港口船舶自動(dòng)系泊系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用綜述

高峰，唐友剛，聶曉彤，于濱，胡克，3

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，港口水工建筑物技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；3.燕山大學(xué)機(jī)械電子工程系，河北 秦皇島 066044）

當(dāng)船舶抵達(dá)港口后，需要船岸人員密切配合系好纜繩固定船舶，并隨潮位、吃水、風(fēng)浪流動(dòng)力條件的變化而隨時(shí)關(guān)注和調(diào)整各纜繩的松緊，這種傳統(tǒng)的系泊作業(yè)方式一直沒有隨著船舶與碼頭技術(shù)的發(fā)展而改變[1]。即使纜繩從最初的單一材質(zhì)已發(fā)展到了現(xiàn)在有眾多類型的高分子聚合物材料可選，其力學(xué)特性也今非昔比，但是船舶在港內(nèi)系泊作業(yè)方式依然保持著最初的人工作業(yè)狀態(tài)[2]?，F(xiàn)代航運(yùn)注重效率，由于裝卸作業(yè)快速導(dǎo)致船舶吃水頻繁變化等情況，系泊船舶必須不斷調(diào)整纜繩長度，以保證船舶良好的靠泊，這不僅增大了船員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且增大了事故發(fā)生的幾率和風(fēng)險(xiǎn)[3]。歐洲港務(wù)委員會(huì)（European Harbour Masters’Committee）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，95%的人身傷害事件是由繩索和鋼絲引起的，其中的60%發(fā)生在系泊作業(yè)期間。隨著船舶大型化、裝卸效率提升、頻繁的系靠泊作業(yè)已成常態(tài)，傳統(tǒng)系泊方式下的纜力不平衡分配現(xiàn)象也日益明顯，從而導(dǎo)致更嚴(yán)格的系泊規(guī)定與加強(qiáng)的安全措施，如2018年發(fā)布的第四版系泊設(shè)備準(zhǔn)則（MEG4），引入了針對系泊系統(tǒng)管理計(jì)劃（MSMP）；2020年挪威船級(jí)社（DNV GL）推出了包括3個(gè)模塊的助力安全系泊操作的安全系泊連接應(yīng)用（Safe Mooring Connect）[4]等。一系列新規(guī)定要求意味著對系泊操作和設(shè)備進(jìn)行更嚴(yán)格的管理和跟蹤，建立已久的系泊程序與系統(tǒng)設(shè)計(jì)正面臨考驗(yàn)。

在傳統(tǒng)的港口中引入自動(dòng)化系泊設(shè)備的研究始于20世紀(jì)70年代，但直到80年代中期配備電子控制自動(dòng)裝置的絞車誕生，這意味著應(yīng)用電子技術(shù)的自動(dòng)裝置開始替代傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)，碼頭系泊向自動(dòng)化控制邁出了第一步。隨著大數(shù)據(jù)、自動(dòng)化和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，使得無人化智能港口已成為現(xiàn)實(shí)，而利用高新技術(shù)保證船舶系泊期間的作業(yè)安全以代替多年來的傳統(tǒng)帶纜方式也已成為可能。目前，自動(dòng)化系泊設(shè)施已在國外從研究到成品應(yīng)用，安裝此類系統(tǒng)的港口也在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、安全性上更加先進(jìn)與從容。實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)系泊，其優(yōu)勢在于增加了可靠性和安全性，盡量減少靠泊期間人員的參與操作和消除失誤與風(fēng)險(xiǎn)隱患，消除人為錯(cuò)誤是顯著的好處。同時(shí)，港口運(yùn)轉(zhuǎn)迫切需要提高港口效率，自動(dòng)化系泊技術(shù)也將減少停機(jī)等待的時(shí)間，不僅系泊時(shí)間縮短了，也精簡了泊位操作程序，使得中轉(zhuǎn)時(shí)間短，進(jìn)而提升碼頭作業(yè)效率和吞吐量。因此，開展系統(tǒng)的研發(fā)具有重要的理論研究意義與實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

自動(dòng)系泊問題涉及船舶、碼頭與水三者間的相互作用，風(fēng)、浪、流干擾較大，系統(tǒng)變量較多，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制十分困難。隨著港口智能化的發(fā)展與國外類似技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用，自動(dòng)系泊也在國內(nèi)引起了較大的關(guān)注，但相關(guān)的研究剛剛起步[5]。港口船舶自動(dòng)系泊系統(tǒng)研究的科學(xué)問題是自主研發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)荷載計(jì)算、流固強(qiáng)耦合多體動(dòng)力系統(tǒng)的聯(lián)合建模與仿真以及多系統(tǒng)協(xié)同控制策略等。本文將港口船舶自動(dòng)系泊中的系泊任務(wù)和研究難點(diǎn)進(jìn)行歸納、梳理，探討主要問題的解決方法，結(jié)合研究與發(fā)展現(xiàn)狀，分析船舶自動(dòng)系泊系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢。

1 系泊任務(wù)要求

1.1 船舶運(yùn)動(dòng)收斂到期望的范圍

系泊狀態(tài)下的船舶運(yùn)動(dòng)量是反映系泊狀態(tài)與衡量碼頭泊穩(wěn)條件的重要指標(biāo)。國際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）于1995年對船舶安全作業(yè)所允許的船舶運(yùn)動(dòng)量范圍建立給出了推薦值。英國規(guī)范BS 6349-1-21（2013）中，基于PIANC推薦值進(jìn)行了修訂，提出了更加嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)量允許值[6]。我國于2009年系統(tǒng)性地開展了以船舶運(yùn)動(dòng)量表示的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)專題研究，確定了適合于我國實(shí)際情況的大型碼頭船舶運(yùn)動(dòng)量作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并列入設(shè)計(jì)規(guī)范[7]。

1.2 船舶與碼頭荷載安全可控

根據(jù)我國港工荷載規(guī)范，系纜力的標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)大于纜繩的破斷力，纜繩破斷力應(yīng)按纜繩材質(zhì)和規(guī)格確定。船舶作用在系船柱、系船環(huán)上的系纜力標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)小于規(guī)范所列出的系纜力標(biāo)準(zhǔn)值。擠靠力應(yīng)考慮風(fēng)和水流產(chǎn)生的橫向分力總和，撞擊力則根據(jù)有效撞擊能量確定，與船舶質(zhì)量和法向靠岸速度有關(guān)[8]。國際上普遍根據(jù)石油公司國際海事論壇（OCIMF）推薦的風(fēng)荷載、水流力等計(jì)算公式計(jì)算得到碼頭前船舶受力，并針對不同材質(zhì)纜繩規(guī)定了所受拉力的上限要求，即系泊船舶在風(fēng)、浪、流綜合作用下，能夠保證系纜力不超過纜繩材料自身的破壞強(qiáng)度是船舶安全系泊的重要因素之一[9]。

2 研究難點(diǎn)

自動(dòng)系泊系統(tǒng)具有較高的技術(shù)壁壘，是典型的高技術(shù)和高智力密集型產(chǎn)品。目前，國內(nèi)由于起步晚，智能自動(dòng)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理方法、流固耦合多體動(dòng)力系統(tǒng)聯(lián)合建模與仿真、系泊多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同控制等相關(guān)理論研究較為缺乏，與國外差距比較大。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化甚至智能化的系泊系統(tǒng)是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的復(fù)雜問題，此類系統(tǒng)的研發(fā)屬于跨專業(yè)融合的系統(tǒng)工程，需要綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、信息化技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、船舶工程技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)乃至人工智能技術(shù)等，需要同時(shí)兼?zhèn)涔I(yè)技術(shù)知識(shí)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件開發(fā)的能力以及一定程度的集成化思維。正是由于理論體系尚未完善、技術(shù)應(yīng)用存在可探索性，港口船舶自動(dòng)系泊系統(tǒng)的研究還存在難點(diǎn)。

3 研究發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 無系泊纜方式的自動(dòng)系泊系統(tǒng)

無系泊纜方式即使用磁力吸盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)纜繩使船舶達(dá)到系泊的目的，省略了系纜和解纜的傳統(tǒng)作業(yè)。這類船舶磁力系泊裝置，能將2～3人手工系纜靠離泊需要30～50 min的時(shí)間降低到了只要十幾秒鐘，而且只需1名操作員就能直接操作完成，在節(jié)約人力的同時(shí)極大地提高了效率。吸附方式所采用的磁力吸盤，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在冶金、起重、機(jī)械加工等行業(yè)，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，能產(chǎn)生600～1 200 kN/m2的吸力，且磁力線很短，離開吸盤表面很短的間距（約10 cm）就幾乎感應(yīng)不到磁力[10]，在保障船舶安全的同時(shí)，不會(huì)對船舶電子儀器設(shè)備等造成影響。以瑞士凱伏特公司（Cavotec）應(yīng)用在澳大利亞杰拉爾頓港No.7泊位的MoorMasterTM系列下的MM200D型自動(dòng)系泊產(chǎn)品為例，在泊位長度僅為196 m的條件下可系泊最大船長為225 m的船舶，而不需要任何纜繩。可在幾十秒內(nèi)系泊或釋放船舶，安全性和效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)纜繩系泊的方式。首個(gè)MoorMasterTM系統(tǒng)于1996年投入使用，至今完成系泊操作超過97 500次，并保持100%安全無事故的記錄。提升效率的同時(shí)還可達(dá)到節(jié)能減排的目的，MoorMasterTM自從在赫爾辛基港使用至今，每年減少近8 000 t的二氧化碳排放量，節(jié)能減排效果顯著。目前，MoorMasterTM系統(tǒng)主要產(chǎn)品系列如圖1所示。

圖1 MoorMasterTM系統(tǒng)主要產(chǎn)品系列Fig.1 Main products of MoorMasterTM system

瑞典特瑞堡公司（Trelleborg）在SmartPort概念下開發(fā)的AutoMoor系泊系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)智能化系泊作業(yè)的一種成功解決方案，如圖2所示。該系統(tǒng)已在澳大利亞墨爾本港成功試驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒋翱焖?、穩(wěn)固地固定至泊位（可以在1 min內(nèi)固定船舶，在30 s內(nèi)脫放船舶），抑制船舶的移動(dòng)，做到無繩系泊的同時(shí)，持續(xù)監(jiān)控影響停泊船舶的所有系泊負(fù)載，并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可提升系泊作業(yè)的速度和港口內(nèi)部的安全性，有助于優(yōu)化碼頭與港口實(shí)現(xiàn)綠色運(yùn)營。

圖2 SmartPort概念下開發(fā)的AutoMoor系泊系統(tǒng)Fig.2 AutoMoor mooring system developed under SmartPort concept

荷蘭Mampaey公司也是靠泊、系泊和拖曳系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造及調(diào)試的全球性企業(yè)，其代表性產(chǎn)品Dock Locking System（如圖3）分為船對船、岸對船2種類型，也是一種基于磁力的自動(dòng)系泊裝置。該裝置在船頭船尾配置帶磁力板的雙系纜臂，由液壓缸帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)船體與系泊裝置的連接，可以穩(wěn)固可靠地連接到任何船體，無論平整或起伏，船漆干凈或受過腐蝕。這些磁力板可沿船體水平面自動(dòng)移動(dòng)以適應(yīng)船體移動(dòng)發(fā)生的變化。每個(gè)液壓缸均配備行程和壓力傳感器，以便于計(jì)算不同條件下的系泊力。

圖3 Mampaey公司的Dock-Locking系統(tǒng)Fig.3 Mampaey's Dock-locking System

3.2 有系泊纜方式的自動(dòng)系泊系統(tǒng)

這類系統(tǒng)立足于現(xiàn)有纜繩系泊方式，通過調(diào)節(jié)纜力或纜繩性能實(shí)現(xiàn)改善船舶系泊條件，如碼頭兩端布設(shè)船用雙筒電動(dòng)系泊絞車[11]，或是利用緩沖吸能組合纜技術(shù)以均衡由風(fēng)浪流等環(huán)境動(dòng)荷載引起的船舶系纜力[12]。隨著自動(dòng)調(diào)節(jié)張力的控制技術(shù)日趨成熟，研發(fā)能夠適應(yīng)復(fù)雜海況的恒張力絞車使得船舶系泊控制成為現(xiàn)實(shí)，采用恒定范圍張力系統(tǒng)進(jìn)行系泊作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)是可以將系泊纜繩張力控制在一個(gè)固定范圍內(nèi)，從而確保纜繩絕不發(fā)生斷裂，通常這個(gè)固定范圍遠(yuǎn)小于纜繩的許用張力[13]。

2014年荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)的ShoreTensionR開發(fā)一種獨(dú)立的液壓控制系泊系統(tǒng)，其不需要外部供能，通過吸收在風(fēng)浪中移動(dòng)的船舶能量并儲(chǔ)存起來，在放松系泊纜索時(shí)將其存儲(chǔ)于內(nèi)部。當(dāng)高峰負(fù)荷結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)用存儲(chǔ)的能量收回纜索，恢復(fù)初始狀態(tài)。該系統(tǒng)不需要任何外部能量，所以能夠提供一種有效的、可持續(xù)的系泊解決方案。TRELLEBORG公司也研發(fā)類似的裝置DynaMoor系統(tǒng)，該裝置結(jié)合了其快速釋放掛鉤與創(chuàng)新的恒張力系統(tǒng)，以平衡船舶系泊索上的載荷，使系泊更加安全可靠。

麥基嘉公司（MacGregor）的MOOREX自張緊系泊裝置，該系統(tǒng)可安裝在碼頭或船上，以最佳的繩索角度和縱向位置，使船舶在復(fù)雜的天氣和潮汐條件下也能安全地系泊在縱向和橫向船舶上。該裝置安裝在船的一側(cè)，并將相應(yīng)的系泊系柱設(shè)置在船的側(cè)殼中。該系統(tǒng)可增加系泊能力，保持系泊繩的恒定張力，并保持船舶的位置?？梢栽诙虝r(shí)間停靠的港口進(jìn)行快速系泊作業(yè)，減少了船員對船只可能移動(dòng)的監(jiān)督。其控制絞車具備自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制功能，有電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)2種，能夠承受從最高運(yùn)行溫度到最低運(yùn)行溫度的最極端環(huán)境條件，能夠根據(jù)船舶和甲板機(jī)械的可用空間，為每一種類型船舶提供各種系泊應(yīng)用。

3.3 自動(dòng)系泊的仿真研究

目前港口船舶的自動(dòng)系泊作業(yè)系統(tǒng)相對較新，沒有太多理論性研究成果可詢，相關(guān)研究性文獻(xiàn)也極少。由于智能系泊系統(tǒng)涉及流固耦合場力與機(jī)器人控制的多體動(dòng)力系統(tǒng)建模復(fù)雜，通常采用理論簡化、數(shù)值仿真或模型試驗(yàn)的方法來獲得經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)論。Terblanche等[14]利用Delft Quaysim模擬了MoorMasterTM200型自動(dòng)系泊系統(tǒng)，得出系泊船舶運(yùn)動(dòng)顯著減少的結(jié)論。de Bont J.[15]通過數(shù)值解算的方法驗(yàn)證了MoorMasterTM系泊系統(tǒng)對船舶水平運(yùn)動(dòng)的抑制效果?？铝秩A以AutoMoor構(gòu)型為例，開展了某港自動(dòng)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元計(jì)算分析。曹凱平等[16]根據(jù)自動(dòng)系泊系統(tǒng)的受力特點(diǎn)假定力學(xué)模型，推導(dǎo)出自動(dòng)系泊系統(tǒng)的簡化受力計(jì)算方法。趙鐵石[17]、丁實(shí)興[18]等基于雙并聯(lián)欠驅(qū)動(dòng)系泊機(jī)器人進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼研究對碼頭船舶水平方向3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)量的影響。

4 展望

港口船舶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系泊作業(yè)將具有更加安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的特點(diǎn)，也更加符合“智慧、綠色、安全”的港口發(fā)展理念?？v觀我國，水運(yùn)交通發(fā)達(dá)，港口設(shè)施現(xiàn)代化推進(jìn)很快，從無人化的全自動(dòng)集裝箱碼頭的推廣與普及看，智能化的自動(dòng)系靠泊系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用也將快速發(fā)展。由于自動(dòng)系泊系統(tǒng)具有技術(shù)復(fù)雜度高、價(jià)值量高的特點(diǎn)，是推動(dòng)我國船舶、海洋與港口產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向之一，對推動(dòng)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要意義。未來相關(guān)研究將逐步向著模型一體化、控制智能化、靠系泊全程化與實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

1）模擬仿真技術(shù)的提升，由于整個(gè)系統(tǒng)涉及船舶、碼頭和機(jī)械機(jī)構(gòu)，研究者往往側(cè)重在不同角度建立數(shù)學(xué)模型，如船舶運(yùn)動(dòng)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、荷載有限元分析等，但缺少綜合船、岸、系泊機(jī)構(gòu)三體耦合的動(dòng)力系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。如何將碼頭岸壁效應(yīng)、船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等因素予以考慮，將是未來完善構(gòu)建港口船舶自動(dòng)系泊系統(tǒng)仿真模型的重點(diǎn)。

2）控制智能化，港口船舶系泊作業(yè)屬于實(shí)踐性很強(qiáng)的工程任務(wù)，利用人工智能算法復(fù)制人類系泊操作的經(jīng)驗(yàn)，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)系泊的研究方向?；谀：刂扑惴軌蜉^好地模擬人工系泊時(shí)的思維與決策，構(gòu)成模糊控制的規(guī)則庫，由于實(shí)際作業(yè)的影響因素眾多，對應(yīng)的規(guī)則將十分復(fù)雜，如何概化出實(shí)用的模糊規(guī)則將是未來開展人工智能訓(xùn)練的關(guān)鍵。

3）靠系泊全程化，船舶在貼近碼頭的過程中，如果自動(dòng)化系泊系統(tǒng)還能夠輔助船舶靠泊，將極大地提升作業(yè)效率。因此結(jié)合船舶在泊位外穩(wěn)定后平行靠攏到一定程度，自動(dòng)系泊系統(tǒng)能夠主動(dòng)吸附船舶并拉至系泊位置后穩(wěn)固船舶，實(shí)現(xiàn)靠系泊全程化，這將對系統(tǒng)的整體機(jī)構(gòu)行程、荷載能力的設(shè)計(jì)提出新的要求。

4）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，建立與完善港口船舶自動(dòng)系泊系統(tǒng)研究理論體系，結(jié)合港工設(shè)計(jì)規(guī)范的船舶與碼頭相關(guān)荷載計(jì)算方法的修編以及檢測評估指標(biāo)的建立等，隨著研究的深入，上述問題也必將成為自動(dòng)系泊系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化研究的方向。

5 結(jié)語

本文針對國內(nèi)外港口船舶自動(dòng)系泊系統(tǒng)的研究發(fā)展與應(yīng)用情況，按照有系泊纜和無系泊纜進(jìn)行了分類梳理與總結(jié)，提出了目前研究工作面臨的難點(diǎn)現(xiàn)狀，并展望船舶自動(dòng)系泊系統(tǒng)研究的模型一體化、控制智能化、靠系泊全程化與實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展的研究趨勢。通過拋磚引玉，相信隨著自動(dòng)系泊理論、仿真模型和樣機(jī)測試的不斷深入，我國自主研發(fā)的港口自動(dòng)系泊系統(tǒng)將得以實(shí)現(xiàn)。