船舶系泊動力定位控制技術綜述

王元慧， 張瀟月， 王成龍

(哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著世界經濟增速發展，石油、天然氣等能源短缺問題日益嚴重，陸地資源已無法滿足發展所需，擁有豐富油氣資源的海洋便成為了大眾關注的焦點。然而，海洋不同于陸地，水深、水壓以及復雜多變的風、浪、流環境為資源開采造成了不少阻礙。為解決海洋資源開發問題，為海洋開發裝備提供安全、技術支撐的船舶定位技術應運而生[1]。目前，船舶的定位方式主要有3種：系泊定位技術、動力定位技術和系泊動力定位技術。

上述3種定位方式都能夠保證船舶的安全作業，但其應用場景不同且各有優劣。系泊定位又稱錨泊定位，是最傳統的船舶定位方式，它通過由錨、錨纜和錨鏈等構成的系泊系統將船由錨固定在海底，從而確保船舶在一定的工作區域內作業。這種定位方式簡便易操作，結構簡單、可靠、經濟性好。但是，由于系泊系統的制造及安全成本會隨著水深增加而大幅增長，且機動性差，難以抵御惡劣環境，因此大都用于近海、淺海，海況較好時的海上作業[2]。動力定位技術是僅利用船舶自身推進系統維持船舶位置及艏向的定位方法。它具有精確靈活、機動性強、不受水深制約等優點，可應用于各種水域。但是，因其完全依靠推進系統抵御外界環境，對能源的需求較大，經濟性較差[3]。系泊動力定位技術是結合了系泊定位和動力定位二者的長處，系泊系統和船舶推進系統相互配合使用，既能抵御外界環境干擾，又能夠減少能源消耗，同時可以保證惡劣海況下船舶的安全。因此，與單獨的系泊定位技術和動力定位技術相比，系泊動力定位技術揚長避短，集合了二者的優點，是必不可少的全天候、能耗經濟的安全海洋資源開發技術[4]。

由此，系泊動力定位技術一經提出就受到了廣泛關注。近年來，各國學者在系泊動力定位技術方面的研究成果頗豐。本文重點關注系泊動力定位控制技術的發展動態，從系統構成、模型建立及控制器設計等方面闡述系泊動力定位技術的發展趨勢，分析控制策略的優劣及應用范圍。同時，展望了未來系泊動力定位的發展趨勢和應用前景。

1 系泊動力定位系統組成

系泊動力定位系統由系泊系統和動力定位系統組成，而動力定位系統又是由測量系統、控制系統和推進系統構成[5]，其系統結構由圖1所示。系泊系統提供回復力抵御部分外界環境力，由測量系統獲得位置坐標及環境參數信息，控制系統根據期望目標和相關數據由算法計算生成控制指令，并通過推進系統執行實現。

圖1 系泊動力定位系統結構Fig.1 Structure of position mooring system

系泊動力定位系統的控制目標是借助推進器和系泊系統補償海洋環境的干擾，使船舶的位置維持在工作區域內且保持期望艏向。其中，在保證系泊纜繩安全的前提下，充分發揮系泊系統的能力來抵御外界環境干擾，減少動力定位系統對推進器的調用，從而節省能源消耗和機械磨損。

系泊動力定位系統的一般工作過程如下：在平靜海況下，由系泊系統提供定位支持功能，只使用動力定位系統進行船舶的艏向控制，以達到節省能源降低損耗的目的；在中等及惡劣海況下，動力定位系統啟動，輔助系泊系統一同為船舶提供回復力，提高抵御環境力的能力，提高定位精度，同時減少系泊纜繩張力，預防系泊纜繩斷裂的發生，從而提高了系統的安全性和可靠性。

2 系泊動力定位系統模型

2.1 船舶運動數學模型

構建船舶系統數學模型是控制器設計的基礎。船舶系泊動力定位模型通常采用運動學和動力學六自由度矢量方程表達的形式[6]：

(1)

式中：η是北東坐標系下的船舶位置姿態矢量；υ表示船體坐標系下的船舶的線速度和角速度矢量；R(ψ)是2個坐標系之間的轉換矩陣；M是包含附加質量的系統慣性矩陣；C(υ)是包含附加質量的科里奧利向心力矩陣；D(υ)是阻尼系數矩陣；g(η)是重力/浮力引起的力和力矩矢量；τ表示船舶推進系統提供的力和力矩；τenv表示風、浪、流等環境干擾產生的力和力矩；τm表示系泊系統提供的系泊張力；go為船舶壓載水提供的均衡力矢量。

系泊動力定位系統一般僅控制水面船或浮式平臺的位置及艏向。因此，可將六自由度方程簡化為三自由度方程：

(2)

式中：η=[xyψ]T和υ=[uvr]T分別表示船舶縱蕩、橫蕩及艏搖方向上的位移和速度。

2.2 系泊系統張力模型

上述船舶系統模型中的τm表示的是系泊系統提供的系泊張力，它與船舶位姿、外界環境及系泊纜繩結構有關，是一個復雜的非線性系統，需要構建合適的數學模型來描述它。目前常用的系泊纜繩張力模型的構建方法根據對系泊系統力的分析方式可分為靜力分析方法和動力分析方法。

2.2.1 靜力分析法

靜力分析法的基本原理是在穩態條件下根據纜繩的受力情況，利用系泊張力和環境干擾力使得系統受力平衡原則，預估纜繩的幾何形狀、船舶平衡狀態下的位置以及該狀態下的纜線張力。懸鏈線分析法是典型、常用的靜力分析方法。劉書勝等[7]應用懸鏈線法構建了多成分系泊系統模型。陳新權等[8]考慮了多段不同材料的系泊纜繩及其分布對系泊張力的影響，通過懸鏈線分析法構造系泊張力模型并確定合適的纜繩布局方式。于文太等[9]利用懸鏈線法推導得到了帶有浮筒的系泊系統模型，并計算了多浮筒懸鏈線系泊纜索姿態參數。

然而，懸鏈線分析法在計算過程中一般只考慮浮體的水平位移，忽略了質量、運動阻尼等動力因素。并且建立在下列假定情況下：纜索自身重力遠大于其受到的流體作用力，忽略流體作用力、纜索慣性力和自身的彈性形變等。雖然淺水區域的環境能夠滿足這些所需的假定，保證所求纜繩張力在可接受誤差范圍內。但是，在流速大的深水環境中，或者對于為了迎合深水需求自重小的新型復合纜索來說，該方法不再適用[10]。

2.2.2 動力分析法

系泊纜張力的精確計算是系統設計、作業操作、安全保障的前提和基礎，因此針對深海、極端環境下系泊纜的運動特性分析不能忽略纜繩自重、流體作用、慣性力和運動阻尼等動力因素。對系泊系統采用動力分析法，能夠準確預報系統在極端海況下的響應，也為系泊系統的疲勞分析提供了保障。

在系泊系統運動特性的動力分析法中較為常用的有集中質量法和有限元法。它們分別將纜繩化作n段質量集中在節點的彈簧和n段彈性桿，根據受力平衡關系、邊界初始條件列寫方程，最終推導系泊張力。這2種方法全面考慮了系泊系統非線性，能夠準確、實時地預報系統在極端海況下的響應，也為系泊系統的疲勞分析提供了保障。趙晶瑞等[11]建立帶有浮筒的系泊系統集中質量力學模型，通過仿真驗證浮筒可以有效減小纜繩張力，但會改變最大張力點；海流的作用力在系泊纜的靜力分析中可以忽略。袁夢等[12]采用彈性桿單元，構建了系泊系統有限元模型。Fang等[13]進一步建立了廣義系泊力有限元模型，為后續系泊系統安全定位控制研究建立了基礎。Lee等[14]通過增量和迭代對有限元方法進行改進，推導了單點系泊多段纜繩在波浪力作用下的有限元張力模型，并通過仿真對比實驗驗證了合理性，可應用于纜繩的動態分析。

綜上所述，3種方法都能夠推導得到系泊系統的張力模型。懸鏈線分析法是靜力分析方法，多用于近海、淺海等海洋環境較為簡單，對張力精度要求不高的應用場景中；集中質量法和有限元法是動態分析法，能夠實時、精確地分析系泊纜繩的運動狀態、與船舶的耦合運動以及受海洋環境的影響變化，可應用于深海、遠海等環境較為復雜，對系泊纜繩張力的精確性要求較高的作業場景中。

3 系泊動力定位控制策略研究進展

系泊動力定位系統由系泊系統和動力定位系統組成。根據對這2個系統的處理方式不同，系泊動力定位控制策略大致可分為分離控制和混合控制2種不同方式。分離控制就是為系泊系統和動力定位系統設計2個控制器，分別控制系泊張力和船舶位姿，從而保證船舶系泊張力在安全限界之內，同時船舶在指定范圍內正常作業。混合控制就是只設計一個控制器同時控制兩個系統，它能夠同時保障系泊纜繩安全及船舶的作業定位要求。

3.1 系泊動力定位分離控制策略

將系泊系統和動力定位系統看作2個獨立部分，分別設計控制器進行控制。系泊系統控制器又可以分為主動控制器和被動控制器，主動控制是通過控制拖纜絞車調節纜繩長度，從而主動調節系泊張力；被動控制是通過控制船舶位置從而改變纜繩結構形態，達到調節系泊張力的目的。系泊系統主動和被動控制的結構圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 系泊系統主動控制結構Fig.2 Structure of active control for mooring system

圖3 系泊系統被動控制結構Fig.3 Structure of passive control for mooring system

Aamo等[15]提出了一種動態非線性系泊系統錨鏈張力PID主動控制器，通過調節纜線長度改變系泊系統回復力。跟蹤已設計好的動力定位控制律，盡可能利用系泊張力實現控制指令，減少調用推進系統，從而減小系統能耗和機械磨損。但是，系泊系統主動控制策略存在明顯缺陷，即由于其執行機構絞車存在負載、繩速等物理特性限制，張力調節緩慢，當控制指令快速反復變化，絞車無法實時跟蹤指令做出相應動作，還會造成一定的機械磨損。這就會造成控制效果不佳，甚至出現危險情況。

因此，為解決上述問題，提出了通過改變船舶位置調節系泊張力的被動控制算法，設定點追蹤算法，即根據變化的外界環境自動生成新的位置設定點，系泊張力與環境載荷在該點處達到平衡。這樣就可以最大限度地減小使用推進系統，而使系泊系統被充分調用。Nguyen等[16]應用設定點追蹤算法，設計了4種控制模式以應對不同海況。Wang等[17]應用實驗和數值仿真說明設定點追蹤算法對系泊動力定位系統的影響，證實該算法計算得到的設定點確能大大提升船舶性能，提高系泊系統的利用率。Fang等[18]改進了設定點追蹤算法，以確保每一根纜繩的系泊張力都在安全界限內，設計了與張力有關的二次成本函數，通過求解函數取最小值時的解，計算最優設定點。并進一步考慮纜繩張力的動態效應，引入結構可靠性因子作為權重參數，從而提升系泊系統安全性。Srensen等[19]將設定點追蹤算法應用到鉆井船上，構建立管有限元模型，根據立管偏移角度的成本函數計算最佳設定點，并設計控制器。Fang等[13]直接利用結構可靠性因子替換系泊張力構建最優設定點計算成本函數，以考慮快變的系泊張力動態分量且保證張力低于最大閾值。

3.2 系泊動力定位混合控制策略

與系泊動力定位分離控制策略相比，混合控制策略只設計一個控制器同時約束系泊系統和動力定位系統，實現船舶作業定位任務的控制方法，因其結構簡便，得到了更多的關注。目前，有如下2種主流的控制方案：

1)將系泊系統視為動力定位系統的一部分，其不參與控制器的設計。

一部分研究直接將系泊系統視為動力定位系統的一部分，主要針對動力定位系統的控制器進行設計，其系統控制結構如圖4所示。與圖2和圖3的不同之處在于：這部分研究將系泊動力定位看作統一的一個整體，并未實際對系泊系統進行單獨的控制和約束，僅利用其系泊張力抵消部分外界環境載荷。重點關注復雜的海洋環境和船舶非線性，其控制策略研究大都集中在非線性智能控制方法上，如：反步控制[20]、動態面控制[21]、滑模控制[22]、模糊控制[23]、模型預測控制[24]等。Ho等[25]構建動力定位T-S模糊模型并設計二次有限時域模糊最優控制器，通過與傳統最優控制器對比仿真驗證了算法的優越性。張國慶等[26]設計了自適應終端滑模控制器，實現了有限時間內的船舶動力定位控制。

圖4 動力定位控制結構(系泊系統不參與控制器設計)Fig.4 Structure of dynamic positioning control(controller design without mooring system participation)

上述研究應用了不同的控制算法實現了船舶定位作業任務。在實現系泊動力定位的基本控制目標后，控制策略的研究便進一步朝著解決工程應用所遇到的現實問題方向開展。為解決通信時延對船舶操作的影響，Wang等[27]設計了基于神經網絡的T-S模糊控制器，并建立觀測器估計船舶位置速度狀態及環境干擾。針對速度不可測、環境干擾以及建模不確定性問題，Wang等[28]提出了一種基于狀態約束的自適應反步模糊動力定位控制器，該控制器可以實現有限時間內的路徑跟蹤，并且保證跟蹤精度。張玉芳等[29]設計干擾估計器解決干擾問題，并設計反步控制器對干擾進行補償。為解決執行機構故障，文獻[30-31]提出了滑模容錯控制策略，保證船舶在故障情況下的正常運行。為了拓寬動力定位應用海域，增強其對不同海況的適應性，Nguyen等[32]設計了系泊動力定位混合控制系統，能夠監控海況并切換相應控制器，實現平靜、中等、惡劣全海況下的船舶運動控制。Brodtkorb等[33]進一步改進了混合監督動力定位控制器，增強對誤差的魯棒性，提高系統瞬態響應速度，并通過數值仿真實船實驗驗證該控制系統對各種海況的適應性。考慮海冰存在的場景，為減弱冰載荷對船舶作業及系泊系統的影響，提出系泊動力定位艏向控制策略。Zhou等[34]應用動態冰模擬器設計了基于卡爾曼濾波的航向系泊動力定位控制器，使船舶艏向與冰漂移方向保持一致，同時為了防止艏向控制器的持續使用會降低系統性能，從而增加系泊張力，設計了控制器適時啟用方案，減少能源消耗。Lee等[35]提出了一種根據系泊張力確定船舶艏向的系泊動力定位控制方法，并通過仿真驗證該算法能夠有效降低冰載荷對船舶的影響。

2)將結構可靠性引入動力定位控制設計。

上述提到的控制器都沒有對系泊張力進行實際的約束，系泊系統的安全性無法得到保障。因此，能夠表征系泊纜繩安全的參數，結構可靠性因子被引入了動力定位控制器的設計[36-37]。結構可靠性因子是一個關于系泊張力的指標，它表示系泊纜繩的斷裂可能，該指數越小，系泊張力越大，表示系泊纜繩越可能發生斷裂。將該指標替換船舶位置作為控制對象，設置略大于臨界值的期望結構可靠性因子，調節船舶位置，由變化的系泊張力計算實時可靠性，利用其與期望值的誤差通過設計的控制律調節船舶位姿，最終使得船舶的實時結構可靠性指標與艏向同期望值一致。這樣就將系泊系統和動力定位系統看作一個整體，其控制結構圖如圖5所示，只設計一個控制器便可通過調節船舶位姿間接地控制系泊張力，并且可以保證在系泊纜繩安全的前提下，充分利用系泊張力維持船舶位置，減少對推進機構的調用，從而節省能源消耗，降低機械磨損。

圖5 基于結構可靠性的系泊動力定位控制系統結構Fig.5 Structure of structural reliability-based position mooring control system

Berntsen等[38]將結構可靠性因子引入反步控制器設計，并進一步通過數值仿真和實船實驗驗證了基于結構可靠性的控制器能夠保證船舶在惡劣環境下的正常作業，并且充分調用了系泊系統[39]。Wang等[40]設計了基于結構可靠性的動態面控制器，引入了S型跟蹤微分器和Nussbaum函數簡化控制器設計過程；并設計在線構造模糊系統估計系統不確定性和外界干擾，優化了控制器性能[41]。Wang等[42]考慮未知時變干擾和輸入約束，設計了帶有飽和補償的基于結構可靠性的動態面控制器。王元慧等[43-44]提出了基于結構可靠性的滑模控制器，并考慮執行機構飽和，對比2種不同處理方式，通過實驗驗證了控制器的有效性。

4 系泊動力定位控制策略展望

船舶系泊動力定位系統控制策略的研究主要集中于如何在保證系泊纜繩安全的前提下，盡可能多地利用系泊系統的定位能力，避免對推進器的過度消耗。其未來的發展趨勢會依據其工程應用場景的橫向(即極限海況海域、冰區和極地等)和縱向(即深水和超深水應用)拓寬而向著更高的控制要求(抗干擾能力、響應速度、控制精度等)邁進。

4.1 極區環境下的系泊動力定位控制策略展望

北極地區蘊含著豐富的油氣資源，隨著氣候變暖的影響，對極區的資源探索與開發也變成了可能。我國作為“近北極國家”，積極參與北極航道的開發利用，有利于世界經濟的發展和國家的進步。此外，我國渤海區域在冬季也存在海冰的情況，因此，對存在冰載荷干擾的極區環境下的系泊動力定位控制研究具有重要意義。

由于極區環境與普通海洋環境的最大區別在于冰載荷的存在，因此對于極區環境下的系泊動力定位研究大都集中在對于冰載荷的處理上。目前，國外已有學者通過設計冰觀測系統[45-47]、圖像處理[48]以及危險評估[49]等手段觀測、估計冰載荷的值，并通過基于來冰方向的艏向控制以及加速度前饋補償等手段在控制器設計階段對冰載荷干擾進行補償。而國內學者也通過有限元法[50-51]、離散元法[52-54]和實驗法[55-56]等對冰載荷與浮式結構和錨泊系統之間的作用關系進行了研究。

但是，上述研究多為冰載荷對浮式結構及錨泊系統能力的影響，很少有針對系泊動力定位控制系統的影響。因此，冰載荷對浮式結構定位控制能力的影響有待于進一步研究。此外，由于極區船舶工作時大都需要配備破冰船為其營造碎冰環境，增大了工作成本。為提高極區資源探索及開采的經濟性，需研究抗冰能力和應急能力強的系泊動力定位控制系統，并提升冰觀測系統的精度，準確判斷冰載荷大小，使船舶在正常工作時可抵御較強的冰載荷沖擊，在遇到無法正常工作的緊急情況下，可啟動應急脫離系統，快速離開危險區域，從而提高船舶作業的定位精度及安全可靠性。

4.2 復雜海況下的系泊動力定位控制策略展望

海洋環境復雜多變，一些特殊海域或極限天氣下，存在變化速度快、幅值大的風、浪、流等環境干擾，這都是船舶在執行工作任務時不可避免會遇到的情況。為實現船舶在復雜海況下的安全正常工作，一方面應從對環境干擾的觀測估計入手，為后續控制設計提供精確的環境干擾信息；另一方面應從控制器設計入手，在允許工況內設計抗干擾能力強的系泊動力定位控制器，在超過閾值范圍狀況下及時切換控制策略，快速遠離危險區域，規避風險。

目前，對于環境干擾的觀測估計方法研究主要有高增益觀測器[57]、模糊估計系統[41]以及神經網絡估計系統[58]等。但是，由于上述提到的估計方法有些需要精確的數學模型作為先驗知識，有些需要大量數據進行系統訓練，實時性較差。因此，對于環境干擾估計和觀測的研究應向著不依靠船舶模型，提高觀測實時性和精確性的方向發展。

而針對復雜環境下的控制器設計方案，目前已有很多研究提出了魯棒性強的控制算法，如：滑模控制[59]、自適應控制[60]和H∞控制[61]等。但為了應對變化快速且幅值較大的海洋干擾時，應進一步考慮控制器的抗干擾性能、控制精度以及執行機構的飽和等問題。所以，在設計復雜海況下的系泊動力定位控制系統時，要全面考慮上述提到的因素。此外，為了保障各種海況下船舶作業的經濟性及安全性，還應進一步發展切換控制策略，在平靜和中等海況下，提高船舶作業經濟性，減少能源消耗；在惡劣環境下，保證船舶作業安全，并在超過安全閾值后，可以快速進行系泊系統解脫，撤離危險區域，保證全海域全海況下的船舶安全作業。

4.3 系泊動力定位遠程操控無人控制策略展望

隨著科學技術及智能控制的發展進步，針對一些較為惡劣、不適宜人類生存的海洋環境中的船舶作業問題，發展出遠程操控的無人系泊動力定位控制技術。針對其中出現的一些問題，如：通信時延、遠程操控精度低以及系統自主智能決策等，國內外的研究學者先后提出了神經網絡控制[27]、智能路徑規劃算法[62]、系統強化學習智能決策系統[63]等方法。但是，目前只有少部分研究將系泊動力定位系統與無人遠程控制結合應用于工程實際，如：無人水下發射平臺[64]、浮式平臺遠程安全評估[65]以及海底發電系留平臺[66]等。

這是由于遠程操縱及無人控制技術大都應用于較惡劣或復雜環境干擾下，對控制系統實時性、靈活性及控制精度有較高要求，也對其工程應用存在一些阻礙。為了進一步提升遠程操控或無人控制系統性能，應注重縮短通信及控制時延，提升控制系統反應速度；對智能控制算法而言，應注重提升其計算速度，保證系統實時性的同時，還應提供在線學習功能，可及時處理新的、特殊的環境干擾。

4.4 復雜工程應用中的控制策略展望

隨著對海洋的進一步探索與開發，系泊動力定位系統的應用也越發多樣化，面向不同的工程應用和場景，其控制目標也各有側重。

4.4.1 容錯控制

船舶在作業中會遇到較為常見的如系泊纜繩斷裂、傳感器故障或推進器故障等問題，在這種情況下如何利用本身的控制系統自動補償故障造成的影響，從而確保系統的穩定性和期望性能是首要任務。目前較為常見的故障處理手段是容錯控制，它又可以分為被動容錯[67]、主動容錯[68]和魯棒容錯控制[69]。但是上述控制方案對系統軟件及硬件有冗余的要求，一定程度上制約了容錯控制的系統設計。因此，如何在船舶現有的軟件、硬件架構的基礎上識別、解決故障有待進一步研究。

4.4.2 多船協同動力定位

一些海上作業任務如：深水水下管道鋪設、海上結構拆卸安裝、海上船舶補給等，通常需要多艘船協同配合完成，有時還需應用多艘船連接非機動結構從而控制其運動。因此多船之間的連接關系及協同控制問題也是新的研究熱點。已有一些控制方案：多船的協同控制70]、基于共識的控制律設計[71]以及多船分布式模型預測控制[72]等。但是這些控制方案大都精簡了拖船與拖纜模型，固定了連接點的位置，并且一部分忽略了外界環境干擾。因此，對于多船動力定位，如何合理選擇多船分布模式，建立精確連接模型以及考慮外界干擾下的多船協調控制都是有待進一步研究的熱點問題。

4.4.3 避碰問題

由于一些大型海上浮式機構通常系泊在同一海域進行長期作業，需要配備其他功能的船舶承擔其補給、維護等工作，而這些船只的往來會對系泊結構的運動和作業產生一定干擾，同時也要注意與往來船只之間的避讓。而對于船舶系泊動力定位控制的研究中，鮮少有研究會考慮過往船只對船舶運動產生的干擾以及研究系泊船舶與船只之間的避碰問題。因此，針對長期海上系泊浮式結構來說，系泊船舶與過往船只之間的相互干擾以及避碰問題是普遍存在還未被研究的具有現實意義的研究方向。

5 結論

1)現有的系泊動力定位控制研究多集中在理論層面，受限于驗證平臺的開發，缺少相關算法在實船上的驗證。

2)受系泊動力定位系統工作特點的影響，船舶需長期處于復雜的海洋環境下，變化的船舶參數及環境干擾會影響系泊動力定位系統性能。受制于傳感設備精度、執行機構輸出約束、信號傳遞延時等因素影響，對系泊動力定位控制系統的深入研究是解決系統響應速度、控制精度的最有效途徑。

3)系泊動力定位系統的應用隨著對海洋資源的探索向著深海、遠海、極區進一步擴展，這不僅對控制系統提出了高抗擾、強魯棒、高精度的標準，還要求其在硬件方面可以配合軟件系統有進一步的突破，能夠適應各種場景下的作業。