船舶动力定位（DP）系统知识简介
国际海事组织(IMO)定义动力定位系统是“自动控制船舶的位置和艏向的系统，仅仅依赖于自身的推进系统”。所谓动力定位船舶，是指通过推进器推力能自动地保持位置（固定位置或预设航迹）的船舶。
动力定位系统是一个闭环控制管理系统，利用自身装备的各类传感器测出船舶的运动状态与位置变化，以及外界风力、波浪、海流等扰动力的大小与方向，利用计算机进行复杂的实时计算，控制船舶主副推力装置产生适当的推力与力矩，以抵消扰动力，使船舶尽可能保持目标船位与舷向。
广义的动力定位系统包含动力定位船舶需要装备的、用于动力定位的全部设备，包括：
动力定位控制管理系统表示船舶动力定位需要的所有控制系统和部件、硬件和软件，包括：
动力定位控制系统根据艏向传感器、风传感器、垂直运动传感器测得的外部环境数据，计算出船舶或平台所受的扰动外力，然后由此外力与测量所得的位置参考数据，计算得到保持船位所需的作用力。控制器再通过推力分配解算出转速、方向角、舵角以及螺距等指令，发送到各个推进器单元，产生推力使得船舶或平台尽可能靠近所希望的位置，进而达到艏向控制、定位控制和航迹控制的目的。
国际海事组织(IMO)和各国船级社都对动力定位系统提出严格要求，除在各种各样的环境条件下都具有的手动控制和自动控制的基础要求外，还制定了三个等级标准：
Class 2：拥有系统和设备的充分冗余，在有源组件或发电机、推进器、配电板、遥控阀门等系统单一故障时，不会发生失位。但通常静态部件（电缆、管道、手控阀等）出现故障可能会发生失位。
Class 3：拥有系统和设备的充分冗余，能承受设备等级二中所列出的单一故障，还能承受含静态部件（电缆、管道、手控阀等）在内的任何单故障（包括火灾和水淹），都不会导致失位。
同时，各船级社均根据动力定位系统的功能、设备冗余度、操作要求、试验程序及文档等情况、授予满足规定的要求的动力定位船舶不同的入级符号，如表2-1所示。
说明：严格地讲，采用半自动或手动动力定位系统的船舶没有利用计算机对环境条件进行计算，都不能称为动力定位船舶。但DNV、ABS、BV、LR等船级社仍保留了手动或半自动定位系统的入级符号，而CCS采用IMO的标准，对手动或半自动定位系统不授予入级符号。
按照上述基本配置标准，满足Class 2/DPS-2/DYNPOS(AUTR)的动力定位船舶，需配置2台柴油发电机组、1组带母联开关连接的配电板、2台全回转推进器、2台艏侧推（发电机组G3/G4为可选项）。动力定位的状态下汇流排为断开。设备布置图与单线所示：
第二组：2(/4)号发电机组 --- 配电板2号汇流排 --- 2/4号推进器
该配置的一个前提是：单汇流排所对应的两个或两个以上推进器能够很好的满足动力定位的要求，而该组汇流排所对应的发电机组的总功率也能满足此工况下所需的总功率。
当发生以下任意单点故障时，剩余的动力、配电、推进器仍能够工作，并保证动力定位船舶仍旧能维持原来的船位和艏向。
a) 如任一个发电机组出现故障，断开故障发电机组，不影响剩余发电机组正常工作。
b) 如任一个推进器出现故障，断开故障推进器，不影响整个电网和其他推进器的正常工作。
c) 如任一段配电板的汇流排失效，母联处于断开状态，未出现故障的汇流排和对应的推进器仍能正常工作。
如果Class 2/DPS-2/DYNPOS(AUTR)的动力定位船舶配置了4台柴油发电机组、2组带母联开关连接的配电板、2台全回转推进器、2台艏侧推，动力定位状态下汇流排为开环，两组配电板之间设置两个母联断路器，并用电缆将两个配电板连接起来。设备布置图与单线 所示：
该配置的一个前提是：单组配电板所对应的两个或两个以上推进器能够很好的满足动力定位的要求，而该组配电板所对应的发电机组的总功率也能满足此工况下所需的总功率。
当发生以下任意单点故障时，剩余的动力、配电、推进器仍能够工作，并保证动力定位船舶仍旧能维持原来的船位和艏向。
a) 如任一个发电机组出现故障，断开故障发电机组，不影响剩余发电机组正常工作。
b) 如任一个推进器出现故障，断开故障推进器，不影响整个电网和其他推进器的正常工作。
c) 如任一段配电板的汇流排失效，母联断路器处于断开状态，未出现故障的汇流排和对应的推进器仍能正常工作。
为了节能环保，Class 2/DPS-2/DYNPOS(AUTR)的动力定位船舶采用闭环设计，配置了4台柴油发电机组、2组带母联开关连接的配电板、2台全回转推进器、2台艏侧推。动力定位状态下汇流排为闭环，两组配电板之间设置四个母联断路器，并用电缆将四段汇流排前后连接起来。设备布置图与单线所示：
第二组：3/4号发电机组 --- 2号配电板1/2号汇流排 --- 2/4号推进器
当发生以下任意单点故障时，剩余的动力、配电、推进器仍能够工作，并保证动力定位船舶仍旧能维持原来的船位和艏向。
a) 如任一个发电机组出现故障，断开故障发电机组，不影响剩余发电机组正常工作。
b) 如任一个推进器出现故障，断开故障推进器，不影响整个电网和其他推进器的正常工作。
c) 如任一段汇流排出现故障造成失效时，该汇流排前后的母联开关或母联断路器同时断开，这样其他三段汇流排和对应的推进器仍能正常工作，并保证动力定位船舶仍旧能维持原来的船位和艏向。
为了保证故障汇流排能及时从电网中断开，把配电板内的每个汇流排的两端均配置成母联断路器，用电缆或者铜排将每两段汇流排连接起来，并且所有的母联断路器全部是常闭(NC)，整个回路仍为闭环。单线所示：
如果Class 3/DPS-3/DYNPOS(AUTRO)的动力定位船舶设备配置与配置类型2B相似，4台柴油发电机组、2组带母联开关连接的配电板、2台全回转推进器、2台艏侧推，动力定位状态下汇流排为开环，两组配电板之间设置两个母联断路器，并用电缆将两个配电板连接，但该两组冗余系统之间使用A60舱室分割。设备布置图与单线所示：
a) 4台柴油发电机放置在2个独立的机舱内，平均2台位于一个机舱内，机舱之间使用A60分割，以保证一个机舱失火或浸水后短时间之内不可能影响其他机舱。
b) 每个机舱的2台发电机组分别对应前后布置的2台推进器，平台可以在失去任意2台前后布置的推进器的情况下，仍能满足定位要求，也代表着失去任意一个机舱都不会影响平台的定位能力。
c) 两个配电板，分别放置在两个独立的配电板室中，配电板室之间使用A60划分成不同的防火区，并且配电板之间通过母联连接。
第一组：1/2号发电机组 --- 1号配电板1/2号汇流排 --- 1/4号推进器
a) 6台柴油发电机放置在3个独立的机舱内，平均2台位于一个机舱内，机舱之间使用A60分割，以保证一个机舱失火后短时间之内部会影响其他机舱。
b) 每个机舱的2台发电机组分别对应前后布置的2台推进器，平台可以在失去任意2台前后布置的推进器的情况下，仍能满足定位要求，也代表着失去任意一个机舱都不会影响平台的定位能力。
c) 平台配置了3个独立的配电板，分别放置在3个独立的配电板室中，配电板室之间使用A60划分成不同的防火区。
d) 柴油发电机配置的独立的燃油输送泵，滑油泵，还有海水/淡水冷却泵等都分别放置在3个独立的机舱内，机舱之间使用A60分割。
使用闭环的优点：闭环运行时，在最小动力输出时DP状态，可以只有两个独立舱，每个舱室一台发电机运行就够了，这样在最小动力的DP状态下，可以少运行一台发电机，节省至少25%的燃油消耗。
动力定位船舶的控制管理系统分为两种类型：一是DP自动控制管理系统，二是独立操纵杆系统。
DP控制管理系统由计算机单元（DP控制台及手动控制操纵杆面板）和DP控制器(DPC)组成，与传感器（风速风向仪、电罗经、DGPS）、位置参考系统、推进器单元等均有接口连接。动力定位船舶入级符号不同，其DP控制系统的配置也不同。典型配置可参考图23-1。
DP-11为基本系统，提供直接的接口给推进器并包含必要的接口给动力系统、位置参考系统和传感器等，如图23-1所示。
DP-12为集成系统，以双以太网为基础，集成KM的K-Thrust推进、K-Chief自动化、K-Bridge综合桥楼等系统，如图23-3所示。
DP-21 and DP-22是双冗余系统，它包含一个双冗余控制器(DPC-2)，2个操作台，控制器和操作台通过双网通讯连接。两个系统、网络都满足IMO DP Class 2的要求。
DP-21为基本系统，提供直接的接口给推进器并包含必要的接口给动力系统、位置参考系统和传感器等，如图23-4所示。
系统根据DP2的要求来提供冗余。2个处理器互相独立，操作员可以再一次进行选择一个处理器在线，其他的处理器作为热备，两个处理器并行操作，每个都接受同样的输入（DP操作台、传感器、参考系统、推进器等），每一个都执行同样的计算，然而只有在线的电脑能控制推进器。处理器的转换可以自动或手动激活，如果在线的处理器发生故障，操作员手动转换。自动转换只能一次，所以通过操作员启用下一次的自动转换功能。两个处理器不断的检测软硬件的故障，如果检测到故障会发出报警。
DP-31 and DP-32是三冗余系统，它包含一个三冗余控制器(DPC-3)，3个操作台，控制器和操作台通过双网通讯连接。两个系统、网络都满足IMO DP Class 2的要求。
DP-31为基本系统，提供直接的接口给推进器并包含必要的接口给动力系统、位置参考系统和传感器等，如图23-5所示。
DP-32为集成系统，以双以太网为基础，集成KM的K-Thrust推进、K-Chief自动化、K-Bridge综合桥楼等系统。双冗余也集成了传感器和位置参考系统的连接接口。
DP-31/32的三冗余系统不是简单的检测并隔离错误数据或元器件，还能够在进行计算时剔除错误数据，操作员不用去检测和决定那些数据和器件是错误的。三个控制器执行同样的定位任务，每一个单独的处理器使用传感器和定位参考系统的同样数据来计算出命令信号并发给推进器。
“表决”的概念用于检测和隔离传感器和DP控制管理系统的错误。若发生表决，发生错误的电脑会基于其他电脑的信息来自动的进行自我校正，如果还是错误，则会通知操作员进行替换。同时其他2个电脑会继续工作并执行双冗余的程序。一旦错误的电脑修好后重新连接，其他两台会进行自动的重新配置，使得系统回到三冗余状态。三个处理器都参与表决，但是只有一个作为主处理器和操作台进行通讯/输出信号。DP操作员能够直接进行主处理器的选择。假如慢慢的出现主处理器失效，另外的处理器会立即接替主处理器的职能。三冗余的主要优点有：
该系统满足IMO Class 3的基本配置要求，其中主DP控制管理系统可以是DP-21双冗余系统或者DP-31三冗余系统。主系统必须有至少两套位置参考系统和传感器、两个UPS。而DP-11单机DP控制系统用做备用系统，并配备自己的位置参考系统、传感器和UPS。备用的位置参考系统、传感器也可以连接到主DP控制器。备用DP控制系统要与主DP控制系统之间通过A60等级分隔。（参考图23-6）
该系统能满足IMO Class 3综合系统的标准配置，其中主DP控制管理系统可以是DP-22双冗余系统或者DP-32三冗余系统。主DP控制管理系统至少配置两套位置参考系统、传感器和两个UPS。而DP-12单机DP控制管理系统用做备用系统，并配备自己的位置参考系统、传感器和UPS。备用的位置参考系统、传感器也可以连接到主DP控制器。备用DP控制管理系统要与主DP控制系统之间通过A60等级分隔。在备用DP控制系统端由一个手动切换开关，而主DP控制系统端也可以增加一个切换开关。（参考图23-7）
在网络A和网络B上，各设置了三个网络分配单元（NDU – Network Distribution Unit），将PMS、Ballast、Aux、F&G、ESD等信号采集站（FS – Field Station）都分别连接到网络A的NDU和网络B的NDU，当其中一路网络出现故障，不影响另外一套网络对所有FS的监视和控制，满足冗余的要求。
为了获取高精度的船舶位置信息，所有的动力定位船舶都安装有两种或两种以上独立的位置参考系统。位置参考系统与船舶正常的导航设备是相互独立的。常用的位置参考系统有卫星定位系统、水声位置参考系统、微波定位系统、张紧绳位置测量系统和激光定位系统等五类。除了位置参考系统外，动力定位船舶还需要安装，测量艏向的电罗经、测量风速风向的风传感器、测量船舶动态直线运动和姿态的运动传感器，如图24-1所示。
在动力定位的船舶上，一般都会安装一套差分全球定位系统（DGPS - Differential Global Positioning System）。DGPS是在GNSS（GPS或GLONASS）的基础上利用差分技术使用户能够从GNSS系统中获得更高的精度。方法是在一个精确的已知位置（基准台）上安装监测接收机，测得并计算得到它能跟踪的每颗GNSS卫星的距离误差，再将该误差以标准数据格式传送给DGPS用户的接收机，以此修正用户的GNSS的测量值，提高其定位精度。参考图24-2。
为了海上导航的误差限制，许多海岸线都已设立了GNSS接收机和DGPS发送器，方便使用者提高定位精度。如Kongsberg的DPS232 , DPS200, DPS132（4-5-2A/B/C/D）等作为用户的接收机系统，普遍使用在DPS的船舶或平台上。
水声位置参考系统（HPR - Hydroacoustic Position Reference）有三种类型，它们分别是分长基线系统（LBL）、短基线系统（SBL）、超短基线系统（SSBL）。工作原理相似，在船舶底部装有可伸缩的收发器，海底安有应答器。当应答器收到船舶发来的声频信号，立即启动发射装置，反馈一个信号到船上。收发器收到后，它们之间的距离和方位数据就可计算出来并输入DP系统的电脑。目前的收发器已可在头上嵌有上千个小收发单元，实行免维护、全方位的跟踪，可适用于4000米海深的测量工作。参考图24-3。
Kongsberg的产品有HiPAP 501 高精度声纳定位系统，为仅需一个船体安装应答器和一个海底应答器来建立应答器的三维定位。将船体应答器降低于船体以下若干米，发射机、前置放大器和波束形成电子的收发器安装于靠近船体。参考图24-4。
微波位置参考系统分为固定台和移动台两部分。船上放移动台，固定台放在类似石油平台的固定物体上。两个单元都有相似的雷达天线cm）的微波发射使两单元建立了联系。精确的距离和方位数据被测出并输入DP的电脑。该系统的测量范围为10km ~ 30km，与动力定位系统配合使用时最大测量距离为10km。参考图24-6。
图24-7为Kongsberg 的RADius，采用多个传感器（单个传感器有垂直和水平方向的90°张角）的全方位的定向系统，根据船舶的结构和运作放置在合适的地点。提供完整的360°信号采集，同时避免死角。图24-8为使用了多个RADius传感器的工作示意图。
图24-9为张紧绳系统示意图，它是一种有效的短距离位置参考系统，是通过测量处于恒张力下的张紧绳的倾斜度，将测量值转变成电信号，作为位置信号传给动力定位系统。
将一个约半吨重的重块由一根细钢丝吊着放到海底，船左舷或右舷伸出一小吊臂，细钢丝经吊臂头上的滑轮后缠绕在绞盘机的滚筒上。钢丝张力保持稳定，钢丝排放长度就随船的运动而变。装在滑轮上的传感头和滚筒上的传感头把垂线的垂角和长度数据送入DP的电脑，就可计算出船舶相对于重块的位置，此方法只适用于水深500 m以内的浅海，且在海况较差时不能使用。图24-10为Kongsberg 的Taut Wire MK 15B，可用于500m水深。
CyScan系统，为英国Guidance Control Systems制造，可旋转的激光器镜头，能进行360°全景扫描，可以用来追踪一个或多个有反射能力的定位目标，并给出正确的距离、方位角、船舶与定位目标之间的艏向角信息。采用的是能够产生904nm脉冲的二极管激光源，最大有效距离是400m，一般安装在目标可能出现方向的突出位置，要远离尘土、烟喷水以及热源的位置。
此外，常用的还有Fanbeam系统，Spot Track Laser系统等。图24-11为Kongsberg的Spot Track Laser Reference System产品及其工作示意图。
DP系统都有风传感器WIND SENSOR，用来计算作用在船体上的风力、风速、风向，在风力引起船舶位置和艏向变化前作出补偿。典型的风传感器可以测出风力和风速，用风向标来测量风向。
b) 当要求两套或两套以上位置参考系统时，它们不能全部是采用同一工作原理的。
c) 对于设备3级，至少一套位置参考系统应与备用控制站直接相连，并与其他位置参考系统之间使用A60等级分隔开来。
e) 连接到冗余系统的相同用途的传感器应单独布置，不至于一个失效时会影响到其他的传感器。f) 对于设备3级，每种类型的传感器中的一套应与备用控制站直接相连，并与其他传感器之间使用A60等级分隔开来。
a) 需要超过两套位置参考系统时，至少这两套是基于两种不同测量技术，并且这两套在信号传输及界面上是相互独立的。在使用两种不同测量原理无法实现的地方可以特殊考虑。
b) 对于DPS-0，需要配置一个位置参考系统、一个风传感器、一个电罗经。
c) 对于DPS-1，需要配置两个位置参考系统、两个风传感器、两个电罗经。如果需要修正横摇和纵摇的测量数据，应再配置一个运动传感器。
d) 对于DPS-2，需要在DPS-1的配置上，再提供第三独立位置参考系统、第三风传感器、第三电罗经。如果需要修正横摇和纵摇的测量数据，应再配置三个运动传感器。单点故障不能同时影响超过一套以上的位置参考系统。
e) 对于DPS-3，需要在DPS-2的配置上，额外要求这第三独立位置参考系统、第三风传感器、第三电罗经等直接与备用DP控制站相连接。与DPS-2一样，如果需要修正横摇和纵摇的测量数据，应再配置三个运动传感器，且第三个运动传感器也直接与备用DP控制站相连接。f) 主DP控制系统与备用DP控制系统之间要独立，位置参考系统和传感器要实行信号隔离，发生的故障不能从一个系统向其他系统扩散。
a) 需要超过一套位置参考系统时，至少这两套是基于两种不同测量技术。并且这两套在信号传输及界面上是相互独立的。
b) 对于DYNPOS(AUT)或DPS(1)，在使用两种不同测量原理无法实现的时候可以特殊考虑，即两套DGPS是可以接受的。
c) 对于DPS(2)，如需要位置参考传感器的修正功能，至少要提供3个垂直参考系统（VRS）。如果动力定位控制系统能在操作过程中无VRS修正仍能定位船舶，则仅仅提供2个VRS即可。
d) 对于DYNPOS(AUTRO)或DPS(3)， 至少一套位置参考系统应与备用控制站直接相连，并与其他位置参考系统之间使用A60等级分隔开来。
e) 对于DYNPOS(AUTRO)或DPS(3)，每种类型的传感器中的一套应与备用控制站直接相连，并与其他传感器之间使用A60等级分隔开来。f) DYNPOS(AUT/AUTR/AUTRO)均要求在动力定位控制管理系统操作站之外独立提供位置参考系统的人机界面(HMI)。DYNPOS(AUT)至少提供一种需要的位置参考系统HMI，而DYNPOS(AUTR/AUTRO)至少提供两种位置参考系统HMI。而DPS(1/2/3)没有该要求HMI。
a) 当船舶上主电中断时，UPS电池将提供给DP控制管理系统最少30分钟的供电。
b) 独立操纵杆系统的UPS电源和推进器控制管理系统的UPS电源应与动力定位自动控制管理系统的UPS是相互独立的。
c) 对于Class 2/DPS-2/DYNPOS(AUTR) 入级符号，冗余的UPS的供电电源，应来自不同的冗余组。
d) 对于Class 3/DPS-3/DYNPOS(AUTRO)入级符号，主DP控制管理系统冗余的UPS的供电电源，应来自不同冗余组。备用DP控制管理系统的UPS的供电电源不能来自于主DP控制系统UPS的同一供电电源的下一级配电板。
DP2，DP3 项目分开环和闭环运行，当配电系统处于开环运行时，每段母排应该保持独立运行。为了尽最大可能避免DP 失效，DP分组应该独立分开。所有DP相关的设备供电应该独立分开供电。DP3项目的闭环运行，当配电系统处于闭环运行时，两组PMS应该独立分开，并用A60舱壁隔离，水线以下还要以水密分隔开来。
功率管理系统PMS CPU按照DP分组应该有冗余要求。PMS 组成的网络是双冗余系统避免一套控制器失效，另一套控制器能够完全代替运行，不影响DP的运行工况。DP3要用A60舱壁分隔两套CPU 控制箱, 水线以下还要以水密分隔开来。
DP2，DP3 项目当配电系统处于闭环运行时，母排连在一起，母排之间的开关应配两个开关避免隐性失效时开关能够保证跳开。
当DP项目闭环时，PMS 应该具备MGPS功能，既需要配备一套主机管理系统，用来独立监控每台发电机的运作时的状态，发现发电机隐性故障，避免发电机由于一台发电机的频率，或电压，或其他隐性故障导致一台发电机或几台发电机同时出现故障。当MGPS发现一台发电机的频率或电压等隐性故障发生时，及时切掉故障的发电机同时启动备用发电机以保证DP工况的正常运行。
失效模式与响应分析（FMEA - Failure Modes and Effects Analysis）是风险分析、可靠性计算的一种有效方法，用严谨、慎密的分析有效地防范潜在的危害，它是人为主观能动性的一种表现，是先“补牢”，预防“亡羊”。最终的目的是依据故障对系统影响度的大小，把故障等级化，找出（相对）不可接受的故障原因，进行系统改进，减小系统故障的风险，增加系统的可靠性和安全性。
