CN104090572B - 基于动力定位能力玫瑰图的综合分析判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动力定位能力玫瑰图的综合分析判断方法，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。本发明可以针对特定工作海域下海洋结构物的工作情况，定制相对应的判断方案，以期综合比较不同工况下定位能力的优劣。

Description

基于动力定位能力玫瑰图的综合分析判断方法

技术领域

本发明涉及一种基于动力定位能力玫瑰图的综合分析判断方法，特别是涉及一种针对不同海洋结构物或相同海洋结构物在不同推力系统配置下动力定位能力玫瑰图的综合比较方法。

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。在设计和使用一套新的动力定位系统时，操作安全一直是第一要位的。为了预期达到一种安全和有效的操作，该系统在工作海域不同艏向下能够承受的最大环境力是必须要了解清楚的。因此在设计新的动力定位系统海洋结构物时，必须要进行动力定位能力分析。

在得到动力定位能力分析的结果后，经常会遇到比较不同海洋结构物或相同海洋结构物在不同推力器配置下的动力定位能力。在大多数情况下，动力定位能力分析的结果一般在玫瑰图上展示。如果工况1对应的玫瑰图包含于工况2对应的玫瑰图，那么工况1对应的动力定位能力优于工况2对应的动力定位能力。然而，对于那些玫瑰图相互重叠的工况，要比较它们的动力定位能力变得非常困难。传统的比较方法一般是根据比较者对于玫瑰图的直观判断。这种方法通常是片面的或因人而异的，没有全面反映海洋结构物整体的动力定位能力。

发明内容

本发明就是为了解决在动力定位能力分析玫瑰图的比较中缺乏考虑整体的因素而提出的一种综合分析判断标准。

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。

所述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该综合分析判断标准。

所述的整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。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于动力定位能力玫瑰图的综合分析判断方法，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。

与现有方法相比，本发明充分考虑特定海洋结构物在特定工作海域的工作情况，使得到的动力定位能力比较结果反映的情况更为全面，从而更加能够为针对该海洋结构物设计动力定位系统提供参考。当综合分析判断标准中的参数确定后，只需按照公式进行计算即可，比通过玫瑰图直观判断更客观，因而更能让其他机构或单位认可。

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为某海洋结构物的动力定位能力玫瑰图。

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。

图2为某海洋结构物的动力定位能力玫瑰图。该图一共展示了3个工况。由传统的从图形上比较各个不同工况下的动力定位能力时，很容易确定工况1和工况2的动力定位能力均劣于工况3的动力定位能力。但是，工况1和工况2的玫瑰图有明显的交叉，很难判断哪个工况的动力定位能力最优。通过动力定位能力综合分析判断标准，可以快速客观地判断出工况1和工况2对应的动力定位能力的优劣。

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。由于无法得到图2中各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。由于无法得到图2中对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。

返回步骤2中计算Cap_cri，其中V_w(ψ)是图2中的各个角度下的最大风速。经计算，工况1，工况2和工况3对应的Cap_cri分别为0.61,0.70,1(已进行归一化，方便比较)。因此，通过动力定位能力综合分析判断标准，定制专门的综合分析判断方案，可以快速客观地判断工况1对应的动力定位能力劣于工况2对应的动力定位能力。

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)

1.一种基于动力定位能力玫瑰图的综合分析判断方法，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：

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

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)表示海洋结构物的艏向角为ψ_i的概率，N是在海上实测前根据概率密度分布函数P(ψ)的精度要求确定的艏向角的个数；

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：

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

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：

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

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

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

其中，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，表示海洋结构物的整体平均动力定位能力，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，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的值则取得越大，以期达到最符合该海洋结构物的最佳标准。