无缆自动系泊系统分析和展望

崔 戈

（海装驻北京地区第七军事代表室，北京 100841）

0 引言

传统系泊方式一般根据船舶吨位进行头缆、尾缆、倒缆和横缆系泊，每根缆绳必须保持均匀受力。随着船舶吃水、潮位、受力情况发生变化，需随时调整缆绳的松紧[1]。每年因缆绳老化、天气恶劣、系缆不规范等原因造成的系泊安全事故时有发生。随着物流贸易全球化发展及自动控制技术持续进步，无缆自动系泊系统凭借高效率、经济、安全、可靠的优势正逐步替代传统系泊方式。国外无缆系泊系统应用较为成熟，已形成真空式自动系泊和磁力式自动系泊这2 条技术路线。欧美在无缆自动系泊装置码头安装、船舶靠港的自动化程度和效率方面较为领先。

海运因具有运输能力大，运费低等优点为我国完成60%左右的国际运输，但国内码头几乎没有安装使用无缆自动系泊装置。近几年国内已逐步开始研究无缆系泊技术，通过研究、攻克自动系泊吸附技术、补偿控制技术等关键技术，逐步实现国产自动系泊装置系列化，满足国内港口码头的使用需求。

本文对国内外无缆自动系泊技术发展情况、无缆自动系泊系统类型及应用情况进行介绍，并对关键技术进行分析。在此基础上，对自动系泊技术的未来发展趋势进行展望。

1 国内外发展情况

新西兰凯伏特集团开发出世界首个MoorMaster™创新式真空自动化系泊系统，第一套已于1999年投入使用，至今基本未出现故障和事故。在研发和设计所有MoorMaster™系泊系统时，凯伏特集团始终将安全因素放在第一位。MoorMaster ™系泊系统适用于众多的港口和船只类型，包括货柜码头、散装码头、滚装船舶和渡轮，应用场景见图1。如今凯伏特集团在自动系泊系统方面已经形成系列产品。

图1 MoorMaster™系泊系统的应用场景

2 无缆自动系泊系统类型及应用

无缆自动系泊系统主要有真空吸盘式和磁力吸盘式这2 种方式。

2.1 真空吸盘式自动系泊系统

真空吸盘式自动系泊系统是目前国际上较为主流的自动系泊装置，各家研发公司已逐步将其产品形成系列化和标准化。其前端安装真空吸盘，通过吸盘吸附在船舶侧面，可通过自动控制、远程控制及现场应急控制等多种控制手段进行系泊控制。国际上研究和制造真空式自动系泊系统较为成熟的有总部位于瑞士Cavotec公司生产的Moor Master™系列，产品外形见图2。此外，还有瑞典Trelleborg 公司生产的Auto Moor 系列，产品外形见图3。

图2 MoorMaster™系列真空自动系泊系统

图3 Auto Moor 系列真空自动系泊系统

无缆自动化系泊系统打破了传统系泊模式，不使用任何绳索，几十秒内即可完成船舶靠泊离泊操作[2]，从2003年开始，加拿大、英国、澳大利亚、新西兰等发达国家已经将无缆自动系泊系统陆续投入使用。

目前国外无缆自动系泊系统已经比较成熟，类型也比较繁多。据了解目前国内无缆自动系泊系统还处于起步阶段，国内最先进的自动化码头如青岛港、上海洋山港自动化程度较高，但均未将无缆自动系泊系统投入使用。但随着我国港口运营朝着自动化、现代化发展，港口配置自动系泊系统将成为必然趋势。

2.2 磁力式自动系泊装置

磁力式自动系泊系统是基于磁力的自动系泊装置，其前端设置电磁吸盘。国内厂家设计、生产的磁力吸盘能够产生600～1 200 kN/m2的吸力[3]。吸盘主要有电磁式和永磁式这2 种方式。电磁式在吸附时需长时间通电产生磁力，因此采用永磁式较为安全和经济，其吸盘主要由吸盘主体、环氧树脂、磁轭、钕铁硼永磁体、铝镍钴磁钢及线圈等部分组成[3]。其控制原理与真空式自动系泊系统类似。Mampaey 公司生产的Dock-Locking 系列磁力式自动系泊系统，通过液压缸带动的永磁吸盘实现船体与系泊装置的连接，产品外形见图4。

图4 Dock-Locking 系列磁力式自动系泊系统

3 关键技术分析

为适应未来智能船舶发展的需要，亟需开展无缆自动系泊系统技术研究。而系缆力分析计算是进行技术研究的前提。

船舶系缆因压排水、人员（货物）满载与空载、潮汐、风载、过往船舶影响等因素，可能会使船舶产生撞击或偏离码头等安全性问题。在船舶撞击或偏离码头时，无缆自动系泊系统进入补偿状态，无缆自动系泊装置的真空吸盘或电磁吸盘在执行机构（油缸）作用下进行6 自由度运动。因此，计算船舶各自由度方向的系缆力是进行自动系泊系统设计的关键。系缆力计算需要遵循JTJ 215—1998《港口工程荷载规范》[4]的相关要求，计算内容主要包括作用于船舶上的风成系缆力、作用于船舶上的水流系缆力、过往船舶兴波对船舶系缆力的影响等。

目前，研究人员仍需要突破吸附技术、多自由度船体姿态补偿控制技术、多设备协同作业技术及系泊安全可靠性设计技术等关键技术，以保证无缆自动系泊系统的安全、可靠运行。

3.1 吸附技术研究

吸附装置是无缆自动系泊系统的关键执行机构，其吸附能力决定无缆自动系泊系统的任务成功率。真空吸盘和磁力吸盘在工业生产线、起吊设备中已得到成熟应用，其一般承受垂直拉力。吸附装置根据6 个自由度方向的运动情况相应调整各方向抗拉或抗压能力。

3.1.1 真空吸附技术

针对真空吸盘的材料、密封型式、外形尺寸以及触点的布置开展技术攻关，解决真空吸盘的真空度及抗压性能。针对真空压力等技术指标，分析真空系统组成及关键元器件选型，构建安全可靠的真空发生器系统。

3.1.2 磁力吸附技术

磁力吸附技术重点研究解决磁力吸附单元形成磁场对船舶设备正常运行的影响。针对系泊系统工作特点选用较好永磁材料、合理聚磁技术以及设计最合适的磁路，得到尽可能大的气隙磁通密度达到较高磁吸力[5]，保证吸附单元可靠吸附。

3.2 多自由度船体姿态补偿控制技术

对多自由度船体姿态的补偿控制技术研究，依据船舶系泊的实际作业环境数据，针对船体因潮汐、风载、过往船舶产生的多自由度姿态变化，提出运动补偿及随动结合的控制方案，构建无缆自动系泊装置最优补偿控制方法、驱动算法及安全联锁策略。同时在执行机构部件中合理布置传感器，确保船体姿态变化超过补偿范围后，系统对相应自由度的船体运动能够执行主动抑制，确保船舶安全停泊。

3.3 多设备协同作业技术

船舶需要2 个及以上无缆自动系泊单元协同动作才能够完成船体系泊作业，在依据船舶实际靠岸运动姿态确定系统运行后，各自动系泊单元同时启动。此时，针对各系泊点不同的运动要求，完成各无缆自动系泊单元吸附动作的协调配合，帮助船舶快速、平稳靠岸。在系泊状态下依据各系泊点的运动补偿完成船体运动抑制，是确保船舶安全、稳定系泊的关键。

3.4 系泊安全可靠性设计技术

为确保无缆自动系泊系统作业过程安全可靠，配置激光定位、摄像机等技术感知船舶相对码头距离及船舶速度，根据反馈数据调节系泊设备移动速度及后续吸附工作。通过设置力传感器、位移传感器等方式对船体运动姿态实时检测，根据检测数据预测多船体的多自由度姿态变化情况，及时调整无缆自动系泊系统的系泊状态，及时开启系统的补偿、抑制功能，确保船舶平稳系泊，人员和货物安全上下船。

4 未来发展趋势展望

自动系泊技术发展较为成熟，不仅可用于码头系泊，也可应用于海上平台的大水位差的船舶自动系泊。根据海上平台海水高度变化，采用浮式系靠泊结构，该结构利用水的浮力作支托，以满足水位涨落变化的要求[6]。通过浮式自动系泊技术可快速实现货物装卸、人员上下、应急撤离及救助等作业活动。

自动系泊技术也可用于海上船舶间靠帮系泊，不仅可提高靠帮作业海况，而且可将靠帮作业时间缩短至1 min 以内[7]。美海军为改善海上战略投送人员、车辆、集装箱传送时的靠帮环境和提高海上战略投送效率。已将自动系泊系统用作海上战略投送，委托凯伏特公司研发船船之间无缆自动系泊系统（MM100E60），产品外形见图5。该自动系泊系统门限海况3 级，目标海况4 级，由6 套集成在集装箱内的模块化试验样机组成。目前已完成样机码头试验工作，试验情况见图6，后续可将该技术移植至舰船间靠帮系泊。

图6 无缆自动系泊系统（MM100E60）样机试验

5 结论

本文介绍了国内外无缆自动系泊技术发展情况、无缆自动系泊系统类型及应用情况，并分析了关键技术。在此基础上，展望了自动系泊技术的未来发展趋势。研究成果可为无缆自动系泊系统的设计与研究提供一定参考。