波浪運動補償裝置的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

秦小健，吳垠峰，錢正宏，劉碧燕，邱利林

（江蘇海上龍源風力發(fā)電有限公司，江蘇 南通 226400）

海上作業(yè)時，往往需要船舶、海工裝備保持位置穩(wěn)定，或者不同浮式裝置在共同完成某項任務時保持相對位置不變，如，浮吊在海上起吊重物、補給船與被補給船之間進行貨物運移、海洋平臺鉆探作業(yè)等。受海面波動影響，這些浮式裝置發(fā)生六自由度運動，即使在同一海況下，不同浮體的運動響應也不相同。為解決上述問題，波浪補償技術應運而生，經多年研發(fā)，當前波浪補償技術和裝置已較為成熟，然而供應商主要為外企，并逐漸形成技術壁壘，壟斷市場。

波浪補償裝置的研發(fā)，最初主要針對波浪補償起重機。Delago 等[2]開發(fā)了一種由液壓電機驅動的升沉運動補償裝置，可用于惡劣海況下的供應船－鉆井平臺物資輸送，通過傳感器和控制裝置控制起重裝置的上下移動。Alp 和Agrawal[3]研發(fā)了一種纜索懸掛式機器人，通過反饋控制閉環(huán)系統(tǒng)，并基于仿真和試驗驗證系統(tǒng)的有效性。Hanson 等[4]設計了一種由交流異步電動機和齒輪箱構成的補償垂蕩絞車系統(tǒng)。

本文闡述波浪運動補償基本原理，分析國內外研究現(xiàn)狀與熱點，總結國內外技術概況，研究波浪補償系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，為研究波浪補償技術和裝置提供參考。

1 波浪運動補償?shù)幕驹?/h2>

按照波浪運動補償技術的分類及使用場合，波浪補償技術從工作原理主要分為以下三類[6]:

1.1 被動波浪補償

被動式補償裝置一般由張緊器部分、蓄能器部分和鋼纜等組成[7]，其中張緊器部分由滑輪組和補償油缸構成；蓄能器部分包括蓄能器與氮氣瓶等；鋼纜繞過滑輪組與負載相連。浮體隨波浪上升時，鋼纜拉力增加，張緊器壓縮，釋放鋼纜，補償負載位移，使負載盡量保持在平衡位置。同時補償油缸中液壓油進入蓄能器存儲能量；浮體隨波浪下降時，反向補償。波浪補償過程中，系統(tǒng)相當于一個液壓彈簧，對波浪影響起緩沖作用。被動式波浪補償系統(tǒng)工作過程不消耗能量，適用于載荷較大、精度要求較低的浮體運動補償。

1.2 主動波浪補償

主動波浪補償主要由運動測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、作動系統(tǒng)等組成。運動測量系統(tǒng)收集傳感器信號，經多源融合算法處理，輸入到控制系統(tǒng)；在完成數(shù)據(jù)處理后，進行位置與姿態(tài)反解，得出作動系統(tǒng)期望值，控制作動產生與測得浮體運動大小相等方向相反的六自由度運動，實現(xiàn)波浪補償。

半主動波浪補償系統(tǒng)通過液氣彈簧和主動液壓系統(tǒng)相結合，前者為系統(tǒng)的承載構件，后者用于克服載重的慣性和摩擦，以提高精度。此外，還有一種用于絞車的波浪補償裝置，該裝置通過電機驅動，通過分析浮體垂蕩數(shù)據(jù)，主動控制絞車指令，實現(xiàn)運動補償。

1.3 復合波浪補償

復合波浪補償裝置主要包括控制器、閥組、泵站、復合油缸、蓄能器、絞車、纜繩和傳感器等。傳感器測量出負載位移，與期望值進行比較后輸入到控制器，控制器經計算輸出控制信號，從而控制閥組以增加或減少流量，實現(xiàn)油缸動作。無波浪時，浮體的重力主要由復合油缸被動腔承擔；有波浪時，浮體和補償裝置隨波浪上下運動，被動腔充入或流出液壓油，從而通過活塞桿移動，實現(xiàn)對浮體的運動補償。

除上述被動補償、主動補償和復合補償外，還有綜合補償系統(tǒng)，即將波浪產生的垂向和橫向運動補償相結合。

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

波浪補償技術始于美國，首個使用機械反饋調整升沉幅度的主動式波浪補償系統(tǒng)于1970 年投入使用[8]。此后，被動式升沉補償系統(tǒng)發(fā)展迅速，并應用于海洋油氣開發(fā)領 域。自此，波浪運動補償技術得到廣泛應用，更多科研人員對波浪補償技術展開理論研究和實驗分析[9]。近二十年來，隨著計算機和控制技術的發(fā)展，實現(xiàn)了有效的傳感器集成和系統(tǒng)建模，波浪補償技術快速提升，補償?shù)撵`敏度和精度得到了大大提高。

目前，多家國外公司制造的波浪補償裝置在實際工程中被廣泛應用。其中，美國NOV (National Oilwell Varco)公司研發(fā)的升沉波浪補償裝置應用較廣，主要集中在鉆井船和浮式鉆井平臺，裝置通過控制液壓構件的平穩(wěn)性，減少鉆柱垂直運動，穩(wěn)定井底鉆壓。挪威MH公司研發(fā)了以船用起重機以及配套為主的升沉補償裝置，其主要作用是隔絕浮吊船運動對起吊物的影響。英國Houlder 公司生產的TAS 系統(tǒng)主要安裝在小型工作艇上，適用于近海風機運維作業(yè)。

在波浪補償技術研究方面，最初的主動式升沉補償裝置通過機械反饋裝置，構成了比例控制器。Korde 等[10]提出了一種用于深水鉆井裝置在不規(guī)則波激勵下的主動升沉補償器，并驗證其在大的波頻帶寬上表現(xiàn)良好，及其在線性范圍內的有效性。Kuchler 等[11]提出了一種船舶垂直運動主動補償系統(tǒng)，針對時間延遲引入新的控制策略，并驗證其有效性。J.Pan[12]提出一種利用雙桿制動器驅動的電液系統(tǒng)為主動升沉補償系統(tǒng)設計的非線性控制器，控制系統(tǒng)通過調節(jié)立管上端到海床的距離，有效減少船舶垂蕩運動對立管影響。

3 國內發(fā)展現(xiàn)狀

國內波浪補償技術基本處于理論和實驗研究階段，少量波浪補償設備投入應用。

孫魯閩等[13]研究了用于二級海況下船與船的人員換乘裝置，補償兩船間的相對升沉運動。完成了動力學分析、電氣控制系統(tǒng)及實船實驗。蘇長青等[14]提出一種三自由度主動補償系統(tǒng)，裝置固定于船艏，補償船體的升沉、橫搖和縱搖運動，并通過了模擬海況實驗。2018 年底，由上海雄程海服研制能夠補償六個自由度的運動的海上風電登乘裝置，名為“雄程云橋”，可以支持頂接和搭接兩種對接方式，兩種方式可分別消除沿橋梯方向和垂直方向的位移。

李春林等[16]針對船舶運動對設備與人員的影響，提出了一種主動補償系統(tǒng)，并通過驗證仿真與試驗結果，為系統(tǒng)設計和調試提供幫助。盧道華等[15]設計了一種采用控制算法對進行通道控制的穩(wěn)定平臺，改進了由于機械元件引發(fā)的滯后性，并通過仿真與試驗驗證其有效性。楊文林等[18]設計了一個主動波浪補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠結合自適應高通濾波器進行船舶運動檢測，同時采用雙目視覺系統(tǒng)檢測補償平臺末端運動，并通過仿真驗證系統(tǒng)的可行性。唐剛等[17]基于波浪補償平臺工作原理設計一種電動自動補償控制系統(tǒng)，對船舶升沉運動展開動力學建模與動力學分析，并利用仿真驗證控制系統(tǒng)具有良好的靈敏性和穩(wěn)定性。“蛟龍?zhí)枴钡哪复跋蜿柤t09”采用了復合式波浪補償器。利用該補償裝置可以在收放潛水器時提高作業(yè)過程的平穩(wěn)度。

4 發(fā)展趨勢

隨著深海工程的發(fā)展，各類海上施工作業(yè)的需求，促進了波浪補償技術的快速發(fā)展。近年來，波浪運動補償技術存在以下發(fā)展趨勢：

（1）波浪補償?shù)木戎鸩教岣摺Ｔ谏詈：Ｑ蟮膹碗s環(huán)境下，要滿足嚴苛的作業(yè)要求，波浪補償?shù)哪康囊阎鸩綇脑缙诘陌踩裕颥F(xiàn)在的高精度發(fā)展。在滿足海上作業(yè)的安全要求之外，補償?shù)木纫笠苍絹碓礁摺＿@對于波浪補償系統(tǒng)的機構設計、以及作動系統(tǒng)的軟硬件都提出了更高的要求。

（2）動作響應靈敏度高。隨著海上施工作業(yè)的需求，波浪運動補償系統(tǒng)的反應快速性和靈敏性直接關系到補償系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。這對于控制算法的有效性和控制設備的精密程度提出了更高的要求。

（3）適應更大的浮體載荷。隨著人類對海洋探索的深度不斷刷新、以及大型浮體及設備的應用，在采礦領域隨著及海洋科考方面，設備重量越來越大，這對于波浪補償來說，需要適應更大的載荷要求。

5 結論

波浪補償裝置及其相關技術，原理多樣，類型繁多，同時，該類裝置具有集成性，是集多學科于一體的高新技術產品，因此也具有試驗驗證困難、核心技術復雜性高等問題。為此，需要從基本原理做起，通過試驗驗證與改進，逐步掌握相關關鍵技術，突破技術瓶頸，實現(xiàn)自主設計、制造。

波浪補償裝置的核心技術主要是控制方式，現(xiàn)今的位移、速度和加速度控制方法已趨于成熟，難以提高補償精度。為此，需要進一步提高研發(fā)力度，開展浮體位姿預測工作，同時探究混合驅動模式等新型技術的研究工作。

應加快帶主動控制功能的波浪補償裝置研究。從僅能補償升沉、橫搖和縱搖三個方向運動的三自由度補償，到能全自由度運動補償，更適合應用于深海開發(fā)。

波浪補償系統(tǒng)具有軍民通用的特點，海洋工程領域應用已越來越廣泛。國外波浪補償技術基本成熟，而國內還處于起步階段，大部分情況下還是在使用進口產品。近年來，波浪補償技術受到國內許多廠家和研究機構的重視，未來相關技術和裝置將在我國海洋開發(fā)事業(yè)中發(fā)揮重要作用。