基于以太網的船舶動力定位控制系統設計

孫 強，魏納新，陳江峰，劉長德（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 408；中國海底電纜建設有限公司，上海 0004）

基于以太網的船舶動力定位控制系統設計

孫 強1，魏納新1，陳江峰2，劉長德1
（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2中國海底電纜建設有限公司，上海 200041）

動力定位系統是現代深海船舶和海洋平臺必不可少的支持系統，該文提出了一種基于以太網技術的船舶動力定位控制系統設計方案，并以“鋒陽海工”號鋪纜船為目標，進行了實船控制系統的研制工作，該控制系統經1:13的水池模型驗證，獲得了良好效果。

動力定位系統；船舶集成控制系統（ISCS）；以太網

0 引 言

船舶動力定位（Dynamic Positioning）技術是近幾十年發展起來的一項跨學科的船舶綜合控制技術，控制系統通過實時檢測出船舶的實際位置與目標位置的偏差，根據所承受的風、浪、流等外界擾動載荷計算出使船舶到達目標位置所需推力的大小，并對船舶上各推進器進行推力分配控制，從而使船盡可能地保持在所要求的位置和方向上[1]。

和傳統的錨泊定位方式相比，船舶采用動力定位技術具有兩方面的優勢：一是可以在錨系泊有極大困難的海域作業，如極深水域、海底土質不利于拋錨的區域等等；二是其機動性好，效率高，一旦到達作業海域，立即可以開始工作，遇有惡劣環境突襲時，又能迅速撤離躲避。因此動力定位系統在海洋船舶和平臺上得到了廣泛的應用。

船舶動力定位系統不是封閉、孤立的控制系統，隨著船舶自動化和信息化技術的發展，動力定位系統與船舶航行控制系統、功率管理系統、作業管理系統以及監控和報警系統的結合日趨緊密，這要求動力定位控制系統在體系設計上必須具備可靠、開放和靈活的特征，同時也要易于擴展、部署、維護和調試。根據這個發展方向，本文提出了一種基于以太網技術的、以網絡交換機為核心的船舶動力定位控制系統設計方案，并以“鋒陽海工”號鋪纜船為目標開發了一套控制系統樣機，該系統經水池模型驗證，具有良好的定位控制效果。水池驗證工作為實船驗證試驗提供了良好的技術支撐。

1 動力定位系統的組成及結構

1.1 動力定位系統組成

動力定位系統從廣義內容上來說包含測量系統、控制系統、動力系統和推進系統共四個部分[1]，這四個子系統與目標船構成了一套具有多變量、非線性、時變且具有較大滯后的位置伺服控制系統，如圖1。

動力定位測量系統包括船舶位置測量裝置（GPS、水聲裝置、雷達、張緊索、激光和無線電裝置）、船舶艏向測量裝置（主要是電羅經）、船舶姿態測量裝置 （VRS或MRU），還可能包括一些作業輔助測量裝置；控制系統主要包括操作臺（人機界面）和各類控制柜 （計算機、交換機和控制器等）；動力系統一般為柴油機及發電機；推進系統指各類船舶推進裝置（主推進器、槽道推進器、舵、全回轉及噴水推進器等）[2]。

商業化的船舶動力定位系統通常不包括動力系統和推進系統，因此動力定位系統產品一般是在狹義范圍內的，主要包括各類測量系統、測量系統接口、控制系統、動力—推進系統接口和其他輔助裝置，即圖1中的虛線區域。

1.2 動力定位系統結構

當前的船舶動力定位系統在結構設計上比較相似，通常以控制單元為核心，利用通信總線 （RS485、CAN、Profibus或以太網等）依次聯接測量系統各裝置、操作臺、動力—推進裝置以及其他信息終端，最終構成一套集中式的控制系統，典型產品如Kongsberg公司的SDP-11動力定位系統[3]。

圖2 Kongsberg SDP-11系統結構圖Fig.2 The structure of Kongsberg SDP-11 system

集中式控制系統的控制單元負責從數據采集、指令解析、算法執行到監測報警的全過程控制，其優點在于結構簡潔緊湊，自成體系，但與之相對應的缺點則在于靈活性和可擴展性不足，任何子系統在替換或升級的同時必須對主控單元做相應改進，形成“牽一發而動全身”的局面，此外，集中式控制系統在靈活性和可擴展存性同樣存在不足，系統的綜合使用效費比不高。

1.3 動力定位系統的發展方向

自上世紀七十年代計算機控制技術開始應用于船舶控制領域，船舶控制技術的發展經歷了集中式控制模式、非集中控制模式和集成控制模式三個階段，目前船舶集成控制系統（ISCS）的發展方興未艾，將是未來很長一段時間內船舶控制的應用方向。

船舶集成控制的含義是通過計算機網絡將不同功能的各種控制系統平滑無縫地集成、通信和調度，最大限度地實現資源的共享。船舶集成控制系統的一般模式如圖3[4]所示。

圖3 船舶集成控制系統(ISCS)描述Fig.3 Description of integrated ship control system(ISCS)

動力定位系統作為船舶集成控制系統的一個組成部分，其發展方向是網絡化的、設備資源共享型的分布式控制系統，其特征包括：

（1）控制單元是位于船舶集成控制系統頂層的信息處理系統；

（2）測量、動力和推進各單元位于船舶集成控制系統的底層；

（3）各個功能單元之間通過以太網通信；

（4）控制單元對其他單元的控制權與船舶航行控制系統、功率管理系統等共享。

2 基于以太網的動力定位系統設計

2.1 系統結構設計

本文根據船舶集成控制系統的組成和結構形式，參考IMO Class 1級動力定位系統的要求，設計出基于以太網的、以網絡交換機為核心的分布式動力定位系統，其結構如圖4所示。

如圖4的控制系統在技術設計和工程實現上具有突出的優點：

（1）以網絡交換機為系統的核心，各單元對外的硬件接口完全統一；

（2）以網絡報文為信息傳遞手段，各單元對外的軟件接口也是一致的；

（3）虛線框內的每個功能單元都是獨立運行的網絡節點；

（4）在動力定位系統運行狀態，每個功能單元通過信息交換構成閉環控制系統；

（5）每個功能單元軟硬件的維護、升級和功能擴展不會影響到其他功能單元的運行；

（6）系統整體具有很強的可擴展性，可以形成簡潔可靠的雙冗余或三冗余結構，即IMO Class 2 和IMO Class 3級動力定位系統。

（7）系統的結構層次已最大限度地實現扁平化，可極大降低方案設計復雜度；

（8）該結構本身已具有模塊化特點，軟硬件子系統可重復應用，對于不同的目標船，上位機、下位機甚至測量單元都可以重復使用，有利于提高效率，降低成本；

（9）軟件功能相對獨立，可并行開發、單獨調試，有利于提高開發調試工作的效率。

圖4 基于以太網的動力定位系統結構圖Fig.4 The structure of dynamic positioning system based on Ethernet

2.2 子系統功能設計

（1）人機界面

人機界面單元是動力定位控制系統的組成部分之一，其主要功能是將系統操作者的控制指令發送至網絡，同時將從網絡中獲取設備運行狀態信息提供給操作者，對系統出現的各類故障及時發送報警信息。

參考中國船級社(CCS)DP-1級動力定位系統設計規范，人機界面單元的功能設計如下：

·自動定位控制；

·手柄定位控制；

·組合定位控制；

·低速軌跡控制；

·設備故障報警及處理；

·測量系統狀態信息顯示；

·動力及推進系統狀態信息顯示。

對于CCS DP-2或DP-3級系統，人機界面還應該包括控位能力評估和失效模式影響分析（FMEA）等功能，此外，對于不同類型的工程船舶如挖泥船、鋪管船等，還需要提供配合施工作業的控制功能。

（2）控制單元

動力定位系統的控制單元通常采用高性能實時控制器，在每個控制周期內，控制單元首先采集人機界面和測量子系統的信號，再依次執行濾波、控制和推力優化分配等核心算法，最后將生成的控制指令發送至動力—推進接口子系統，如圖5所示。控制單元是動力定位系統的運行核心。

圖5 控制單元工作流程Fig.5 The working flow of control unit

（i）濾波算法

采用濾波算法的目的是將船體運動中的高頻成分和低頻成分進行分離，只針對低頻運動進行控制，在實現了定位控制的同時，又可降低能耗和傳動裝置的磨損。本項目的濾波算法采用擴展卡爾曼濾波器（EKF），通過對船舶運動譜峰的實時估計不斷刷新狀態轉移矩陣，再完成對船舶運動數據的估計和校正[5]，其原理如圖6所示。

圖6中，對風力的估算需要通過風載荷模型試驗或CFD計算等方式獲得；EKF算法所涉及的被控對象（船舶）模型，可通過船舶水動力學試驗或經驗公式計算獲取。

圖6 擴展卡爾曼濾波算法原理圖Fig.6 Diagram of Extended Kalman Filter

（ii）控制算法簡述

控制算法的作用是計算船舶控位所需的縱向力、橫向力和偏航力矩，可采用PID算法，如果需要同時兼顧控制精度與能量損耗，也可采用最優控制（LQG）算法[6]，簡要描述如下：

選擇船舶低頻運動線性方程：

取二次型函數：

選擇合適參數，解Riccati方程：

求最優控制量：

（iii）推力優化分配算法簡述

動力定位船舶通常配有多個推進器，但只需要控制水平面上的三個力（矩），此時的推進器系統便成了一個冗余系統，存在多個不同的推進器推力和方向的組合（解），推力優化分配算法的作用就是從多個解中綜合考慮響應速度、能耗以及其他因素，選出最能滿足需求的優化方案。本項目的推力優化分配算法采用改進的序列二次規劃法[7]，如圖7所示。

圖7 推力優化分配采用改進的序列二次規劃算法Fig.7 The improved sequence quadratic programming algorithm for thrust allocating logic

（3）測量系統及接口

測量系統接口的作用是將各個獨立的測量單元數據集中，形成完整的測量信息后傳遞給控制系統，船用測量單元的輸出信號都采用NMEA0183協議，電氣形式都采用RS422/RS485總線，如圖8所示。

圖8 測量系統以及接口單元Fig.8 The measurement system and the interface unit

（4）動力—推進系統接口單元

動力—推進系統是船舶動力定位系統的執行機構，動力-推進系統接口單元的作用是將控制系統指令傳遞給動力和推進裝置，同時采集相關狀態信息反饋給上位機和下位機。

動力定位船舶的推進器有多種，以常用的全回轉舵槳為例，設計其接口單元如圖9所示。

圖9 全回轉推進器接口單元Fig.9 The interface unit of an azimuth thruster

3 動力定位工程樣機研制

3.1 目標船

動力定位系統工程樣機的應用對象為中國海底電纜建設有限公司的“鋒陽海工”號鋪纜船（圖10），開發工作的目標是通過工程樣機為該船提供滿足鋪纜作業要求的定位控制能力。

“鋒陽海工”號鋪纜船總長57.6 m，寬22.0 m，型深4.0 m，設計吃水2.6 m，排水量約1 500 t，其首尾、左右對稱安裝有四部全回轉舵槳推進器，航行時使用尾部的兩部舵槳進行縱向推進，鋪纜施工時使用四部舵槳進行橫向（從右舷往左舷）推進。

圖10 “鋒陽海工”號鋪纜船Fig.10‘Feng Yang Hai Gong’.A cable laying vessel

船舶風力載荷既是EKF算法所必須的輸入條件，也是控制系統重要的前饋信息，本項目采用風洞模型試驗方法獲取其風載荷特性曲線，試驗照片和試驗結果如圖11所示。

圖11 鋪纜船風洞模型試驗及結果Fig.11 The wind tunnel model test and the result of the cable laying vessel

對于EKF算法所需要的被控對象（鋪纜船）的數學模型，本項目通過在操縱性水池開展水動力模型試驗，對測試結果進行處理后得到。試驗過程照片和試驗測試結果如圖12所示。

圖12 鋪纜船水動力模型試驗及結果Fig.12 The hydrodynamic model test and the result of the cable laying vessel

3.2 工程樣機系統

動力定位工程樣機系統包括測量系統（DGPS、電羅經、VRS和風速風向儀各一部），操作臺、控制柜、推進器接口單元和相應的軟件（詳見圖13、14）。

工程樣機系統的結構設計和軟硬件設計完全基于2.1和2.2的設計方案。

圖13 動力定位控制系統操作臺Fig.13 The operator station of dynamic positioning system

圖14 動力定位測量系統Fig.14 The measurement system of dynamic positioning system

4 系統驗證

對工程樣機進行功能驗證的目的是考察控制系統結構和關鍵算法的有效性，驗證手段則采用縮比模型水池試驗方法。

4.1 試驗模型和試驗條件

試驗模型（圖15）按照縮尺比13進行設計加工，采用玻璃鋼材料，模型上安裝有四部全回轉推進器模擬實船的四部舵槳，另外還安裝有三部風扇用于模擬船舶所承受的風力和流載荷。

圖15 試驗模型（λ=13）Fig.15 The ship model for validation test(λ=13)

試驗所模擬的環境條件為“鋒陽海工”號鋪纜船極限作業海況：·6級風（13.8 m/s）；·4 Kn流；·有義波高為2 m的波浪；試驗過程中設定浪向為150°（風浪流同向）。

4.2 試驗系統建立

由于在試驗室內部和船模上無法直接使用DGPS和電羅經等設備，因此除了用模型對目標實船進行模擬，還需要用試驗儀器模擬實船測量系統。水池試驗驗證系統的構建如圖16所示。

圖16 試驗驗證系統說明Fig.16 The composition of validation system

圖17 試驗數據曲線圖Fig.17 Data graph of validation test

4.3 試驗數據及分析

圖17中從上至下分別為船模偏航角位移、N（北）方向位移和E（東）方向位移的時間歷程曲線，由該數據曲線圖可知在設定的風浪流環境條件下，動力定位系統可將目標船模的偏航角位移控制在2°以內，重心位移控制在0.07 m以內，控制系統響應較為迅速，推力優化分配算法有效可靠。

5 結 論

本文通過分析船舶集成控制系統的特點，提出了基于以太網的、以網絡交換機為核心的動力控制系統設計方案，并依據該方案完成了面向目標船—“鋒陽海工”號鋪纜船—的DP-1級動力定位系統工程樣機的設計、開發和調試，最后通過1:13的水池模型驗證了系統結構的有效性和關鍵控制算法的有效性，同時模型驗證試驗也為實船調試驗證工作積累了經驗。

[1]Fossen T I.Guidance and control of ocean vehicles[M].John Wiley&Sons.Ltd.,Chichester,1994.

[2]Bian xinqian,Fu mingyu,Wang yuanhui.Dynamic Positioning System[M].Beijing:Science Press,2011.

[3]Kongsberg.Product description:Kongsberg GreenDP-SDP Dynamic Positioning System[K].2003.

[4]Vukic Z,Borovic B.Guidance and Control System for Marine Vehicles[K].2005.

[5]Tannuri E A.An adaptive,robust,model-referenced control strategy for the dynamic positioning of a shuttle tanker during offloading operations[C].OMAE,2005-67131.

[6]Wang xiaosheng.The research of adaptive Kalman filter and LQG for dynamic positioning system[D].Wuxi:China Ship Scientific Research Center,1989.

[7]Gu nan.The research of simulation for dynamic positioning system[D].Wuxi:China Ship Scientific Research Center,2012.

Design of dynamic positioning control system based on Ethernet technique

SUN Qiang1,WEI Na-xin1,CHEN Jiang-feng2,LIU Chang-de1
(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 China Submarine Cable Construction Co.,Ltd,Shanghai 200041,China)

For the modern deep sea ships and ocean platforms,dynamic positioning system is an indispensable supporting system.This paper presents a design of dynamic positioning control system based on Ethernet technique.The development work of control system for the cable laying vessel‘Feng Yang Hai Gong’is also given.The performance of the control system is validated in practice by experimentation with a model ship scale 1:13,and this work also contributes to the implementation on the full-scale ship.

dynamic positioning system;integrated ship control system(ISCS);Ethernet

U664.8

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.08.007

1007-7294（2015）08-0934-10

2015-03-05

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助（2012AA09A209）

孫 強（1976-），男，高級工程師，E-mail:sunq702@hotmal.com；魏納新（1968-），男，研究員。