海洋工程船的時域操作模擬

門金龍，許勁松，施 浩，侯佐新

[1. 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200030； 2. 海思特海事技術(上海)有限公司，上海200241； 3. 中海油田服務股份有限公司船舶事業部，北京100049]

海洋工程船的時域操作模擬

門金龍1，許勁松1，施 浩2，侯佐新3

[1. 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200030； 2. 海思特海事技術(上海)有限公司，上海200241； 3. 中海油田服務股份有限公司船舶事業部，北京100049]

在Matlab/Simulink環境下建立了海洋工程船操作過程的時域模擬平臺，以并發的方式與可視化模塊集成，可以實現海上作業的虛擬操作。通過對案例船“潤江1”舷橋布放過程的操作模擬，獲得了定點作業狀態下的完整時歷數據，對于海洋工程船的安全性評估和過程優化具有重要意義。

海洋工程船； 舷橋布放； 定點作業； 時域模擬； 安全性評估

0 引 言

海洋工程船兼具深海資源開發的運載功能和作業功能，往往借助動力定位系統完成惡劣海況下的定點作業，對作業安全性的要求比常規海上運輸更加嚴格[1]。為了有效評估海上作業的安全性，海洋工程界已在近期開始借助時域模擬技術完成特定海況下的作業過程分析，并通過操作流程的優化進一步提高海上作業效率[2]。

對于舷橋布放等典型的海上作業任務，即使動力定位系統成功保持了船舶位置和航向的穩定性，船體在風浪中的劇烈運動仍會嚴重影響作業過程的安全性。因此，對海洋工程船的作業過程分析往往需要同時考慮船體操縱控制和六自由度運動的耦合效應。此外，舷橋的操作一般采用手動控制系統，因而對舷橋布放過程的模擬必須借助完整作業場景的可視化以實現虛擬操作。

針對上述應用背景，本文以海洋科考船“潤江1”作為案例船，在Matlab/Simulink平臺上實現了動力定位控制和六自由度(6DOF)運動的耦合時域計算，并以動態鏈接庫的方式與視景仿真軟件Vega Prime集成，完成了特定海況下的舷橋布放虛擬操作，獲得了舷橋布放過程的完整時歷記錄。上述虛擬操作平臺為海洋工程船的作業安全性分析和操作流程優化提供了有效的技術手段，具有重要的工程應用價值。

1 海上定點作業過程的時域模擬方法

1.1 時域六自由度動力學模型

船舶六自由度動力學模型的建立涉及如圖1所示的兩組坐標系，其中船體位置信息η=[x,y,z,φ,θ,ψ]T在慣性坐標系中表達，而船體速度信息v=[u,v,w,p,q,r]T在隨船坐標系中表達，兩者可以互相轉換。

圖1 船舶六自由度動力學模型的坐標系Fig.1 Coordinate systems for 6DOF dynamic model

Fossen等[3]依據Cummins理論將定點狀態下的動力學方程改寫成如下的時域形式：

(1)

上述動力學方程中的未知量vk代表船體速度矢量v=[u,v,w,p,q,r]T中的各個分量。

為了便于實時仿真與控制器設計，Kristiansen等[4]將卷積項通過狀態方程進行替換，獲得如下的線性狀態空間方程：

μik=Crikξik+Drikvk.

(2)

將式(2)代入式(1)，可以得到將動力定位控制和六自由度耦合的完整動力學模型：

μik=Crikξik+Drikvk,

(3)

式中：Ar,Br,Cr,Dr為卷積項中遲滯函數辨識得到的狀態空間參數，可由頻域計算結果辨識確定。

1.2 動力定位控制模型

動力定位控制模型的框架如圖2所示，由狀態觀測器、控制器和推力分配三個模塊構成。

航行中船舶所受風、流、浪等環境干擾力具有低頻和高頻兩種成分，控制器僅針對低頻運動進行操縱控制，以避免過大的機械磨損和能源消耗。為此利用狀態觀測器從實測船舶運動信號中分離出低頻運動信號以及非測量信號的實時估測值用以控制反饋。

本系統中的狀態觀測器采用卡爾曼濾波算法，控制器采用常規的比例-積分-微分(PID)控制算法，推力分配簡化為非凸非線性的最優化問題，算法細節參見文獻[3-7]。

圖2 動力定位控制模型框架圖Fig.2 Principle diagram of dynamic positioning system

1.3 Matlab/Simulink的時域仿真框架

在Matlab/Simulink的環境下建立動力定位控制模型并實時解算完整動力學模型[即式(3)]，可以得到海上作業過程的時域仿真結果。Matlab/Simulink仿真框架如圖3所示，其中主要包括波浪載荷的計算模塊、風載荷計算模塊、流載荷計算模塊、動力定位控制模塊、推力分配模塊和時域解算模塊。

圖3 Matlab/Simulink時域仿真框架Fig.3 Time-domain simulation framework in Matlab/Simulink

1.4 作業過程的可視化流程

將時域模擬結果與視景仿真軟件Vega Prime結合，可以建立如圖4所示的實時可視化平臺，由界面控制節點和圖形顯示節點兩個模塊構成。操作控制數據通過虛擬儀表和外部操縱桿實時輸入，船舶運動和位置數據通過動態鏈接庫(DLL)從Matlab/Simulink平臺輸出，在圖形顯示節點內完成作業場景的實時渲染。

2 “潤江1”舷橋布放模擬結果

“潤江1”科考船的船體主要參數和舷橋作業參數分列在表1和表2中，船體型線如圖5所示，兩個艏側推和兩個全回轉槳的分布位置如圖6所示。

圖4 實時可視化流程圖Fig.4 Framework of Real-time Visualization

參 數取 值垂線間長/m44．75水線長/m47．0型寬/m8．8型深/m3．70吃水/m2．80排水量/m3636風載荷縱向船體投影面積/m254．9風載荷橫向船體投影面積/m2175．4流載荷縱向投影面積/m222．2流載荷橫向投影面積/m2102．8船尾主推最大推力/kN44．3艏側推最大推力/kN20

表2 舷橋作業參數

(續表)

圖5 “潤江1”型線圖Fig.5 Lines plan of “Runjiang 1”

圖6 “潤江1”推進器布置示意圖Fig.6 Thrust arrangement of “Runjiang 1”

對“潤江1”在BF6海況下的舷橋布放作業過程進行了時長400 s的操作模擬，虛擬操作界面如圖7所示。模擬獲得的船舶運動時歷數據分別繪于圖8～10中，各推進器推力時歷數據分別繪于圖11、圖12中，舷橋傾角與伸長量時歷曲線分別繪于圖13、圖14中。

圖7 “潤江1”舷橋布放虛擬操作界面Fig.7 Operation visualization results

圖8 船體升沉、橫搖及縱搖時歷曲線(BF6海況)Fig.8 Heave, roll, and pitch time history in BF6

圖9 船舶質心位置時歷曲線(BF6海況)Fig.9 Footprint plot in BF6

圖10 船舶艏搖角時歷曲線(BF6海況)Fig.10 Heading time history in BF6

圖11 主推槳推力時歷曲線(BF6海況)Fig.11 Azimuth thruster loads in BF6

圖12 艏側推槳推力時歷曲線(BF6海況)Fig.12 Tunnel thruster loads in BF6

圖13 舷橋傾角時歷曲線(BF6海況)Fig.13 Gangway pitch angle in BF6

圖14 舷橋伸長量時歷曲線(BF6海況)Fig.14 Gangway length change in BF6

3 結 論

本文建立了海洋工程船定點作業過程的時域仿真框架，通過與可視化框架并發處理，生成了可以對海上定點作業能力和操作安全性進行定量評估的虛擬操作平臺。通過對“潤江1”舷橋布放作業的過程模擬，可以得到下列結論：

(1) 在BF6海況下，“潤江1”定位誤差保持在5 m之內，艏向誤差保持在單幅值4°之內，但尾部主推和艏部側推均有達到推力上限的情況，推力系統已經處于極限工況，存在定位能力隱患。

(2) 在BF6海況下，舷橋傾角在-30°～+30°之間劇烈變化，已經超過-15°～+20°的舷橋機械限制條件，存在較大的安全隱患。

(3) 本文所建立的虛擬操作平臺能夠對船舶定點作業能力提供有效的評估，并可為操作流程優化提供定量分析手段，對于提高海洋工程船的定點作業安全性具有重要意義。

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

[2] B?rhaug B. Experimental validation of dynamic stationkeeping capability analysis: the next level DP capability analysis[D]. Trondheim: Norwegian University of Science and Technology, 2012.

[3] Fossen T I, Smogeli ? N. Nonlinear time-domain strip theory formulation for low-speed manoeuvering and station-keeping[J]. Modeling, Identification and Control, 2004, 25(4): 201.

[4] Kristansen E, Egeland O. Frequency dependent added mass in models for controller design for wave motion ship damping[C]. 6th IFAC Conference on Manoeuvring and Control of Marine Craft, 2003.

[5] Taghipour R. Hybrid frequency-time domain models for dynamic response analysis of marine structures[J]. Ocean Engineering, 2008, 35(5): 685.

[6] Nienhuis I U. Simulation of low frequency motions of dynamically positioned offshore structures[J]. Transactions of the Royal Institution of Naval Architects, 1987, 129: 127.

[7] Johansen T A. Optimizing nonlinear control allocation[C]. IEEE Conference on Decision and Control, 2004: 3435.

Time-DomainSimulationofOSVOperation

MEN Jin-long1, XU Jin-song1, SHI Hao2, HOU Zuo-xin3

(1.StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China; 2.SeastelMarineSystem(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai200241,China; 3.ChinaOilfieldServicesLimited,Beijing100049,China)

A simulation approach for offshore support vessel (OSV) operation is established in the Matlab/Simulink environment. The time-domain numerical results were concurrently transferred into the visualization package to accomplish the virtual operation and control. The typical gangway deployment of the case vessel “Runjiang 1” in station keeping condition was successfully simulated on this virtual platform. The complete time-domain results are valuable for safety assessment and procedure optimization.

offshore support vessel; gangway deployment; station keeping; time-domain simulation; safety assessment

U674.3

A

2095-7297(2014)02-0140-06

2014-05-15

門金龍 (1988-)，男，碩士，主要從事船舶操縱與控制研究。