动力定位船舶艏向_船舶动力定位控制系统

文章导读:

• 1、“科学”号考察船有哪些超凡装备？
• 2、船舶对地航向与船首向是什么意思，他们有什么关系？
• 3、动力定位系统的应用

“科学”号考察船有哪些超凡装备？

作为目前国内最先进的海洋科学综合考察船，“科学”号有着“海上移动实验室”的美誉，是开展深远海综合科学考察研究的国家重大科技基础设施。这是一艘什么样的船？它究竟先进在哪里？让我们一起走进“科学”号，领略它的超凡之处。

特殊的深海考察船

深海考察船是用于海洋大气、水体、海底、深海极端环境等海洋研究的特殊船舶，它整合了多学科的先进装备和技术。出于科学研究的需要，科考船经常要面对复杂的海况，因此，除了船舶系统的设计不同于常规船型外，它还有庞大的船载探测系统、船载实验系统和网络信息系统，以及为探测和实验配套的操控支撑系统等，和普通船只有着很大的区别。

“科学”号海洋科学综合科考船具备大气探测、水体探测、海底探测、深海极端环境探测以及遥感数据现场验证的能力。它的主要科学目标是：揭示大洋环境和海气相互作用对我国乃至全球气候变化的调控作用；阐明大洋生态系统的演化机制，查明大洋碳循环与热带驱动机制及其与我国乃至全球气候变化的联系；探索深海海洋的自然规律和本质；自主开展海底热泉/冷泉系统与地球深部过程研究，揭示深海极端环境与生命过程的关系；发展地球系统科学理论。

领先国际的设计理念

“科学”号是国内第一艘满足《特种用途船舶安全规则（2008）》的要求，采用了吊舱综合电力推进，且具备完全自主知识产权的现代化海洋科学综合考察船。为了使这艘船满足现代海洋科学综合考察的需求，确保船舶性能达到国际先进水平，项目组和设计院重点瞄准国际上新型科考船的先进之处，重点研究了多波束嵌入式安装的防气泡球艏设计、经济节能的“短长宽比”船型设计、不同推进形式和电站配置的综合评估、艏楼遮蔽甲板抗风稳性研究、操控支撑系统与科考实验室综合布置研究、减振降噪技术研究等关键技术难题。

海洋科学考察船在执行任务期间，难免会遇到恶劣海况，此时，强风使船舶倾覆的风险就不容忽视。为满足特殊抗风力要求，设计团队一方面通过对抗风力影响要素进行研究，力图在设计前期对此加以控制；一方面采用特种结构加强、特殊装备舱容进行密性和分割、减少自由液面、设置减摇水舱等措施，确保船舶在大风浪下的抗风稳性。

在“科学”号的设计过程中，工程师们结合船型发展趋势，根据规范要求和考察需求，不断优化船型尺度和型线，实现了快速性、经济性、耐波性之间的综合平衡。它的快速性和经济性指标，达到甚至超过了国际先进水平。

先进设施数一数

（1）动力定位系统

现代的先进海洋科学考察船都具备动力定位功能，如果没有动力定位，船就只能靠抛锚或漂泊进行作业。但是，在深海海域船是无法抛锚的，而在漂泊作业时，船舶的漂泊移动范围可达几百米甚至几十公里，完全无法满足科学考察的原位取样和探测要求。另外，科考船在作业时，一般都是从船尾部向海里下放探测设备，因此对船艏向（船头的朝向）也有着较高的要求。

动力定位，可以理解为“动中取静”，通过不断地修正自己的位置来保持“定位”。“科学”号上的动力定位系统，依托于差分卫星定位导航系统（DGPS）以及水下定位装置，给船舶动力定位系统提供信息和指令，通过主推进系统和艏侧推装置，使其自动调整和随时保持船舶艏向和位置。

（2）吊舱式电力推进系统

吊舱式电力推进系统，全称是“永磁电机吊舱式全回转无舵桨电力推进系统”。它的推进电机不在船体中而是在水下，与螺旋桨做成一体，也没有船舵。整个吊舱式推进器可以水平方向旋转360°，就像现代军用飞机发动机使用矢量喷口一样，可以通过旋转吊舱的方向来调整航行方向。这种推进方式由于没有任何机械传动的能量损耗，所以能量转换效率很高。此外，这种推进系统还有几大好处，比如节省船舱空间、机动灵活性和可操控性强、能够明显降低船舶的振动噪声等。

“科学”号采用的是“双机双桨”的模式，在船尾下方，并列地装着两套吊舱式推进器。它的最大好处是船只操控起来很灵活，同时安全性也更好，如果其中一个螺旋桨坏了，还可以使用另一个进行工作。有了这个先进的吊舱式电力推进系统以后，“科学”号在海上航行或靠、离码头期间，不仅可以自如地前进、后退，还能够完成“横移”和“原地回转”等各种“高难度动作”。

（3）360°环视驾驶室

在驾驶室里，驾驶员可以直接看到船艉的后甲板。为了不挡住驾驶员的视线，“科学”号的烟囱被设计在左侧舷的位置。在驾驶室前方正中，有一套主驾控台，左右两侧还各有一套驾控台，包括动力定位操控台在内，驾驶室里一共有4套操控设备。除此之外，在机舱集控室和主机舱里也可以操控船只。为了满足科学考察作业的需求，在“科学”号后甲板的作业集控室以及ROV控制室里，也分别设置了船舶驾控台和动力定位操控台，被国外专家誉为“创新的设计”。站在“科学”号的驾驶室，你可以看到四周360°的全景，在个别位置还装了落地窗，视野更加开阔。

（4）最大亮点：升降鳍板

“科学”号的最大亮点，就是安装了国内首次研制的升降鳍板装置。在船的中心位置，有两个可以升降的鳍板，可以通过“通海井”（横截面为3米×4米）直接到达船底下方的海水中。鳍板里面装了鱼探仪、海流探测器、浅海多波束声学探测器等设备。

国外有学者做过实验，将探测设备换能器安装在升降鳍板上以后，它的探测精度提高了近1倍！原来，船在行驶过程中，船底水体会形成湍流层，船速越快，湍流层就越厚。而这些湍流层和气泡流形成的屏蔽层，会使声波信号严重衰减。因此，“科学”号采用了升降鳍板，在声学设备探测的时候，装有仪器的鳍板会向船底下方伸出2.7米，这样就穿过了湍流层，避免了干扰，获得的数据也就更精确了。

在船正常航行时，鳍板收回到与船底平齐的位置，以减少航行阻力。另外，有了这个升降鳍板，在出海后也可以很方便地进行换能器的维修和更换，而不必回船坞修理，由此节省了大量的维护成本。

（5）生活设施人性化

“科学”号科考船不仅是严肃的科研场所，更是温馨的海上之家。

在这里，你不会听到船只开动后发出的“嗡嗡”噪声。因为船上所有的大型机械设备都用了二级浮阀减震技术，此外还通过物理隔离的方式，把主机舱死死地密封起来。为了不使噪声传出来，平时还把楼梯通道、上下出口也都封闭起来。

在“科学”号的甲板上，你也听不到任何通风噪声。普通船只上的空调的风速较高，声音很大。为了减少噪声，“科学”号上的空调采用了低风速，如果不注意听的话，甚至都感觉不到。这些在噪声控制细节上的努力，明显提高了船员在海上生活的舒适度。

在公共区域，则设置了很大的空间，配有休闲厅、餐厅、网吧、健身房、桑拿房、咖啡厅、学术报告厅以及电影院，让大家在紧张的工作之余，充分放松并享受快乐。

“科学”号科考船在完成2015年热带西太平洋主流系和暖池综合考察航次后，已于11月15日返回青岛母港进行休整。不久的将来，“科学”号将再一次扬帆远航、乘风破浪，继续探索大洋深处的奥秘，为海洋科学事业做出新的贡献。

（出品：科普中国；制作：《科学世界》杂志社；监制：中国科学院计算机网络信息中心；“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。转载请注明“来源：科普中国”。）

船舶对地航向与船首向是什么意思，他们有什么关系？

简略的说,船舶对地航就是航线,航线相对于船舶是固定的。

船首向是指船舶在航行中船首的指向。

船舶在航行中.当遇到洋流,风浪等外界因素影响时,就有可能偏离航线,

,此时,船首向就要与航线形成适当夹角,以修正对地偏离。

它们的关系实际上就是平面几何中勾股弦关系:两直角边分别是航线和当位距离内与航线的偏离值,斜边就是船首向。

动力定位系统的应用

动力定位系统首先在海洋钻井船、平台支持船、潜水器支持船、管道和电缆敷设船、科学考察船、深海救生船等方面得到应用，其主要原理是利用计算机对采集来的环境参数（风、浪、流），根据位置参照系统提供的位置，自动地进行计算，控制各推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的“纹丝不动”。

动力定位系统简介

船舶的动力定位系统从70 年代逐渐发展起来，在海洋工程、科学考察等领域有着重要的用途。随着船舶电力推进的成熟和自动控制理论的发展，动力定位系统的性能也不断提高。动力定位系统的组成动力定位系统包括3 个分系统：动力系统、推力器系统和动力定位控制系统。动力系统动力系统一般来说是给整个动力定位系统提供电力的。一般的船舶电站可兼作动力系统，但应满足一些特殊要求。输入（船位、控制器、推力器）输出（船位、推力器系统)推力器系统作为动力定位系统执行部分，常用电动机或柴油机驱动的推进器。主推进装置(包括其舵系统)可兼作动力定位系统的推力器，在船舶进入动力定位运作模式时，由动力定位系统的控制器进行控制。为提高定位能力，主推进装置可设计为全回转推进器，例如Z 型推进、SSP 推进等。一般各推力器的工作组合应产生横向、纵向推力及回转力矩。动力定位控制系统动力定位控制系统包括控制器和测量系统。控制器指的是动力定位系统总的控制部分，一般采用计算机控制的方法。测量系统包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等，测量船舶的船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、风力、流速等环境条件，通过接口输入到控制器中。控制器根据人工输入的船位和艏向，对测量系统提供的数据进行分析和运算，给出推力器的控制指令。动力定位控制系统执行的功能可总结如下：（1） 给出推力器的控制指令。（2） 测量船舶的船位、艏向等船舶状态。（3） 测量风向、风力等环境条件。（4） 接收各种操纵指令的人工输入。（5） 动力定位系统的故障检测及报警。（6） 动力定位系统工作状态的显示。动力定位系统的系泊试验动力定位系统在进行系泊试验之前，应确认已取得本社颁发的产品证书，并确认布置和安装已严格按本社审批的图纸进行，采用的工艺满足本社有关规定。动力系统系泊试验动力系统的各组成部分，如发电机、发电机原动机、主配电板等，应满足船舶建造检验的一般要求。另外还应进行下列检验：发电机组一台发电机组不投入运行，并联运行其他发电机组，逐个启动几台功率较大的推力器电动机。启动期间引起的电压降不超过15%。动力管理系统（1） 进行发电机的自动并联及自动解列试验。动力管理系统（通常是船舶电站的自动管理系统）应能在运行的发电机负荷较重时，自动启动备用发电机投入电网，即自动并联。并在运行的发电机负荷较轻时，自动切断一台发电机的供电并停止其原动机的运转，即自动解列。建议自动并联可设置在单台发电机的输出功率超过额定功率的大约85%时进行。自动解列可设置在单台发电机的输出功率低于额定功率的大约30%时进行。（2） 进行重负载询问试验。动力定位系统的重负载通常是推力器的电动机。在其启动前应向动力管理系统发出询问信号，动力管理系统根据运行发电机的功率裕量发出允许启动指令。否则启动备用发电机再发指令。或当整个动力系统的功率裕量都不足以启动负载时，禁止其启动，这就是所谓重负载询问，或称为大功率询问、重载询问。系统的各个重负载均应进行试验。（3） 试验高电力负载报警功能当总的电力负载超过运转中发电机总容量的预定百分比时，应发出报警。报警的设定值应在运转容量50%至100%之间可调，并应按运行发电机的数量和任一台发电机失灵的影响加以确定。该报警的设定值可设于自动并联时的功率百分比之上。（4） 发电机超负荷时，推力器负载自动调整功能的试验。运行发电机负荷超过100%时，推力器应降低功率运行。可根据实际情况进行模拟试验，如可降低超负荷的功率设定值。在发电机输出功率超过设定值时，验证推力器进行自动降速。（5） 注意动力定位系统控制器与动力管理系统的协调。配电板（1） 检查主配电板汇流排的分段及其连接，对于DP-3 附加标志，每一汇流排要以A-60 进行分隔，在每个分隔内均应设有断路器连接。（2） 在DP 控制中心，应设置连续显示器，显示发电机的在线功率储备，即在线发电机的容量与输出功率的差。对于分段式汇流排，每一分段要设置这种指示器。如果推力器的操作不会引起电站的过载，可不要求设储备功率指示器。动力定位控制系统系泊试验计算机（1） 如果计算机出现故障或未准备好就进行控制，应发出报警。（2） 当检测出一套计算机系统有故障时，应能自动转至冗余计算机系统控制。当控制从一个计算机系统向另一个计算机系统切换时，应保持平稳动力定位操作，其变化应保持在可接受的操作范围内。应试验予以确认。（3） 每一个动力定位计算机系统必须提供不间断电源（UPS），以确保任何动力故障不会影响一台以上的计算机。不间断电源电池的容量需支持至少30 分钟的操作。推力器手柄控（1） 在动力定位控制站设有各个推力器的手动控制器，逐一试验启动、停车、方位和螺距/转速控制的操纵控制。对于高压电动机可不包括启动停止的操纵。（2） 动力定位手动控制台上连续显示的各推力器运行/停车、螺距/转速和方位应精确。（3） 推力器的手动控制应在任何时候都能起作用，包括自动控制和操纵杆控制出现故障的情况下。（4） 在DP控制站逐一试验推进器的应急停止装置。推力器的联合操纵杆控推力器的联合操纵杆控制一般是由设于动力定位控制站的一个操纵杆同时控制多个推力器的运转，实现纵向推力、横向推力、回转力矩及这些分量的组合。通常用于轨迹控制。在码头系泊试验时，应确认操纵杆可同时操纵各推力器。推力器的自动控制推力器的自动控制是人工将给定的船位、艏向输入到控制器中，由推力器根据指令自动地将船舶调整到期望的船位及艏向，并加以保持。（1） 对于DP-1 附加标志，模拟计算机的严重故障，计算机系统执行自检程序时，应停止工作，并通过自动方法或手动方法将转速/螺距设置到零。（2） 对于DP-2 附加标志，计算机系统应执行探测故障的自检程序。如果在线工作的计算机系统探出故障，应自动转换至备用计算机系统。在显示装置上应显示正在实施控制的控制系统的标志。（3） 对于DP-3 系统应设有一个自动备用系统，该备用系统的位置与主系统之间采用A-60级分隔隔离。至少应有一个位置参照系统和一台罗经与备用系统相连接，并独立于主控制系统。备用系统应由操作者在主动力定位控制站或备用控制站启动，这种转换应确保任何单个故障不会使主控制系统和备用系统都不能工作。推力器控制方式的选择（1） 在动力定位控制站，进行不同推力器控制方式的转换。（2） 控制方式的选择应布置成当动力定位控制方式出现故障后，总是能够选择手柄控制。传感器系统（1） 应设置传感器故障（过热失电）报警及传感器与动力定位系统通讯故障（短路、低阻、开路）报警。（2）传感器间自动转换出现故障时，应在控制站发出听觉和视觉报警。（3）对于DP-3 附加标志，每类传感器的一个必须和备用控制系统连接，并通过A-60 级分隔和其他传感器分离。显示和报警（1） 动力定位控制站应显示从动力系统、推力器系统和动力定位控制系统传来的信息，以确保这些系统在正常运行。安全操作动力定位系统所必需的信息应在任何时候均可得到。对设置的报警和显示逐一进行试验。（2） 对于具有DP-2 和DP-3 附加标志的船舶，操作员控制装置应设计成操作屏的任何误操作都不会导 致极限状况。（3） 当动力定位系统及其控制的设备发生故障时，应发出听觉和视觉报警。对这些故障的发生及状态应进行永久的记录。通信系统（1） 试验下列双向通信设施的有效性：a.动力定位控制中心与驾驶室的双向通信b.动力定位控制中心与主机控制室的双向通信c.动力定位控制中心与有关操作控制站的双向通信（2） 确认通信系统独立于船舶主电源。推力器系统系泊试验推力器也可以在非动力定位状态使用，其各部分应满足一般的建造检验要求。如果操作次序的错误会导致危险状态或设备损坏时，则应联锁。对设置的联锁功能进行试验。安装在驾驶室内的控制器和指示器应有充分的照明，并可调光。对DP-2 附加标志，对动力定位系统至关重要的燃油、滑油、液压油、冷却水和气动管路，以及电缆的布置应充分考虑火灾和机械损坏。对于DP-2 附加标志，冗余管系（燃油、滑油、液压油、冷却水和气动管路）不得与主系统一起穿越同一舱室。当不可避免时，管路必须安装在A-60 级管道内。冗余设备或系统的电缆不得与主系统一起穿越同一舱室，当不可避免时，电缆必须安装A-60 级电缆通道内，电缆的接线箱不允许设置在这类电缆通道内。动力定位系统的航行试验动力定位系统的航行试验大纲应根据船舶的实际情况与设计部门及船厂商定。联合操纵杆模式的试验动力定位系统的联合操纵杆模式可进行航迹控制，可采用下列两种方法试验其有效性及控制精度。保持艏第一项试验：（1） 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。（2） 在DP 控制台上，设定艏向并记录船位。（3） 启动操纵杆。（4） 操纵船向正前方移动20 米。（5） 操纵船向正后方移动40 米。（6） 操纵船向正前方移动20 米。（7） 记录船位与艏向并与初始船位及设定的艏向对照，误差应在设计要求范围之内。第二项试验：（1） 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。（2） 在DP 控制台上，设定艏向并记录船位。（3） 启动操纵杆。（4） 操纵船向正左方移动20 米。（5） 操纵船向正右方移动40 米。（6） 操纵船向正左方移动20 米。（7） 记录船位与艏向并与初始船位及设定的艏向对照，误差应在设计要求范围之内。保持船位的旋转试验第一项试验：（1） 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。（2） 在DP 操纵台上，输入自动保持的船位并设定船旋转的圆心。（3） 在系统稳定后，启动操纵杆。（4） 操纵船顺时针旋转360 度。（5） 记录船位并与初始船位相对照，误差应在设计要求范围之内。第二项试验：（1） 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。（2） 在DP 操纵台上，输入自动保持的船位并设定船旋转的圆心。（3） 在系统稳定后，启动操纵杆。（4） 操纵船逆时针旋转360 度。（5） 记录船位并与初始船位相对照，误差应在设计要求范围之内。自动模式的试验动力定位系统的自动模式是根据人工输入的船位和艏向自动定位并加以保持。可采用下列方式进行试验：（1） 系统准备，系统各部分投入工作，各部分之间通讯正常。（2） 在DP 操纵台上输入给定的船位和艏向。（3） 启动自动控制模式，保持6 至8 小时。期间每隔一段时间记录其船位及艏向或由系统自动记录。（4） 考察船位及艏向的误差，应在设计要求范围之内。注意：在整个系统进行操作时，至少有连续2 小时的气候条件达到一定水平，即使推力器上的平均载荷达到50%或更高。当环境条件无法达到上述要求时，可推迟到在适当场合下作为一个特殊的试验来进行。故障模式与影响分析试验DP 定位系统应进行故障模式与影响分析（FMEA），编制FMEA 报告或作为替向的位移试验代，可对每一种故障模式下的系统冗余度进行试验。试验的结果应能满足其附加标志所要求的冗余度。详细的冗余度试验程序应提交审查。DP-2 附加标志进行FMEA 试验时，应尽可能详细地包括动力系统定位系统所有组成部分的主要部件，如发电机、推力器、配电板、GPS、电罗经等，但可不包括具有适当保护的电缆和管系。在出现单一故障时（不包括一个舱室或几个舱室的损失），在固定的作业范围内，在规定的作业环境条件下，自动保持船舶的位置和艏向。DP-3 附加标志的船舶，FMEA 试验同上条，但需要进行由于失火或进水造成一个舱室完全损失的模拟试验。同时不论有无保护均要考虑电缆和管系故障的情况。对于DP-2 和DP-3 附加标志，进行“结果分析”试验。这是一项软件功能，可以连续验证在出现最严重的故障时，船舶也可保持其位置。该分析可以证明当最严重的故障发生后，后续工作推力器可产生与故障前所要求的相同的合力和力矩。当最严重的故障会导致位置偏移（由于在当时的环境条件推力不足）时，“结果分析”应发出报警。对于需长时间才能安全终止的操作，“结果分析”应包括一项在人工输入气候趋势的基础上模拟当最严重故障发生后剩余推力及动力的能力。最严重的单个故障应包括一台推力器不能工作、一台发电机组不能工作、一个汇流排分段不能工作。应以实际的操作进行验证。具体试验的实施应按已审查的试验程序进行。主要的试验方法是模拟某一设备故障，考察其对系统的影响。实际有两种情况：一种是备用设备投入工作，对系统无影响；另外一种是导致系统能力下降，如一台推力器故障不工作，导致系统剩余能力减少，这时需要确认是否可以在规定环境条件下，仍然能够定位。