海上智能自动定位浮式灯塔结构设计研究

杨 柳 季远杰 李亚磊 汪 宏

江苏科技大学船舶与海洋工程学院 江苏 镇江 212003

正文：

一、引言

灯塔——航海者的生命指路人，直接影响船舶和船员的安全。随着国民经济快速增长，我国的对外交易日益频繁、海运事业蓬勃发展，对航标灯塔质量和数量的需求不断提高。随着“一带一路”战略的提出，我国航海的发展又提高到一个新的层次。一路，指的是“21世纪海上丝绸之路”，重点方向是两条，一是从中国沿海港口过南海到印度洋，延伸至欧洲；二是从中国沿海港口过南海到南太平洋。如此大面积的海域，航标灯塔的作用就显得尤为重要，具有重要的战略意义。在传统理念中，航标灯塔只能被设立在固定位置为来往船舶导航，受到了地理位置极大地限制，缺少灵活性；且固定灯塔的安装不便利，成本高而又速度慢。随着全球定位系统的发展，其被应用到了多方面领域。GPS具有精度高、速度快、成本低等显著优点，成为了目前世界上应用范围最广，实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。将GPS技术利用到灯塔上，再结合当下的浮式“不倒翁”结构，很好的解决了上述难题。海上智能自动定位浮式灯塔可在工厂完成初步的构件加工，灵活而又方便的被运用于各个地点，再进行海上装配即可投入使用。

图1 海上智能自动定位浮式灯塔结构立体图

二、结构设计原理

（1）工作原理：该灯塔利用浮箱提供的浮力浮于水面，利用GPS定位系统将灯塔设置在所需的工作水域，当灯塔偏离指定位置时，则可基于智能定位系统自动回到原先位置。浮箱上装配有太阳能电池板，可以用太阳能发电并将电能储存；同时在浮箱的三个顶点装配有三个风机叶片，完成风力发电；储存的电能可驱动叶片转动，为自动定位提供动能。塔身与浮箱之间用螺栓连接，塔身可脱离浮箱独立工作，脱离浮箱后的塔身可应用于陆地，这样极大地增加了该灯塔的应用领域，提高了灯塔使用的灵活性。

（2）结构设计：灯塔采用“不倒翁”的结构，抗风浪能力强。其由上下两个部分组成，上部为塔身，下部为浮箱，之间采用螺栓连接。塔身为分段式的网格状结构，每一段的高度为5米，如图1所示，运应用时可根据所需要的高度进行灵活的拼接。网格状结构由轻质钢浮杆制成，受力面积小，结构稳定性高。

图2 塔身分段式的网格状结构

下部结构为六个圆柱形浮筒组成的六角式浮箱，每个浮筒的尺寸为：高度6米、直径D=2米，如图3所示。浮箱与浮箱之间利用钢结构固接，形成六边形，如图4所示。浮箱与塔身采用螺栓连接。

图3 浮筒

图4 六边形浮箱

在六角浮箱不连续的三个浮筒上设置三个风机叶片，如图5所示。

图5 风机叶片布置

（3）结构尺寸：

表1：结构尺寸

图6 尺寸零件图

（4）外观设计：

下部浮箱采用六边形结构，上部塔身为圆柱形结构。整个灯塔采用桁架结构，它是由多根小截面杆件组成的“空腹式”静定结构，抗弯能力强，挠度小，而且省料，自重小，海上受力面积小，稳定性强。

在整个结构的上部是灯的部分，在美学上中西合璧，既有中式建筑的田园风，又有西式建筑的高贵典雅。该灯塔不仅是建筑，更是一件艺术品，是海上的东方明珠，见图7。

图7 灯结构

（5）ABAQUS分析

三、管理与监控系统

为了促进航标事业的进一步发展，使我国航标建设科学化，标准化，我国相继指定了如《中国海区水上助航标》等规范，使我国海上航标技术达到了与国际浮标调度的统一，形成了具有中国特色的航标体系。灯塔作为一种建立于航道关键部位附近的一种固定航标，其基本作用是引导船舶航行或指示危险区（常用来标志危险海岸、险要的沙洲或暗礁以及通往港嘴的航道）。过去灯塔的管理完全采用人工的方式，定期巡视航标灯是否损坏，再进行人工恢复，信息传递被动、滞后。近年来航标监控技术在飞速发展，航标智能得到普遍化。海上智能自动定位浮式灯塔利用先进的网络系统，结合GPS定位系统，智能控制系统等可以形成灯塔网络化综合管理系统。同时灯塔监控系统可以实时、智能的反应灯塔的工作状态，一旦灯塔出现故障，灯塔的监控系统接受到反馈后可以利用远程操作的方式对灯塔智能管理中心的软件进行技术诊断，灯塔可以得到最及时的维修，大大减少了人工的投入，工作效率得到了很大的提高，因此其具有很好的应用前景。

四、应用前景

（1）常规的灯塔只能固定在指定位置，维修时需要到达灯塔所在位置进行维修，增大了维修的工作量。智能定位灯塔采用浮式结构，利用六角浮箱浮于水面，通过GPS定位系统、智能控制系统等可到达任意指定水面，同时装有无线WIFI模块（ESP8266），可与上位机（手机APP）进行交互，通过手机APP发送数据对电机进行控制，既而能使灯塔实现自动回位的效果，也能实现人对灯塔的操控，使其在偏离后自动回位。

（2）该灯塔由塔身与浮体结构组成，塔身与浮箱采用可分离结构，可在工厂批量化生产。底座为网格状结构，由轻质钢浮杆制成，可减小水流对结构的作用力，对波浪有良好的消能作用，提高结构稳定性。塔身采用分段式结构，塔身由一段一段固定长的网格状结构连接而成，当灯塔所需高度较大时可叠加多段，所需高度较小时可以少叠加一到两段。根据塔身高度可以选择不同大小的浮箱，以满足不同使用环境，灵活性高，机动性强。浮箱和塔身之间采用螺栓连接，二者可以分离。整体时为浮式灯塔，可应用于各种海面，分离时的灯塔可等同于陆地上的固定式灯塔。

（3）本项目的动力组件应用到全回转螺旋桨的理念，360°全回转式螺旋桨使得灯塔偏离指定区域时，经由系统计算的角度和距离后能更快速高效地回到指定工作区间，实现对推进方向的自由控制。浮体和塔身设置风机叶片及太阳能板，作为灯塔的动力来源。同时浮式智能灯塔配备测深仪，可根据水深自动调整位置，更好的适用于当前沿海地区海岸向海延伸的情况。

五、结论

近年来，浮式结构快速发展，浮式结构的理念深入人心，也到了众多研究。随着科技的提高，人类发展越来越向着海洋进军，各种浮式建筑物将孕育而生，浮式码头，浮式别墅，海上高尔夫球场等都将成为可能。海上智能自动定位浮式灯塔塔身与浮箱可分离，塔身可分段预制生产，浮箱可以制成不同大小，行成不同规格。根据需要连接不同高度的塔身和选择相应的浮箱大小，二者的配合使用极大的提高了生产效率，扩大了应用前景，降低了制造难度和成本。同时该灯塔机动性高，水路两用，且便于应对各种海况和突发状况。GPS定位系统以及互联网等技术的联合应用，使得该灯塔具有良好的应用前景和发展前景。它操作简便，维修方便，信息传递迅速及时，可以系统化、智能化、规模化管理。该灯塔工业化程度高，满足现代科技的要求。海上智能自动定位浮式灯塔可与各类浮式结构配套使用，同时该灯塔的研究也将为浮式建筑物的发展提供参考。