科考船科考能力優(yōu)化探討

楊日魁，常景龍，李健樂，鞠家輝

（1.中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，廣州 510275；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東珠海 519080）

0 引言

近年來，我國陸續(xù)提出建設(shè)“海洋大國”到“海洋強(qiáng)國”“海洋立國”的跨越式目標(biāo)發(fā)展需求，國土安全、軍事安全、資源安全、經(jīng)濟(jì)安全等國家安全需求，以及“海上絲綢之路”等戰(zhàn)略目標(biāo)。世界各國均把海洋科學(xué)考察船隊建設(shè)作為探索海洋、開發(fā)海洋、管控海洋的最重要手段[1]，全國涉海單位大力投資建設(shè)各種新型科考船和探測船。截至2021年3月，在設(shè)計和建造的海洋科考船約10艘，新建、在建數(shù)量均居世界首位。

目前國內(nèi)大部分科考船在規(guī)劃之初都希望建設(shè)成具有特色的科學(xué)考察船。孫鳳鳴等[2]認(rèn)為對科考船的考察通常包括動力定位、電站冗余、航行性能、低噪聲等要求。劉方琦[3]認(rèn)為科考船因其調(diào)查能力的需要，一般具有精確的動力定位能力、靈活的操作性能、低速航行性能、一定的電站冗余度、低噪聲及低振動性能等特點(diǎn)。這些觀點(diǎn)都具有一定的代表性。船舶具備優(yōu)越的自身綜合性能是非常必要的，但核心科考能力的滿足、科考能力優(yōu)化應(yīng)為科考船規(guī)劃建設(shè)的最關(guān)鍵的目標(biāo)。船舶性能的配置應(yīng)該圍繞關(guān)鍵核心目標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行平衡優(yōu)化。

1 現(xiàn)狀分析

通常來講，科考船在可行性研究階段的初步科學(xué)需求和目標(biāo)，是建立在大框架上的規(guī)劃，需要在后期的技術(shù)細(xì)化過程中轉(zhuǎn)換成明確的工程需求任務(wù)。否則，將造成科考需求目標(biāo)不明確，無法在建設(shè)階段對詳細(xì)設(shè)計、建造目標(biāo)形成有效的約束。因此，在科考船規(guī)劃設(shè)計的初期，就應(yīng)最大限度地為科考需求及未來發(fā)展提出必要的資源要求，并在后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計、建設(shè)中落實(shí)。這可使船舶在未來的服役使用中，能更好地滿足日新月異的科考作業(yè)的技術(shù)需求。科考船建設(shè)不但要緊密圍繞當(dāng)下的科考需求目標(biāo)開展，還要兼顧未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求，留有充足優(yōu)化能力和接入空間。

按照科考設(shè)備在船舶生命周期里出現(xiàn)的順序，可將科考需求分為三大模式，分別為固定搭載、臨時搭載和未來需求，特征分別如下：

1）固定搭載。主要指在規(guī)劃階段就已經(jīng)明確的各類固定搭載儀器。設(shè)計階段需要將各類技術(shù)細(xì)節(jié)都體現(xiàn)并落實(shí)在圖紙上，在設(shè)計和建設(shè)階段需把控好安裝界面接口形式等，包括水、電、氣線纜管路的位置和連接方式等所有的技術(shù)細(xì)節(jié)，同時需充分兼顧后期擴(kuò)展和維修的便利性。

2）臨時搭載。主要指臨時移動安裝的科考設(shè)備。除了對水、電、氣支持的要求外，還需要兼容目前市場上現(xiàn)有的科考設(shè)備安裝環(huán)境以及數(shù)據(jù)采集通信鏈路要求。此外，兼顧科考作業(yè)人員的便利性同樣重要。臨時搭載設(shè)備在科考需求的層面具有確定性，但在數(shù)量和作業(yè)形式又存在不確定性，因此，在建設(shè)初期就要考慮安裝介面可擴(kuò)展的便利性以及通訊信號線路的連接和轉(zhuǎn)駁能力。

3）未來需求。以目前的觀測技術(shù)作為基礎(chǔ)，綜合評估未來海洋觀測的技術(shù)的發(fā)展和需求，提前設(shè)計規(guī)劃，預(yù)留有足夠的擴(kuò)展和技術(shù)支撐能力，比如最近剛發(fā)展起來的光纖感知傳感器等技術(shù)。未來技術(shù)對船舶平臺的需求主要體現(xiàn)在空間、通信、電力以及支撐設(shè)備的配合等方面。

對國內(nèi)多艘服役中的科考船進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果顯示設(shè)計和建設(shè)階段中對三大科考需求模式進(jìn)行充分規(guī)劃是非常必要的。一旦錯過將會在服役使用過程中產(chǎn)生較多的問題，如：科考處所的維修接口復(fù)雜、遠(yuǎn)程操作投送能力欠缺、連接區(qū)域臨時電纜密布、甲板面的布置未預(yù)留足夠的支撐能力導(dǎo)致新購設(shè)備難以安裝使用等情況。同時，隨著船齡和航次的增加，臨時設(shè)備的拆卸和更換次數(shù)的增多，通信連接線纜會愈發(fā)凌亂，艙室內(nèi)鋪滿各種各樣的臨時搭載線纜，在給系統(tǒng)增加不確定性的同時，也極大地影響后期的維護(hù)。

劉方琦[3]認(rèn)為新一代科考船將向著平臺通用化、系統(tǒng)智能化、裝備專業(yè)化發(fā)展，但對于如何達(dá)成技術(shù)目標(biāo)，文中并未有探討和分析。劉松等[4]認(rèn)為應(yīng)該將綜合性、寧靜化、模塊化、信息化為主導(dǎo)的設(shè)計理念融入科考船的設(shè)計工作中去，該觀點(diǎn)具有一定的前瞻性，但在技術(shù)細(xì)節(jié)的規(guī)劃和落實(shí)上也并未進(jìn)一步展開，而這恰需科考技術(shù)人員的超前思維、豐富經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計單位和建設(shè)單位的共同配合。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)探討

為解決以上存在的現(xiàn)狀問題，并提升科考船作為海洋科考的支撐平臺的友好性、高效性，順利完成探空測海的任務(wù)，需要在船舶建設(shè)中配置強(qiáng)大的科考數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備連接終端以及科考作業(yè)支撐能力。科考數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是指由數(shù)據(jù)采集、控制指令以及基礎(chǔ)科考信號等組成的傳輸網(wǎng)絡(luò)，借助該網(wǎng)絡(luò)將各類科考數(shù)據(jù)信號在全船范圍進(jìn)行靈活傳送。設(shè)備連接終端是指在船舶上為各區(qū)域服務(wù)的各類通訊線纜的接入和輸出接駁箱的通稱。作業(yè)支撐能力是指以滿足科考需求為基礎(chǔ)，對船舶資源進(jìn)行合理的規(guī)劃、分配和整合，進(jìn)而滿足三大科考需求模式的能力。

2.1 科考數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

國內(nèi)海洋科考設(shè)備發(fā)展較晚且慢，目前階段科考船所搭載的固定設(shè)備基本來自進(jìn)口，科考船上的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲技術(shù)目前還處于待發(fā)展階段[5]，趙羿羽等[6]認(rèn)為未來科考船將向模塊化和調(diào)查多功能化方向發(fā)展。因此，在構(gòu)建科考數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時，首先應(yīng)關(guān)注數(shù)據(jù)采集及信號傳輸網(wǎng)絡(luò)的的靈活性、便利性及可擴(kuò)展性?？瓶紨?shù)據(jù)網(wǎng)最終需要接入到船上的科考局域網(wǎng)，成為科考局域網(wǎng)一個子網(wǎng)，借助衛(wèi)星鏈路實(shí)現(xiàn)船岸互通互聯(lián)?？梢灶A(yù)測，當(dāng)高速的通信信號覆蓋到海洋上時候，科考人員不需隨船、在岸上操作科考設(shè)備的作業(yè)形式將成為可能。

為滿足三大科考需求模式，從空間鏈路布置上為全船的科考系統(tǒng)設(shè)置一個完全獨(dú)立的科考連接中樞是極其必要的。目前，大部分科考船的艙室空間資源都較為緊張。為給其他需求讓出空間，設(shè)計人員一般會把連接中樞和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房等將就湊合壓縮在同一個房間里。調(diào)研發(fā)現(xiàn)此類布置的弊端目前已在部分科考船的使用上凸顯出來?？瓶枷到y(tǒng)所有的數(shù)據(jù)采集電纜、基礎(chǔ)科考信號（科考局域網(wǎng)、DGPS、1PPS、羅經(jīng)、姿態(tài)、氣象、波浪流等環(huán)境要素信號）分發(fā)、采集工控機(jī)的連接的等均在這里進(jìn)行分配和連接，是全船科考設(shè)備、信號連接的輸入和輸出中心。連接中樞應(yīng)具有如下3個功能：

1）作為全船科考的工控機(jī)、信號分配器的集中地，所有科考設(shè)備的數(shù)據(jù)采集信號電纜都連接到該房間的機(jī)柜上。此外，全船的基礎(chǔ)科考信號均在這里通過各類分配器向全船的各個設(shè)備連接終端分發(fā)。

2）除了固定式科考設(shè)備，其余可移動設(shè)備需要通過在全船的各個區(qū)域預(yù)留的科考接線箱進(jìn)行連接。科考接線箱里預(yù)留有各類基礎(chǔ)科考信號、數(shù)據(jù)采集線纜、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)等終端接口。所預(yù)留的數(shù)據(jù)采集電纜應(yīng)同時兼容TCP/IP、422、485通信協(xié)議，并連接入科考連接中樞。

3）為滿足科考數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程控制、處理和科考顯示界面的分發(fā)投放的需求，需要在科考連接中樞設(shè)置有以KVM或DVCS為核心的遠(yuǎn)程投屏系統(tǒng)，以具備向全船各區(qū)域投送遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控的能力。

設(shè)置科考連接中樞的目的是為了方便末端科考設(shè)備線纜的進(jìn)出和整理。雖然一般船舶都會在甲板面和大部分區(qū)域布置供維修用的分電箱，但作為科考需求的配套，分電箱均需進(jìn)行擴(kuò)展，以保證為科考設(shè)備預(yù)留足夠的電力供應(yīng)能力。同時，還需要在甲板面及需要的區(qū)域布置科考弱電接線箱，該類接線箱作為科考數(shù)據(jù)網(wǎng)的末端，與連接中樞一起組成科考數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。該接線箱為區(qū)域內(nèi)的科考設(shè)備提供所需的電力、基礎(chǔ)科考信號、采集和控制，是連接中樞與全船科考設(shè)備進(jìn)行通信和控制的基礎(chǔ)構(gòu)成部分。

另外，固定搭載的水下聲學(xué)設(shè)備，由于電纜較多且粗，在條件許可的前提下也應(yīng)單獨(dú)設(shè)置1個水聲設(shè)備區(qū)域，以方便水聲設(shè)備機(jī)柜安裝和水聽器電纜接入。從結(jié)構(gòu)上，建議該區(qū)域機(jī)柜內(nèi)只安置水聲設(shè)備的甲板單元，水聲學(xué)設(shè)備的工控機(jī)等要放置在科考連接中樞以便進(jìn)行統(tǒng)一的管理。

2.2 設(shè)備連接終端

臨時科考設(shè)備和未來科考設(shè)備可能會在甲板上的任何一個區(qū)域安裝使用，因此要求全船的基礎(chǔ)科考信號、各類數(shù)據(jù)采集電纜應(yīng)從科考連接中樞向全船各區(qū)域延伸，覆蓋所有可能的作業(yè)區(qū)域。設(shè)備連接終端一般由科考弱電接線箱擔(dān)任，不但作為信號的連接末端，也能為科考設(shè)備供電，是常規(guī)分電箱的補(bǔ)充。

設(shè)備連接終端的位置關(guān)系到后期的使用便利性，影響到科考設(shè)備線纜在甲板面的走纜及連接問題。因此，在選擇和安裝的時候，要綜合考慮4個方面：

1）全局規(guī)劃?？瓶即氖覂?nèi)和室外區(qū)域，特別是甲板面的布局需要科學(xué)地統(tǒng)籌劃分，綜合評估海、天、空的測量需求，做到每一個弱電箱子都能覆蓋所歸屬的區(qū)域，并方便連接使用。

2）預(yù)留充足空間。弱電箱內(nèi)要預(yù)留充足布置空間，作為擴(kuò)展使用，箱子內(nèi)要預(yù)留有放置小型的串口分配器或者網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的空間。

3）出纜口的多樣性。因涉及現(xiàn)在和未來各類科考設(shè)備的信號輸入輸出，線纜品種和規(guī)格較多，保證出纜口的填料函的多樣性和豐富性是非常必要的。

4）防腐水密性。科考接線箱屬于弱電信號，防腐密封性要求非常關(guān)鍵。在條件允許的前提下應(yīng)該采用雙層密封接線箱，外層材料至少為316L材質(zhì)，內(nèi)層可采用其他材質(zhì)。選用具有雙螺絲壓線、鍍金、接觸面積大的接線端子，避免運(yùn)行或檢修過程出現(xiàn)接線端子脫落或腐蝕的情況。此外，電力供電接線需要就地設(shè)置有斷路保護(hù)器等，以保證檢修和連接時的安全。

2.3 平臺支撐能力

雖然科考數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)預(yù)留各種通信和數(shù)據(jù)采集電纜，但依然會有特殊科考設(shè)備可能無法直接使用各類預(yù)留的信號電纜。因此，預(yù)留全船的科考臨時線纜通道也是不可或缺的?？瓶寂R時線纜通道由穿艙孔和線纜托架組成，從主桅、艏桅開始到科考場所，從露天區(qū)域到室內(nèi)各實(shí)驗(yàn)室場所，逐層打通連接，是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外科考設(shè)備互聯(lián)互通的基礎(chǔ)條件。所有臨時線纜托架優(yōu)選可拆卸式安裝方式，以316L材質(zhì)為佳。

作為對未來的科考設(shè)備的支撐基礎(chǔ)，盡量在各露天甲板區(qū)域?yàn)榭瓶碱A(yù)留淡水、海水、干壓縮空氣等接口，以方便未來所需要的科考設(shè)備的接駁使用。

在船舶艉側(cè)舷、艏側(cè)舷等關(guān)鍵區(qū)域要考慮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，在寬敞區(qū)域多預(yù)留一些標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的箱腳，以增加模塊化的作業(yè)能力。航行中的科考船處于孤島狀態(tài)，模塊化作業(yè)模式，將最大開發(fā)船舶的自持力，減少停泊靠港時間，在同樣的時間內(nèi)完成更多的航次任務(wù)，提升科考作業(yè)效率。甲板面是對天、海、空進(jìn)行遙感測量的重要區(qū)域，而地腳螺栓是科考設(shè)備在甲板面固定的最佳方式。因此，在全船可能使用的區(qū)域布置必要數(shù)量的地腳螺栓，特別在甲板的邊側(cè)和中心區(qū)域等關(guān)鍵區(qū)域要加密布置（見圖1）。

圖1 地腳螺栓布置

艉甲板是非常關(guān)鍵的作業(yè)區(qū)域，除了現(xiàn)有科考設(shè)備外，未來可能會搭載一些大型的科考設(shè)備，比如水下潛航器、鉆機(jī)、采樣器、拖曳式作業(yè)器等。因此，在電力供應(yīng)上要預(yù)留有充足功率的380 VAC和220 VAC分電箱及足夠的水、氣接口。

3 結(jié)論

科考船的科考能力的優(yōu)化不僅要著眼于現(xiàn)在，更要考慮到未來。在設(shè)計和建設(shè)中，以現(xiàn)階段的科考需求為基礎(chǔ)，綜合考慮未來需求的靈活性和可擴(kuò)展性，關(guān)系到科考設(shè)備的可用性和便利性。

相較于未優(yōu)化的科考船，經(jīng)過優(yōu)化布置的科考船能充分挖掘和開發(fā)全船各個區(qū)域的設(shè)備搭載和互聯(lián)互通能力。作業(yè)時甲板面和船艙內(nèi)不需臨時布置電纜，極大改善科考作業(yè)能力，同時科考人員借助遠(yuǎn)程KVM和DVCS系統(tǒng)的投送，在舒適的艙內(nèi)就可對甲板面和水下設(shè)備進(jìn)行操作，極大地提升了科考人員的舒適性體驗(yàn)，對數(shù)據(jù)的質(zhì)量的控制也有較大的幫助。

以科考數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在規(guī)劃建設(shè)中不斷去思考、模擬可能作業(yè)情景，充分考慮各功能區(qū)域的可擴(kuò)展的兼容互用的支撐能力，是滿足現(xiàn)在和未來科考設(shè)備搭載使用的保證，也必將使科考船在服役運(yùn)行中永葆青春，充分發(fā)揮科考船的船舶平臺功效。