基于可控矢量喷水装置的船舶快速转向和自主精准靠岸系统

胡雪梅 万玉春 黎武鑫 蒋伟 邓立斌 彭月琳

摘 要：随着世界经济贸易的发展和一带一路海上丝绸之路的倡议，海上运输货物量不断增加，船舶日趋向大型化方向发展，近年来船舶转向和靠岸过程中发生的一些安全事故，使船舶转向和靠岸的快速性、安全性面临着新的挑战。

关键词：转向;靠岸;快速性;安全性

1 项目背景

随着航运的不断发展，船舶进出港口越来越频繁，船舶的保养和维护频率也越来越密集。船舶靠岸是船舶进港装卸货和修船停泊的主要步骤之一，船舶能否快速、安全地靠岸直接影响修造船的工作效率和经济效益。大型船舶在靠岸时受到各种环境条件的限制，如拖轮大小、拖轮数量、码头附近水流、波浪以及风等，这些环境条件在船舶靠岸时会产生安全影响。为了解决这一问题我们提出了基于可控矢量喷水装置的船舶快速转向和自主精准靠岸这一系统。

2 项目介绍及其工作原理

2.1 项目介绍

本项目针对船舶靠岸和转向目前存在的问题，而设计出了一套基于矢量喷水装置的船舶快速转向和自主精准靠岸系统，主要由以下三个子系统组成：1）船舶储水系统;2）船舶水动力系统;3）船舶动力中央统一调配系统。当中央控制系统发出的转向式自主靠岸系统指令时，储水系统和水动力系统相互配合，使位于水线以下的旋转矢量喷水装置开始运作;同时，由传感器构成的侧倾探测系统可感知重心变化，输送信号到PLC控制系统。如果出現了侧倾危险时，计算机输出系统发送信号至储水系统及水动力系统。自动控制电机可带动旋转喷头进行微调节，从而防止船舶侧倾，并顺利达到快速转向和自主靠岸功能。

其中，船舶储水系统可有由船舶自带压载水系统改进而来，也可以额外加装。本套系统采用船尖舱加船尾舱的方式，配套船舶水动力系统使用。船舶储水系统在船舶不依靠船舶水动力的情况下可作为压载水水舱使用，一旦船舶需要依靠水动力系统进行转向或停靠码头或船体平衡微控时可作为水动力系统的水源来源。

船舶水动力系统是船舶除去螺旋桨动力系统以外的，辅助船舶航向的另外一套动力系统。本套系统由四个超大水泵组成。每个水泵组由多个可调控的水泵组成，我们称之为有源可控水泵组，每个组的水泵都可单独工作也可一同工作，即可产生可调控大小的动力源。

2.2 工作原理

1）关于船舶动力系统的相关信息。为方便描述，将四个有源可控水泵组编号分别编上1.2.3.4。船舶动力系统位于船舶水线以下，以保证为船舶提供可靠的动力。

2）关于船舶依靠该系统转向的基本原理。当船体要实现快速逆时针转向时，位于船体的4号有源可控水泵组为喷水状态，位于船体的2号有源可控水泵组也为喷水状态。1号有源可控水泵组和3号有源可控水泵组为待机状态，以随时为船体保持平衡提供动力。当船体要实现快速顺时针转向时，位于船体的3号有源可控水泵组为喷水状态，位于船体的1号有源可控水泵组也为喷水状态。其余两组有源可控水泵组微控使船体平衡

3）关于船舶依靠该系统停靠码头的基本原理。船舶于距码头两百米处停止工作，船身依靠改系统的转向功能实现船体与码头平行。依靠该系统的微调平衡工作使船体保持静止。然后开启靠向有源可控水泵组为抽水工作状态，远离码头一侧的有源可控水泵组为喷水工作状态，依靠中央船舶动力中央统一调配系统实现船体平稳靠岸。当船体距码头百米处，两侧有源可控水泵组工作状态相反，即使船体减速靠岸。

4）关于船舶依靠该系统保持平稳的工作原理。该系统在海况恶劣情况下，可以四套有源可控水泵组为抽水工作状态，此时船体会降低重心，可调控有源可控水泵组的流速，可使得不同有源可控水泵组产生不同大小的力，即可使得船体产生一个可连续性的稳定性。

3 项目特色与创新点

3.1 项目特色

本项目针对传统船舶转向和靠岸现状存在的问题，结合物联网技术以及模块化集成控制原理解决目前存在的问题。

目前船舶靠岸现状：

1）主要通过自身确定好泊位，通过调节船舶的速度慢慢靠向泊位，根据具体情况分别用静水靠泊、逆水靠泊、顺水靠泊。这些靠岸方式都是依靠螺旋桨和舵来完成的。传统船舶靠岸中，螺旋桨受风向和水流速度的影响较大，舵在转向的过程中其作用效果关键在于舵效，所以都存在一定的局限性;速度过快会对码头和港口产生碰撞，会损坏港口措施。

2）采用拖轮协助的靠岸方式，但是目前进出国内外的港口的船舶越来越多，进出的船舶吨位也越来越大。虽然拖轮的功能越来越先进，马力也越来越大，但还是跟不上进出港船舶的发展。现今进出大型港口船舶的密度越来越大，进出的船舶大型化。目前拖船很难满足所有船舶安全快捷的进出港，从而造成经济损失。此外靠拖轮进出港口的影响条件很多，安全靠岸系数不高。

目前船舶转向现状：

依靠侧推器产生的推力进行转向，但存在一定的局限性;侧推力的大小船速和船舶载况有关，其中船速是最主要的因素。船舶静止（无纵向运动速度）时，流的方向基本垂直于船舶首尾线，发出的侧推力也垂直于船舶首尾线。但有船速时，槽道出口的流体不是垂直于船舶的纵中抛面，而是弯向船体的后方，则发出的侧推力也不是垂直于船舶首尾线，则有效侧推力有所降低。随着船速的增加，这种流体的弯曲程度越加严重，它所产生的有效侧推力将显著下降。在高速航行时，基本不产生侧推力。同样，尾侧推器的侧推力也受船速的影响，但由于所处的位置不同，其影响程度要小一些。因此，槽式侧推器在船速为零时能产生最大的侧推力，有航速时有效推力下降。这是它的主要缺点。此外，侧推器的侧推力大小还与船舶载重状态有关，同一船速下，压载时侧推器的效率比满载时的效率低，这是由于两种状态下侧推器的不同沉深造成的。

3.2 项目创新点

针对以上情况我们作出更好地改进，我们研究的基于矢量喷水装置的船舶快速转向和自主精准靠岸系统主要具有以下优势：

1）矢量喷头。是指喷口可以向不同方向偏转以产生不同方向的推力的一种喷水喷头。

2）智能性。船舶动力中央统一调配系统为基于矢量喷水装置的船舶快速转向和自主精准靠岸系统的中央控制系统，由分布在船舶各处的数据采集器和中央电脑处理器组成。通过分析船舶储水系统和船舶水动力系统和船舶螺旋桨系统上的数据采集器得知船体动力状况，通过中央控制系统可自动化控制船舶水动力和船舶储水系统的工作状态。

3）恶劣海况下抗风浪性。该系统在海况恶劣情况下，可以四套有源可控水泵组为抽水工作状态，此时船体会降低重心，可调控有源可控水泵组的流速，可使得不同有源可控水泵组产生不同大小的力，即可使得船体产生一个可连续性的稳定性，防止船舶因风浪大而发生倾斜。

参考文献

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[2]罗忠卿.大型甲板货船参数化设计与结构屈服屈曲强度直接计算研究[D].船舶与海洋结构物设计制造武汉理工大学，2009.

[3]王刚，王彦全.基于红外线目标跟踪与无线测温系统的研究[J].桂林电子科技大学学报，2011，31（01）：52-55.

[4]吴斌.船舶电气火灾的发生及预防[J].中国水运，2016（06）：27.