毛建輝，邵武豪，韓 毅

（1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2. 北海航海保障中心青島航標(biāo)處，山東 青島 266011）

0 引 言

隨著國(guó)家“一帶一路”倡議的提出，以及“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”“京津冀協(xié)同發(fā)展”“長(zhǎng)三角區(qū)域一體化發(fā)展”和“粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃”等戰(zhàn)略的推進(jìn)實(shí)施，沿海港口經(jīng)濟(jì)和航運(yùn)經(jīng)濟(jì)將得到快速發(fā)展。航標(biāo)作為海上安全保障體系的重要組成部分，是保障海上交通安全、高效、暢通不可或缺的重要設(shè)施。在我國(guó)沿海航標(biāo)中，燈浮標(biāo)（見圖1）的數(shù)量占到60%以上，而加強(qiáng)對(duì)這些燈浮標(biāo)的維護(hù)，提高其運(yùn)行的正常率，是提升航標(biāo)保障能力的一個(gè)重要方式。

圖1 浮標(biāo)示意

隨著信息技術(shù)的普及應(yīng)用，航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)逐步投入使用，每天可通過終端反饋系統(tǒng)的電流、電壓和位置等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控每座航標(biāo)的位置和工作狀態(tài)，大大提高航標(biāo)的可靠性、可用性和助航效能。這些措施雖然能避免每月大面積盲目地進(jìn)行航標(biāo)巡檢維護(hù)工作，大大降低航標(biāo)維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)營(yíng)成本，但仍需對(duì)有安全隱患或故障的航標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)巡檢維護(hù)，包括對(duì)燈器、電源等設(shè)備的檢測(cè)和更換，對(duì)浮標(biāo)外觀結(jié)構(gòu)的查看和清潔等。

目前用于航標(biāo)作業(yè)的航標(biāo)船主要有大型、中型和小型等3種，其中：大型和中型航標(biāo)船一般主要承擔(dān)航標(biāo)布設(shè)、撤除、復(fù)位和正常更換任務(wù)；小型航標(biāo)船主要承擔(dān)航標(biāo)日常巡檢、維護(hù)和保養(yǎng)等任務(wù)[1]。當(dāng)前我國(guó)各海區(qū)的航標(biāo)數(shù)量多、分布廣，維護(hù)保養(yǎng)工作量大，而主要負(fù)責(zé)航標(biāo)維護(hù)的小型航標(biāo)船普遍配備不足。隨著航標(biāo)的數(shù)量不斷增加，以及船舶對(duì)航標(biāo)助航服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，航標(biāo)維護(hù)需求提高與小型航標(biāo)船配置不足的矛盾越來越突出。對(duì)此，本文主要對(duì)如何提高小型航標(biāo)船的作業(yè)效率和如何根據(jù)航標(biāo)作業(yè)需求配置作業(yè)設(shè)備等內(nèi)容進(jìn)行分析，供相關(guān)決策者參考。

1 船舶總體設(shè)計(jì)

小型航標(biāo)船主要負(fù)責(zé)航標(biāo)巡檢、維護(hù)和保養(yǎng)等工作，應(yīng)適應(yīng)航標(biāo)作業(yè)環(huán)境，使作業(yè)具有較高的安全性和效率。

小型航標(biāo)船需經(jīng)常在狹小的航道內(nèi)作業(yè)，因此船長(zhǎng)不宜過長(zhǎng)，吃水不宜太大，即應(yīng)合理控制船舶的主尺度，使其對(duì)作業(yè)水域具有良好的適應(yīng)性。同時(shí)，小型航標(biāo)船需經(jīng)?？侩x航標(biāo)，為提高其作業(yè)效率，應(yīng)使其具有良好的操縱性，因此其動(dòng)力裝置多采用雙機(jī)雙槳型式。對(duì)于船舶的快速性而言，為滿足航標(biāo)快速應(yīng)急維護(hù)的需要，船舶應(yīng)具有一定的航速，因此應(yīng)綜合考慮小型航標(biāo)船的主尺度、總布置和航速之間的關(guān)系，盡可能地提高其航速。此外，為提高船舶的適航性，在滿足人員生活和工作需求的條件下，盡量減小上層建筑的長(zhǎng)度，降低空船重心高度，減少受風(fēng)面積，以提高船舶的抗風(fēng)能力。同時(shí)，為滿足航標(biāo)作業(yè)要求，應(yīng)在船舶甲板上合理布置各種機(jī)械作業(yè)設(shè)備，并盡量減小上層建筑的長(zhǎng)度，留出足夠的甲板面積，以方便航標(biāo)作業(yè)。此外，為保障作業(yè)人員的安全，可設(shè)置1套人員落水報(bào)警搜救定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船上甲板人員邊界落水報(bào)警功能。某型主要用于浮標(biāo)維護(hù)的小型航標(biāo)船的主要參數(shù)為：船長(zhǎng)約30m；型寬約6.35m；設(shè)計(jì)吃水約1.85m；航速約12.5kn；主機(jī)功率約2×239kW；定員10人。

下面主要對(duì)為滿足航標(biāo)維護(hù)需要而配置的各種機(jī)械作業(yè)設(shè)備進(jìn)行介紹。

2 浮標(biāo)夾持裝置

如圖1所示，浮標(biāo)主體一般為圓柱形，因此其在水中的橫搖特性與縱搖特性一致。假設(shè)浮標(biāo)在靜水中自由縱搖，忽略其阻尼力矩，只考慮其慣性力矩和復(fù)原力矩，則可計(jì)算浮標(biāo)自由縱搖的近似固有頻率nθ為

式(1)中：D為浮標(biāo)排水量；h為浮標(biāo)縱穩(wěn)心高；Jyy為浮標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ΔJyy為浮標(biāo)附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由式(1)可得浮標(biāo)自由縱搖的近似固有周期Tθ為

由式(2)可知，浮標(biāo)在做小角度縱搖時(shí)，其縱搖固有周期與縱搖角的大小和持續(xù)時(shí)間無關(guān)，僅取決于浮標(biāo)的排水量、縱穩(wěn)心高和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

浮標(biāo)在靜水中單純作升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)的近似固有周期Tz為

式(3)中：D為浮標(biāo)排水量；g為重力加速度；mz為浮標(biāo)附加質(zhì)量；Aw為浮標(biāo)水線面面積。

根據(jù)式(2)和式(3)對(duì)浮標(biāo)（浮標(biāo)頂部直徑為2.6m，底部直徑約為2.0m）進(jìn)行理論計(jì)算和模型試驗(yàn)[2]，可得浮標(biāo)的縱搖運(yùn)動(dòng)固有周期約為3.5s，升沉運(yùn)動(dòng)固有周期約為1.8s。此外，通過對(duì)浮標(biāo)在規(guī)則波中的數(shù)值計(jì)算結(jié)果[2]進(jìn)行分析可知：

1) 浮標(biāo)在波浪中運(yùn)動(dòng)的頻率與波浪的運(yùn)動(dòng)頻率一致；

2) 浮標(biāo)在波浪低頻區(qū)的縱搖幅值較小，在波浪高頻區(qū)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，在波浪共振區(qū)（3.5s）附近的響應(yīng)非常大，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子（RAO）曲線見圖2；

3) 浮標(biāo)的隨波性能良好，即當(dāng)波浪周期遠(yuǎn)大于浮標(biāo)自由升沉運(yùn)動(dòng)周期（1.8s）時(shí)，浮標(biāo)升沉運(yùn)動(dòng)的幅值等于波浪的幅值，升沉RAO曲線見圖3。

圖2 縱搖RAO曲線

圖3 升沉RAO曲線

此外，由圖2和圖3可知，由于波浪周期一般不小于4s，因此浮標(biāo)的升沉運(yùn)動(dòng)幅值（約1.0m）比縱搖運(yùn)動(dòng)幅值大。在對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行維護(hù)時(shí)一般需要航標(biāo)工人登上浮標(biāo)，傳統(tǒng)的作業(yè)方式是船靠近浮標(biāo)的瞬間航標(biāo)工人跳上浮標(biāo)進(jìn)行作業(yè)（見圖4）[3]。

圖4 傳統(tǒng)登標(biāo)作業(yè)方式

這種傳統(tǒng)跳標(biāo)作業(yè)方式存在諸多不安全因素，具體如下：

1) 航標(biāo)船的舷側(cè)靠近浮標(biāo)，航標(biāo)工人在舷側(cè)等待時(shí)機(jī)跳上浮標(biāo)。由于航標(biāo)船和浮標(biāo)在海上都隨波浪搖擺振蕩，升沉運(yùn)動(dòng)比較大，且運(yùn)動(dòng)頻率不一致，在這種情況下，航標(biāo)工人需尋找最佳時(shí)機(jī)跳上浮標(biāo)，危險(xiǎn)性較高，效率較低。

2) 當(dāng)航標(biāo)工人跳上劇烈運(yùn)動(dòng)的浮標(biāo)之后，雖然其身上系有安全帶，但仍需用1只手緊緊抓住浮標(biāo)架才能保持身體平衡，只能用1只手開展工作，同時(shí)需克服“暈標(biāo)”問題。在這種惡劣的工作條件下，維護(hù)保養(yǎng)的效率和質(zhì)量都難以得到保證。

3) 在航標(biāo)維護(hù)保養(yǎng)工作完畢之后，航標(biāo)工人還需在風(fēng)浪中跳回航標(biāo)船，安全性較低。

4) 在航標(biāo)船靠泊浮標(biāo)過程中，在海浪作用下不可避免地會(huì)出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，因此航標(biāo)船靠標(biāo)的部位經(jīng)常被磕碰得凹凸不平，甚至破損。

綜上所述，傳統(tǒng)跳標(biāo)作業(yè)方式存在人員作業(yè)安全無保障、勞動(dòng)強(qiáng)度大、船和浮標(biāo)的碰撞損傷大、航標(biāo)維護(hù)作業(yè)效率低和質(zhì)量難達(dá)標(biāo)等諸多問題。特別是當(dāng)風(fēng)浪較大或北方海區(qū)冬季標(biāo)體結(jié)冰時(shí)，無法開展航標(biāo)維護(hù)保養(yǎng)作業(yè)。

針對(duì)上述航標(biāo)船的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型航標(biāo)夾持裝置（見圖5）[4]。該裝置能將浮標(biāo)捕捉夾持在夾持平臺(tái)中，使其與浮標(biāo)船連成一體，創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的連接橋，使航標(biāo)工人能直接通過航標(biāo)夾持裝置從船首登上浮標(biāo)，顯著提高人員的安全性和作業(yè)效率，徹底解決航標(biāo)工人跳標(biāo)作業(yè)的問題，明顯降低航標(biāo)維護(hù)成本（包括人工成本、能源消耗和船舶維護(hù)費(fèi)用等）。

圖5 夾持裝置作業(yè)方式

根據(jù)小型航標(biāo)船的特點(diǎn)，夾持裝置一般布置在船首。為保護(hù)夾持裝置，一般在船舶航行期間將其放置在船體主甲板上，作業(yè)時(shí)通過擺動(dòng)油缸將翻轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)放下，伸出船體，利用2個(gè)夾持油缸實(shí)現(xiàn)夾持臂夾持浮標(biāo)動(dòng)作。為使浮標(biāo)順利進(jìn)入夾持鉗內(nèi)，將翻轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)成“U”形。當(dāng)船舶接近浮標(biāo)時(shí)，主機(jī)停機(jī)，利用船舶的慣性使其緩慢對(duì)準(zhǔn)航標(biāo)，通過翻轉(zhuǎn)平臺(tái)“U”形開口的導(dǎo)向使浮標(biāo)順利進(jìn)入夾持臂內(nèi)。2個(gè)夾持油缸分別推動(dòng)2只夾持臂夾持浮標(biāo)。油缸的推力和行程均需設(shè)置在一定范圍內(nèi)，既能保證夾持住浮標(biāo)，又不損壞浮標(biāo)。為便于操作，在駕駛室內(nèi)和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)均可操縱夾持裝置動(dòng)作。

為保證人員安全通行，在匹配浮標(biāo)的登標(biāo)位置，翻轉(zhuǎn)平臺(tái)工作時(shí)需離水面約100 mm。因此，夾持裝置在船上一般采用甲板下沉的方式安裝，2個(gè)擺動(dòng)油缸安裝在下沉的主甲板上，與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的左右臂連接，實(shí)現(xiàn)同步翻轉(zhuǎn)。在夾持裝置翻轉(zhuǎn)位置，舷墻需開口，但為防止船舶航行時(shí)甲板上浪，需在該處設(shè)置防浪門。由于主甲板艏部有凹槽，在計(jì)算干舷時(shí)應(yīng)進(jìn)行修正，干舷修正值為

式(4)中：l為開口長(zhǎng)度；b為開口寬度；dr為開口高度；A0.85D為0.85D處水線面面積。

根據(jù)“U”形開口大小，為保證夾緊浮標(biāo)，該夾持裝置適用于直徑為φ1800mm和φ2400mm的航標(biāo)，可滿足目前沿海主要浮標(biāo)的維護(hù)需要。

3 艏部小型吊機(jī)

近年來，隨著航標(biāo)事業(yè)的不斷發(fā)展，大量的新設(shè)備、新材料、新技術(shù)和新能源在航標(biāo)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如：太陽能LED（Light Emitting Diode）燈、風(fēng)光互補(bǔ)LED燈、波光互補(bǔ)LED燈和利用海流力發(fā)電的LED燈等綠色能源裝置[5]及智能監(jiān)控平臺(tái)在燈浮標(biāo)上的應(yīng)用，不僅能為燈浮標(biāo)提供安全防護(hù)監(jiān)控功能，而且能為未來建立水上智能監(jiān)管體系和水上智能導(dǎo)航系統(tǒng)等打下良好的基礎(chǔ)。

當(dāng)在巡檢中發(fā)現(xiàn)這些新設(shè)備、新裝置有損壞時(shí)，若能在海上通過吊機(jī)進(jìn)行及時(shí)維修更換，而不用更換整座浮標(biāo)，則能大大提高航標(biāo)搶修效率。但是，即使是在平靜的海況下，雖然能通過航標(biāo)夾持裝置將浮標(biāo)與船連成一體，減小航標(biāo)的自由運(yùn)動(dòng)幅度，但航標(biāo)工人穿著救生衣在狹小的空間內(nèi)開展檢修保養(yǎng)工作仍比較困難。如在航標(biāo)船與浮標(biāo)之間傳遞蓄電池、燈具和作業(yè)工具等比較困難，工作效率比較低。若沒有吊機(jī)輔助，維修保養(yǎng)工作一般需4～5個(gè)人配合才能完成；若要更換太陽能板（見圖6）或頂標(biāo)架[3]（見圖7），則需7～8個(gè)人配合才能完成。若能在艏部夾持裝置“U”形槽內(nèi)設(shè)置1臺(tái)小吊機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)物料的起吊和輔助定位，則可降低航標(biāo)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高其作業(yè)效率。

圖6 擦拭有臟污的太陽能板

圖7 更換頂標(biāo)架

此外，當(dāng)出現(xiàn)沉船和航標(biāo)效能失常等事故需應(yīng)急響應(yīng)時(shí)，若航標(biāo)船不在事發(fā)海域，或正在執(zhí)行其他任務(wù)，一般可先拋設(shè)質(zhì)量較輕的復(fù)合材料彈性體應(yīng)急燈浮標(biāo)[6]（見圖8），以保證航道安全。待航標(biāo)船完成其他任務(wù)之后再到事發(fā)地收回應(yīng)急燈浮標(biāo)，重新布設(shè)鋼質(zhì)的燈浮標(biāo)。應(yīng)急燈浮標(biāo)拋設(shè)也需小吊機(jī)輔助才能完成。

圖8 復(fù)合材料彈性體應(yīng)急燈浮標(biāo)

綜上所述，小型航標(biāo)船可在主甲板艏部“U”形夾持裝置內(nèi)設(shè)置1臺(tái)小型吊機(jī)[7]，最大吊重不大于1t，跨距約5m，除了用作常規(guī)物料的吊運(yùn)工具以外，還可進(jìn)一步在吊臂上加裝機(jī)械手，利用其靈活的機(jī)械臂輔助開展航標(biāo)維護(hù)作業(yè)[6]。為避免遮擋艏部夾持作業(yè)時(shí)的視線，吊機(jī)應(yīng)采用折臂式，不工作時(shí)收起吊臂。通過對(duì)起吊時(shí)船舶的浮態(tài)和穩(wěn)性進(jìn)行核算，考慮起吊重物時(shí)船舶的傾側(cè)力矩，船舶作業(yè)時(shí)的最大橫傾角約為2.5°；考慮風(fēng)壓和起吊重物的影響，船舶的穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)大于3，完全能滿足起重機(jī)作業(yè)和中國(guó)海事局《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》對(duì)起重作業(yè)穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)大于1的要求。

4 艉部拋石裝置

在航標(biāo)維護(hù)管理過程中，經(jīng)常會(huì)遇到臨時(shí)拋設(shè)單個(gè)浮標(biāo)的情況，由于航標(biāo)的體積大、重量重，拋設(shè)較為困難，常規(guī)做法是派大中型航標(biāo)船完成。航標(biāo)站一般不配置大中型航標(biāo)船，需從其他地方調(diào)配，不僅耗時(shí)比較長(zhǎng)，而且能耗較多，成本比較高。中型航標(biāo)船的主機(jī)功率一般約為1900kW，小型航標(biāo)船的主機(jī)功率一般約為700kW，因此中型航標(biāo)船航行期間每小時(shí)的油耗量是小型航標(biāo)船的2.7倍，加上調(diào)遣中型航標(biāo)船需航行的距離較長(zhǎng)，若能用小型航標(biāo)船拋設(shè)單個(gè)浮標(biāo)，節(jié)能效果將非常顯著。

在小型航標(biāo)船艉部設(shè)置拋石器裝置[7-8]（見圖9），就可完成拋設(shè)單個(gè)浮標(biāo)的任務(wù)。該裝置主要由機(jī)架、移動(dòng)裝置總成和翻板機(jī)構(gòu)組成，其原理是：當(dāng)需拋設(shè)浮標(biāo)時(shí)，先將浮標(biāo)吊入海中，系固在船尾帶纜樁上；將沉石放在拋石器的翻板上，并用錨鏈將其與浮標(biāo)相連接，同時(shí)將錨鏈放置在甲板上；當(dāng)船舶航行到浮標(biāo)拋設(shè)位置時(shí)，通過拋石器控制器將翻板和沉石推出船外并打開翻板，沉石連同錨鏈一同拋落水中，從而完成浮標(biāo)拋設(shè)。該控制器操作簡(jiǎn)便，僅通過操縱4個(gè)按鈕即可控制移動(dòng)裝置的伸出、收回和翻板的打開、收回，在幾十秒內(nèi)就可完成浮標(biāo)拋設(shè)。通過在小型航標(biāo)船艉部設(shè)置拋石器裝置，可在沒有大中型航標(biāo)船的航標(biāo)站開展應(yīng)急設(shè)標(biāo)或拋設(shè)少量浮標(biāo)作業(yè)，充分發(fā)揮小型航標(biāo)船的作用，提升航標(biāo)的整體應(yīng)急保障能力。

在開展拋石作業(yè)時(shí)，由于船舶甲板上集中堆放了沉石（6t）和錨鏈（2.5t），船舶的浮態(tài)和穩(wěn)性會(huì)發(fā)生改變。經(jīng)初步估算，船舶艉傾增加約0.4m，初穩(wěn)心高降低約0.1m，仍能滿足船舶穩(wěn)性要求。

5 結(jié) 語

圖9 拋石器裝置

綜上所述，通過對(duì)小型航標(biāo)船進(jìn)行總體設(shè)計(jì)并為其配置航標(biāo)夾持裝置、小型吊機(jī)和拋石器裝置，挖掘了該型航標(biāo)船的作業(yè)潛力，使其成為了集航標(biāo)巡檢、夾持和拋設(shè)作業(yè)等功能于一體的多功能航標(biāo)巡檢船。