湯清之，鄔旭東，陳英，歐陽(yáng)梅花

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，海洋綜合科考船需要搭載的科研儀器設(shè)備及相關(guān)的支撐裝備和實(shí)驗(yàn)室數(shù)量都在逐步增加，然而海洋綜合科考船的空間、面積和排水量卻不能無(wú)限制地增加，在有限的空間內(nèi)需要承載盡可能多的科研儀器、支撐裝備,以及實(shí)驗(yàn)室是海洋綜合科考船的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。首先被想到的是科考設(shè)備移動(dòng)裝船，但是這種方法在備航階段需要大量拆裝設(shè)備，并進(jìn)行試驗(yàn)和調(diào)試以確保設(shè)備安全可用，耗時(shí)長(zhǎng)進(jìn)而不利于船時(shí)的有效利用。

為了解決備航時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、裝卸過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題，集裝箱被引入到海洋綜合科考船的裝備體系之中。集裝箱及其固定件是非常標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際通用產(chǎn)品，其提供的空間和強(qiáng)度都要?jiǎng)儆谝话愠休d平臺(tái)，而且其物流和倉(cāng)儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低。引入集裝箱后，一些海洋儀器裝備和實(shí)驗(yàn)室被率先集成到了集裝箱內(nèi)，而后一些大型的支撐設(shè)備也被集成到了標(biāo)準(zhǔn)集裝箱底座上，基于這些移動(dòng)式裝船設(shè)備的接口要素，海洋綜合科考船可以針對(duì)性地預(yù)留一系列標(biāo)準(zhǔn)化的集裝箱固定底座以適應(yīng)不同航次作業(yè)要求下不同位置不同數(shù)量的集裝箱布置，最終形成模塊化的設(shè)計(jì)思路。但是，在近10年模塊化裝備蓬勃發(fā)展的過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，解決這些問(wèn)題并提高模塊化能力成為了科考船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 模塊化裝備的使用情況

1.1 模塊化裝備的分類

一般而言，模塊化裝備可分為3類：艙室類集裝箱、甲板機(jī)械類集裝箱和存儲(chǔ)類集裝箱[1]。艙室類集裝箱主要包括集裝箱化的實(shí)驗(yàn)室、操縱室和工作室等，用于擴(kuò)充本船艙室功能；甲板機(jī)械類集裝箱主要搭載收放系統(tǒng)，在國(guó)外被稱為L(zhǎng)ARS(launch and recovery system)，主要包括集裝箱化的絞車、A架等可執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，比如，在地震作業(yè)時(shí)用于炮纜收放的炮纜絞車；存儲(chǔ)類集裝箱按其存儲(chǔ)對(duì)象又可細(xì)分為科考裝置存儲(chǔ)箱、樣品存儲(chǔ)箱和工具附件存儲(chǔ)箱等。圖1所示為艉部搭載大量模塊化絞車、地震作業(yè)設(shè)備的綜合科考船。

圖1 艉部搭載大量模塊化絞車、地震作業(yè)設(shè)備的綜合科考船[2]

1.2 模塊化裝備優(yōu)勢(shì)

1)提升船舶作業(yè)能力。海洋綜合科考船的作業(yè)能力取決于兩個(gè)方面：①船舶平臺(tái)的技術(shù)水平；②所搭載的科考設(shè)備的數(shù)量與質(zhì)量。前者是船舶建成之后就已經(jīng)定型了，而后者在引入模塊化概念之后可以利用集裝箱底座移動(dòng)搭載絕大多數(shù)科考設(shè)備，在某個(gè)航次內(nèi)提升該航次的作業(yè)能力。比如，海水中金屬濃度非常低，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中要測(cè)得海水中金屬的真實(shí)濃度比較困難，獲取這種海水的取樣作業(yè)稱為痕量金屬海水取樣，在取樣過(guò)程中為了避免污染樣品，往往會(huì)采用無(wú)金屬物質(zhì)來(lái)包裹鋼絲繩。隨著科技進(jìn)步，目前的專業(yè)痕量金屬絞車不但配置了非金屬鎧裝的纜繩，絞車的滾筒和兩側(cè)法蘭等和纜繩接觸的部位也被非金屬材料所包裹，這類絞車的造價(jià)較高、使用頻次低，但發(fā)揮的功能又是無(wú)可替代的，所以一般會(huì)被設(shè)計(jì)成模塊化裝船，提升船舶痕量金屬海水取樣的能力。

2)提高船舶作業(yè)效率。對(duì)于科考船的宏觀運(yùn)營(yíng)而言，1年中用于實(shí)際作業(yè)的時(shí)間為年度有效船時(shí)?？瓶即?年中的主要用時(shí)除了在碼頭停泊修整之外還包括航次準(zhǔn)備時(shí)間、航渡時(shí)間、作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間和作業(yè)時(shí)間，這其中真正產(chǎn)生價(jià)值的是作業(yè)時(shí)間，所以統(tǒng)計(jì)1年中的作業(yè)時(shí)間是具備實(shí)際意義的，兩艘功能接近的科考船中年度有效船時(shí)高的科考船，說(shuō)明其宏觀的作業(yè)效率也更高。只要任務(wù)飽滿，科考船在碼頭停泊修整的時(shí)間是可以盡可能壓縮的，從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，能夠壓縮航次準(zhǔn)備時(shí)間、航渡時(shí)間和作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間并延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間是比較有意義的。

3)保持裝備先進(jìn)性。科考設(shè)備的更新速度遠(yuǎn)快于船體技術(shù)的更新速度，縱觀20～30年前的科考船船體技術(shù)并不十分落后，很多船型經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證具備很好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。但是20～30年前的科考設(shè)備在當(dāng)今時(shí)代里已不具備很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力了，當(dāng)時(shí)建造的很多船舶都或多或少地進(jìn)行了現(xiàn)代化改造，通過(guò)安裝新型科考設(shè)備的方式來(lái)保持競(jìng)爭(zhēng)力。類似“雪龍”號(hào)這樣的老式科考船其實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室功能、實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)形式和布置地位等方面存在先天不足，實(shí)驗(yàn)室全部是固定的，內(nèi)部設(shè)備無(wú)法更換，嚴(yán)重制約了該船的科考能力的發(fā)揮[3]，但是通過(guò)搭載現(xiàn)代化的模塊化實(shí)驗(yàn)室可以快速地將“雪龍”號(hào)的實(shí)驗(yàn)室能力提升到與目前先進(jìn)科考船接近的水平。

1.3 模塊化裝備裝船的局限性

1)模塊化裝備周轉(zhuǎn)困難。隨著模塊化裝備的品類逐漸增多，導(dǎo)致海洋綜合科考船出現(xiàn)一個(gè)航次承接多個(gè)考察任務(wù)的現(xiàn)象也非常普遍，科考船上局限的空間與數(shù)量日益增多的模塊化裝備之間出現(xiàn)了矛盾。從空間上講，有些甲板機(jī)械類集裝箱裝載深海絞車，需和艉部A架或者舷側(cè)收放設(shè)備配合使用，安裝位置是有要求、受限制的；有些艙室類集裝箱承擔(dān)實(shí)驗(yàn)室功能，比較合理的布置是與科考船原有的實(shí)驗(yàn)室相連，布置位置合理與否直接影響科學(xué)家的工作效率。有些模塊化裝備在整個(gè)航次期間是持續(xù)工作的，有些模塊化裝備在航次期間工作的時(shí)間僅占一部分，剩余時(shí)間是閑置的。因此，為了提高海洋綜合科考船的使用效率，在有限空間內(nèi)合理周轉(zhuǎn)模塊化裝備，將需要工作的設(shè)備在需要工作的時(shí)間放置在最合理位置，將閑置裝備移至他處成為了目前階段海洋綜合科考船亟需完善的一項(xiàng)能力。

2)模塊化裝備與母船的對(duì)接。在模塊化裝備發(fā)展的萌芽期，艙室類集裝箱都是以孤立的個(gè)體出現(xiàn)，母船給集裝箱提供了系固條件，但也僅能保證集裝箱與母船之間的安全系固。隨著時(shí)代的發(fā)展，母船開始可以給集裝箱提供電力、網(wǎng)絡(luò)和上下水的接口等，因此目前許多艙室類集裝箱都開始扮演特殊實(shí)驗(yàn)室的角色，科學(xué)家和樣品也就需要頻繁進(jìn)出，大量孤立系固于甲板上的集裝箱實(shí)驗(yàn)室因?yàn)榕c母船實(shí)驗(yàn)室不相連，科學(xué)家和樣品需要經(jīng)過(guò)室外暴露環(huán)境進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室，已顯然不能滿足使用需求，這一點(diǎn)在高海況和極地高寒環(huán)境下顯得尤為突出。

3)模塊化裝備載荷限制的突破。隨著海上作業(yè)能力的提升，集裝箱搭載的甲板機(jī)械負(fù)載也逐步提高，而由于集裝箱箱腳均為ISO標(biāo)準(zhǔn)件，其安全工作負(fù)荷(SWL)是受限的，一般為正向拉力不大于250 kN，水平切向力不大于210 kN，一旦甲板機(jī)械的拉力值超出了箱腳的受力上限，就會(huì)出現(xiàn)安全事故。目前大量使用的萬(wàn)米鋼絲繩絞車，纜繩拉力不會(huì)低于200 kN，許多絞車的拉力甚至超過(guò)300 kN，再考慮到海上作業(yè)的船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，單純依靠標(biāo)準(zhǔn)化的ISO集裝箱系固系統(tǒng)已經(jīng)制約了模塊化甲板機(jī)械的纜繩拉力值，也就限制了這些甲板機(jī)械的工作能力無(wú)法支撐水下更深、更重的設(shè)備。

2 提升模塊化能力的方案

2.1 轉(zhuǎn)運(yùn)的高效化

考慮到單航次下模塊化裝備搭載數(shù)量日益增多，在執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)，單航次的集裝箱搭載數(shù)量可能達(dá)到數(shù)十個(gè)之多，如果全部在甲板面上搭載勢(shì)必沒有足夠的空間，也不利于集裝箱展開工作。所以，部分科考船已經(jīng)開始考慮增設(shè)集裝箱艙供周轉(zhuǎn)模塊化裝備，高效轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱需要一套艙外轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和一套艙內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)來(lái)完成。

對(duì)于艙內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，集裝箱艙又可分為單層集裝箱艙和多層集裝箱艙，對(duì)于單層集裝箱艙而言，層高會(huì)比較緊張，可以使用地面形式的轉(zhuǎn)運(yùn)，比如，托盤車；對(duì)于多層集裝箱艙，由于除了需要水平轉(zhuǎn)運(yùn)還需要垂直轉(zhuǎn)運(yùn)，所以托盤車不合適，可以單獨(dú)采用行車的方式來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)，也可以采用行車轉(zhuǎn)運(yùn)與托盤車轉(zhuǎn)運(yùn)相結(jié)合的方式[4]。

對(duì)于艙外轉(zhuǎn)運(yùn)，海洋綜合科考船可以參考集裝箱船的做法，采用海工型克令吊將集裝箱吊出集裝箱艙，也可以在上層空間有遮蓋的情況下配置專用行車來(lái)吊運(yùn)出艙。由于海洋綜合科考船的甲板面空間寶貴，可能無(wú)法在集裝箱艙正上方開出全開口艙蓋，那么艙內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)就需要先轉(zhuǎn)運(yùn)至小艙蓋開口之下，再依靠克令吊和行車來(lái)逐個(gè)吊出集裝箱。當(dāng)集裝箱數(shù)量過(guò)多時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)輔助堆棧、理貨。圖2所示為采用行車、托盤車和克令吊組合轉(zhuǎn)運(yùn)的方案。

圖2 采用行車、托盤車和克令吊組合轉(zhuǎn)運(yùn)的方案

2.2 艙室的對(duì)接化

承擔(dān)著實(shí)驗(yàn)室功能的艙室類集裝箱，需要與母船船體直接實(shí)現(xiàn)對(duì)接，這樣科學(xué)家可以進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室而不必暴露于室外環(huán)境。目前國(guó)外有些科考船采用有限遮蔽的對(duì)接方案，在布置位置上使集裝箱實(shí)驗(yàn)室與主船體挨在一起，在接縫位置設(shè)置一圈橡膠起到形式上的密封，但實(shí)際上接縫處仍然存在漏風(fēng)漏雨的可能。

國(guó)內(nèi)目前有更優(yōu)的解決方案，在橡膠密封條內(nèi)設(shè)置充氣裝置，可以在集裝箱落位后對(duì)橡膠充氣進(jìn)一步壓緊集裝箱與艙室之間的縫隙，保證一定程度的密性[5]。隨著模塊化裝備數(shù)量的增多，密封裝置的充氣操作也不可能都由人工來(lái)完成，因此在未來(lái)模塊化裝備形成一定規(guī)模后，對(duì)接裝置的充氣應(yīng)當(dāng)配有遙測(cè)壓力表并通過(guò)程序關(guān)聯(lián)充氣閥門的啟閉，使得密封圈內(nèi)的氣壓式中保持在合理范圍內(nèi)。

2.3 系固的多元化

模塊化裝備與海洋綜合科考船之間的系固長(zhǎng)期以來(lái)依托的是ISO標(biāo)準(zhǔn)化的集裝箱緊固件，但是這類緊固件的安全工作負(fù)荷是固定的，對(duì)于超出這個(gè)負(fù)荷就需要定制專門的緊固件。從實(shí)際使用角度出發(fā)，模塊化裝備中出現(xiàn)重載的概率比較低，且使用場(chǎng)合是可以預(yù)先設(shè)計(jì)的，所以在可能用到重載集裝箱的位置，除了配置原先的ISO標(biāo)準(zhǔn)化的集裝箱緊固底腳，還可以在集裝箱底邊外側(cè)設(shè)置嵌入式法蘭板，見圖3。

圖3 嵌入式法蘭板

嵌入式法蘭板與甲板完成面齊平，預(yù)攻一定數(shù)量的螺孔，在搭載重載集裝箱的時(shí)候利用L形連接板和螺栓將集裝箱和嵌入式法蘭板連接，可以在ISO集裝箱緊固底腳的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加固集裝箱與船體之間的連接強(qiáng)度。

實(shí)際科考船作業(yè)期間，除了面臨大負(fù)荷的重載模塊，其實(shí)還有一些小體積、小負(fù)荷的輕載模塊，這些模塊如果安裝在集裝箱內(nèi)就需要占用整個(gè)20 ft集裝箱的面積，非常浪費(fèi)甲板面面積。所以在新建的海洋綜合科考船作業(yè)甲板上會(huì)新增矩陣式的地腳螺栓座，在使用時(shí)將設(shè)備底腳通過(guò)螺栓固定到地腳螺栓座之上即可，螺栓座之間的間距一般在600～800 mm之間，可以兼容非常小的設(shè)備。在安裝大型設(shè)備時(shí)，這些地腳螺栓座還可以和嵌入式法蘭板一樣對(duì)模塊化裝備的系固進(jìn)行補(bǔ)充,見圖4。

圖4 嵌入式法蘭板和地腳螺栓示意

2.4 功能的集成化

未來(lái)若干年，無(wú)人裝備將朝著集群化的方向發(fā)展。目前許多水下和空中的無(wú)人裝備需要船上配置完善的保養(yǎng)體系，以無(wú)人機(jī)為例，以油為動(dòng)力的無(wú)人機(jī)需要加油而以電為動(dòng)力的無(wú)人機(jī)需要充電，其次還需要對(duì)無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷進(jìn)行更換和設(shè)定，某些固定翼無(wú)人機(jī)還需要特殊的裝置進(jìn)行回收，如果僅搭載1～2架無(wú)人機(jī)還能兼顧，一旦搭載機(jī)群出航上述這些工作都超出了科考船設(shè)計(jì)之初規(guī)劃的空間和功能。未來(lái)的模塊化裝備必然會(huì)走上集投放目標(biāo)(如無(wú)人機(jī))、保障系統(tǒng)(如加油系統(tǒng))、操控系統(tǒng)、收放系統(tǒng)和存儲(chǔ)功能于一體的道路，這樣既可以減輕科考船基礎(chǔ)硬件的建設(shè)工作量，又可以充分利用集裝箱的每一寸空間。此外，功能集成化程度越高，那么需散裝上船的設(shè)備就越少，占用的碼頭搭載時(shí)長(zhǎng)就越短，對(duì)船舶全年的作業(yè)效率提高也是有益的。

2.5 模塊的共享化

由于海洋科考裝備在下一階段必然要走國(guó)產(chǎn)化的道路，但是將來(lái)的海洋科考裝備的技術(shù)含量勢(shì)必會(huì)非常高，研發(fā)成本會(huì)占到最初幾臺(tái)設(shè)備采購(gòu)價(jià)格的很大一部分，而且很多科考裝備在某個(gè)單位完成某些課題之后就被束之高閣，其裝備的使用率也不高，整體上產(chǎn)生了投資浪費(fèi)。如果在裝備研發(fā)之初就由幾個(gè)執(zhí)行海洋同類調(diào)查任務(wù)的單位合資采購(gòu)或者研發(fā)國(guó)產(chǎn)化的科考裝備，然后產(chǎn)品以模塊化的形式裝船，并且可以在這幾個(gè)單位之間流通共享，分別搭載到不同的船舶上，及分?jǐn)偭搜b備采購(gòu)成本，又提升了科考裝備的利用率。

即使是現(xiàn)存的模塊化科考設(shè)備，隨著將來(lái)作業(yè)任務(wù)的逐漸飽滿，各個(gè)單位之間的合作也會(huì)更為緊密，各個(gè)涉?？蒲袉挝粚⒏嗟刎?fù)責(zé)管理船舶，人員和模塊化裝備會(huì)在單位之間充分流動(dòng)，也形成了一種共享生態(tài)。美國(guó)海洋科考的大型海洋裝備管理就是采用三層體系架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將大型海洋裝備(比如載人潛水器)的使用權(quán)、管理權(quán)和所有權(quán)分離，便于管理。圖5為美國(guó)大型海洋裝備的3層架構(gòu)管理體系，模塊化的科考裝備可以作為借鑒。

圖5 美國(guó)大型裝備管理體系[6]

2.6 裝備的智能化

裝備的智能化和模塊的共享化是緊密關(guān)聯(lián)的，當(dāng)實(shí)現(xiàn)模塊共享化之后模塊的所有者并不一定是其所搭載的船舶的所有者，在沒有構(gòu)建智能化平臺(tái)之前這兩者是割裂的，但模塊的所有者和船舶的所有者都需要了解模塊的工作狀態(tài)，模塊的所有者還需要知道模塊所處的位置和航次作業(yè)計(jì)劃，以便規(guī)劃后續(xù)模塊的出租或者使用。因此，模塊化裝備應(yīng)該從集裝箱框架+科考裝備的組合向集裝箱框架+科考裝備+網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組合過(guò)渡，利用船岸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，保證岸上基地可以實(shí)時(shí)獲得模塊化科考負(fù)載的作業(yè)情況。

近年來(lái)，已交付使用的深遠(yuǎn)海綜合科考船均具備較好的數(shù)據(jù)開放接口和通信基礎(chǔ)條件，船舶系統(tǒng)有安全、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)中心及集中控制室，通信系統(tǒng)有ONU模塊及光纖主干網(wǎng)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、虛擬云桌面系統(tǒng)等，可以提供優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、高效、安全的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)資源保障，并具有較優(yōu)異的基于網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)化系統(tǒng)集成條件和管理控制能力[7]。在具備以上條件的情況下，只需要在模塊化裝備中內(nèi)嵌一套軟件，將裝備本身的運(yùn)行數(shù)據(jù)(如絞車的纜長(zhǎng)、纜速、張力等)和船舶位置信息打包以某種格式發(fā)回岸上，岸上基地可利用軟件解析數(shù)據(jù)之后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該模塊的狀況。

3 結(jié)論

隨著船東對(duì)船舶作業(yè)效率、作業(yè)能力要求的不斷提升，船東對(duì)科考船的管理將逐漸從單船管理向船隊(duì)管理轉(zhuǎn)變，從針對(duì)船舶的管理向針對(duì)船舶、人員和裝備的多元化管理轉(zhuǎn)變，模塊化設(shè)計(jì)理念將會(huì)始終貫穿其中。而這其中當(dāng)務(wù)之急就是提高海洋綜合科考船的模塊化能力。

最近10年，我國(guó)先后交付了一批現(xiàn)代化的新型海洋綜合科考船，在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了模塊化裝備預(yù)留數(shù)量不夠、集裝箱周轉(zhuǎn)困難、人員進(jìn)出集裝箱不方便、普通集裝箱承載大負(fù)荷絞車強(qiáng)度不夠等問(wèn)題。本文給出的方案很大程度解決了模塊化裝備使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，使模塊化裝備在海洋綜合科考船上的使用效率大幅提高，也使得原先無(wú)法適配的一些模塊化裝備可以成功裝船，這些經(jīng)驗(yàn)可以為新一代海洋綜合科考船及其模塊化裝備的設(shè)計(jì)提供借鑒。而由于船載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷升級(jí)，可以預(yù)見將來(lái)模塊化裝備智能化的發(fā)展?jié)摿ψ顬榫薮?，?yīng)當(dāng)成為新一代科考船先進(jìn)性的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。