無纜自動系泊系統(tǒng)分析和展望

崔 戈

（海裝駐北京地區(qū)第七軍事代表室，北京 100841）

0 引言

傳統(tǒng)系泊方式一般根據(jù)船舶噸位進(jìn)行頭纜、尾纜、倒纜和橫纜系泊，每根纜繩必須保持均勻受力。隨著船舶吃水、潮位、受力情況發(fā)生變化，需隨時調(diào)整纜繩的松緊[1]。每年因纜繩老化、天氣惡劣、系纜不規(guī)范等原因造成的系泊安全事故時有發(fā)生。隨著物流貿(mào)易全球化發(fā)展及自動控制技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，無纜自動系泊系統(tǒng)憑借高效率、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的優(yōu)勢正逐步替代傳統(tǒng)系泊方式。國外無纜系泊系統(tǒng)應(yīng)用較為成熟，已形成真空式自動系泊和磁力式自動系泊這2 條技術(shù)路線。歐美在無纜自動系泊裝置碼頭安裝、船舶靠港的自動化程度和效率方面較為領(lǐng)先。

海運(yùn)因具有運(yùn)輸能力大，運(yùn)費(fèi)低等優(yōu)點為我國完成60%左右的國際運(yùn)輸，但國內(nèi)碼頭幾乎沒有安裝使用無纜自動系泊裝置。近幾年國內(nèi)已逐步開始研究無纜系泊技術(shù)，通過研究、攻克自動系泊吸附技術(shù)、補(bǔ)償控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)自動系泊裝置系列化，滿足國內(nèi)港口碼頭的使用需求。

本文對國內(nèi)外無纜自動系泊技術(shù)發(fā)展情況、無纜自動系泊系統(tǒng)類型及應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，對自動系泊技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 國內(nèi)外發(fā)展情況

新西蘭凱伏特集團(tuán)開發(fā)出世界首個MoorMaster?創(chuàng)新式真空自動化系泊系統(tǒng)，第一套已于1999年投入使用，至今基本未出現(xiàn)故障和事故。在研發(fā)和設(shè)計所有MoorMaster?系泊系統(tǒng)時，凱伏特集團(tuán)始終將安全因素放在第一位。MoorMaster ?系泊系統(tǒng)適用于眾多的港口和船只類型，包括貨柜碼頭、散裝碼頭、滾裝船舶和渡輪，應(yīng)用場景見圖1。如今凱伏特集團(tuán)在自動系泊系統(tǒng)方面已經(jīng)形成系列產(chǎn)品。

圖1 MoorMaster?系泊系統(tǒng)的應(yīng)用場景

2 無纜自動系泊系統(tǒng)類型及應(yīng)用

無纜自動系泊系統(tǒng)主要有真空吸盤式和磁力吸盤式這2 種方式。

2.1 真空吸盤式自動系泊系統(tǒng)

真空吸盤式自動系泊系統(tǒng)是目前國際上較為主流的自動系泊裝置，各家研發(fā)公司已逐步將其產(chǎn)品形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。其前端安裝真空吸盤，通過吸盤吸附在船舶側(cè)面，可通過自動控制、遠(yuǎn)程控制及現(xiàn)場應(yīng)急控制等多種控制手段進(jìn)行系泊控制。國際上研究和制造真空式自動系泊系統(tǒng)較為成熟的有總部位于瑞士Cavotec公司生產(chǎn)的Moor Master?系列，產(chǎn)品外形見圖2。此外，還有瑞典Trelleborg 公司生產(chǎn)的Auto Moor 系列，產(chǎn)品外形見圖3。

圖2 MoorMaster?系列真空自動系泊系統(tǒng)

圖3 Auto Moor 系列真空自動系泊系統(tǒng)

無纜自動化系泊系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)系泊模式，不使用任何繩索，幾十秒內(nèi)即可完成船舶靠泊離泊操作[2]，從2003年開始，加拿大、英國、澳大利亞、新西蘭等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將無纜自動系泊系統(tǒng)陸續(xù)投入使用。

目前國外無纜自動系泊系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，類型也比較繁多。據(jù)了解目前國內(nèi)無纜自動系泊系統(tǒng)還處于起步階段，國內(nèi)最先進(jìn)的自動化碼頭如青島港、上海洋山港自動化程度較高，但均未將無纜自動系泊系統(tǒng)投入使用。但隨著我國港口運(yùn)營朝著自動化、現(xiàn)代化發(fā)展，港口配置自動系泊系統(tǒng)將成為必然趨勢。

2.2 磁力式自動系泊裝置

磁力式自動系泊系統(tǒng)是基于磁力的自動系泊裝置，其前端設(shè)置電磁吸盤。國內(nèi)廠家設(shè)計、生產(chǎn)的磁力吸盤能夠產(chǎn)生600～1 200 kN/m2的吸力[3]。吸盤主要有電磁式和永磁式這2 種方式。電磁式在吸附時需長時間通電產(chǎn)生磁力，因此采用永磁式較為安全和經(jīng)濟(jì)，其吸盤主要由吸盤主體、環(huán)氧樹脂、磁軛、釹鐵硼永磁體、鋁鎳鈷磁鋼及線圈等部分組成[3]。其控制原理與真空式自動系泊系統(tǒng)類似。Mampaey 公司生產(chǎn)的Dock-Locking 系列磁力式自動系泊系統(tǒng)，通過液壓缸帶動的永磁吸盤實現(xiàn)船體與系泊裝置的連接，產(chǎn)品外形見圖4。

圖4 Dock-Locking 系列磁力式自動系泊系統(tǒng)

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

為適應(yīng)未來智能船舶發(fā)展的需要，亟需開展無纜自動系泊系統(tǒng)技術(shù)研究。而系纜力分析計算是進(jìn)行技術(shù)研究的前提。

船舶系纜因壓排水、人員（貨物）滿載與空載、潮汐、風(fēng)載、過往船舶影響等因素，可能會使船舶產(chǎn)生撞擊或偏離碼頭等安全性問題。在船舶撞擊或偏離碼頭時，無纜自動系泊系統(tǒng)進(jìn)入補(bǔ)償狀態(tài)，無纜自動系泊裝置的真空吸盤或電磁吸盤在執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油缸）作用下進(jìn)行6 自由度運(yùn)動。因此，計算船舶各自由度方向的系纜力是進(jìn)行自動系泊系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。系纜力計算需要遵循JTJ 215—1998《港口工程荷載規(guī)范》[4]的相關(guān)要求，計算內(nèi)容主要包括作用于船舶上的風(fēng)成系纜力、作用于船舶上的水流系纜力、過往船舶興波對船舶系纜力的影響等。

目前，研究人員仍需要突破吸附技術(shù)、多自由度船體姿態(tài)補(bǔ)償控制技術(shù)、多設(shè)備協(xié)同作業(yè)技術(shù)及系泊安全可靠性設(shè)計技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，以保證無纜自動系泊系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。

3.1 吸附技術(shù)研究

吸附裝置是無纜自動系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其吸附能力決定無纜自動系泊系統(tǒng)的任務(wù)成功率。真空吸盤和磁力吸盤在工業(yè)生產(chǎn)線、起吊設(shè)備中已得到成熟應(yīng)用，其一般承受垂直拉力。吸附裝置根據(jù)6 個自由度方向的運(yùn)動情況相應(yīng)調(diào)整各方向抗拉或抗壓能力。

3.1.1 真空吸附技術(shù)

針對真空吸盤的材料、密封型式、外形尺寸以及觸點的布置開展技術(shù)攻關(guān)，解決真空吸盤的真空度及抗壓性能。針對真空壓力等技術(shù)指標(biāo)，分析真空系統(tǒng)組成及關(guān)鍵元器件選型，構(gòu)建安全可靠的真空發(fā)生器系統(tǒng)。

3.1.2 磁力吸附技術(shù)

磁力吸附技術(shù)重點研究解決磁力吸附單元形成磁場對船舶設(shè)備正常運(yùn)行的影響。針對系泊系統(tǒng)工作特點選用較好永磁材料、合理聚磁技術(shù)以及設(shè)計最合適的磁路，得到盡可能大的氣隙磁通密度達(dá)到較高磁吸力[5]，保證吸附單元可靠吸附。

3.2 多自由度船體姿態(tài)補(bǔ)償控制技術(shù)

對多自由度船體姿態(tài)的補(bǔ)償控制技術(shù)研究，依據(jù)船舶系泊的實際作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，針對船體因潮汐、風(fēng)載、過往船舶產(chǎn)生的多自由度姿態(tài)變化，提出運(yùn)動補(bǔ)償及隨動結(jié)合的控制方案，構(gòu)建無纜自動系泊裝置最優(yōu)補(bǔ)償控制方法、驅(qū)動算法及安全聯(lián)鎖策略。同時在執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件中合理布置傳感器，確保船體姿態(tài)變化超過補(bǔ)償范圍后，系統(tǒng)對相應(yīng)自由度的船體運(yùn)動能夠執(zhí)行主動抑制，確保船舶安全停泊。

3.3 多設(shè)備協(xié)同作業(yè)技術(shù)

船舶需要2 個及以上無纜自動系泊單元協(xié)同動作才能夠完成船體系泊作業(yè)，在依據(jù)船舶實際靠岸運(yùn)動姿態(tài)確定系統(tǒng)運(yùn)行后，各自動系泊單元同時啟動。此時，針對各系泊點不同的運(yùn)動要求，完成各無纜自動系泊單元吸附動作的協(xié)調(diào)配合，幫助船舶快速、平穩(wěn)靠岸。在系泊狀態(tài)下依據(jù)各系泊點的運(yùn)動補(bǔ)償完成船體運(yùn)動抑制，是確保船舶安全、穩(wěn)定系泊的關(guān)鍵。

3.4 系泊安全可靠性設(shè)計技術(shù)

為確保無纜自動系泊系統(tǒng)作業(yè)過程安全可靠，配置激光定位、攝像機(jī)等技術(shù)感知船舶相對碼頭距離及船舶速度，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)系泊設(shè)備移動速度及后續(xù)吸附工作。通過設(shè)置力傳感器、位移傳感器等方式對船體運(yùn)動姿態(tài)實時檢測，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)預(yù)測多船體的多自由度姿態(tài)變化情況，及時調(diào)整無纜自動系泊系統(tǒng)的系泊狀態(tài)，及時開啟系統(tǒng)的補(bǔ)償、抑制功能，確保船舶平穩(wěn)系泊，人員和貨物安全上下船。

4 未來發(fā)展趨勢展望

自動系泊技術(shù)發(fā)展較為成熟，不僅可用于碼頭系泊，也可應(yīng)用于海上平臺的大水位差的船舶自動系泊。根據(jù)海上平臺海水高度變化，采用浮式系靠泊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用水的浮力作支托，以滿足水位漲落變化的要求[6]。通過浮式自動系泊技術(shù)可快速實現(xiàn)貨物裝卸、人員上下、應(yīng)急撤離及救助等作業(yè)活動。

自動系泊技術(shù)也可用于海上船舶間靠幫系泊，不僅可提高靠幫作業(yè)海況，而且可將靠幫作業(yè)時間縮短至1 min 以內(nèi)[7]。美海軍為改善海上戰(zhàn)略投送人員、車輛、集裝箱傳送時的靠幫環(huán)境和提高海上戰(zhàn)略投送效率。已將自動系泊系統(tǒng)用作海上戰(zhàn)略投送，委托凱伏特公司研發(fā)船船之間無纜自動系泊系統(tǒng)（MM100E60），產(chǎn)品外形見圖5。該自動系泊系統(tǒng)門限海況3 級，目標(biāo)海況4 級，由6 套集成在集裝箱內(nèi)的模塊化試驗樣機(jī)組成。目前已完成樣機(jī)碼頭試驗工作，試驗情況見圖6，后續(xù)可將該技術(shù)移植至艦船間靠幫系泊。

圖6 無纜自動系泊系統(tǒng)（MM100E60）樣機(jī)試驗

5 結(jié)論

本文介紹了國內(nèi)外無纜自動系泊技術(shù)發(fā)展情況、無纜自動系泊系統(tǒng)類型及應(yīng)用情況，并分析了關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，展望了自動系泊技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。研究成果可為無纜自動系泊系統(tǒng)的設(shè)計與研究提供一定參考。