Dynamisk posisjonering

dynamisk posisjonering

Dynamisk posisjonering, ofte forkortet DP, er en metode for å holde skip og halvt nedsenkbare plattformer i eksakt samme posisjon, kun ved bruk av fartøyets propeller og ror. Sentralt i DP-systemet er en matematisk modell som beregner hvordan ror og propeller må styres for å holde fartøyet eller plattformen opp mot miljøkrefter som vind, strøm og bølger. Dette avanserte reguleringssystemet bygger på data fra sensorer som måler nøyaktig posisjon (posisjonsreferansesystemer), vind, samt fartøyets rullebevegelser og kurs.

DP-systemer er svært utbredt i forbindelse med offshoreoperasjoner, men bruken får stadig større utbredelse hvor man ønsker at fartøyet skal ligge i ro uten å måtte ankre. Teknologien har blant annet vært avgjørende for å gjøre offshoreoperasjoner på dypt vann mulig.

Man kan beskrive alle bevegelser til et fartøy i seks frihetsgrader. Et DP-system vil være i stand til å styre tre av disse; jaging (langskips), svai (tverrskips) og giring (kursforandring). På operatørpanelene finnes disse på egne funksjonsknapper med de engelske benevningene surge, sway og heading. De øvrige tre frihetsgradene – rulling, hiving og stamping – kan ikke styres, men blir registrert av egne bevegelsessensorer, gjerne kalt «motion reference unit» (MRU).

Selve reguleringsprinsippet i DP-systemet er normalt basert på et kalmanfilter. Dette filteret beregner skipets posisjon og bevegelse ut fra miljøkrefter og tilbakemelding fra propellene og rorenes kraft og stilling. Den beregnede posisjonen sammenlignes så med målte verdier fra posisjonsreferansesystemene og gyrokompass. Avviket mellom beregnede og målte verdier går tilbake til filteret og betraktes som om der er påvirkning av en ekstra kraft. Dette blir gjerne vist som en havstrøm på skjermen. I virkeligheten er imidlertid ikke dette bare en strøm, men summen av feil på fartøymodell og enkelte referansesystemer – eksempelvis vindmåleren. Videre vil filteret gi kommando til propellene og ror om nye innstillinger (set-punkt) for å holde skipet i ønsket posisjon og kurs.

Etter hvert som tiden går vil filteret oppdateres basert på avvikene, systemet vil bli mer stabilt, og det kreves mindre energi for å holde skipet i posisjon. På grunn av oppdateringstiden vil kritiske DP-operasjoner normalt ikke starte før etter 20–30 minutter fra systemet er aktivisert (fra «skipet lagt på DP»).

For at DP-systemet skal fungere kreves en rekke forskjellige sensorer:

• Nøyaktige posisjonsreferansesystemer. Dette kan være globale differensielle GNSS-systemer, kortdistanse radio- eller laserbaserte systemer eller undervannsakustiske systemer (se hydroakustisk posisjonering).
• Vinkelreferansesystemer. Dette dreier seg om nøyaktige gyrokompass, samt egne MRU-sensorer som registrerer skipets rulle- og stampe-bevegelser. Hvis for eksempel en GNSS-antenne beveger seg horisontalt vil MRU-data benyttes for å vite om forflytningen skylles skipets rulling eller en faktisk horisontal avdrift.
• Vindsensor (anemometer). Denne gir systemet informasjon om vindens retning og styrke, slik at DP-systemet øyeblikkelig kan kompensere for dette ved å oppdatere kommando til ror og propeller.

I utgangspunktet ble DP-systemene utviklet for å holde fartøy i ro under avanserte offshoreoperasjoner. Krav til spesialutviklede, robuste og redundante løsninger, samt krav om svært nøyaktige posisjonsreferanser, førte til at systemene ble svært kostbare.

Senere har utviklingen av kraftigere datamaskiner og nøyaktig satellittnavigasjon som GPS, gjort at rimeligere løsninger har blitt utviklet, og som i sin tur har bidratt til vesentlig utvidet bruksområde. Det er derfor nå vanlig å finne DP-systemer på cruiseskip, forskningsfartøy, servicefartøy i oppdrettsnæringen, tankskip og marinefartøy. Enkle systemer finnes nå også tilpasset fritidsbåter.

Hvert enkelt system kan da være skreddersydd til forskjellige fartøytyper. Eksempler kan være:

• Autoposisjon («station keeping»), hvor skipet automatisk holdes på eksakt samme posisjon, uavhengig av vær- og strømpåvirkning.
• Automatisk rute («auto track»), hvor skipet følger en programmert rute, der fart, kurs og svingesirkler er bestemt på forhånd. I sin enkleste form kan dette også fungere som autopilot.
• Automatisk følging, for eksempel etter en fjernstyrt undervannsfarkost (ROV) («follow sub»). Dette er vanlig under inspeksjon og kartlegging der en ROV styres fra et eget kontrollrom, og fartøyet følger slavisk etter. Dette krever akustisk posisjonering (HPR) av ROV.
• Automatisk kryssing, for eksempel i forbindelse med kortere fergeruter («auto crossing»). Dette minner om automatisk rute, men terminologien benyttes gjerne i forbindelse med kortere fergeruter – eksempelvis frem og tilbake over en fjord.

Det vil også være mulig å benytte systemet i halvautomatisk modus. Da kan man for eksempel styre skipets langskipsposisjon (surge) med en joystick, mens systemet holder de to andre frihetsgradene automatisk (sway og heading).

På borerigger kan man også ha varianter hvor systemet er koblet mot ankervinsjer i tillegg til propellsystemer. Dette kalles gjerne POSMOOR-system («positioning and mooring»). På tankskip som laster olje fra en lastebøye (se bøyelasting) er det ofte en funksjon som hele tiden holder skipet opp mot miljøkreftene på en gitt dreiesirkel omkring lastepunktet. Dette kalles weather vaning.

Siden DP-systemene har blitt utviklet for mange kritiske offshore-anvendelser er det tett oppfulgt av strenge systemkrav og reguleringer. Dette er både operasjonelle og tekniske krav.

Internasjonale retningslinjer gjennom IMO ligger i bunn, men også nasjonale krav og bransjekrav kan gi strenge premisser for DP-operasjon. Eksempel på viktige instanser i så måte er Petroleumstilsynet, oljeselskaper, klassifikasjonsselskaper (for eksempel DNV) og bransjeorganisasjoner som IMCA.

I reglene skilles det gjerne mellom tre forskjellige DP-klasser, ut fra konsekvensene en feil kan føre til. Det vises ofte til «utstyrsklasse» eller «konsekvensklasse», der det stilles krav til en gitt klasse utfra hvilken operasjon som skal utføres.

Dette er den laveste offisielle DP-klassen, og den skal brukes ved operasjoner hvor tap av posisjon ikke fører til skade på personell, men kan føre til små materielle skader eller mindre forurensninger.

Denne klassen brukes ved operasjoner der tap av posisjon kan føre til skade på personell, forurensning eller materielle skader med store økonomiske konsekvenser.

Klasse 2 har strenge krav til reserveløsninger («backup») for alle komponenter som inngår i DP-systemet. Eksempelvis vil det blant annet kreves minst tre uavhengige posisjonsreferanser og gyrokompass, samt ekstra strømforsyninger, kalt uninterruptible power supply (UPS).

DP-klasse 3 skal brukes ved operasjoner hvor tap av posisjon kan føre til tap av menneskeliv, store forurensninger eller materielle skader med alvorlige økonomiske konsekvenser.

Klasse 3 har strengere krav til reserveløsninger enn klasse 2, og i tillegg skal systemet være bygget slik at det kan tåle brann eller vanninntrengning i maskin- og operatøravdelinger. Typiske klasse 3-operasjon er bemannede undervannsoperasjoner (dykking) og boreoperasjoner.

I tillegg til de nevnte klassene kan man finne system som kalles klasse 0. Dette er normalt helt enkle system uten reserveløsning, og er gjerne montert i fartøy som ikke har spesiell godkjenning for DP-operasjoner. Funksjonaliteten kan imidlertid være lik det man finner på et klasse 1-fartøy.

STCW-konvensjonen fra IMO, som regulerer opplæring og trening av sjøfolk, beskriver et anbefalt treningsregime for operasjon av DP-systemer. Offshoreindustrien har lenge satt slik trening som et krav, og hvor sertifisering og forvaltning er ivaretatt av Nautical Institute i London eller DNV. I Norge er det flere maritime skoler og kurssenter som er autorisert til å gi slik opplæring.

Opplæringen gir grundig innsikt i DP-systemets oppbygging og funksjonalitet, og er til dels simulator-basert. Det er spesielt lagt vekt på å håndtere kritiske situasjoner som kan oppstå under avanserte operasjoner, for eksempel tap av maskinkraft eller utfall og feil på viktige sensorer, samt forverring av værforhold. DP-operatørene fører sin egen loggbok som skal dokumentere opplæring og praksis.

Alle fartøy, også utenfor offshorenæringen, vil ha krav om å følge IMO sin ISM-kode (The International Management Code for the Safe Operation of Ships and for Pollution Prevention). I dette legges det grunn at man skal operere i henhold til «beste praksis», hvilket i praksis betyr at man skal ha spesialopplæring i DP, hvis skipet er utstyrt med dette.

Utviklingen av DP-systemer startet i 1961 ut fra behovene Shell hadde for boring på dypt vann i Mexicogolfen. Dette året satte selskapet i drift borefartøyene CUSS-1 og Eureka, som begge var utstyrt med azimut-propellere og automatisk styresystem. Det var Shell-ingeniøren Howard Shatto (1924–2018) som var pådriveren i denne utviklingen.

Den norske kybernetikeren Jens G. Balchen (1926–2009) ved NTH (nå NTNU) kjente til denne utviklingen, samt at han hadde godt kjennskap til det amerikanske kybernetikkmiljøet rundt ungarskfødte Rudolf E. Kálmán (1930–2016). Kalman regnes for opphavsmann for en reguleringsalgoritme som var i stand til å fjerne støy fra datastrømmer, senere kalt Kalmanfilter. Denne var blant annet avgjørende for de første månelandingene.

Med visjoner og kjennskap til utviklingen i USA tok Balchen i 1971 kontakt med Kongsberg Våpenfabrikk (KV) og mente at det var mulig å bygge bedre DP-anlegg enn det som amerikanerne gjorde. Behovene i Nordsjøen, kombinert med at norske rederier fikk installert amerikanske system av typen Honeywell, gjorde at flere norske industriaktører tok opp ideen et par år senere.

I 1974 etablerte KV, Simrad, CMI og Sintef prosjektet DYNPOS. Året etter ble første kontrakt inngått med Jakob Stolt-Nilsen på et anlegg til boreriggen Seaway Swan, og litt senere til dykkerskipet Seaway Eagle (1977). Dette var første skip med DP-system fra Kongsberg. Et norsk industrieventyr hadde startet, og Kongsberg Maritime er i dag en verdensledende leverandør av DP-systemer.

Andre norske automasjonsmiljø, som Rolls-Royce Marine (Ålesund), ABB (Oslo) og Robertson (Egersund) har også utviklet egne DP-systemer, men alle disse har blitt oppkjøpt og delvis innlemmet i Kongsberg Maritime. Men nye aktører kommer stadig til. Blant annet har propell og automasjonsleverandøren Brunvoll (Molde) DP-systemer som del av sitt produktspekter. Utenlandske konkurrenter til Kongsberg er blant annet Wärtsilä (tidligere Nautronix), General Electric (tidligere Converteam) og Marine Technologies (MT).

• posisjonsreferansesystemer
• navigasjon
• kybernetikk
• reguleringsteknikk

• Kjerstad, N., 2022. Elektroniske og akustiske navigasjonssystemer. Fagbokforlaget.