CN103261864A - 一种估计作用于被支撑的自升式船只上的环境作用力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种估计作用于被支撑的自升式船只（1）的环境作用力的方法。将船只（1）置于作用力判定位置并且当第一推力施加到船只（1）上时，测量自升式船只（1）的至少一个支撑腿（3）上的应变。当船只（1）仍保持处于作用力判定位置时，对船只（1）施加第二推力。当施加第二推力时，监测在至少一个支撑腿（3）中应变的变化，且该应变用于计算作用于船只（1）上的环境作用力的估计。该方法允许自升式船只（1）的动态定位（DP）系统在升起船只（1）的支撑腿（3）时确定一个合适的推力施加到船只（1）上。通过施加该合适的推力，当船只（1）从被支撑腿（3）支撑过渡到被水（2）支撑时，船只（1）的位置能保持不变。

Description

一种估计作用于被支撑的自升式船只上的环境作用力的方法

技术领域

本发明涉及通过动态定位（DP）系统对作用于支撑的自升式船只的环境作用力的判定。

背景技术

通常来说，保持海洋船只的位置是必要的。这可以通过船只的推进器实现。用动态定位系统控制推进器，以便给船只施加推力。更详细地讲，为了保持船只的位置和方向，需要控制推进器在正确的方向上施加正确大小的推力。为了计算所需的推力，动态定位系统有必要测量或估计作用在船只上的环境作用力。在常规的动态定位系统中，对环境作用力的估计可由使用参考位置传感器，风传感器，动作传感器，陀螺罗盘以及其他类似的装置的测量来实现。

通常，动态定位系统就垂荡，横荡以及艏摆或艏摇来控制船只的位置和方向。很容易理解的是，作用在船只上的环境作用力涉及到船只的垂荡和横荡的是线性作用力，而作用在船只上的环境作用力涉及到船只的艏摇或艏摆的是转动力矩。就本说明书的目的而言，应当理解的是，在以下描述中的作用在船只上的环境作用力包括作用在船只上的涉及船只的垂荡和横荡的线性作用力和作用在船只上涉及船只的艏摇或艏摆的转动力矩。然而，本领域技术人员很容易理解，此描述并不局限于船只的这些自由度，其还可以与船只的六个自由度中的任何一个相关联。

自升式船只是指具有多个能够垂直地降低或升起的长支撑腿的船只。当支撑腿升起时，自升式船只可以以基本正常的方式作为海洋船只运行。当支撑腿降低时，自升式船只可以从海床升高，通过支撑腿的支撑，浮出至水面之上，从而形成稳固的操作平台。自升式船只尤其可用在海上风力涡轮机以及其他类似海上结构的安装和维护。

在操作前后，当支撑腿没有支撑自升式船只时，动态定位系统通常用于移动自升式船只进出仓。然而，在操作过程中，自升式船只的主体升高至出水面，并且该船只由支撑腿支撑在海床上。处于这个位置中的自升式船只基本上是静止的。而自升式船只升高至出水面使得动态定位系统不可能以常规方式估计环境作用力。因此，当从操作完成开始降低船只返回水里，至船只由支撑腿支撑过渡到在水里浮动之前，动态定位系统不能计算作用于船只的环境作用力。在不知道作用于船只的环境作用力的情况下，当支撑腿升起且不再支撑船只时，动态定位系统不能确定施加到船只上的适当的推力。在动态定位系统能够精确地估计环境作用力，从而控制推进器对船只施加适当的推力之前，作用在船只上的环境作用力会导致船只经历显著的位置偏移。在这种情况下，环境作用力的先前测量结果不再适用，因为自船只升高至出水面后，环境条件会发生改变是不可避免的。

鉴于上述情况，需要设计一种实现在船只从由支撑腿支撑过渡到船只位于水里浮动之前估计作用于被支撑的自升式船只上的环境作用力的方法。

发明概述

本发明提供了一种估计作用于被支撑的自升式船只上的环境作用力的方法，该方法包括以下步骤：将船只定位于作用力判定位置中；当第一推力施加到船只上时，测量自升式船只的至少一个支撑腿上的应变；对船只施加第二推力；随着该推力的变化，监测在该至少一个支撑腿上的应变的变化；以及在船只处于作用力判定位置中时，随着推力的变化，从在该至少一个支撑腿中测量到的应变以及在该至少一个支撑腿上监测到的应变的变化计算至少一个环境作用力的估计。

如本文所用，本发明的该方法的“作用力判定位置”是指这样一个位置，即，在该位置船只由支撑腿支撑，船只的主体置于水中且船只高于其最后吃水深度一小段距离。船只的最后吃水深度是这样一个位置，即船只进入水中且当船只完全在水中浮动且不需要支撑腿支撑。重要的是，处于作用力判定位置中的作用于船只的环境作用力基本上与当船只在它的最后吃水深度时的作用在船只上的环境作用力一样。处于作用力判定位置中，船只的推进器置于水中。

船只的作用力判定位置高于最后吃水深度的精确距离将依赖于本发明的该方法所应用的船只的不同而不同。然而，船只的一示例性作用力判定位置可以是高于其最后吃水深度0.5米到2米之间。在本发明的具体实施例中，作用力判定位置可以是高于船只最后吃水深度约1米。

本发明的该方案可以以下列方式操作。在自升式船只完成操作之后，自升式船只被降回到其最后吃水深度处。当船只处于作用力判定位置中时，向船只施加第一推力（第一推力可以是任何已知的恒定推力，包括但不局限于零推力）。从在至少一个自升式腿中测量到的应变计算来自于支撑腿的作用力的估计。来自于沿着或是围绕船只的任何轴的支撑腿的作用力是可以估计的。通常，对于常规的动态定位系统，通常会估计来自支撑腿的涉及船只的垂荡和横荡以及涉及船只的艏摇或是艏摆的作用力。继而控制船只的推进器对船只施加第二推力，第二推力与第一推力不同。随着推力的变化，监测在至少一个支撑腿中的应变的变化。

当船只处于作用力判定位置中，作用于船只上的环境作用力基本上与船只在它的最后吃水深度时一样。因此，来自于支撑腿的能够从测量到的应变中估计出的作用力将基本上等于当船只在它的最后吃水深度时且支撑腿被升起时的作用于船只上的环境作用力与由推进器施加到船只上的已知推力两者之间的差。就是说，来自于支撑腿的估计的作用力基本上应该等于作用于船只的环境作用力减去施加到船只上的推力。

虽然这些估计的作用力是对作用于自升式船只上的环境作用力的初始估计，但是当单一恒定推力作用到船只上时，计算所得的估计将是不准确的。因此，本发明的该方案不但要包括当施加第一推力到船只上时，测量在至少一个支撑腿中的应变的步骤，而且还要包括对船只施加第二推力，并监测在至少一个支撑腿上的应变随着推力的变化而监测变化的步骤。

本发明的该方案包括这些其他的步骤是为了提供一种改进的作用于船只的环境作用力的估计方案。特别是，来自支撑腿的经计算的作用力容易产生误差，例如，漂移误差，偏移误差以及比例误差。因此，随着施加的推力的变化，通过监测在至少一个支撑腿中的应变的变化，有可能对作用于船只上的环境作用力做出更好的估计。特别是，改变施加到船只上的推力将会导致一个已知的作用于船只的作用力的改变。随着推力的变化，通过监测在至少一个支撑腿中应变的变化，有可能计算出随着推力的变化，来自于支撑腿的经计算的作用力的变化。如果作用在船只上的环境作用力在此期间被推定为恒定值，则这允许来自于支撑腿的估计作用力和来自于支撑腿的实际作用力之间近似关系被确定。知道该关系则可以对作用于船只上的环境作用力作出更加准确的估计。

来自支撑腿的实际作用力与来自于支撑腿的估计作用力之间的关系可能包括偏移误差和比例误差。或者，在实际作用力与估计作用力之间可能还有不同的关系，例如多项式关系。实际的关系可以通过监测到的应变和施加的推力以对本领域技术人员显而易见的方式计算得到。例如，可使用高阶多项式算法或者神经网络算法来确定该关系。通过船只的动态定位系统的控制，将沿着或者围绕船只的每个相关轴执行关系的计算。这些计算可以独立地和/或同时地进行。

本发明的一个实施例中，涉及来自支撑腿的实际作用力以及来自支撑腿的估计作用力的至少一个比例因子可以用以上刚刚设置的方法计算获得。可以针对作用于沿着或者围绕船只的每个相关轴的作用力计算一单独的比例因子。

为了改进作用于船只的环境作用力的估计的精确度，优选的是施加到船只上的第二推力在大小和/或方向上是变化的，其中船只处于作用力判定位置中。很容易理解的是，随着监测在至少一个支撑腿中的应变，改变施加到船只上的第二推力将会使来自于支撑腿的估计作用力与来自于支撑腿的实际作用力之间的相关比较对船只施加单一大小和方向的第二推力而言更加精确地被确定。此外，这可允许沿着或者围绕自升式船只的所有相关轴精确地计算出来自于支撑腿的经计算的作用力与来自于支撑腿的实际作用力之间的关系。

施加到船只上的第二推力可以以任何模式在方向上和力度上发生变化。第二推力可以以预定的模式或者在随机的方向上或者以任何其他模式施加。优选的是第二推力应该以这样的方式施加到船只上，即，使得它改变沿着或是围绕船只所有相关轴作用到船只上的作用力（例如船只的垂荡，横荡以及船只的艏摇或是艏摆）。相关轴依靠于船只的任何动态定位系统控制的船只的方向。

如果施加到船只的第二推力变化了，且用它计算来自于支撑腿的估计作用力和来自于支撑腿的实际作用力之间的至少一个比例误差，那么用回归算法计算该至少一个比例误差可以是优选的。然而，是可以理解的是，任何适合的算法均能用于计算该至少一个比例误差。如果用回归算法，优选的是用最小二乘回归算法。回归算法，例如最小二乘回归算法还能够用于计算来自于支撑腿的实际作用力与估计作用力之间的任何其他关系。

除了上面设置的步骤，优选的是，根据本发明的方法进一步包括以下初始步骤：将船只从未被支撑的位置，其中船只没有被支撑腿支撑，升高到船只被支撑腿支撑的位置；在船只从未被支撑腿支撑过渡到被支撑腿支撑的过程中，监测施加的推力和在至少一个支撑腿中的应变；以及，从来自于监测的已施加的推力和应变中，确定至少一个偏移误差。

正如上面所讨论的，来自支撑腿的估计作用力，例如自在至少一个支撑腿中测量到的应变确定的作用力，或许不能完全精确的测量来自支撑腿的实际作用力。特别是，来自支撑腿的计算出的作用力可能容易产生偏移误差，其中来自支撑腿经计算的作用力与来自支撑腿的实际作用力相差一偏移量（其与一比例误差可以是或可以不是附加关系及或其他关系）。

任何偏移误差可以依据上述设置的方法以下列方式确定。当船只没有被支撑腿支撑而是置于水里漂浮，船只的动态定位系统将会提供推力来维持船只的该位置。当维持船只的该位置时，作用于船只上的环境作用力将与施加到船只上的推力大小相等且方向相反。因此，在这一点上，沿着或者围绕每一个相关轴作用于船只的环境作用力的精确估计是已知的。当船只过渡到由支撑腿支撑时，来自支撑腿的作用力将会产生附加的作用力作用于船只。在此期间施加到船只的推力可以减小到零。可以假设在过渡期间作用于船只的环境作用力保持恒定。当船只由支撑腿支撑时，来自支撑腿计算出的作用力能够从在至少一个支撑腿中测量到的应变中估计得出。这对于本领域技术人员显而易见能以任何方式实现。通过解出施加的推力以及作用于船只的环境作用力，能够计算出来自于支撑腿的预测作用力。再次，这对于本领域技术人员显而易见能以任何方式实现。可以认为来自支撑腿的预测作用力与来自支撑腿的计算出的作用力之间的差是来自支撑腿的计算出的作用力的偏移误差。该计算能够沿着或者围绕船只的每个相关轴独立地执行。

值得注意的是，可以或者当施加到船只的推力保持恒定不变，或者当施加到船只的推力是变化的情况下，例如，当施加到船只的推力减小到零的情况下计算出偏移误差。

即使仅测量自升式船只支撑腿中的一个支撑腿的应变，本发明的该方案也可以奏效。然而，优选的是应变要从自升式船只的多个支撑腿中测量获得。更加优选的是，应变要从自升式船只所有支撑腿中测量获得。很容易理解的是，测量自升式船只所有腿中的应变会使得计算出的来自支撑腿的作用力具有更加精准的估计。

优选的是，在至少一个支撑腿中的应变将通过测量安装在至少一个支撑腿上的多个应变计而获得。然而，本发明的该方案可能利用任何其他适合判定在至少一个支撑腿中的应变的方法。

有益的是，安装在至少一个支撑腿上的多个应变计包括安装在该至少一个支撑腿的当船只处于作用力判定位置时处于水下的多个位置上的多个水下应变计。附加的或者可替换的是，以下方式可能是优选的，多个应变计包括安装在该至少一个支撑腿的当船只处于作用力判定位置时处于水上的多个位置上的多个表面应变计。

为了精确地确定在至少一个支撑腿中的应变，优选的是将应变计置于至少一个支撑腿中的弦杆件和/或对角线支撑件上。将应变计置于弦杆件和/或对角线支撑件上可以提供至少一个支撑腿上的轴向载荷的最佳测量。

如果在至少一个支撑腿中的应变使用多个应变计测量获得，重要的是，将应变计设置这样的位置上，即当支撑腿通过自升式船只而升起以及降低时应变计不会被损坏。

J.N.Brekke（Brekke）在近海技术报告中以名为“马士基卫士号上的北海自升测量（North Sea Jack-Up Measurements on Maersk Guardian）”公开了一种测量自升式船只腿中应变的具体方法。在这篇文章中公开的测量应变的方法适合应用到本发明的该方案中。然而，可以理解的是，Brekke公开的方法可以以对本领域技术人员显而易见的任何适合的方式作出修改，以便将该方法应用到不同于Brekke公开的船只的其他自升式船只。

本发明也提供了一种当自升式船只从被支撑腿支撑过渡到不被支撑腿支撑时保持自升式船只位置的方法，该方法包括以下步骤：使用本发明的该方案估计作用于被支撑的自升式船只的至少一个环境作用力；根据该估计的至少一个环境作用力，施加合适的推力作用到船只上以当自升式船只的腿升起时保持船只的位置和方向；以及，完全升起自升式船只的腿。

利用这种方法，当自升式船只从被支撑腿支撑过渡到不被支撑腿支撑时，技术人员可能会比以前更好的保持自升式船只的位置。当作用于船只的环境作用力比较大或者随着时间的推移容易发生较大的变化时，该方案尤其有用。

现在给出根据本发明的估计作用于被支撑的自升式船只的环境作用力的方法的一优选实施例说明。

附图

图1示出了自升式船只处于完全升高至出水面的位置且自升式船只由支撑腿支撑；

图2示出了根据本发明的该方案图1中的自升式船只处于作用力判定位置；

图3示出了图1及图2中的自升式船只处于完全由水支撑的位置中且其支撑腿与地面接触；

图4示出了图1至图4中的自升式船只处于最后吃水深度位置处，其中船只完全由水支撑且支撑腿升起。

图1至图4中示出了自升式船只1在水体2中的操作过程。自升式船只有多个支撑腿3，该些支撑腿3可以从较高的位置移动到较低的位置或是从较低的位置移动到较高的位置，其中较高的位置是指船只完全由水支撑且支撑腿保持在水体的底部之上（如图4所示），较低的位置是指支撑腿3完全支撑船只且船只处于完全出水面的位置（如图1所示）。当自升式船只1处于图1所示的位置时，它能为海上施工提供一稳定的平台，并且当自升式船只1处于图4所示的位置时，自升式船只1能够以与常态的船只相同的方式在施工地点之间容易地移动。

优选的实施例的方案以下列方式操作。当船只1置于水中由水支撑且支撑腿3升起，如图4所示，使用一常规动态定位系统来控制船只的推进器来控制船只的位置。特别的是，该动态定位系统将在三个轴向上控制船只1：垂荡方向，横荡方向以及艏向。这些轴向的每一个均由独立的控制器控制。

当船只1在支撑腿3上支撑但是仍然处于水中时，如图2或3所示，船只将是静止的，所以整体上没有作用力作用于船只。特别的是，对于船只1的每个相关的自由度例如垂荡，横荡或是艏摆，下面的等式均成立（仅仅了解到的是，在下面的说明中仅考虑单一自由度，但是该说明同样适用于船只的任何自由度）：

F_t+F_e+F_l=0

其中F _t 是在船只的垂荡或是横荡的情况下来自于推进器的线性作用力，或是在船只的艏摆或是艏摇的情况下来自于推进器的转动力矩，F_e是沿着或是围绕相关轴的环境作用力，F_l是沿着或是围绕来自于船只1的支撑腿3的相关轴的真实作用力。

船只1的每个支撑腿3中的应变通过使用多个水下应变计（未示出）以及多个表面应变计（未示出）测量获得，其中上述应变计以Brekke公开的方式安装在每个支撑腿中的弦杆件和对角线支撑件上。来自于支撑腿3在相关自由度（例如垂荡，横荡或者艏摆）上的作用力通过以常规的方式从应变计的测量估计得到。然而，该估计的作用力容易产生偏移误差和比例误差。因此，认为来自于支撑腿3的估计作用力与来自于支撑腿的真实作用力有下面等式的关系：

F_m=(1+α)F_l+δ

其中F_m是来自于支撑腿的估计作用力，α是比例误差，　δ是偏移误差。本发明的优选实施例的方案允许计算α和δ，从而作出了作用于船只1的环境作用力的改进的估计。

紧接船只1在置于水里且由水支撑过渡到由支撑腿3支撑时（即图3显示的位置）这一过渡时刻之前，船只1是静止的且来自于支撑腿3在船只的每个自由度上的作用力是零（F_l=0）。因此环境作用力将与来自推进器的作用力大小相等且方向相反。这在紧接支撑腿3支撑船只1之前，给出了一个环境作用力的值。当这一点上的环境作用力以及来自于推进器的推力已知时，通过计算来自于完全支撑船只1的支撑腿3的作用力，就可做出偏移误差（δ）的估计。此估计是随着船只1从完全在水2中漂浮过渡到完全由支撑腿3支撑，使用合适的算法以及经过滤的测量结果版本作出的。

当船只1处于图2所示的作用力判定位置时，也可以是当船只1在支撑腿3上从它的最后吃水深度处升高时（图4的位置）或者是当船只从支撑腿3上的位于水2上的操作位置降低回到它的最后吃水深度处时（图1的位置），可以对比例误差作出估计。这将通过改变施加到船只1的推力以及随着对推力的监测，监测来自于支撑腿3的估计作用力的变化来完成的。在完成上述的过程中，作用于船只1的环境作用力被假设为恒定的。

图2所示的船只1的作用力判定位置是这样一个位置：在该位置船只1由支撑腿3支撑，船只1的主体置于水2中且船只在它的最后吃水深度之上的一小段距离。船只的最后吃水深度是这样一个位置：船只1进入水2中，当船只在水中完全漂浮且不被支撑腿3支撑。重要的是，在该作用力判定位置时作用于船只1的环境作用力与当船只在它的最后吃水深度处且船只的推进器置于水2中时的作用于船只的环境作用力基本上相同。在图2所示的该作用力判定位置处的船只1在水2中的部分高于船只在其最后吃水深度处时水中的部分，约1米。

当在作用力判定位置施加推力到船只1时，对于任何给出的自由度，当推进器作用力从初始作用力F_t1变化到第二作用力F_t2时，来自于支撑腿3的经计算的作用力将从初始作用力F_m1变化到第二作用力F_m2。

知道这四个值以及偏移误差的估计值可以通过下面的等式计算比例误差：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\δ}{-F}_{m2}}{F_{12}-F_{t1}{F}_{m1}+\mathrm{\δ}}-1$

在实践中，使用了来自于推进器的作用力以及来自于腿的经计算的作用力的多个经过滤的值，而不是简单的两个值。此外，估计不只做一次。取而代之的是，推力逐渐的变化且用最小二乘回归算法对比例误差做出更加精确的估计。

一旦已经精确地估计出比例误差以及偏移误差，那么就能够对作用于船只1的环境作用力作出精确的估计。当支撑腿3被升起且船只过渡到在水中完全漂浮（如图4所示）时，通过动态定位系统将合适的推力施加到船只上。这可以确保船只1不经历任何显著的位置偏移。

Claims (14)

1.一种估计作用于被支撑的自升式船只（1）上的环境作用力的方法，该方法包括以下步骤：

将该船只（1）定位于作用力判定位置中；

当第一推力施加到船只（1）上时，测量该自升式船只的至少一个支撑腿（3）上的应变；

对该船只（1）施加一施加于船只的第二推力；

随着施加的该推力的变化，监测在至少一个支撑腿（3）中的应变的变化；以及

船只（1）处于作用力判定位置中，随着推力的变化，从至少一个在支撑腿（3）中测量到的应变以及从至少一个在支撑腿（3）上监测到的应变的变化计算至少一个环境作用力的估计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当船只（1）处于作用力判定位置时，施加到船只（1）的第二推力在大小和/或方向上发生变化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：施加到船只（1）的第二推力以预定的模式发生变化以便使推力沿着船只（1）的垂荡自由度，横荡自由度以及艏摆自由度的每一个自由度发生变化。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：从至少一个支撑腿（3）中计算出的作用力与来自该至少一个支撑腿（3）中的实际作用力之间的至少一个比例误差是由监测到的在该至少一个支撑腿（3）中应变的变化以及施加到船只（1）上的该推力的变化而确定的。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：该至少一个比例误差用回归算法计算得出。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的比例误差用最小二乘回归算法计算得出。

7.根据以上权利要求中任意一项所述的方法，进一步包括以下初始步骤：

将该船只（1）从未被其支撑腿支撑的一未被支撑的位置升高到一船只（1）由支撑腿（3）支撑的位置；

在船只从未被支撑腿（3）支撑过渡到被支撑腿（3）支撑的过程中，监测该施加的推力以及在该至少一个支撑腿（3）中的应变；以及

从监测到的已施加的推力以及应变中确定来自于从该至少一个支撑腿（3）中计算出的作用力与来自于该至少一个支撑腿（3）中的实际作用力之间的至少一个偏移误差。

8.根据以上权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于：相对于船只的垂荡，横荡以及艏摆来估计作用于船只（1）的环境作用力。

9.根据以上权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于：应变在该自升式船只（1）的所有支撑腿（3）中测量获得。

10.根据以上权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于：应变在该至少一个支撑腿（3）中通过安装在该至少一个支撑腿（3）上的多个应变计测量获得。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述多个应变计包括安装在该至少一个支撑腿（3）的当船只（1）处于作用力判定位置时处于水下的多个位置上的多个水下应变计。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于：所述多个应变计包括安装在该至少一个支撑腿（3）的当船只（1）处于作用力判定位置时处于水上的多个位置上的多个表面应变计。

13.根据权利要求10至12中任意一项所述的方法，其特征在于：该些应变计置于至少一个支撑腿的弦杆件和/或对角线支撑件上。

14.一种自升式船只（1）从被支撑腿（3）支撑过渡到不被支撑腿（3）支撑时，保持自升式船只位置的方法，该方法包括以下步骤：

通过以上权利要求之一估计作用于被支撑的自升式船只（1）上的至少一个环境作用力;

当自升式船只（1）的支撑腿（3）升起时，根据对该至少一个估计出的环境作用力，对船只（1）施加合适的推力以保持船只的位置和方向；以及

完全升起该自升式船只（1）的支撑腿。

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