智能無人母船設(shè)備總體布置及影響分析

摘" " 要：本文以智能型無人系統(tǒng)母船為研究對象，分析研究了智能無人裝備系統(tǒng)裝船的布置、收放、作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)要求；通過采用減搖裝置提高船舶耐波性能和采用DP動力系統(tǒng)提高其操縱性能等技術(shù)措施，實現(xiàn)了母船全流程安全高效的作業(yè)能力和所有作業(yè)區(qū)的使用技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：智能；無人裝備；耐波性能

中圖分類號：U664.12 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

General Arrangement and Impact Analysis of Intelligent

Unmanned Mother Ship Equipment

ZENG Lingbin，" YANG Dahai，" CHENG Jun，" HUANG Baowen，" HUANG Yaohua

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited，" "Guangzhou 510715，" China ）

Abstract： This article takes the mother ship with intelligent unmanned systems aboard as the research target， analyzes and studies the key technical requirements of intelligent unmanned systems for loading on ship in respect of the overall layout， retrieval， releasing and operation. In combination with the technical measures such as using anti-roll devices to improve seakeeping performance and using DP power systems to improve maneuverability， the requirements for safe and efficient operation throughout the entire process of mother ship and the technical requirements for all its operation areas have been met and achieved.

Key words：" intelligent;" unmanned equipment;" sea keeping performance

1" " 引言

該船作為國內(nèi)首艘無人系統(tǒng)裝備集群搭載科考母船，具有功能先進、通訊密集、智能化等技術(shù)特點。該船主要的作業(yè)海域為南海，南海海域的海況條件基本在四級海況及以上，船上搭載的無人系統(tǒng)裝備有空、海、潛不同規(guī)格型號，各種裝備對搭載空間、搭載條件、布放回收等的要求均不同，需協(xié)調(diào)解決好各種無人裝備的裝船技術(shù)需求。在四級海況下，該船可漂泊連續(xù)調(diào)查作業(yè)，可實現(xiàn)兩套無人裝備同時回收；在五級海況下，可進行無人系統(tǒng)的應(yīng)急回收；在七級海況下，船舶能安全航行。文章分析研究了作業(yè)海況等環(huán)境條件、搭載的無人設(shè)備系統(tǒng)的種類、作業(yè)模式、作業(yè)空間、總體布置，以及收放裝置及其布置等；并采用減搖裝置提高耐波性能、采用DP動力系統(tǒng)提高操縱性能等技術(shù)措施，實現(xiàn)了全流程安全高效作業(yè)和滿足所有作業(yè)區(qū)使用的技術(shù)要求。

2" " 船舶概況

2.1" "船舶主要功能及技術(shù)指標(biāo)

該船為無人裝備水面支持母船，主要用于海洋防災(zāi)減災(zāi)、海底精細(xì)測繪、海洋環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，可搭載轉(zhuǎn)運及布放多種類、批量化空、海、潛立體探測無人系統(tǒng)，開展跨域協(xié)同的智能快速機動海洋立體觀測等任務(wù)，該船具有智能型自主航行能力和全天候作業(yè)能力。為了實現(xiàn)在惡劣、危險等極端條件下開展科考任務(wù)，需解決復(fù)雜海況條件下集群化無人裝備在智能型支持母船上搭載和快速布放回收，以及無人機、無人艇、無人潛器等無人系統(tǒng)之間的海上協(xié)同作業(yè)等難題。

根據(jù)上述使命任務(wù)及功能要求，該船需具備以下耐波性、作業(yè)能力和定位要求：

1）在四級海況下，船舶能滿足漂泊連續(xù)調(diào)查作業(yè)要求，可以實現(xiàn)兩套無人裝備的同時回收；

2）在五級海況下，船舶能滿足無人系統(tǒng)的應(yīng)急回收；

3）動力定位具備在6級風(fēng)、1節(jié)流、4 級海況（有義波高≤2.0 m）等條件下，保持良好定位和艏向能力。

該船主要參數(shù)見表1。

2.2" "總體布置

該船整體布局為首部采用封閉形式，與中部上層建筑流線過渡融為一體，頂部設(shè)全景式駕駛室和作業(yè)指揮中心，尾部為大面積開敞作業(yè)甲板，外型效果具有鮮明的動態(tài)感、未來感和科技感。

基于該船所搭載的無人設(shè)備系統(tǒng)及其回收系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)等作業(yè)需求，對船舶總體布置和推進系統(tǒng)配置等提出了相應(yīng)的要求，總布置采用短艏樓/中部上建+尾部大型作業(yè)甲板，且滿足收放裝置需舷側(cè)或尾部開敞甲板布置，無人機起飛及回收需開闊甲板空間，駕駛甲板及指揮系統(tǒng)具有寬闊的視野和指揮空間；為實現(xiàn)平臺良好的耐波性、抗風(fēng)能力等總體性能，采用減搖鰭、降低大型無人裝備的存放位置等措施。同時配置兩臺全回轉(zhuǎn)吊艙推進器，其功率為1 800 kW×2；以及變頻控制的全回轉(zhuǎn)定距槳艏側(cè)推裝置，采用動力定位裝置，實現(xiàn)良好的操縱性和定位功能。

該船從上至下設(shè)有羅經(jīng)甲板、駕駛甲板、起居甲板、艏樓甲板、主甲板和平臺甲板。上層建筑內(nèi)設(shè)置30名人員操縱、試驗所需的工作、生活艙室和設(shè)施。此外，在無人裝備作業(yè)主要區(qū)域布局如下：駕駛甲板設(shè)作業(yè)指揮中心，可與空中、水面、水下無人系統(tǒng)、岸基中心進行有效信息傳輸；起居甲板尾部設(shè)置無人機飛行甲板、無人機儲藏操作間等，左舷布置救助艇兼工作艇；主甲板尾部設(shè)置面積約490 m2的露天作業(yè)甲板，甲板左舷設(shè)有一臺直臂回轉(zhuǎn)吊，右舷設(shè)有一臺液壓伸縮折臂吊、舷側(cè)登乘平臺、舷側(cè)A型吊架、尾部A型吊架等收放設(shè)施；平臺甲板從首至尾分別設(shè)有首尖艙、側(cè)推裝置艙、空調(diào)器室、冷庫、機艙、機電集控室、主配電室、輔助設(shè)備艙、絞車艙、無人艇儲藏艙、推進器艙等。

3" " 主要作業(yè)設(shè)備總體布置

3.1" "作業(yè)技術(shù)要求

該船可同時搭載空中無人裝備、水面無人裝備和水下無人裝備，也可搭載其他調(diào)查設(shè)備，如集裝箱系統(tǒng)、ARGO 浮標(biāo)、拖曳翼傘等。各種裝備的應(yīng)用海況、搭載數(shù)量、搭載空間和布放回收輔助的要求均不同，具體見表2。

3.2" "作業(yè)設(shè)備布置

基于表2按作業(yè)模式可搭載的無人系統(tǒng)設(shè)備，其作業(yè)模式主要有物理海洋、海洋測繪、海上風(fēng)電運維檢測、海洋生態(tài)健康管理等模式。根據(jù)不同作業(yè)模式設(shè)備的空間使用情況分析，在物理海洋模式和海洋測繪模式下無人裝備占用的總空間最多，研究得出的最大總空間需求如表3、表4所示。

由表3、表4可知，兩種作業(yè)模式面積需求相近，通過對不同的甲板存放空間進行劃分，再按需求面積逐步逐層進行分布模擬，最后得出各層甲板搭載所需面積的基本方案。

基本方案成形后，根據(jù)無人裝備的特點展開布置分析。

無人機設(shè)備復(fù)雜，維護要求高，平時應(yīng)儲存在遮蔽艙室內(nèi)，同時靠近起降平臺。

無人艇應(yīng)便于直接收放作業(yè)，宜布置在主甲板上，但由于主甲板空間有限，可綜合考慮吊運設(shè)備及儲藏室設(shè)置進行布置。

對于大型無人裝備，除了考慮其布置和作業(yè)面積外，還應(yīng)考慮其對船舶重心和穩(wěn)性的影響，如，可潛無人艇重達11噸，布置位置對船舶的重心、橫搖縱搖等，均會產(chǎn)生較大影響，故可潛無人艇不宜布置過高，布置位置最好在船中附近，能有效減小對船舶重心和穩(wěn)性的影響。其他無人艇也應(yīng)盡量對稱布置，減少船舶左右傾的概率。最終布置如圖3和圖4所示。

作業(yè)甲板主要分為三大功能區(qū)域如下。

1）無人機飛行甲板區(qū)

在起居甲板尾部設(shè)置可用于無人機起降的飛行甲板，左舷起降平臺面積約17 m2，右舷起降平臺面積約25 m2，垂直升降范圍內(nèi)沒有障礙物遮擋。在起降平臺上安裝有安全網(wǎng)，可有效保障操作者在飛行甲板上的作業(yè)安全。在飛行甲板前部設(shè)有無人機儲藏操作間，面積約20 m2，用于無人機的組裝和維護。

2）尾甲板作業(yè)區(qū)

在主甲板尾部設(shè)露天作業(yè)甲板，甲板面積約490m2，方便部署集裝箱、無人系統(tǒng)和大型及重型臨時裝備。尾作業(yè)甲板具有同時固定存放6個20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的箱位。主甲板設(shè)置2根轉(zhuǎn)運鋼軌，從主甲板尾部至作業(yè)甲板首部的無人系統(tǒng)設(shè)備維修區(qū)。主甲板下的無人艇儲藏艙內(nèi)。

主甲板尾部安裝一臺A型吊架，用于大型無人艇及其他特殊無人系統(tǒng)等的布放回收作業(yè)。此外，主甲板尾部設(shè)有一個尺寸約7 500 mm×2 500 mm的液壓水密大艙蓋，用于無人艇的進艙存儲。主甲板下設(shè)置無人艇儲藏艙，面積約94 m2，并設(shè)有轉(zhuǎn)運軌道，用于對無人艇在艙內(nèi)的轉(zhuǎn)移。

3）左、右舷作業(yè)區(qū)

在主甲板左右兩側(cè)設(shè)有連續(xù)的、無障礙的左右舷作業(yè)區(qū)域，適用于無人艇、無人潛器的布放和回收作業(yè)。主甲板左舷安裝有一部直臂回轉(zhuǎn)吊機，主甲板右舷安裝一臺舷側(cè)A型吊架、一臺液壓伸縮折臂吊機，用于無人系統(tǒng)的布放回收及在甲板面的轉(zhuǎn)運。在主甲板右舷安裝有舷側(cè)登乘平臺，可用于批量化微型裝備的布放回收作業(yè)。

4" " 平臺作業(yè)環(huán)境的實現(xiàn)

為保證在各種海況下對無人設(shè)備進行批量化布放回收以及運載和保障，耐波性和操縱性是該船的重要考量指標(biāo)。

4.1" "船體耐波性能

由于在較高海況下，船長對縱搖、升沉以及波浪中的失速影響較大，而縱搖和升沉是影響人員暈船率的重要因素。船舶水線長度大于1.3倍波長，則可使船舶騎浪航行，能有效的減小縱搖、垂蕩以及波浪中失速，從而改善人員舒適度，提高科考調(diào)查作業(yè)效率。根據(jù)ITTC推薦的北半球短峰海浪譜的統(tǒng)計資料，工作水域波長在0～66 m 的波浪累計概率約為80%。為保證較好的耐波性，水線長約為85 m。

采用切片理論對該船耐波性計算預(yù)報，預(yù)報內(nèi)容包括在短峰海浪中垂蕩、橫搖、縱搖運動的位移有義單幅值，相關(guān)參數(shù)如下。

1）預(yù)報工況

在四級海況下，船舶能滿足漂泊連續(xù)調(diào)查作業(yè)要求，可以實現(xiàn)兩套無人裝備的同時回收。

在五級海況下，船舶能滿足無人系統(tǒng)的應(yīng)急回收。

分別計算尾部A型吊架吊點（A點）、右舷吊機位置（B點）、左舷回收裝置（C點）、右舷小A吊架吊點（D點）等計算點相對水面的運動有義單幅值。

2）主要參數(shù)

重心位置（Xg，Yg，Zg）分別為38.35 m，0.0543 m，5.56 m，橫向慣性半徑KXX=0.36 BWL，縱向慣性半徑KYY=0.25 LWL。

3）波浪參數(shù)

計算采用ITTC推薦的短峰海浪譜，各海浪等級有義波高與波浪平均周期T1參考北半球海域波浪周期的統(tǒng)計資料，具體取值如表5。

4）計算結(jié)果

（1）基本運動參數(shù)預(yù)報

浪向角180°為頂浪、90°為右橫浪、0°為隨浪。當(dāng)海況為4、5級，航速為0 kn、8 kn、12 kn和18 kn時，分別對A、B、C、D點的垂蕩、橫搖、縱搖相對運動有義單幅值進行計算。表6所示為12 kn航速時的運動參數(shù)計算值。

（2）橫搖周期

根據(jù)《國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（2014）計算橫搖周期，如表7。

4.2" "改善減搖能力

除了常規(guī)的舭龍骨外，為了進一步改善船舶的耐波性，該船中部安裝有一對不可收放式減搖鰭，單鰭面積約為3.5 m2。在橫浪中航行時，四級海況下以13kn 航速航行時，減搖裝置啟動后，減搖效果不低于45%，五級海況下以18 kn航速航行時，減搖效果不低于80%。舭龍骨及減搖鰭布置示意如圖5。

4.3" "動力定位能力

無人系統(tǒng)作業(yè)要求該船具備較好的操縱性能和機動性能，回轉(zhuǎn)直徑不大于5倍船長，并且具備在 6級風(fēng)、1節(jié)流、4級海況（有義波高≤2.0 m）等條件下保持良好定位和艏向能力。

為此，該船船艉配備2臺全回轉(zhuǎn)吊艙推進器，船艏配備1臺側(cè)向推進器，各推進器的安裝位置如圖6所示，性能參數(shù)如表8。

動力定位能力是指船舶在給定環(huán)境和操作條件下的船位和艏向保持能力。 采用推力使用率包絡(luò)線表達方式對6級風(fēng)（風(fēng)速27 kn）、1節(jié)流、4級海況（有義波高≤2.0 m）等條件下的推力使用率進行計算預(yù)報，結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)耐波性能和動力定位預(yù)報結(jié)果（如圖7和表9），該船在4級海況，滿足漂泊連續(xù)調(diào)查作業(yè)設(shè)備的作業(yè)需求，可以實現(xiàn)兩套無人裝備的同時回收；在5級海況，滿足收放作業(yè)設(shè)備應(yīng)急回收的需求。

5" " 結(jié)語

該智能型無人系統(tǒng)母船“珠海云”由黃埔文沖船舶有限公司承建并于2022年11月12日順利交付，試航后各項性能指標(biāo)、各種無人作業(yè)設(shè)備及其回收設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)均達到技術(shù)設(shè)計要求。

該船為全球首艘具有遠程遙控和開闊水域自主航行功能，協(xié)同進行深、海、潛等多方位作業(yè)的智能型無人系統(tǒng)母船?！爸楹Ｔ啤钡捻樌桓叮w現(xiàn)了我國船舶行業(yè)科技自主創(chuàng)新能力的不斷突破，也開啟了我國海洋科考全面進軍深遠海的新模式。