CN105966557B - 一种水上结构物混合定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水上结构物混合定位系统，包括：张力腿系统与动力定位系统的混合定位系统；张力腿系统通过张力腿筋腱和锚固基础将水上结构物与水底地质结构连接，限制水上结构物在垂向的垂荡、横摇、纵摇运动；动力定位系统通过传感器系统和位置参考测量系统测定水上结构物因风、浪、流作用而发生的位移和方向变化，通过计算机等自动控制系统对信息进行实时处理、计算，并自动控制若干个不同方向的推进器的推力大小和力矩，使水上结构物回复到原有位置，控制水平方向上的纵荡、横荡和艏摇运动；张力腿系统与动力定位系统混合定位，限制水上结构物垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，达到自动定位补偿，实现全自动精准定位。

Description

一种水上结构物混合定位系统

技术领域

本发明涉及海上平台技术领域，特别涉及一种水上结构物混合定位系统。

背景技术

目前深远海大型海上平台技术，是一种全新概念的海上浮体结构型式，该技术水平世界领先、产品用途十分广泛，属于新型海洋工程装备产业，将使中国率先掌握“超大型海上平台”工程化的核心技术，把握战略先机。基于大型/超大型海上浮动平台的基本结构，平台的深海锚泊定位技术是一项技术难度高，施工复杂的海洋工程。现有水上平台定位技术主要包括锚泊定位，张力腿锚固定位，八点锚泊与动力定位。

现有技术中的定位技术不足以满足大型海上浮动平台的精准定位要求。

发明内容

本申请提供的一种水上结构物混合定位系统，解决了或部分解决了现有技术中的定位技术不足以满足大型海上平台精准定位要求的技术问题，实现了将张力腿系统与动力定位系统的技术融合，用于限制水上结构物的垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，实现水上结构物自动定位补偿和全自动精准定位的技术效果。

本申请提供了一种水上结构物混合定位系统，包括：

张力腿系统，设置在所述水上结构物的水下部分，包括多个呈多点式排列布置的张力腿锚固单元；所述张力腿锚固单元包括：张力腿筋腱和锚固基础；所述锚固基础固定在水底地质结构上；所述张力腿筋腱底部与所述锚固基础固定连接，顶部与所述水上结构物固定连接；

动力定位系统，设置在所述水上结构物上，包括：传感器系统、位置参考测量系统、控制系统及推力系统；所述传感器系统用于测定所述水上结构物的载荷、位移及方向变化信息，所述位置参考测量系统用于测量所述水上结构物的实际位置相对于设定目标位置之间的偏差值；所述控制系统根据所述载荷、位移、方向变化信息及所述偏差值，生成推力调配值，所述推力系统根据所述推力调配值控制所述水上结构物水平方向上的运动。

作为优选，所述混合定位系统还包括：

中央综合集成控制系统，包括：中央综合集成控制中心、信息处理系统、传感器和检测系统；

所述中央综合集成控制中心为控制器和控制软件组成的计算机；所述传感器和检测系统用于测定所述水上结构物因风、浪、流作用下发生的位移和方向变化以及张力腿受力和位移变化信息，所述信息处理系统根据所述位移和方向变化以及张力腿受力和位移变化，生成推力调配值和载荷调配值，并发送给所述推力系统和载荷调配系统；

所述推力系统根据所述推力调配值控制所述推力系统的推进器，使所述水上结构物回复到原有位置，控制所述水上结构物纵荡、横荡和艏摇运动；

所述载荷调配系统根据所述载荷调配值控制平台的压载载荷调配系统和张力腿的张紧系统，使所述水上结构物回复到原有位置，控制所述水上结构物垂荡、横摇、纵摇。

作为优选，所述张力腿系统单元还包括：顶部连接器和底部连接器；

所述张力腿筋腱通过所述顶部连接器与所述水上结构物连接；

所述张力腿筋腱通过所述底部连接器与所述锚固基础连接。

作为优选，所述张力腿锚固单元的数量超过4个；

所述张力腿锚固单元多点式布置在所述水上结构物的底部浮体上，将所述水上结构物与所述水底地质结构连接。

作为优选，所述动力定位系统还包括：动力系统；

所述动力系统设置在所述水上结构物内部，为整个所述动力定位系统供电并负责电源的分配和管理；在进行动力定位运作时，由所述控制系统进行控制。

作为优选，所述控制系统为控制器及控制软件组成的计算机；

所述位置参考测量系统设置在所述水上结构物上，包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪及倾角仪，所述位置参照系统用于测量所述水上结构物的位置所述电罗经用于测量所述水上结构物的艏向；所述倾角仪用于测量所述水上结构物的纵倾横倾角；所述风向风速仪用于测量所述水上结构物的风向、风力及风速；

所述传感器系统设置在所述水上结构物上，用于检测海上的风速、流速及浪高，生成风速信息、流速信息及浪高信息。

作为优选，所述位置参考测量系统与所述控制系统连接，所述控制系统根据输入的位置和艏向，对所述位置参考测量系统提供的数据进行分析和运算，生成所述推力调配值；所述控制系统发送推力指令到所述推力系统；

所述推力系统设置在所述水上结构物的水下部分；所述推力系统包括多个推力器，所述多个推力器安装在所述水上结构物的设定位置，接收所述控制系统发出的所述推力指令产生推力；

其中进行所述水上结构物定位时，通过所述传感器系统和所述位置参考测量系统来测定水上结构物因风、浪、流作用而发生的位移和方向变化，通过所述控制系统对信息进行实时处理、计算，并自动控制所述多个推进器的推力大小和力矩，使所述水上结构物回复到原有位置，控制水平方向上的纵荡、横荡和艏摇运动。

本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了张力腿系统和动力定位系统组合的混合定位系统，通过由张力推系统和动力定位系统形成的独立互补的作业模式，由张力腿系统链接水上结构物与水底地质，控制水上结构物垂直方向垂荡、横摇、纵摇上的运动；由动力定位系统控制水下若干个不同方向的推进器的推力大小和力矩，控制水平方向上纵荡、横荡和艏摇的运动，张力腿系统与动力定位系统独立运行，共同作用，相互弥补，实现自动精准定位；或通过中央综合集成控制系统，使张力腿系统和动力定位系统形成联合作业模式，综合控制水上结构物垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，实现了将张力腿系统与动力定位系统的技术融合，用于限制水上结构物的垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，根据结构物定位和稳性要求，综合利用张力腿系统定位和动力定位系统进行自动定位补偿，实现自动定位补偿，全自动精准定位的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的水上结构物混合定位系统的结构主视图；

图2为图1中混合定位系统的俯视图；

图3为水上结构物混合定位系统的右视图；

图4为图3中的水上结构物艏部的局部放大图；

图5为图3中的水上结构物艉部的局部放大图；

图6为图1中的中央综合集成控制系统的工作原理图。

(图示中各标号代表的部件依次为：1水上结构物、2浮体、3张力腿筋腱、4锚固基础、5顶部连接器、6底部连接器、7张力腿锚固单元、8推力系统、9传感器和检测系统、10中央综合集成控制中心、11全回转推进器、12伸缩式推进器、13艏侧推进器)

具体实施方式

本申请实施例提供的一种水上结构物混合定位系统，解决了或部分解决了现有技术中的定位技术不足以满足大型海上浮动平台精准定位要求的技术问题，实现了将张力腿系统单元群与动力定位系统的技术融合，用于限制水上结构物的垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，根据结构物定位和稳性要求，综合利用张力腿系统定位和动力定位系统进行自动定位补偿，实现全自动精准定位的技术效果。

参见附图1和3，本申请提供了一种水上结构物混合定位系统，包括：张力腿锚固单元7组成的张力腿系统，由推力系统8、传感器和检测系统9、动力系统、控制系统等组成的动力定位系统以及由中央综合集成控制中心10、信息处理系统、传感器和检测系统9总成的中央综合集成控制系统。

张力腿系统设置在水上结构物1的水下部分，包括多个呈多点式排列布置的张力腿锚固单元7；张力腿锚固单元7包括：张力腿筋腱3和锚固基础4；锚固基础4固定在水底地质结构上；张力腿筋腱3底部与锚固基础4固定连接，顶部与水上结构物1固定连接。

动力定位系统设置在水上结构物1上，包括：传感器系统、位置参考测量系统、控制系统及推力系统；传感器系统用于测定水上结构物的载荷、位移及方向变化信息，位置参考测量系统用于测量水上结构物1的实际位置相对于设定目标位置之间的偏差值；控制系统根据载荷、位移、方向变化信息及偏差值，生成推力调配值，推力系统根据推力调配值控制水上结构物1水平方向上的运动。

中央综合集成控制系统包括：中央综合集成控制中心10、信息处理系统、传感器和检测系统9。

中央综合集成控制中心10为控制器和控制软件组成的计算机；传感器和检测系统9用于测定水上结构物1因风、浪、流作用下发生的位移和方向变化以及张力腿受力和位移变化信息，信息处理系统根据位移和方向变化以及张力腿受力和位移变化，生成推力调配值和载荷调配值，并发送给推力系统和载荷调配系统。

推力系统根据推力调配值控制推力系统的推进器，使水上结构物1回复到原有位置，控制水上结构物纵荡、横荡和艏摇运动。

载荷调配系统根据载荷调配值控制平台的压载载荷调配系统和张力腿的张紧系统，使水上结构物1回复到原有位置，控制水上结构物1垂荡、横摇、纵摇运动。

参见附图6，该混合定位系统由中央综合集成控制系统集成控制张力腿系统与动力定位系统，控制水上结构物1垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，达到自动定位补偿，实现全自动精准定位，其混合集成作业模式包括：

由张力腿系统和动力定位系统形成的独立互补的作业模式，由张力腿系统连接水上结构物1与水底地质结构，控制水上结构物1垂直方向垂荡、横摇、纵摇上的运动；由动力定位系统控制水下若干个不同方向的推进器的推力大小和力矩，控制水平方向上纵荡、横荡和艏摇的运动，张力腿系统与动力定位系统独立运行，共同作用，相互弥补，实现自动精准定位。

由中央综合集成控制系统集成控制张力腿系统、动力定位系统的联合作业模式，综合控制水上结构物垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，达到自动定位补偿，实现全自动精准定位。

参见附图2，多个张力腿锚固单元7呈多点式排列布置；参见附图1，张力腿锚固单元7包括：锚固基础4、张力腿筋腱3、顶部连接器5及底部连接器6；锚固基础4固定在水底地质结构上；张力腿筋腱3底部与锚固基础4固定连接，顶部与水上结构物1固定连接；张力腿筋腱3竖直设置。

其中，张力腿筋腱3与锚固基础4及顶部连接器5和底部连接器6组成一个张力腿系统单元7，根据水上结构物1的大小和定位要求，将组合好的张力腿锚固单元7按照多点式排列形成张力腿系统，实现水上结构物1与水底地质结构的定位和固定，限制水上结构物1的垂荡、横摇、纵摇的自由度运动，并在结构物上安装动力定位系统，弥补水上结构物1在纵荡、横荡和艏摇的自由度运动，其中张力腿系统和动力定位系统既可以组合，独立运行，相互补充，又可以右中央综合集成控制系统综合控制，形成联合作业模式，在水上结构物1需要精准定位和平台稳定性的时候，解决水上结构物1的自动精准定位问题。

进一步的，水上结构物1的底部设置有浮体2。多点张力腿锚固单元7按设定规律布置在上述水上结构物1的底部浮体2上。张力腿系统包括不少于四个张力腿锚固单元7；将多个张力腿锚固单元7按照上述多点式布置，能实现大型海上浮动平台与水底地质结构的固定和良好定位。

参见附图2，作为一种优选的实施例，张力腿系统包括18个张力腿锚固单元7；其中6个张力腿锚固单元7分布在水上结构物1水下的浮体2两侧；另外12个张力腿锚固单元7分布在水上结构物1水下的浮体2中间。

进一步的，动力定位系统包括：动力系统、控制系统、位置参考测量系统、传感器系统，推力系统。推力系统包含：全回转推进器11、伸缩式推进器12、艏侧推进器13，位于水面之下，驱动水上结构物1运动，以控制水上结构物1的纵荡、横荡或艏摇运动。

传感器系统设置在水上结构物1上，用于检测海上的风速、流速及浪高，生成风速信息、流速信息及浪高信息。位置参考测量系统设置在水上结构物1上，包括：位置参照系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等，用于测量水上结构物的位置、艏向、纵倾横倾角等状态，以及风向、风力、风速等环境条件，通过接口输入到控制器中，控制器根据人工输入的位置和艏向，对位置参考测量系统提供的数据进行分析和运算，给出全回转推进器11、伸缩式推进器12、艏侧推进器13的控制指令。其中进行水上结构物定位时，通过传感器系统和位置参考测量系统来测定水上结构物因风、浪、流作用而发生的位移和方向变化，控制系统对位置参考测量系统提供的数据进行分析和运算，给出全回转推进器11、伸缩式推进器12、艏侧推进器13的控制指令，使水上结构物1回复到原有位置，控制水平方向上的纵荡、横荡和艏摇运动。

动力系统设置在水上结构物1内部，为整个动力定位系统供电并负责电源的分配和管理，在进行动力定位运作时，由动力定位系统的控制器进行控制。

控制系统设置在水上结构物1的控制中心，由一台装有控制器即控制软件的计算机执行控制，控制整个定位过程，同时计算机也作为人工控制台使用，提供人机交互工作的平台，便于操作员监控管理。

其中进行上述水上结构物1定位时，通过传感器系统和位置参考测量系统来测定水上结构物因风、浪、流作用而发生的位移和方向变化，通过计算机等自动控制系统对信息进行实时处理、计算，并自动控制各个全回转推进器11、伸缩式推进器12及艏侧推进器13的推力大小和力矩，使水上结构物回复到原有位置，控制水平方向上的纵荡、横荡和艏摇运动，从而实现高精度、可靠性定位。

其中，当进行水上结构物1精确定位时，艏侧推进器13的桨叶转动，驱动水上结构物1的艏部横向移动。伸缩式推进器12从艏侧推舱的底部伸出后工作，驱动水上结构物1水平移动。全回转推进器11工作，驱动水上结构物1的艉部水平移动。艏部横向移动、水上结构物1纵向移动及艉部水平移动，能有效控制水上结构物1在纵荡、横荡和艏摇的自由度运动，实现水上结构物1的精准定位。

参见附图2，作为一种优选的实施例，推力系统包括：两个全回转推进器11、两个伸缩式推进器12及四个艏侧推进器13。参见附图5，两个全回转推进器11分别设置在水上结构物1的艉部两侧，以提供水平全方位推力；参见附图4，两个伸缩式推进器12分别设置在水上结构物1的艏部两侧，以提供水平全方位推力；四个艏侧推进器13分别设置在水上结构物1的艏部两侧，以提供横向推力。

其中，四个艏侧推进器13中的两个艏侧推进器13设置在水上结构物1一侧的艏侧推舱内，另两个艏侧推进器10设置在水上结构物1另一侧的艏侧推舱内；伸缩式推进器12设置在艏侧推舱中，从艏侧推舱的底部伸出或缩回。

该混合定位系统有两种运行方式，分别为：

1、张力腿系统与动力定位系统组合，相互独立运行。水上结构物1在大多数情况下应用张力腿系统进行定位，在遇到较大风浪和载荷使水上结构物1产生的纵荡、横荡和艏摇超出结构物运行要求以及平台因为作业要求结构物的纵荡、横荡和艏摇的自由度运动更小时，人为开启和操作动力定位系统，使水上结构物1的自由度运动响应满足使用要求。

2、由中央综合集成控制系统，集成控制张力腿系统与动力定位系统，形成联合作业模式。由装有控制器和控制软件的计算机组成中央综合集成控制中心10；使用精密、先进的仪器组成传感器和检测系统9测定水上结构物1因风、浪、流作用而发生的位移和方向变化以及张力腿受力和位移变化等信息，通过由计算机等组成自动控制系统对信息进行实时处理、计算，并由中央综合集成控制中心10的控制器下达控制指令，自动控制动力定位系统中的若干个不同方向的推进器的推力大小和力矩，使水上结构物回复到原有位置，控制水上结构物垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，进行全自动进准定位。

本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了由张力腿系统将水上结构物1通过张力腿筋腱3和锚固基础4与水底地质结构连接，限制水上结构物1在垂向的垂荡、横摇、纵摇运动；同时安装动力定位系统，弥补水上结构物在纵荡、横荡和艏摇的自由度运动；再通过中央综合集成控制系统、张力腿系统和动力定位系统，形成联合作业模式，以限制水上结构物垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，达到自动定位补偿，实现全自动精准定位实现了将张力腿系统与动力定位系统的技术融合，用于限制水上结构物的垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动。这样，有效解决了现有技术中的定位技术不足以满足大型海上浮动平台精准定位要求的技术问题，实现了将张力腿系统与动力定位系统的技术融合，用于限制水上结构物1的垂荡、横摇、纵摇、纵荡、横荡和艏摇的六自由度运动，根据结构物定位和稳性要求，综合利用张力腿系统定位和动力定位系统进行自动定位补偿，实现全自动精准定位的技术效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水上结构物混合定位系统，其特征在于,所述混合定位系统包括：

张力腿系统，设置在所述水上结构物的水下部分，包括多个呈多点式排列布置的张力腿锚固单元；所述张力腿锚固单元包括：张力腿筋腱和锚固基础；所述锚固基础固定在水底地质结构上；所述张力腿筋腱底部与所述锚固基础固定连接，顶部与所述水上结构物固定连接；

动力定位系统，设置在所述水上结构物上，包括：传感器系统、位置参考测量系统、控制系统及推力系统；所述传感器系统用于测定所述水上结构物的载荷、位移及方向变化信息，所述位置参考测量系统用于测量所述水上结构物的实际位置相对于设定目标位置之间的偏差值；所述控制系统根据所述载荷、位移、方向变化信息及所述偏差值，生成推力调配值，所述推力系统根据所述推力调配值控制所述水上结构物水平方向上的运动；

中央综合集成控制系统，包括：中央综合集成控制中心、信息处理系统、传感器和检测系统；

所述中央综合集成控制中心为控制器和控制软件组成的计算机；所述传感器和检测系统用于测定所述水上结构物因风、浪、流作用下发生的位移和方向变化以及张力腿受力和位移变化信息，所述信息处理系统根据所述位移和方向变化以及张力腿受力和位移变化，生成推力调配值和载荷调配值，并发送给所述推力系统和载荷调配系统；

所述推力系统根据所述推力调配值控制所述推力系统的推进器，使所述水上结构物回复到原有位置，控制所述水上结构物纵荡、横荡和艏摇运动；

所述载荷调配系统根据所述载荷调配值控制平台的压载载荷调配系统和张力腿的张紧系统，使所述水上结构物回复到原有位置，控制所述水上结构物垂荡、横摇、纵摇。

2.如权利要求1所述的混合定位系统，其特征在于，

所述张力腿系统单元还包括：顶部连接器和底部连接器；

所述张力腿筋腱通过所述顶部连接器与所述水上结构物连接；

所述张力腿筋腱通过所述底部连接器与所述锚固基础连接。

3.如权利要求1所述的混合定位系统，其特征在于，

所述张力腿锚固单元的数量超过4个；

所述张力腿锚固单元多点式布置在所述水上结构物的底部浮体上，将所述水上结构物与所述水底地质结构连接。

4.如权利要求1所述的混合定位系统，其特征在于，

所述动力定位系统还包括：动力系统；

所述动力系统设置在所述水上结构物内部，为整个所述动力定位系统供电并负责电源的分配和管理；在进行动力定位运作时，由所述控制系统进行控制。

5.如权利要求1所述的混合定位系统，其特征在于，

所述控制系统为控制器及控制软件组成的计算机；

所述位置参考测量系统设置在所述水上结构物上，包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪及倾角仪，所述位置参照系统用于测量所述水上结构物的位置所述电罗经用于测量所述水上结构物的艏向；所述倾角仪用于测量所述水上结构物的纵倾横倾角；所述风向风速仪用于测量所述水上结构物的风向、风力及风速；

所述传感器系统设置在所述水上结构物上，用于检测海上的风速、流速及浪高，生成风速信息、流速信息及浪高信息。

6.如权利要求5所述的混合定位系统，其特征在于，

所述位置参考测量系统与所述控制系统连接，所述控制系统根据输入的位置和艏向，对所述位置参考测量系统提供的数据进行分析和运算，生成所述推力调配值；所述控制系统发送推力指令到所述推力系统；

所述推力系统设置在所述水上结构物的水下部分；所述推力系统包括多个推力器，所述多个推力器安装在所述水上结构物的设定位置，接收所述控制系统发出的所述推力指令产生推力；

其中进行所述水上结构物定位时，通过所述传感器系统和所述位置参考测量系统来测定水上结构物因风、浪、流作用而发生的位移和方向变化，通过所述控制系统对信息进行实时处理、计算，并自动控制所述多个推进器的推力大小和力矩，使所述水上结构物回复到原有位置，控制水平方向上的纵荡、横荡和艏摇运动。