船舶動力定位模擬器綜述

錢小斌，尹 勇，孫霄峰，張秀鳳

(大連海事大學(xué) 航海動態(tài)仿真和控制實驗室，遼寧 大連 116026)

船舶動力定位模擬器綜述

錢小斌，尹 勇，孫霄峰，張秀鳳

(大連海事大學(xué) 航海動態(tài)仿真和控制實驗室，遼寧 大連 116026)

動力定位模擬器是一種介于理論研究和實際應(yīng)用的閉環(huán)控制仿真系統(tǒng)，其通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬動力定位系統(tǒng)的功能和操作環(huán)境。動力定位模擬器主要用于動力定位操作員的培訓(xùn)，但國內(nèi)尚未研制出自主知識產(chǎn)權(quán)的動力定位模擬器。通過對動力定位系統(tǒng)和動力定位模擬器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了綜述，列舉了相關(guān)國際組織如英國航海學(xué)會、國際海洋工程承包商協(xié)會、挪威船級社等對DP模擬器用于培訓(xùn)和認證的具體規(guī)定，以及對DP模擬器的分類，并提出了一種動力定位模擬器的體系架構(gòu)以及我國開發(fā)DP模擬器的可行途徑。

船舶工程；動力定位模擬器；發(fā)展狀況；性能標準；系統(tǒng)組成

根據(jù)國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)和挪威船級社(Det Norske Veritas, DNV)的相關(guān)定義，動力定位(dynamic positioning, DP)系統(tǒng)是指動力定位船舶需要裝備的全部設(shè)備，包括動力系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、動力定位控制系統(tǒng)[1-2]。動力定位系統(tǒng)通過測量系統(tǒng)得到船舶當前狀態(tài)與期望狀態(tài)的偏差，從而控制系統(tǒng)再根據(jù)環(huán)境外力的影響計算出所需的推力大小，最終由推進系統(tǒng)產(chǎn)生的推力來克服風、浪、流等海洋環(huán)境的擾動，使船舶保持或到達指定位置。而船舶動力定位模擬器是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬動力定位系統(tǒng)運行的整個過程，以及系統(tǒng)的操作環(huán)境。

DP模擬器已廣泛用于動力定位操作員的培訓(xùn)與評估，以及與科研相關(guān)的理論試驗、工程開發(fā)等項目。目前國內(nèi)尚未研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、且功能完善的動力定位模擬器，主要依賴于國外進口，因此自主研發(fā)動力定位模擬器是十分必要的。筆者通過對動力定位系統(tǒng)和動力定位模擬器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了論述，列舉了相關(guān)國際組織對DP模擬器用于培訓(xùn)和認證的具體規(guī)定，以及對DP模擬器的分類，并提出了一種動力定位模擬器的體系架構(gòu)以及我國開發(fā)DP模擬器的可行途徑。

1 動力定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

動力定位系統(tǒng)最初應(yīng)用于深海油氣開采。1961年，鉆井船Cuss1配備有4個可操舵的螺旋槳，嘗試鉆第一個Moho井，保持船舶在加利福尼亞948 m水深的海面上。殼牌公司在同一年下水了鉆井船Eureka，該船擁有第一個DP模擬信號控制系統(tǒng)，是一艘真正意義上的動力定位船舶[3]。這一時期的DP系統(tǒng)也是第一代動力定位產(chǎn)品，采用經(jīng)典控制理論來設(shè)計控制器，通常采用常規(guī)的PID〔proportion(比例)、integration(積分)、differentiation(微分)〕控制規(guī)律，同時為避免響應(yīng)高頻運動，采用低通或點通濾波器剔除偏差信號中的高頻成分[4]。但濾波器的引入會導(dǎo)致誤差信號的相位滯后，從而影響信號的穩(wěn)定性。

20世紀70年代中葉，J．G．BALCHEN等[5]提出了一種以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的控制技術(shù)，即多變量的線性最優(yōu)控制和卡爾曼濾波理論相結(jié)合的動力定位控制方法，從而產(chǎn)生了第二代也是應(yīng)用比較廣泛的動力定位系統(tǒng)。隨后不少研究者對該方法進行了改進和擴展[6-11]。S．SAELID等[6]提出了使用頻率自適應(yīng)算法，以克服惡劣海況下船舶突然進入緩慢振蕩運動；P．FUNG等[7]提出了自校正卡爾曼濾波器算法，使系統(tǒng)能夠自動適應(yīng)不同的海況環(huán)境；T．I．FOSSEN[8]考慮到推進器產(chǎn)生的力和力矩的延遲問題，同時在控制器的設(shè)計過程中引入積分環(huán)節(jié)，以克服均值不為零的外界環(huán)境擾動。

2001年，Kongsberg公司將非線性模型預(yù)測控制技術(shù)成功地引入到動力定位系統(tǒng)中，可有效減少燃料消耗和溫室氣體的排放，這標志著智能控制技術(shù)開始實際應(yīng)用于動力定位系統(tǒng)中，使動力定位控制進一步向智能化的方向發(fā)展[12]。智能控制技術(shù)在動力定位系統(tǒng)的應(yīng)用研究已成為了一個研究熱點[13-18]。T．I．FOSSEN等[13]提出了非線性反饋控制器的設(shè)計方法并設(shè)計了非線性觀測器，使用矢量后推法和李亞普諾夫穩(wěn)定性理論證明了全局指數(shù)穩(wěn)定；W．J．CHANG等[16]采用非線性反饋控制器設(shè)計工具，設(shè)計了基于Takagi-Sugeno模型的非線性模糊控制器，仿真實驗驗證了所設(shè)計控制器的有效性；T．D．NGUYEN等[17]研究了從平靜到惡劣的變化海況條件下動力定位混合控制，采用多輸出PID和帶有位置和加速度測量裝置的加速反饋控制器，數(shù)值仿真和水池船模試驗表明其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的波頻濾波器和PID控制器；E．A．TANNURI等[18]設(shè)計了非線性滑膜控制器，其控制參數(shù)易于調(diào)節(jié)，且在變化的外部環(huán)境和載重條件下，其魯棒性優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制。

動力定位船舶在冰區(qū)中作業(yè)已成為一個新的研究方向。圍繞歐洲研究和發(fā)展項目“冰區(qū)動力定位”(dynamic positioning in ice, DYPIC)，?．K．KJERSTAD等[19]對一艘1∶30的北極鉆井船模在破碎浮冰環(huán)境下進行了冰載荷水池試驗，對獲得的試驗數(shù)據(jù)進行了分析。分析結(jié)果表明：船舶在低速運動時的平均冰載荷與相對碰撞角度有關(guān)，與冰塊的相對漂移速度無關(guān)；平均冰載荷的標準差與浮冰尺寸大小，密集度和厚度相關(guān)。2015年4月，裝有芬蘭Navis工程公司的動力定位系統(tǒng)和自動駕駛儀的應(yīng)急救援破冰船“Baltika”號在喀拉海進行了北極冰區(qū)搜救海試，海試結(jié)果達到了預(yù)期的性能效果[20]。

國內(nèi)自20世紀70年代開始研究動力定位技術(shù)，但大多數(shù)研究單位尚處于理論研究或試驗研究階段。哈爾濱工程大學(xué)自1983年開始研究船舶動力定位技術(shù)，并在1997年成功研制了我國第一套裝備水面的動力定位系統(tǒng)[21]。在國家和有關(guān)海洋石油公司等方面的支持下，上海交通大學(xué)進行了一系列動力定位系統(tǒng)原創(chuàng)性自主研發(fā)，目前己取得了階段性成果。2009年5月，船舶動力系統(tǒng)國家工程實驗室獲國家發(fā)展改革委批準，實驗室建成后將成為我國船舶配套系統(tǒng)第一個國家工程實驗室[22]。同年8月，由中國船舶工業(yè)集團公司708研究所首次成功設(shè)計了世界最先進的DP-3級動力定位系統(tǒng)，獲得了中國船級社和美國船級社的認可，并通過了故障模式與影響分析的全面驗證[23]。2014年10月，哈爾濱工程大學(xué)牽頭研發(fā)的“DP3動力定位系統(tǒng)研制”項目通過了工信部驗收[24]。

近年來，國內(nèi)相關(guān)研究人員不斷追蹤國際研究熱點，在理論研究中進行了不斷創(chuàng)新，使用多種控制方法設(shè)計觀測和控制器，如模糊控制[25]，后推法魯棒控制[26]、自適應(yīng)滑模無源觀測器[27]、非線性模型預(yù)測控制[28]、魯棒自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[29]等。此外，國內(nèi)對動力定位技術(shù)研究的科研單位和院校還有武漢理工大學(xué)[30]、廣東工業(yè)大學(xué)[31]、大連海事大學(xué)[32]、江蘇科技大學(xué)[33]等。

2 動力定位模擬器的研究現(xiàn)狀

動力定位模擬器是航海模擬器的一種。我國的相關(guān)單位相繼開發(fā)了多種型號的航海模擬器，這些單位可以借鑒國際DP模擬器的開發(fā)經(jīng)驗開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的DP模擬器[34-37]。

大多數(shù)動力定位廠商開發(fā)的人機交互設(shè)備含有“模擬器”的運行模式或者獨立的訓(xùn)練機，可用于操作員的試操作和培訓(xùn)，這也是動力定位模擬器的早期產(chǎn)品。隨著動力定位操作員培訓(xùn)需求的增加，國際上航海模擬器廠家如Kongsberg公司、Transas公司等相繼開發(fā)了功能相對完善的動力定位模擬器。如今，國外對動力定位模擬器的研究開發(fā)已經(jīng)較為成熟，大多以商品化為主，多用于動力定位操作員的培訓(xùn)。表1列舉了目前國外獲得DNV模擬器A級認證的動力定位模擬器[38]，其中挪威Kongsberg公司在國際動力定位模擬器市場占主要地位。

表1 國外動力定位模擬器產(chǎn)品

而國內(nèi)尚未研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的動力定位模擬器，主要依賴于國外進口。2013年，大連海事大學(xué)從芬蘭Navis工程公司進口了動力定位模擬器。2015年4月25日，由上海海事大學(xué)與英國C-MAR集團聯(lián)合舉辦的上海海事大學(xué)-動力定位中心揭牌儀式在上海海事大學(xué)港灣校區(qū)舉行。這是國內(nèi)高校首個通過英國航海學(xué)會(nautical institute, NI)的培訓(xùn)機構(gòu)資質(zhì)認證和授權(quán)的動力定位中心。

3 國際組織的相關(guān)規(guī)定及分類

由于使用DP模擬器進行培訓(xùn)具有低成本、安全和高效等優(yōu)點，DP模擬器越來越受到人們的關(guān)注。相關(guān)國際組織對DP模擬器用于培訓(xùn)和認證也制定了具體的規(guī)定，研究動力定位模擬器必須考慮這些規(guī)定和要求。

3.1 英國航海學(xué)會

英國航海學(xué)會是目前全球唯一受理頒發(fā)動力定位操作員證書的權(quán)威機構(gòu)。其發(fā)布的“動力定位操作員培訓(xùn)和認證計劃”(dynamic positioning operator’s training and certification scheme)詳細規(guī)定了DP操作員的培訓(xùn)、評估以及證書的獲取，該計劃規(guī)定的內(nèi)容是所有動力定位培訓(xùn)機構(gòu)制定培訓(xùn)課程的主要依據(jù)。該計劃的第2部分關(guān)于“動力定位離岸培訓(xùn)計劃”將“DP模擬課程”作為獲取證書的第3階段的課程，從而說明了使用DP模擬器進行培訓(xùn)是強制性的，其中關(guān)于培訓(xùn)方面的內(nèi)容規(guī)定如下[39]。

“模擬器(高級)課程主要涉及模擬的DP操作，包括錯誤、故障和失效，使參與者能夠有機會將初級課程和60d的海上DP熟悉學(xué)會的知識應(yīng)用到該階段課程中。其覆蓋下列內(nèi)容：①DP系統(tǒng)實際操作；②DP操作；③DP報警，警報和應(yīng)急程序?！?/p>

3.2 國際海洋工程承包商協(xié)會

國際海洋工程承包商協(xié)會(IMCA)是擁有300多名會員的海洋工程領(lǐng)域的國際知名組織。該組織提供在健康與安全、技術(shù)、質(zhì)量與效率、環(huán)境保護等方面建立最高的可行標準，在全球范圍內(nèi)為該行業(yè)提供培訓(xùn)、證書、競爭力及招聘等框架結(jié)構(gòu)。IMCA制定一系列與動力定位系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)標準，而其2006年制定的“動力定位關(guān)鍵人員培訓(xùn)和實踐”是動力定位模擬器性能認證標準的主要依據(jù)[40]。此外，IMCA還發(fā)布了“模擬器的使用指南”，主要描述了如何在海洋工程領(lǐng)域使用模擬器培訓(xùn)[41]。其中的第4章“海洋承包行業(yè)模擬器的使用”規(guī)定：“模擬器的使用可進行培訓(xùn)人員的可衡量評估。此外，模擬器可用于工作計劃或任務(wù)計劃的目的，包括工程開發(fā)、程序開發(fā)、技術(shù)評估、研究、以及資產(chǎn)風險評估。”

3.3 挪威船級社

國際著名船級社挪威船級社(DNV)2007年10月公布了“航海模擬器系統(tǒng)認證標準”(standard for certification No.2.14 maritime simulator systems october 2007)[42]，首次將動力定位模擬器納入其航海模擬器認證體系中。標準根據(jù)物理真實感、行為真實感、操作環(huán)境、模擬器控制設(shè)備、故障模式以及其它模擬器控制功能等6個方面將DP模擬器分為4個等級，即A級、B級、C級、S級，A級為最高級別。2011年1月DNV又對上述做了修改[43]，但內(nèi)容基本保持一致。

該“標準”將不同等級的模擬器定義如下：A級模擬器是指全功能的動力定位模擬器，在逼真和設(shè)備齊全的船舶駕駛臺環(huán)境中能夠模擬動力定位操作，包括近海設(shè)施的視景呈現(xiàn)；B級模擬器指的是多任務(wù)動力定位模擬器，在逼真和完善的裝有動力定位的駕駛臺環(huán)境下能夠模擬動力定位操作，不包括視景呈現(xiàn)；C級模擬器是有限任務(wù)動力定位模擬器，用于設(shè)備或盲的動力定位操縱和船位保持，模擬器至少包括一個動力定位控制器和監(jiān)視器；S級模擬器是特殊用途的動力定位模擬器，具有模擬特殊動力定位設(shè)備操作和/或維修，和/或明確的動力定位操作。

4 體系架構(gòu)及工作原理

4.1 系統(tǒng)組成與工作原理

動力定位模擬器系統(tǒng)由一個教練員站和若干個本船組成，各個本船可置于獨立的房間，以達到封閉的仿真環(huán)境。系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1。

教練員站主要用于控制各個本船的運行，以及教師對學(xué)員進行教學(xué)和講評，由教師機、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、本船視景監(jiān)控終端、DP機操作界面監(jiān)控終端、閉路電視視頻監(jiān)控、投影儀和打印機等組成。教師機主要用于制作、編輯各種練習(xí)，以及控制系統(tǒng)的運行；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將來自不同設(shè)備的信息按預(yù)設(shè)的協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給其它設(shè)備；視景監(jiān)控終端是給教練員/教師一個直觀顯示各個本船的三維場景；DP機操作界面監(jiān)控終端用于顯示各個本船DP機的當前界面，并能隨時操控該本船的DP系統(tǒng)。閉路電視視頻監(jiān)控用于觀察學(xué)員的操作情況和本船的運行狀況。

本船由DP機、電子海圖機、雷達模擬器、視景系統(tǒng)、報警機、望遠鏡、船用通訊設(shè)備、傳感器、儀表以及控制面板等模擬設(shè)備組成。DP機顯示船舶的運行狀態(tài)以及控制并解算船舶的位置和航向；電子海圖機顯示當前海域的地理信息和船舶周邊目標；雷達模擬器模擬船舶周邊的雷達回波圖像；視景系統(tǒng)實時顯示船舶的運動姿態(tài)和海洋環(huán)境的三維場景。各個仿真設(shè)備既相對獨立運行，又相互通信進行交換數(shù)據(jù)。

與船舶操縱模擬器相比，DP機是DP模擬器特有的設(shè)備，其本身是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，內(nèi)部原理如圖2所示。DP機將船舶位置和航向的“實際值”根據(jù)信號產(chǎn)生的原理轉(zhuǎn)化為不同傳感器數(shù)據(jù)格式的“多源值”，以用于外接設(shè)備顯示，同時將“多源值”通過數(shù)據(jù)融合處理和濾波估計，得到低頻“估算值”。控制器將“估算值”與“期望值”的偏差計算出所需的推力，通過推力分配得到各個推進器的推力。同時DP機將從教練員站接收的海洋環(huán)境參數(shù)計算出實際的環(huán)境擾動，并通過解算六自由度的船舶運動數(shù)學(xué)模型得到船位和航向的“實際值”。

因此，DP模擬器可在船舶操縱模擬器的基礎(chǔ)上增加DP系統(tǒng)單元，主要關(guān)鍵技術(shù)為六自由度的船舶運動數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)處理與濾波技術(shù)、動力定位控制算法、推力分配算法、三維視景顯示技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、DP故障與評估模型等[44- 45](圖1，圖2)。

圖1 動力定位模擬器系統(tǒng)組成Fig.1 System components of dynamic positioning simulator

圖2 動力定位仿真單元的原理Fig.2 Principle of dynamic positioning simulation unit

4.2 數(shù)學(xué)模型與控制算法

由上述原理可知，船舶動力定位模擬器是一個典型的閉環(huán)控制仿真系統(tǒng)。其閉環(huán)的特性主要體現(xiàn)在船舶運動數(shù)學(xué)模型和動力定位控制算法所形成的閉環(huán)回路，構(gòu)成了整個模擬器的核心模塊。包括視景系統(tǒng)、電子海圖系統(tǒng)、雷達以及相關(guān)的傳感器等提供實時的船舶運動姿態(tài)、推進器狀態(tài)、控制模式等工況信息。

船舶運動數(shù)學(xué)模型是在考慮仿真實時性的前提下，通過機理建模的方式模擬動力定位船舶在海上遭遇風浪流等環(huán)境擾動條件下的運動姿態(tài)，可分為分離型模型和整體型模型[46- 49]。在建立船舶運動數(shù)學(xué)模型過程中，需引入慣性坐標系和隨船運動坐標系(圖3)；式(1)為由Fossen提出的非線性六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型[50-51]。

(1)

τthr+τmoor+τrud+τwind+τwave+τice

(2)

式中：η表示船舶的縱移x、橫移y、垂蕩z、橫搖φ、縱搖θ、艏搖ψ；v表示船舶的運動速度和角速度；J表示旋轉(zhuǎn)矩陣；M表示含有附加質(zhì)量的慣性矩陣；CRB和CA分別表示剛體和附加質(zhì)量的科氏向心力矩陣；D表示阻尼矩陣；G表示由浮力和重力引起的回復(fù)力和力矩；τthr，τmoor，τrud分別表示船舶推進器、錨鏈和舵等產(chǎn)生的力和力矩；τwind，τwave，τice分別表示外界環(huán)境如風、波浪和冰等對船舶運動造成的擾動力和力矩。

動力定位控制系統(tǒng)則根據(jù)船舶的主要運動特性來控制船舶的運動?？刂葡到y(tǒng)對水面船舶的運動控制主要針對縱移、橫移和艏搖，忽略垂蕩、橫搖和縱搖，即對水平面3自由度的控制(圖3)。而由于動力定位系統(tǒng)過驅(qū)動的特點，在工程設(shè)計中采用控制器設(shè)計和推力分配算法分離的思想。目前，雖然研究人員們熱衷于研究新的控制算法，但離實際工程應(yīng)用仍有一定的距離，現(xiàn)今大多數(shù)動力定位產(chǎn)品的控制器設(shè)計仍采用PID控制或現(xiàn)代控制理論，其中非線性PID控制規(guī)律可進行如下描述[52]。

(3)

推力分配算法是將控制器所產(chǎn)生的虛擬控制力進行優(yōu)化分配，得到各個推進器的轉(zhuǎn)向α和轉(zhuǎn)速u指令，與控制力的關(guān)系為[53-54]：

τc=T(α)f=T(α)Ku

(4)

式中：f表示推進器的推力；T(α)表示推進器布置矩陣；K表示推力系數(shù)。

圖3 隨船坐標系和慣性坐標系Fig.3 Body-fixed and earth-fixed reference frames

5 結(jié) 語

隨著動力定位系統(tǒng)在我國海洋工程行業(yè)的廣泛應(yīng)用，動力定位操作員的需求也將迅速增加。作為動力定位操作員資質(zhì)培訓(xùn)和認證的必要條件，動力定位模擬器的研究也越來越受重視。目前，國內(nèi)對動力定位模擬器的研究還處于理論研究階段，主要集中在船舶運動數(shù)學(xué)模型、控制算法、三維圖形技術(shù)等方面。

筆者針對動力定位系統(tǒng)和動力定位模擬器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，列舉了相關(guān)國際組織對DP模擬器用于培訓(xùn)和認證的具體規(guī)定，以及對DP模擬器的分類，并提出了一種動力定位模擬器的體系架構(gòu)以及我國開發(fā)DP模擬器的可行途徑，并簡述了相關(guān)數(shù)學(xué)模型和控制算法。國內(nèi)相關(guān)單位可結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，并通過引進和消化吸收國外先進理論和技術(shù)，開展動力定位模擬器相關(guān)的船舶運動模型、信號模擬、數(shù)據(jù)處理和濾波、控制算法、推力分配算法、三維可視化等主要關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，自主研制出達到國際先進水平的動力定位模擬器。

[1] International Maritime Organization Maritime Safety Committee.AmendmentstotheGuidelinesforVesselwithDynamicPositioning(DP)Systems:MSC/Circ.645[S]. London: International Maritime Organization, 1994.

[2] Det Norske Veritas.RulesforClassificationofShipsNewbuildingsDynamicPositioningSystem[S]. Norway: DNV Press, 2010.

[3] 摩根M J．近海船舶的動力定位[M]．耿惠彬，譯．北京：國防工業(yè)出版社，1984：3-10. MORGAN M J.DynamicPositioningofOffshoreVessels[M]. GENG Huibin, translate. Beijing: National Defence Industry Press, 1984: 3-10.

[4] SORENSEN A J. A survey of dynamic positioning control systems[J].AnnualReviewsinControl, 2011, 35(1): 123-136.

[5] BALCHEN J G, JENSSEN N A, MATHISEN E, et al. A dynamic positioning system based on Kalman filtering and optimal control[J].ModelingIdentification&Control, 1980, 1(3): 135-163.

[6] SAELID S, JENSSEN N, BALCHEN J. Design and analysis of a dynamic positioning system based on Kalman filtering and optimal control[J].IEEETransactionsonAutomaticControl, 1983, 28(3): 331-339.

[7] FUNG P, GRIMBLE M J. Dynamic ship positioning using a self-tuning Kalman filter[J].IEEETransactiononAutomaticControl, 1983: 28(3): 339-350.

[8] FOSSEN T I.GuidanceandControlofOceanVehicles[M]. UK: John Wiley and Sons, 1994: 307-320.

[9] TANNURI E A, DONHA D C. H∞controller design for dynamic positioning of turret moored FPSO[C]// 5thIFACConferenceonManoeuvringandControlofMarineCraft. Aalborg, Denmark, 2000.

[10] PEREZ T, DONAIRE A. Constrained control design for dynamic positioning of marine vehicles with control allocation[J].Modelling,IdentificationandControl, 2009, 30(2): 57-70.

[11] FOSSEN T I, PEREZ T. Kalman filtering for positioning and heading control of ships and offshore rigs[J].IEEEControlSystems, 2009, 29(6): 32- 46.

[12] 邊信黔，付明玉，王元慧．船舶動力定位[M]．北京：科學(xué)出版社，2011：2-10． BIAN Xinqian, FU Mingyu, WANG Yuanhui.ShipDynamicPositioning[M]. Beijing: Science Press, 2011: 2-10.

[13] FOSSEN T I, GROVLEN A. Nonlinear output feedback control of dynamically positioned ships using vectorial observer backstepping[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology, 1998, 6(1): 121-128.

[14] FOSSEN T I, STRAND J P. Passive nonlinear observer design for ships using Lyapunov methods: experimental results with a supply vessel[J].Automatica, 1999, 35(1): 3-16.

[15] STRAND J P.NonlinearPositionControlSystemsDesignforMarineVessels[D]. Trondheim, Norway: Norwegian University of Science and Technology, 1999.

[16] CHANG W J, CHEN G J, YEH Y L. Fuzzy control of dynamic positioning systems for ships[J].JournalofMarineScienceandTechnology, 2002, 10(1): 47-53.

[17] NGUYEN T D, SφRENSEN A J, QUEK S T. Design of hybrid controller for dynamic positioning from calm to extreme sea conditions[J].Automatica, 2007, 43(5): 768-785.

[18] TANNURI E A, AGOSTINHO A C, MORISHITA H M, et al. Dynamic positioning systems: an experimental analysis of sliding mode control[J].ControlEngineeringPractice, 2010, 18(10): 1121-1132.

[19] KJERSTADφK, METRIKIN I, LφSET S, et al. Experimental and phenomenological investigation of dynamic positioning in managed ice[J].ColdRegionsScienceandTechnology, 2015, 111: 67-79.

[20] NAVIS Engineering.BaltikaIceTrialsMarkDPFirst[EB/OL].(2015-05-13)[2015-08-21].http://www.navisincontrol.com/baltika-ice-trials-mark- dynamic-positioning-first/.

[21] 施小成．ROV工作母船動力定位控制系統(tǒng)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2001． SHI Xiaocheng.ResearchonDynamicPositioningControlSystemforROVSupportShip[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2001.

[22] 潘戌蕙．船舶動力國家工程實驗室獲批[N]．中國船舶報，2009-05-13(001)． PAN Xuhui. National engineering laboratory for ship power was approved[N].ChinaShippingReport, 2009-05-13(001).

[23] 張銀炎，周丙輝．我國設(shè)計成功DP-3動力定位系統(tǒng)[N]．中國船舶報，2009-8-14(006)． ZHANG Yinyan, ZHOU Binghui. DP-3 dynamic positioning system designed successfully in China[N].ChinaShippingReport, 2009-08-14(006).

[24] 孫明泉，張士英．DP3船舶動力定位系統(tǒng)自主研制成功[N]．光明日報，2014-10-22(006)． SUN Mingquan, ZHANG Shiying. DP3 ship dynamic positioning system independent research and development[N].GuangmingDaily, 2014-10-22(006).

[25] 李和貴，翁正新，施頌椒．基于模糊控制的船舶動力定位系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J]．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002，23(11)：42- 44． LI Hegui, WENG Zhengxin, SHI Songjiao. Design and simulation of ship dynamic positioning systems based on fuzzy control[J].SystemsEngineeringandElectronics, 2002, 23(11): 42- 44.

[26] 朱康武，顧臨怡．作業(yè)型遙控水下運載器的多變量backstepping魯棒控制[J]．控制理論與應(yīng)用，2011，28(10)：1441-1446． ZHU Kangwu, GU Linyi. Multivariable backstepping robust control for work-class remotely operated vehicle[J].ControlTheory&Applications, 2011, 28(10): 1441-1446.

[27] 謝文博，付明玉，施小成．動力定位船舶自適應(yīng)滑模無源觀測器設(shè)計[J]．控制理論與應(yīng)用，2013，30(1)：131-136． XIE Wenbo, FU Mingyu, SHI Xiaocheng. Adaptive sliding-mode passive observer design for dynamic positioning vessel[J].ControlTheory&Applications, 2013, 30(1): 131-136.

[28] 王元慧，隋玉峰，吳靜．基于非線性模型預(yù)測的船舶動力定位控制器設(shè)計[J]．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2013，34(1)：110-115． WANG Yuanhui, SUI Yufeng, WU Jing. Marine dynamic position system based on nonlinear model predictive control[J].JournalofHarbinEngineeringUniversity, 2013, 34(1): 110-115.

[29] DU Jialu, YANG Yang, WANG Dianhui, et al. A robust adaptive neural networks controller for maritime dynamic positioning system[J].Neurocomputing, 2013, 110:128-136.

[30] 劉芙蓉．半潛船動力定位控制系統(tǒng)建模和仿真研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2011． LIU Furong.ResearchonModelingandSimulatingofDynamicPositioningControlSystemoftheSemi-SubmersibleVessel[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2011.

[31] 徐榮華．船舶動力定位系統(tǒng)建模與隨機控制研究[D]．廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011． XU Ronghua.StudyonModelingandStochasticControlofShip’sDynamicPositioningSystem[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2011.

[32] 楊揚．動力定位船舶非線性自適應(yīng)控制研究[D]．大連：大連海事大學(xué)，2013． YANG Yang.ResearchonNonlinearAdaptiveControlforDynamicPositioningShips[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2013.

[33] 袁偉，陳紅衛(wèi)，俞孟蕻．船舶動力定位系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺[J]．實驗室研究與探索，2015，34(4)：68-71． YUAN Wei, CHEN Hongwei, YU Menghong. Virtual simulation platform for ship dynamic positioning system[J].ResearchanExplorationinLaboratory, 2015, 34(4): 68-71.

[34] 賈欣樂，楊鹽生．船舶運動數(shù)學(xué)模型——機理建模與辨識建模[M]．大連：大連海事大學(xué)出版社，1999：6-7． JIA Xinle, YANG Yansheng.MathematicalModelofShipMotion:MechanismModelingandIdentificationModeling[M]. Dalian: Dalian Maritime University Press, 1999: 6-7.

[35] 金一丞，尹勇．STCW公約與航海模擬器的發(fā)展[J]．大連海事大學(xué)學(xué)報，2002，28(3)：51-55． JIN Yicheng, YIN Yong. STCW convention and the development of marine simulator[J].JournalofDalianMaritimeUniversity, 2002, 28(3): 51-55.

[36] 趙士濤．船舶系離泊操縱中纜繩作業(yè)過程的仿真[D]．大連：大連海事大學(xué)，2013． ZHAO Shitao.ResearchonSimulationofHeavingLine’sOperationWhileBerthingandUnberthing[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2013.

[37] 張克青．立體顯示設(shè)備在航海模擬器中的應(yīng)用研究[D]．大連：大連海事大學(xué)，2013． ZHANG Keqing.StudyofStereoscopicDisplayDeviceAppliedinMarineSimulator[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2013.

[38] Det Norske Veritas.SimulatorsbyTypeofCertificate[M]. Norway: DNV Press, 2014.

[39] Nautical Institute.DynamicPositioningOperator’sTrainingandCertificationScheme[M]. UK: Nautical Institute, 2014.

[40] International Marine Contractors Association.TheTrainingandExperienceofKeyDPPersonnel[M]. UK: IMCA, 2006.

[41] International Marine Contractors Association.GuidanceontheUseofSimulators[M]. Rev ed. UK: IMCA, 2012.

[42] Det Norske Veritas.StandardforCertificationNo2.14MaritimeSimulatorSystemsOctober2007[S]. Norway: DNV Press, 2007.

[43] Det Norske Veritas.StandardforCertificationNo2.14MaritimeSimulatorSystemsJanuary2011[S]. Norway: DNV Press, 2011.

[44] 任鴻翔，余曹榮．JUE-75C Inmarsat-C船站系統(tǒng)仿真與智能評估[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，35(5)：146-150． REN Hongxiang, YU Caorong. Simulation and intelligent assessment of marine JUE-75C inmarsat-C system[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2016, 35(5): 146-150.

[45] 譚家萬，袁浩．一種基于證據(jù)理論和前景理論的船舶綜合安全評估方法[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，34(5)：126-129． TAN Jiawan, YUAN Hao. Ship formal safety assessment method based on evidence theory and prospect theory[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2015, 34(5): 126-129.

[46] 賈欣樂，楊鹽生．船舶運動數(shù)學(xué)模型[M]．大連：大連海事大學(xué)出版社，1999：49-207． JIA Xinle, YANG Yansheng.MathematicalModelofShipMotion[M]. Dalian: Dalian Maritime University, 1999: 49-207.

[47] 張秀鳳，尹勇，金一丞．規(guī)則波中船舶運動六自由度數(shù)學(xué)模型[J]．交通運輸工程學(xué)報，2007，7(3)：40- 43． ZHANG Xiufeng, YIN Yong, JIN Yicheng. Ship motion mathematical model with six degrees of freedom in regular wave[J].JournalofTrafficandTransportationEngineering, 2007, 7(3): 40- 43.

[48] ABKOWITZ M A. Measurement of hydrodynamic characteristics from ship manoeuvring trails by system identification[J].Maneuverability, 1980(10): 27-30.

[49] 浜本剛實．MMG報告-Ⅱ 操縦性數(shù)學(xué)モデルの理論背景[J]．日本造船學(xué)會誌, 1977(577)：192-198． HAMAMOTO Takami. Theoretical background of the mathematical model and control MMG report II[J].JournalofJapaneseSocietyofShipbuilding, 1977(577): 192-198.

[50] PEREZ T, FOSSEN T I. Kinematic models for manoeuvring and seakeeping of marine vessels[J].ModelingIdentification&Control, 2007, 28(1): 19-30.

[51] FOSSEN T I.HandbookofMarineCraftHydrodynamicsandMotionControl[M]. Hoboken, State of New Jersey: A John Wiley & Sons, Ltd. Publication, 2011: 109-132.

[52] SKJETNE R.TheManeuveringProblem[D]. Norwegian: Norwegian University of Science and Technology, 2005: 143-151.

[53] RUTH E, SMOGELIφN, PEREZ T, et al. Antispin thrust allocation for marine vessels[J].IEEETransactiononControlSystemsTechnology, 2009, 17(6): 1257-1269.

[54] PEREZ T, DONAIRE A. Constrained control design for dynamic positioning of marine vehicles with control allocation[J].ModellingIdentificationandControl, 2009, 30(2): 57-70.

(責任編輯 劉 韜)

Overview of Ship Dynamic Positioning Simulator

QIAN Xiaobin, YIN Yong, SUN Xiaofeng, ZHANG Xiufeng

(Key Laboratory of Maritime Simulation and Control, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, P.R.China)

Dynamic Positioning simulator is a closed-loop control simulation system between theoretical research and practical application, which simulates the function and operating environment of dynamic positioning system by Virtual Reality technology. DP simulator is mainly used for the training of dynamic positioning operator and there is no domestic DP simulator with independent intellectual property rights. The components and working principle of DP simulator is analyzed herein and the key technologies of DP simulator are summarized. The development history of DP system and DP simulator are reviewed. The specific provisions are introduced regarding DP simulator operator training and certification carried out by the relevant international organizations such as NI, IMCA, and DNV and DP classifications are presented. Finally the system framework of one type of DP simulatior is presented and together with the feasibility of domestic DP simulators development are explored.

ship engineering; dynamic positioning simulator; development; performance standards; system components

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.19

2015-08-22；

2016-01-14

國家“863”課題項目(2015AQA016404)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(313204330)；海洋公益性行業(yè)科研專項基金項目(201505017-4)

錢小斌(1989—)，男，浙江紹興人，博士研究生，主要從事交通信息工程與控制、航海仿真、虛擬技術(shù)方面的研究。E-mail：qianxiaobin0617@126.com。

U666.158

A

1674-0696(2017)02- 108- 07