馬全黨 ，劉佳佳 ，胡 義 ，劉 森 ，蘇 昂

（1.武漢理工大學(xué) 航運學(xué)院，武漢430063；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢430063）

目前，全球客船旅游市場快速發(fā)展，客船旅游市場占有量一直以8.6%左右的速度增長，客船數(shù)量也在不斷增加。但由于近年來全球環(huán)境惡化，龍卷風(fēng)、強對流天氣等氣象災(zāi)害頻發(fā)且難以預(yù)測，內(nèi)河客船傾覆事故頻發(fā)[1-3]，這逐漸引起人們對其運行安全問題的高度關(guān)注。因此針對內(nèi)河客船瞬時傾覆問題，實現(xiàn)對客船的姿態(tài)預(yù)判斷與應(yīng)急防瞬時傾覆是十分必要的。現(xiàn)階段如何減緩船舶傾覆速度，為應(yīng)急救援爭取更多的時間，成為了提高內(nèi)河客船安全性、促進客船旅游業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要問題。

1 防瞬時傾覆系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者均開展了關(guān)于減緩船舶傾覆問題的研究[4-8]，這些裝置雖然具有防傾覆效果，但均根據(jù)經(jīng)驗判斷來控制，且成型較慢，難以滿足緊急情況下系統(tǒng)迅速生效的應(yīng)急需求和復(fù)雜多變的水上環(huán)境，歸納研究方法，大致有以下幾種，如表1所示。

表1 船舶防傾覆的方法及比較Tab.1 Method and comparison of ship capsizing

基于已有的研究，結(jié)合客船本身特性，本文設(shè)計了一種基于MEMS器件的內(nèi)河客船應(yīng)急氣囊系統(tǒng)。首先基于MEMS技術(shù)的高性能三維姿態(tài)傳感器可實時獲取船舶漂浮姿態(tài)，經(jīng)姿態(tài)解算，可獲取船舶橫傾角、角速度與角加速度，結(jié)合卡爾曼濾波算法和以姿態(tài)傳感器測量值為輸入值的預(yù)測系統(tǒng)，設(shè)計內(nèi)河客船應(yīng)急氣囊系統(tǒng)；然后以橫傾為例，分析船舶在外加載荷作用下，控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間，實驗表明該系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，可為氣囊釋放提供數(shù)據(jù)支持。此外采用DFBI模型，對船體傾覆進行了數(shù)值模擬，實時監(jiān)控船體受力，在運動穩(wěn)定后得出船體的航行姿態(tài)及相應(yīng)數(shù)據(jù)。仿真表明氣囊具有顯著的防瞬時傾覆的作用。

2 船舶姿態(tài)監(jiān)測

2.1 船舶姿態(tài)預(yù)測模型

船舶在內(nèi)河中的運動與船舶在海洋中的運動大有不同，內(nèi)河中受突風(fēng)吹襲產(chǎn)生的波浪較小，經(jīng)統(tǒng)計側(cè)翻等致命事故主要由橫搖導(dǎo)致，故本文建立橫搖預(yù)測模型，其傳遞函數(shù)為

式中：Y（s）、X（s）分別為輸入象函數(shù)與輸出象函數(shù)。

船舶受突風(fēng)作用產(chǎn)生橫搖，由船舶原理[9]可知，該作用的慣性矩、回復(fù)矩以及阻尼矩的合成與船舶所受總力矩—擾動力矩相等，其表達式為

式中：MG、MH、MZ分別為船舶的慣性矩、回復(fù)矩以及阻尼矩；MBG、MBH、MBZ分別為由于波浪影響而產(chǎn)生的慣性擾動力矩、回復(fù)擾動力矩以及阻尼擾動力矩。求解式（2），可得到船舶橫搖的傳遞模型為

式中：θ（s）、αθ（s）分別為輸入傾角與橫搖傾角；ωθ、ξθ分別為無阻尼自振角頻率與阻尼比。

為了預(yù)測算法的研究，將式（3）轉(zhuǎn)化為空間狀態(tài)模型：

預(yù)測算法為卡爾曼濾波算法[10]，該遞推算法適用于線性、離散和有限維系統(tǒng)，并以動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，該方法已有相關(guān)的學(xué)者進行研究，本文不再贅述，通過卡爾曼濾波算法預(yù)測出船舶的運動信息，為氣囊的釋放提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 姿態(tài)傳感器工作原理與安裝

在本文描述中，主要由主控制芯片、三軸陀螺儀和傾角傳感器構(gòu)成姿態(tài)傳感器。其工作原理主要為主控制芯片首先采集三軸陀螺儀和傾角傳感器的原始數(shù)據(jù)[11]，而其具體的姿態(tài)角度信息將由2個傳感器的數(shù)據(jù)綜合分析得出。根據(jù)實際應(yīng)用要求，盡可能采取2種傳感器的優(yōu)點，以載體的運動速度為判別依據(jù)，來更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。當(dāng)測量系統(tǒng)單獨運行時，為了給預(yù)測模型數(shù)據(jù)提供一定的數(shù)據(jù)支撐，系統(tǒng)將通過采集傳感器的數(shù)據(jù)直接進行誤差補償來輸出姿態(tài)角度。姿態(tài)傳感器工作原理如圖1所示。

圖1 姿態(tài)傳感器工作原理Fig.1 Principle of attitude sensor

本文采用在船舶的艏、舯、艉3個區(qū)域的中線面上分別安裝1個姿態(tài)傳感器的方案。多個傳感器協(xié)同工作可有效防止安裝位置松動、船體碰撞、擠壓后骨材或板材變形導(dǎo)致安裝部位扭曲、貨物或人員碰觸等情況下，船舶未發(fā)生橫傾而某個傳感器捕捉橫傾角度，誤測船舶發(fā)生橫傾等情況。利用實船進行試驗獲得輸出的信號時差最大時傳感器的間距，進行傳感器的布設(shè)。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文研究并設(shè)計了一種基于MEMS的內(nèi)河客船應(yīng)急氣囊系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由船舶姿態(tài)預(yù)判斷模塊、信號處理模塊、應(yīng)急控制模塊三大部分組成。其中船舶姿態(tài)預(yù)判斷模塊由姿態(tài)傳感器、數(shù)據(jù)采集卡組成，信號處理模塊使用微型處理器，應(yīng)急控制控制模塊主要由氣體發(fā)生器以及氣囊組成。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of overall system

姿態(tài)傳感器選用基于MEMS技術(shù)的高性能三維運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的GY9250-MPU9250型，通過內(nèi)嵌的低功耗ARM處理器輸出校準(zhǔn)過的角速度、加速度及磁數(shù)據(jù)等運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，將信息存儲于LMSSCADAS III數(shù)據(jù)采集端，為船舶姿態(tài)預(yù)判斷做好準(zhǔn)備。該數(shù)據(jù)采集端具有16通道，每通道最高采集頻率為 204.8 kHz，量程 PQA：（±62.5 mV～±10 V）、PQMA：（±10 mV～±25 V）、PQCA：（±5 pc～±51200 pc），采樣帶寬：（16位∑Δ、92 kHz）。數(shù)據(jù)采集前端與微型處理器連接，微型處理器實時對信號進行分析處理，若船體出現(xiàn)橫傾趨勢，應(yīng)急模塊觸發(fā)氣體發(fā)生器，氣囊釋放。

3.1 氣囊設(shè)計與布置

在船體外殼設(shè)計專門的凹槽放置固定氣體發(fā)生器，凹槽設(shè)計為喇叭狀開口。氣囊分為主體部分和連接部分。平時，連接部分反折、主體部分環(huán)形折疊，存放于凹槽并加以飾蓋，充氣后可沖破飾蓋；成型后，連接部分與凹槽內(nèi)壁完全貼合，減小應(yīng)力；主體部分近似圓柱體，為船體提供恢復(fù)力矩。

本文所研究的基礎(chǔ)是將氣囊安裝在主甲板層，氣囊安裝位置設(shè)計在重心以上高度；氣囊結(jié)構(gòu)類比蜂窩的六邊形，結(jié)合汽車安全氣囊的設(shè)計[12]，船用氣囊的結(jié)構(gòu)采用多氣室設(shè)計。

3.2 應(yīng)急處理系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)利用STM32單片機，基于MEMS的姿態(tài)傳感器，實時獲取船舶運動姿態(tài)，根據(jù)基于姿態(tài)解算的氣囊釋放預(yù)判斷算法來編寫程序。當(dāng)船舶出現(xiàn)橫傾且橫傾角度達到進水角時，并預(yù)測船舶具有繼續(xù)傾覆橫傾的運動，自動觸發(fā)點火裝置，主甲板氣囊在0.5～2 s釋放?？刂品椒鞒倘鐖D3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程Fig.3 Flow chart of system working principle

3.3 系統(tǒng)試驗

為進一步論證研究成果，需對試驗船舶進行試驗。因直接在實船上進行試驗危險系數(shù)較大且成本高昂，純模擬又不能為研究成果提供確切的論證，所以采用半物理仿真方法進行試驗，其不僅能夠有效降低試驗成本，還可以顯著縮短設(shè)備的研發(fā)周期，仿真采用的船體基本信息如表2所示。該方法利用計算機對船舶的橫搖狀態(tài)進行模擬，用于測量參數(shù)的一系列傳感器、芯片等設(shè)備采用實體，有效保證了試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表2 試驗船舶參數(shù)Tab.2 Experimental ship parameter

船舶橫搖預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測的橫搖角度誤差的均值僅為0.2065 rad，當(dāng)船舶橫傾至進水角時，且船舶具有繼續(xù)運動的加速度，主甲板層氣囊瞬間釋放。

角速度誤差的均值僅為0.0226%，可見該預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，可為氣囊釋放控制提供有效的數(shù)據(jù)支持。

3.4 氣囊效果仿真

運用STARCCM+軟件，采用重疊網(wǎng)格方法，建立各重疊網(wǎng)格間的耦合關(guān)系，為各區(qū)域流場計算提供邊界信息的傳遞服務(wù)；采用DFBI模型，對船體傾覆進行了數(shù)值模擬，將船舶縮小25倍，在6.5～20 s時間段內(nèi)，通過對船體施加60 N·m的力矩，模擬客船運動。對模型1（未安裝氣囊）、模型2（安裝氣囊）進行數(shù)值模擬，實時監(jiān)控船體受力，在運動穩(wěn)定后得出船體的航行姿態(tài)及相應(yīng)數(shù)據(jù)。提取2種工況下船舶運動的位移、力矩以及轉(zhuǎn)角等相關(guān)參數(shù)。

經(jīng)過對比分析船舶重心相對于水平面的位移（圖 4），在外加約束作用 5.3 s后（即 11.46 s），無氣囊的模型位移瞬間增大，船舶開始下沉，故氣囊的合理布設(shè)可提高船舶抗沉性。

圖4 位移對比Fig.4 Comparison diagram of displacement

經(jīng)過對比分析船舶傾斜角度（圖5），在即將傾覆時，模型1在氣囊所提供的恢復(fù)力矩的作用下傾角未超過進水角。模型2在外加約束作用5.3 s后，達到并超過進水角，船舶穩(wěn)性喪失，發(fā)生傾覆。故氣囊的合理布設(shè)可提高船舶穩(wěn)定性。

圖5 轉(zhuǎn)角對比Fig.5 Comparison diagram of dip angle

4 結(jié)語

本文利用自動控制技術(shù)較好地解決了船舶瞬時傾覆的問題，基于MEMS的內(nèi)河客船應(yīng)急氣囊系統(tǒng)，不僅能提高船舶的抗翻沉能力，還對船舶的安全性提出了新的提高途徑；系統(tǒng)對提高客船的安全性能、保障人員的生命安全以及促進客輪旅游業(yè)的發(fā)展具有較大的推廣價值與應(yīng)用前景。為了將本應(yīng)急處理系統(tǒng)更好地運用在船舶上，今后還應(yīng)在提高姿態(tài)預(yù)判斷精確度與處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性2個方面深入地開展試驗研究工作。

[1]王新勝，劉大剛.客滾船“遼旅渡7”沉沒事故案例分析[J].航海技術(shù)，2006（6）：2-5.

[2]“東方之星”號客輪翻沉事件調(diào)查報告公布[J].消防界：電子版，2016（1）：43-46.

[3]四川廣元白龍湖庫區(qū)“6·4”游船翻船事故應(yīng)急處置工作情況[J].中國應(yīng)急管理，2016（6）：65-66.

[4]Thompson JT.Designing against capsize in Beam Seas：recent advances and new insights.ASME.Appl.Mech.Rev.1997，50（5）：307-325.

[5]宋志鵬，戴武會，邊疆，等.氣脹式附加浮體抑制自卸砂船翻沉的應(yīng)用[J].船海工程，2015，44（1）：78-82.

[6]曹林沖，李孟玲，陳雙.船舶抗沉氣囊裝置專利[P].中國實用新型專利：CN202642053U，2013-01-02.

[7]楊慶勇.船舶自動應(yīng)急抗沉減搖防傾覆裝置[D].大連：大連海事大學(xué)，2000.

[8]張奧，李嘉宸，趙良林，等.一種船舶緩沉裝置專利[P].中國實用新型專利，CN203714161U，2014-07-16.

[9]賀沅平，危衛(wèi)，顧兆林.龍卷風(fēng)風(fēng)場下水面船舶傾覆的力學(xué)機理研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2016，50（5）：120-124.

[10]余倩，鄧星橋.一種基于實時預(yù)測算法的船舶姿態(tài)控制器設(shè)計[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016，38（9）：49-51.

[11]金鴻章，王帆，綦志剛.小型便攜式船舶姿態(tài)測量系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學(xué)報，2008，29（7）：1548-1553.

[12]鐘志華，楊濟匡.汽車安全氣囊技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國機械工程，2000，11（2）：234-237.