摘 要：航運業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用，但近年來不斷出現(xiàn)的海盜劫持商船事件嚴(yán)重干擾了航運業(yè)的秩序。該文通過對船舶現(xiàn)已使用的簡 易防海盜高壓電網(wǎng)分析與改進(jìn)，提出了一種新型防海盜高壓脈沖電網(wǎng)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：防海盜 卷簾式 高壓脈沖電網(wǎng)

中圖分類號：U698 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-04

該研究是利用高壓脈沖電網(wǎng)、卷簾式裝置和其他輔助設(shè)備，組建成為新型高壓脈沖電網(wǎng)。在保證人員和船舶安全的前提下，有效地阻止海盜登船。同時又兼顧了自動收放、方便拆卸、維修的要求。為途經(jīng)海盜泛濫航區(qū)的商用船舶，特別是油船提供有效、安全、方便的防海盜設(shè)備和解決方案。

1 背景

2008年9月中旬，一艘載滿33輛俄羅斯產(chǎn)T-72坦克、榴彈發(fā)射器以及相關(guān)武器彈藥的烏克蘭貨船“費那”號的遭遇海盜劫持，索馬里海盜問題由此正式浮出水面，受到國際社會極度關(guān)注[1]。雖然各國采取軍事力量的護(hù)航行動不斷增加。但海盜行為依然猖獗，打擊行為力度明顯不足。一方面軍事力量和組織、調(diào)配力度不足，另一方面將如此多的軍事力量長期部署索馬里海域針對海盜問題顯然不現(xiàn)實。因此各國商船不得不通過在本船上加裝防海盜設(shè)備的方式，進(jìn)行自我保護(hù)。作為船用防海盜設(shè)備之一的高壓電網(wǎng)，由于其效果明顯，已有部分船舶開始加裝并使用。但由于其結(jié)構(gòu)和性能的特點，因此存在一定問題。

一般船舶安裝的高壓電網(wǎng)主要是在船舷焊接一連串金屬支架，在每個金屬支架上固定安裝兩到三個絕緣子，再通過絕緣子架接導(dǎo)線的方式來組建高壓電網(wǎng)的外部設(shè)備，如圖1所示。

2 傳統(tǒng)防海盜高壓電網(wǎng)分析

2.1 傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)存在的問題

舊式高壓電網(wǎng)使用的電力都是船舶自帶的發(fā)電機(jī)提供的。其發(fā)電機(jī)直接提供的是380 V三相交流電。電流在經(jīng)過一個變壓器后其電壓被升為5000 V，然后便被通向高壓電網(wǎng)的導(dǎo)線。在船舶駛?cè)牒１I預(yù)警海域前，船員需對防海盜電網(wǎng)進(jìn)行安裝；使用時，船員將電網(wǎng)在甲板左右兩舷張開后接通甲板電源；駛離預(yù)警海域后，將電網(wǎng)拆除并放入倉庫[2]。

導(dǎo)線在經(jīng)過絕緣子時，是利用綁線將其固定在絕緣子上的。雖然其固定方法因絕緣子的種類和導(dǎo)線的材料不同而存在差異，但是使用此種連接方式的高壓電網(wǎng)多少都存在漏電的問題。海上航行時，船舶因為風(fēng)浪搖擺，海水不可避免的會濺到船舷上，這樣海水便有可能將絕緣子與金屬支架連接，使金屬支架通電，最終使船體通電。

這樣，發(fā)生漏電事故的可能性將會大大增加。船上的設(shè)備以及人員安全也將受到一定的威脅。特別是對于油船，液化天然氣船，液化石油氣船等運輸高危險性化學(xué)品的船舶此種高壓電網(wǎng)會存在更嚴(yán)重的安全隱患。

傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)在對人員安全性上也存在一定的問題。首先是5000 V的高壓電雖然能夠有效地阻止海盜劫持商船，但是人體接觸高壓電后電流通過人體時會引起極大組織損傷和功能障礙，重者發(fā)生心跳和呼吸驟停，而且超過1000 V的高壓電還可能引起

灼傷。

對于通過繩索登船的海盜，一旦接觸到電網(wǎng)，便會被立即發(fā)生電擊傷害，即使僅僅昏迷落入海中，也會在水流的作用下沿著船體漂流到船尾螺旋槳處，又即使能僥幸躲過螺旋槳，在昏迷的狀態(tài)下也極有可能溺水而亡。

此外當(dāng)海盜看見自己的同伙被電擊死亡后，難免一時失控向商船開火泄憤。這樣，雖可以阻止海盜登船但卻造成了更加嚴(yán)重的后果。當(dāng)然，船上工作人員也有可能不小心觸碰到高壓電網(wǎng)并發(fā)生上述慘劇，而且哪怕工作人員沒有落入海中在缺醫(yī)少藥的商船上治療電擊傷害也十分不易。

2.2 海盜登船方式

海盜目前的登船方式一是先乘快艇靠近商船，然后拋出一根末端帶鉤的纜繩，利用掛鉤掛住船體，再通過纜繩登上船舶。二是在乘快艇靠近商船后伸出一架頂端帶鉤的硬質(zhì)梯子掛住船舷，隨后通過梯子登上船舶?，F(xiàn)代大型遠(yuǎn)洋船舶其干舷高度可高達(dá)十?dāng)?shù)米，此種高壓電網(wǎng)就是通過在海盜登船時設(shè)置障礙的方式，阻止并擊退登船的海盜。

一般情況下海盜都是先偽裝成漁船等小船，慢慢靠近欲劫持的商船，再通過飛爪等工具迅速登船，再加上現(xiàn)代化船舶上的船員數(shù)量少，船體大等現(xiàn)實原因，一般商船有時難以對船體周圍的可疑船舶進(jìn)行很好地監(jiān)控。不少被劫商船是在海盜船小艇靠近，甚至是海盜登船后才發(fā)現(xiàn)海盜，這樣便失去寶貴的自救時間。

3 新型船用防海盜高壓脈沖電網(wǎng)

現(xiàn)已經(jīng)使用的高壓電網(wǎng)其主要特點就是將導(dǎo)線安放在固定的金屬支架上，金屬支架簡單的與船體焊接在一起，航行中海水可能飛濺到導(dǎo)線上，使電網(wǎng)出現(xiàn)漏電問題，對船舶安全以及人員安全造成威脅。并且這種簡易的安裝將會一定程度上破壞船體。因此本小組設(shè)計用新型的高壓脈沖電網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高壓電網(wǎng)。設(shè)計將高壓脈沖電網(wǎng)安放在一個可以自動收縮的承載物上，即為我們所研究的卷簾式高壓脈沖電網(wǎng)。結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

3.1 卷簾式裝置結(jié)構(gòu)和功能介紹

卷簾裝置主要由卷簾軸、電動機(jī)、卷簾簾片、卷簾導(dǎo)軌、卷簾支架、絕緣裝置、高度范圍紅外裝置等組成。

卷簾支架通過焊接牢固的固定于船體上，用于支撐整套裝置。卷簾導(dǎo)軌形狀為弧形，用于承載簾片，使簾片能在其中自由滑動，并使簾片在展開后能形成弧形同樣使用螺栓固定在卷簾支架之上。簾片上有可用于固定高壓脈沖電網(wǎng)導(dǎo)線的絕緣夾，在其上面固定一條合金導(dǎo)線。簾片之間一滑槽結(jié)構(gòu)相互連接，平時不使用時簾片收卷于卷簾軸之上，并與卷簾軸一同架設(shè)于兩支架之間以備使用。電動機(jī)通過簡單的齒輪機(jī)構(gòu)與卷簾軸連接，通過螺栓固定在船舷處或置于卷簾軸內(nèi)部，其轉(zhuǎn)速和扭矩完全滿足使簾片在短時間內(nèi)收卷或展開的要求。

電網(wǎng)導(dǎo)線是高壓脈沖電網(wǎng)的外部組成部分，其安裝于簾片的外側(cè)，可隨卷簾迅速收放，每條導(dǎo)線都經(jīng)過導(dǎo)軌并聯(lián)在位于軸內(nèi)的干路上，與高壓脈沖電網(wǎng)主機(jī)相連，形成電網(wǎng)。其外部結(jié)構(gòu)如圖3

所示。

整套設(shè)備的主要部件卷簾軸、電動機(jī)、卷簾簾片、卷簾導(dǎo)軌等都是由螺栓相互連接，并最終連接于船體之上。在實際航行中，特別是對于長時間遠(yuǎn)距離航行的遠(yuǎn)洋商船，在使用過程中設(shè)備難免損壞故障。這樣在設(shè)備個別部件損壞、故障時就可以通過拆解連接螺栓的方式將整套設(shè)備拆下進(jìn)行更換和維修，而且在僅有電網(wǎng)導(dǎo)線損毀的情況下，僅僅將簾片收回于軸上就可以進(jìn)行更換和維修。并且在船舶靠泊港口或其他情況下需要將電網(wǎng)設(shè)備拆除時，也可以簡便快速的進(jìn)行拆除作業(yè)。而且對于電網(wǎng)外部設(shè)施的維修和更換工作在船舷內(nèi)全部可以進(jìn)行。

相比之下，將電網(wǎng)外部設(shè)施固定安裝在船舷外的傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)一旦在航行中損壞，在船舷內(nèi)進(jìn)行維修將十分困難。與現(xiàn)已使用的傳統(tǒng)高壓的焊接連接方式相比，此種連接方式使對裝置進(jìn)行拆解和維修更加方便。而且高壓電網(wǎng)導(dǎo)線由鋁鎂錳鋅等十幾種金屬冶煉而成，是目前高壓脈沖電網(wǎng)專用的合金導(dǎo)線，具有抗氧化、耐腐蝕、不生銹等優(yōu)點。

同時，利用數(shù)字化平臺將高度范圍紅外裝置與高壓脈沖電網(wǎng)相連接。在高度范圍紅外裝置發(fā)現(xiàn)有可疑船舶靠近時，通過數(shù)字化平臺控制高壓脈沖電網(wǎng)展開并使電網(wǎng)通電。

在絕緣方面，整套設(shè)備中與高壓脈沖電網(wǎng)導(dǎo)線直接接觸或位置靠近的部分，包括承載導(dǎo)線的簾片和與簾片相接處的導(dǎo)軌，都采用絕緣的硬質(zhì)塑料或硬質(zhì)陶瓷材料制作。這樣既能保證簾片和導(dǎo)軌具有所需要的強度又能防止漏電。由于導(dǎo)線并聯(lián)于導(dǎo)軌中的導(dǎo)線干路上，并最終離開簾片與高壓電網(wǎng)主機(jī)相連，所以對于位于干路上的導(dǎo)線，必須用絕緣層將其包裹，以防止導(dǎo)線在離開簾片時與導(dǎo)軌或其他絕緣體接觸。在實際操作中，導(dǎo)線在收回時難免與鋼制船體發(fā)生接觸，造成船體帶電。因此在簾片進(jìn)行收回卷軸前，主機(jī)停止對電網(wǎng)供電，以防這種意外接觸的發(fā)生。與船舶使用的傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，此種新型電網(wǎng)的防漏電能力更高，能更好的防止由于電網(wǎng)漏電對船體設(shè)備、人員帶來的危險。導(dǎo)線與簾片連接處的結(jié)緣裝置如圖4所示。

3.2 高壓脈沖電網(wǎng)功能介紹

高壓脈沖電網(wǎng)由主機(jī)、前端配件組成[3]。高壓電子脈沖主機(jī)通電后發(fā)射端產(chǎn)生脈沖（大約大于或等于5000～10000 V的低頻脈沖信號，該信號約每秒1次，持續(xù)時間小于0.1 s）[4]，通過高壓導(dǎo)線施加于高壓電子探測式脈沖器的始端，脈沖信號沿著高壓電子脈沖式探測器的導(dǎo)線由始端傳向終端，再通過高壓導(dǎo)線形成回路施加于控制器的接收端。高壓脈沖電網(wǎng)電路布置如圖5所示。

高壓脈沖電網(wǎng)主機(jī)：放于船艙或其他合適的位置，主控整個電網(wǎng)。應(yīng)用差分電壓輸出技術(shù)。發(fā)出和接收高壓電脈沖，調(diào)節(jié)脈沖的電壓、間隔時間，使每根輸出導(dǎo)線上有高壓脈沖電流以及相鄰兩線之間有壓差。

能有效保證人員的安全是此種高壓脈沖電網(wǎng)的一個顯著特性。雖然高壓脈沖電網(wǎng)的電壓在5000 v～8000 v，對海盜的威懾感很強。但是，能否對海盜造成傷害關(guān)鍵要看電流和脈沖電量，一般而言，傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)的單個脈沖電量為40毫庫倫，而高壓脈沖電網(wǎng)的單個脈沖電量只有2.5毫庫倫，相差將近20倍。同時高壓脈沖電網(wǎng)的脈沖電流在一秒的脈沖周期中，峰值為300 mA，持續(xù)時間只有1.5 ms，而傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)的電流卻在幾個安培以上。所以就單個脈沖而言，高壓脈沖電網(wǎng)的能量足以給予海盜較為痛苦的警示，而又不至于對觸碰人員造成傷害。高壓脈沖電網(wǎng)技術(shù)參數(shù)參照表1。

同時，若有海盜在登船時觸碰或因電擊而爬在高壓脈沖電網(wǎng)上，會造成高壓脈沖電網(wǎng)短路，此時，若是傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)會粘住海盜，給海盜造成持續(xù)打擊并造成嚴(yán)重的傷亡，而高壓脈沖電網(wǎng)則會在短時間之內(nèi)發(fā)出報警。同時高壓脈沖電網(wǎng)的電壓會變?yōu)?，脈沖主機(jī)會停止電壓輸出，并在一定時間后恢復(fù)電壓輸出，避免在海盜抓握電網(wǎng)導(dǎo)線時造成持續(xù)打擊。為避免誤報警高壓脈沖電網(wǎng)主機(jī)上裝有報警延時設(shè)置，一般延時2 s才會報警，可以把由海鳥等動物引起的誤報警過濾掉。當(dāng)然此報警延時參數(shù)可以設(shè)定，從即時報警到4 s延時報警。

當(dāng)然在船舶航行中海水或雨水很有可能是電網(wǎng)兩導(dǎo)線間短路，發(fā)生誤報警。為避免天氣因數(shù)的干擾，脈沖主機(jī)采用數(shù)字化芯片控制下的電容放電技術(shù)，主機(jī)通過檢測周界圍欄上電壓泄漏情況感知報警。圍欄上正常檢測報警電壓初始默認(rèn)值是3000 V，當(dāng)周圍欄受外界因素影響，導(dǎo)致電壓泄露，泄漏到3000 V報警線以下時會產(chǎn)生報警輸出。在陰雨天氣時，高壓脈沖電網(wǎng)易短路，使導(dǎo)線降到可3000 V報警線以下。這時我們可以將報警線下調(diào)至2500 V，或者其他合適的數(shù)值，減少誤報警。當(dāng)然海盜劫持船舶都選在風(fēng)平浪靜的天氣下進(jìn)行，在惡劣海況時不會有海盜，這種時候電網(wǎng)簾片收卷于軸上，以減少惡劣海況對設(shè)備的損壞。以上報警參數(shù)的設(shè)置調(diào)整，通過控制軟件均可在電腦上隨時設(shè)置。

4 新型高壓脈沖電網(wǎng)的具體實施方式

當(dāng)船舶進(jìn)入危險海域前，可先將整套系統(tǒng)安裝在海盜容易登船處的船舷邊，可由駕駛臺上手動控制或者是無線遙控控制卷簾式電網(wǎng)的展開或收回，展開的同時電網(wǎng)主機(jī)通電進(jìn)入工作狀態(tài)；測試整套系統(tǒng)有誤損壞或者工作不良，并在醒目位置懸掛高壓危險警

示牌。

海盜靠近船體并拋出飛爪，由于卷簾式電網(wǎng)的特殊形狀，飛爪將難以勾到船舷或鉤住簾片，這便形成了第一道防御；若不幸被勾到其他部位，海盜通過纜繩登船必須先越過簾片組成的弧形裝置，由于其特殊結(jié)構(gòu)海盜難于抓握和翻越，這便形成了第二道防御；海盜在翻越弧形裝置時不可避免的會觸碰到高壓脈沖電網(wǎng)導(dǎo)線。導(dǎo)線上的高壓脈沖會在不傷性命的同時給與海盜較為痛苦的感受，迫使其放棄登船，這便形成了第三道防御。

以上三道防御措施足以有效的阻止海盜登船，若海盜在觸電后依舊頑強登船，在其觸碰電網(wǎng)的同時，主機(jī)早已向駕駛臺報警，及時向船上工作人員發(fā)出警告，使船員能夠以最快速度采取自救和求救措施。

在安裝此系統(tǒng)的時候，脈沖電壓，脈沖頻率的方法調(diào)節(jié)對企圖登船海盜的電擊力度；可以通過調(diào)節(jié)報警延時和報警電壓的方式避免誤報警。在需要檢修或靠港裝卸貨時，可控制簾片收卷回船舷內(nèi)側(cè)或?qū)⒄紫到y(tǒng)拆下放于船內(nèi)適當(dāng)處所。

5 發(fā)展前景

對于工作人員十分有限的商船來說，進(jìn)一步提高船舶設(shè)備自動化程度和安全程度，是船舶的發(fā)展重要趨勢。同樣的，對于此種高壓脈沖電網(wǎng)來說，如何在減少人工操作的同時，提高其工作能力，這也是一個重要的問題。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，商船上越來越多的設(shè)備開始利用數(shù)字化技術(shù)提高其自動化程度和工作能力。同樣的，我們也可以將高壓脈沖電網(wǎng)通過一定技術(shù)與電腦相連，提高整套設(shè)備的自動化程度。這樣，對于簾片的收放、電網(wǎng)的通電斷電、電網(wǎng)具體參數(shù)的設(shè)置與調(diào)節(jié)、報警信息的處理發(fā)送等操作就可以集中到一處進(jìn)行操作，工作人員只用在電腦上進(jìn)行操作就可以對整套裝置進(jìn)行管理。同樣的，我們還可以利用數(shù)字化平臺技術(shù)將其他的輔助設(shè)備連入此高壓脈沖電網(wǎng)中，使有著不同功能的設(shè)備相互協(xié)助，形成系統(tǒng)。比如，可以利用數(shù)字化平臺將遠(yuǎn)程遙控裝置與高壓脈沖電網(wǎng)相連接，使工作人員僅通過遙控器就可以控制電網(wǎng)的收放和通斷電。

相對于一般商船，大型油輪由于其體積龐大，滿載時干舷較低，所以經(jīng)常成為海盜劫持的目標(biāo)。又由于其運載的油品易燃，使得在大型油船上安裝傳統(tǒng)的高壓電網(wǎng)變得十分危險。而新型高壓脈沖電網(wǎng)不但克服了傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)在安全性上的問題，而且在使用性能上更優(yōu)于傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)，所以在油輪等大型船舶之上安裝此種新型高壓脈沖電網(wǎng)既可以方便的保護(hù)船舶，又不必?fù)?dān)心由于漏電對船舶和人員造成的傷害。

當(dāng)然新型高壓脈沖電網(wǎng)也存在著一定問題。體積過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜便是其中最為主要的兩個問題。由于其體積過大，所以在船舶上難以大量使用此設(shè)備，而只能將其布置在海盜最易登船處，用于局部防御；由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件多，所以在使用中整套設(shè)備發(fā)生故障的概率也就比傳統(tǒng)電網(wǎng)要高，并且制造和裝配也比傳統(tǒng)電網(wǎng)復(fù)雜。這也就造成了此設(shè)備的購買、使用、維護(hù)成本高于傳統(tǒng)電網(wǎng)。

6 結(jié)語

本新型船用防海盜高壓脈沖電網(wǎng)，充分考慮了船舶在海上航行的實際情況，以及海盜登船的具體方法與過程，先后創(chuàng)新并解決了防海盜電網(wǎng)的安全性，電網(wǎng)使用時收放、維護(hù)、修理等問題和難點。本實用新型船用防海盜高壓脈沖電網(wǎng)，能夠?qū)１I起到警示作用，阻礙海盜登船，保證人員和船舶的安全。并能自動收放，方便拆卸，滿足一般商船特別是油船的對防海盜和電網(wǎng)后期管理的要求，為途經(jīng)海盜泛濫航區(qū)的商用船舶，特別是油船提供有效、安全、方便的防海盜設(shè)備和解決方法。

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