風對船舶DP 定位過程中最佳航向的影響

劉偉東

（廣船國際有限公司,廣州 511462）

1 前言

船舶動力定位系統是指船舶利用自身的動力去反向作用于外界干擾，使船舶保持在某個固定位置。該系統主要包含：動力推進系統；環境信號檢測系統；船舶計算機處理系統三個分組成。計算機處理中心通過解算外部環境的干擾力，發出執行相反作用力的動作指令，并由動力設備根據指令做出相應的動力輸出。

影響船舶定位性能的外部因素很多，主要是海風、洋流、浪高等。洋流、浪高的變化速率較低，基本上作用于船體水面以下的部分；風是產生洋流、海浪的主因，它吹向船體的上建部分引起船體的左右和上下晃動，嚴重影響船體的穩定。在海試調試動力系統的時候，必須認真考慮風對船體干擾的影響。本文通過數學計算得出風力和船體力的關系，然后通過軟件模擬測試出航向和風的關系。

2 風對船舶得作用力

2.1 風速和風向

由于海面有洋流，因此船舶在海面不是固定不動的；風相對于船舶來說也不是固定的，所以船舶上感覺的風速和風向都是相對的：絕對風速（也叫真風）是陸地上觀察到的風；而對于運動中的船舶來說，相對風速和風向是利用船上的儀器測量的風速和風向。如圖1 所示：真風速用VΤ表示，真風向用ψΤ表示,規定正北向風的ψΤ為0°，正東方風為90°，風向范圍是0°～360°；海面船舶受到的風均為相對風，而相對風向角（風和船首航向的夾角）αR和相對風速VR可以用風速風向儀測量。設定風自左舷吹來時為正向，即＞ 0；風從右舷吹來時為負向，即＜ 0；對于船舶本身來說，相對風向的變化范圍為-180°～180°。

圖1 為風、洋流對船舶作用力示意圖。

圖1 風、洋流對船舶作用力示意圖

u、υ、r分別為V在沿船舶中軸線（首向為正）、垂直船舶中軸線（船舶右舷為正）及垂直于海面（向上為正）的速度分量；

β為漂移角度；

ψ為航向角；

VΤ、ψΤ、VR、αR分別為絕對風速、絕對風舷角、相對風速、相對風舷角；

ψw為海浪方向：

Vc、ψc分別為洋流速度和方向。

相對風速、真風速及船速的關系如下：

2.2 風力與風力矩系數

船舶在海面漂浮隨時受到海風和洋流的作用，不會以一個固定方向和直線方式運動，而是隨著船體轉動曲線行進的。因此,風會以力矩的形式作用于船舶上，所以，計算時要以力矩去計算風力對船舶的影響。對于水面船舶，可只考慮外力對船舶引起高低震蕩、左右橫移和船首向轉向三個方向上的平均作用力和力矩，用矢量形式表示如下：

式中：

cx、cY定義為風力系數；

cN為風力矩系數；

ρα為空氣的密度（kg/m3）；

AT、AL為正向作用力面積和側向作用力面積，可以理解成投影面積( m2 )；

L為船長( m )；

VR為相對風速（kn）。

由于不同的海洋環境風力系數是不同的，通常都是采用經驗方式進行估算，艾什伍德提出了風力和風力矩系數的估算公式[2]如下：

圖2 是利用軟件模型輸入系數的數值，經過模擬得出的風力和風力矩圖。

圖2 利用軟件計算出的風力及風力矩

圖2 中，×表示風速10 m/s，○表示風速30 m/s。從模擬結果可以看出：因為大部分船舶都是細長型的，風速越高，船體受到的風力和力矩也就越大；順著船體中軸線方向的受風面積較小，風力和風力矩也較??；垂直船首中線的受風面積較大，風力和風力矩也較大。也就是說，當船首或者船尾正面頂風或逆風行駛時，船體所承受的風力及力矩最小，即外部風干擾力最小，定位性能最穩定，精度也越高。

3 選擇船舶最佳航向的方式

裝有動力定位的船舶，都是長期工作在一個固定的位置，希望船舶的位置偏差和搖晃角度都比較小。當處于最合適航向時，動力推進器僅輸出較小動力就能保持船位；如果受外力干擾船舶偏離了當前航向，推進器就要輸出推力去抵消這個干擾力，推力的大小和和干擾力的大小成正比。如果干擾力超過了輸出動力的界限，就會造成定位失敗，無法保證航向的穩定，即工程作業失敗，所以工程作業前都需先找一個最合適的船舶航向，或者來回擺動幅度最小的航向；但是由于船舶在海面浮動不穩定，不可能一下子就測量出周圍的風和海流的相關數據，因此航海人員根據經驗找出了兩個確定最佳航向的方法：

（1）第一種方法是客觀的現場巡航法。它需要觀察和檢測船舶前進方向和左右方向的推進器的推力，當船轉到某個航向時，如果側推力為輸出最小或者為零，則此時航向為最佳航向角。這種方法的好處是簡單方便，不需要高級設備的檢測模型計算，且適用于任何等級的動力定位船舶；缺點是能耗較高，有時需要來回轉圈很長時間去比較，尤其是當外部海面環境變化較快時能耗更多，但是最終可通過一段時間的能耗來尋找出最佳航向，從而降低后期長時間工程作業的能耗，還是比較劃算的。

（2）第二種方法就是通過增加計算機設備，建立軟件計算模型，通過測量海面環境各項數據并進行比較計算后確定船舶最佳航向。這種方法的好處是不需要較大的能耗就能找到最佳航向；缺點是軟件模型精度計算不高，計算出的洋流數據有一定誤差，最終最佳航向也會有偏差，有時計算的結果可能與實際觀測到的洋流表面相差太大，可能是暗涌的存在，這就需要有經驗的航海人員現場確定能否進行定位作業。目前大部分動力定位船舶都采用這種方式，包括我司建造的所有等級的動力定位船舶都是采用此方法。

4 船舶定位的外部干擾力和風向的關系

船舶定位的外部干擾力主要包括：海風、洋流、海浪等。有時較大的雨量也會對船體產生沖擊作用力，此時船舶一般會停止作業，所以只需考慮常見的海風和洋流的影響。那么如何利用船舶自身發動機的推力去抵消這些外來力對船體的影響，這就需要動力定位系統設計人員利用數學理論計算，并用實驗室的專業設備進行不斷的試驗，檢測計算結果是否正確。

下面介紹國內某校研究所結合某型船的船體參數進行的矩陣實驗室仿真軟件測試校驗：實驗船的配置為尾部兩個螺旋槳推進器（主推進器）、三個側推進器和兩個轉向為90°范圍角的轉頁舵：船尾平行于船體中軸線的兩側，平行對稱布置兩個主推進器；兩個轉頁舵，分別布置在兩個主推進器后面；船鼻首后面，布置兩個側向推進器；船尾布置一個側向推進器；三個側推進器的方向并列垂直于船體中軸線，尾側推進器要求在船體中心和重心點之后。

測試過程中，船舶航向始終指向某一個固定的位置，也可叫做定錨轉向。在程序中輸入設置單獨的某個方向的洋流和海風兩個外力的方向和大小，這兩個是海洋中最常見的能使船舶移位的外力，由于一般洋流是跟海風同向而行的，因此把兩個外力方向都設置成235°；船舶速度設置為2 kn，模擬采集數據的時間間隔設置為1 s。設置完成后，啟動動力定位軌跡跟蹤顯示程序，便可以顯示曲線軌跡圖，記錄數據后轉換船舶操舵模式進入自動航行狀態，并開始尋找最佳航向模式，觀察船舶移動過程中的軌跡圖以及航向的變化過程。從圖3 可以看到：船舶航向最終停留在60°方向附近并穩定下來，大致與海域中風的吹來方向相反。由于我們設置的船體排水量較小，從開始到穩定航向耗時也比較短，大約10 min 左右就可以初步穩定。

圖3 船舶航向變化軌跡圖

經過多次模擬，最后穩定的船舶航向始終與外部干擾力的合力方向相反，基本上就是與海風吹來的方向相反。根據地理知識，我們可以了解到海面洋流是由于海風引起，并且洋流的速度和海風的速度成正比狀態，海風是干擾船舶定位的外力主因，那么就可以基本確定船舶航向就是與風吹來方向相反，即頂風逆流向。

5 實際調試應用

船舶設計時，都會在船底和桅桿處安裝多個測量設備用來測量海域海流和風的方向、速度等外部干擾力的數據，然后通過系統的軟件參數設定和實地系統建模，計算出推進器推力的大小，軟件程序鎖定后，實際操作船舶檢驗定位的精度，確保實現定位功能。由于每艘船的配置不同，有時即使是同系列船，由于同種設備的性能有差異，其發揮的作用就會不同，意味著每一艘船的系統軟件模型是唯一的，所以建模就是為了把所有設備都調試到最出色的高效臨界點，達到最優的定位性能。

動力系統的軟件計算模型中，一般采用伺服前饋-反饋復合控制的方式來抵消外部作用力的影響，反饋的程序中也包含了船舶本身設備的輸出能效等相關參數設置。目前，由于國外技術封鎖，我們正在努力摸索進一步解決整個技術壁壘，實現國產動力定位系統的普及推廣。圖4 為DP 系統模型完成后形成的定位能力圖[1]，可以直觀地看到風向位于船尾或者船首時定位性能較強，而風向位于兩舷時定位能力比較差，所以相關船舶在海上進行工程作業時，都是定位在頂風逆流狀態下再進行作業的，可以大大提高定位的穩定性，降低出現差錯定位和事故的概率。

圖4 動力定位能力圖

6 結束語

通過簡單介紹裝有動力定位系統的船舶在定位過程中確認船首向的初步原理，展示了風對船舶定位性能影響效果，有助于大家對相關船舶的調試進行了解，積累調試經驗。