Судовые системы позиционирования¶

Судовые системы позиционирования (СПС) — совокупность технических средств и программно-алгоритмических комплексов, обеспечивающих определение и удержание местоположения морского или речного судна с заданной точностью в заданной точке акватории. В отличие от традиционных якорных стоянок, СПС позволяют удерживать судно без использования якоря за счет динамического позиционирования — постоянной работы движительно-рулевого комплекса, компенсирующей воздействие ветра, течения и волнения.

¶Назначение и области применения

Основная задача СПС — обеспечение безопасного выполнения морских операций, требующих высокой точности удержания судна относительно точки на дне или другого объекта. К таким операциям относятся:

бурение и обслуживание скважин на шельфе;
прокладка и ремонт подводных трубопроводов и кабелей;
подводно-технические работы с участием водолазов и телеуправляемых аппаратов;
перегрузка нефти и сжиженного газа между судами в открытом море;
укладка камня и дноуглубительные работы;
работа крановых и трубоукладочных судов;
позиционирование научно-исследовательских и спасательных судов.

СПС применяются преимущественно на судах специального назначения: буровых платформах, трубоукладочных баржах, крановых судах, судах снабжения, оффшорных строительных судах, а также на некоторых пассажирских и круизных лайнерах для удержания позиции при стоянке на рейде.

¶Классификация

По способу удержания позиции СПС разделяются на два основных класса:

Якорные системы позиционирования — используют разнесенные веером якоря с тросами или цепями, натяжение которых регулируется лебедками. Применяются на относительно небольших глубинах (до 300–500 м) и не требуют постоянной работы движителей.
Системы динамического позиционирования (ДП) — полностью автоматизированные комплексы, удерживающие судно за счет работы подруливающих устройств и главных движителей. Не имеют ограничений по глубине и способны работать в широком диапазоне гидрометеоусловий.

Системы динамического позиционирования, в свою очередь, классифицируются по классам надежности, установленным правилами классификационных обществ (DNV, ABS, Российский морской регистр судоходства):

Класс 1 (DP-1) — одиночный комплект оборудования. Потеря позиции допускается при единичном отказе без последствий для безопасности.
Класс 2 (DP-2) — резервирование всех активных компонентов (датчиков, компьютеров, движителей, источников питания). Единичный отказ любого компонента не приводит к потере позиции.
Класс 3 (DP-3) — полное резервирование с физическим разделением оборудования на отсеки, включая аварийную защиту от пожара и затопления. Судно сохраняет позицию даже при отказе целого машинного отделения или пожаре.

¶Состав и принцип работы

Типовая система динамического позиционирования включает три основных подсистемы: измерительную, вычислительную и исполнительную.

¶Измерительная подсистема

Измерительная подсистема определяет текущие координаты судна, его курс, а также параметры внешних воздействий. Основные датчики:

Спутниковые навигационные системы (GPS, ГЛОНАСС, а также их дифференциальные модификации DGPS, SBAS) — обеспечивают абсолютную точность позиционирования порядка 1–3 метров.
Гидроакустические системы позиционирования (HPR, USBL, LBL) — измеряют положение судна относительно маяка-ответчика, установленного на дне или на подводном объекте. Точность — от дециметров до метров в зависимости от типа системы.
Инклинометры и датчики крена и дифферента — компенсируют влияние качки на измерения.
Гирокомпасы — определяют курс судна.
Датчики ветра (анемометры) — измеряют скорость и направление истинного и относительного ветра.
Доплеровские лаги (DVL) — измеряют скорость судна относительно дна или водной массы.
Лазерные и радарные системы — используются при работе вблизи стационарных объектов (например, нефтяных платформ) для высокоточного измерения относительного положения.

¶Вычислительная подсистема

Вычислительное ядро — один или несколько промышленных компьютеров (контроллеров), работающих в реальном времени. В них реализованы математические модели динамики судна, фильтры Калмана для обработки зашумленных измерений и алгоритмы управления.

Программное обеспечение выполняет следующие функции:

прием и обработка данных от всех датчиков;
вычисление наилучшей оценки текущих координат и скорости судна (слияние данных от разнородных измерителей);
расчет вектора внешних сил (ветра, течения, волнового дрейфа);
расчет требуемой суммарной тяги и момента для компенсации внешних воздействий;
распределение задания между отдельными движителями с учетом их ограничений и приоритетов.

¶Исполнительная подсистема

Исполнительная подсистема включает движительно-рулевой комплекс: азимутальные поворотные колонки, носовые и кормовые подруливающие устройства, винты регулируемого шага, а также системы управления ими. На судах класса DP-3 движители размещаются в отдельных отсеках и имеют независимые источники питания (дизель-генераторы, распределительные щиты).

Принцип работы СПС: вычислительный центр непрерывно сравнивает фактическое положение судна с заданным. При возникновении отклонения, вызванного ветром, течением или волнением, система автоматически изменяет тягу и направление движителей таким образом, чтобы вернуть судно в заданную точку. Контур управления работает с частотой обновления от 1 до 10 Гц, обеспечивая плавную и точную компенсацию возмущений.

¶Операторский контроль и режимы работы

Управление СПС осуществляется оператором с пульта в рулевой рубке или специальном посту управления. На дисплеях отображаются:

текущее и заданное положение судна;
вектор фактической скорости;
направление и сила ветра, скорость течения;
загрузка и состояние каждого движителя;
статус всех датчиков и каналов связи;
индикация класса надежности и активных режимов.

Основные режимы работы:

Автоматический режим — удержание точки или следование по траектории без вмешательства оператора.
Режим следования за объектом — судно автоматически сохраняет заданное расстояние и курс относительно движущегося или неподвижного объекта (например, при работе с телеуправляемым аппаратом).
Ручной режим — оператор задает требуемую тягу и направление непосредственно джойстиком.
Режим удержания курса — используется при движении в составе конвоя или при стоянке на якоре.

¶История развития

Первые прототипы систем динамического позиционирования появились в начале 1960-х годов в связи с развитием морского бурения. В 1961 году буровое судно «CUSS I» впервые использовало автоматическую систему удержания позиции на глубине около 950 метров у побережья Калифорнии. Система основывалась на гидроакустических измерениях и аналоговых регуляторах.

В 1970-е годы с внедрением цифровых вычислительных машин точность и надежность СПС значительно возросли. Появились первые системы класса DP-2. В 1980-е годы разработаны требования к классам надежности, что позволило использовать динамическое позиционирование при бурении на больших глубинах и вблизи платформ.

Развитие спутниковой навигации в 1990-х годах и внедрение дифференциальных поправок сделало абсолютное позиционирование доступным и точным. Современные СПС представляют собой высокоинтегрированные комплексы с многоуровневым резервированием, способные работать в полностью автоматическом режиме в течение длительного времени.

¶Нормативное регулирование

Эксплуатация судов с СПС регулируется международными и национальными нормами. Основные документы:

Резолюции и руководства Международной морской организации (ИМО), в частности циркуляры MSC по динамическому позиционированию;
Правила классификационных обществ (DNV, ABS, Lloyd’s Register, Российский морской регистр судоходства), устанавливающие требования к оборудованию, резервированию и испытаниям;
Международная конвенция о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты (ПДНВ), требующая специальной подготовки операторов СПС.

Персонал, управляющий СПС, должен пройти сертифицированное обучение и получить свидетельство оператора динамического позиционирования. Подготовка проводится в специализированных тренажерных центрах, аккредитованных морскими администрациями.

¶Преимущества и ограничения

Преимущества СПС по сравнению с якорными системами: работа на любых глубинах, быстрота постановки на позицию и снятия с нее, отсутствие повреждений донной инфраструктуры, возможность работы вблизи подводных сооружений, высокая точность и автоматизация.

Ограничения: значительный расход топлива на работу движителей, зависимость от исправности большого числа технических средств, необходимость высокой квалификации операторов, ограничения по метеоусловиям (сила ветра и волнения, при которых система способна удерживать позицию).