biāo)是(lxi,lyi)。

在模型試驗(yàn)中，采用具有線性約束的二次規(guī)劃(QP)解決控制分配問(wèn)題[24]，避免了推進(jìn)系統(tǒng)的奇異點(diǎn)[25]。定義以下QP：

(12)

s.t.

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

b=τ-B(α0)·u0

(19)

(20)

QP問(wèn)題可以描述為：

MinzTHz+gTz

(21)

s.t.

Pz≤h

(22)

Cz=b

(23)

MOSEK[26]提供了一個(gè)高效穩(wěn)定的QP求解器，可以實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)推進(jìn)器的狀態(tài)(轉(zhuǎn)速和方位角)。

1.3 PID控制理論

PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。PID控制器主要是縮小理想值xd(t)和觀測(cè)值x(t)之間的誤差e(t)。由此得到該誤差為

e(t)=xd(t)-x(t)

(24)

(25)

PID控制器的實(shí)現(xiàn)由下式給出

(26)

其中，ve表示來(lái)自觀測(cè)器得到的估計(jì)速度，N

2 試驗(yàn)概述

模型試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一個(gè)裝有控制和測(cè)量系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)，該系統(tǒng)主要用于雙船起重拆平臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程。該試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)三大部分組成?？刂葡到y(tǒng)和實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)軟件采用C++代碼實(shí)現(xiàn)，包括低通濾波器、速度估計(jì)器、卡爾曼濾波器、比例-積分-微分(PID)控制器和推理分配(TA)算法等。試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖Fig. 3 Block diagram of the experimental system

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

3.1 船舶幾何模型

鑒于海洋工程水池的主尺度為50 m×30 m×6 m，模型試驗(yàn)的縮尺比選為37。K級(jí)船模長(zhǎng)5 m，配備兩個(gè)艏側(cè)推進(jìn)器和兩個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器(見(jiàn)圖4(a))；X級(jí)船模長(zhǎng)7 m，配備兩個(gè)艏側(cè)推進(jìn)器，兩個(gè)主推進(jìn)器和兩個(gè)懸掛式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器(見(jiàn)圖4(b))；海洋平臺(tái)上層建筑鋼架模型尺寸為1.5 m×1.5 m×0.4 m，鋼架底部設(shè)有6個(gè)連接件，用于固定甲板對(duì)接單元(見(jiàn)圖4(c))。

圖4 水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽釬ig. 4 Sketch of wave tank test model

3.2 拆平臺(tái)輔助設(shè)備

拆平臺(tái)輔助設(shè)備主要包括甲板對(duì)接單元(DMU)和樁腿分離單元(LSU)。甲板對(duì)接單元由安裝在船舶上和平臺(tái)上的兩部分組成：三組甲板對(duì)接單元(由水平彈簧和垂直彈簧以及對(duì)接錐組成)及其固定支座安裝于船舶上。樁腿分離單元由鋼質(zhì)圓筒和彈簧構(gòu)成，固定在平臺(tái)連接件上，其作用為限制平臺(tái)樁腿切割后水平方向上的位移和吸收平臺(tái)垂直方向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量，如圖5所示。這些單元的水平和垂直剛度根據(jù)其設(shè)計(jì)規(guī)格進(jìn)行了測(cè)量和校準(zhǔn)。

圖5 拆平臺(tái)輔助設(shè)備及其組件單元示意Fig. 5 Detailed overview of the decommissioning aid setups and their components

4 控制系統(tǒng)

4.1 軟件構(gòu)架

DPDECOM是一個(gè)多線程C ++應(yīng)用程序，它是基于圖形用戶界面Qt 5.5庫(kù)，線性代數(shù)Eigen 3.3庫(kù)，凸優(yōu)化求解器MOSEK 7庫(kù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

該程序是根據(jù)六自由度采集系統(tǒng)得到的實(shí)際數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的差值，通過(guò)PID控制器和推力分配計(jì)算出船舶到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)所需要的推力大小、角度及作用時(shí)間，再將數(shù)據(jù)指令打包發(fā)送至可編譯邏輯控制器(PLC)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶推進(jìn)器的控制，并實(shí)時(shí)通過(guò)采集和測(cè)量系統(tǒng)的反饋進(jìn)一步調(diào)整船舶推進(jìn)器運(yùn)作。該程序有三種用于控制每艘船的操作模式，分別是使用操控手柄進(jìn)行手動(dòng)控制模式，航向控制模式和動(dòng)力定位模式。

控制系統(tǒng)由基于二次規(guī)劃(QP)的推理分配(TA)和PID控制器組成。根據(jù)每艘船的推力極限，需要考慮PID控制器的輸出極限。因?yàn)閺牧杂啥冗\(yùn)動(dòng)采集軟件QTM中得到的艏搖角會(huì)在±180°之間，所以估計(jì)的艏搖角可能會(huì)從180°突變到-180°，因此在設(shè)計(jì)DPDECOM程序時(shí)需考慮這樣的數(shù)據(jù)突變問(wèn)題。

4.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

在模型試驗(yàn)中，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)包括一個(gè)接入點(diǎn)(AP)和三個(gè)客戶端模塊。如圖6所示，每艘船都具有一個(gè)客戶端模塊，用于實(shí)時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)給AP。基于Profinet的工業(yè)WLAN能夠以更高的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，且時(shí)間延遲小于10 ms。

圖6 工業(yè)WLAN在模型試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中工作示意Fig. 6 Sketch of industrial WLAN in the model test

4.3 執(zhí)行系統(tǒng)

每艘K級(jí)船配有2個(gè)艏側(cè)推進(jìn)器和2個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。X級(jí)船配有2個(gè)艏側(cè)推進(jìn)器，2個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，2個(gè)主螺旋槳和方向舵。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，主螺旋槳和方向舵不包括在TA中。對(duì)于每個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，是用全回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速率、螺旋槳的轉(zhuǎn)速及其從零到最大推力的響應(yīng)速度來(lái)計(jì)算TA中的旋轉(zhuǎn)速度和方位角的約束。對(duì)于每個(gè)艏側(cè)推進(jìn)器，還需考慮從左舷最大推力變到右舷最大推力的響應(yīng)速度。

每艘船上的執(zhí)行器由可編譯邏輯控制器(PLC)、伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器、變速箱和螺旋槳組成(見(jiàn)圖7)。伺服電機(jī)通過(guò)基于PLC的伺服驅(qū)動(dòng)器使螺旋槳實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的速度和角度位置控制。Profinet是工業(yè)以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它實(shí)現(xiàn)了伺服驅(qū)動(dòng)器、PLC和客戶端模塊之間的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)集成的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)諧和機(jī)器共振的自動(dòng)抑制，這樣的執(zhí)行器系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化才可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能和平穩(wěn)操作。

在每艘船上，6個(gè)AC交流伺服電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生推力。其中，四個(gè)帶有增量式編碼器的電機(jī)用于首側(cè)推和全回轉(zhuǎn)螺旋槳的速度控制；兩個(gè)帶有絕對(duì)式編碼器的電機(jī)用于全回轉(zhuǎn)螺旋槳的角度控制。

圖7 K級(jí)船推進(jìn)器系統(tǒng)主要組成部件Fig. 7 Main components of actuator system on the K-class vessel

圖8 雙船拆平臺(tái)作業(yè)水池試驗(yàn)示意Fig. 8 Sketch of wave tank test for twin-lift decommissioning operation

5 測(cè)量系統(tǒng)

模型試驗(yàn)中，測(cè)量系統(tǒng)主要分為六自由度運(yùn)動(dòng)采集與分析系統(tǒng)、推力測(cè)量系統(tǒng)和應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。

5.1 六自由度運(yùn)動(dòng)采集與分析系統(tǒng)

六自由度運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)能以亞毫米級(jí)精度實(shí)時(shí)測(cè)量多個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的位置和姿態(tài)。運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)可以識(shí)別固定在每個(gè)船體上的4個(gè)標(biāo)記燈球(見(jiàn)圖8)，通過(guò)4個(gè)燈球所構(gòu)成的剛體可得到船模的六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

DPDECOM程序可以通過(guò)TCP / IP接口實(shí)時(shí)接受從六自由度運(yùn)動(dòng)采集與分析系統(tǒng)服務(wù)器處理后的實(shí)時(shí)6DoF運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。在模型試驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為50 Hz。使用動(dòng)態(tài)的均值濾波器來(lái)消除原始運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)中的噪聲，從而實(shí)現(xiàn)可靠的速度估算。

5.2 推力測(cè)量系統(tǒng)

模型試驗(yàn)中的推力測(cè)量系統(tǒng)主要為了獲得船模推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與推力之間的關(guān)系以及每個(gè)推進(jìn)器的推力系數(shù)。從而對(duì)其方位推進(jìn)器進(jìn)行禁區(qū)測(cè)試，進(jìn)一步估算不同轉(zhuǎn)速下的推進(jìn)器的推力大小。如圖9所示，當(dāng)A平面通過(guò)下法蘭與船體固定，B平面與連接桿保持固定時(shí)，推進(jìn)器工作對(duì)船體產(chǎn)生推力，力傳導(dǎo)至下法蘭與傳感器上，最終可以獲得每個(gè)推進(jìn)器不同轉(zhuǎn)速下的推力。

同時(shí)，為得到各個(gè)推進(jìn)器的運(yùn)作情況，開(kāi)發(fā)了伺服電機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，可根據(jù)伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)得到推進(jìn)器的螺旋槳轉(zhuǎn)速和方位角。該系統(tǒng)是基于工業(yè)WLAN實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示每艘船上伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括每個(gè)伺服電機(jī)的功耗、轉(zhuǎn)速或角度以及報(bào)警信號(hào)。

圖9 K級(jí)船I的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推力測(cè)量(左方位角90°，右方位角0°)Fig. 9 Thrust measurement on the twin azimuth thruster of K-class-I vessel (left azimuth=90°, right azimuth=0°)

5.3 應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)

應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)由應(yīng)力采集裝置和應(yīng)力測(cè)量裝置兩部分組成(見(jiàn)圖10)。應(yīng)力采集裝置中的工控機(jī)(IPC)用于采集和保存甲板對(duì)接單元(DMU)中錐頭與對(duì)接錐之間的作用力，即平臺(tái)上層建筑與K級(jí)船之間的作用力，同時(shí)基于TCP/IP通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)至應(yīng)力測(cè)量裝置。應(yīng)力測(cè)量裝置可以實(shí)時(shí)接收和顯示各個(gè)DMU中x、y、z三個(gè)方向上的受力情況。

圖10 應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)流程及模型示意Fig. 10 Block diagram of the force measurement system and diagram of model

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

6.1 推力測(cè)量試驗(yàn)

螺旋槳的推力采用量程為500 N的三分力傳感器進(jìn)行測(cè)量，即沿船長(zhǎng)(x)方向、沿船寬(y)方向和垂向(z)上進(jìn)行力的動(dòng)態(tài)測(cè)量。對(duì)K級(jí)船的艏側(cè)推進(jìn)器和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行了推力測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。從圖11(a)和圖11(b)可以得到船模艏側(cè)推進(jìn)器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的推力大小與轉(zhuǎn)速成正比，艏側(cè)推進(jìn)器正轉(zhuǎn)至3 000轉(zhuǎn)速時(shí)的推力約為反轉(zhuǎn)時(shí)候的2倍。圖11(c)表示船模前進(jìn)時(shí)(方位角為0°)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與推力大小的關(guān)系；圖11(d)表示船模后退時(shí)(方位角為180°)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與推力大小的關(guān)系，其變化趨勢(shì)滿足圖中所擬合的二次函數(shù)，推力大小與轉(zhuǎn)速成正比，且船模前進(jìn)時(shí)推進(jìn)器的推力略大于后退時(shí)的推力。圖11(e)和圖11(f)表示的是左推進(jìn)器方位角為90°，右推進(jìn)器方位角為0°時(shí)，即船模向右運(yùn)動(dòng)時(shí)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與沿x和y方向上推力大小的關(guān)系。

圖11 K級(jí)船推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與推力之間的函數(shù)變化關(guān)系Fig. 11 Variation of thrust as a function of rotational speed of K-class vessel

由圖可知兩個(gè)方向上的推力大小隨轉(zhuǎn)速的變化基本一致。除了以上幾組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)還分別得到了左右推進(jìn)器方位角為45°和135°時(shí)轉(zhuǎn)速與推力大小之間的函數(shù)關(guān)系。

通過(guò)推力測(cè)量試驗(yàn)，可得到每個(gè)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和推力之間的函數(shù)關(guān)系，以及相同轉(zhuǎn)速下推進(jìn)器處于不同方位角時(shí)對(duì)船模x和y方向的推力大小的函數(shù)關(guān)系，這證明了螺旋槳—船體相互作用引起的推力損失效應(yīng)可以忽略不計(jì)。因此，在DPDECOM程序中可以使用恒定的推進(jìn)器系數(shù)來(lái)估算每個(gè)螺旋槳的推力。

6.2 動(dòng)力定位試驗(yàn)—矩形軌跡運(yùn)動(dòng)演示

為了測(cè)試雙船的協(xié)同性和DP系統(tǒng)的性能，在海洋工程水池中同時(shí)模擬不規(guī)則波浪(Jonswap)和恒定風(fēng)速場(chǎng)，并讓兩艘K級(jí)船沿著規(guī)定路線同步進(jìn)行低速運(yùn)動(dòng)，測(cè)試兩艘船在位置和姿態(tài)一直處在動(dòng)態(tài)變化時(shí)兩者之間的同步性。

圖12 K級(jí)船I和K級(jí)船II船的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 12 Trajectory of K-class-I vessel and K-class-II vessel

接著進(jìn)行兩艘K級(jí)船托舉平臺(tái)上層建筑沿矩形軌跡低速運(yùn)動(dòng)的測(cè)試，即模擬雙船運(yùn)輸上層建筑至x級(jí)船的過(guò)程，并在該過(guò)程中對(duì)甲板對(duì)接單元的受力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)試驗(yàn)效果和測(cè)量結(jié)果來(lái)反映該過(guò)程中雙船的協(xié)同性和DP系統(tǒng)的穩(wěn)定性。工況參數(shù)為上層建筑載荷為50%，Jonswap波浪譜參數(shù)為Hs=0.75 m，Tp=6 s，θ=135°，恒定風(fēng)速為VW=1.35 m/s，θ=135°時(shí)的雙船托舉平臺(tái)上層建筑沿矩形軌跡低速運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖12和圖13所示。

雙船托舉平臺(tái)上層建筑沿矩形軌跡低速運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖12所示，虛線表示K級(jí)船I的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)線表示K級(jí)船Ⅱ的運(yùn)動(dòng)軌跡，點(diǎn)線表示試驗(yàn)的目標(biāo)軌跡，艏搖角為45°，且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中船艏角度始終保持不變。由圖可知運(yùn)動(dòng)軌跡誤差較小，DP控制精度符合試驗(yàn)要求，穩(wěn)定性良好。

圖13(a)為雙船托舉平臺(tái)上層建筑沿矩形軌跡低速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中K級(jí)船I的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，分別是船?？v蕩、橫蕩和艏搖的時(shí)歷曲線。由K級(jí)船I的艏搖時(shí)歷曲線可以看到在實(shí)時(shí)低通濾波之后船模艏搖曲線的數(shù)值大致穩(wěn)定在45°，即表示在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中船頭朝向始終為45°。圖13(b)為雙船托舉平臺(tái)上層建筑沿矩形軌跡低速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中K級(jí)船Ⅱ的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，可見(jiàn)其運(yùn)動(dòng)曲線變化趨勢(shì)與K級(jí)船I基本一致。由圖中數(shù)據(jù)可知該工況下雙船間的相互干擾小，在研究分析所有角度工況下雙船間的干擾性后，得到90°情況下雙船之間的干擾最大，但仍然能夠保證平臺(tái)拆除工作穩(wěn)定進(jìn)行，滿足安全施工要求。

圖14為雙船托舉平臺(tái)上層建筑沿矩形軌跡低速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中DMU應(yīng)力測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，試驗(yàn)過(guò)程中共采集了位于四角的四個(gè)DMU的應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖10所示。圖14中的線段長(zhǎng)度為試驗(yàn)過(guò)程中DMU應(yīng)力變化的范圍，小方框所在的數(shù)值點(diǎn)為這一過(guò)程中的應(yīng)力均值。在該工況下，四個(gè)DMU在x和y方向上的應(yīng)力均值穩(wěn)定在0左右，并未出現(xiàn)某一點(diǎn)應(yīng)力過(guò)大或者過(guò)小的現(xiàn)象，說(shuō)明整個(gè)雙船托舉平臺(tái)上層建筑沿矩形軌跡低速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平臺(tái)與船之間受力均勻且穩(wěn)定，而單個(gè)DMU在z向可承受最大載荷為815.248 t，則整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于垂向載荷最大可承受值為4 891.488 t。因此，通過(guò)軌跡圖、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線和DMU應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，可以驗(yàn)證試驗(yàn)在完成既定軌跡的前提下，得到雙船同步性能和DP系統(tǒng)穩(wěn)定性良好的結(jié)論。

圖13 K級(jí)船的平面運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的時(shí)歷曲線(黑線表示實(shí)時(shí)低通濾波之后的數(shù)據(jù))Fig. 13 Time variation of planar motion response of K-class vessel (black line indicates low-pass filtered data)

圖14 矩形軌跡運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)中的DMU應(yīng)力測(cè)量統(tǒng)計(jì)Fig. 14 Statistics of DMU load during the 4-corner maneuver test

7 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)一種新型雙船拆除平臺(tái)方案，開(kāi)展了試驗(yàn)研究。采用PID控制器和基于二次規(guī)劃的推力分配算法，使得單船、雙船協(xié)同都能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力定位和低速航行能力，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了雙船托舉平臺(tái)上層建筑沿規(guī)定軌跡低速運(yùn)動(dòng)的能力，驗(yàn)證了雙船拆除平臺(tái)方案中雙船運(yùn)輸這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的可行性和安全性。同時(shí)開(kāi)發(fā)了試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，以確保水池波浪試驗(yàn)和未來(lái)實(shí)際運(yùn)行的高效性和安全性。DP控制主要是克服船體的二階波浪力、風(fēng)力和流力，而試驗(yàn)中的風(fēng)采用了定常風(fēng)，使得DP控制難度降低，但實(shí)際中非定常風(fēng)對(duì)拆平臺(tái)操作的影響巨大，還有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。