基于时域模拟的船舶动态定位能力分析方法研究

The improvement of the accuracy of the station-keeping capability analysis for a dynamic positioning (DP) vessel in complex marine environment conditions with the implementation of difficult operational tasks is an essential basis for a reasonable choice of safe operating window, which requires conducting DP time-domain simulations, modeling the dynamic characteristics of the composed modules of the DP system, in order to obtain the maximum environmental force that the vessel can resist for given headings. For the purpose of enhancing the accuracy, adaptability and practicality of the station-keeping capability analysis, this project develops the traditional positioning capability analysis method, which balances environmental forces with thrust force statically, into a method with time domain simulation technology. The project will conduct numerical simulations and model test in a wave basin to carry out a systematic research on the dynamic station-keeping capability (DynCap) analysis method. The project studies environment adapted fuzzy control strategy, which can determine the control parameters automatically in simulations, in order to ensure the accuracy of the DynCap analysis. The acceptance positioning criteria accounting for special operating requirements is also studied, in order to ensure the adaptability of the DynCap analysis. In addition, the project studies intelligent selection methods for the environmental condition sequence, which can improve the efficiency of the analysis, in order to ensure the practicality of the DynCap analysis. The research will be of great theoretical value for the optimization design of the dynamic positioning system. It will also provide important theory foundation for the accurate determination of the safe operation window for the DP vessel.

提高动力定位船舶在复杂海洋环境条件下执行高难度作业任务时定位能力分析的准确性，是合理选择船舶安全作业窗口的重要基础，这要求必须进行动力定位时域模拟，准确模拟动力定位系统各组成模块的动态特性，以得到船舶在给定艏向上所能抵抗的最大环境力。为了提高定位能力分析的准确性、适应性和实用性，本项目在传统定位能力分析方法的基础上，将其中的环境力与推力的静平衡假设发展为动态时域模拟技术，并通过数值仿真和风浪流水池实验等手段，开展系统性的动态定位能力分析方法研究。研究环境自适应的模糊控制策略，自动选择最优的控制参数，保证动态定位能力分析的准确性；研究考虑船舶特殊作业要求的可接受定位范围，保证动态定位能力分析的适应性；研究环境条件序列的智能选择方法，提高计算效率，保证动态定位能力分析的实用性。项目的研究成果对于动力定位系统的优化设计具有重要的理论价值，并为准确制定动力定位船舶的安全作业窗口提供重要的科学依据。

为了满足船舶海上安全作业的要求，得到准确的、更真实的动力定位能力结果，基于动力定位时域模拟的动态定位能力分析是一个可行的方案。由于时域模拟考虑了船舶的运动特性，推力系统的动态特性，控制策略的动态特性等，因此本质上其结果与静态的动力定位能力相比更加准确，更加接近船舶的真实定位能力。.本项目在传统定位能力分析方法的基础上，将其中的环境力与推力的静平衡假设发展为动态时域模拟技术，并通过数值仿真和风浪流水池实验等手段，开展了系统性的动态定位能力分析方法研究，包括：1）研究环境自适应的模糊控制策略，自动选择最优的控制参数，保证动态定位能力分析的准确性；2）研究考虑船舶特殊作业要求的可接受定位范围，保证动态定位能力分析的适应性；3）研究环境条件序列的智能选择方法，提高计算效率，保证动态定位能力分析的实用性。.数值模拟结果表明，与传统控制策略相比，环境自适应的模糊控制策略能根据平台定位位置的变化，自动调整控制参数，在时变海况下定位精度提高20%以上；动态定位能力分析还考虑了动力定位船舶在执行铺管、浮托安装和靠泊等特殊作业场景下，定制船舶的可接受定位范围（轨迹限制和艏向限制），以数学表达式的形式建立了其与目标定位位置的关系；基于二分搜索算法确定环境条件序列产生规则，在动态定位能力分析过程中生成进行时域模拟的环境条件序列，大幅减少了时域模拟的次数，与传统的直接法相比，计算效率提高50%以上，且采用二分法与直接法相比数值计算具有更高的鲁棒性；通过对某半潜式支持平台动力定位靠泊生产平台的水池模型试验，验证了以上策略的有效性，并为控制策略参数的选择提供了有益参考。.项目的研究成果对于动力定位系统的优化设计具有重要的理论价值，并为准确制定动力定位船舶的安全作业窗口提供了重要的科学依据。