半潜平台动力定位系统的评估及优化研究
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摘要
由于对深水海洋资源的探索需求不断增加,传统的多点锚泊定位已经不能满足深海海域的定位作业要求。而应用于半潜平台等海洋设备的动力定位系统则较好的适应了深海定位作业的要求,解决了传统锚泊定位所面临的在经济成本、安装技术、作业水深等方面的一系列难题,而且具有定位精度高、响应速度快、结构安全、机动性强等优点。
动力定位系统通过位置信息系统检测当前船位相对于参考点的偏差,采集环境参数,计算使船舶恢复到设定位置所需要的推力,并对推力系统的推力器进行推力分配,确定各推力器的推进方向、大小,从而使船舶保持在设定的艏向和位置上。推力系统推力器输出的推力大小和输出功率的分配、总能量的消耗、推力器个数的选择以及位置的布置是一个优化计算的过程。
本文主要综述了国内外动力定位系统及推力系统推力分配优化算法的研究进展及发展现状,讨论了动力定位系统选用的推力器形式、推力器的一些基本性能参数,以及推力器和船体、推力器之间等方面的水动力干扰,并给出了推力减额系数的计算方法和推力减额的几种处理方案,通过对比得出了最优的处理方法。
本文根据一具体的半潜平台在一定海域中受到的风、浪、流环境荷载的估算结果,利用非线性规划方法并应用MATLAB优化工具箱编程对推力器推力进行优化分配计算,并以推力系统抵抗外荷载能力为标准计算了半潜平台动力定位系统的定位能力评估曲线。综合考虑到失效模式及动力定位系统操纵性、安全性、经济性及响应速度等方面的因素,对设计方案进行了分析比选和评价,通过计算对比,最终确定最合理的推力减额处理方案及推力器最优布置形式和推力器推力、功率的分配结果。
Because of the increasing demand of deep-water exploration of marine resources, the traditional multi-point mooring location can no longer meet the operational requirements of the positioning of deep-sea waters. The dynamic positioning system used in marine equipment is well adapted to the requirements of deep-sea operation targeting. It solves the problems of traditional anchor position about the economic cost, technology of installation, Operating water depth, etc, and it also has high positioning accuracy and fast response, structural safety, strong mobility and so on.
Dynamic positioning system, through the current ship position measuring system detects the phase deviation for the reference point, collecting environmental parameters to calculate the ship back to the reference position required for thrust. To allot the thrust of the thruster system, and to determine the direction of the propulsion thrusters, pitch and speed, so that the ship or platform can keep the bow in setting the direction and position. The thrust output of the thrust system and distribution of power, the total energy consumption, the choice of the number of thrusters and the position of the layout is an optimized calculation process.
In this article, we summarized the research and development status of the dynamic positioning system and the optimization algorithmthe method of the thrust allocation at home and abroad .Discussed the form of thrusters of the dynamic positioning system and some basic performance parameters, as well as the hydrodynamic interference of the thrusters and hull, thrusters and thrusters and also the calculation methods of the thrust attenuation coefficient.
According to the estimated results of the environmental loads of the semi-submersible platform in the sea under certain wind, wave and tidal current, we use non-linear programming method with the optimization toolbox of MATLAB to optimize the thrust of the thruster allocation calculations and calculated the dynamic positioning capability curve with examples.Taking into account the failure modes and dynamic positioning system control, security, economy, and the response time and other factors, we take an analysis of the design and determined the best optimization of the program.
动力定位系统通过位置信息系统检测当前船位相对于参考点的偏差,采集环境参数,计算使船舶恢复到设定位置所需要的推力,并对推力系统的推力器进行推力分配,确定各推力器的推进方向、大小,从而使船舶保持在设定的艏向和位置上。推力系统推力器输出的推力大小和输出功率的分配、总能量的消耗、推力器个数的选择以及位置的布置是一个优化计算的过程。
本文主要综述了国内外动力定位系统及推力系统推力分配优化算法的研究进展及发展现状,讨论了动力定位系统选用的推力器形式、推力器的一些基本性能参数,以及推力器和船体、推力器之间等方面的水动力干扰,并给出了推力减额系数的计算方法和推力减额的几种处理方案,通过对比得出了最优的处理方法。
本文根据一具体的半潜平台在一定海域中受到的风、浪、流环境荷载的估算结果,利用非线性规划方法并应用MATLAB优化工具箱编程对推力器推力进行优化分配计算,并以推力系统抵抗外荷载能力为标准计算了半潜平台动力定位系统的定位能力评估曲线。综合考虑到失效模式及动力定位系统操纵性、安全性、经济性及响应速度等方面的因素,对设计方案进行了分析比选和评价,通过计算对比,最终确定最合理的推力减额处理方案及推力器最优布置形式和推力器推力、功率的分配结果。
Because of the increasing demand of deep-water exploration of marine resources, the traditional multi-point mooring location can no longer meet the operational requirements of the positioning of deep-sea waters. The dynamic positioning system used in marine equipment is well adapted to the requirements of deep-sea operation targeting. It solves the problems of traditional anchor position about the economic cost, technology of installation, Operating water depth, etc, and it also has high positioning accuracy and fast response, structural safety, strong mobility and so on.
Dynamic positioning system, through the current ship position measuring system detects the phase deviation for the reference point, collecting environmental parameters to calculate the ship back to the reference position required for thrust. To allot the thrust of the thruster system, and to determine the direction of the propulsion thrusters, pitch and speed, so that the ship or platform can keep the bow in setting the direction and position. The thrust output of the thrust system and distribution of power, the total energy consumption, the choice of the number of thrusters and the position of the layout is an optimized calculation process.
In this article, we summarized the research and development status of the dynamic positioning system and the optimization algorithmthe method of the thrust allocation at home and abroad .Discussed the form of thrusters of the dynamic positioning system and some basic performance parameters, as well as the hydrodynamic interference of the thrusters and hull, thrusters and thrusters and also the calculation methods of the thrust attenuation coefficient.
According to the estimated results of the environmental loads of the semi-submersible platform in the sea under certain wind, wave and tidal current, we use non-linear programming method with the optimization toolbox of MATLAB to optimize the thrust of the thruster allocation calculations and calculated the dynamic positioning capability curve with examples.Taking into account the failure modes and dynamic positioning system control, security, economy, and the response time and other factors, we take an analysis of the design and determined the best optimization of the program.
引文
[1]赵志高,杨建民,王磊等.动力定位的发展状况与研究方法[J].海洋工程,2002,20:91-97页
[2]周利,王磊,陈恒.动力定位控制系统研究.上海交通大学.200030
[3]季春群.动力定位系统的控制方程及模型实验[J].海洋工程,1999,17:27-32页
[4]李文魁,陈永冰,田蔚风,蒋志营.现代船舶动力定位系统设计.上海交通大学.200240
[5]付明玉,丁福光等.船舶动力定位系统滤波器的设计与研究[J].船舶工程,1996,43-49页
[6]王晓声.船舶动力定位系统设计及实验研究[J]
[7]何崇德.“大洋一号”科学考察船动力定位系统的设计[J].船舶工程,2004,26:24-28页
[8]王世怀,徐亦方,沈复.简约Hesse序列二次规划方法研究进展.石油大学.100083
[9]施亿生.船舶动力定位系统.上海交通大学
[10]黎南,刘晓冰.高性能船舶动力定位系统技术分析[J].热能动力工程,200520:539-541页
[11]王宗义,肖坤,庞永杰.船舶动力定位的数学模型和滤波方法[J].哈尔滨工程大学学报,2002,23:24-28页
[12]李铁术.水下航行器动力定位技术研究.硕士学位论文.西北工业大学.2007
[13] O.M.Faltinsen.船舶与海洋工程环境荷载.上海交通大学出版社,2008
[14]陈恒.王磊.深水平台二阶波浪力的研究综述.上海交通大学.200030
[15]张忠桢.二次规划——非线性规划的算法.武汉:武汉大学出版社,2006
[16]德人.非线性方程组解法与最优化方法.北京:人民教育出版社,1980
[17]聂武,刘玉秋.海洋工程结构动力分析.哈尔滨工程大学出版社.2002
[18]王先福,杨建民,王磊.海上浮体动力定位外力计算. [J]
[19]国勇等.最优控制理论及参数优化.北京:国防工业出版社,2006
[20]程俊勇,杨建民.模型动力定位系统的研究.中国学位论文全文数据库,2002
[21]黄金锋.1000米采矿船动力定位的推力系统研究硕士学位论文武汉武汉理工大学.2004
[22]张威.深海半潜式钻井平台水动力性能分析.硕士学位论文.上海交通大学,2004
[23]吴显法.DP半潜式平台的推力系统设计.硕士学位论文.大连理工大学.2006
[24]陈恒.深海半潜式平台动力定位推力系统设计研究.硕士学位论文.上海交通大学.2008
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[26]何崇德.船舶动力定位系统的应用与实践[J].武汉船舶设计研究所
[27]张峥.某型救生船的流体动力性能和动力定位能力评估[J].708研究所.200011
[28]黄胜,邵雪明.全方位推进器水动力性能理论预报.哈尔滨工程大学
[29]沈泓萃,杨仁友,姚惠之.船体与组合推进器系统推力减额特性设计主参数和优化策略研究.中国船舶科学研究中心.214082
[30]李国定,古文贤.螺旋桨推力减额分数t值的研究
[31]时军.海洋平台上的风荷载计算研究.硕士学位论文.大连理工大学.2008
[32]沐建飞.潘斌.海洋平台风荷载的分析与计算.上海交通大学
[33]戴仰山,沈进威,宋竟正.船舶波浪荷载.国防工业出版社
[34]文圣常,余宙文.海浪理论与计算原理[M].北京:科学出版社,1984.161-204页
[35]陶建华.水波的数值模拟.天津大学出版社
[36]孙武.动力定位系统规范介绍.中国船级社上海规范研究所
[37]程俊勇,杨建民,肖龙飞,等.动力定位系统的推力系统设计.海洋工程,2002
[38]张文霞.船舶动力定位系统控位能力计算算法研究与实现.硕士学位论文.哈尔滨工程大学.2008
[39]任玉杰.数值分析及其MATLAB实现.高等教育出版社
[40]徐筱欣.船舶动力系统.上海交通大学出版社
[41]韩继文.李润培.海上钻井平台的外荷载计算方法.上海交通大学
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[43]王涛,尹宝树,陈兆林.海洋工程.山东教育出版社.2004
[44] Sv.Aa.哈瓦尔特.船舶阻力与推进.大连理工大学出版社,1989.3第一版
[45] DP Pipelaying Dynamic Positioning Conference October 13-14,1998
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[47] H.Marou.The drift of a body floating on wave,Joumalofshireserach.1960
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[50] WICHERS J,BULTEMA S,MATrEN R.Hydroynamic research on and optimizing dynamic positioning system of a deep water drilling vessel[G]//Offshore Technology Conference 8854,1998
[51] BERGE S P,FOSSEN T I,Robust control allocation of overactuated ships:experiments with a model ship[G]//Proc.of the 4th IFAC Co nference on Maneuvering and Control of Marine Craft,1997,166-171.
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