多海域自適應(yīng)三體無人監(jiān)測船概念設(shè)計

岳玉帥，張 航，白 旭，尚朝陽

（1. 滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著人們對海洋可活動領(lǐng)域的不斷開闊及對國家管轄海域應(yīng)用需求的增大，保證我國南海區(qū)域的領(lǐng)土完整和資源開采任務(wù)的有序進行是新時代海洋強國戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。南海作為中國三大邊緣海之一，具有豐富的油氣資源。然而，南海區(qū)域面積寬廣，各國海域的界限難以明確的劃分，以至于周圍鄰國常做出“越界”舉動。加之南海海況復(fù)雜，常規(guī)的艦船巡視往往效率不高，為保證資源開采的有序進行和維護國家主權(quán)的權(quán)益不受侵犯，越來越多的現(xiàn)代化設(shè)備開始投入到南海的建設(shè)當(dāng)中。其中，無人水面船（Unmanned Surface Vessel，USV）以其速度快、體積小和安全等優(yōu)點正逐步在應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域，配合陸上基地和載人艦隊執(zhí)行一系列的海上監(jiān)測任務(wù)，將是對我國南海安全的有力保護措施。

本文將以南海為背景，對工作海域和技術(shù)要求進行研究，設(shè)計了一種多海域自適應(yīng)三體無人監(jiān)測船，該船可根據(jù)海域環(huán)境的變化調(diào)整主體與側(cè)體相對位置以獲得優(yōu)秀的阻力和耐波性能。

1 概念探索

1.1 開發(fā)背景

設(shè)計船的工作環(huán)境為我國南海。南海海域具有范圍廣、大風(fēng)浪和多島嶼的特點。該海域自然海域面積約350萬平方公里，為中國近海中面積最大的海區(qū)。由于其面積之寬廣，又處于熱帶和亞熱帶地區(qū)，以至于南海各部分區(qū)域的風(fēng)浪條件在空間分布上不盡相同。圖1展示了西北太平洋海域2005年非臺風(fēng)過境情況下的波高極值。另外受交替季風(fēng)和應(yīng)季節(jié)興起的猛烈臺風(fēng)的影響，不同區(qū)域在時間上也有很大差異。因此，這要求設(shè)計船應(yīng)具有較強的海浪自適應(yīng)能力，當(dāng)航行至不同區(qū)域時，仍能高效地在目標(biāo)海域進行工作。

圖1 西北太平洋波高極值圖

三體船作為一種較新型船型，近年來備受關(guān)注。圖2為英國“海神”號三體艦船，細(xì)長的船體使其具有良好的阻力性能，通過調(diào)整側(cè)體與主體之間的縱向和橫向布局，可獲得在不同航速下最有利的興波干擾。試驗表明：相較于等效單體船型，三體船可減小20%的剩余阻力，側(cè)體的設(shè)置可有效彌補濕面積增加帶來的摩擦增阻。此外，側(cè)體為三體船提供了良好的穩(wěn)定性，相比常規(guī)單體船舶，可提高在更高等級海況下的耐波性能。

圖2 英國“海神”號

然而，現(xiàn)有的三體船主體和側(cè)體位置固定，無法根據(jù)實際情況調(diào)整三者間的相對距離。研究表明：在不同航速下得到的三體船優(yōu)化側(cè)體布局有很大的差別，固定的側(cè)體布局難以得到高速和低速時最好的阻力和耐波性能。因此，若三體船可根據(jù)海域情況改變側(cè)體布局，則可對目標(biāo)海域進行更高效和安全地監(jiān)測。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

本文按照中國船級社2015年發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》，參考英國勞氏船級社三體船規(guī)范《The Rules for the Classification of Trimarans》對無人監(jiān)測船進行設(shè)計。當(dāng)代先進的高速三體船和海上巡視船的設(shè)計特點對本船具有如下主要性能要求：

1）排水量：50噸級。

2）航速：最大航速在35 kn以上，續(xù)航力約 2 000 n mile。

3）適航性：4級海況下正常工作，最高可抗8級海況。

4）搭載可改變主體和側(cè)體相對位置的液壓裝置和可根據(jù)實際工作環(huán)境調(diào)整位置的自適應(yīng)系統(tǒng)。

5）搭載鋰電池和太陽能電池板系統(tǒng)，動力系統(tǒng)為油電混合。

6）具備一定的監(jiān)測能力，搭載先進視頻和音頻的實時傳輸系統(tǒng)，配合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，做到陸地和監(jiān)測船的實時數(shù)據(jù)互傳。

7）具備一定的智能航行能力，可偵測和規(guī)避水下巖礁風(fēng)險，并有良好的直航和回轉(zhuǎn)性能。

8）配備一個應(yīng)急駕駛艙和一個應(yīng)急船員艙室。

2 無人船的船型研究

2.1 主尺度

本文采用船舶總體設(shè)計中的母型設(shè)計法，經(jīng)過調(diào)研，統(tǒng)計現(xiàn)有三體船船的主尺度以及主體和側(cè)體間的尺度關(guān)系，運用統(tǒng)計方法歸納出三體船的主要尺度范圍，見表1。

表1 現(xiàn)有三體船尺度比范圍

除了得到主尺度主要范圍之外，本文也參考了由新西蘭 Calibre Boats船廠建造的穿浪三體船“Earthrace”號（見圖 3）和上海交通大學(xué)開發(fā)的高速、高耐波系列船型中的高速穿梭艇三體船型（High Speed Trimaran Shuttle Vessel of SJTU，SV-SJTU-T，見圖4）。其主尺度要素見表2。

圖3 “Earthrace”號穿浪三體船

圖4 SV-SJTU-T號高速穿梭艇

表2 優(yōu)良母型船主尺度要素

綜合三體船統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定的尺度比主要范圍和兩艘母型船的具體主尺度要素，根據(jù)設(shè)計船的實際布置需要，初步確定本監(jiān)測船的主尺度方案，見表3所示。

表3 三體無人監(jiān)測船主尺度方案

2.2 型線設(shè)計

船舶型線的優(yōu)劣與否，將對船舶的力學(xué)性能、總布置設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度、建造工藝及成本把控等方面均產(chǎn)生影響。常采用的方法有自行設(shè)計法、母型改造法、系列船型法和數(shù)學(xué)船型法。由于設(shè)計船的特殊性，本文將采用自行設(shè)計法，主體型線參考“SV-SJTU-T”號高速穿梭艇的型線進行設(shè)計，得到無人監(jiān)測船主體的典型橫剖面圖及主體幾何模型圖，分別見圖5和圖6。

圖5 主體典型橫剖面圖

圖6 主體幾何模型

考慮到南海海域的波高通常在1.5 m左右，而設(shè)計船設(shè)計吃水為 1.4 m，故主體采用穿浪船型，船體細(xì)長和船艏瘦削，面對較大波高的海浪時，能夠直接穿過波浪而不是像傳統(tǒng)深V型滑行艇那樣在波浪上跳躍，減少波浪沖擊載荷，獲取在波浪中優(yōu)異的快速性和適航性。采用內(nèi)傾式船首，使監(jiān)測船擁有更好的隱身性能。船舶首部橫剖面設(shè)計為V型，尾部采用巡洋艦尾，提高水動力特性和改善耐波性。設(shè)計船主體還設(shè)置了壓浪板（見圖6），緩解船舶淹的問題。

高速三體船的阻力成分復(fù)雜，對于側(cè)體而言，合理的側(cè)體布局和船體型線很大程度上決定了三體船的興波阻力。參考母型船，設(shè)計得無人監(jiān)測船側(cè)體的典型橫剖面圖及主體幾何模型圖見圖7和圖8。

圖7 側(cè)體典型橫剖面圖

圖8 側(cè)體幾何模型

側(cè)體的

D

/

B

較大，故采用深V型橫剖面設(shè)計。深V型船體以最小限度地犧牲靜水中的快速性來換取耐波性能大大地改善。船舯底升角設(shè)計為 40°。研究表明，深V形船型的有效功率

P

、剩余阻力系數(shù)

C

與船舯底升角

β

近似成線性關(guān)系，并隨

β

增大而單調(diào)下降。由于設(shè)計船需具備多海域自適應(yīng)功能，側(cè)體的吃水將會隨著實際工作環(huán)境而改變。

2.3 總布置設(shè)計

設(shè)計船主體的建筑主要由主船體和上層建筑構(gòu)成，主甲板以下的部分稱為主船體，主甲板以上的圍壁結(jié)構(gòu)稱為上層建筑。考慮到本船的尺度和工作海域的海況，加之無人船的設(shè)備多為精密儀器，需盡量保持干燥，故本船將不設(shè)置干舷，主甲板以上為均為圍壁結(jié)構(gòu)。設(shè)計船的整體三維效果圖，見圖9。

圖9 無人監(jiān)測船整體外觀三維圖

除了主甲板外，設(shè)計船還設(shè)置了一個應(yīng)急操作平臺，若有需要，本船也可改為手動駕駛，提高了設(shè)計船的可靠性。根據(jù)各個設(shè)備的布置要求和對全船的重量重心評估后，將設(shè)計船按功能劃分了若干的艙室。總布置見圖10。

圖10 無人監(jiān)測船總布置圖

在圖10中，將設(shè)計船劃分出4個裝載區(qū)域，各區(qū)域的設(shè)備的裝載如下：

1）1區(qū)域：視頻信號發(fā)射器、音頻信號發(fā)射器/接收器、應(yīng)急救生設(shè)備。

2）2區(qū)域：核心控制器、組合導(dǎo)航、應(yīng)急操作系統(tǒng)。

3）3區(qū)域：減搖器、陀螺儀。

4）4區(qū)域：激光測距傳感器、聲納、多普勒速度儀。

2.4 連接橋設(shè)計

本船連接橋內(nèi)部設(shè)計為桁架結(jié)構(gòu)，保證了在高等級海況下所能承受載荷的強度。當(dāng)船舶根據(jù)航行海域條件和性能的要求，需對側(cè)體位置進行調(diào)整時，電動液壓桿頂推桁架，使桁架繞傳動軸完成定軸轉(zhuǎn)動，使側(cè)體橫向位置的縮小，并減少側(cè)體吃水。反之，若需橫向位置增大、吃水增加，則收縮電動液壓桿完成調(diào)整。連接橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 三體船連接橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 無人船功能模塊設(shè)計

由于無人監(jiān)測船對個模塊和硬件設(shè)備的要求較高，且需要保證各功能性設(shè)備的正常高效運作，減少控制器模塊和設(shè)備的轉(zhuǎn)換。設(shè)計船將選用可編程自動控制器（Programming Automatic Controller，PAC）作為核心控制器。

根據(jù)船上設(shè)備特征和功能特性，將無人船分為6大系統(tǒng)，分別是控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。各系統(tǒng)間的智能控制關(guān)系圖如圖12所示。

圖12 無人監(jiān)測船智能控制關(guān)系圖

控制系統(tǒng)，即核心處理器，可以使用圖形用戶界面（GUI）接收的參數(shù)預(yù)編程或通過基站操縱桿手動命令。它與其他五個系統(tǒng)之間相互配合，保證設(shè)計船的正常航行。比如，它可以接收來自電池管理系統(tǒng)的能量消耗數(shù)據(jù)，并且如果已經(jīng)消耗的能量達(dá)到指定閾值，則發(fā)出相對信號給電調(diào)，控制主機的運行，限制船舶的速度。這樣，船舶就可以可以限制其最大速度以消耗更少的能量，以便在保持通信功能完整的同時完成操縱。

推進系統(tǒng)，將包含對柴油機的控制和對舵機的控制兩部分。對前者的控制，需要搭配電調(diào)（柴油機驅(qū)動模塊），從而實現(xiàn)對沖程的進油和緊急情況下的螺旋槳倒轉(zhuǎn)剎車。

避障系統(tǒng)，它保障了船舶能在預(yù)設(shè)的航行線路安全航行。該系統(tǒng)的航向位置監(jiān)測配合GPS導(dǎo)航儀，并使用多普勒速度記錄儀（Doppler Velocity Log，DVL）、電子羅盤和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）等設(shè)備，計算并估計無人船在預(yù)編程序下的軌跡路線。而當(dāng)聲納、超聲波等傳感器檢測到前方有障礙物體時，它將啟動風(fēng)險規(guī)避功能，將相關(guān)信息發(fā)送給核心處理器，該信息可用于采取立即停止船舶等措施，以避免與船只和浮動結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。

應(yīng)急系統(tǒng)，設(shè)計船在大海中航行，所面對的風(fēng)險都是來自各方面的，應(yīng)急系統(tǒng)所要做得是在遇到危險，能盡可能的建設(shè)損失。無人船的應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計需在以下情況下，完成應(yīng)急操作。

1）船舶進水時，切斷相關(guān)儀器的電源，啟動船舶進水狀態(tài)下的應(yīng)急情況并向基站發(fā)出求救信號。三體船船首和船尾各設(shè)置一個水浸傳感器，時刻監(jiān)測主體內(nèi)可能存在的進水問題。

2）核心控制器中出現(xiàn)嚴(yán)重運算錯誤，如控制器發(fā)出錯誤指令等嚴(yán)重錯誤，核心控制器將主動停止任務(wù)并向基站發(fā)出求救信號，直到錯誤修復(fù)為止。

3）當(dāng)設(shè)計船偏離了預(yù)定航線并駛出了預(yù)設(shè)的最大可活動范圍時，應(yīng)急系統(tǒng)將直接控制主機，令船舶停止航行。

通信系統(tǒng)，無人船將搭載2.4 G無線模塊，采用NRF24L01芯片，其通過SPI與外部MCU通信，最大的SPI速度可以達(dá)到10 MHz。這樣將保證無人船將監(jiān)測畫面實時、高效地傳遞給基站，基站的指令也可更快速的到達(dá)。

供電系統(tǒng)，無人船采用油-電混合的動力系統(tǒng)，其電能由冗余式電源系統(tǒng)提供，該電力系統(tǒng)由并聯(lián)連接并分布在兩個側(cè)船體上的獨立電池組構(gòu)成。并通過位于每個側(cè)體中的電池管理系統(tǒng)，確保每個組的安全連接和各單元的參數(shù)的監(jiān)控。電池管理系統(tǒng)也將實時向核心處理器反應(yīng)電池消耗情況。

4 無人船總體性能研究

4.1 完整穩(wěn)性

船舶穩(wěn)性即船舶在外力作用下發(fā)生傾斜而不致傾覆，當(dāng)外力作用消失后仍能回復(fù)到原來平衡位置的能力，是保證船舶安全的一項重要性能。對于三體船，它是通過大長寬比的三個船體來有效減小興波阻力，但由此將會帶來穩(wěn)性損失，這就需要兩側(cè)片體來彌補。因此，三體船的穩(wěn)性計算會區(qū)別于常規(guī)的單體船。

完整穩(wěn)性包括初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性，文獻(xiàn)[6]詳細(xì)研究了三體船完整穩(wěn)性的計算方法。經(jīng)計算，本文設(shè)計船在側(cè)體間距d＝2.5 m時，初穩(wěn)性高度GM＝1.647 m，復(fù)原力臂GZ隨橫傾角的變化趨勢見圖13。

圖13 三體船復(fù)原力臂GZ曲線

4.2 穩(wěn)性衡準(zhǔn)校核

經(jīng)查驗，設(shè)計船滿足國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）制定的《2002年國際高速船安全規(guī)則》對海上高速船和多體船的穩(wěn)性要求，檢驗項目包括

GZ

曲線的面積、

GZ

值和

GM

值。根據(jù)規(guī)范校核穩(wěn)性衡準(zhǔn)表見表4。

表4 根據(jù)規(guī)范校核穩(wěn)性衡準(zhǔn)

由表4可知，在該設(shè)計方案下的三體無人監(jiān)測船完全滿足目前規(guī)范對穩(wěn)性的要求，并且各項穩(wěn)性衡準(zhǔn)的實際值均遠(yuǎn)超過規(guī)范值，這也體現(xiàn)了三體船型相比常規(guī)單體船在穩(wěn)性方面的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文提出了一種全新的多海域自適應(yīng)三體無人監(jiān)測船的概念，該無人監(jiān)測船可通過驅(qū)動連接橋調(diào)整主體和側(cè)體間相對位置。經(jīng)過對該概念船進行了系統(tǒng)的設(shè)計和性能研究后，得出以下結(jié)論：

1）進行了一多海域自適應(yīng)三體船的船型研究，完成主體和側(cè)體的型線設(shè)計，該方案具有較好的快速性和在復(fù)雜海況下優(yōu)良的耐波性能。

2）根據(jù)對設(shè)計船的工作需要和船上搭載設(shè)備特點，完成總布置設(shè)計，針對無人船智能控制，按功能劃分成6大系統(tǒng)，該設(shè)計可保證無人船監(jiān)測任務(wù)的高效進行。

3）經(jīng)過對設(shè)計船完整穩(wěn)性的計算和與現(xiàn)有規(guī)范中穩(wěn)性衡準(zhǔn)的校核，設(shè)計船穩(wěn)性滿足規(guī)范的要求。