Dynamisk posisjonering

Dynamisk posisjonering (DP) er i utgangspunktet en metode for å holde skip og halvt nedsenkbare plattformer i samme posisjon over havbunnen uten bruk av anker, men ved hjelp av fartøyets egne propeller. Dynamisk posisjonering krever en egen datamaskin som samler data om bølgenes virkning på skroget, om vind, hvilken retning fartøyet peker i, og nåværende posisjon. Datamaskinen sender så kommandosignaler til fartøyets propeller, ror og thrustere. Det brukes svært avansert kybernetikk for å forutsi endringer før de faktisk skjer for å forhåndskompensere for endringer i miljøet rundt fartøyet for å sikre en rolig operasjon. Det er en krevende jobb å regulere inn skroget og propellene, og gjøres denne innfasingen dårlig vil fartøyet ikke holde posisjonen.

Innledning
Anvendelsene av dynamisk posisjonering har økt med tiden. Det er spesielt offshoreindustrien som trenger fartøyer med dynamisk posisjonering. Dykkebåter, shuttletankere, supplybåter, kabelleggere, rørleggingsfartøy, steindumpere, kranfartøy, halvt nedsenkbare plattformer og boreskip benytter i utstrakt grad teknologien. Noen cruiseskip bruker også dynamisk posisjonering i stedet for anker eller fortøyning.

Dynamisk posisjonering kan være basert på en absolutt posisjon over et fast punkt, eller det kan være relativt til et bevegelig objekt som et skip, halvt nedsenkbare plattformer eller en undervannsfarkost. Et eksempel er når flotell plasseres inntil flytende produksjonsplattformer.

Fartøyer som bruker dynamisk posisjonering trenger:
 Å vite sin posisjon og kurs.
 En datamaskinregulator som hele tiden beregner nødvendige korrigeringer for å holde posisjon, og gir instrukser til propellene.
 Propeller som kan tilføre krefter på skipet i henhold til korrigeringer beregnet av datamaskinregulatoren.

Når en konstruerer et dynamisk posisjoneringssystem må en ta nøye hensyn til referansesystemer og propeller. Spesielt i dårlig vær så må propellene ha kapasitet til å kontrollere langskip-, tverrskips- og rotasjonsaksene. De største leverandørene for dynamisk posisjonering er Kongsberg Maritime, Converteam, L-R Communications, Thrustmaster (tidligere Rolls Royce), Marine Technologies, Navis Engineering Oy og Brunvoll AS.

Et DP-fartøy må også oppfylle krav til sikkerhet og pålitelighet for DP-operasjonene. En enkelt feil ikke skal medføre at fartøyet mister
posisjoneringsevnen. Hvor strengt dette må følges vil være avhengig av risikoen i operasjonen. Fartøyene er derfor inndelt i tre utstyrsklasser:
 I DP-klasse 1 tillates at fartøyet mister posisjoneringsevnen ved en feil.
 I DP-klasse 2 skal en ikke miste posisjoneringsevnen ved en feil i en aktiv komponent eller system.
 I DP-klasse 3 skal en ikke miste posisjoneringsevnen ved en hvilken som helst feil, også ved brann og vanninntrenging. 
Menneskelige feil skal også anses som enkeltfeil. Designen av alt utstyret må ta hensyn til dette. Hvilken DP-klasse som skal benyttes bestemmes av
kyststat, flaggstat, kontraktør eller reder. For norsk sektor reguleres valget av DP-klasse av Petroleumstilsynets aktivitetsforskrift.

Kompetanse 
For å bruke DP-systemene riktig, og spesielt for å kunne håndtere utilsiktede hendelser på en god måte, er det nødvendig med omfattende opplæring. For sikkerhetskritiske operasjoner kreves det sertifisering av personellet. Internasjonalt er de overordnede kravene til opplæring av DP-operatører gitt i den internasjonale konvensjon om normer for opplæring, sertifikater og vakthold for sjøfolk. Konvensjonene innebærer også at blant annet kompetansesertifikater har en varighet på inntil fem år.

Konvensjonen krever at opplæringen blant annet skal inneholde:
 Relevant opplæring og praktisk erfaring. Teoretiske elementer må gjøre operatører i stand til å forstå driften av DP-systemet og dets komponenter. Kunnskap, forståelse og erfaring bør sette personellet i stand til å drive fartøyer sikkert i DP med behørig hensyn til sikkerheten for livet i sjøen og beskyttelse av det maritime miljøet.
 Opplæringen og erfaringen bør innholdsmessig omfatte dekning av følgende komponenter i et DP-system: DP-kontrollstasjon, produksjon og styring av kraft, fremdriftsenheter, posisjonsreferansesystemer, miljøreferansesystemer, og referansesystemer for ytre krefter, som f. eks. målere for trossespenning.
 Opplæring og erfaring bør dekke hele rekken av rutinemessige DP-operasjoner i tillegg til håndtering av DP-feil, svikt, hendelser og nødstilfeller, for å sikre at operasjonene fortsetter eller avsluttes trygt. Opplæring bør ikke bare begrenses til DP-operatører og DP-skipsførere, annet personell om bord, som f. eks. elektrotekniske offiserer og maskinister, kan trenge ekstra opplæring og erfaring for å sikre at de er i stand til å utføre sine plikter på et DP-fartøy. Det bør legges vekt på gjennomføring av passende DP-øvelser som en del av opplæringen og erfaringen om bord. DP-operatører bør ha godt kjennskap til typen av og formålet med dokumentasjon knyttet til DP-operasjoner, som f. eks. driftshåndbøker, avbruddsmodus- og effektanalyser (FMEAer) og kapasitetsdiagrammer.
 All opplæring bør gis av godt kvalifisert personell med passende erfaring.
 Når de beskikkes til et fartøy som opererer i DP-modus, må skipsføreren, DP-operatører og annet DP-opplært personell gjøre seg kjent med det særskilte utstyret montert på og egenskapene til fartøyet. Det bør tas særlig hensyn til hva slags arbeid fartøyet utfører og betydningen av DP-systemet for dette arbeidet.

Kontroll over frihetsgradene

Et skip eller halvt nedsenkbare plattformer har seks frihetsgrader i sine bevegelser.

Tre av aksene omfatter horisontal eller vertikal forflytning eller translasjon av massesenteret:
 Jaging som er langskips (fremover eller bakover).
 Slingring som er sideveis til (styrbord eller babord).
 Hiving som er når fartøyet beveger seg opp og ned i dønninger eller sjø.

De andre tre aksene omfatter rotasjoner:
 Rulling som er bevegelser fra side til side (rotasjon rundt langskipsaksen).
 Stamping som er når baugen og hekk beveger seg opp og ned i motsatt takt (rotasjon rundt tverrskipsaksen).
 Giring som er kursendring (rotasjon om en vertikal akse).

Dynamisk posisjonering har primært vært knyttet til styring av fartøyets bevegelser i horisontalplanet. Mangel på kontroll av de øvrige bevegelsene, har ført til flere hendelser med broer, der stamping har medført at broa har blitt strukket for langt ut, og en har måttet koble fra broa (engelsk autolift).

Å beregne hvor mye kraft en skal gi på hver av propellene for å holde posisjon og retning, har mange feilkilder:
 En er avhengig av å ha en fungerende vindmåler, som er grunnlaget for vindlastberegninger. Det kan være feil i måleren, måleren kan være påvirket av kjølvannseffekter av nærliggende konstruksjoner, av vind fra helikopterrotorer, utlufting fra ventilasjonsanlegg med mer. Måleren kan være plassert i feil høyde i forhold til analysene, eller fartøyet kan ha en annen dypgang enn antatt i analysene. 
 DP-computeren må ha et riktig bilde av hvor mye propellkraftkapasitet en har til enhver tid, hvilken retning de virker og om de virker. Her er det mye elektronikk som må fungere. Videre må systemet være i stand til å håndtere endringer.
 Nærliggende fartøyer kan påvirke hydrodynamikken i sjøen (diffraksjon og refleksjon) lokalt, som da ikke blir i samsvar med forutsetningene.
 Selv om en måler bølgehøyder, er ikke DP-systemene tilrettelagt til å ta i bruk denne informasjonen.
 Tilstrekkelig mange referansesystemer må fungere, og en må kunne prioritere fornuftig mellom dem.

Referansesystemer 

Posisjonen bestemmes ved hjelp av forskjellige typer referansesystemer. Hovedregelen er at en bør ha minst tre uavhengige systemer, av minst to ulike prinsipper. Av de mest brukte referansesystemene er:
 det amerikanske satellittsystemet GPS og DGPS er de mest brukte. Det er også et tilsvarende russisk system (GLONASS) som gradvis blir tatt i bruk, men antall satellitter er lavt. Her måles avstanden til minst fire satellitter, og en kan bestemme posisjonen. Dagens satellittmotakere bruker begge systemene. Satellitt-systemene er i utgangspunktet militære systemer og i spesielle situasjoner legger amerikanerne og russerne støy på signalene som gjør dem ubrukelige, eller for at nøyaktigheten skal blir dårligere, såkalt jamming av signalene. Det er også mulig å jamme signaler for utenforstående i et område eller mot et spesielt fartøy.
 avstandsmålere med lasere (som produktet Fanbeam). Det er avhengig av å ha et referansepunkt i nærheten å måle mot. Regnvær, snøvær og tåke gjør dem unøyaktige. De kan også være følsomme for interferens med personer med reflekterende klesplagg som passerer eller oppholder seg nær reflektorene, reflekser på livbåter og livvester.
 avstandsmålere med radiosignaler, som produktene Artemis (som sender på 9,2-9,3 GHz) og Radius (som sender i FM-båndet). Avstanden finnes fra tiden mellom utsendelse og mottak av det reflekterte signalet.
 gangbroer mellom flotell og en nærliggende plattform kan brukes som avstandsmålere.
 hydroakustikk (engelsk hydroaccustic possioning reference - HPR) med sendere på havbunnen og mottaker under skroget. På relativt grunt vann kan en ha en måler på havbunnen, for dypere vann bør en ha fire sendere på havbunnen som en kan måle avstanden til. En sender et signal fra fartøyet til senderne på havbunnen med en frekvens. De svarer da med signaler med hver sin frekvens, og en kan måle avstanden ved å beregne hvor lang tid signalet tar. Det er en del usikkerhet på grunn av at lydhastigheten i havet varierer med saltholdigheten og temperaturen. Usikkerheten reduseres i stor grad ved hjelp av måling av vannprofilet fra overflaten til bunnen. Når fartøyet kommer i posisjon senkes en 3-8 meter lang stålstang gjennom skroget og ned. På enden er det en hydrofon. Den plasseres så dypt for å unngå støyen fra propellene på skipet. Når fartøyet forlater feltet trekkes hydrofonen opp igjen. Dette systemet brukes ikke ved tandemlasting av tankskip.
 Avstands- og vinkelmålinger til havbunnen med ståltau (engelsk taut wire) brukes også. Det plasseres vekter (350–500 kg) på havbunnen med ståltau festet fra dem til fartøyet. En strammer til ståltauene. Ved å automatisk å måle vinkelen og lengden på ståltauene har en kontroll på posisjonen i ståltauets lengderetning. 
 For boring kan vinkelen til borestigerøret overvåkes og frakoblingen kan basere seg på posisjon eller vinkel.

Felles for alle referansesystemene er at skipet har ett eller flere faste holdepunkter for å bestemme og ivareta posisjonen. Når posisjoneringen er i nærheten av kaier, faste oljeplattformer brukes ofte laser- eller radarsignal. Disse referansesystemene har stor nøyaktighet innenfor korte avstander, og er ofte å foretrekke framfor DGPS når skipet ligger i skyggen av satellittsignalene.

Petroleumstilsynet har i aktivitetsforskriften anbefalinger til hvor mange referansesystemer en må ha tilgjengelig, og til hvor mange av forskjellige prinsipper. Det gjøres ved anbefalinger til DP-klasser, som:
 Bemannede undervannsoperasjoner bør ha DP-klasse 3.
 Plattformer som driver bore- og brønnaktiviteter bør ha DP-klasse 3.
 Flotell med gangbro tilkoplet bør ha DP-klasse 3.
 Aktiviteter utført av løftefartøy eller rørleggingsfartøy i nærheten av innretningen bør ha DP-klasse 3.
 Tankskip som laster fra plattformer som håndterer hydrokarboner (tandemlasting) bør ha DP-klasse 2.
 Tankskip som laster fra undervanns laste- og losseanlegg der tankfartøyet ikke er fortøyd eller forankret til disse anleggene (UKOLS med flere), bør ha DP-klasse 2.
 Tankskip som laster fra undervanns laste- og losseanlegg der tankfartøyet er fortøyd eller forankret til disse anleggene (STL og STP) bør ha DP-klasse 1 eller 2. Klasse 1 kan brukes dersom avstanden mellom tilhørende innretning(er) og tankfartøyet er 2,5 km eller mer, ellers klasse 2.
 Lasteoperasjoner fra bøyer (ALP, SBM og liknende) kan ha DP-klasse 1.

Det lages i forkant et «kart» som viser en grense, gjerne i form av en ellipse eller sirkel, hvor fartøyet skal befinne seg. Dersom en går utenfor grensen vil datamaskinene styre fartøyet innenfor igjen. Dersom referansesystemene faller bort, vil en nødfrakoble.

Retningskontroll og bevegelseskontroll 
I tillegg brukes kompass (som regel gyrokompass) av høy kvalitet for å få retningen av fartøyet riktig. En bruker gjerne tre gyroer for å forsikre seg om at retningen er rett. GPS-kompass er mer nøyaktige enn gyrokompass, men de benytter de samme satellittene som GPS posisjonsreferansesystemene, og kan gi feilsituasjon. Magnetkompasset regnes å være mer usikre, siden de påvirkes av stålkonstruksjoner og elektriske magnetfelt.

Retningen brukes også til å regne alle posisjonsmålingene tilbake til et felles referansepunkt i senteret av fartøyet. Kompassfeil vil dermed påvirke både styringen av retning og av posisjon.

En har også målinger av stamping, rulling og hiv på fartøyet. Stampe og rullemålingene benyttes til å korrigere posisjonsmålingene tilbake til senteret av fartøyet.

Trustere og maskineri

For å holde posisjon må en ha strøm, tilstrekkelig motorkraft og propeller. Omfanget av maskineri på hver enkelt plattform finner en i klasseselskapenes skipsregistre. Systemet kan lages på flere måter, og kan ha forskjellige typer komponenter.  
Noen av komponentene som brukes er:
 Lagertanker for diesel.
 Elektriske kraftenheter.
 Dieselgeneratorer. 
 Dampgeneratorer (engelsk Auxiliary steam generator). 
 Dieselmotorer med alle hjelpesystemer til drivstoff, smøring, kjøling og forbrenningsluft. 
 Propeller (trustere).
 Strømledninger.
 Kontrollpaneler.

Truster (også kalt sidepropell) er en spesiell type propell som kan være innfelt i skroget (tunneltruster), festet på en dreibar sokkel under skroget (kompass-truster) eller som en nedsenkbar propell (kompasstruster, vros eller nedsenkbar asimut) som brukes kun ved manøvrering.

De største systemleverandørene i Europa er Wärtsilä og Rolls Royce. I Norge levererer blant annet også Bergen Engines og PARAT Halvorsen i Flekkefjord viktige komponenter.

Hendelser og ulykker 
Selv om dynamisk posisjonering har vært i bruk i mange år, er det fortsatt mange feil. Fra 2001 til 2010 er det på verdensbasis rapportert 612 hendelser med DP-tap av posisjon. Det virkelige taller er trolig vesentlig større. Hovedårsakene til hendelsene er posisjonsreferansesystemene, etterfulgt av DP-programvare, kraftforsyning, menneskelige feil og trustersystemer.

Tap av posisjons-hendelser deles ofte i tre hovedkategorier ut fra hva som er årsaken til feilen:
 Drive off er når en eller flere trustere produserer for mye propellkraft eller propellkraft i feil retning, og fartøyet blir kjørt ut av posisjon. Dette kan forårsakes av feil i trustere, feil i DP-systemet, feil i måledata fra sensorer, posisjonsreferansesystemer eller operatørfeil.
 Drift off er hvor trusterne produserer for lite propellkraft som medfører at fartøyet blir skjøvet ut av posisjon. Dette kan forårsakes av blackout i maskinrom, feil i trustere, feil DP-systemet eller operatørfeil.
 Force off er når fartøyet skyves ut av posisjon av vind, strøm eller bølger. Dette forårsaket av mangelfull kjennskap til strøm-, vind- og bølgeforholdene, ved mangelfull oppmerksomhet på værmeldinger og værendringer, mangelfull kjennskap til kapasiteten til å holde posisjonen eller mangelfull forståelse for å avslutte operasjonene i tide.

Feil bruken av DP-systemene kan i tillegg gi:
 kraftigere bølgeslag fra bølgekammer dersom en kjører mot bølgene, 
 økte laster i ankerliner dersom en i tillegg er forankret, og 
 utilsiktede rulle- eller stampebevegelser med bevegelser av broer, gjenstander og utstyr.

Historikk 

Dynamisk posisjonering startet på 1960-tallet i forbindelse med oljeboring til havs. Etter hvert som oljeletingen ble flyttet til dypere vann, ble oppjekkbare plattformer umulig å bruke og det ble kostbart med håndtering av anker. i 1961 ble boreskipet «Cuss I» utstyrt med styrbare propeller i et forsøk på å bore en brønn. Det da var da mulig å holde skipet i posisjon på 948 meters vanndyp. «Cuss I» ble holdt i posisjon ved hjelp av manuell operasjon av propellene. Senere på året i 1961, lanserte Shell boreskipet «Eureka» som var utstyrt med et analogt kontrollsystem. Kontrollsystemet var integrert med et stramt ståltau (engelsk taut wire) ned til havbunnen som referansesystem. Dette gjorde «Eureka» til det første virkelige skipet med dynamisk posisjonering.

Metoder for å holde posisjon
Andre metoder for posisjonering er bruk av et eller flere anker, eller bruk av en oppjekkbar plattform. Alle har sine fordeler og ulemper.

Dynamisk posisjonering har muliggjort operasjoner som tidligere ikke lot seg gjøre.

Kostnadene faller på grunn av nyere og billigere teknologi, fordi offshorevirksomheten stadig når dypere vann, og hensynet til miljø (spesielt koraller) blir større. Konteinertransport gjennom overfylte havner kan gjøres mer effektivt ved raskere og mer nøyaktig fortøyning.

Referanser

Eksterne lenker 
 
 Artikkel på nettstedet Forskning om dynamisk posisjonering – DP

Navigasjon