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中国成功研发DP3船舶动力定位系统 打破国外垄断

漫步在哈尔滨工程大学校园,飞檐碧瓦的教学楼用刚毅的线条书写着这所大学的自传,散发着大气磅礴的气质和与众不同的魅力。这里曾经诞生了诸多的“共和国第一”。前不久,国家高技术船舶科研专项“DP3动力定位系统研制”项目在这里通过工信部验收。这意味着“定船神针”——中国最高级别的DP3船舶动力定位系统的诞生为“共和国第一”再添新丁。

《西游记》里的“定海神针”,可以神奇地一“针”定海。在现实世界,探索茫茫海洋,如何实现一“针”定船,使海上作业稳定可靠?随着我国海洋事业的发展,深海钻井平台、海底管线和电缆铺设、起重船、海上打捞救生等海上作业,对可靠性要求越来越高,怎样把海洋平台稳定精确地控制在作业点上?国家对于拥有完全自主知识产权的“定船神针”——最高级别船舶动力定位系统DP3的需求日益迫切。DP是动态位置保持系统(Dynamic Positioning System)的简称,根据定位需求与效果的不同,可分为DP1、DP2、DP3三个级别,DP3级是国际海事组织的最高动力定位级别,其精度最准,抗风险能力最强,效果最好。

在今年7月底举行的项目验收会上,中国工程院多位院士及专家认为,这套系统在我国最高级别船舶动力定位系统领域取得重大工程化突破,打破国外垄断,填补了国内船舶动力定位系统领域空白,实现了“零的突破”。

专家组的评价让参研人员、哈尔滨工程大学教授边信黔团队备感欣慰,那种成就感和快乐,就像生养了一个孩子,看着他学会爬、会走路、会奔跑、并有一天成为对社会有用的人,那种成就感,不经历孩子成长的喜悦,别人可会明白?

在30多年的研究中,边信黔团队和这个项目一同成长。“千磨万击还坚劲,任尔东西南北风”这既是对研发对象特征的形象描述,也是这个团队执着坚定的写照。这支科研团队来自“海洋装置与控制技术研究所”。1982年,研究所成立时,哈尔滨工程大学自动化学院教授、控制理论与控制工程学科带头人、博士生导师边信黔给它起了个英姿飒爽的名字———北飒,既是“Best Sea Assembly Institude(BSA)”“最好的海洋装备研究所”的英文音译,又有“在北国英姿飒爽”的意译。

1983年,团队在国内率先着手研发船舶动力定位技术,首次在国内建立起风浪流作用下、船舶在动力定位状态下的运动数学模型等关键问题,掌握了动力定位技术基本原理,成为国内首家具备生产一级(DP1)动力定位系统产品的研发基地,为我国在船舶动力定位技术研究领域的发展奠定了坚实基础。

 30余年过去了,团队坚定于自己的研究方向,一直从事海洋运载器的控制理论和工程应用研究,即使在上个世纪80年代,科研项目较少时,也耐得住寂寞,坐住了冷板凳。多年后,在这厚厚的积淀上孕育出创新的果实,也就变得理所当然。如今,哈尔滨工程大学在动力定位系统领域已成为我国海军和海洋工程领域无可替代的重要的技术依托力量。

“定船神针”精确定位

动力定位系统的原理是应用计算机对采集来的风、浪、流等环境参数,根据位置参照系统提供的位置自动进行计算,控制各个推力器的推力大小,使船舶保持艏向和船位的“雷打不动”。

这套复杂的综合控制系统包括控制系统、推进器系统、动力系统、测量系统四大部分。其中,控制系统居于核心地位,相当于整个系统的“大脑”,这也是哈工程大学主攻的对象。

2013年8月2日,这套系统在南海海试中国船级社验船师检验时,正赶上台风“海燕”过境的第二天。海面上浪疾风高、波涛汹涌。在风速6—9级、海流大于1节的海况条件下,试验结果表明,系统实现了船舶高精度和高可靠的定位,达到国际同类产品的先进水平。过后,看到其他参试人员照的“海燕”引起的海况照片,海上试验负责人夏国清教授才发现自己对刚刚距试验船几海里之外的通天接海的龙卷风竟浑然不觉。系统的高稳定性和高可靠性可见一斑。

“协同创新”合力制胜

集结“国家队”科研力量协同创新,是当前科技创新制胜的一大法宝。哈尔滨工程大学自2010年起牵头承担的这个项目是海洋工程研发领域协同创新的成功典范。

该项目以自主研制DP3级最高级别的动力定位控制系统工程样机为核心目标,在控制系统、推进系统等方面取得重大突破,掌握了该系统的设计、工程样机研制、集成和海上试验技术,开发出具有自主知识产权的DP3控制系统工程样机。这是哈尔滨工程大学作为总体设计、技术主体和系统集成的牵头单位,海洋石油工程股份公司作为海上实船试验的责任单位,中国船舶工业集团第708研究所作为试验船设计单位,武汉船用机械有限公司作为大功率全回转推进器研制单位,中国船级社作为认证机构,组成“国家队”开展研制工作,历时4年协同创新取得的重大成果。

“高端装备的国产化研发,必须组织优势互补的国家队开展协同创新来实现。”该项目总指挥、哈尔滨工程大学副校长夏桂华教授说:“没有项目成员长期合作基础和联合推动,这个制约我国高端海工装备的瓶颈技术很难突破;没有协同企业的重视和支持,专用试验船舶等研制条件很难到位;没有深海工程与高技术船舶协同创新中心联通创新链条,这项技术将长期处于实验室样机阶段,无法向产业化迈进。”

收获多项“零的突破”

项目负责人边信黔教授与团队成员一起为这个集体营造出一种文化,将其凝炼成“敢想、敢为、敢赢,求真、求实、求严”的“十二字箴言”。这种求真求实求创新的精神,使涉及众多学科,技术复杂、难度高的“DP3动力定位系统”取得了多项关键性技术突破。

——国内首套满足国际海事组织对三级动力定位设备配置和功能要求的DP3控制系统工程样机,获中国船级社颁发的“船用产品证书”和系泊、航行及故障模式与影响分析试验的“检验证明”,在国内实现了零的突破,填补了国内空白。

——在国内首次提出三级动力定位冗余功能所需的同步表决、仲裁逻辑、无缝切换等方法,研制出DP3系统的仲裁单元和冗余控制器,实船故障模式与影响分析试验证明了系统出现故障时,可实现三冗余、双冗余、单模之间的自动切换,可满足海洋工程作业极高可靠性要求。

——在国内首次提出多传感器时空信息融合算法,基于状态自适应估计器的非线性模型预测动力定位控制算法,基于监督和切换的推力分配优化算法,开发了相应的实船应用软件。实船试验证明,该DP3系统实现了高精度和高可靠定位功能。

此外,该系统还提出了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的最优状态估计方法、设计制造调距型大功率全回转舵桨、DP3级动力定位系统实船区域控位技术、陆基模拟船舶海上六自由度运动特性的DP3系统调试新方法、大功率高精度等高锥齿轮传动机构的国产化设计与研制、大型全回转舵桨装置水下维护与健康状态实时监测等十余项填补国内空白的关键技术和方法。

据资料估算,我国每年潜在的动力定位系统船达几十艘,市场潜力巨大。此前,国内工程作业船舶仅DP1级动力定位系统可以实现国产化,DP2、DP3级动力定位系统产品则主要被国外品牌所垄断。专家认为,DP3船舶动力定位系统是我国走向深海不可或缺的核心关键装备,为我国在该领域的国产化和产业化打下了坚实的技术基础,也将为我国海洋工程向深海进军提供坚实的技术保障。

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