海上智能自動(dòng)定位浮式燈塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

楊 柳 季遠(yuǎn)杰 李亞磊 汪 宏

江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212003

正文：

一、引言

燈塔——航海者的生命指路人，直接影響船舶和船員的安全。隨著國民經(jīng)濟(jì)快速增長，我國的對外交易日益頻繁、海運(yùn)事業(yè)蓬勃發(fā)展，對航標(biāo)燈塔質(zhì)量和數(shù)量的需求不斷提高。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，我國航海的發(fā)展又提高到一個(gè)新的層次。一路，指的是“21世紀(jì)海上絲綢之路”，重點(diǎn)方向是兩條，一是從中國沿海港口過南海到印度洋，延伸至歐洲；二是從中國沿海港口過南海到南太平洋。如此大面積的海域，航標(biāo)燈塔的作用就顯得尤為重要，具有重要的戰(zhàn)略意義。在傳統(tǒng)理念中，航標(biāo)燈塔只能被設(shè)立在固定位置為來往船舶導(dǎo)航，受到了地理位置極大地限制，缺少靈活性；且固定燈塔的安裝不便利，成本高而又速度慢。隨著全球定位系統(tǒng)的發(fā)展，其被應(yīng)用到了多方面領(lǐng)域。GPS具有精度高、速度快、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，成為了目前世界上應(yīng)用范圍最廣，實(shí)用性最強(qiáng)的全球精密授時(shí)、測距、導(dǎo)航、定位系統(tǒng)。將GPS技術(shù)利用到燈塔上，再結(jié)合當(dāng)下的浮式“不倒翁”結(jié)構(gòu)，很好的解決了上述難題。海上智能自動(dòng)定位浮式燈塔可在工廠完成初步的構(gòu)件加工，靈活而又方便的被運(yùn)用于各個(gè)地點(diǎn)，再進(jìn)行海上裝配即可投入使用。

圖1 海上智能自動(dòng)定位浮式燈塔結(jié)構(gòu)立體圖

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

（1）工作原理：該燈塔利用浮箱提供的浮力浮于水面，利用GPS定位系統(tǒng)將燈塔設(shè)置在所需的工作水域，當(dāng)燈塔偏離指定位置時(shí)，則可基于智能定位系統(tǒng)自動(dòng)回到原先位置。浮箱上裝配有太陽能電池板，可以用太陽能發(fā)電并將電能儲(chǔ)存；同時(shí)在浮箱的三個(gè)頂點(diǎn)裝配有三個(gè)風(fēng)機(jī)葉片，完成風(fēng)力發(fā)電；儲(chǔ)存的電能可驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，為自動(dòng)定位提供動(dòng)能。塔身與浮箱之間用螺栓連接，塔身可脫離浮箱獨(dú)立工作，脫離浮箱后的塔身可應(yīng)用于陸地，這樣極大地增加了該燈塔的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了燈塔使用的靈活性。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：燈塔采用“不倒翁”的結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)。其由上下兩個(gè)部分組成，上部為塔身，下部為浮箱，之間采用螺栓連接。塔身為分段式的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，每一段的高度為5米，如圖1所示，運(yùn)應(yīng)用時(shí)可根據(jù)所需要的高度進(jìn)行靈活的拼接。網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)由輕質(zhì)鋼浮桿制成，受力面積小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高。

圖2 塔身分段式的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)為六個(gè)圓柱形浮筒組成的六角式浮箱，每個(gè)浮筒的尺寸為：高度6米、直徑D=2米，如圖3所示。浮箱與浮箱之間利用鋼結(jié)構(gòu)固接，形成六邊形，如圖4所示。浮箱與塔身采用螺栓連接。

圖3 浮筒

圖4 六邊形浮箱

在六角浮箱不連續(xù)的三個(gè)浮筒上設(shè)置三個(gè)風(fēng)機(jī)葉片，如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)葉片布置

（3）結(jié)構(gòu)尺寸：

表1：結(jié)構(gòu)尺寸

圖6 尺寸零件圖

（4）外觀設(shè)計(jì)：

下部浮箱采用六邊形結(jié)構(gòu)，上部塔身為圓柱形結(jié)構(gòu)。整個(gè)燈塔采用桁架結(jié)構(gòu)，它是由多根小截面桿件組成的“空腹式”靜定結(jié)構(gòu)，抗彎能力強(qiáng)，撓度小，而且省料，自重小，海上受力面積小，穩(wěn)定性強(qiáng)。

在整個(gè)結(jié)構(gòu)的上部是燈的部分，在美學(xué)上中西合璧，既有中式建筑的田園風(fēng)，又有西式建筑的高貴典雅。該燈塔不僅是建筑，更是一件藝術(shù)品，是海上的東方明珠，見圖7。

圖7 燈結(jié)構(gòu)

（5）ABAQUS分析

三、管理與監(jiān)控系統(tǒng)

為了促進(jìn)航標(biāo)事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，使我國航標(biāo)建設(shè)科學(xué)化，標(biāo)準(zhǔn)化，我國相繼指定了如《中國海區(qū)水上助航標(biāo)》等規(guī)范，使我國海上航標(biāo)技術(shù)達(dá)到了與國際浮標(biāo)調(diào)度的統(tǒng)一，形成了具有中國特色的航標(biāo)體系。燈塔作為一種建立于航道關(guān)鍵部位附近的一種固定航標(biāo)，其基本作用是引導(dǎo)船舶航行或指示危險(xiǎn)區(qū)（常用來標(biāo)志危險(xiǎn)海岸、險(xiǎn)要的沙洲或暗礁以及通往港嘴的航道）。過去燈塔的管理完全采用人工的方式，定期巡視航標(biāo)燈是否損壞，再進(jìn)行人工恢復(fù)，信息傳遞被動(dòng)、滯后。近年來航標(biāo)監(jiān)控技術(shù)在飛速發(fā)展，航標(biāo)智能得到普遍化。海上智能自動(dòng)定位浮式燈塔利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，結(jié)合GPS定位系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)等可以形成燈塔網(wǎng)絡(luò)化綜合管理系統(tǒng)。同時(shí)燈塔監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、智能的反應(yīng)燈塔的工作狀態(tài)，一旦燈塔出現(xiàn)故障，燈塔的監(jiān)控系統(tǒng)接受到反饋后可以利用遠(yuǎn)程操作的方式對燈塔智能管理中心的軟件進(jìn)行技術(shù)診斷，燈塔可以得到最及時(shí)的維修，大大減少了人工的投入，工作效率得到了很大的提高，因此其具有很好的應(yīng)用前景。

四、應(yīng)用前景

（1）常規(guī)的燈塔只能固定在指定位置，維修時(shí)需要到達(dá)燈塔所在位置進(jìn)行維修，增大了維修的工作量。智能定位燈塔采用浮式結(jié)構(gòu)，利用六角浮箱浮于水面，通過GPS定位系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等可到達(dá)任意指定水面，同時(shí)裝有無線WIFI模塊（ESP8266），可與上位機(jī)（手機(jī)APP）進(jìn)行交互，通過手機(jī)APP發(fā)送數(shù)據(jù)對電機(jī)進(jìn)行控制，既而能使燈塔實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回位的效果，也能實(shí)現(xiàn)人對燈塔的操控，使其在偏離后自動(dòng)回位。

（2）該燈塔由塔身與浮體結(jié)構(gòu)組成，塔身與浮箱采用可分離結(jié)構(gòu)，可在工廠批量化生產(chǎn)。底座為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，由輕質(zhì)鋼浮桿制成，可減小水流對結(jié)構(gòu)的作用力，對波浪有良好的消能作用，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。塔身采用分段式結(jié)構(gòu)，塔身由一段一段固定長的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)連接而成，當(dāng)燈塔所需高度較大時(shí)可疊加多段，所需高度較小時(shí)可以少疊加一到兩段。根據(jù)塔身高度可以選擇不同大小的浮箱，以滿足不同使用環(huán)境，靈活性高，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。浮箱和塔身之間采用螺栓連接，二者可以分離。整體時(shí)為浮式燈塔，可應(yīng)用于各種海面，分離時(shí)的燈塔可等同于陸地上的固定式燈塔。

（3）本項(xiàng)目的動(dòng)力組件應(yīng)用到全回轉(zhuǎn)螺旋槳的理念，360°全回轉(zhuǎn)式螺旋槳使得燈塔偏離指定區(qū)域時(shí)，經(jīng)由系統(tǒng)計(jì)算的角度和距離后能更快速高效地回到指定工作區(qū)間，實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)方向的自由控制。浮體和塔身設(shè)置風(fēng)機(jī)葉片及太陽能板，作為燈塔的動(dòng)力來源。同時(shí)浮式智能燈塔配備測深儀，可根據(jù)水深自動(dòng)調(diào)整位置，更好的適用于當(dāng)前沿海地區(qū)海岸向海延伸的情況。

五、結(jié)論

近年來，浮式結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，浮式結(jié)構(gòu)的理念深入人心，也到了眾多研究。隨著科技的提高，人類發(fā)展越來越向著海洋進(jìn)軍，各種浮式建筑物將孕育而生，浮式碼頭，浮式別墅，海上高爾夫球場等都將成為可能。海上智能自動(dòng)定位浮式燈塔塔身與浮箱可分離，塔身可分段預(yù)制生產(chǎn)，浮箱可以制成不同大小，行成不同規(guī)格。根據(jù)需要連接不同高度的塔身和選擇相應(yīng)的浮箱大小，二者的配合使用極大的提高了生產(chǎn)效率，擴(kuò)大了應(yīng)用前景，降低了制造難度和成本。同時(shí)該燈塔機(jī)動(dòng)性高，水路兩用，且便于應(yīng)對各種海況和突發(fā)狀況。GPS定位系統(tǒng)以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，使得該燈塔具有良好的應(yīng)用前景和發(fā)展前景。它操作簡便，維修方便，信息傳遞迅速及時(shí)，可以系統(tǒng)化、智能化、規(guī)?；芾?。該燈塔工業(yè)化程度高，滿足現(xiàn)代科技的要求。海上智能自動(dòng)定位浮式燈塔可與各類浮式結(jié)構(gòu)配套使用，同時(shí)該燈塔的研究也將為浮式建筑物的發(fā)展提供參考。