船舶智能防撞氣囊設計研究

楊志堅 王 彬 向 萌 葉加林 唐詩雨

船舶智能防撞氣囊設計研究

楊志堅 王 彬 向 萌 葉加林 唐詩雨

（重慶交通大學，重慶 400074）

針對船舶碰撞造成物資、人員的損失及原油泄露污染環境等問題，我們創新設計新型船舶智能防撞裝置。該裝置引入智能控制理念，通過傳感器與控制信號完成分布于船體舷側和船體艏艉處的安全氣囊充氣，以緩沖船舶碰撞造成的巨大沖擊力，減少船舶結構性的破壞；同時，增大船舶的抗沉能力，氣囊打開后可提供部分浮力，大幅增加船舶碰撞后的施救時間。

船舶防撞；智能控制；安全氣囊

1 研制背景及意義

1.1 研制背景

船舶交通作為目前全球最重要的交通運輸方式之一，其在拉動各國經濟發展的同時，改善了國民生活質量，然而，船舶交通事故也屢見不鮮。根據英國勞氏船級社對船舶交通事故的統計可知，全球范圍內船舶碰撞事故的發生率每年均占海上交通事故的10%以上［1］。因此，減小碰撞事故所帶來的危害勢在必行。

1.2 研制意義

船舶是一個復雜的水上工程建筑物，保證其安全性尤為重要。目前，船舶普遍充當運輸原油、雜貨、人員的一種交通工具，一旦發生事故，人員、財物將會受到重大損失。在此前提下，我們團隊提出了船舶安全氣囊的理念，在船舶的吃水線以上設計安裝船舶安全氣囊，以緩沖船舶碰撞造成的巨大沖擊力，減少船舶結構性破壞，同時也可以增大船舶的抗沉能力以增加船舶的搶救時間［2］。這能從根本上解決船舶在航行中遇到的突發問題，提高航行時的安全系數。

2 設計方案

2.1 設計原理

從多年來的船舶碰撞事故統計來看，船體舷側與船艏這兩部分是船舶發生碰撞的主要部位，而船艏、舷側之間的橫向范圍內往往又是船舶比較薄弱的部分。因此，本設計考慮到既然不能增減少船舶相撞的可能性，可以減少船舶因相撞后產生巨大沖擊力對船體本身造成的影響［3］。在事故發生時，安裝在船體舷側和艏部的安全氣囊在碰撞傳感器預警安全氣囊電腦系統控制下迅速彈出，完全覆蓋在船舶吃水線上方且快速完成充氣，在船舶觸礁或者是相撞之前做好安全防護措施，以減少船舶受到的損害。

2.2 防撞氣囊的組成與預警系統

船舶安全氣囊主要由傳感器、微處理器、氣體發生裝置氣囊儲存管道和滑槽組成。船舶安全氣囊在預警、防護方面的主要設計思路就是如何準確地提前預警，合理打開氣囊。預警系統主要采用GPS技術、無線網絡技術、因特網絡、嵌入式系統技術、容錯技術、預報控制技術等進行事故預警，以避免船舶撞擊的突發性。

根據目前內河航區的通航船型的分析結果，我們采用兩艘5 000t級的集裝箱船進行試驗。碰撞實驗船型參數如表1所示。

表1 碰撞實驗船型參數表

設計的A船以3.7m/s的速度船艏垂直撞擊靜止的B船舷側。計算采用雙坐標系，(xc,iyc)為船舶碰撞點的坐標，α為初始碰撞角度。如圖1所示：

圖1 撞擊示意圖

假設碰撞船為剛體，其動量方程為：

其中，Ma為碰撞船的質量;分別為碰撞船在xc方向、y方向和旋轉方向的加速度；max、may、ja分別為附水質量在浮動、搖擺、旋轉3個分量的質量系數；Ra為碰撞船只質量慣量繞重心旋轉半徑。

圖2給出的船舶與船舶、船舶與氣囊相撞時的受力與時間歷程曲線。從圖2可以看出：5 000t級船造成的撞擊力最大為37MN，在安裝氣囊之后，最大力下降到了25.7%，起到了較好的防撞效果，同時也減少了船舶損傷。因此氣囊起到了很好的保護效果。

圖2 碰撞力時間歷程曲線

從圖3可以看出，1.5s時碰撞船舶變形吸收能量21MJ，船舶氣囊裝置吸收能量27MJ，而且在碰撞過程中，氣囊吸量始終大于船舶變形吸能。由此可以看出，安裝安全氣囊防撞裝置能吸收主要的碰撞動能，大大減輕船舶的變形損傷。

圖3 碰撞吸能曲線（1-船舶，2-氣囊）

3 創新特色

①該裝置大大提高了船舶航行的安全系數，填補了此項技術的空白，為船舶的安全航行奠定了基礎。

②智能控制使該裝置具有快速性和應急性，加之預警系統的應用，進一步提高了船舶航行的安全系數。

③創新設計多層氣囊和新型充氣共晶體，更加適用船舶大型安全設備需求。

④如遇毀滅性沖擊，安全氣囊可以減緩沉船時間，為救援爭取了寶貴時間。

［1］王建平.無線網絡技術［M］.北京：清華大學出版社，2013.

［2］劉希恭.國產汽車安全氣囊系統故障檢修實用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［3］王自力，顧永寧.船舶碰撞數值仿真的一種組合模型［J］.華東船舶工業學院學報（自然科學版），2001（6）：1-6.

Design of Intelligent Collision Avoidance Airbag for Ships

Yang Zhijian Wang Bin Xiang Meng Ye Jialin Tang Shiyu
（Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074）

In view of the material and personnel losses caused by ship collision,as well as the leakage of crude oil and the pollution of the environment,we design and design a new type of intelligent collision avoidance device for ships.The device introduced intelligent control idea,through the sensor and control signals to complete the inflatable airbags distribution on the hull side and hull at the bow and stern,the huge impact to the buffer caused by ship collision force,reduce the damage to the structure;at the same time,the increase of ship anti sinking capability,the airbags can provide some buoyancy,a substantial increase in the ship after the collision of rescue time.

ship collision avoidance；intelligent control；airbag

U667

A

103-5168（2017）09-0123-02

2017-08-01

楊志堅（1995-），男，本科，研究方向：船舶復合材料。