動力定位系統與艉錨機在自航耙吸式挖泥船上的聯合應用

劉功偉，胡 勇，程憑杰

（1. 中國船級社 青島分社，山東青島 266034；2. 大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

挖泥船作為水上疏浚的主要工具，在清理航道和港口、保證航道暢通方面一直發揮著不可替代的作用。自航耙吸式挖泥船以其其靈活的機動性、效率高、挖深大和抗風浪能力強等優點[1]，越來越受到國內外各大疏浚企業的青睞，并已成為國內外大型疏浚企業的主干力量。各大疏浚企業在不斷開發大型化、自動化的自航耙吸式挖泥船以提升疏浚效率的同時，也在尋求能量利用與效率之間的平衡，以達到收益最大化。

為此，各種技術手段在也不斷地在挖泥船上得到了應用，動力定位（Dynamic Position，DP）系統在自航耙吸式挖泥船上的使用[2]，使疏浚效率得到了大幅提升，但也增加了更多的建造和維護成本和能量消耗；吹填作業通過拋艏艉雙錨固定船身[3]的方法，使能量能夠更多的用于吹填作業，以提高吹填作業效率，但并不適用于深水和惡劣環境海況條件下作業。那么結合DP系統與拋錨定位的特點，將兩者有效聯合的一種應用技術手段也應運而生。本文以某18 000 m3自航耙吸式挖泥船為例，介紹DP系統與艉錨機的聯合控制方式在該船上的應用，為更好的提升挖泥船疏浚效率和能量利用提供參考。

1 動力定位系統及工作模式

動力定位船舶是指僅用推進器的推力自動保持其自身船位（固定的位置或預先確定的航跡）的裝置或船舶[4]。動力定位系統是指使動力定位船舶實現動力定位所必需的一整套系統，包括推進器系統、動力系統及控制系統和測量系統。由于挖泥船在疏浚作業過程中需要高精度的航線控制，因此，DP系統需要配備可靠性和精度更高的位置參考系統、羅經和風速風向傳感器以及可控性更好的推進系統來滿足作業使用要求。

本船為18 000 m3自航耙吸式挖泥船，配備DP1系統，具備DP/DT（Dynamic Position/Dynamic Tracking）功能，可通過推進器及艉錨機實現船位控制，其布置見圖1，其中①和②為2臺艏側推、③為2臺主推進螺旋槳、④為2臺舵機、⑤為1臺艉錨機。

圖1 某挖泥船推進器及艉錨機布置示意圖

本船DP系統具有如下工作模式。

1）備用模式（Standby mode）是DP系統處于高度就緒狀態，但并不對船舶發出控制命令，控制命令是以操舵手輪、主推進和側推控制手柄的實際位置作為設定值，通過DP系統輸入至操舵和推進器各自的控制系統，以實現對船舶運動的控制。

2）便攜式操縱桿模式（Joystick mode）是DP系統通過三軸便攜式操縱桿對船舶位置和運動進行控制，通過操縱桿的傾斜方向和角度來控制施加力的方向和大小，通過旋轉操縱桿的方向和角度來控制旋轉力矩的方向和大小。

3）自動定位模式（Auto Position mode）是通過DP系統設定目標艏向、目標船位等自動保持船舶的艏向或位置。

4）自動舵模式（Autopilot mode）是通過DP系統精確地控制船舶艏向，在較高航速下，通過船舶的主推進和方向舵自動保持船舶航向。

5）自動追蹤模式（Auto Track mode）是通過DP系統使船舶能夠精確地沿著預定義的航跡點的軌跡自動移動。通過不同的航速和艏向控制策略，自動追蹤模式又分為低速（不超過3 kn航速），高速（3 kn～4 kn航速）和航線偏移3種工作模式。

（6）跟蹤目標模式（Follow Target mode）是通過DP系統使船舶能夠自動跟隨一個或多個移動目標的位置或航向，并將船舶保持在相對于目標位置的特定范圍內。

7）疏浚模式（Dredging mode）是通過DP系統在自動追蹤模式下，根據選定的耙頭的位置作為參考點沿著預定的軌跡自動移動。

2 艉錨機及工作模式

艉錨是指設置在船尾部的錨泊設備，常規運輸船舶一般很少設置。在登陸艦[5]、港內漁船[6]及挖泥船[2]上有所應用。挖泥船由于其作業需要，有時會采用同時拋艏艉錨的方式來使船舶相對穩定，以保證作業需要。艉錨機作為起拋艉錨的設備，根據其工作原理主要分為電動和液壓驅動錨機，本船在主甲板尾部中線設置了一臺液壓驅動艉錨機，見圖2，用于挖泥船吹填作業時輔助定位。其工作模式包括：手動收/放模式（Manual hauling/paying out mode）、制動模式（Band brake mode）和恒張力模式（Constant tension mode）。

圖2 某挖泥船艉錨機外形圖

1）手動收/放模式是指通過艉錨機本地控制箱進行錨鏈的收/放操作。在進行此模式操作前，應先在本地控制箱上選擇“本地控制”和“手動收/放”模式，確認艉錨機無超速，液壓制動器已經連通且方向控制手柄處于“0”位后，將離合器合排，釋放制動器，此時可通過本地手柄進行錨鏈的收/放操作。此模式下，艉錨機的制動模式和恒張力模式將禁止使用。

2）制動模式是指通過艉錨機本地控制箱對制動控制器的釋放/收緊的操作。在進行此模式操作前，應在控制箱上選擇“本地控制”和“制動”模式，確認艉錨機無超速，制動控制器處于100%后，將離合器脫排，此時可通過本地進行制動器的釋放/收緊操作。此模式下，艉錨機的手動收/放模式和恒張力模式將禁止使用。

3）恒張力模式是指通過在本地、駕駛室疏浚控制（Integrated Monitoring and Control，IMC）系統或DP系統設定錨鏈的張力，以保持艉錨鏈上的張力恒定，此時艉錨機絞車處于牽引狀態。如錨鏈上的張力高于設定值時，艉錨機將釋放錨鏈，反之，絞車將收緊錨鏈。此模式下，艉錨機的手動收/放模式和制動模式將禁止使用。

3 DP 系統與艉錨機聯合應用

在艉錨機的恒張力模式下，錨鏈張力可以在3個位置進行設定，包括：1）艉錨機在本地控制模式下，通過本地控制箱進行設定；2）艉錨機在遙控模式下，通過駕駛室IMC系統進行設定；3）艉錨機在遙控模式下，通過DP系統進行設定。但艉錨鏈的張力設定和控制不能在上述3個位置同時進行，只能在所選位置進行控制。由此可見，DP系統可以通過IMC系統與艉錨機進行聯合控制，即在艉錨機的遙控狀態下，通過DP系統對艉錨鏈張力的設定，并經IMC系統將設定值發送至艉錨機本地控制箱進行錨鏈張力的控制。

本船DP系統在自動定位模式下可與艉錨機有2種聯合控制方式：絞車恒張力（Winch CT）聯合控制和轉向恒張力（Steering CT）聯合控制。

1）絞車恒張力聯合控制：可視為DP系統對艉錨機的一種被動控制方式，DP系統不對艉錨鏈的張力進行控制，僅在DP系統中顯示艉錨及錨鏈的有相數據信息，例如艉錨的位置信息、錨鏈張力、錨鏈角度、允許最小/最大張力等。所有數據信息均通過IMC系統輸入DP系統，同時DP系統將所需數據在自身控制系統模型中不斷地進行計算，以便隨時接替IMC系統，對艉錨進行恒張力控制。

2）轉向恒張力聯合控制：可視為DP系統對艉錨機的一種主動控制方式，艉錨機的控制從IMC系統轉換到DP系統后，艉錨鏈張力設定值將被DP系統重新定義。DP系統在自動定位模式下，自動控制艉錨鏈張力的設定值，并將艉錨鏈張力作為DP系統的補償力，進而降低船舶定位所需推力，使船舶在僅使用單個主推進螺旋槳和側推的條件下保持船舶所需位置。操作人員可以在DP系統中輸入錨鏈的張力設定值，控制命令將通過IMC系統輸入至艉錨機并對其進行恒張力控制，同時IMC系統將錨鏈的實際張力值反饋至DP系統，此時所需的艉錨鏈張力不能超過DP系統中設定的最大張力值，也不能低于系統中設定的最小張力值。

為實現轉向恒張力聯合控制，必須滿足以下條件：1）艉錨機本地控制箱上的“遙控”已選擇，“恒張力控制”已就緒；2）DP系統中艉錨鏈角度要求為真，即錨鏈長度不小于50 m，錨鏈角矢量必須向后；3）DP系統已準備就緒，包括DP系統IMC系統的通信正常、自動定位模式已激活等；4）DP系統轉向恒張力控制已被選擇，并已在IMC系統確認。各系統間信號通信見圖3。

圖3 DP 系統、IMC 系統與艉錨機聯合控制通信示意圖

如果在DP系統與艉錨機轉向恒張力聯合控制過程中，若出現任何通信信號丟失，IMC系統將激活艉錨機制動器，此時，DP系統輸出恒張力設定值將被越控，無張力控制命令輸入至艉錨機，艉錨機的方向控制閥將置于零位，DP系統將觸發報警，轉向恒張力控制也將被取消。若保持船位所需的力超過了主推進螺旋槳和設定的錨鏈張力（或最大錨鏈張力），這時DP系統將發出推力不足，船舶將失去位置或艏向的報警。

4 DP 系統與艉錨機的聯合應用特點

本自航耙吸式挖泥船采用DP系統與艉錨機的聯合控制應用具有如下特點：

1）艉錨找回功能，在艉錨釋放后，通過按下DP系統中的拋錨按鈕固定艉錨的位置，根據GPS數據便得到了艉錨的位置。由于艉錨的位置及相關數據信息將在DP系統中存儲，根據記錄的艉錨的位置以及船舶當前的位置和錨鏈實際張力，得到艉錨力的矢量，進而獲得艉錨在水中的位置。因此在錨鏈斷裂后，通過DP系統的存儲數據，能夠確定艉錨位置實現艉錨回收和重新利用。

2）提高吹填作業效率，由于挖泥船的電站總容量有限，通過拋艉錨輔助定位的方式，降低了船舶定位所需推進功率，通過單個主推進螺旋槳和側推來保持船位，可將更多的能量用于吹填作業所需負載，進一步提高了吹填效率，也相應的減少了氣體排放。

3）增強船舶定位能力，挖泥船在轉向恒張力聯合控制下，DP系統將錨鏈張力作為補償力，相當于增強了推力，進而增強了船舶在惡劣環境和海況下的定位能力。

5 結論

隨著水上交通運輸事業的日益發展，我國疏浚量的日益增大，在強大的疏浚市場需求下，挖泥船的疏浚效率成為了搶占市場，創造效益的重要指標。結合本自航耙吸式挖泥船DP系統與艉錨機的聯合控制的實際應用經驗，通過各系統之間進行合理配置，以能將更多的能量用于吹填作業，有效的縮短作業時間，提高作業效率。通過新的技術手段在挖泥船上不斷的嘗試和應用，也將會進一步降低疏浚企業的營運成本，提高疏浚市場競爭力。