主动升沉补偿 (AHC)

主动系统如何测量船舶运动并驱动负载抵消运动，以及何时需要用它代替被动升沉补偿器。

作者： Peter Wang，首席运营官 · 2025年十月 · 2026年九月更新 · 阅读约10分钟

要点

主动升沉补偿 (AHC) 可在船舶升沉、横摇和纵摇时，使悬吊负载相对于海床保持固定高度。
大多数 AHC 系统集成在起重机或绞车中。串联式 AHC 则将主动装置置于吊钩下方的载荷路径中。
它能比被动弹簧消除更多运动，但需要电力、传感器和控制器，而且始终会有残余运动。
大多数浪溅区穿越和水下吊装采用被动或自适应被动升沉补偿。只有被动装置无法达到残余运动目标时，才值得采用主动控制。

主动升沉补偿 (AHC) 在船舶运动时使悬吊负载保持稳定。运动参考单元 (MRU) 测量船舶的升沉、横摇和纵摇；控制器据此计算吊臂端点的运动；动力执行机构（通常是起重机绞车）收放钢丝绳，使负载相对于海床保持高度。AHC 用于水下安装与着底、ROV 和铺管作业，以及其他要求负载在海况运动中保持稳定的吊装。

主动升沉补偿的工作原理

所有 AHC 系统都以每秒多次的频率执行同一闭环过程：

测量。 MRU 测量船舶的升沉、横摇和纵摇。它通常不在吊臂端点，因此控制器利用测定的力臂计算端点自身的运动。参见运动参考单元.
预测并发出指令。 驱动装置需要响应时间，因此控制器对信号进行滤波，通常还会预测几分之一秒后的运动，然后指令执行机构以相同幅度向反方向运动。
执行。 吊臂端点上升时，绞车放出钢丝绳；下降时，绞车收绳。在串联式系统中，载荷路径上的油缸执行同样的动作。卷筒或油缸上的位置传感器提供闭环反馈。
保持参考位置。 目标通常相对于地面固定：负载相对于海床保持高度。着底时，操作员缓慢下放，同时由 AHC 消除波浪引起的运动。

图 1。 主动驱动装置可布置在两个位置。在 A中，起重机绞车根据 MRU 信号收放钢丝绳（实线箭头：信号和指令；虚线箭头：卷筒位置反馈）。在 B中，吊钩下方的串联式装置自带传感器、控制器和电池；气弹簧承载重量，主动油缸伸缩以抵消运动。两种方式都使负载相对于海床保持固定高度。

主动升沉补偿的类型

AHC 系统的区别在于执行机构在载荷路径中的位置及其驱动方式。

系统形式	补偿方式	典型用途	检查要点
绞车 AHC，电动	电动机驱动绞车卷筒，随每个波浪收放钢丝绳。	海上及水下起重机、安装船。	驱动峰值功率、能量回收、作业期间电动机的发热。
绞车 AHC，液压	液压马达驱动卷筒，通常配有储存和释放能量的蓄能器。	海上起重机、A 型架和布放回收系统。	泵流量、蓄能器容量、冷却能力。
油缸或滑轮式 AHC	液压油缸驱动钢丝绳路径中的滑轮移动，无需转动卷筒即可改变钢丝绳长度。	改装现有起重机和绞车。	甲板空间、穿绳方式、油缸行程。
甲板上串联式 AHC	吊钩下方安装主动装置，自带传感器和电源。	没有内置 AHC 的起重机。	吊钩下方净空、行程、机载能源。
水下串联式 AHC	串联式装置在深水中靠近负载处工作。	长钢丝绳伸长不可忽略的深水着底作业。	额定工作水深、水下供电和控制。

ND 的主动升沉补偿器 VEGA 采用串联式设计： VEGA-T 先用于甲板上， VEGA-S 随后用于水下。

影响补偿效果的因素

主动系统无法消除全部运动。残余运动取决于四个方面：

延迟。 从测量到动作所需的时间，包括传感器滤波、控制器处理和驱动响应。延迟越长，预测所需承担的补偿越多。
速度。 执行机构移动和反向运动的速度。周期短、波形陡的波浪要求最高。
行程、力和功率。 执行机构必须在自身行程和钢丝绳速度限值内跟随吊臂端点的全部运动，并在该速度下提供所需的力。
钢丝绳与负载。 长钢丝绳会伸长，水中的负载还具有附加质量。在深水中，负载的响应可能与 AHC 所控制的吊钩不同。

供应商通常以给定波浪周期和幅值下的补偿比或残余升沉量表示性能。只有在周期、幅值和测量点相同的条件下，才能比较这些数据。

为什么气弹簧承载的串联式设计只需较小功率

如果驱动装置承受负载的全部重量，在每个波浪的最快运动点，所需功率大致为重量 × 升沉速度。对于 100 t 的负载，若吊臂端点每 10 s 升沉 ±1 m，峰值速度约为 0.63 m/s，因此驱动装置需要约 0.6 MW，即使下降时能回收大部分能量也是如此。

在气弹簧承载的串联式设计中，气弹簧承受静态重量。活塞杆伸缩时，执行机构只需提供弹簧力与重量之间的差值。在相同的 100 t 工况下，该差值最大约为 37 kN。机械峰值功率降至 11.6 kW，连续补偿十小时，在理想条件下从电池净消耗 22.1 kWh （参见下文计算示例）。因此，串联式主动装置无需脐带缆即可依靠电池运行。

主动、自适应被动还是被动？

三者都能减少传递到负载的运动，但工作方式和所需条件不同。

特性	被动RIGEL、CYGNUS	自适应被动ANTARES	主动VEGA，研发中
承载方式	气弹簧	气弹簧	气弹簧，配合主动油缸
减小运动的方式	柔性弹簧隔离吊臂端点运动对负载的影响；阻尼在甲板上设定。	原理相同，但在吊装过程中自动调节阻尼和充气量。	测量运动并驱动负载抵消运动。
传感与供电	无需外部电源。RIGEL：无需电源。CYGNUS：配有小型电池，无需脐带缆。	自带传感器和电池，无需脐带缆。	MRU 和控制器；大容量电池，无需脐带缆。
残余运动	取决于弹簧和阻尼对海况的适配程度。	随负载、水深和海况变化仍保持较低水平。	在延迟、速度和行程限值内，达到可实现的最低残余运动。
适用场景	大多数浪溅区穿越和水下吊装。	多步骤吊装、负载和水深变化的工况，以及快速吊装。	被动装置无法满足残余运动或着底目标的工况。

被动和自适应被动装置无需外部电源、脐带缆或船端控制系统，维护工作也少于主动系统。当项目的残余运动目标、着底公差或深水长时间作业要求无法以这种方式满足时，主动控制才有意义。主动与被动升沉补偿对比分析了取舍，选型指南则帮助为吊装工况选择装置。

研发中

VEGA，ND 的串联式主动升沉补偿器

VEGA 将 MRU 驱动的主动油缸控制与自动阻尼控制结合起来。大容量机载电池提供动力，因此无需脐带缆或外部电源。 VEGA-T 先用于甲板上，之后推出 VEGA-S 用于水下。

设计目标：SWL 75–2,500 t，行程 2.5–6.0 m。

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100 t 串联式 AHC 计算示例

工况：空气中 100 t 的负载，由气弹簧承载的串联式 AHC 进行补偿，跟随幅值 ±1 m、周期 10 s 的正弦运动，持续十小时（3,600 个周期）。气体与油液体积比 $R = 10$ （气体体积 ÷ 油液扫过体积），最大行程 4 m，理想绝热氮气 ( $\gamma = 1.4$ ); ，电池至执行机构的驱动效率为 90 %，气弹簧返回的功中有 50 % 回收到电池。

结果	数值	含义
机械峰值功率	11.6 kW	用于确定驱动装置规格：是功率，不是能量
电池输入驱动装置的能量	40.2 kWh	在 10 h 内；驱动效率为 90 % 时，其中 36.2 kWh 到达执行机构
回收到电池的能量	18.1 kWh	气弹簧返回的 36.2 kWh 中的一半
电池净能量消耗	22.1 kWh	用于确定电池容量，尚未计入摩擦、辅助设备和储备容量

图 2。 根据下文模型绘制的计算示例单个波浪周期。在 A中，执行机构作用力在活塞停止时达到峰值，与速度峰值相差四分之一个周期。在 B中，功率等于作用力 × 速度，因此每四分之一个周期改变一次符号。实色区域表示驱动装置从电池输入能量；阴影区域表示气弹簧返回相同的能量，每个波浪周期返回 36.2 kJ，其中假定可回收 50 %。

模型与方程

执行机构的运动，幅值为 $\zeta = 1\ \text{m}$ ，周期为 $T = 10\ \text{s}$ ，且 $\omega = 2\pi/T$ :

S(t) = \zeta\cos\omega t, \qquad \dot{S}(t) = -\zeta\omega\sin\omega t

理想绝热气弹簧的执行机构作用力，相对于行程中点的支承力：

F(t) = m g \left[ \left( \frac{S_0}{S_0 – S(t)} \right)^{\gamma} – 1 \right]

S_0 = S_{\max}\,(R – 0.5)

机械功率为 $P(t) = F(t)\,\dot{S}(t)$ . 正功率表示驱动装置做功；负功率表示可供回收的功。分别对十小时积分：

\begin{aligned} W_{\text{drive}} &= \int \max(P, 0)\,\mathrm{d}t = 130.2\ \text{MJ} \\ W_{\text{return}} &= \int \max(-P, 0)\,\mathrm{d}t = 130.2\ \text{MJ} \end{aligned}

\begin{aligned} E_{\text{batt}} &= \frac{W_{\text{drive}}}{\eta_{\text{drive}}} – \eta_{\text{regen}}\,W_{\text{return}} \\ &= \frac{130.2}{0.90} – 0.50 \times 130.2 \\ &= 79.6\ \text{MJ} = 22.1\ \text{kWh} \end{aligned}

这是理想化的初步筛选工况：未计入摩擦、实际气体行为、辅助设备，以及泵、电动机和电池的详细特性图。实际项目的 CONSTELLATION 吊装仿真会对这些因素建模。

常见问题

什么是主动升沉补偿？

主动升沉补偿 (AHC) 在船舶运动时使悬吊负载保持稳定高度。运动参考单元测量船舶运动，控制器计算吊臂端点的运动，动力执行机构（通常为绞车）通过收放钢丝绳抵消该运动。

主动与被动升沉补偿有什么区别？

被动升沉补偿器利用气弹簧隔离吊臂端点运动对负载的影响，补偿本身无需外部电源。主动升沉补偿器测量运动并驱动负载抵消运动，能够消除更多运动，但需要电力、传感器和控制器。自适应被动装置介于两者之间：由被动机构承载负载，并利用机载电池在吊装过程中自动调节。

主动升沉补偿能消除全部运动吗？

不能。传感与控制延迟、执行机构的速度、行程和功率限制，以及长钢丝绳的伸长，都会造成残余运动。性能指标以给定波浪周期和幅值下的补偿比或残余升沉量表示，因此应在相同条件下比较。

主动升沉补偿系统需要哪些设备？

运动参考单元、控制器、带位置反馈的执行机构（绞车驱动装置或油缸）以及电源。起重机和绞车系统由船舶供电；VEGA 等串联式装置自带电池。

主动升沉补偿需要多少功率？

如果驱动装置承受全部负载，峰值功率大致等于重量 × 升沉速度。对于 100 t 的负载，吊臂端点每 10 s 升沉 ±1 m，所需功率约为 0.6 MW。气弹簧承载的串联式设计只需提供与弹簧力之间的差值：在相同工况下，理想条件中的峰值功率约为 11.6 kW，十小时能耗为 22.1 kWh。

何时应选择主动而非被动升沉补偿？

当被动或自适应被动装置无法满足项目的残余运动或着底目标时，例如着底公差严格或需要在深水中长时间保持位置。大多数浪溅区穿越和水下吊装采用被动方式。

正在评估主动升沉补偿是否适合您的作业？

请提供负载、海况以及负载在海床处需要执行的作业。我们会判断被动、自适应被动或主动升沉补偿哪种合适，并通过 CONSTELLATION吊装仿真服务进行初步筛选。

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依据与来源

DNV-RP-N202 升沉补偿系统，DNV 推荐性规范，2024-06 版。涵盖升沉补偿系统的设计、验证和运行。
DNV-ST-0378 海上及平台起重设备，ND 升沉补偿器按此标准设计并取得船级认证。
计算示例：采用上述输入参数的 ND 初步筛选模型；结果四舍五入至小数点后一位。
VEGA 规格为设计目标，在研发过程中可能变化。