漫步在哈爾濱工程大學(xué)校園，飛檐碧瓦的教學(xué)樓用剛毅的線條書寫著這所大學(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“共和國第一”。前不久，國家高技術(shù)船舶科研專項“DP3動力定位系統(tǒng)研制”項目在這里通過工信部驗收。這意味著“定船神針”——中國最高級別的DP3船舶動力定位系統(tǒng)的誕生為“共和國第一”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)實世界，探索茫茫海洋，如何實現(xiàn)一“針”定船，使海上作業(yè)穩(wěn)定可靠？隨著我國海洋事業(yè)的發(fā)展，深海鉆井平臺、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)，對可靠性要求越來越高，怎樣把海洋平臺穩(wěn)定精確地控制在作業(yè)點上？國家對于擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“定船神針”——最高級別船舶動力定位系統(tǒng)DP3的需求日益迫切。DP是動態(tài)位置保持系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）的簡稱，根據(jù)定位需求與效果的不同，可分為DP1、DP2、DP3三個級別，DP3級是國際海事組織的最高動力定位級別，其精度最準，抗風(fēng)險能力最強，效果最好。
在今年7月底舉行的項目驗收會上，中國工程院多位院士及專家認為，這套系統(tǒng)在我國最高級別船舶動力定位系統(tǒng)領(lǐng)域取得重大工程化突破，打破國外壟斷，填補了國內(nèi)船舶動力定位系統(tǒng)領(lǐng)域空白，實現(xiàn)了“零的突破”。
專家組的評價讓參研人員、哈爾濱工程大學(xué)教授邊信黔團隊備感欣慰，那種成就感和快樂，就像生養(yǎng)了一個孩子，看著他學(xué)會爬、會走路、會奔跑、并有一天成為對社會有用的人，那種成就感，不經(jīng)歷孩子成長的喜悅，別人可會明白？
在30多年的研究中，邊信黔團隊和這個項目一同成長。“千磨萬擊還堅勁，任爾東西南北風(fēng)”這既是對研發(fā)對象特征的形象描述，也是這個團隊執(zhí)著堅定的寫照。這支科研團隊來自“海洋裝置與控制技術(shù)研究所”。1982年，研究所成立時，哈爾濱工程大學(xué)自動化學(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“在北國英姿颯爽”的意譯。
1983年，團隊在國內(nèi)率先著手研發(fā)船舶動力定位技術(shù)，首次在國內(nèi)建立起風(fēng)浪流作用下、船舶在動力定位狀態(tài)下的運動數(shù)學(xué)模型等關(guān)鍵問題，掌握了動力定位技術(shù)基本原理，成為國內(nèi)首家具備生產(chǎn)一級（DP1）動力定位系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)基地，為我國在船舶動力定位技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
30余年過去了，團隊堅定于自己的研究方向，一直從事海洋運載器的控制理論和工程應(yīng)用研究，即使在上個世紀80年代，科研項目較少時，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，也就變得理所當(dāng)然。如今，哈爾濱工程大學(xué)在動力定位系統(tǒng)領(lǐng)域已成為我國海軍和海洋工程領(lǐng)域無可替代的重要的技術(shù)依托力量。
“定船神針”精確定位
動力定位系統(tǒng)的原理是應(yīng)用計算機對采集來的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)位置參照系統(tǒng)提供的位置自動進行計算，控制各個推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的“雷打不動”。
這套復(fù)雜的綜合控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、測量系統(tǒng)四大部分。其中，控制系統(tǒng)居于核心地位，相當(dāng)于整個系統(tǒng)的“大腦”，這也是哈工程大學(xué)主攻的對象。
2013年8月2日，這套系統(tǒng)在南海海試中國船級社驗船師檢驗時，正趕上臺風(fēng)“海燕”過境的第二天。海面上浪疾風(fēng)高、波濤洶涌。在風(fēng)速6—9級、海流大于1節(jié)的海況條件下，試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了船舶高精度和高可靠的定位，達到國際同類產(chǎn)品的先進水平。過后，看到其他參試人員照的“海燕”引起的海況照片，海上試驗負責(zé)人夏國清教授才發(fā)現(xiàn)自己對剛剛距試驗船幾海里之外的通天接海的龍卷風(fēng)竟渾然不覺。系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和高可靠性可見一斑。
“協(xié)同創(chuàng)新”合力制勝
集結(jié)“國家隊”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)的這個項目是海洋工程研發(fā)領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新的成功典范。
該項目以自主研制DP3級最高級別的動力定位控制系統(tǒng)工程樣機為核心目標，在控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)等方面取得重大突破，掌握了該系統(tǒng)的設(shè)計、工程樣機研制、集成和海上試驗技術(shù)，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的DP3控制系統(tǒng)工程樣機。這是哈爾濱工程大學(xué)作為總體設(shè)計、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船試驗的責(zé)任單位，中國船舶工業(yè)集團第708研究所作為試驗船設(shè)計單位，武漢船用機械有限公司作為大功率全回轉(zhuǎn)推進器研制單位，中國船級社作為認證機構(gòu)，組成“國家隊”開展研制工作，歷時4年協(xié)同創(chuàng)新取得的重大成果。
“高端裝備的國產(chǎn)化研發(fā)，必須組織優(yōu)勢互補的國家隊開展協(xié)同創(chuàng)新來實現(xiàn)。”該項目總指揮、哈爾濱工程大學(xué)副校長夏桂華教授說：“沒有項目成員長期合作基礎(chǔ)和聯(lián)合推動，這個制約我國高端海工裝備的瓶頸技術(shù)很難突破；沒有協(xié)同企業(yè)的重視和支持，專用試驗船舶等研制條件很難到位；沒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，這項技術(shù)將長期處于實驗室樣機階段，無法向產(chǎn)業(yè)化邁進。”
收獲多項“零的突破”
項目負責(zé)人邊信黔教授與團隊成員一起為這個集體營造出一種文化，將其凝煉成“敢想、敢為、敢贏,求真、求實、求嚴”的“十二字箴言”。這種求真求實求創(chuàng)新的精神，使涉及眾多學(xué)科，技術(shù)復(fù)雜、難度高的“DP3動力定位系統(tǒng)”取得了多項關(guān)鍵性技術(shù)突破。
——國內(nèi)首套滿足國際海事組織對三級動力定位設(shè)備配置和功能要求的DP3控制系統(tǒng)工程樣機，獲中國船級社頒發(fā)的“船用產(chǎn)品證書”和系泊、航行及故障模式與影響分析試驗的“檢驗證明”，在國內(nèi)實現(xiàn)了零的突破，填補了國內(nèi)空白。
——在國內(nèi)首次提出三級動力定位冗余功能所需的同步表決、仲裁邏輯、無縫切換等方法，研制出DP3系統(tǒng)的仲裁單元和冗余控制器，實船故障模式與影響分析試驗證明了系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可實現(xiàn)三冗余、雙冗余、單模之間的自動切換，可滿足海洋工程作業(yè)極高可靠性要求。
——在國內(nèi)首次提出多傳感器時空信息融合算法，基于狀態(tài)自適應(yīng)估計器的非線性模型預(yù)測動力定位控制算法，基于監(jiān)督和切換的推力分配優(yōu)化算法，開發(fā)了相應(yīng)的實船應(yīng)用軟件。實船試驗證明，該DP3系統(tǒng)實現(xiàn)了高精度和高可靠定位功能。
此外，該系統(tǒng)還提出了基于擴展卡爾曼濾波（EKF）的最優(yōu)狀態(tài)估計方法、設(shè)計制造調(diào)距型大功率全回轉(zhuǎn)舵槳、DP3級動力定位系統(tǒng)實船區(qū)域控位技術(shù)、陸基模擬船舶海上六自由度運動特性的DP3系統(tǒng)調(diào)試新方法、大功率高精度等高錐齒輪傳動機構(gòu)的國產(chǎn)化設(shè)計與研制、大型全回轉(zhuǎn)舵槳裝置水下維護與健康狀態(tài)實時監(jiān)測等十余項填補國內(nèi)空白的關(guān)鍵技術(shù)和方法。
據(jù)資料估算，我國每年潛在的動力定位系統(tǒng)船達幾十艘，市場潛力巨大。此前，國內(nèi)工程作業(yè)船舶僅DP1級動力定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)國產(chǎn)化，DP2、DP3級動力定位系統(tǒng)產(chǎn)品則主要被國外品牌所壟斷。專家認為，DP3船舶動力定位系統(tǒng)是我國走向深海不可或缺的核心關(guān)鍵裝備，為我國在該領(lǐng)域的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，也將為我國海洋工程向深海進軍提供堅實的技術(shù)保障。