林海燕 王皓

摘 ?要：為了減少船舶附著物造成的燃油損耗，以及船舶清污帶來的非運營時間增加，提出一種船體水下壁面清污的工作方案。通過對船舶外形的特點、工作環(huán)境、水下壁面附著物特點進(jìn)行分析，對船舶清污機(jī)器人的不同工作模式進(jìn)行對比研究，論證了該方案既能達(dá)到船體水下壁面清污工作的質(zhì)量要求，又能提高船體水下壁面清污工作的效率，為船舶清污機(jī)器人的深入研究提供思路。

關(guān)鍵詞：船體;水下壁面;清污;效率

中圖分類號：U672 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）28-0058-02

Abstract： In order to reduce the fuel loss caused by ship attachment and the increase of non-operating time caused by ship decontamination， a working scheme for cleaning the underwater wall of ship is proposed. Based on the analysis of the characteristics of ship shape， working environment and underwater wall attachment， the different working modes of ship cleaning robot are compared. It is demonstrated that the scheme can not only meet the quality requirements of the hull underwater wall cleaning work， but also improve the efficiency of the hull underwater wall cleaning work， and provide ideas for the further research of the ship cleaning robot.

Keywords： hull; underwater wall; decontamination; efficiency

引言

船舶常年在水中航行，大量海洋生物會附著在船體上，使得船舶運輸?shù)臒o效負(fù)荷增加。此外，船體附著生物和鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌會對船體表面的防護(hù)層產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，導(dǎo)致船體鋼板被強(qiáng)烈腐蝕。為了保證船舶安全航行，延長船舶的使用壽命，船舶需要定期對船塢施行檢查。但這樣會存在船塢不足、修船時間長的問題，進(jìn)而增加了船舶的燃油損耗和非營運時間。所以開展船體水下壁面清污效率的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前國內(nèi)外專家在船體清刷工具和壁面機(jī)器人方面做了大量的研究工作，本文將對船體水下壁面清污的工作方式進(jìn)行研究，以提高船舶水下壁面清污效率。

1 船體水下壁面清污系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計了一種船體水下壁面清污系統(tǒng)，示意圖見圖1。該清污系統(tǒng)由母船控制系統(tǒng)和無人船系統(tǒng)兩部分組成。母船的控制臺裝有數(shù)據(jù)接收器、圖像顯示器、控制器。母船控制系統(tǒng)實時接收、處理和分析無人船系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)并對無人船和機(jī)器人進(jìn)行操作和控制。同時具有顯示采集的實時圖像和數(shù)據(jù)存儲功能。無人船系統(tǒng)包括太陽能發(fā)電裝置、無人船工作站、供電電纜、信號電纜、水下清污機(jī)器人;無人船工作站具有為水下清污機(jī)器人充電和巡檢功能，與水下清污機(jī)器人進(jìn)行有線通信，與母船控制系統(tǒng)進(jìn)行無線通信的功能;水下清污機(jī)器人通過自帶攝像頭所獲得水下船體表面的深度立體圖像、被清除物面積大小和詳細(xì)位置數(shù)據(jù)傳給無人船工作站;無人船工作站通過對水下清污機(jī)器人傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，判斷出水下壁面附著污垢的位置、種類及附著厚度，以及合適的清污工作方式，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳到母船控制臺;母船操作人員觀察水下畫面信息進(jìn)一步確認(rèn)清污工作方式，若操作人員確認(rèn)無人船給出的判斷信息，則無人船會對清污機(jī)器人發(fā)出具體的控制指令;否則操作人員直接發(fā)出具體的清污工作指令。對于需要整體清洗類型采用清污機(jī)器人并聯(lián)的工作方式進(jìn)行清污。對于局部清洗可以采用單獨方式進(jìn)行清污;對于貝殼類污垢由破堅機(jī)器人作業(yè)，前端鉆頭部分可以根據(jù)環(huán)境需要進(jìn)行-90°～+90°旋轉(zhuǎn);而對于海藻類污垢，由切割機(jī)器人作業(yè)。通常采用先破堅后切割的工作方式。

2 水上水下清污結(jié)合對提高水下清污工作效率的作用

船舶按照用途來分，有客運船、普通貨運、集裝箱船、散貨船、油船等，不同類型的船舶其船體具有不同的結(jié)構(gòu)類型，船體外形也各不相同。但大體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

船舶在大海上航行時，船體一部分在海平面以上，另外一部分在海平面以下，分界線對應(yīng)的是設(shè)計水線，最容易被海水侵蝕的船體是設(shè)計水線以下壁面，即船體水下壁面部分。

海水中影響船體腐蝕的海生物可分為三類。一類是細(xì)菌和海藻類，一類是柔軟的海洋生物，第三類是硬質(zhì)海洋動物，如藤壺、貝類等。船舶在海水中航行，各類微有機(jī)體很快附著于船體水下壁面，進(jìn)而微生物繁殖，宏觀生物依附于微生物逐漸成長，船體水下壁面被海藻、軟體生物、貝殼類覆蓋，宏觀生物死亡腐爛處微生物大量繁殖，繼續(xù)附著第二代宏觀生物，其中，貝殼類生物一般附著牢固，當(dāng)?shù)谝淮劳鲋螅渫鈿げ灰酌撀?，第二代則在其硬殼上繼續(xù)繁衍，造成船底附著生物增厚，經(jīng)過幾個繁殖周期，船底附著的生物可達(dá)一定厚度。

根據(jù)附著物種類分析，船體水下壁面清污工作主要需要清除貝殼類，清除海草類，根據(jù)船體壁面保護(hù)的角度，需要進(jìn)行除銹、防腐層修復(fù)。如果清除貝殼類、海藻類、打磨銹跡、防銹修復(fù)四個環(huán)節(jié)都在船塢中進(jìn)行，會存在船塢不足的問題，增加船舶非運營時間，如果四個環(huán)節(jié)都在船舶?？看a頭時水下進(jìn)行，則打磨銹跡的鐵銹會污染海水，并且在水中清除銹跡后不能進(jìn)行防腐層修復(fù)工作，很快會再次產(chǎn)生銹跡。通過對比分析和實地調(diào)研，在水下開展貝殼類、海藻類清除工作，由于水下進(jìn)行附著物清除，船舶進(jìn)港停泊時間都可以讓清污機(jī)器人進(jìn)行附著物清除工作，時間上靈活性高，清理及時，避免船體水下壁面附著物過厚，造成的清理困難。進(jìn)船塢除銹和壁面防腐修復(fù)工作時間相對減少，可以合理安排船期和船塢排期，在保證工作質(zhì)量的同時，有效提高工作效率，延長船舶壽命。

3 機(jī)器視覺的應(yīng)用對提高水下清污工作效率的作用

機(jī)器視覺在水下清污機(jī)器人上的應(yīng)用可以使人們更加清楚地了解船舶水下部分的附著物種類和船體壁面腐蝕程度。比如，清污機(jī)器人在清除貝殼類和海草類附著物的過程中，通過機(jī)器視覺拍攝船體附著物和腐蝕情況，將獲取圖像傳回?zé)o人船工作站，無人船工作站傳回母船控制室，讓管理人員了解船體不同位置附著物和腐蝕情況的差異，總結(jié)經(jīng)驗，進(jìn)行分區(qū)管理，區(qū)分重點清污區(qū)域和非重點清污區(qū)域，確定不同的清污方式和清污時間;了解貝殼類、海藻類生物附著周期，設(shè)置合理的清污周期;了解防腐層破損情況，繪制船體腐蝕情況曲線，結(jié)合船舶航行日程安排及船塢的排期，決定進(jìn)船塢開展打磨銹跡和防腐層修復(fù)工作的時間。合理利用通過機(jī)器視覺獲得的圖像數(shù)據(jù)，在清污時間和清污區(qū)域方面都能有的放矢的開展清污工作，避免了無效、低效清污工作，節(jié)省時間，有效提高工作效率。

4 分層并聯(lián)工作模式對水下清污工作效率的影響

為了提高清污機(jī)器人的工作效率，可將船體水下壁面分為若干層，靠近水面的是上層，靠近船底的是下層，船底為底層，多臺清污機(jī)器人并聯(lián)工作。第一，多臺清污機(jī)器人并聯(lián)工作的情況，完成指定的清污工作，可以成倍的縮短清污時間。第二，由于船體上寬下窄，船體表面附著物造成的船壁凸凹不平，清污機(jī)器人上下往復(fù)越障行走開展清污工作，需要不斷調(diào)整位姿來進(jìn)避免傾覆，而按照上層、下層、底層來分，多個清污機(jī)器人同時在各自水平層繞船體一周或在船底開展清污工作，位姿調(diào)整幅度和頻率明顯減少，機(jī)器人傾覆的可能性大大減少。第三，在船壁的不同水平層海洋污染物附著情況不同，清污方式可能不同，可根據(jù)本層附著物特點設(shè)定通過破堅方式清除貝殼類污染物的時間和通過切割方式清除海藻類污染物的時間。以上三點均可在不同程度上提高清污機(jī)器人的工作效率。

5 結(jié)束語

我國近年來在水下機(jī)器人領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績，為水下機(jī)器人技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。但因為船舶水下清污需要考慮船舶材料、形狀，附著物特點及環(huán)保回收等因素，還要結(jié)實際需要對水下清污機(jī)器人進(jìn)行針對性的研究開發(fā)，在清污機(jī)器人清污方式和工作效率方面有所改進(jìn)。目前，經(jīng)走訪調(diào)研多家船廠，結(jié)果表明水上水下清污結(jié)合、機(jī)器視覺的應(yīng)用、清污機(jī)器人分層并聯(lián)工作方式，均能有效提高船體水下壁面清污工作效率。

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