漫步在哈爾濱工程大學(xué)校園，飛檐碧瓦的教學(xué)樓用剛毅的線條書(shū)寫(xiě)著這所大學(xué)的自傳，散發(fā)著大氣磅礴的氣質(zhì)和與眾不同的魅力。這里曾經(jīng)誕生了諸多的“共和國(guó)第一”。前不久，國(guó)家高技術(shù)船舶科研專項(xiàng)“DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)研制”項(xiàng)目在這里通過(guò)工信部驗(yàn)收。這意味著“定船神針”——中國(guó)最高級(jí)別的DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的誕生為“共和國(guó)第一”再添新丁。
《西游記》里的“定海神針”，可以神奇地一“針”定海。在現(xiàn)實(shí)世界，探索茫茫海洋，如何實(shí)現(xiàn)一“針”定船，使海上作業(yè)穩(wěn)定可靠？隨著我國(guó)海洋事業(yè)的發(fā)展，深海鉆井平臺(tái)、海底管線和電纜鋪設(shè)、起重船、海上打撈救生等海上作業(yè)，對(duì)可靠性要求越來(lái)越高，怎樣把海洋平臺(tái)穩(wěn)定精確地控制在作業(yè)點(diǎn)上？國(guó)家對(duì)于擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“定船神針”——最高級(jí)別船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)DP3的需求日益迫切。DP是動(dòng)態(tài)位置保持系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）的簡(jiǎn)稱，根據(jù)定位需求與效果的不同，可分為DP1、DP2、DP3三個(gè)級(jí)別，DP3級(jí)是國(guó)際海事組織的最高動(dòng)力定位級(jí)別，其精度最準(zhǔn)，抗風(fēng)險(xiǎn)能力最強(qiáng)，效果最好。
在今年7月底舉行的項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)上，中國(guó)工程院多位院士及專家認(rèn)為，這套系統(tǒng)在我國(guó)最高級(jí)別船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)領(lǐng)域取得重大工程化突破，打破國(guó)外壟斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)領(lǐng)域空白，實(shí)現(xiàn)了“零的突破”。
專家組的評(píng)價(jià)讓參研人員、哈爾濱工程大學(xué)教授邊信黔團(tuán)隊(duì)備感欣慰，那種成就感和快樂(lè)，就像生養(yǎng)了一個(gè)孩子，看著他學(xué)會(huì)爬、會(huì)走路、會(huì)奔跑、并有一天成為對(duì)社會(huì)有用的人，那種成就感，不經(jīng)歷孩子成長(zhǎng)的喜悅，別人可會(huì)明白？
在30多年的研究中，邊信黔團(tuán)隊(duì)和這個(gè)項(xiàng)目一同成長(zhǎng)。“千磨萬(wàn)擊還堅(jiān)勁，任爾東西南北風(fēng)”這既是對(duì)研發(fā)對(duì)象特征的形象描述，也是這個(gè)團(tuán)隊(duì)執(zhí)著堅(jiān)定的寫(xiě)照。這支科研團(tuán)隊(duì)來(lái)自“海洋裝置與控制技術(shù)研究所”。1982年，研究所成立時(shí)，哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教授、控制理論與控制工程學(xué)科帶頭人、博士生導(dǎo)師邊信黔給它起了個(gè)英姿颯爽的名字———北颯，既是“Best Sea Assembly Institude（BSA）”“最好的海洋裝備研究所”的英文音譯，又有“在北國(guó)英姿颯爽”的意譯。
1983年，團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先著手研發(fā)船舶動(dòng)力定位技術(shù)，首次在國(guó)內(nèi)建立起風(fēng)浪流作用下、船舶在動(dòng)力定位狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型等關(guān)鍵問(wèn)題，掌握了動(dòng)力定位技術(shù)基本原理，成為國(guó)內(nèi)首家具備生產(chǎn)一級(jí)（DP1）動(dòng)力定位系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)基地，為我國(guó)在船舶動(dòng)力定位技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
30余年過(guò)去了，團(tuán)隊(duì)堅(jiān)定于自己的研究方向，一直從事海洋運(yùn)載器的控制理論和工程應(yīng)用研究，即使在上個(gè)世紀(jì)80年代，科研項(xiàng)目較少時(shí)，也耐得住寂寞，坐住了冷板凳。多年后，在這厚厚的積淀上孕育出創(chuàng)新的果實(shí)，也就變得理所當(dāng)然。如今，哈爾濱工程大學(xué)在動(dòng)力定位系統(tǒng)領(lǐng)域已成為我國(guó)海軍和海洋工程領(lǐng)域無(wú)可替代的重要的技術(shù)依托力量。
“定船神針”精確定位
動(dòng)力定位系統(tǒng)的原理是應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)采集來(lái)的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)位置參照系統(tǒng)提供的位置自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，控制各個(gè)推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的“雷打不動(dòng)”。
這套復(fù)雜的綜合控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)四大部分。其中，控制系統(tǒng)居于核心地位，相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，這也是哈工程大學(xué)主攻的對(duì)象。
2013年8月2日，這套系統(tǒng)在南海海試中國(guó)船級(jí)社驗(yàn)船師檢驗(yàn)時(shí)，正趕上臺(tái)風(fēng)“海燕”過(guò)境的第二天。海面上浪疾風(fēng)高、波濤洶涌。在風(fēng)速6—9級(jí)、海流大于1節(jié)的海況條件下，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船舶高精度和高可靠的定位，達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。過(guò)后，看到其他參試人員照的“海燕”引起的海況照片，海上試驗(yàn)負(fù)責(zé)人夏國(guó)清教授才發(fā)現(xiàn)自己對(duì)剛剛距試驗(yàn)船幾海里之外的通天接海的龍卷風(fēng)竟渾然不覺(jué)。系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和高可靠性可見(jiàn)一斑。
“協(xié)同創(chuàng)新”合力制勝
集結(jié)“國(guó)家隊(duì)”科研力量協(xié)同創(chuàng)新，是當(dāng)前科技創(chuàng)新制勝的一大法寶。哈爾濱工程大學(xué)自2010年起牽頭承擔(dān)的這個(gè)項(xiàng)目是海洋工程研發(fā)領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新的成功典范。
該項(xiàng)目以自主研制DP3級(jí)最高級(jí)別的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)工程樣機(jī)為核心目標(biāo)，在控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)等方面取得重大突破，掌握了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工程樣機(jī)研制、集成和海上試驗(yàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DP3控制系統(tǒng)工程樣機(jī)。這是哈爾濱工程大學(xué)作為總體設(shè)計(jì)、技術(shù)主體和系統(tǒng)集成的牽頭單位，海洋石油工程股份公司作為海上實(shí)船試驗(yàn)的責(zé)任單位，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)第708研究所作為試驗(yàn)船設(shè)計(jì)單位，武漢船用機(jī)械有限公司作為大功率全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器研制單位，中國(guó)船級(jí)社作為認(rèn)證機(jī)構(gòu)，組成“國(guó)家隊(duì)”開(kāi)展研制工作，歷時(shí)4年協(xié)同創(chuàng)新取得的重大成果。
“高端裝備的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)，必須組織優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的國(guó)家隊(duì)開(kāi)展協(xié)同創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)。”該項(xiàng)目總指揮、哈爾濱工程大學(xué)副校長(zhǎng)夏桂華教授說(shuō)：“沒(méi)有項(xiàng)目成員長(zhǎng)期合作基礎(chǔ)和聯(lián)合推動(dòng)，這個(gè)制約我國(guó)高端海工裝備的瓶頸技術(shù)很難突破；沒(méi)有協(xié)同企業(yè)的重視和支持，專用試驗(yàn)船舶等研制條件很難到位；沒(méi)有深海工程與高技術(shù)船舶協(xié)同創(chuàng)新中心聯(lián)通創(chuàng)新鏈條，這項(xiàng)技術(shù)將長(zhǎng)期處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，無(wú)法向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。”
收獲多項(xiàng)“零的突破”
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人邊信黔教授與團(tuán)隊(duì)成員一起為這個(gè)集體營(yíng)造出一種文化，將其凝煉成“敢想、敢為、敢贏,求真、求實(shí)、求嚴(yán)”的“十二字箴言”。這種求真求實(shí)求創(chuàng)新的精神，使涉及眾多學(xué)科，技術(shù)復(fù)雜、難度高的“DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)”取得了多項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)突破。
——國(guó)內(nèi)首套滿足國(guó)際海事組織對(duì)三級(jí)動(dòng)力定位設(shè)備配置和功能要求的DP3控制系統(tǒng)工程樣機(jī)，獲中國(guó)船級(jí)社頒發(fā)的“船用產(chǎn)品證書(shū)”和系泊、航行及故障模式與影響分析試驗(yàn)的“檢驗(yàn)證明”，在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了零的突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
——在國(guó)內(nèi)首次提出三級(jí)動(dòng)力定位冗余功能所需的同步表決、仲裁邏輯、無(wú)縫切換等方法，研制出DP3系統(tǒng)的仲裁單元和冗余控制器，實(shí)船故障模式與影響分析試驗(yàn)證明了系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)三冗余、雙冗余、單模之間的自動(dòng)切換，可滿足海洋工程作業(yè)極高可靠性要求。
——在國(guó)內(nèi)首次提出多傳感器時(shí)空信息融合算法，基于狀態(tài)自適應(yīng)估計(jì)器的非線性模型預(yù)測(cè)動(dòng)力定位控制算法，基于監(jiān)督和切換的推力分配優(yōu)化算法，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的實(shí)船應(yīng)用軟件。實(shí)船試驗(yàn)證明，該DP3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度和高可靠定位功能。
此外，該系統(tǒng)還提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)方法、設(shè)計(jì)制造調(diào)距型大功率全回轉(zhuǎn)舵槳、DP3級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)船區(qū)域控位技術(shù)、陸基模擬船舶海上六自由度運(yùn)動(dòng)特性的DP3系統(tǒng)調(diào)試新方法、大功率高精度等高錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)與研制、大型全回轉(zhuǎn)舵槳裝置水下維護(hù)與健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等十余項(xiàng)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的關(guān)鍵技術(shù)和方法。
據(jù)資料估算，我國(guó)每年潛在的動(dòng)力定位系統(tǒng)船達(dá)幾十艘，市場(chǎng)潛力巨大。此前，國(guó)內(nèi)工程作業(yè)船舶僅DP1級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，DP2、DP3級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)產(chǎn)品則主要被國(guó)外品牌所壟斷。專家認(rèn)為，DP3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是我國(guó)走向深海不可或缺的核心關(guān)鍵裝備，為我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，也將為我國(guó)海洋工程向深海進(jìn)軍提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。