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.动力定位技术背景国外动力定位技术进展目前,国际上主要的动力定位系统制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等下面分别介绍动力定位系统各个关键组成部分的技术进呈现状.动力定位掌握系统1)测量系统测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器国内外动力定位掌握系统生产厂家均依据船舶的作业使命选择国内外各专业厂家的产品位置参考系统主要采纳DGPS水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐,微波位置参考系统可选择ArtemisMk4张紧索位置参考系统可选择LTWMk激光位置参考系统可选择FanbeamMk4雷达位置参考系统可选择RADius500Xo罗经、风传感器、运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品2)掌握技术20世纪60年月消失了第一代动力定位产品该产品采纳经典掌握理论来设计掌握器,通常采纳常规的PID掌握规律同时为了避开响应高频运动,采纳滤波器剔除偏差信号中的高频成分20世纪70年月中叶Balchen等提出了一种以现代掌握理论为基础的掌握技术-最优掌握现对船舶的动力定位掌握I通过仿真试验验证了掌握器具有很强的抗干扰力量和鲁棒性【11】8之后,其课题组针对起重船的作业特点,在起重船动力定位掌握器的设计中引入了先进的模型猜测掌握技术,提高了其起重船的作业效率口2192022年,针对传统同步构图定位SLAM传感器具有数据量大、处理速度慢、实时性差的不足和基于扩展卡尔曼滤波的同步构图定位EKF-SLAM具有对水下无人航行器UUV位置估量精度低、甚至发散的缺陷提出了基于多元测距声呐MRS的水下无人航行器UUV结构环境SFEKF-SLAMSuboptimalfadingextendedKalmanfilter-SLAM方法,相对于常用的基于EKF-SLAM的UUV导航系统具有更高的定位精度,能够构建更加精确的港口堤岸地图〔1引102022年,就移动机器人同步定位与地图构建绽开讨论,针对FastSLAM算法产生的粒子退化及粒子集重采样问题,提出了基于自适应重采样的FastSLAM算法基于自适应重采样FastSLAM重采样效率更高,鲁棒性更好,在机器人路径和陆标位置的估量上也具有更高的精度口4】112022年,针对移动机器人同步定位与地图构建存在的计算量大、数值不稳定等问题结合容积卡尔曼滤波cubatureKalmanfilterCKF原理设计了一种基于平方根CKFsquarerootcubatureKalmanfilterSRCKF为勺SLAM算法RCKF-SLAMXSRCKF-SLAM算法通过移动机器人运动模型和观测模型进行猜测和观测,并以目标状态均值和协方差的平方根进行迭代更新,确保了协方差矩阵的对称性和半正定性,改进了数值精度和稳定性口*此外,上海交通高校海洋工程试验室曾开发过掌握系统,并完成了模型试验的调试和验证目前正预备结合工程实际进行更深入化的讨论李和贵教授采纳模糊掌握对动力定位进行了仿真讨论哈工大将模糊掌握技术应用到船舶的脑向寻优和掌握器的设计中,并对此进行了仿真模拟,结果良好,但模糊掌握技术在动力定位的有用中仍需更深的讨论.4国内动力定位系统的应用1998年我们国家首套动力定位系统在哈尔滨工程高校研制成功,但未见产业化哈尔滨工程高校也自主开发出掌握系统,其研制的DK-1型动力定位系统已经具备了在小型船舶上应用的阅历2022年8月报导,上海708讨论所在此领域成功研发出有自主学问产权的我们国家动力定位系统,已经达到了DP3的水平,中海油第一艘海上石油平台于2022年下水知名的造船企业,如上海外高桥造船有限公司、广州江南造船厂等也都投身到动力定位产品的研发中2022年4月,有着亚洲动力定位第一吊的威力号3000吨自航起重船正式交付使用,该起重船能够在锚泊无法定位的简单海疆实现良好的定位作业,填补了我们国家大深度水下打捞救援的短缺2022年5月,国内自主具体设计和建筑的3000m深水铺管起重船海洋石油201”开头在南海作业,该船的动力定位系统采纳了当前最先进的第三代DP-3级动力定位系统,推动系统配置了全电力推动的7个推动器,其在作业时的精确位置通过卫星定位技术得到了保证可以完成3000m水深的铺管作业任务,与之前服役第六代深水半潜式钻井平台的海洋石油981〃形成了完善的结合动力定位产品进口价格高50万欧元/每套动力定位的需求增长快速市场需求大;国际上每年以2000台套增长国内每年需要200-300套,约人民币亿元国内讨论与国际差距较大,尚未见产业化为打破国外技术垄断,填补国内空白,节约大量外汇船舶动力定位系统的开发、推广并进行产业化迫在眉睫参考文献⑴王亮.深海半潜式钻井平台动力动力定位力量分析[D].上海交通高校硕士学位论文,2022:7-8页[2]余培文,陈辉,刘芙蓉.船舶动力定位系统掌握技术的进展与展望[J].中国水运,20222[3]边信黔,付明玉王元惠船舶动力定位[M]科学出版社北京2022:1-30页[4]郑荣才,宋健力,黎琼,吴园园窦玉宝.船舶动力定位系统[J].中国惯性技术学报,20228[5]郑荣才,宋健力,黎琼,吴园园窦玉宝.船舶动力定位系统[几中国惯性技术学报,20228[6]严浙平,边信黔施小城.ROV工作母船动力定位系统仿真和辨识[J].黑龙江自动化技术与应用1997[7]施小城.ROV工作母船动力定位掌握系统讨论[D].哈尔滨工程高校博士学位论文,2001:3-5页[8]王宏健,施小城,丁福光边信黔.基于多处理机的船舶动力定位掌握系统[几船舶工程,2001[9]王宏键,边信黔丁福光,韩桂萍.船舶动力定位系统级故障诊断技术[J].中国造船20036[10]王元慧,施小城,边信黔,基于模型猜测掌握的船舶动力定位约束掌握[J]船舶工程,2007[11]赵大威,边信黔丁福光.非线性船舶动力定位掌握器设计[几哈尔滨工程高校学报,20221[12]张苗爽,起重船模型猜测动力定位掌握的讨论[D]哈尔滨工程高校硕士学位论文,20223[13]张勋王宏健,周佳加边信黔,熊磊.UUV结构环境SFEKF同步构图定位方法[J].哈尔滨工程高校学报,20228[14]曲丽萍,王宏健边信黔基于自适应采样的同步定位与地图构建[J]探测与掌握学报20226[15]王宏健,傅桂霞边信黔,李娟.基于SRCKF的移动机器人同步定位与地图构建[J]机器人,20223和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位掌握方法,即产生了其次代也是应用比较广泛的动力定位系统近年来消失的第三代动力定位系统采纳了智能掌握理论和方法,使动力定位掌握进一步向智能化的方向进展智能掌握方法主要体现在鲁棒掌握、模糊掌握、非线性模型猜测掌握等方面2001年5月份,挪威闻名的KongsbergSimrad公司首次展出了一项的新产品一绿色动力定位系统GreenDP将非线性模型猜测掌握技术成功地引入到动力定位系统中GreenDP掌握器由两部分组成环境补偿器和模型猜测掌握器环境补偿器的设计是为了供应一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力;模型猜测掌握器是通过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型用以猜测船舶的预期行为模型猜测掌握算法的计算比一般用于动力定位传统的掌握器设计更加简单且更为耗时,主要有三个步骤
1.从非线性船舶模型猜测运动;
2.查找阶跃响应曲线;
3.求解最佳推力掌握器结构如图所示国:图l.lGreen-DP总体掌握图荷兰的Marin在20世纪80年月初期即确定了关于推动器和动力定位的讨论方案并开展了动力定位的模型试验,内容包括
①推动器和推动器之间的相互作用;
②推动器和船体之间的相互作用;
③环境力和船舶的低频运动讨论结果产生了应用于动力定位的模拟程序RUNSIM包括模拟试验的程序DPCON和理论模型计算的程序DPSIM.初步进行了流力、风力、二阶波浪漂移力、推动器力的计算,掌握系统采纳经典的PID掌握算法⑵和扩展卡尔曼滤波算法,风力采纳前馈的形式同时,Marin还开展了下述工作动力定位系筋口系泊系统联合使用的状况;扩展了动力定位系统在航迹掌握方面的应用,航迹掌握功能现已成为动力定位掌握系统的基本要求;动力定位设计阶段的性能评估、功率需求估算一般认为,Marin在动力定位系统试验讨论方面已走在世界前沿挪威在20世纪90年月做过动力定位方面的试验,他们将重点放在掌握理论和掌握方法上面在满意李雅普诺夫大范围渐进稳定的基础上,应用现代掌握理论的方法,实行状态反馈和输出反馈两种形式设计不同的状态观测器,观测速度和干扰,并以此代替卡尔曼滤波,在比例为1:70的船模试验中证明定位的效果由于系统模型的不精确性,以及所受环境力的扰动性对船舶动力定位系统稳定性有很大的影响,因此在解决稳定性方面存在优势的Hs掌握理论和鲁棒掌握越来越受到了人们的关注日本的九州Kyushu高校还在1:100的船模试验中验证了掌握结果的有效性目前,国际上应用得较为成熟的动力定位掌握系统一般都采纳其次代掌握方法,而基于第三代掌握方法如自适应模糊掌握、自学习模糊掌握等及实时测量和计算二阶波浪慢漂力以提升更高精度的动力定位系统研制是一种趋势,世界各国都正在加紧研制中在国外,有些高校以船舶运动为对象进行深化的掌握理论讨论如麻省理工学院的Triantafyllou和Hover所讨论的船舶运动掌握,加州高校的Girard.Hedrick等讨论的协调动力定位理论和试验等由美国海洋学会组织的国际动力定位年会,近年来发表的文章主要从技术层面动身讨论动力定位系统的设计与改进2006年,挪威Kongsberg公司的Jens-sen发表的基于模型的流估量”和“基于能量最优的推力使用、日本Akishima发表的深海钻井船’CHIKYU的动力定位系系统、美国Prasad、日gamiel发表的半潜式平台模型试验”、挪威Kongsberg公司的Halyard发表的综合掌握系统的改进方法,都对各自动力定位掌握系统的讨论进行了论述挪威科学与技术高校与挪威的Kongsberg公司具有亲密的联系,每年都有博士生作相关方面的理论讨论I每年都邀请Kongsberg公司的相关技术人员给同学讲授动力定位方面的最新进展2022年,Kongsberg公司的LoklingOyvind在动力定位和导航系统的产品和开发”一文中提到了动力定位系统的要求及将来的挑战其认为将来的挑战有在模型猜测方面主要涉及速度、铺管力、起重力、一些未知力的干扰猜测等;在掌握系统方面,主要在于危急作业要求的高精度六自度定位,以及能量消耗推动器的损耗,推动器方面的推动器布置、推动器的限制及影响,推力安排中的推动器响应时间、推动器组的挨次掌握等由于网络的进展,主要以动力定位为主的舰桥集成掌握系统的研制也是船舶操纵的进展趋势.推动系统用于动力定位船舶的推动系统除常规的主推动器和舵外,还有舵桨推动器、槽道推动器、喷水推动器、全回转推动器等国外生产动力定位全回转推动系统的厂家主要有英国的Rolls-Royce.荷兰的Wgrtsilg、德国的Schottel和日本的川崎其中,Roils-Royce是国际上最大全回转推动器的生产厂家,全回转推动器的功率从900kW到5000kW可安装在各种船型上;Wartsila.Schottel和川崎也是全回转推动器的主要生产厂家电力驱动可达7000kW可安装在各种船型上.动力系统现代船舶自动化程度越来越高,各类达到24h无人机舱要求的船舶基本都采纳了船舶电站功率管理系统船舶电站功率管理系统基本可分为基于主配电板为平台和基于机舱监控系统为平台两种模式以机舱监控系统为平台的典型代表是Kongsberg公司的DC-C20型机舱监控系统中的功率管理系统
1.
1.1Kongsberg公司动力定位技术的进展挪威对于动力定位技术的探究始于1975年KongsbergVapenfabrikkKV公司的一个称为Dyn叩os的工程师小组,此小组原属于国防部门,之后很快转到石油部门,即隶属于KV的近海分部30多年的今日,Kongsberg公司已经成为世界最大的动力定位系统制造厂商Kongsberg动力定位系统主要分为以下两类⑶:1早年采纳KV技术的Kongsberg500原型系统,即KS
500.在20世纪70年月早期,系统计算机是由ForsvaretsForskning和KV研制,是基于晶体管规律技术的2几年后消失了基于单片机系统的单一插件计算机SBC新技术KongsbergSimrad采用Intel
80186、80286和80386等处理器分别开发了SBC
1000、SBC2000和SBC
3000、BC
3003.SBC1000的原型机是世界上第一台使用Intel80186微处理器的计算机Kongsberg公司在1500个动力定位系统开发阅历的基础上,研制出了KongsbergK-pos系统,如图所示S|
1.2KongsbergK-Pos动力定位操作站其将动力定位系统的鲁棒性、敏捷性、功能性与操作的简易性提升到了一个新的水平KongsbergK-Pos包括了国际海事组织所规定的全部等级的动力定位系统,以满意不同的经济需求和操作需求为位置参考系统等传感器供应了广泛的接口,使整个系统具有透亮性和交互性除了拥有种类繁多的标准模式和功能,KongsbergK-pos还有一系列的定制功能来帮助某些特定的操作该系统有一个开发的系统结构,因而具有良好的结合性它能够实现船舶位置和航向的高精度保持在操作中系统可以容忍推动器和测量系统的瞬态误差其适应性扩展卡尔曼滤波器可以估量船舶的航向、位置和速度,以及来自于海流和海浪的干扰估量器使用船舶的精确数学模型卡尔曼滤波技术使用模型猜测和实时测量,为其供应了良好的滤波质量、鲁棒性和位置保持特性KongsbergK-pos系统的基本配置如下
(1)SDP11(基本系统)和SDP12(集成系统)图
1.3SDP11(基本系统)示意图图
1.4SDP12(集成系统)示意图
(2)SDP21(基本系统)和SDP22(集成系统)图
1.5SDP21(基本系统)示意图图
1.6SDP22(集成系统)示意图
(3)SDP31(基本系统)和SDP32(集成系统)图
1.7SDP31(基本系统)示意图
01.8SDP32(集成系统)示意图图
1.9L3公司的NMS6000图l.lOKongsberg公司动力定位系统的进展国外动力定位系统的应用船舶动力定位系统最初的应用开头于60年月HI,第一批装有动力定位系统的船舶的排水量仅为450-1000t这些船舶用于钻探、敷设电缆或对水下作业进行水面支援第一艘装有自动反馈系统的动力定位船是“尤勒卡”号1961年美国壳牌石油公司的钻井船Eureka号完成下水,很快自动掌握推动器的设施就进行了装船,它是由HowardShatt设计完成的这艘船配备了一套最基本类型的模拟式掌握系统,并和外部的一个张紧索参考系统相连除了主推动器外还在船头和船尾加装了易于操纵的推动器,船长为40m排水量为
4.5x105kg动力定位系统对船体的尺寸和外形并没有影响,最显著的标志是它装有多台推力器在世界上早期的动力定位船舶中,最成功也最出名的是“格洛马挑战者”号该船几乎遍游地球的每一个海洋收集水深大于600m处的岩心,为地质学上的发觉尤其是为板壳结构理论供应了大量有利的证据其次代动力定位船舶中,每艘船舶都有其独到之处,但是都采纳几乎相同的传感元件和数字计算机掌握系统,一般都采纳计算机组成的数字掌握器,而位置传感器由单一型进展成综合型,在一个系统中可同时采纳声学、张紧索和竖管角三种位置基准传感器最具有代表性的其次代动力定位船舶是SEDC0445”号,该船于1971年投入营运,其动力定位系统与早期系统相比,主要特点是采纳数字式掌握器,包括一台16位的小型计算机,系统的各个原件都有冗余,可长期不间断的运行,系统在设计时要求能连续作业50dSEDC0445”号也装有多台推力装置,包括11只帮助推动器和2只主螺旋桨自80年月初开头形成的第三代动力定位系统,主要采纳当时刚开头进展的微处理机技术和Mutibus、Vme多总线标准等其中典型的有Kongsberg公司的SDP11系列,Navis公司的NavDP4000系歹hL3公司的NMS6000系歹I」这些动力定位系统均具有开放性的结构,能够实现船舶位置和航向的高精度保持,广泛用于风力发电安装船、溢油回收船、平台供应船、铺管船、辅缆船、挖泥船、打桩船、半潜运输船、钻井平台、打捞船、起重船、无限区化学品船、LNG船等船舶和海洋工程领域目前最先进的DP可以在2级流、6级风的海况下实现
0.35m的位置定位精度,
0.1°的脑向保持精度和1m的航迹保持精度也第四代船舶动力定位系统中典型的有美国NAUTRONIx公司的ASK400O系列、挪威的ADP700系列、法国的DPS90O系列等动力定位掌握台,这些系统均采纳高性能的微处理机、图形发生器、高速数据通道作为系统的掌握核心,传感器也从模拟传感器渐渐变成数字传感器船舶定位掌握是在不断壮大的石油和自然气勘探作业以及舰船作业需要的背景下于20世纪60年月初期产生,目前己经快速进展为一项高新而成熟的技术1980年,具有动力定位力量的船舶数量为65艘,到1985年增长到150艘,到2002年其数量超过了1000艘,目前全世界已有2000多艘具有动力定位力量的船舶动力定位技术在军事和海洋工程领域得到了广泛应用国内动力定位技术的进展国内自七十年月末开头讨论动力定位技术,目前,大多数讨论单位尚处于理论讨论或试验讨论阶段哈尔滨工程高校的边信黔教授首先开展了船舶动力定位这一课题的立项讨论,作为领航者在国内最早提出了要进行动力定位技术的讨论工作1其课题组于1996年首次完成了国内第一套装备实船的水下动力定位系统该系统已运行在我们国家的深潜救生艇上;2该课题组于1997年又完成了国内第一套装备水面船舶的动力定位系统该系统己运行在某试验场区的ROV工作母船上,这些讨论成果使得动力定位技术从理论讨论走向了有用⑹3在此之后,作者所在的课题组又结合深潜救生的需要,于2000年开发完成了水下六自由度动力定位技术,解决了在混浊海水、且有较大海流的条件下,进行有倾斜的对口救生的难题,使我们国家水下动力定位技术达到国际先进水平42001年,该课题组已将动力定位技术推向海洋石油行业,为成功油田研制用于海底管线检测和修理装置的动力定位系统⑺,提出基于多处理机的系统设计方案合理、并行度高、实时性好、牢靠性高,可以很好地完成简单船舶动力定位系统所要求的实时信息采集、数据处理、掌握计算、推力安排、能源管理寄王务⑻52003年,边信黔教授课题组对松散耦合的船舶动力定位系统分布式体系结构提出了一种基于改进的二值PMC模型的分布式系统级故障诊断算法采纳自诊断与互诊断相结合的方法,给出了分布式诊断算法、图论模型、诊断内容及算法中使用的报文种类、故障向量阴62006年,讨论了模型猜测掌握在船舶动力定位系统约束掌握中的应用,建立了3自由度动力定位船舶的数学模型,提出了船舶动力定位系统设计中应考虑的各种约束[划72022年,其课题组针对船舶在海上的定位和作业受到海洋环境的扰动力影响,其动力定位掌握具有很强的非线性特性基于自抗扰掌握技术,设计了船舶动力定位掌握器该掌握器通过非线性观测器估量出船舶运动速度和系统的总扰动,并采纳非线性反馈进行补偿,实。