海洋综合科考船模块化装备发展展望

汤清之，邬旭东，陈英，欧阳梅花

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

随着科学技术的进步，海洋综合科考船需要搭载的科研仪器设备及相关的支撑装备和实验室数量都在逐步增加，然而海洋综合科考船的空间、面积和排水量却不能无限制地增加，在有限的空间内需要承载尽可能多的科研仪器、支撑装备,以及实验室是海洋综合科考船的设计难点。首先被想到的是科考设备移动装船，但是这种方法在备航阶段需要大量拆装设备，并进行试验和调试以确保设备安全可用，耗时长进而不利于船时的有效利用。

为了解决备航时间过长、装卸过程复杂的问题，集装箱被引入到海洋综合科考船的装备体系之中。集装箱及其固定件是非常标准的国际通用产品，其提供的空间和强度都要胜于一般承载平台，而且其物流和仓储标准化程度高，成本低。引入集装箱后，一些海洋仪器装备和实验室被率先集成到了集装箱内，而后一些大型的支撑设备也被集成到了标准集装箱底座上，基于这些移动式装船设备的接口要素，海洋综合科考船可以针对性地预留一系列标准化的集装箱固定底座以适应不同航次作业要求下不同位置不同数量的集装箱布置，最终形成模块化的设计思路。但是，在近10年模块化装备蓬勃发展的过程中也出现了一些问题，解决这些问题并提高模块化能力成为了科考船设计的关键技术之一。

1 模块化装备的使用情况

1.1 模块化装备的分类

一般而言，模块化装备可分为3类：舱室类集装箱、甲板机械类集装箱和存储类集装箱[1]。舱室类集装箱主要包括集装箱化的实验室、操纵室和工作室等，用于扩充本船舱室功能；甲板机械类集装箱主要搭载收放系统，在国外被称为LARS(launch and recovery system)，主要包括集装箱化的绞车、A架等可执行机械运动的装置，比如，在地震作业时用于炮缆收放的炮缆绞车；存储类集装箱按其存储对象又可细分为科考装置存储箱、样品存储箱和工具附件存储箱等。图1所示为艉部搭载大量模块化绞车、地震作业设备的综合科考船。

图1 艉部搭载大量模块化绞车、地震作业设备的综合科考船[2]

1.2 模块化装备优势

1)提升船舶作业能力。海洋综合科考船的作业能力取决于两个方面：①船舶平台的技术水平；②所搭载的科考设备的数量与质量。前者是船舶建成之后就已经定型了，而后者在引入模块化概念之后可以利用集装箱底座移动搭载绝大多数科考设备，在某个航次内提升该航次的作业能力。比如，海水中金属浓度非常低，在监测过程中要测得海水中金属的真实浓度比较困难，获取这种海水的取样作业称为痕量金属海水取样，在取样过程中为了避免污染样品，往往会采用无金属物质来包裹钢丝绳。随着科技进步，目前的专业痕量金属绞车不但配置了非金属铠装的缆绳，绞车的滚筒和两侧法兰等和缆绳接触的部位也被非金属材料所包裹，这类绞车的造价较高、使用频次低，但发挥的功能又是无可替代的，所以一般会被设计成模块化装船，提升船舶痕量金属海水取样的能力。

2)提高船舶作业效率。对于科考船的宏观运营而言，1年中用于实际作业的时间为年度有效船时。科考船在1年中的主要用时除了在码头停泊修整之外还包括航次准备时间、航渡时间、作业准备时间和作业时间，这其中真正产生价值的是作业时间，所以统计1年中的作业时间是具备实际意义的，两艘功能接近的科考船中年度有效船时高的科考船，说明其宏观的作业效率也更高。只要任务饱满，科考船在码头停泊修整的时间是可以尽可能压缩的，从设计的角度出发，能够压缩航次准备时间、航渡时间和作业准备时间并延长作业时间是比较有意义的。

3)保持装备先进性。科考设备的更新速度远快于船体技术的更新速度，纵观20～30年前的科考船船体技术并不十分落后，很多船型经过了长时间的验证具备很好的安全性和经济性。但是20～30年前的科考设备在当今时代里已不具备很强的竞争力了，当时建造的很多船舶都或多或少地进行了现代化改造，通过安装新型科考设备的方式来保持竞争力。类似“雪龙”号这样的老式科考船其实验室设备、实验室功能、实验室结构形式和布置地位等方面存在先天不足，实验室全部是固定的，内部设备无法更换，严重制约了该船的科考能力的发挥[3]，但是通过搭载现代化的模块化实验室可以快速地将“雪龙”号的实验室能力提升到与目前先进科考船接近的水平。

1.3 模块化装备装船的局限性

1)模块化装备周转困难。随着模块化装备的品类逐渐增多，导致海洋综合科考船出现一个航次承接多个考察任务的现象也非常普遍，科考船上局限的空间与数量日益增多的模块化装备之间出现了矛盾。从空间上讲，有些甲板机械类集装箱装载深海绞车，需和艉部A架或者舷侧收放设备配合使用，安装位置是有要求、受限制的；有些舱室类集装箱承担实验室功能，比较合理的布置是与科考船原有的实验室相连，布置位置合理与否直接影响科学家的工作效率。有些模块化装备在整个航次期间是持续工作的，有些模块化装备在航次期间工作的时间仅占一部分，剩余时间是闲置的。因此，为了提高海洋综合科考船的使用效率，在有限空间内合理周转模块化装备，将需要工作的设备在需要工作的时间放置在最合理位置，将闲置装备移至他处成为了目前阶段海洋综合科考船亟需完善的一项能力。

2)模块化装备与母船的对接。在模块化装备发展的萌芽期，舱室类集装箱都是以孤立的个体出现，母船给集装箱提供了系固条件，但也仅能保证集装箱与母船之间的安全系固。随着时代的发展，母船开始可以给集装箱提供电力、网络和上下水的接口等，因此目前许多舱室类集装箱都开始扮演特殊实验室的角色，科学家和样品也就需要频繁进出，大量孤立系固于甲板上的集装箱实验室因为与母船实验室不相连，科学家和样品需要经过室外暴露环境进出实验室，已显然不能满足使用需求，这一点在高海况和极地高寒环境下显得尤为突出。

3)模块化装备载荷限制的突破。随着海上作业能力的提升，集装箱搭载的甲板机械负载也逐步提高，而由于集装箱箱脚均为ISO标准件，其安全工作负荷(SWL)是受限的，一般为正向拉力不大于250 kN，水平切向力不大于210 kN，一旦甲板机械的拉力值超出了箱脚的受力上限，就会出现安全事故。目前大量使用的万米钢丝绳绞车，缆绳拉力不会低于200 kN，许多绞车的拉力甚至超过300 kN，再考虑到海上作业的船舶运动产生的惯性力，单纯依靠标准化的ISO集装箱系固系统已经制约了模块化甲板机械的缆绳拉力值，也就限制了这些甲板机械的工作能力无法支撑水下更深、更重的设备。

2 提升模块化能力的方案

2.1 转运的高效化

考虑到单航次下模块化装备搭载数量日益增多，在执行特殊任务时，单航次的集装箱搭载数量可能达到数十个之多，如果全部在甲板面上搭载势必没有足够的空间，也不利于集装箱展开工作。所以，部分科考船已经开始考虑增设集装箱舱供周转模块化装备，高效转运集装箱需要一套舱外转运系统和一套舱内转运系统来完成。

对于舱内转运，集装箱舱又可分为单层集装箱舱和多层集装箱舱，对于单层集装箱舱而言，层高会比较紧张，可以使用地面形式的转运，比如，托盘车；对于多层集装箱舱，由于除了需要水平转运还需要垂直转运，所以托盘车不合适，可以单独采用行车的方式来转运，也可以采用行车转运与托盘车转运相结合的方式[4]。

对于舱外转运，海洋综合科考船可以参考集装箱船的做法，采用海工型克令吊将集装箱吊出集装箱舱，也可以在上层空间有遮盖的情况下配置专用行车来吊运出舱。由于海洋综合科考船的甲板面空间宝贵，可能无法在集装箱舱正上方开出全开口舱盖，那么舱内转运系统就需要先转运至小舱盖开口之下，再依靠克令吊和行车来逐个吊出集装箱。当集装箱数量过多时，可以通过计算机软件来辅助堆栈、理货。图2所示为采用行车、托盘车和克令吊组合转运的方案。

图2 采用行车、托盘车和克令吊组合转运的方案

2.2 舱室的对接化

承担着实验室功能的舱室类集装箱，需要与母船船体直接实现对接，这样科学家可以进出实验室而不必暴露于室外环境。目前国外有些科考船采用有限遮蔽的对接方案，在布置位置上使集装箱实验室与主船体挨在一起，在接缝位置设置一圈橡胶起到形式上的密封，但实际上接缝处仍然存在漏风漏雨的可能。

国内目前有更优的解决方案，在橡胶密封条内设置充气装置，可以在集装箱落位后对橡胶充气进一步压紧集装箱与舱室之间的缝隙，保证一定程度的密性[5]。随着模块化装备数量的增多，密封装置的充气操作也不可能都由人工来完成，因此在未来模块化装备形成一定规模后，对接装置的充气应当配有遥测压力表并通过程序关联充气阀门的启闭，使得密封圈内的气压式中保持在合理范围内。

2.3 系固的多元化

模块化装备与海洋综合科考船之间的系固长期以来依托的是ISO标准化的集装箱紧固件，但是这类紧固件的安全工作负荷是固定的，对于超出这个负荷就需要定制专门的紧固件。从实际使用角度出发，模块化装备中出现重载的概率比较低，且使用场合是可以预先设计的，所以在可能用到重载集装箱的位置，除了配置原先的ISO标准化的集装箱紧固底脚，还可以在集装箱底边外侧设置嵌入式法兰板，见图3。

图3 嵌入式法兰板

嵌入式法兰板与甲板完成面齐平，预攻一定数量的螺孔，在搭载重载集装箱的时候利用L形连接板和螺栓将集装箱和嵌入式法兰板连接，可以在ISO集装箱紧固底脚的基础上进一步加固集装箱与船体之间的连接强度。

实际科考船作业期间，除了面临大负荷的重载模块，其实还有一些小体积、小负荷的轻载模块，这些模块如果安装在集装箱内就需要占用整个20 ft集装箱的面积，非常浪费甲板面面积。所以在新建的海洋综合科考船作业甲板上会新增矩阵式的地脚螺栓座，在使用时将设备底脚通过螺栓固定到地脚螺栓座之上即可，螺栓座之间的间距一般在600～800 mm之间，可以兼容非常小的设备。在安装大型设备时，这些地脚螺栓座还可以和嵌入式法兰板一样对模块化装备的系固进行补充,见图4。

图4 嵌入式法兰板和地脚螺栓示意

2.4 功能的集成化

未来若干年，无人装备将朝着集群化的方向发展。目前许多水下和空中的无人装备需要船上配置完善的保养体系，以无人机为例，以油为动力的无人机需要加油而以电为动力的无人机需要充电，其次还需要对无人机的任务载荷进行更换和设定，某些固定翼无人机还需要特殊的装置进行回收，如果仅搭载1～2架无人机还能兼顾，一旦搭载机群出航上述这些工作都超出了科考船设计之初规划的空间和功能。未来的模块化装备必然会走上集投放目标(如无人机)、保障系统(如加油系统)、操控系统、收放系统和存储功能于一体的道路，这样既可以减轻科考船基础硬件的建设工作量，又可以充分利用集装箱的每一寸空间。此外，功能集成化程度越高，那么需散装上船的设备就越少，占用的码头搭载时长就越短，对船舶全年的作业效率提高也是有益的。

2.5 模块的共享化

由于海洋科考装备在下一阶段必然要走国产化的道路，但是将来的海洋科考装备的技术含量势必会非常高，研发成本会占到最初几台设备采购价格的很大一部分，而且很多科考装备在某个单位完成某些课题之后就被束之高阁，其装备的使用率也不高，整体上产生了投资浪费。如果在装备研发之初就由几个执行海洋同类调查任务的单位合资采购或者研发国产化的科考装备，然后产品以模块化的形式装船，并且可以在这几个单位之间流通共享，分别搭载到不同的船舶上，及分摊了装备采购成本，又提升了科考装备的利用率。

即使是现存的模块化科考设备，随着将来作业任务的逐渐饱满，各个单位之间的合作也会更为紧密，各个涉海科研单位将更多地负责管理船舶，人员和模块化装备会在单位之间充分流动，也形成了一种共享生态。美国海洋科考的大型海洋装备管理就是采用三层体系架构来实现的，将大型海洋装备(比如载人潜水器)的使用权、管理权和所有权分离，便于管理。图5为美国大型海洋装备的3层架构管理体系，模块化的科考装备可以作为借鉴。

图5 美国大型装备管理体系[6]

2.6 装备的智能化

装备的智能化和模块的共享化是紧密关联的，当实现模块共享化之后模块的所有者并不一定是其所搭载的船舶的所有者，在没有构建智能化平台之前这两者是割裂的，但模块的所有者和船舶的所有者都需要了解模块的工作状态，模块的所有者还需要知道模块所处的位置和航次作业计划，以便规划后续模块的出租或者使用。因此，模块化装备应该从集装箱框架+科考装备的组合向集装箱框架+科考装备+网络系统的组合过渡，利用船岸网络系统传输数据，保证岸上基地可以实时获得模块化科考负载的作业情况。

近年来，已交付使用的深远海综合科考船均具备较好的数据开放接口和通信基础条件，船舶系统有安全、稳定、可靠的数据中心及集中控制室，通信系统有ONU模块及光纤主干网、软件定义网络、虚拟云桌面系统等，可以提供优质、经济、高效、安全的网络基础资源保障，并具有较优异的基于网络的平台化系统集成条件和管理控制能力[7]。在具备以上条件的情况下，只需要在模块化装备中内嵌一套软件，将装备本身的运行数据(如绞车的缆长、缆速、张力等)和船舶位置信息打包以某种格式发回岸上，岸上基地可利用软件解析数据之后实时监测该模块的状况。

3 结论

随着船东对船舶作业效率、作业能力要求的不断提升，船东对科考船的管理将逐渐从单船管理向船队管理转变，从针对船舶的管理向针对船舶、人员和装备的多元化管理转变，模块化设计理念将会始终贯穿其中。而这其中当务之急就是提高海洋综合科考船的模块化能力。

最近10年，我国先后交付了一批现代化的新型海洋综合科考船，在实际使用过程中发现了模块化装备预留数量不够、集装箱周转困难、人员进出集装箱不方便、普通集装箱承载大负荷绞车强度不够等问题。本文给出的方案很大程度解决了模块化装备使用过程中遇到的问题，使模块化装备在海洋综合科考船上的使用效率大幅提高，也使得原先无法适配的一些模块化装备可以成功装船，这些经验可以为新一代海洋综合科考船及其模块化装备的设计提供借鉴。而由于船载网络系统的不断升级，可以预见将来模块化装备智能化的发展潜力最为巨大，应当成为新一代科考船先进性的衡量标准之一。