海洋论坛▏船舶系泊动力定位控制技术综述

2025-05-08 14:30:56

船舶系泊动力定位系统控制策略的研究主要集中于如何在保证系泊缆绳安全的前提下,尽可能多地利用系泊系统的定位能力,避免对推进器的过度消耗。其未来的发展趋势会依据其工程应用场景的横向(即极限海况海域、冰区和极地等)和纵向(即深水和超深水应用)拓宽而向着更高的控制要求(抗干扰能力、响应速度、控制精度等)迈进。

⒈极区环境下的系泊动力定位控制策略展望

北极地区蕴含着丰富的油气资源,随着气候变暖的影响,对极区的资源探索与开发也变成了可能。我国作为“近北极国家”,积极参与北极航道的开发利用,有利于世界经济的发展和国家的进步。此外,我国渤海区域在冬季也存在海冰的情况,因此,对存在冰载荷干扰的极区环境下的系泊动力定位控制研究具有重要意义。

由于极区环境与普通海洋环境的最大区别在于冰载荷的存在,因此对于极区环境下的系泊动力定位研究大都集中在对于冰载荷的处理上。目前,国外已有学者通过设计冰观测系统、图像处理以及危险评估等手段观测、估计冰载荷的值,并通过基于来冰方向的艏向控制以及加速度前馈补偿等手段在控制器设计阶段对冰载荷干扰进行补偿。而国内学者也通过有限元法、离散元法和实验法等对冰载荷与浮式结构和锚泊系统之间的作用关系进行了研究。

但是,上述研究多为冰载荷对浮式结构及锚泊系统能力的影响,很少有针对系泊动力定位控制系统的影响。因此,冰载荷对浮式结构定位控制能力的影响有待于进一步研究。此外,由于极区船舶工作时大都需要配备破冰船为其营造碎冰环境,增大了工作成本。为提高极区资源探索及开采的经济性,需研究抗冰能力和应急能力强的系泊动力定位控制系统,并提升冰观测系统的精度,准确判断冰载荷大小,使船舶在正常工作时可抵御较强的冰载荷冲击,在遇到无法正常工作的紧急情况下,可启动应急脱离系统,快速离开危险区域,从而提高船舶作业的定位精度及安全可靠性。

⒉复杂海况下的系泊动力定位控制策略展望

海洋环境复杂多变,一些特殊海域或极限天气下,存在变化速度快、幅值大的风、浪、流等环境干扰,这都是船舶在执行工作任务时不可避免会遇到的情况。为实现船舶在复杂海况下的安全正常工作,一方面应从对环境干扰的观测估计入手,为后续控制设计提供精确的环境干扰信息;另一方面应从控制器设计入手,在允许工况内设计抗干扰能力强的系泊动力定位控制器,在超过阈值范围状况下及时切换控制策略,快速远离危险区域,规避风险。

目前,对于环境干扰的观测估计方法研究主要有高增益观测器、模糊估计系统以及神经网络估计系统等。但是,由于上述提到的估计方法有些需要精确的数学模型作为先验知识,有些需要大量数据进行系统训练,实时性较差。因此,对于环境干扰估计和观测的研究应向着不依靠船舶模型,提高观测实时性和精确性的方向发展。

而针对复杂环境下的控制器设计方案,目前已有很多研究提出了鲁棒性强的控制算法,如:滑模控制、自适应控制和H∞控制等。但为了应对变化快速且幅值较大的海洋干扰时,应进一步考虑控制器的抗干扰性能、控制精度以及执行机构的饱和等问题。所以,在设计复杂海况下的系泊动力定位控制系统时,要全面考虑上述提到的因素。此外,为了保障各种海况下船舶作业的经济性及安全性,还应进一步发展切换控制策略,在平静和中等海况下,提高船舶作业经济性,减少能源消耗;在恶劣环境下,保证船舶作业安全,并在超过安全阈值后,可以快速进行系泊系统解脱,撤离危险区域,保证全海域全海况下的船舶安全作业。

⒊系泊动力定位远程操控无人控制策略展望

随着科学技术及智能控制的发展进步,针对一些较为恶劣、不适宜人类生存的海洋环境中的船舶作业问题,发展出远程操控的无人系泊动力定位控制技术。针对其中出现的一些问题,如:通信时延、远程操控精度低以及系统自主智能决策等,国内外的研究学者先后提出了神经网络控制、智能路径规划算法、系统强化学习智能决策系统等方法。但是,目前只有少部分研究将系泊动力定位系统与无人远程控制结合应用于工程实际,如:无人水下发射平台、浮式平台远程安全评估以及海底发电系留平台等。

这是由于远程操纵及无人控制技术大都应用于较恶劣或复杂环境干扰下,对控制系统实时性、灵活性及控制精度有较高要求,也对其工程应用存在一些阻碍。为了进一步提升远程操控或无人控制系统性能,应注重缩短通信及控制时延,提升控制系统反应速度;对智能控制算法而言,应注重提升其计算速度,保证系统实时性的同时,还应提供在线学习功能,可及时处理新的、特殊的环境干扰。

⒋复杂工程应用中的控制策略展望

随着对海洋的进一步探索与开发,系泊动力定位系统的应用也越发多样化,面向不同的工程应用和场景,其控制目标也各有侧重。

⑴容错控制

船舶在作业中会遇到较为常见的如系泊缆绳断裂、传感器故障或推进器故障等问题,在这种情况下如何利用本身的控制系统自动补偿故障造成的影响,从而确保系统的稳定性和期望性能是首要任务。目前较为常见的故障处理手段是容错控制,它又可以分为被动容错、主动容错和鲁棒容错控制。但是上述控制方案对系统软件及硬件有冗余的要求,一定程度上制约了容错控制的系统设计。因此,如何在船舶现有的软件、硬件架构的基础上识别、解决故障有待进一步研究。

⑵多船协同动力定位

一些海上作业任务如:深水水下管道铺设、海上结构拆卸安装、海上船舶补给等,通常需要多艘船协同配合完成,有时还需应用多艘船连接非机动结构从而控制其运动。因此多船之间的连接关系及协同控制问题也是新的研究热点。已有一些控制方案:多船的协同控制、基于共识的控制律设计以及多船分布式模型预测控制等。但是这些控制方案大都精简了拖船与拖缆模型,固定了连接点的位置,并且一部分忽略了外界环境干扰。因此,对于多船动力定位,如何合理选择多船分布模式,建立精确连接模型以及考虑外界干扰下的多船协调控制都是有待进一步研究的热点问题。

⑶避碰问题

由于一些大型海上浮式机构通常系泊在同一海域进行长期作业,需要配备其他功能的船舶承担其补给、维护等工作,而这些船只的往来会对系泊结构的运动和作业产生一定干扰,同时也要注意与往来船只之间的避让。而对于船舶系泊动力定位控制的研究中,鲜少有研究会考虑过往船只对船舶运动产生的干扰以及研究系泊船舶与船只之间的避碰问题。因此,针对长期海上系泊浮式结构来说,系泊船舶与过往船只之间的相互干扰以及避碰问题是普遍存在还未被研究的具有现实意义的研究方向。

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