CN104050369A - 基于综合动力定位能力的推力敏感性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于综合动力定位能力的推力敏感性分析方法，包括步骤：计算该海洋结构物的艏向在工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]内的概率密度分布函数P(ψ)；根据动力定位能力综合分析判断标准定制判断方案；确定动力定位能力的稳定性在整体动力定位能力中所占的比重因子λ；计算各个推力器关于海洋结构物综合定位能力的推力敏感性。本发明一方面可以得到关于综合定位能力的量化的推力敏感性，另一方面可以得到推力敏感性最高的推力器。当整个系统难以提供足够的推力时，增加敏感性最高的推力器的推力，效果更明显。另外，在设计推力系统时，敏感性最高的推力器需要更高的安全系数，以保证整个推力系统的正常工作。

Description

基于综合动力定位能力的推力敏感性分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于综合动力定位能力的推力敏感性分析方法，是分析动力定位系统的推力系统中每个推力器推力对定位能力的敏感性方法。

背景技术

随着人类的探索领域向广袤的大洋延伸，在深水区域作业的海洋结构物，如海洋平台，各类工作船等的定位问题变的日益突出。在浅水区域，海洋结构物的定位尚且可以通过锚泊方式解决，但随着水深的加大，锚泊定位的成本呈指数趋势升高，所以需要新型的定位方式解决海洋结构物定位的问题。动力定位便是在这一背景下出现并发展起来的。海洋结构物上配置的动力定位系统通过卫星或水声列阵获得结构物当前位置，控制器由其与目标位置的偏差值计算出结构物回复到目标位置所需推力和转矩，推力系统产生所需的推力和转矩，使海洋结构物保持在目标位置附近。

动力定位能力分析能够得到海洋结构物在不同艏向角下的动力定位能力。海洋结构物通过由几种不同推力器组成的推力系统产生的推力和力矩来平衡所受到的环境力和力矩。推力器的推力对于海洋结构物的综合定位能力非常重要。为了得到每个推力器对整个动力定位能力的影响以及辨别敏感性最高的推力器，必须要进行推力敏感性分析。当需要提高海洋结构物的定位能力的时候，增加敏感性最高的推力器的推力，效果更明显。另外，在设计推力系统时，敏感性最高的推力器需要更高的安全系数，以保证整个推力系统的正常工作。

推力敏感性分析研究推力系统中所有推力器的推力敏感性。给定一个展开系数向量，每个推力器根据推力展开系数进行动力定位能力分析和综合定位能力计算，得到每个推力器推力敏感性结果。根据所给定的作业艏向区间，综合定位能力-推力器推力曲线的斜率为推力敏感性。斜率越大，表示推力敏感性越大。

发明内容

本发明就是为了分析在动力定位推力系统中每个推力器的推力对综合动力定位能力的影响大小，解决在动力定位系统无法提供足够推力时选取更有效的方法，同时为设计推力系统提供可靠指导。

本发明原理如下：

综合分析判断标准考虑两方面：整体平均动力定位能力和定位能力的稳定性。整体平均动力定位能力考虑海洋结构物在工作海域的工作艏向区间(指该海洋结构物相对于海洋环境条件的艏向角的区间)与其艏向在此艏向区间内的概率密度分布函数，计算动力定位能力分析结果的期望值。定位能力的稳定性由此区间上的动力定位能力的标准差和期望值的公式计算得到。

所述的工作艏向区间，根据长时间对此海洋结构物在海上工作的调查得到。所述的概率密度分布函数，根据长时间对此海洋结构物在海上工作的艏向的统计得到。因此，可以认为该动力定位能力综合分析判断标准是专门为特定的海洋结构物工作在特定的海域中定制的。

工作艏向区间和艏向的概率密度分布函数构成工作海域下海洋结构物的特定工作海况。在此定制的工作海况下可得到所述的整体平均定位能力和定位能力的稳定性，通过两者的结合定制综合分析判断标准，推力器推力通过所述的综合分析标准得到综合定位能力。推力器推力和综合定位能力构成推力敏感性分析方法。

体平均定位能力和定位能力的稳定性，可以通过调节它们在整体定位能力中的权重定制不同的判断方案，从而得到不同的综合定位能力，进而得到不同的推力敏感性结果。

在所述推力敏感性分析中，假设各个推进器的推力是相互独立的。

本发明的技术解决方法如下：

一种基于综合定位能力的推力敏感性分析方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，由罗经等测量设备获取海洋结构物在工作海域定制的起始艏向角和终止艏向角ψ_start，ψ_end，可由对该海洋结构物在工作海域的长期调查得到。海洋结构物的艏向在工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]内的概率密度分布函数P(ψ)，可由对该海洋结构物在工作海域的长期的统计得到。

通过长期统计得到海洋结构物的艏向在工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]中的概率密度分布函数P(ψ)的具体方法为：

$P\left({\mathrm{\ψ}}_i\right)=\frac{C\left({\mathrm{\ψ}}_i\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N}C\left({\mathrm{\ψ}}_i\right)}.$

其中，C(ψ_i)表示海洋结构物的艏向角为ψ_i(统计时采用离散方法，一般认为ψ∈[ψ_i-δψ，ψ_i+δψ)，即为艏向角为ψ_i)时的次数。P(ψ_i)表示海洋结构物的艏向角为ψ_i的概率，这是一种P(ψ)离散化的统计方法。如果无法得到海洋结构物艏向的统计结果，可以假设其艏向在工作艏向区间中出现的概率相同，即C(ψ_i)＝Constant。这时，P(ψ)可表示为：

$P\left(\mathrm{\ψ}\right)=\frac{1}{\left|\right|{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{end}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{start}}\left|\right|}.$

步骤2，根据动力定位能力综合分析判断标准定制专门的判断方案。

${\mathrm{Cap}}_{\mathrm{cri}}=\mathrm{\μ}\×e^{-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\μ}}},$

$\mathrm{\μ}={\∫}_{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{start}}}^{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{end}}}P\left(\mathrm{\ψ}\right)V_w\left(\mathrm{\ψ}\right)\mathrm{d\ψ},$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{\∫}_{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{start}}}^{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{end}}}P\left(\mathrm{\ψ}\right){(\mathrm{\μ}-V_w\left(\mathrm{\ψ}\right))}^2\mathrm{d\ψ}}.$

其中，ψ_start，ψ_end分别是根据海洋结构物在当前海域工作的起始艏向角和终止艏向角。P(ψ)是海洋结构物的艏向在工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]中的概率密度分布函数。V_w(ψ)是由动力定位能力分析得到的在艏向角为ψ时海洋结构物所能抵抗的最大风速。V_w(ψ)一般可由动力定位能力分析软件计算得到。μ为考虑到工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]和艏向概率密度分布函数P(ψ)后的V_w(ψ)的期望值。σ为考虑到工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]和艏向概率密度分布函数P(ψ)后的V_w(ψ)的标准差。

μ表示海洋结构物的整体平均动力定位能力，表示海洋结构物动力定位能力的稳定性。两者共同决定了海洋结构物的整体动力定位能力。λ表示动力定位能力的稳定性在整体动力定位能力中所占的比重因子。

步骤3，步骤2中提到的动力定位能力的稳定性在整体动力定位能力中所占的比重因子λ的确定由海洋结构物的工作要求而定。该海洋结构物在工作时对动力定位能力的稳定性要求越高，λ的值取得越大，以期达到最符合该海洋结构物的最佳标准。

步骤4，对步骤3所得综合定位能力关于第i个推力器推力进行求导，表示为第i个推力器的推力敏感性，其公式表示为

$F_{\mathrm{sensi}}^i=\left|\frac{\∂\mathrm{Ca}{p}_{\mathrm{cri}}}{\∂T_i}\right|.$

其中为第i个推力器关于海洋结构物综合定位能力的推力敏感性，Cap_cri表示海洋结构物的综合定位能力，T_i为第i个推进器的推力。越高表示第i个推进器的推力敏感性越高。

推力器推力和综合定位能力两者之间的关系不能简单概括为Cap_cri＝f(T_i)，需多次计算得到综合定位能力和推力器推力的关系。采用展开法对输入的推力器推力进行展开，形成推力展开向量。该推力展开量每个的综合定位能力都会计算出来。通过用展开法，可以得到综合定位能力Cap_cri的离散形式。推力展开向量可以通过推力器的初始推力和展开系数向量计算得到，具体表达式为:

$T_{\mathrm{str}}^i=T_{\mathrm{ini}}^i\×\left[\mathrm{Coe}{f}_j\right].$

其中，是推力展开向量，是第i个推力器推力，[Coef_j]是展开系数向量。例如，一个展开向量为[0.8 0.9 1.0 1.1 1.2]^T。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以实现方便快捷地比较不同推力器的推力对海洋结构物综合动力定位能力的影响。由于此方法基于实船的调查，利用该方法得到的结果具有更高的可信度和客观性。对于推力敏感性高的推力器，需要加大其安全系数，以保证该海洋结构物的综合动力定位能力。

附图说明

图1为海洋结构物在特定工作海域的工作艏向区间。

图2为推力敏感性分析流程图。

图3为某海洋结构物的1号推力器推力敏感性分析(点线0.6T₁,虚线0.8T₁,实线1.0T₁,点划线1.2T₁,点点划线1.4T₁)。

图4为某海洋结构物的2号推力器推力敏感性分析(点线0.6T₂,虚线0.8T₂,实线1.0T₂,点划线1.2T₂,点点划线1.4T₂)。

图5为某海洋结构物的3号推力器推力敏感性分析(点线0.6T₃,虚线0.8T₃,实线1.0T₃,点划线1.2T₃,点点划线1.4T₃)。

图6为某海洋结构物的4号推力器推力敏感性分析(点线0.6T₄,虚线0.8T₄,实线1.0T₄,点划线1.2T₄,点点划线1.4T₄)。

图7为某海洋结构物的5号推力器推力敏感性分析(点线0.6T₅,虚线0.8T₅,实线1.0T₅,点划线1.2T₅,点点划线1.4T₅)。

图8为某海洋结构物的6号推力器推力敏感性分析(点线0.6T₆,虚线0.8T₆,实线1.0T₆,点划线1.2T₆,点点划线1.4T₆₎。

图9为某海洋结构物的7号推力器推力敏感性分析(点线0.6T₇,虚线0.8T₇,实线1.0T₇,点划线1.2T₇,点点划线1.4T₇)。

图10为工作艏向区间为[0，2π]时关于综合定位能力的推力敏感性结果。

图11为工作艏向区间为[3π/4，5π/4]时关于综合定位能力的推力敏感性结果。

具体实施方案

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。

图1为海洋结构物在特定工作海域的工作艏向区间，如图所示，一个海洋结构物的工作艏向区间由一对逆时针顺序定义的ψ_start和ψ_end组成。通过长时间的海上调查，得到该海洋结构物工作艏向在[ψ_start，ψ_end]区间以及艏向在该区间内的概率密度分布函数P(ψ)。

图2为推力敏感性分析流程图，如图所示，输入第i号推力器初始推力通过推力展开向量将初始推力进行展开，结合动力定位能力的综合分析判断标准，计算得到推力展开后每个元素的综合定位能力，即综合定位能力展开向量，然后将综合定位能力展开量对第i号推力器推力进行求导得到第i号推力器推力敏感性；按此步骤循环至所有推力器的推力敏感性分析结果才结束。

图3-9为某海洋结构物1-7号推力器推力的敏感性分析图。

图10和图11为不同工作艏向区间关于综合定位能力的推力敏感性分析结果。如图所示，在所有推力器的综合定位能力-推力器推力曲线中，曲线斜率最大的推力器其推力敏感性最高。

首先执行步骤1，ψ_start，ψ_end的结果可以由罗经等海上测量设备对海洋结构物的长时间测量得到。P(ψ_i)的离散统计计算如下表所示。该表的统计方法可以根据实际情况而定，一种可能的方法为：统计1年，每隔1分钟记录一次，如果海洋结构物在某个区间中，其出现次数加1。

假设ψ_start＝157.5，ψ_end＝202.5，如上表所示。那么对于一段区间ψ₁∈[157.5，162.5)，对于表中的其他区间，也可以得到对应的P(ψ_i)。如果条件允许，ψ_i的区间越小越好。由于无法得到相应工况下的工作艏向区间及艏向的概率密度分布函数(没有海上实测数据)，假设ψ_start＝157.5，ψ_end＝202.5，P(ψ)＝1/||ψ_end-ψ_start||。

执行步骤2，将计算综合分析判断标准的公式写出来，得到如下模型：

${\mathrm{Cap}}_{\mathrm{cri}}=\mathrm{\μ}\×e^{-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\μ}}},$

$\mathrm{\μ}={\∫}_{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{start}}}^{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{end}}}P\left(\mathrm{\ψ}\right)V_w\left(\mathrm{\ψ}\right)\mathrm{d\ψ},$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{\∫}_{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{start}}}^{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{end}}}P\left(\mathrm{\ψ}\right){(\mathrm{\μ}-V_w\left(\mathrm{\ψ}\right))}^2\mathrm{d\ψ}}.$

其中，未知的量是比重因子λ，转到步骤3。

执行步骤3，确定动力定位能力的稳定性在整体动力定位能力中所占的比重因子λ。由于无法得到相应的工况动力定位能力稳定性所应占的比重(没有对应的海洋结构物工作时对定位能力稳定性的要求)，假设λ＝1。

定义推力展开系数向量为[0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5]^T,然后将推力器推力乘以展开系数向量的到推力展开向量，根据动力定位能力计算得到综合定位能力向量，执行步骤4，得到各个推力器推力敏感性。

以上显示和描述了本发明的基本方法、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述例子的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的方法，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.一种基于综合动力定位能力的推力敏感性分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，利用测量设备获取海洋结构物在工作海域定制的起始艏向角ψ_start和终止艏向角ψ_end，

计算该海洋结构物的艏向在工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]内的概率密度分布函数P(ψ)，公式如下：

$P\left({\mathrm{\ψ}}_i\right)=\frac{C\left({\mathrm{\ψ}}_i\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N}C\left({\mathrm{\ψ}}_i\right)}.$

其中，C(ψ_i)表示海洋结构物的艏向角为ψ_i时的次数，P(ψ_i)表示海洋结构物的艏向角为ψ_i的概率

如果无法得到海洋结构物艏向的统计结果，则假设其艏向在工作艏向区间中出现的概率相同，即C(ψ_i)＝Constant，则P(ψ)表示为：

$P\left(\mathrm{\ψ}\right)=\frac{1}{\left|\right|{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{end}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{start}}\left|\right|}.$

步骤2，根据动力定位能力综合分析判断标准定制判断方案，公式如下：

${\mathrm{Cap}}_{\mathrm{cri}}=\mathrm{\μ}\×e^{-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\μ}}},$

$\mathrm{\μ}={\∫}_{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{start}}}^{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{end}}}P\left(\mathrm{\ψ}\right)V_w\left(\mathrm{\ψ}\right)\mathrm{d\ψ},$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{\∫}_{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{start}}}^{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{end}}}P\left(\mathrm{\ψ}\right){(\mathrm{\μ}-V_w\left(\mathrm{\ψ}\right))}^2\mathrm{d\ψ}}.$

其中，ψ_start，ψ_end分别是根据海洋结构物在当前海域工作的起始艏向角和终止艏向角，P(ψ)是海洋结构物的艏向在工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]中的概率密度分布函数，V_w(ψ)是由动力定位能力分析得到的在艏向角为ψ时海洋结构物所能抵抗的最大风速，V_w(ψ)由动力定位能力分析软件计算得到，μ为考虑到工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]和艏向概率密度分布函数P(ψ)后的V_w(ψ)的期望值，σ为考虑到工作艏向区间[ψ_start，ψ_end]和艏向概率密度分布函数P(ψ)后的V_w(ψ)的标准差，μ表示海洋结构物的整体平均动力定位能力，表示海洋结构物动力定位能力的稳定性，λ表示动力定位能力的稳定性在整体动力定位能力中所占的比重因子；

步骤3，确定动力定位能力的稳定性在整体动力定位能力中所占的比重因子λ：该海洋结构物在工作时对动力定位能力的稳定性要求越高，λ的值取得越大，以期达到最符合该海洋结构物的最佳标准；

步骤4，计算各个推力器关于海洋结构物综合定位能力的推力敏感性，其公式表示为

$F_{\mathrm{sensi}}^i=\left|\frac{\∂\mathrm{Ca}{p}_{\mathrm{cri}}}{\∂T_i}\right|.$

其中，为第i个推力器关于海洋结构物综合定位能力的推力敏感性，Cap_cri表示海洋结构物的综合定位能力，T_i为第i个推进器的推力。越高表示第i个推进器的推力敏感性越高；

推力展开向量通过推力器的初始推力和展开系数向量计算得到，具体表达式为:

$T_{\mathrm{str}}^i=T_{\mathrm{ini}}^i\×\left[\mathrm{Coe}{f}_j\right].$

其中，是推力展开向量，是第i个推力器推力，[Coef_j]是展开系数向量。