3500KW级大功率的调距型全回转舵桨装置工程样机

我国最高级别船舶动力定位系统

日前，国家高技术船舶科研专项重点项目“DP3动力定位系统研制”项目在哈尔滨通过工信部验收。由中国工程院多位院士及国内相关领域著名专家组成的专家组对项目取得的成果给予了高度评价。

在项目验收会上，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”。是我国在最高级别动力定位系统领域取得的重大工程化突破，为DP3动力定位系统打破国际垄断、走向产品化和产业化奠定坚实基础。

该项目是由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DP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。

此前，国内工程作业船舶除安装的DP1级动力定位系统可以实现国产化以外，DP2级动力定位系统和DP3级动力定位系统产品主要被国外品牌所垄断。我国DP3动力定位系统的研制成功，是我国走向深海、打破西方垄断不可或缺的核心关键装备，为我国该技术领域DP2、DP3动力定位控制系统国产化和产业化打下了坚实的技术基础，同时也将为我国海洋工程向深海进军提供坚实的技术保障。

负责研发整个系统的“大脑”

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。

动力定位系统的主要原理是利用计算机对采集来的环境参数（风、浪、流），根据位置参照系统提供的位置，自动地进行计算，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”。这是一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、测量系统等四大部分。其中控制系统居于核心地位，相当于整个系统的“大脑”，在“DP3动力定位系统”项目中，哈尔滨工程大学负责研发的包括这一部分。

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。

船舶动力定位系统

1982年成立研究所打造“北飒”团队

在30多年的研究中，哈尔滨工程大学教授边信黔团队和这个项目一同成长。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。

组成“国家队”协同创新合力制胜

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。”

取得多项关键性技术“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。

动力定位系统产业化缓慢

1998年，哈工程大研制成功我国首套动力定位系统，现在应用较多的DP2、DP3都没有产品推出。目前，我国的动力定位系统主要依靠进口，价格大概为50万欧元/套。

动力定位系统包括的三大分系统中，我国在推进系统方面的产业化基础最好，国内设计生产的推进系统已经应用到不同类型的船舶上，未来主要的工作是针对海工项目的特殊需求，开发出新型推进装置；DP2和DP3控制系统的研制尚处于起步阶段，技术难点体现在海况数据库不完整；位置测量系统中位置传感器领域还是空白，特别是高精度的位置传感器，主要原因是投入大、见效慢，企业缺乏进入该领域的动力。

据了解，在DP推进系统领域，我国不少企业已具备一定的产业化能力。武汉船机在该系统的集成方面早已实现产业化，推进系统集成包括主机、齿轮箱、主推调距桨装置、全回转推进装置、艏艉侧推、发电机组、舵系等，应用项目包括78米三用工作船、300吨起重铺管船以及5万吨半潜船等海工船舶动力定位系统的集成。目前，武汉船机作为责任单位，正在开展国家发展和改革委员会海洋工程装备研发及产业化专项——“3000米深水钻井船动力定位系统技术研发及产业化”，以推进系统为载体进行动力定位系统的集成设计和配套。此外，苏州动力系统股份有限公司、南京船用设备有限公司、上海振华重工有限公司等也具备为船舶和海洋工程提供各类型推进产品的能力。

在DP3控制系统方面，哈工程大、七〇八所、中国海洋石油工程股份有限公司研制的HDP3控制系统已经通过海试，海试结果理想，全部项目满足中国船级社规范要求。。

位置测量系统方面，我国则主要依赖进口。

动力定位系统是船舶、海洋石油平台建造领域的核心技术，其产业属于资金技术密集型产业，产业关联度高，带动性强。全球船舶动力定位系统市场规模约为40亿美元，而且还在以每年20%以上的速度不断扩大。动力定位系统（DP3）国内每年有约20亿元人民币的市场需求，潜在DP船舶需求超过200艘。目前，国内动力定位系统市场主要为挪威KONGSBERG等国外品牌所垄断。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。