基于可控矢量噴水裝置的船舶快速轉向和自主精準靠岸系統

胡雪梅 萬玉春 黎武鑫 蔣偉 鄧立斌 彭月琳

摘 要：隨著世界經濟貿易的發展和一帶一路海上絲綢之路的倡議，海上運輸貨物量不斷增加，船舶日趨向大型化方向發展，近年來船舶轉向和靠岸過程中發生的一些安全事故，使船舶轉向和靠岸的快速性、安全性面臨著新的挑戰。

關鍵詞：轉向;靠岸;快速性;安全性

1 項目背景

隨著航運的不斷發展，船舶進出港口越來越頻繁，船舶的保養和維護頻率也越來越密集。船舶靠岸是船舶進港裝卸貨和修船停泊的主要步驟之一，船舶能否快速、安全地靠岸直接影響修造船的工作效率和經濟效益。大型船舶在靠岸時受到各種環境條件的限制，如拖輪大小、拖輪數量、碼頭附近水流、波浪以及風等，這些環境條件在船舶靠岸時會產生安全影響。為了解決這一問題我們提出了基于可控矢量噴水裝置的船舶快速轉向和自主精準靠岸這一系統。

2 項目介紹及其工作原理

2.1 項目介紹

本項目針對船舶靠岸和轉向目前存在的問題，而設計出了一套基于矢量噴水裝置的船舶快速轉向和自主精準靠岸系統，主要由以下三個子系統組成：1）船舶儲水系統;2）船舶水動力系統;3）船舶動力中央統一調配系統。當中央控制系統發出的轉向式自主靠岸系統指令時，儲水系統和水動力系統相互配合，使位于水線以下的旋轉矢量噴水裝置開始運作;同時，由傳感器構成的側傾探測系統可感知重心變化，輸送信號到PLC控制系統。如果出現了側傾危險時，計算機輸出系統發送信號至儲水系統及水動力系統。自動控制電機可帶動旋轉噴頭進行微調節，從而防止船舶側傾，并順利達到快速轉向和自主靠岸功能。

其中，船舶儲水系統可有由船舶自帶壓載水系統改進而來，也可以額外加裝。本套系統采用船尖艙加船尾艙的方式，配套船舶水動力系統使用。船舶儲水系統在船舶不依靠船舶水動力的情況下可作為壓載水水艙使用，一旦船舶需要依靠水動力系統進行轉向或停靠碼頭或船體平衡微控時可作為水動力系統的水源來源。

船舶水動力系統是船舶除去螺旋槳動力系統以外的，輔助船舶航向的另外一套動力系統。本套系統由四個超大水泵組成。每個水泵組由多個可調控的水泵組成，我們稱之為有源可控水泵組，每個組的水泵都可單獨工作也可一同工作，即可產生可調控大小的動力源。

2.2 工作原理

1）關于船舶動力系統的相關信息。為方便描述，將四個有源可控水泵組編號分別編上1.2.3.4。船舶動力系統位于船舶水線以下，以保證為船舶提供可靠的動力。

2）關于船舶依靠該系統轉向的基本原理。當船體要實現快速逆時針轉向時，位于船體的4號有源可控水泵組為噴水狀態，位于船體的2號有源可控水泵組也為噴水狀態。1號有源可控水泵組和3號有源可控水泵組為待機狀態，以隨時為船體保持平衡提供動力。當船體要實現快速順時針轉向時，位于船體的3號有源可控水泵組為噴水狀態，位于船體的1號有源可控水泵組也為噴水狀態。其余兩組有源可控水泵組微控使船體平衡

3）關于船舶依靠該系統停靠碼頭的基本原理。船舶于距碼頭兩百米處停止工作，船身依靠改系統的轉向功能實現船體與碼頭平行。依靠該系統的微調平衡工作使船體保持靜止。然后開啟靠向有源可控水泵組為抽水工作狀態，遠離碼頭一側的有源可控水泵組為噴水工作狀態，依靠中央船舶動力中央統一調配系統實現船體平穩靠岸。當船體距碼頭百米處，兩側有源可控水泵組工作狀態相反，即使船體減速靠岸。

4）關于船舶依靠該系統保持平穩的工作原理。該系統在海況惡劣情況下，可以四套有源可控水泵組為抽水工作狀態，此時船體會降低重心，可調控有源可控水泵組的流速，可使得不同有源可控水泵組產生不同大小的力，即可使得船體產生一個可連續性的穩定性。

3 項目特色與創新點

3.1 項目特色

本項目針對傳統船舶轉向和靠岸現狀存在的問題，結合物聯網技術以及模塊化集成控制原理解決目前存在的問題。

目前船舶靠岸現狀：

1）主要通過自身確定好泊位，通過調節船舶的速度慢慢靠向泊位，根據具體情況分別用靜水靠泊、逆水靠泊、順水靠泊。這些靠岸方式都是依靠螺旋槳和舵來完成的。傳統船舶靠岸中，螺旋槳受風向和水流速度的影響較大，舵在轉向的過程中其作用效果關鍵在于舵效，所以都存在一定的局限性;速度過快會對碼頭和港口產生碰撞，會損壞港口措施。

2）采用拖輪協助的靠岸方式，但是目前進出國內外的港口的船舶越來越多，進出的船舶噸位也越來越大。雖然拖輪的功能越來越先進，馬力也越來越大，但還是跟不上進出港船舶的發展。現今進出大型港口船舶的密度越來越大，進出的船舶大型化。目前拖船很難滿足所有船舶安全快捷的進出港，從而造成經濟損失。此外靠拖輪進出港口的影響條件很多，安全靠岸系數不高。

目前船舶轉向現狀：

依靠側推器產生的推力進行轉向，但存在一定的局限性;側推力的大小船速和船舶載況有關，其中船速是最主要的因素。船舶靜止（無縱向運動速度）時，流的方向基本垂直于船舶首尾線，發出的側推力也垂直于船舶首尾線。但有船速時，槽道出口的流體不是垂直于船舶的縱中拋面，而是彎向船體的后方，則發出的側推力也不是垂直于船舶首尾線，則有效側推力有所降低。隨著船速的增加，這種流體的彎曲程度越加嚴重，它所產生的有效側推力將顯著下降。在高速航行時，基本不產生側推力。同樣，尾側推器的側推力也受船速的影響，但由于所處的位置不同，其影響程度要小一些。因此，槽式側推器在船速為零時能產生最大的側推力，有航速時有效推力下降。這是它的主要缺點。此外，側推器的側推力大小還與船舶載重狀態有關，同一船速下，壓載時側推器的效率比滿載時的效率低，這是由于兩種狀態下側推器的不同沉深造成的。

3.2 項目創新點

針對以上情況我們作出更好地改進，我們研究的基于矢量噴水裝置的船舶快速轉向和自主精準靠岸系統主要具有以下優勢：

1）矢量噴頭。是指噴口可以向不同方向偏轉以產生不同方向的推力的一種噴水噴頭。

2）智能性。船舶動力中央統一調配系統為基于矢量噴水裝置的船舶快速轉向和自主精準靠岸系統的中央控制系統，由分布在船舶各處的數據采集器和中央電腦處理器組成。通過分析船舶儲水系統和船舶水動力系統和船舶螺旋槳系統上的數據采集器得知船體動力狀況，通過中央控制系統可自動化控制船舶水動力和船舶儲水系統的工作狀態。

3）惡劣海況下抗風浪性。該系統在海況惡劣情況下，可以四套有源可控水泵組為抽水工作狀態，此時船體會降低重心，可調控有源可控水泵組的流速，可使得不同有源可控水泵組產生不同大小的力，即可使得船體產生一個可連續性的穩定性，防止船舶因風浪大而發生傾斜。

參考文獻

[1]劉恩旭.現代造船模式下大型船舶建造工法研究[D].船舶與海洋工程哈爾濱工程大學，2011.

[2]羅忠卿.大型甲板貨船參數化設計與結構屈服屈曲強度直接計算研究[D].船舶與海洋結構物設計制造武漢理工大學，2009.

[3]王剛，王彥全.基于紅外線目標跟蹤與無線測溫系統的研究[J].桂林電子科技大學學報，2011，31（01）：52-55.

[4]吳斌.船舶電氣火災的發生及預防[J].中國水運，2016（06）：27.