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[摘 要]动力定位系统（DP）广泛应用于海洋工程中，与此相对应的DP操作人员的需求不断增强，对近海工程船舶的安全航行研究也需加强。本文初步探讨动力定位模拟器在DP操作员培训和DP船舶的安全航行评估中的应用。
[关键词]动力定位 海洋工程 航海模拟器
中图分类号：U664.82 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）34-0152-02
前沿
探索海洋、开发海洋、利用海洋、保护海洋，是当前全球发展的新热点和竞争的新舞台。当前，我国也在大力发展海洋产业，特别是船舶工业和深海油气开采事业。但在海洋工程船舶或平台的装备、技术水平和操纵人员水平等方面仍存在差距，以及对其安全航行或操作的评估研究也需进一步提高。
1 动力定位系统简介
动力定位系统（DP）于上世纪 70年代后期由美国海军研制成功， 起初主要应用于潜水艇支持船、军用海底电缆铺设等作业。从上世纪 80年代初开始， 随着北海油田、墨西哥湾油田的大规模开发， 动力定位系统被广泛应用于油田守护、平台避碰、水下工程施工、海底管线检修、水下机器人 （ROV）跟踪等作业。尤其是90年代以来， 随着海上勘探开发逐步向深水（500m～ 1500m）和超深水 （1500m以上）发展，几乎所有的深水钻井船、油田守护船都装备了动力定位系统。
动力定位可以定义为：此系统通过专用的、灵活的推力自动控制船舶，使其保持自身的位置和航向。该系统不仅能精确、灵活地使船舶保持或离开当前位置，还可以克服水深或水下设备的限制。根据不同配置， 动力定位系统可分为 3级。中国船级社 （CCS）的 DP船级符号为 DP- 1， DP- 2和DP- 3。
从DP结构图（如图1）可以看出DP系统较复杂，主要包括三个系统：动力系统、推进系统和DP控制系统。
动力系统是给整个动力定位系统提供电力的。一般的船舶电站可兼作动力系统，但应满足一些特殊要求。推力器系统是动力定位系统执行部分，常用电动机或柴油机驱动的推进器。
主推进装置（包括其舵系统）可兼作动力定位系统的推力器，在船舶进入动力定位运作模式时，由动力定位系统的控制器进行控制。为提高定位能力，主推进装置可设计为全回转推进器，例如 Z 型推进、SSP推进等。 一般各推力器的工作组合应产生横向、纵向推力及回转力矩。
动力定位控制系统包括控制器和测量系统。 控制器为动力定位系统总的控制部分，一般采用计算机控制的方法。 测量系统包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等，测量船舶的船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、風力、流速等环境条件，通过接口输入到控制器中。 控制器根据人工输入的船位和艏向，对测量系统提供的数据进行分析和运算，给出推力器的控制指令。
动力定位控制系统执行的功能为：
* 给出推力器的控制指令；
* 测量船舶的船位、艏向等船舶状态；
* 测量风向、风力等环境条件；
* 接收各种操纵指令的人工输入；
* 动力定位系统的故障检测及报警；
* 动力定位系统工作状态的显示
2 动力定位模拟器的应用
DP模拟器是 DP 操作员培训的主要设备，船型和视景与实船和实际交通环境分别具备高度相似性，芬兰Navis、挪威的Kongsbergmaritime 都已经研制出船舶动力定位模拟器。DP模拟器设备由仿真器和传感器两大部分组成。仿真器部分由 DP 操作员站（主从各一台）、导师工作站、三维可视显示设备、以太网交换机、视频分配器、报警答应机和多个船舶模型组成。传感器部分包括差分 GPS、电罗经、风速风向仪等。 目前国内DP模拟器主要依靠进口。
2.1 DP操作员培训
DP操作员在DP系统中担任重要角色，其不仅要能够精确操纵船舶比如港内航行或锚泊钻井平台等，而且也需面对DP系统中复杂的信息，一直监控该系统并能察觉到系统异常或变化且给出正确适当的应对措施，比如风流传感器失灵或恶劣海况的情况。在实际操作该系统时，经常要接近钻井平台或其他昂贵设备，因此对DP操作员（DPO）来说，要保证能采取安全有效的操作。
对于DP系统来说，一旦发生故障时非常危险的，这要求DPO对DPS要非常熟悉，并且能快速作出反应来应对突发故障。因此DPO的主要任务是异常事件处理（AEM），包括：发现异常事件，判定根本原因所在，采取适当的操作措施使系统回归正常安全模式。 探讨和发展利用DP模拟器开展DP操作员的培训，可以对海洋工程产业提供一定程度的人才支持。
航海学会（Nautical institute）制定出DPO的培训方案。该培训方案分为岸上培训课程和海上DP实习。
岸上培训课程包括入门课程和模拟器课程（DP操作、DP警报和应急程序操作等）。每门课程都要持续4到5天。入门课程主要是根据模拟的DP系统学习基本理论和基本操作，包括DP原理、DP构成、环境传感器和辅助设备、DP系统实际运行、位置参考系统、动力和推进、DP操作等。 模拟器课程是在完成60天海上实习后开展，主要包括DP操作、DP警报和应急程序操作等。
海上实习分为主动（Active）DP训练和被动（Passive ）DP训练。
目前，国内DP操作员的培训主要依靠国外的培训机构来完成，这些培训机构根据自身设备和区域特点制定出基于操作和情景课程。Kongsberg课程内容包括原理和操作：
* DP定义、构成，DP可靠性和各等级要求；
* DP的功能和原理；
* 各种DP船舶及DP操作，传感器及其使用；
* 位置参考系统简介和DP系统所用的位置测量； * 船舶性能，DP重要性分析和DP性能分析；
* 推进与操纵系统；
* 动力系统和断路预防；
* DP作业操纵流程和DP系统操作流程；
* DP事故学习；
* DP系统使用原则。
Nautitec提供动力定位的定义、操作和设备的简介：
* 近岸工程的发展歷程；
* 海洋工程船舶及推进系统；
* DP功能和操作，DP等级1-3；
* DP操作员培训；
* 风险评估；
* 模拟器实操练习。
Navis Engineering 课程详细介绍DP系统的构成及其操纵原则：
> DP系统构成；
> DP原理和DP操作模式；
> 位置参考系统及传感器；
> 动力产生、分配和管理；
> 船舶性能和可靠性；
> 标准和操作指南；
> DP船舶事故分析
当然，也可以根据公司或客户的需求来设计培训内容，比如应急培训、故障探测和单独训练、偶发事件应对培训和公司特定程序培训等，不断丰富和发展DP模拟器在海洋工程中的作用。
2.2 航行安全评估应用
系统仿真能够对现有系统或未来系统的行为进行再现或预先把握，为拟建工程的设计和安全运作提供科学的依据；为港航管理部门对港航工程的管理决策提供依据，以取得较好的经济效益；为港航工程营运和驾引人员的进出港航行、靠离泊操纵提供建议性方案。模拟研究在增强船舶航行和营运安全、提高港区和航道的经济效率、改进交通管理等方面将发挥愈来愈重要的作用。模拟研究所采用的二维视景对港区和航道的交通管理等方面可发挥重要的作用；而模拟研究采用三维视景，船长、驾驶员、引航员就能全视景看到航道和泊位实景，产生一种真实感，为驾引人员事先熟悉航道和泊位，为航行安全提供了保证。
航海模拟器在国内外许多通航评估、码头工程 、 海事分析等方面的论证工作种得到广泛应用 。模拟器自身有如下特性：
1） 模拟环境和实际水域环境的一致性
2） 模型船与参考原型船的操纵特性具有相似性
3） 模型船采用了完整的船舶运动仿真数学模型
4） 模拟操船的方案与实际船舶航行、靠离等操纵方案基本一致
DP模拟器不仅拥有上述优点而且还能够提供锚操作和拖带模块，这些决定DP模拟器在航行安全研究中应用的可行性和科学性。利用DP模拟器的高级训练功能可以开展锚操作或钻进平台的拖带和定位试验，为海洋工程提供一定的安全支持。
结束语
DP模拟器作为一种先进的技术手段，应该充分发掘和拓展其功能。今后可不断完善培训细则来指导DP操作员培训；依据DP模拟器的特点及DP船舶或者平台所处环境等制定合理的模拟方案，让DP模拟器更好服务于海洋工程。
参考文献
[1] 赵春波.航海模拟器仿真研究在港航工程评估中的应用.中国水运.2007（4）：5
[2] Jalitha Wills.Dynamic positioning Simulator.2007.
[3] Dymanic position operator’s training and certification scheme. the Nautical Institute.2014.
[4] T.Samad and A.M.Annaswamy.Dynamic Positioning System for Marine Vessels.The Impact of Control Technology.2011.
[5] www.arisimulation.com.
[6] Guide for dynamic positioning systems.ABS.2013.
[7] AMC.Dynamic？Positioning？Familiarisation Course（Offshore？Project？Crew）.
[8] 李文华，宋健等.船舶动力定位系统.2011.
[关键词]动力定位 海洋工程 航海模拟器
中图分类号：U664.82 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）34-0152-02
前沿
探索海洋、开发海洋、利用海洋、保护海洋，是当前全球发展的新热点和竞争的新舞台。当前，我国也在大力发展海洋产业，特别是船舶工业和深海油气开采事业。但在海洋工程船舶或平台的装备、技术水平和操纵人员水平等方面仍存在差距，以及对其安全航行或操作的评估研究也需进一步提高。
1 动力定位系统简介
动力定位系统（DP）于上世纪 70年代后期由美国海军研制成功， 起初主要应用于潜水艇支持船、军用海底电缆铺设等作业。从上世纪 80年代初开始， 随着北海油田、墨西哥湾油田的大规模开发， 动力定位系统被广泛应用于油田守护、平台避碰、水下工程施工、海底管线检修、水下机器人 （ROV）跟踪等作业。尤其是90年代以来， 随着海上勘探开发逐步向深水（500m～ 1500m）和超深水 （1500m以上）发展，几乎所有的深水钻井船、油田守护船都装备了动力定位系统。
动力定位可以定义为：此系统通过专用的、灵活的推力自动控制船舶，使其保持自身的位置和航向。该系统不仅能精确、灵活地使船舶保持或离开当前位置，还可以克服水深或水下设备的限制。根据不同配置， 动力定位系统可分为 3级。中国船级社 （CCS）的 DP船级符号为 DP- 1， DP- 2和DP- 3。
从DP结构图（如图1）可以看出DP系统较复杂，主要包括三个系统：动力系统、推进系统和DP控制系统。
动力系统是给整个动力定位系统提供电力的。一般的船舶电站可兼作动力系统，但应满足一些特殊要求。推力器系统是动力定位系统执行部分，常用电动机或柴油机驱动的推进器。
主推进装置（包括其舵系统）可兼作动力定位系统的推力器，在船舶进入动力定位运作模式时，由动力定位系统的控制器进行控制。为提高定位能力，主推进装置可设计为全回转推进器，例如 Z 型推进、SSP推进等。 一般各推力器的工作组合应产生横向、纵向推力及回转力矩。
动力定位控制系统包括控制器和测量系统。 控制器为动力定位系统总的控制部分，一般采用计算机控制的方法。 测量系统包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等，测量船舶的船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、風力、流速等环境条件，通过接口输入到控制器中。 控制器根据人工输入的船位和艏向，对测量系统提供的数据进行分析和运算，给出推力器的控制指令。
动力定位控制系统执行的功能为：
* 给出推力器的控制指令；
* 测量船舶的船位、艏向等船舶状态；
* 测量风向、风力等环境条件；
* 接收各种操纵指令的人工输入；
* 动力定位系统的故障检测及报警；
* 动力定位系统工作状态的显示
2 动力定位模拟器的应用
DP模拟器是 DP 操作员培训的主要设备，船型和视景与实船和实际交通环境分别具备高度相似性，芬兰Navis、挪威的Kongsbergmaritime 都已经研制出船舶动力定位模拟器。DP模拟器设备由仿真器和传感器两大部分组成。仿真器部分由 DP 操作员站（主从各一台）、导师工作站、三维可视显示设备、以太网交换机、视频分配器、报警答应机和多个船舶模型组成。传感器部分包括差分 GPS、电罗经、风速风向仪等。 目前国内DP模拟器主要依靠进口。
2.1 DP操作员培训
DP操作员在DP系统中担任重要角色，其不仅要能够精确操纵船舶比如港内航行或锚泊钻井平台等，而且也需面对DP系统中复杂的信息，一直监控该系统并能察觉到系统异常或变化且给出正确适当的应对措施，比如风流传感器失灵或恶劣海况的情况。在实际操作该系统时，经常要接近钻井平台或其他昂贵设备，因此对DP操作员（DPO）来说，要保证能采取安全有效的操作。
对于DP系统来说，一旦发生故障时非常危险的，这要求DPO对DPS要非常熟悉，并且能快速作出反应来应对突发故障。因此DPO的主要任务是异常事件处理（AEM），包括：发现异常事件，判定根本原因所在，采取适当的操作措施使系统回归正常安全模式。 探讨和发展利用DP模拟器开展DP操作员的培训，可以对海洋工程产业提供一定程度的人才支持。
航海学会（Nautical institute）制定出DPO的培训方案。该培训方案分为岸上培训课程和海上DP实习。
岸上培训课程包括入门课程和模拟器课程（DP操作、DP警报和应急程序操作等）。每门课程都要持续4到5天。入门课程主要是根据模拟的DP系统学习基本理论和基本操作，包括DP原理、DP构成、环境传感器和辅助设备、DP系统实际运行、位置参考系统、动力和推进、DP操作等。 模拟器课程是在完成60天海上实习后开展，主要包括DP操作、DP警报和应急程序操作等。
海上实习分为主动（Active）DP训练和被动（Passive ）DP训练。
目前，国内DP操作员的培训主要依靠国外的培训机构来完成，这些培训机构根据自身设备和区域特点制定出基于操作和情景课程。Kongsberg课程内容包括原理和操作：
* DP定义、构成，DP可靠性和各等级要求；
* DP的功能和原理；
* 各种DP船舶及DP操作，传感器及其使用；
* 位置参考系统简介和DP系统所用的位置测量； * 船舶性能，DP重要性分析和DP性能分析；
* 推进与操纵系统；
* 动力系统和断路预防；
* DP作业操纵流程和DP系统操作流程；
* DP事故学习；
* DP系统使用原则。
Nautitec提供动力定位的定义、操作和设备的简介：
* 近岸工程的发展歷程；
* 海洋工程船舶及推进系统；
* DP功能和操作，DP等级1-3；
* DP操作员培训；
* 风险评估；
* 模拟器实操练习。
Navis Engineering 课程详细介绍DP系统的构成及其操纵原则：
> DP系统构成；
> DP原理和DP操作模式；
> 位置参考系统及传感器；
> 动力产生、分配和管理；
> 船舶性能和可靠性；
> 标准和操作指南；
> DP船舶事故分析
当然，也可以根据公司或客户的需求来设计培训内容，比如应急培训、故障探测和单独训练、偶发事件应对培训和公司特定程序培训等，不断丰富和发展DP模拟器在海洋工程中的作用。
2.2 航行安全评估应用
系统仿真能够对现有系统或未来系统的行为进行再现或预先把握，为拟建工程的设计和安全运作提供科学的依据；为港航管理部门对港航工程的管理决策提供依据，以取得较好的经济效益；为港航工程营运和驾引人员的进出港航行、靠离泊操纵提供建议性方案。模拟研究在增强船舶航行和营运安全、提高港区和航道的经济效率、改进交通管理等方面将发挥愈来愈重要的作用。模拟研究所采用的二维视景对港区和航道的交通管理等方面可发挥重要的作用；而模拟研究采用三维视景，船长、驾驶员、引航员就能全视景看到航道和泊位实景，产生一种真实感，为驾引人员事先熟悉航道和泊位，为航行安全提供了保证。
航海模拟器在国内外许多通航评估、码头工程 、 海事分析等方面的论证工作种得到广泛应用 。模拟器自身有如下特性：
1） 模拟环境和实际水域环境的一致性
2） 模型船与参考原型船的操纵特性具有相似性
3） 模型船采用了完整的船舶运动仿真数学模型
4） 模拟操船的方案与实际船舶航行、靠离等操纵方案基本一致
DP模拟器不仅拥有上述优点而且还能够提供锚操作和拖带模块，这些决定DP模拟器在航行安全研究中应用的可行性和科学性。利用DP模拟器的高级训练功能可以开展锚操作或钻进平台的拖带和定位试验，为海洋工程提供一定的安全支持。
结束语
DP模拟器作为一种先进的技术手段，应该充分发掘和拓展其功能。今后可不断完善培训细则来指导DP操作员培训；依据DP模拟器的特点及DP船舶或者平台所处环境等制定合理的模拟方案，让DP模拟器更好服务于海洋工程。
参考文献
[1] 赵春波.航海模拟器仿真研究在港航工程评估中的应用.中国水运.2007（4）：5
[2] Jalitha Wills.Dynamic positioning Simulator.2007.
[3] Dymanic position operator’s training and certification scheme. the Nautical Institute.2014.
[4] T.Samad and A.M.Annaswamy.Dynamic Positioning System for Marine Vessels.The Impact of Control Technology.2011.
[5] www.arisimulation.com.
[6] Guide for dynamic positioning systems.ABS.2013.
[7] AMC.Dynamic？Positioning？Familiarisation Course（Offshore？Project？Crew）.
[8] 李文华，宋健等.船舶动力定位系统.2011.