动力定位采矿船高海情下的运动响应分析_童波.pdf

Vol.42，No.1Feb.2023第42卷第1期2023年2月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.01.008动力定位采矿船高海情下的运动响应分析童波1，李焱2，3，唐友刚2，3，刘汇海2，3（1.中国海洋工程装备技术发展有限公司，上海200011；2.天津大学建筑工程学院，天津300350；3.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300350）摘要：本文对具有动力定位深海采矿船高海情下的运动响应及运动特性开展研究。针对具有6 个推进器构成的动力定位系统，考虑高海情及空载和满载两种典型工况，基于推力最小和运动最小条件，应用卡尔曼滤波器结合线性二次型最优控制理论的控制算法优化推力，进行动力定位系统的参数整定，实时优化调整推力的方向和大小，计算采矿船高海情下的运动和推力的时间历程响应和分析运动特性。经计算，得到了深海采矿船空载和满载工况在高海情下实施海上定位的浪向及需要的推力大小，确定了采矿船动力定位系统在高海情下的适应性，评估了高海情下深海采矿船的定位能力。关键词：深海采矿船；动力定位；高海情；运动响应中图分类号：U661文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）01-0069-09收稿日期：2022-08-16基金项目：国家自然科学基金资助项目（52001230）；天津市自然科学基金资助项目（21JCQNJC00330）作者简介：童波（1983），男，硕士，研究员，主要从事海洋工程装备总体设计研究。E-mail：通讯作者：唐友刚（1952），男，博士，教授，主要从事船舶与海洋工程载荷及动力响应研究。E-mail：tangyougang_目前资料表明，深海矿产资源占到地球矿产资源总量的 75%，因此开发深海矿产资源对于促进我国社会经济发展意义重大。深海采矿船是开发深海的重要装备，其工作水深为 1 0006 000 m，对于深海采矿船的作业过程，必须采用动力定位来有效控制船舶运动，动力定位系统是深海采矿船的关键设备1-2。船舶动力定位系统设计中，一般是通过频域计算的方法得到动力定位需要的总功率和抗风能力，并没有考虑海洋环境的时域变化特性3-4，因此需要考虑时变的风浪流载荷，评估带有动力定位系统采矿船对于海洋环境的适应能力。深海采矿船遭遇高海情时，海洋环境更为恶劣且环境力更大，因此进行深海采矿船高海情下的时域响应计算分析，评估动力定位采矿船对于高海情的适应性十分必要5。马亚洲等6研究深海采矿船减摇水舱减摇效果，分析了减摇水舱对采矿船在频域及时域内对横摇运动的影响，未涉及动力定位系统。肖丽娜7针对深海采矿船作业和生存，分析可能的风险，指出生存工况仅需要考虑满载和空载。何进辉等8针对作业水深 1 500 m 的深海钻井船，分析动力系统定位的能力，基于不同浪向计算环境载荷及计算需要的推力，并与 DP3（Dynamic Position 3）系统的可用推力比较确定动力定位能力。于文太等9针对铺管船海上作业，测量铺管船的运动，并采用 SESAM 软件中的比例积分控制算法（Proportional Integral Differen-tial，PID）模拟动力定位的动力响应。田华勇等10采用 SESAM 中的 SIMO 模块，模拟带动力定位钻井船时域运动响应，通过动力定位系统控制参数及卡尔曼增益参数的调整，提高了动力定位系统的效能，该文详细给出了基于 SESAM 软件进行动力定位能力时域仿真分析流程，研究表明，通过动力定海洋技术学报第42卷位系统控制参数和卡尔曼增益参数调整，可以使动力定位系统发挥最大效能，该文为动力定位系统时域仿真模拟提供了有效方法。廖成毅等11总结了船舶动力定位系统的技术进展及现状，利用船舶运动测量传感器得到船舶运动状态变量，通过滤波后输入动力定位系统调整推进器的推力，目前虽然有多种滤波方法，但是成熟方法仍然是卡尔曼滤波器结合线性二次型（Linear Quadratic，LQ）的优化方法。目前，对于带动力定位深海采矿船的时域分析较少，而对于高海情下带动力定位系统的深海采矿船运动特性分析更少。本文采用 SESAM 中的 SIMO模块，考虑深海采矿船高海情下满载和压载工况，基于卡尔曼滤波器结合线性二次型 LQ 优化控制算法，针对动力定位系统进行时域仿真模拟分析，计算风浪流载荷并预报不同浪向的运动响应，实时调整各个推进器的推力大小和方向，评估带动力定位系统深海采矿船对于高海情的适应能力。1计算理论与方法1.1动力定位系统推力优化方法深海采矿船具有 DP3 级动力定位系统。推进器发出推力实时平衡和抵抗环境载荷的作用，由此在海上定位船舶位置。为了保证动力定位系统有效抵抗环境力，推进器推力方向和大小基于环境力的变化进行实时调整优化，目前推进器推力分配控制最有效方法是采用卡尔曼滤波器结合线性二次型 LQ控制理论的控制算法，通过卡尔曼滤波增益来调整船舶高频运动、低频运动和环境扰动力的状态估计变量，实现自适应控制。影响船舶位置改变的载荷主要是平均波浪漂移力、海流力及风力，因此动力定位推进器需要实时平衡这两种力。关于卡尔曼滤波器结合 LQ 的最优控制方法见文献3，10，11，这里给出简单说明。考虑船舶纵荡运动，推进器需要发出的推力如下。FLTx=G11x+G12?x（1）式中，FLTx为推进器有效推力；x和?x分别为位移和速度与实船的偏差；G11和 G12分别为控制增益矩阵的元素，控制器增益矩阵为 G（3，2），行向量分别表示纵荡、横荡和艏摇 3 个自由度，列向量分别表示刚度系数和阻尼系数。控制增益矩阵一般形式如下。G（3，2）=G11G12G21G22G31G32|（2）动力定位系统推进器推力在调整船位偏差的同时，还要抵消外部的环境载荷，所以有效推力应该满足如下条件。FTx=FLTx+FBx+FWx（3）式中，FTx为推进器输出总推力；FBx为环境扰动载荷；FWx为前馈载荷。在 SESAM 软件的 SIMO 模块中，基于卡尔曼滤波器结合 LQ 最优控制算法，对于推进器推力进行实时优化调整。实时优化推力过程中，需要选择合适的参数值进行参数整定，进行参数整定即是通过调整截断周期和船舶固有周期的取值，达到整定卡尔曼滤波增益和控制增益的目的。1.2采矿船运动控制方程考虑风浪流等复杂海洋环境条件下，带有动力定位系统的深海采矿船时域运动控制方程可以基于Cummins 方法写为下式。（M+A）X?+CdX?+t0h（t-）X?d+KX=F（t）+FD（t）（4）式中，X、X?、X?分别为采矿船六自由度运动向量、速度向量及加速度向量；M 为质量矩阵；A为频率趋近无穷大的附连水质量；Cd为线性化的阻尼矩阵；K 为回复刚度矩阵；h（）为迟滞函数矩阵，与流场自由表面记忆效应有关；F（t）为采矿船所受的环境载荷，包括一阶和二阶波浪力、海流力、风力等；FD（t）为推进器推力，通过卡尔曼滤波系统优化确定。本文采用三维势流理论计算采矿船一阶和二阶波浪力及辐射水动力系数，风力与海流力则基于中国船级社 钢制海船入级规范 中推荐的经验公式进行计算。2深海采矿船频域响应计算2.1深海采矿船参数深海采矿船的主尺度参数如表 1 所示，其中满70第1期表 1采矿船主尺度参数参数空载（LC1）满载（LC2）全长/m246.408垂线间长/m233型深/m19.5型宽/m43.8吃水/m7.85313.512排水量/t69 795.5126 687.5垂向重心高度/m16.314.5横摇惯性半径/m15.76215.164纵摇惯性半径/m61.60261.602艏摇惯性半径/m64.06664.066图 1动力定位系统推进器编号与环境载荷坐标系定义No.1No.2NO.3No.4No.5No.60180船艉船艏90yx图 2深海采矿船湿表面水动力网格载和空载纵向重心位于船中，针对采矿船满载与空载两种不同工况，计算分析动力响应。动力定位系统共由 6 个推进器构成，每个推进器可以 360回转，推进器的驱动电机额定转速为 750 r/min，推进器最高转速为 120 r/min，推进器编号及布置如图 1 所示。其中，首部推进器直径 3.6 m，有效推力 600.25 kN；尾部推进器直径 4.1 m，有效推力 943.25 kN。2.2深海采矿船计算模型采矿船遭遇高海情时，停止采矿作业，矿浆输送系统（包括输浆管、中继站及采矿车等）已经回收到采矿船上，因此，计算高海情下采矿船的运动建模只需要针对船体，矿浆输送系统仅作为船体质量的一部分。划分船体湿表面面元网格时，对于平行中体部分网格单元长度取为 3.0 m，船首尾型线变化较大区域网格进行局部加密，单元长度为 1.5 m。划分船体面元网格如图 2 所示，其中网格共 4 557 个，节点数为 4 638。基于三维势流理论计算船体的水动力载荷和线性阻尼。为了考虑流体的粘性，在计算过程施加线性阻尼矩阵模拟粘性阻尼，取临界阻尼的 7%形成线性阻尼矩阵。2.3深海采矿船幅频响应算子以 30为间隔，计算不同方向入射波幅频响应算子（Response Amplitude Operators，RAOs），这里给出 RAOs 的部分计算结果。空载工况：采矿船六自由度运动 RAOs 如图 3所示。计算结果表明，波浪入射角 0时，采矿船空载纵摇和纵荡运动幅值最大，波浪入射角 90时，垂荡、横摇和横荡运动幅值最大，入射角 120时，艏摇运动幅值最大。满载工况：采矿船六自由度运动 RAOs 如图 4所示。波浪入射角为 90时采矿船横荡运动幅值最大，艏摇运动在波浪入射角为 120时幅值最大，纵荡运动在波浪入射角为 0时幅值最大。童波，等：动力定位采矿船高海情下的运动响应分析71海洋技术学报第42卷（a）纵荡60040T/s纵荡/（m m-1）1.51.00.520（b）横荡60040T/s横荡/（m m-1）1.51.00.520（c）艏摇60040T/s艏摇/（）m-1）0.60.40.220图 3空载工况深海采矿船运动 RAOs（a）纵荡60040T/s纵荡/（m m-1）1.51.00.520（b）横荡60040T/s横荡/（m m-1）1.51.00.520（c）艏摇60040T/s艏摇/（）m-1）0.60.40.220图 4满载工况深海采矿船运动 RAOs030609012015018003060901201501803高海情深海采矿船运动响应计算3.1高海情下动力定位系统的参数整定高海情参数为：有义波高为 6.0 m，谱峰周期为 12.0 s，谱峰因子为 3.3，定常风风速为 25 m/s，均匀流流速为 1.54 m/s，取非规则波谱为 JONSWAP谱。基于高海情环境参数，进行动力定位系统参数整定，为高海情下的运动响应计算奠定基础。假定：动力定位的硬件设施不变，包括桨径和最大推力值，通过调整不同推进器的推力大小和方向，控制船舶位置稳定性。SIMO 模块中，给出了两种关于动力定位系统参数优化理论和方法，包括PID 方法及卡尔曼滤波方法10，本文通过卡尔曼滤波优化方法，分配 6 个推进器推力和调整推力方向。为了优化动力定位系统的推力参数，对于动力定位系统的参数进行整定分析。在 SIMO 模块中，输入不同的滤波器截断周期 Tc和船舶固有周期 Tn，030609012015018003060901201501800306090120150180030609012015018072第1期（a）水平位移均值16060120Tn/sDmean/m1.21.00.80.60.480100140（b）水平位移标准差16060120Tn/sDstd/m1.21.00.80.60.40.280100140（c）推力均值16060120Tn/sTmean/kN60560059580100140（d）推力标准差16060120Tn/sTstd/kN1009080706080100140图 5满载工况下动力定位系统参数整定结果进行推力和船舶在水平面内位移矢量计算。针对满载和空载，考虑尾斜浪方向，采矿船船首与波浪的最大夹角为：空载工况为 25，满载工况为 30，分别进行动力定位系统参数整定。根据 SIMO 软件，选取用于调整控制增益的船舶运动固有周期的区间为 60150s，以 10s 为间隔，共有 10 个样本；用于调整卡尔曼滤波增益的截断周期的区间为 25 50 s，以 5 s 为间隔，共有 6 个样本；截断周期与固有周期两两组合，最终共得到 10 6=60 种参数组合用于整定动力定位控制参数，本文即采用 SIMO 模块进行参数整定。满载工况下，采矿船在水平面内合成位移均值及发出最大推力随动力定位系统截断周期之间的关系曲线如图 5（a）所示。时域计算结果表明，当截断周期低于 40 s 时，无论固有周期设定为何，采矿船都将发生漂移运动，故在图 5（a）中给出截断周期大于 50 s 的统计结果。从图 5（a）和图 5（b）中可以看出，在 30浪向下，位移均值随固有周期的增加而增加；从图 5（c）和图 5（d）看出，推力均值随固有周期的增加而减小。位移均值在截断周期 45 s、固有周期 60 s 处取得最小值，推力均值在截断周期50 s、固有周期 150 s 处取得最小值。空载工况下，采矿船在水平面内的运动及发出最大推力随动力定位系统参数变化如图 6 所示。与满载工况相似，当截断周期低于 35 s 时，无论固有周期设定为何，采矿船都将发生漂移运动。但在截断周期为 35s 时，运动固有周期大于 120 s 时，采矿船可以保持定位，故在图 6 中给出截断周期为 35 s、40 s、45 s 和 50 s 的统计结果。从图 6 中可以看出，在空载工况，位移均值和最大值都在截断周期 40 s、固有周期 60 s 处取得最小值。推力均值在截断周期50 s、固有周期 150 s 处取得最小值。综上可知，各工况考虑合成位移均值最小与推力均值最小条件下，动力定位系统的参数整定结果如表 2 所示，将在下一节按照此参数进行高海情下采矿船运动响应的时域分析。基于高海情下给定的海况条件，考虑风、浪、流等环境载荷不同的入射角，预报深海采矿船的时域运动响应。3.2高海情下动力定位深海采矿船运动响应预报动力定位系统主要控制采矿船的水平面内运动，故本节主要考虑采矿船在水平面内的三自由度运动性能，即纵荡、横荡及艏摇运动。考虑 3.1 节提出的高海情条件与动力定位系统整定参数，计算船舶运动和推进器推力，计算时间长度为 3 h，为了节省文章篇幅和曲线清晰，截取 200 s 时间长度绘制船舶运动历程图。基于时间历程统计最大位移和最大推力，根据程序计算给出的标准差，最大位移为三倍标准差，来自耐波性理论；因为推力为单向的，所以最大推童波，等：动力定位采矿船高海情下的运动响应分析Tc45 sTc50 sTc45 sTc50 sTc45 sTc50 sTc45 sTc50 s73海洋技术学报第42卷（a）水平位移均值16060120Tn/sDmean/m3.02.52.01.50.080100140（b）水平位移标准差16060120Tn/sDstd/m2.52.01.51.00.580100140（c）推力均值16060120Tn/sTmean/kN60055050045040080100140（d）推力标准差16060120Tn/sTstd/kN15014013012011080100140图 6空载工况下动力定位系统参数整定结果表 2不同工况下采矿船动力定位系统整定参数结果装载状态控制条件截断周期 Tc/s固有周期 Tn/s满载位移最小4560满载推力最小50150空载位移最小4060空载推力最小50150Tc35 sTc40 sTc45 sTc50 sTc35 sTc40 sTc45 sTc50 sTc35 sTc40 sTc45 sTc50 sTc35 sTc40 sTc45 sTc50 s表 3高海情下采矿船水平面内运动装载状态控制条件纵荡/m横荡/m艏摇/（）均值标准差最大值均值标准差最大值均值标准差最大值满载位移最小0.060.613.080.120.291.28-0.030.340.89推力最小0.451.607.860.800.773.320.171.052.73空载位移最小0.660.523.730.910.704.240.080.903.13推力最小1.631.386.961.681.326.949.252.8214.28（a）纵荡T/s纵荡/m1050-5（b）横荡T/s横荡/m1050-5（c）艏摇T/s艏摇/（）201510505 0005 2005 1005 0005 2005 1005 0005 2005 100空载位移最小空载推力最小满载位移最小满载推力最小空载位移最小空载推力最小满载位移最小满载推力最小空载位移最小空载推力最小满载位移最小满载推力最小图 7采矿船水平面内运动时历曲线力需要考虑均值和标准差计算，最大推力为均值加上三倍标准差。两种装载状态下采矿船的水平面内运动统计结果如表 3 所示，运动时历曲线如图 7 所示。计算结果表明，相同海况下采矿船在空载状态下的运动响应更大。考虑平均位移最小动力定位参数条件，采矿船纵荡最大值 3.73 m，横荡最大值 4.24 m，艏摇运动最大值 3.13；当考虑推进器推力最小条件下，采矿船纵荡最大值 6.96 m，横荡最大值 6.94 m，艏摇运动最大值 14.28。按照平均推力最小条件，整定得到的各推进器推力均值如表 4 所示，结果表明，位于采矿船左舷的两只推进器 1#与 4#，在右舷侧受环境载荷时得74第1期表 4高海情下各推进器推力均值推力均值桨 1桨 2桨 3桨 4桨 5桨 6满载602.01582.81593.08156.94144.04137.67空载268.62259.50266.4285.3177.6178.78表 5高海情下推进器推力装载状态控制条件尾部推进器 1#首部推进器 4#均值标准差最大值均值标准差最大值满载位移最小582.8189.68907.91144.0449.07520.90推力最小574.6769.26815.57139.1534.85367.42空载位移最小364.46278.89958.7185.3475.42473.37推力最小259.12195.26651.9277.4763.61261.55到的推力更大，故仅统计 1#与 4#两个推进器推力，结果如表 5 所示，推力时历曲线如图 8 所示。从计算结果可以看出，满载工况下的推力均值要显著高于空载工况推进器发出的推力，但空载工况下由于船舶运动范围更大，推进器推力变化更加剧烈，体现为推进器推力的标准差增大。注意到当按照平均位移最小确定的参数进行定位作业时，满载工况和空载工况推进器推力极大值分别为 907.91 kN 与958.71 kN，个别桨的推力已经接近或大于推进器可发出的有效推力。童波，等：动力定位采矿船高海情下的运动响应分析单位：kN单位：kN（a）1#推进器推力5 000T/s推力 1#/kN1 0008006004002005 2005 0505 1005 150空载位移最小空载推力最小满载位移最小满载推力最小（b）4#推进器推力5 000T/s推力 4#/kN6005004003002001005 2005 0505 1005 150空载位移最小空载推力最小满载位移最小满载推力最小图 8推进器推力时历曲线75海洋技术学报第42卷4动力定位采矿船高海情下的适应能力考虑给定的高海情条件，搜索计算深海采矿船的时域运动响应，得到船舶运动均值、标准差及推力的均值和标准差。基于统计学方法求出最大运动值和需要的推力最大值，比较计算推力最大值和有效推力，如果计算最大推力值超出有效推力，则认为采矿船无法进行定位，由此计算得到高海情下深海采矿船可以实施定位的浪向角，分析采矿船高海情下的定位能力和对海洋环境的适应性。计算得到如图 9 和图 10 所示的结果。图 9空载不同浪向下采矿船运动轨迹图 10不同风浪入射方向下采矿船运动均值3003300306090270240210180150120空载满载50100150200YX25450.51浪向为 25和 45时，空载状态下的深海采矿船运动轨迹如图 9 所示，当风浪入射角与船首夹角较小时（25），深海采矿船可以在平衡位置附近发生小幅度的往复运动如图 9 蓝线所示，但浪向与船首夹角增大到 45时，采矿船发生了大幅的漂移运动，如图 9 红线所示，这是由于当船首与风浪夹角增大后采矿船的受环境载荷面积增大，引发动力定位系统推力不足以抵抗环境载荷，导致船体发生大幅度的漂移运动。满载和空载工况不同浪向下，采矿船计算推力小于有效推力的浪向范围如图 10 所示。从图 10 可以看出，满载工况下，动力定位系统可以抵抗尾斜浪 020及首斜浪 030方向入射的风浪；而在空载工况下，采矿船可以抵抗尾斜浪020及首斜浪 025范围内的风浪作用，采矿船保持在海上适当范围内运动。5结论综合考虑动力定位系统推力优化和海洋环境载荷，基于 SESAM 软件 SIMO 进行动力定位时域仿真，计算分析采矿船不同工况的定位能力，分析采矿船对于高海情的适应能力，主要结论如下。（1）基于卡尔曼滤波进行参数整定，综合考虑采矿船运动范围与推进器推力间的关系，可以优化动力定位系统的控制策略，用于指导动力定位系统控制参数的设定。（2）高海情下，深海采矿船满载状态可在尾斜浪 030浪向及首斜浪 020范围内实现定位；而空载状态的深海采矿船在尾斜浪 025浪向及首斜浪 020范围内实施定位，动力定位系统的有效推力满足采矿船的定位要求，可以依据本结论制订操船规程。（3）对于本文采矿船而言，风载荷对于运动影响很大。随着吃水减小，受风面积增大，随着浪向角接近 45，受风面积增大，艏摇大幅增加，因此该船空载工况位置保持能力远远小于满载工况。（4）本文分别以推力最小和位移最小条件，采用卡尔曼滤波器结合 LQ 优化控制方法，得到了推进器的优化控制方式和推力分配，为本船高海情下作业提供安全保障。76第1期Motion Response Analysis of Mining Vessel with Dynamic Positioning in HighSea ConditionsTONG Bo1,LI Yan2,3,TANG Yougang2,3,LIU Huihai2,3（1.China Offshore Engineering&Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200011,China;2.Tianjin Key Laboratory of Port and Ocean Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China;3.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China）Abstract：The motion response of deep sea mining vessel with DP is studied and its motion response behaviors are analyzed in high seacondition.For the dynamic positioning system composed of six side propellers,considering the high sea condition and two typicaloperational conditions of load full and ballast,the control parameters of the side thrust system are adjusted,the thrust force is optimized anddirection of thrust is adjusted in the real time based on the conditions of minimum thrust and minimum motion,as well as the controlalgorithm of Kalman filter and linear quadratic optimal theory is applied,the time history response of motion and thrust for mining vessel inhigh sea condition are calculated and the motion characteristics are studied.The research results show that,the wave incidence angle andthrust size that can position in high sea condition are obtained for load full and ballast of deep sea mining vessel,the adaptability of thedynamic positioning system of mining vessel is determined in high sea condition,the positioning ability of the mining vessel is evaluatedreasonably in high sea condition.Key words：deep-sea mining vessel;dynamic positioning;high sea condition;motion response童波，等：动力定位采矿船高海情下的运动响应分析参考文献：1于全虎.海洋采矿技术及采矿船舶发展综述J.北部湾大学学报，2020，35（10）：1-6.2杜新光，官良清，周伟新.深海采矿发展现状及我国深海采矿船需求分析J.海峡科学，2016，12：62-67.3何进辉，张海彬.深水钻井船动力定位能力分析方法研究J.海洋工程，2014，32（1）：25-31.4乔晓国.深水浮式结构动力定位能力动态分析D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.5童波，刘学勤，任铁.新型深海矿产开发模式的探讨J.船舶，2021，32（3）：1-7.6马亚州，扈喆，张晓莹，等.深海采矿船减摇水舱减摇效果评估J.水动力学研究与进展：A 辑，2021，36（1）：28-34.7肖丽娜.深海采矿船工况确定研究J.船舶物资与市场，2020，3：7-9，64.8何进辉，张海彬，朱仁传，等.某深海钻井船 DP3 动力定位能力分析J.船舶，2018，29（5）：11-17.9于文太，李斌，周楠，等.铺管船定点动力定位试验与数值模拟J.中国海洋平台，2020，35（6）：52-56，73.10田华勇，张海彬.深水钻井船动力定位时域仿真分析J.船舶，2014，25（3）：73-79.11廖成毅，杨颖，吉宇人.船舶动力定位控制策略研究综述J.舰船科学技术，2020，42（17）：1-5.77