摘" " 要：本文以智能型無(wú)人系統(tǒng)母船為研究對(duì)象，分析研究了智能無(wú)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(guò)采用減搖裝置提高船舶耐波性能和采用DP動(dòng)力系統(tǒng)提高其操縱性能等技術(shù)措施，實(shí)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(wú)人裝備；耐波性能

中圖分類號(hào)：U664.12 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)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(guó)內(nèi)首艘無(wú)人系統(tǒng)裝備集群搭載科考母船，具有功能先進(jìn)、通訊密集、智能化等技術(shù)特點(diǎn)。該船主要的作業(yè)海域?yàn)槟虾＃虾：Ｓ虻暮r條件基本在四級(jí)海況及以上，船上搭載的無(wú)人系統(tǒng)裝備有空、海、潛不同規(guī)格型號(hào)，各種裝備對(duì)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(wú)人裝備的裝船技術(shù)需求。在四級(jí)海況下，該船可漂泊連續(xù)調(diào)查作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)兩套無(wú)人裝備同時(shí)回收；在五級(jí)海況下，可進(jìn)行無(wú)人系統(tǒng)的應(yīng)急回收；在七級(jí)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(wú)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(dòng)力系統(tǒng)提高操縱性能等技術(shù)措施，實(shí)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(wú)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(cè)繪、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，可搭載轉(zhuǎn)運(yùn)及布放多種類、批量化空、海、潛立體探測(cè)無(wú)人系統(tǒng)，開展跨域協(xié)同的智能快速機(jī)動(dòng)海洋立體觀測(cè)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(shí)現(xiàn)在惡劣、危險(xiǎn)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(wú)人裝備在智能型支持母船上搭載和快速布放回收，以及無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇、無(wú)人潛器等無(wú)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(jí)海況下，船舶能滿足漂泊連續(xù)調(diào)查作業(yè)要求，可以實(shí)現(xiàn)兩套無(wú)人裝備的同時(shí)回收；

2）在五級(jí)海況下，船舶能滿足無(wú)人系統(tǒng)的應(yīng)急回收；

3）動(dòng)力定位具備在6級(jí)風(fēng)、1節(jié)流、4 級(jí)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(guò)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(dòng)態(tài)感、未來(lái)感和科技感。

基于該船所搭載的無(wú)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(duì)船舶總體布置和推進(jìn)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(wú)人機(jī)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(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(wú)人裝備的存放位置等措施。同時(shí)配置兩臺(tái)全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)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(dòng)力定位裝置，實(shí)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(tái)甲板。上層建筑內(nèi)設(shè)置30名人員操縱、試驗(yàn)所需的工作、生活艙室和設(shè)施。此外，在無(wú)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(wú)人系統(tǒng)、岸基中心進(jìn)行有效信息傳輸；起居甲板尾部設(shè)置無(wú)人機(jī)飛行甲板、無(wú)人機(jī)儲(chǔ)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(tái)直臂回轉(zhuǎn)吊，右舷設(shè)有一臺(tái)液壓伸縮折臂吊、舷側(cè)登乘平臺(tái)、舷側(cè)A型吊架、尾部A型吊架等收放設(shè)施；平臺(tái)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(kù)、機(jī)艙、機(jī)電集控室、主配電室、輔助設(shè)備艙、絞車艙、無(wú)人艇儲(chǔ)藏艙、推進(jìn)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(shí)搭載空中無(wú)人裝備、水面無(wú)人裝備和水下無(wú)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(wú)人系統(tǒng)設(shè)備，其作業(yè)模式主要有物理海洋、海洋測(cè)繪、海上風(fēng)電運(yùn)維檢測(cè)、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(cè)繪模式下無(wú)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(guò)對(duì)不同的甲板存放空間進(jìn)行劃分，再按需求面積逐步逐層進(jìn)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(wú)人裝備的特點(diǎn)展開布置分析。

無(wú)人機(jī)設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)要求高，平時(shí)應(yīng)儲(chǔ)存在遮蔽艙室內(nèi)，同時(shí)靠近起降平臺(tái)。

無(wú)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(yùn)設(shè)備及儲(chǔ)藏室設(shè)置進(jìn)行布置。

對(duì)于大型無(wú)人裝備，除了考慮其布置和作業(yè)面積外，還應(yīng)考慮其對(duì)船舶重心和穩(wěn)性的影響，如，可潛無(wú)人艇重達(dá)11噸，布置位置對(duì)船舶的重心、橫搖縱搖等，均會(huì)產(chǎn)生較大影響，故可潛無(wú)人艇不宜布置過(guò)高，布置位置最好在船中附近，能有效減小對(duì)船舶重心和穩(wěn)性的影響。其他無(wú)人艇也應(yīng)盡量對(duì)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(wú)人機(jī)飛行甲板區(qū)

在起居甲板尾部設(shè)置可用于無(wú)人機(jī)起降的飛行甲板，左舷起降平臺(tái)面積約17 m2，右舷起降平臺(tái)面積約25 m2，垂直升降范圍內(nèi)沒(méi)有障礙物遮擋。在起降平臺(tái)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(wú)人機(jī)儲(chǔ)藏操作間，面積約20 m2，用于無(wú)人機(jī)的組裝和維護(hù)。

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(wú)人系統(tǒng)和大型及重型臨時(shí)裝備。尾作業(yè)甲板具有同時(shí)固定存放6個(gè)20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的箱位。主甲板設(shè)置2根轉(zhuǎn)運(yùn)鋼軌，從主甲板尾部至作業(yè)甲板首部的無(wú)人系統(tǒng)設(shè)備維修區(qū)。主甲板下的無(wú)人艇儲(chǔ)藏艙內(nèi)。

主甲板尾部安裝一臺(tái)A型吊架，用于大型無(wú)人艇及其他特殊無(wú)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(gè)尺寸約7 500 mm×2 500 mm的液壓水密大艙蓋，用于無(wú)人艇的進(jìn)艙存儲(chǔ)。主甲板下設(shè)置無(wú)人艇儲(chǔ)藏艙，面積約94 m2，并設(shè)有轉(zhuǎn)運(yùn)軌道，用于對(duì)無(wú)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(wú)障礙的左右舷作業(yè)區(qū)域，適用于無(wú)人艇、無(wú)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(jī)，主甲板右舷安裝一臺(tái)舷側(cè)A型吊架、一臺(tái)液壓伸縮折臂吊機(jī)，用于無(wú)人系統(tǒng)的布放回收及在甲板面的轉(zhuǎn)運(yùn)。在主甲板右舷安裝有舷側(cè)登乘平臺(tái)，可用于批量化微型裝備的布放回收作業(yè)。

4" " 平臺(tái)作業(yè)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

為保證在各種海況下對(duì)無(wú)人設(shè)備進(jìn)行批量化布放回收以及運(yùn)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(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)度大于1.3倍波長(zhǎng)，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(jì)資料，工作水域波長(zhǎng)在0～66 m 的波浪累計(jì)概率約為80%。為保證較好的耐波性，水線長(zhǎng)約為85 m。

采用切片理論對(duì)該船耐波性計(jì)算預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)內(nèi)容包括在短峰海浪中垂蕩、橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)的位移有義單幅值，相關(guān)參數(shù)如下。

1）預(yù)報(bào)工況

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

在五級(jí)海況下，船舶能滿足無(wú)人系統(tǒng)的應(yīng)急回收。

分別計(jì)算尾部A型吊架吊點(diǎn)（A點(diǎn)）、右舷吊機(jī)位置（B點(diǎn)）、左舷回收裝置（C點(diǎn)）、右舷小A吊架吊點(diǎn)（D點(diǎn)）等計(jì)算點(diǎn)相對(duì)水面的運(yùn)動(dòng)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(jì)算采用ITTC推薦的短峰海浪譜，各海浪等級(jí)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(jì)資料，具體取值如表5。

4）計(jì)算結(jié)果

（1）基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)報(bào)

浪向角180°為頂浪、90°為右橫浪、0°為隨浪。當(dāng)海況為4、5級(jí)，航速為0 kn、8 kn、12 kn和18 kn時(shí)，分別對(duì)A、B、C、D點(diǎn)的垂蕩、橫搖、縱搖相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義單幅值進(jìn)行計(jì)算。表6所示為12 kn航速時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算值。

（2）橫搖周期

根據(jù)《國(guó)際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2014）計(jì)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(jìn)一步改善船舶的耐波性，該船中部安裝有一對(duì)不可收放式減搖鰭，單鰭面積約為3.5 m2。在橫浪中航行時(shí)，四級(jí)海況下以13kn 航速航行時(shí)，減搖裝置啟動(dòng)后，減搖效果不低于45%，五級(jí)海況下以18 kn航速航行時(shí)，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(dòng)力定位能力

無(wú)人系統(tǒng)作業(yè)要求該船具備較好的操縱性能和機(jī)動(dòng)性能，回轉(zhuǎn)直徑不大于5倍船長(zhǎng)，并且具備在 6級(jí)風(fēng)、1節(jié)流、4級(jí)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(tái)全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)器，船艏配備1臺(tái)側(cè)向推進(jìn)器，各推進(jìn)器的安裝位置如圖6所示，性能參數(shù)如表8。

動(dòng)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(dá)方式對(duì)6級(jí)風(fēng)（風(fēng)速27 kn）、1節(jié)流、4級(jí)海況（有義波高≤2.0 m）等條件下的推力使用率進(jìn)行計(jì)算預(yù)報(bào)，結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)耐波性能和動(dòng)力定位預(yù)報(bào)結(jié)果（如圖7和表9），該船在4級(jí)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(shí)現(xiàn)兩套無(wú)人裝備的同時(shí)回收；在5級(jí)海況，滿足收放作業(yè)設(shè)備應(yīng)急回收的需求。

5" " 結(jié)語(yǔ)

該智能型無(wú)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(xiàng)性能指標(biāo)、各種無(wú)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(dá)到技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

該船為全球首艘具有遠(yuǎn)程遙控和開闊水域自主航行功能，協(xié)同進(jìn)行深、海、潛等多方位作業(yè)的智能型無(wú)人系統(tǒng)母船?！爸楹Ｔ啤钡捻樌桓?，體現(xiàn)了我國(guó)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(guó)海洋科考全面進(jìn)軍深遠(yuǎn)海的新模式。