大型公務船加裝深海探測設備的可行性分析

陳銳，黃武剛

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

大型公務船加裝深海探測設備的可行性分析

陳銳，黃武剛

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

大型公務船如果具備一定的深海探測能力，可更好地執(zhí)行任務。提出了通過加裝深海探測設備使大型公務船獲得深海探測能力的設計思想。分析總結深海探測任務的特點，明確了深海探測工作可劃分為編制海圖、測量海流、深海探測和可視確認4個流程，需要配備A型架、牽引絞車以及多種聲學探測設備。并以某大型巡航救助船為例，結合船型特點和現(xiàn)有的布置條件，提出A型架和牽引絞車采用模塊化安裝方式，設置露天集中控制站，主要聲學探測設備采用導流罩式的安裝方式，超短基線采用自動收放系統(tǒng)，實現(xiàn)深海探測作業(yè)功能。最后分析了加裝設備對重量重心、航速、穩(wěn)性、浮態(tài)、人員居住、《船舶專用海水壓載艙和散貨船雙舷側處所保護涂層性能標準（PSPC）》順應性和舷墻結構等總體性能的影響。研究表明：大型公務船加裝深海探測設備合理可行，是快速獲得深海探測能力的有效途徑。

深海探測；科學考察；大型公務船；導流罩；多波束測深系統(tǒng)

0 引 言

為保護海洋環(huán)境、合理開發(fā)海洋資源、維護海洋權益，我國相關海洋行政主管部門均建立了公務船隊［1］。近年來，隨著國家海洋戰(zhàn)略的不斷加強，我國進入了一個快速建設公務船的時期。承擔我國海洋行政執(zhí)法任務的公務船必須增強全范圍和常態(tài)化的執(zhí)法維權能力，使用遠航程、高海況條件的海事船、漁政船等遠洋級公務船需求在不斷加大［2］。

隨著一些突發(fā)意外事件的發(fā)生，特別是馬航MH370失聯(lián)后的搜尋工作讓我們意識到，搜救目標和手段不能僅瞄準海面，還應該擴展到海底深處。大型公務船如果具備一定的深海探測能力，就能更好地履行海上人命安全救生任務。

加裝深海探測設備，是大型公務船快速獲得深海探測能力的捷徑。然而，在現(xiàn)有公務船上加裝探測設備比之新設計專用的深海測量船難度更大。原因在于已建成的公務船在設計之初并未考慮到安裝深海探測設備的需求，其船型的限制，可能不利于探測設備的安裝，更有可能產(chǎn)生氣泡從而影響到探測設備的工作。因此在加裝方案的設計過程中必須緊密結合船舶的實際情況，考慮各方面的不利影響，綜合權衡提出合理可行的設備配置以及安裝形式，以使探測設備能夠發(fā)揮較好的效能。

1 深海探測任務的需求分析

從上世紀60年代開始，發(fā)達國家率先向深海大洋進軍，深海探測技術得以迅速發(fā)展［3］。目前，深海探測與地球深部探測、深空探測（簡稱“三深”探測），已成為未來地球科學領域人類科技的重要發(fā)展方向，并且很可能取得重大突破。

1.1 深海探測任務的流程

深海探測的內(nèi)容和手段很多，就執(zhí)行類似搜尋馬航MH370的深海探測任務來說，一般要經(jīng)歷2個大的階段。第1階段是水上搜尋階段，第2階段是水下搜索階段。水上搜尋的目的是明確或縮小水下搜索的范圍，搜尋的目標是失事客機的漂浮碎片。從邏輯上來說，如果能快速找到確認的漂浮碎片，就有了殘骸的重要線索，再輔助以天氣條件、海流模擬技術等手段，可以反演推算出失事客機墜落的大致范圍。

水上搜尋的技術手段比較豐富，可以利用船只、飛機、雷達和衛(wèi)星等手段進行海、空、天立體化搜尋。一旦找到有價值的線索，將能極大降低第2階段工作的難度。比如2009年6月1日，法航447航班毫無征兆地消失在大西洋，1周后在海面找到了失事客機的殘骸碎片。通過嘗試了不同的海流模擬方法，經(jīng)過不懈的水下艱苦搜索過程后，終于在墜機事件發(fā)生3年后找到了飛機殘骸和黑匣子，成功揭示了客機失事的原因。

如果通過第1階段的水上搜尋工作能成功找到漂浮碎片，即可推斷劃定水下搜索范圍，迅速轉入第2階段工作。然而第1階段的工作并不一定總能得償所愿，比如2014年3月8日，馬航MH370航班失聯(lián)以來，一直未能成功找到殘骸的碎片。這種情況將給第2階段的水下搜索工作帶來巨大的挑戰(zhàn)。在茫茫大海之下，海底地形和海流條件非常復雜，海面氣候條件也是變幻莫測，在數(shù)千米的大海深處尋找殘骸的難度可想而知。第2階段的工作主要為以下幾個流程。

1）編制海圖。由于人類目前對于深海水域的認知程度普遍不高，因此深海探測工作的第一步即是獲取目標海域的海底地形數(shù)據(jù)［4］，編制詳細的海圖。需要用到的測量設備包括深水多波束和單波束設備等。這一過程的進度取決于第1階段劃定范圍的大小，可能持續(xù)數(shù)月或更長的時間。

2）測量海流。深海處的水流情況復雜，可能將殘骸物帶離事發(fā)地點，也會給深海拖曳設備和遙控潛航器（ROV）等作業(yè)帶來影響。因此在獲取海底地形數(shù)據(jù)后，還需獲取深海處的水流情況。需要用到的測量設備是多普勒聲學流速剖面儀［5］，可以結合編制海圖的工作同步開展。

3）深海探測。以現(xiàn)有的技術水平，無法在海面直接探測到數(shù)千米海底的小目標。但可以利用多種深海探測設備深入海底附近（距離海底50～100 m）進行近距離的大范圍探測。需要用到的測量設備包括深海拖曳平臺和自主式無人潛航器（AUV）［6］（可集成側掃聲吶［7］、淺地層剖面儀、多波束、磁力儀［8］等），還有對探測設備進行水下定位的基線系統(tǒng)［9］。為了完成這些深海探測設備的收放工作，還需配置必要的操控支撐系統(tǒng)，包括A型架、絞車和吊機等。

4）可視確認。聲學探測設備為找到目標提供了有利線索，但畢竟不如光學設備直觀。因此，在發(fā)現(xiàn)疑似水下目標后一般最終都采用光學可視設備予以確認。需要用到AUV或ROV搭載光學攝像系統(tǒng)抵近觀測。

1.2 深海探測設備的配備

綜上分析，為了完成深海探測任務，在船上需要固定搭載以下設備：

1）A型架；

2）牽引絞車；

3）深水多波束和單波束探測設備；

4）聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）；

5）超短基線。

深海拖曳平臺或AUV，ROV等，可根據(jù)任務需要臨時搭載。

2 深海探測設備的適裝性分析

以某大型巡航救助船為例，根據(jù)本船的實際情況，提出不同的加裝深海探測設備型式并進行對比分析。

2.1 加裝船艉A型架和牽引絞車

A型架和牽引絞車用來收放深海拖曳設備，一般布置在露天甲板尾部區(qū)域。大型巡航救助船主甲板尾部平坦，有開闊的作業(yè)甲板平臺，可以布置A型架和牽引絞車（圖1）。

圖1 A型架和牽引絞車布置圖Fig.1 Arrangement of A-frame and traction winch

加裝的難點在于此平臺也是拖帶作業(yè)平臺，安裝A型架和牽引絞車會影響拖帶作業(yè)的功能。由此提出以下2種解決方案。

1）A型架固定，牽引絞車模塊化。

若牽引絞車固定安裝，將導致拖纜無法從拖纜機直接引至尾滾筒位置（圖2），且牽引絞車占據(jù)了甲板面的作業(yè)位置，影響溢油回收和人命救助功能。因此牽引絞車應采取模塊化安裝方式。若尾部A型架固定安裝，其優(yōu)勢是可以保證一次施工到位，確保尾部深海拖曳等設備的安全工作。但對拖帶功能也有影響，需要對船舶功能進行重新定位，取消拖帶能力。

圖2 A型架和牽引絞車對拖帶功能的影響Fig.2 Effect of A-frame and traction winch on towing function

2）A型架和牽引絞車均模塊化。

若想保留一定的拖帶功能，尾部A型架和牽引絞車都必須采取模塊式安裝。為此，需要為A型架和牽引絞車設計便于臨時安裝的基座，設備與基座結構采用螺栓連接方式。

但A型架模塊式安裝少有先例，存在一定的技術風險，且在實際使用過程中并不方便，只能執(zhí)行單一任務。因為一旦模塊安裝在船上，拖帶功能還是無法實現(xiàn)。若要拆除模塊必須回到碼頭進行施工，而無法在航行狀態(tài)自行拆除。這種狀態(tài)難以應對海上突發(fā)事件瞬息萬變的情況。

結合本船的實際情況，船東希望盡可能保留本船的拖帶功能。因此建議選擇方案2，即A型架和牽引絞車均采用模塊式安裝，但在執(zhí)行任務前應留有足夠的模塊安裝時間，在安裝時還需特別注意安全問題。

2.2 操控設備集中控制位置

為了便于尾部作業(yè)時對A型架、通用絞車等的集中控制和操作，建議設置1處集中控制站。對控制站的基本要求是，必須具備良好的觀察視野，即盡可能看到作業(yè)甲板上的設備工作情況。集中控制位置可設置為控制室或露天控制站。

2.2.1 集中控制室

如果能設置獨立的集中控制室是最有利于設備操作的。但因為本船是在現(xiàn)有船的基礎上改裝，不便增加新的房間，只能從現(xiàn)有的房間重新分配。從總布置來看，主甲板的房間基本都在A架和絞車前方，不具備良好的觀察視線。直升機甲板的房間內(nèi)更加無法看到作業(yè)區(qū)。只有起居甲板1尾部的塔臺和航空儲藏室具備良好視線的條件。但他們距離操作區(qū)較遠，且塔臺是直升機指揮的專用場所，不宜作為支撐設備控制室。航空儲藏室內(nèi)部甲板局部突起，影響設備布置和人員操作。

2.2.2 露天集中控制站

在合適的露天部位設置集中控制站也可以達到目的。比較理想的位置有2個：一是布置在直升機甲板尾部，可俯瞰整個作業(yè)區(qū)域。但直升機甲板作業(yè)時不允許甲板有突起物，這要求控制臺也能夠采用模塊式安裝或臨時放倒；另一個較理想的位置是在主甲板尾部舷側，也可看到整個作業(yè)區(qū)域（圖3）。此處控制臺建議采用模塊式安裝，甲板面僅留基座。

綜上所述，推薦采用設置露天集中部位，布置在主甲板尾部舷側的位置。

圖3 集中控制部位布置圖Fig.3 Arrangement of centralized control panel

2.3 加裝多波束、單波束設備及ADCP

探測設備（如深水多波束、多頻深水單波束和ADCP）的換能器可以集中布置，但聲學探測設備易受到外界因素的影響，其中來自船體的干擾因素包括噪聲和氣泡。噪聲源來自船上的機械（主機、輔機等）和螺旋槳，因此換能器必須盡量避開這些噪聲源，布置在船舯前1/3處是合理的［10］。

氣泡主要由海面運動產(chǎn)生的碎浪引起，存在于海水近表面處的氣泡，在海況特別惡劣的情況下會擴散到海面以下5～10 m處。這些氣泡分布廣泛、數(shù)量眾多，會吸收、反射甚至阻隔聲波的傳播，如果大量氣泡流向換能器底部，將導致?lián)Q能器無法正常工作。船舶在航行時船艏的氣泡會隨著邊界層流向船艉，當船底兩側斜向抬升角較大（方形系數(shù)小，線型偏瘦）時，氣泡可以順利流向舷側，不會影響到換能器的工作。但如果船底非常平緩（方形系數(shù)大，線型豐滿）時，氣泡可能沿船底向艉部流動，經(jīng)過換能器底部時則會影響換能器的正常工作［11］。

綜上分析，聲學換能器布置在平流層區(qū)域較為理想。結合本船的實際情況，確定最佳布置如圖4所示。

圖4 聲學換能器布置圖Fig.4 Arrangement of acoustic transducers

聲學換能器的安裝方式有以下3種。

1）嵌入式。深水多波束、多頻深水單波束探測設備和ADCP等換能器均采用嵌入式安裝方式。此種安裝方式的優(yōu)點是附體阻力增加較少，對航速影響可忽略。缺點是船體表面的氣泡容易隨水流移動到換能器下方，從而影響多波束探測設備的成像質量。從船型特點來看，該船的艏部線型偏瘦，有利于氣泡的擴散。但是偏瘦的線型難以實現(xiàn)嵌入式安裝，另外此處布置有2個壓載水艙，采用嵌入式必然對艙內(nèi)的涂層傷害較大，因此嵌入式的安裝方式不適合本船。

2）吊裝式（GONDOLA）。吊裝式安裝方式需將換能器布置在船體下方約1 m處，隱藏在T字型或梯形導流罩內(nèi)，導流罩通過流線型的支架支撐。這種安裝方式的優(yōu)點是換能器距離船體較遠，可以避免船體表面的氣泡隨水流移動到換能器下方，使多波束探測設備獲得更高的成像質量。缺點是附體阻力會大幅增加（可達裸船體阻力的20%以上），支架剛度不足時可能產(chǎn)生局部振動影響設備的正常工作。此外，突出的附體更容易導致擱淺觸底、掛漁網(wǎng)電纜以及船舶進塢等困難。

3）導流罩式。其中換能器位置緊貼在船體下方，為其設計的導流罩突出船體約為600 mm。這種安裝方式的優(yōu)點是換能器距離船體有一定距離，船體表面產(chǎn)生的氣泡不易隨水流移動到換能器下方，多波束探測設備的成像質量也較高。缺點是會產(chǎn)生一定的附體阻力（可達裸船體阻力的10%～15%）。對船體艏部的流場進行CFD數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，球鼻艏和艏側推部位產(chǎn)生的氣泡，在換能器處的影響范圍可控制在船底下方500 mm內(nèi)，不會對探測設備的效能產(chǎn)生較大影響（圖5）。

圖5 艏部流場CFD數(shù)值分析Fig.5 CFD numerical analysis of fore flow field

由于本船不適合采用嵌入式的安裝方式，吊裝式和導流罩式可作為備選方案。吊裝式工程代價較大，且對航速影響更大，從經(jīng)濟性考慮不如導流罩式。綜合利弊推薦導流罩安裝方式是經(jīng)濟可行的。

2.4 加裝超短基線系統(tǒng)

超短基線系統(tǒng)采用換能器自動收放裝置進行收放。為了安裝這一收放系統(tǒng)，需要在合適位置設置1個聲吶井。收放系統(tǒng)的高度約6 m，因此，聲吶井需要上下貫穿船底板、內(nèi)底和平臺甲板。

超短基線井布置在146～148號肋位右舷。安裝井需要占據(jù)應急消防泵艙和電氣備件庫部分空間。超短基線井的布置圖如圖6所示。

圖6 超短基線井布置圖Fig.6 Arrangement of Ultra Short Baseline（USBL）

3 對總體性能的影響

3.1 對重量重心的影響

增加重量包括20 t的A型架、15 t牽引絞車、多波束設備、超短基線設備、ADCP設備、深水單波束設備、導流罩結構、設備加強結構等。共計增加重量約80 t，同時重心高度將會略有增加。

3.2 對航速的影響

增加導流罩的突出船體將增加較大阻力，超短基線的船體開口和排水量也會增加阻力。通過CFD數(shù)值分析表明，將導致所需有效馬力增加約15%，設計航速因此降低約1 kn（圖7）。

圖7 加裝設備對有效馬力的影響Fig.7 Effect of added equipment onEHP

3.3 對穩(wěn)性的影響

大型巡航救助船采用概率破艙計算破損穩(wěn)性，完工狀態(tài)時計算值已接近規(guī)范允許的臨界值（規(guī)范要求分艙指數(shù)0.541 15，計算值0.543 05）。在重量和重心高度增加的情況下，穩(wěn)性計算很可能難以滿足規(guī)范的要求。由此，可能需要采取增加壓載以降低重心高度，或增加水密門等措施滿足破損穩(wěn)性的要求。如果使用固定壓載，需要50 t。

3.4 對浮態(tài)的影響

新增的探測設備增加后，主要安裝在船的中、后部，各裝載狀態(tài)艉傾角度增加。改善措施是在滿足破艙穩(wěn)性的前提下，使用固定壓載改善艉傾。設備增加、固定壓載增加，本船需要重新堪劃載重線。

3.5 對人員居住的影響

為了布置多波束機柜等設備，將主甲板右舷131～137號肋位水手室改為聲學設備艙（圖8）。

圖8 主甲板增加聲學設備艙Fig.8 Added acoustic equipment room on main deck

3.6 對滿足PSPC的影響

導流罩需要在船底施焊安裝，但此處底部布置有壓載水艙。施焊后將破壞壓載水艙內(nèi)的部分涂裝，無法滿足IMO關于《船舶專用海水壓載艙和散貨船雙舷側處所保護涂層性能標準（PSPC）》的要求。

3.7 對舷墻的影響

船艉布置A型架的高度約8 m，為保證起降安全，建議A型架向后最大翻轉角設計為75°，在直升機起降時將A型架向后翻轉至最大角度。這需要將船艉舷墻進行適應性改造。

4 結 語

本文以某大型巡航救助船為例，在對深海探測任務需求分析的基礎上，提出了探測設備配備方案。并結合船型特點，對不同加裝方案的適裝性進行了對比分析，給出了推薦的安裝方式。

研究表明，為了盡快獲得深海探測能力，在已有的大型公務船加裝深海探測設備是合理可行的，本文的探索為加快建設我國深海探測能力提供了新的設計思路。

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［責任編輯：胡文莉］

Analysis of the feasibility of installing deep-sea detectors in large public vessels

CHEN Rui，HUANG Wugang
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

To incorporate the deep-sea detecting capability into large public vessels,this paper presents a notion to install deep-sea detectors in large public vessels.Four processes are introduced by analyzing the trait of deep sea exploring assignment,which are chart compilation,current survey,deep sea exploration, and video affirmance,respectively,and it is suggested that the A-frame,towing winch,and multiform acoustic detectors should be equipped.An example of a big cruising and salvaging ship is next given,and by combining the characteristic and arrangement of the ship,the paper puts forward an approach to install the modular A-frame and towing winch,the outdoor centralized console,and the main acoustic detectors in a blister but Ultra Short Baseline（USBL）.Finally,the corresponding effects on the center of gravity,speed, stability,accommodation,Performance Standard for Protective Coatings（PSPC）and bulwark are analyzed. It is concluded that installing deep-sea detectors in large public vessels is reasonable and feasible,which offers a logic notion to obtain deep-sea detecting capability efficiently.

deep-seadetect；scientificresearch；largepublicvessels；fairing；multibeam soundingsystem

U662.3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.004

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1025.008.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

陳銳，黃武剛.大型公務船加裝深海探測設備的可行性分析［J］.中國艦船研究，2015，10（6）：21-26. CHEN Rui，HUANG Wugang.Analysis of the feasibility of installing deep-sea detectors in large public vessels［J］. Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：21-26.

2015-03-03 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡出版時間：

時間：2015-11-10 10:25

陳銳（通信作者），男，1979年生，碩士，工程師。研究方向：船舶總體研究與設計。E-mail：happyrichard@163.com黃武剛，男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：船舶總體研究與設計