舰船走锚报警技术研究现状与展望∗

张 聪 金良安 王 涌（.海军大连舰艇学院研究生管理大队大连608）（.海军大连舰艇学院航海系大连608）

舰船走锚报警技术研究现状与展望∗

张 聪1金良安2王 涌2
（1.海军大连舰艇学院研究生管理大队大连116018）（2.海军大连舰艇学院航海系大连116018）

走锚严重威胁舰船的锚泊安全，对其尽早准确报警至关重要。综述了舰船现有的两大类走锚报警技术及其在准确性、及时性、工程化应用等方面的主要不足，进而针对性提出基于锚系统加速度变化、锚链振动特征变化的走锚报警新思路，并分析了其良好的可行性。研究结果对舰船走锚问题的解决，具有一定的理论和现实意义。

舰船；走锚报警；加速度；振动特征

ClassNumber U675.92

1 引言

走锚是指锚泊舰船受到的锚链张力大于锚抓力时，锚被拖动、自转甚至锚爪翻转出土从而无法起到固定的作用，导致舰船在海中连续移动的现象［1］。舰船一旦发生走锚，如果锚泊值更人员未能及时发现和采取有效措施，极易引发碰撞、搁浅、触礁等事故［2~3］，严重威胁舰船安全。锚泊舰船都有发生走锚的潜在风险，为了保证锚泊安全，发展舰船走锚报警技术成为一项非常重要和迫切的工作。走锚的原因主要包括两方面，一是舰船受到大风、急流、波浪等各种外力综合作用，二是由于锚地水深或底质不合适、抛锚方式不当、出链长度不足等造成的锚抓力不足［4］。根据上述原因和走锚过程的典型物理特征变化，国内外学者从舰船受力分析和舰船状态检测等方面对舰船走锚报警进行了相关研究，为及时发现走锚现象提供了参考。

本文将对舰船主要的走锚报警技术研究现状进行归纳总结，并分析其存在的主要不足，进而针对性提出舰船走锚报警技术发展的新思路。

2 基于舰船受力分析的走锚报警技术及主要不足

舰船在锚泊中要承受风、浪、流等对其的冲击力，冲击力作用在锚链上体现为张力，当锚链的水平张力大于锚抓力时，舰船就可能会发生走锚现象。因此，通过对锚链水平张力和锚抓力的实时获取和对比，可以监控舰船是否走锚［5］。近几年，许多学者将走锚报警的研究重点放到这种思路上，并发展出基于舰船受力计算和舰船受力测量两种方法。

2.1 基于舰船受力计算的走锚报警

基于舰船受力计算的方法应用舰船操纵基本方程［6］，得到锚泊船的运动方程［7］，在此基础上，采用已有的水动力模型、流压力模型、风压力模型、波浪力模型、锚链力模型和锚抓力模型，得到有关力和力矩的计算方程，并与运动方程联立，得到常微分方程组，根据船型参数、测定的风、浪、流等要素、水深和底质数据以及舰船的运动参数初值，求解当前舰船的运动参数，进而计算锚链的水平张力和锚抓力，进行受力比较，判断是否走锚。运动方程的形式通常如下：

式中，m、mx、my为舰船质量及沿x、y轴方向的附加质量；Izz、Jzz为舰船对垂直轴的惯性矩及附加质量矩；u、v、r为舰船对于静水的纵向、横向速度及绕重心G的旋转角速度；ú、v、r为相应于u、v、r的角加速度；方程右边下标H、W、C、D、T的对应项分别表示主船体、风、流、浪、锚链等的外力及外力矩。

一些学者通过仿真实验验证了该方法的理论正确性，惠子刚［8］利用运动方程对舰船偏荡运动、走锚与偏荡共存和走锚漂移三个状态的运动轨迹进行了仿真，孙大铭［5］、Okazaki［9］、Yu Lu［10］等采用不同的力学模型，通过实船数据的仿真实验验证了所采用力学模型可以重现相对应舰船的走锚情形。

2.2 基于舰船受力测量的走锚报警

基于舰船受力测量的方法是利用拉压力传感器直接测量锚链张力，并与锚抓力进行比较。当锚链水平张力大于锚抓力时，锚可能会被拖动，发出走锚预警信号，走锚的瞬间，锚爪离底，锚抓力会突降，锚链的张力也随之突降，此时发出走锚报警信号。廖河树［11］基于此方法提出通过在止链器与锚链孔之间的甲板上安装测力机构测定锚链的张力，从而求得锚链水平张力，然后根据锚型、锚重、链长和底质等计算锚抓力，进而进行比较。刘芳贵［12］提出利用传感器测量锚链张力的应变信息，根据应变力变化频率或幅值来判断是否走锚。当锚爪抓牢海底，未出现走锚时，锚链承受的应变力频率较低，幅值较高。当舰船走锚时，锚在海底拖动，锚链承受应变力的频率较高，幅值较低。杜宇［13］通过有限元分析研究了无助锚链横向变形与轴向受力之间的线形关系，进而针对深海结果测量环境的特殊要求，设计了利用LVDT（线性可变差动变压器）作为传感器元件的锚链张力计，通过验证试验证明了其可行性。

2.3 基于舰船受力分析的走锚报警技术主要不足

基于舰船受力计算的方法使用的模型参数一般由实验数据拟合求得，模型的准确性和适用性不强，锚的抓力与锚型、底质、锚爪嵌入海底的程度等因素有关［14］，抛锚后，锚抓力也很难准确确定，影响对结果的分析。基于舰船受力测量的方法存在测量难度大的问题，随锚抛入海底的检测设备和信号传送电路制造安装比较困难，强度和可靠性较差。

3 基于舰船状态检测的走锚报警技术及主要不足

舰船由正常锚泊变为走锚的过程中，锚链的水平张力会逐渐增大至大于锚抓力，力的变化会引起舰船和锚系统的物理特征发生变化，基于此，一些学者提出基于舰船位置变化、舰船运动状态和锚系统状态检测等走锚报警技术。

3.1 基于舰船位置变化的走锚报警

利用定位信息判断舰船是否走锚是现今采用的主要方法之一，也是较为科学的方法。锚位正常时，船位应在以锚位为圆心，出链长度和船长之和为半径的锚位圆内，如果船位超出锚位圆则可能发生了走锚。应用此方法时需要测定锚位和计算安全警戒半径，锚位通常由抛锚时的船位确定［15］，测定船位可以利用雷达定位、GPS定位或陆标定位等。针对在大量程状态下观测船位精度相对较低的情况，薛仕中［16］提出了一种将雷达MAPS功能与锚位圆确定方法相结合的应用方法，该方法利用雷达MAPS功能或等效功能将锚位圆绘制在雷达综合态势图中，可以很直观地看出船位此时是否在锚位圆内。随着电子海图与信息显示系统（Electronic Chart Display and Information System，ECDIS）在舰船上的普及，何庆华［17］提出利用ECDIS判断舰船是否走锚，通过将卫星定位系统获取的船位实时叠加显示在电子海图上，并利用数据库存储的信息显示舰船运动轨迹，使判断是否走锚更加直观，该方法在本质上属于GPS定位法，使用时需将海图比例尺设置最大。

3.2 基于舰船运动状态的走锚报警

锚泊中的舰船在风、浪、流等外力的共同作用下将产生周期性的偏荡运动［18］，偏荡运动引起的锚链张力同稳态值相比有数倍之差，增加了走锚的可能性［19］。走锚后舰船的运动不再是偏荡运动，因此，通过观察舰船的运动状态可以判断是否走锚。锚位正常时，当风、浪、流等的作用很小时，舰船运动很小，船艏左右偏荡角度很小。当风、浪、流等的作用较大时，舰船会做以锚位为中心、垂直于风向的“∞”型的偏荡运动，且船艏向的变化基本符合正、余弦函数规律，如图1所示。走锚时，舰船的偏荡角度会减小，舰船会朝风、浪、流等作用力方向运动，运动轨迹为“S”型，甚至偏荡运动消失，舰船基本做沿直线持续后退的运动［20］。

3.3 基于锚系统状态检测的走锚报警

基于锚系统状态检测的走锚报警方法也是判断舰船是否走锚所采用的主要方法之一，检测的对象锚系统包括锚和锚链。通过仪器检测或实地观察锚系统的状态，如锚的位移、锚链的出水长度、紧绷状态、抖动情况和响声等，进而判断舰船是否走锚。刘芳贵［12］提出一种机械接触式检测方法，将接触式转轮埋设在锚头突角两边，转轮与海底接触，走锚时接触转轮随着锚的移动而转动，转轮触点使电路循环接通或断开，触发计数器计数，报警器报警。通过锚泊值更人员直接观察也可以判断是否走锚。锚位正常时，若风、浪、流等的作用很小，锚链一般会基本垂直于海面，离开水面的长度大致为锚链孔距水面的高度。若风、浪、流等的作用较大，锚链方向应与风、浪、流等的共同作用方向相反，锚链出水长度增加，和水面的夹角时大时小，出现有规律性地时紧、时松［21］，并会上下缓慢抬动。走锚时，锚链持续张紧，与水面的夹角变化小，出现频繁抖动，发出“格格格”的响声［22］，且船体会有震动［17］。此外，也可利用观测信息进行简单的定量计算对走锚进行判断，李伟［23］提出根据观测到的锚链在锚链筒处与铅垂线的夹角，可以估算出锚泊船所受到的外力大小，然后将外力与锚泊力进行比较，从而判断锚泊船是否处于安全状态。

3.4 基于舰船状态检测的走锚报警技术主要不足

基于舰船位置变化的方法中，将抛锚时的船位视为锚位，明显存在误差，影响判断，此外，如果值更人员疏于定位或定位间隔过长，可能耽误发现舰船走锚的时机，造成危险。基于舰船运动状态的方法中，舰船走锚后，锚位发生移动，但舰船可能仍然在做有规律的偏荡运动，且周期和幅度不变，如果不通过定位等其它手段，难以察觉舰船已经走锚。

基于锚系统状态检测的方法中，通过仪器检测锚系统状态也存在测量难度大的问题，而实地观察锚链状态过于依赖值更人员主观经验，存在误报、漏报等现象，且增加了值更人员的负担，具有一定的不便性和危险性。

4 舰船走锚报警技术的展望

现有的舰船走锚报警技术虽然在理论上能判断走锚是否发生，但实际应用中往往是在走锚已经发生一段时间，锚位发生明显变化后进行报警，难以为采取走锚应对措施争取时间。同时，准确性不高、附属设备复杂、实地操作受限等不足也限制了其广泛应用。基于以上不足，探究一种既能及时甚至提前对舰船走锚作出准确判断，又能广泛应用的方法尤为重要。本文认为从锚泊船锚的受力情况出发，综合分析走锚前后外力变化导致的锚系统加速度和锚链振动特征的变化，对走锚报警的发展有一定意义。

4.1 研究基于锚系统加速度变化的走锚报警技术

舰船走锚的根本原因在于锚链的水平张力大于锚抓力，锚链张力和锚抓力的直接测量和计算较难实现，而考虑在走锚的瞬间，力的不平衡将导致锚位发生变化，锚和锚链产生加速度的突变，且不同于锚位正常时的变化值，因此，通过实时测量锚和锚链的加速度，检测出走锚瞬间的变化规律，从而对加速度设定阈值，可以判断舰船是否走锚。实际应用中，可以在锚系统制作过程中安装加速度计，检测锚或锚链上某个加速度特征在走锚瞬间发生变化明显的位置的加速度值，测量数据通过无线传输传到舰船相应处理单元，并与阈值对比，实现走锚报警。此种方法的优势在于能在走锚发生的瞬间判断出走锚，具有较好的及时性，且判断的准确性高，但对锚系统的制作有要求，随着材料科学和工业制造的进步，此方法会有一定的发展空间。

4.2 研究基于锚链振动特征变化的走锚预警技术

锚链是连接船体与锚的重要设备，在走锚过程中，锚链一端受力来自舰船承受的风、浪、流等对其的冲击力，另一端受力来自锚抓力，二者作用在锚链上体现为张力，锚链两端的受力变化会导致其运动特性的变化，进而直接影响其振动特性。这在一定程度上反映出舰船从锚位正常演变到走锚的过程中，锚链振频和振幅等将相应发生明显变化。锚位正常时，若外力较大，锚链将绷紧拉直，产生一种具有固定振频和振幅的特征性振动，走锚瞬间锚链将出现振频和振幅的快速变化，进入走锚阶段后，锚在海底被持续拖动，锚链的张力变化幅度将大大减小，其振频和振幅也将趋于稳定状态。舰船锚位正常与走锚之间锚链振动特征相对复杂但呈现一定的规律性，如能对该阶段锚链振动特征变化规律进行深入研究，进而分析确定出合理的振频或振幅阈值，即可以此作为走锚报警和预警的判别指标。实际应用中，检测锚链振动特征的模块可以通过连接固定装置安装在锚链上，通过通信传输实现对锚链振动特征的实时显示和分析，充分掌握舰船锚泊状态，并判断其走锚的危险程度，进而及早提供可靠的走锚预警信息。与现有走锚报警技术相比，该方法既能降低对值更人员主观经验的依赖程度，又具有设备结构简单、自动化程度和可靠性较高、能够提前报警等优点，且振动检测技术相对成熟，在锚链上安装振动传感器的可行性高，易于实现工程化应用，具有较大的研究价值和广阔的应用前景。

5 结语

为避免走锚及其次生事故的发生，对舰船锚泊状态的实时监测和走锚的准确、及时报警或预警至关重要。本文总结了现有的基于舰船受力分析和基于舰船状态检测两大类走锚报警技术发展现状，分析了这些技术普遍存在着及时性、准确性差和难以实际工程应用等不足。为解决这些问题，提出基于走锚前后锚系统加速度变化和锚链振动特征变化的走锚报警新思路，通过研究锚系统加速度或者锚链振动特征的变化规律，进而分析确定出合理的加速度或振动特征阈值，以此作为走锚的判别指标，为进一步采取走锚应对措施提供宝贵时间。这样就有望解决现有技术存在的主要问题，确保舰船锚泊安全。后续应重点围绕此思路展开理论分析和实验探究，并将其推广到实际应用中。

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Present Statusand Prospectof Ship Dragging Anchor W arning Technology

ZHANG Cong1JIN LiangƳan2W ANG Yong2
（1.Administrative Division for Postgraduates，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）（2.Departmentof Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

An early and accurate warning of dragging anchor is essential as it can ensure ship anchoring safety.Based on a brief introduction，the shortages of twomain existing dragging anchor warning technologies are summarized as lack of correctness，timeliness and having difficulties in the practicalapplication.Then advice is put forward on the basis of changes in acceleration and vibration characteristic ofanchorand chains，which ismore feasible.The research resultsprovide reference for developingnew drag⁃ging anchorwarning technology and have theoreticaland reality significance.

ship，dragging anchorwarning，acceleration，vibration characteristic

U675.92

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.001

2016年11月7日，

2016年11月20日

张聪，男，硕士，研究方向：军事航海安全保障与防护技术。金良安，男，博士后，教授，博士生导师，研究方向：军事航海安全保障与防护技术。王涌，女，博士，副教授，研究方向：军事航海安全保障与防护技术。