浅析港口小型多用途测量船的功能设计

2022-04-20王腾州张超

中国设备工程 2022年7期

王腾州，张超

（安徽国防科技职业学院电气技术学院，安徽六安 230711）

随着港口和航道等航运基础设施的规模不断扩大，为了保证港口环境和港务运输的安全，提供安全可靠且有效的港口辅助船舶就成为至关重要的一件事情。可以为港口提供安全有效运行保障的船舶有多种类型，如破冰船、应急救援船、拖船、油船、领航船、消防船、接油船、测量船、浮标船、驳船、挖泥船以及浮动起重机等。港口工作的船舶除了船体的自然老化、结构、系统及设备的磨损外，20世纪70～80年代所设计的港口船舶在技术上已经过时，不管是从国际要求，船级社规则，卫生标准还是建造及运营成本上来说，都是以低自动化程度和大量的人员参与，来维持船舶的正常运行。但现代船舶通常是多功能的，例如，拖船在除了拖拽的主要功能以外，还能提供消防、领航、测量等方面的功能。换句话说，现代的船舶在建造中，单一功能的船舶数量减少了，但船舶的功能更加趋近饱和，其中也包含可移动和可变换的模块，从而达到实现船舶多功能转变的目的（图1）。

1 港口小型测量船的应用分析

港口作业是一项复杂的系统工程，如何合理地配置单元组成，从而减少港口的投资规模，提高作业运行效率的角度，去解决因为复杂功能组合所导致的围绕主要维度和其他多功能特性之间相互矛盾的趋势，是需要认真面对的一个问题。对港口作业的船舶进行工作任务的分析表明，可以通过一个通用的平台来完成以下复杂的功能组合的作业（图1）。

图1 总布置图

1.1 港口小型测量船功能介绍

（1）进行河道的整治作业，研究河流水纹情况，以确定挖泥槽的来源和原因；（2）管理港口的水路运输工作，控制内河水路和港口水路的状况；管理航行围栏，控制航行围栏的状态，控制照明标志上的灯光的明灭；（3）维护航运标志和照明设备；（4）船上的拖曳测量工作，主要功能为承担海洋水声物理实验研究考察任务，进行嘈声、传播、反射作用距离测试及某些水文测量的实验；（5）标识和解码，可投放或回收专用航标。用来进行专用航标设置、撤除、位置的移动和其他状况改变时，对航标进行执行性作业；（6）维护航运标志和修理灯光设备，为加强和规范航道的养护管理工作，来保障航道畅通，提高航道养护工作质量和效率，为船舶提供良好、安全的航行服务工作，维护的范围可以涵盖以下内容：航道维护类别、维护尺度及航道维护水深年保证率、航标配布类别、航标维护正常率、过船建筑物年通航时间保证率等；（7）货物装运和卸载的港口设备或船用起重机，可以用于舰船间货物的转移运输、海上补给、水下作业设备的投放与回收等工作。比一般的起重机要求更加严格，它不仅是搬运货物的设备，还需要应对海上各种突发的事件及各类情况所带来的影响；（8）消除紧急泄漏的石油和石油产品,主要包括直接处理水面的石油采集和拦油栅，可使用机械方法将海面浮油迅速收集起来，减少和及时消除油污染；（9）执行拖船操作(使用后锚系泊绞车)可协助船舶进出港、靠离码头、掉头等作业，船厂也可用其进行船舶泊位调动、供修造船进出坞、协助试航等用途的拖船等；（10）海底调查，寻找沉没物体，船上包含侧视雷达浮标锚和声纳回声测深仪等设备；收集各种废物、石油混合物、粪便和污水，日常维护固定水域上的清洁；执行对遇险船舶和漂浮物体的搜索，在水面上搜寻遇险者。

1.2 港口小型测量船的功能分组设计

考虑到上述的功能情况，设计的方向可分为30多个功能服务和辅助项目，其中功能分组可包括：紧急救援船、钻井船、拖船、拖船；领航船、布缆船、水文和测量船；打捞船、污水和废油的处理船；船舶供应和船舶装运——卸载船等（图2）。

图2 船体模型图

2 小型多用途测量船功能设计

2.1 技术特点

单一功能的港口工程船建造费用高且利用率低，难以为港口带来安全高效的作业质量，因此，研制具有上述功能又具有优良操纵性能，适航性和安全性齐备，还能兼顾测量、无线电定位和通信等多用途高性价比特征，且综合作业功能覆盖小型港口辅助船的多功能船，但造价又要低于一艘常规港口船舶的新型港口辅助船，成为很值得思考的一个技术特点。

2.2 功能设计

本文中设计中的小型多功能测量船，旨在执行驻派实地勘测工作任务，并可持续20天以上，不局限于卫星定位的现代自动化功能集群的小型舰船。

该测量船包括在船上设备中。其主要任务是：完成海上勘测航道并测绘海图的工作；控制船舶内部水路和港口的水路状况；控制航行围栏状态和照明标志上灯光的闭合状态；灯光信号标志的通航环境和设备维修。其增加的额外功能有：运送一定乘客（最多7人），以及完成部分的港口紧急的工作任务；拖拽非自行性的物体，起到拖船的作用。也可以进行浅水区的测量和测量工作，主要是通过附加的浅水测量船进行的，船尾装有两个固定螺距螺旋桨。从主柴油机通过倒档变速箱进行机械驱动。以两个平衡舵确保了船只的可操纵性，下部的支撑架可防止在浅水中损坏。为了在舵柄室中移动舵，可安装两个独立的电动液压转向器，可同时（同步）和分开地将舵移到任何一侧。船首设计有一个可容纳100 KW的船首推进器。

2.3 主尺度分析（表1）

表1 船舶主要参数

（1）船长。小型测量船设计的工况大多为应急勘测作业，所以对船舶的总体布置有着较高的要求，必须在满足性能、舱室布置和作业区面积等情况下，尽可能减小其船舶主尺度。以保证船舶的机动性和灵活性，以及实现低停靠和低运行的便利状态，维护设计中的低成本造价的要求。（2）型深。受总体布置、尺度比、稳性、水深等因素的制约，型深的大小会受到大倾角稳性，最小干舷，重心高度的影响。（3）吃水。在船舶型宽、型深和船长等确定后，可根据传播的质量、型线、重心来确定船舶的吃水，影响因素包括船舶的布置，航速等。新型的测量船应具有型深小、排水量小、船长小的特点，为满足船舶航速指标及作业的稳性要求，可考虑适当增加型宽。

3 主要设备选型

3.1 多波束测深仪

多波束回声测深仪主要是利用多波束回声信号测量、绘制海底地形和水深的装置。组成整个系统的三个基本部分为声波收发射器、信号处理装置和工作站。在船底龙骨上安装收发射器或探头，向水底发射“扇面”形式的多波束声波，通过接收传感器接收自海底反射的回声波，并经过电缆将回声信号传送至船上的信号处理器，再通过显示器或绘图仪将处理过的海底信号绘制成水深图或地形图。经工作站处理的信号，还可绘制成彩色地形图和底质图。

本船选择的为25m长标准电缆的多波束探深仪，其主要特点为可回转到165°最大宽度视角；水深0.5～1.5m40kHz的频率和0.5～500m200kHz的频率；256～512光束宽度2～0.5°。

3.2 超声波侧向扫描声纳

超声波侧向扫描声纳采用带有脉冲内线性调频技术的超声波双频侧扫声纳，可以高分辨率、低噪音地获得水下，水下物体的清晰声图。使您可以同时在两个频率上工作：100/400kHz，300/600kHz或300/900kHz。

3.3 惯性导航系统

惯性导航系统则为陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，此系统可根据陀螺的输出情况，建立导航坐标系，再根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。易于使用，高度可靠，设计用于船舶的倾斜、航向、摆动、速度和位置，并结合来自动态位移传感器和卫星罗盘的GNSS数据和角速度和加速度数据，确定了自由度空间中可靠、准确的船舶定位数据。