动力控制定位系统在耙吸船施工中的应用研究

时间：2024-05-18

耿长兴，冀振亚，胡博

（水利部长春机械研究所，吉林长春 130012）

耙吸船是一种能边挖泥边疏通航道，将泥浆自动装载和卸放的挖泥船，一般应用于港口、航道的清淤挖深作业中。耙吸船能够高效率完成作业，而且灵活性较高。但随着人们对船舶和海洋的不断深入研究，耙吸船的疏浚功能也从港口和航道逐步深入到海洋中。过去，耙吸船的挖泥方式一般是利用多点抛锚的方法进行定位，但这种方法只适用于浅水区，随着水深的增加，多点抛锚的定位方法必然无法满足实际情况的需求。在这样的条件下，势必要开发一种新的定位方式来提升耙吸船疏浚的精度和速度，让疏浚的效益更高。

1 耙吸船施工效率影响因素

耙吸船的疏浚作业虽然是一项传统行业，但是却包含了多项学科知识，包括水利、机械、气象、水文、工程地质等。不过，对于耙吸船的疏浚作业，一直都没有一个最为合适的施工参数的理论或方法，这对疏浚的施工效率和效益产生了一定的制约。对于耙吸船的施工效率，有很多影响因素，一般认为航速、泥泵转速、高压冲水压力和波浪补偿器压力等是对施工效率影响最大的因素。可以通过一定的措施让耙吸船的施工效率得到提升。耙吸船的主要挖掘工具是耙头，其质量和效益将直接影响到施工的效率。为了提升效率，可以改进耙头，让耙头更适合疏浚作业。

2 动力定位系统的基本结构

由于耙吸船的作业范围日趋扩大，原来的耙吸船作业方式已经难以满足这种需求，因此，新的动力控制定位系统逐渐被应用于耙吸船上，能够更好地满足施工的需求。

动力控制定位系统是一种能够在外界风力、水力等干扰下，不借助锚泊，而是利用船舶自身的推力系统让船舶在水上保持一定的位置和船艏向。这一系统的工作原理是通过计算风力、水力、波浪颠簸度、风向等，利用激光定位仪、差分定位仪等仪器进行定位，调节相应的船体助推器进行速度调节和方向调节。动力控制定位系统的组成部分有位置参照系统、动力系统、计算机控制系统、推力器等，还包括颠簸度传感器、风速传感器、电罗经、差分全球定位系统、点波速单元等。动力控制定位系统能够对周围的环境进行参数采集，并根据这些参数来计算各个助推器的推力大小，保证船只可以在环境中一直维持一定的方向和位置。动力定位系统中的位置参照系统可以获得当前船舶所处的环境位置，DP传感系统能够对风、水等的速度和方向进行测定，最后进行计算，得出助推器能够维持的动力和方向。动力控制定位系统经过不断发展，已经发展了几代。

3 动力控制定位系统的具体应用

耙吸船在进行施工作业时，一般都需要在特定的区域保持静止，或者是按照预先设定的轨迹移动，这些工作在最开始是需要人力来完成的。但随着动力控制定位系统的引入，可以利用这套系统来控制耙吸船的施工作业定位。

动力定位系统在耙吸船的运用中能够提升艏吹效率，让相应的挖泥和吹岸等流程得到改善。耙吸船通过动力控制定位系统来对船身定位，让船身在施工中一直处于作业区域。作业区域都是规划好的，耙吸船自身的两个耙和高压水枪对泥沙进行冲刷并吸入泥舱。根据定位系统，耙吸船沿着已经设定好的航线来回施工。耙吸船的疏浚模式结合船舶常规设定的航行轨迹，仅仅依靠工作人员是难以精确判断施工区域和路线的，通过DP动力控制定位系统，就能够让船舶的航行路线和方位得以精确控制。在耙吸船中，设有两个差分全球定位系统，分别放在船艏和船中央，通过定位系统获取环境参数，经过中央处理器进行计算，最后反馈船舶信息到驾驶台上。动力控制定位系统能根据偏差大小对船的航行轨迹进行分区控制分析，让船舶一直处于良好的航行动态性能上，提升疏浚的效率和精度。

当耙吸船挖泥结束后，就可以根据动力控制定位系统将装满的泥沙运到自浮管快速接头位置进行接管艏吹作业。如果耙吸船仅靠自身的推力设备进行接管操作，将难以准确停靠在接管前方，很容易因为操作不当而将接管撞断。此时，可根据动力控制定位系统提前设定好运行路线和停靠位置，这样能够准确地行驶到快速接头位置前，提高了工作效率。动力控制定位系统可根据系统位置产生进行差分定位，不断对船舶的位置信息进行计算，以做到位置精准。在低速航行中，动力系统的感应器会对船身的阻力进行计算，同时还根据姿态传感器、风速传感器对风力、波浪颠簸等外界信息进行测定，最后建立模型，设定移动方向和停靠位置。

当船舶停靠在快速接头前方，即可进行接管艏吹作业。此时，船舶速度要保持为零，但由于风、水流、波浪等的干扰，耙吸船并不能依靠自身重力保持静止。而通过人工操作，船身会出现一定的偏移或抖动。而如果用动力控制定位系统，将能够很好地解决问题。动力控制定位系统可以根据位置参数进行差分定位，将船舶的信息和外界的环境参数进行处理和计算，建立船舶数学模型，对船舶的位置和艏向进行设定。如此，可根据操作系统对推理系统进行分配，将信息发送到每一个推力器上，就能够改变推力器的方向、速度等，让船舶位置得到相应的调节。艏吹作业时，动力控制定位系统将使船舶定位保持在相对静止的状态，大大降低了对管道的影响，让施工作业更为安全，工作效率也得到了提升。