基于可靠性的冰载荷下转塔系泊FPSO船舶鲁棒事件触发抗饱和北极动力定位控制

针对北极作业中转塔系泊FPSO船舶面临的模型参数未知、环境干扰、冰载荷及执行器饱和等问题，本研究提出一种融合离散元法（DEM）冰载荷建模、高斯误差函数饱和补偿和单参数自适应调整的鲁棒事件触发控制方案，实现了全局一致最终稳定定位，显著降低推进器磨损。成果发表于《Ocean Engineering》，为极地船舶智能控制提供新范式。

　　

随着全球能源需求增长和北极冰层消退，北极油气资源开发成为热点。浮式生产储卸油装置（FPSO）因其深海适应性和经济性成为极地开发的核心装备。然而，转塔系泊FPSO在冰区作业时面临三重挑战：传统经验公式难以精确模拟破碎冰环境下的复杂冰载荷；模型参数因水动力实验局限而难以获取；推进器在长期饱和工况下易发生磨损失效。现有研究或忽略冰载荷影响，或采用保守的脉冲式简化模型，且多参数自适应算法导致计算复杂度激增。

大连海事大学团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，创新性地将离散元法（DEM）引入冰-船相互作用建模，通过粒子级模拟突破传统经验公式的区域局限性。针对参数不确定性问题，研究团队将模型参数缺失、环境干扰、冰载荷及饱和误差统一转化为仅需单参数在线调整的线性参数化形式。控制架构方面，结合高斯误差函数逼近饱和非线性，并引入事件触发机制（ETC）降低60%推进器动作频率。理论证明该方案能使闭环系统所有信号全局一致最终有界（GUUB）。

关键技术包括：（1）基于DEM建立冰-冰/冰-船碰撞实时计算模型；（2）采用高斯误差函数拟合饱和特性；（3）设计含ETC的单参数自适应鲁棒控制器；（4）通过Lyapunov理论完成稳定性证明。实验采用310米长的转塔系泊FPSO，设置0.4 m/s洋流和马尔可夫过程模拟的环境扰动。

【Model of FPSO vessel】
建立包含冰载荷τ_ice的六自由度运动模型，通过转换矩阵J_R(ψ)关联惯性系与船体坐标系。假设环境扰动τ_env和冰载荷有界，即‖τ_env‖≤τ?_env，‖τ_ice‖≤τ?_ice。

【Robust event-triggered anti-windup control】
控制器设计三大创新：1）将多类不确定性统一为‖Φ‖≤θ形式，θ为唯一待调参数；2）事件触发阈值设计为‖e‖≥(1-β)‖σ‖/k₁，β∈(0,1)；3）通过Lyapunov函数V=1/2(s^TMs+θ?²/γ)证明稳定性。

【Simulations】
DEM参数设置：冰厚度1.5m、密度920kg/m³、摩擦系数0.15。对比显示：传统PID在饱和工况下定位误差达4.2m，而本方案将误差控制在0.8m内，推进器动作次数减少58%。

结论表明，该研究首次实现DEM冰载荷建模与自适应控制的深度融合，单参数策略较Chen等（2016）的多参数方案降低75%计算量。事件触发机制使推进器寿命预估延长3倍，为北极装备智能化提供关键技术支撑。后续可探索冰载荷预测与控制的协同优化。