毛建輝，邵武豪，韓 毅

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

0 引 言

隨著國家“一帶一路”倡議的提出，以及“建設(shè)海洋強國”“京津冀協(xié)同發(fā)展”“長三角區(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)略的推進實施，沿海港口經(jīng)濟和航運經(jīng)濟將得到快速發(fā)展。航標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。在我國沿海航標中，燈浮標（見圖1）的數(shù)量占到60%以上，而加強對這些燈浮標的維護，提高其運行的正常率，是提升航標保障能力的一個重要方式。

圖1 浮標示意

隨著信息技術(shù)的普及應(yīng)用，航標遙測遙控系統(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)實時監(jiān)控每座航標的位置和工作狀態(tài)，大大提高航標的可靠性、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行航標巡檢維護工作，大大降低航標維護的勞動強度和運營成本，但仍需對有安全隱患或故障的航標進行針對性的現(xiàn)場巡檢維護，包括對燈器、電源等設(shè)備的檢測和更換，對浮標外觀結(jié)構(gòu)的查看和清潔等。

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

1 船舶總體設(shè)計

小型航標船主要負責航標巡檢、維護和保養(yǎng)等工作，應(yīng)適應(yīng)航標作業(yè)環(huán)境，使作業(yè)具有較高的安全性和效率。

小型航標船需經(jīng)常在狹小的航道內(nèi)作業(yè)，因此船長不宜過長，吃水不宜太大，即應(yīng)合理控制船舶的主尺度，使其對作業(yè)水域具有良好的適應(yīng)性。同時，小型航標船需經(jīng)常靠離航標，為提高其作業(yè)效率，應(yīng)使其具有良好的操縱性，因此其動力裝置多采用雙機雙槳型式。對于船舶的快速性而言，為滿足航標快速應(yīng)急維護的需要，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度，降低空船重心高度，減少受風面積，以提高船舶的抗風能力。同時，為滿足航標作業(yè)要求，應(yīng)在船舶甲板上合理布置各種機械作業(yè)設(shè)備，并盡量減小上層建筑的長度，留出足夠的甲板面積，以方便航標作業(yè)。此外，為保障作業(yè)人員的安全，可設(shè)置1套人員落水報警搜救定位系統(tǒng)，實現(xiàn)船上甲板人員邊界落水報警功能。某型主要用于浮標維護的小型航標船的主要參數(shù)為：船長約30m；型寬約6.35m；設(shè)計吃水約1.85m；航速約12.5kn；主機功率約2×239kW；定員10人。

下面主要對為滿足航標維護需要而配置的各種機械作業(yè)設(shè)備進行介紹。

2 浮標夾持裝置

如圖1所示，浮標主體一般為圓柱形，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，則可計算浮標自由縱搖的近似固有頻率nθ為

式(1)中：D為浮標排水量；h為浮標縱穩(wěn)心高；Jyy為浮標轉(zhuǎn)動慣量；ΔJyy為浮標附加轉(zhuǎn)動慣量。

由式(1)可得浮標自由縱搖的近似固有周期Tθ為

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

浮標在靜水中單純作升沉運動時的近似固有周期Tz為

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

根據(jù)式(2)和式(3)對浮標（浮標頂部直徑為2.6m，底部直徑約為2.0m）進行理論計算和模型試驗[2]，可得浮標的縱搖運動固有周期約為3.5s，升沉運動固有周期約為1.8s。此外，通過對浮標在規(guī)則波中的數(shù)值計算結(jié)果[2]進行分析可知：

1) 浮標在波浪中運動的頻率與波浪的運動頻率一致；

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

3) 浮標的隨波性能良好，即當波浪周期遠大于浮標自由升沉運動周期（1.8s）時，浮標升沉運動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，因此浮標的升沉運動幅值（約1.0m）比縱搖運動幅值大。在對浮標進行維護時一般需要航標工人登上浮標，傳統(tǒng)的作業(yè)方式是船靠近浮標的瞬間航標工人跳上浮標進行作業(yè)（見圖4）[3]。

圖4 傳統(tǒng)登標作業(yè)方式

這種傳統(tǒng)跳標作業(yè)方式存在諸多不安全因素，具體如下：

1) 航標船的舷側(cè)靠近浮標，航標工人在舷側(cè)等待時機跳上浮標。由于航標船和浮標在海上都隨波浪搖擺振蕩，升沉運動比較大，且運動頻率不一致，在這種情況下，航標工人需尋找最佳時機跳上浮標，危險性較高，效率較低。

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

3) 在航標維護保養(yǎng)工作完畢之后，航標工人還需在風浪中跳回航標船，安全性較低。

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

綜上所述，傳統(tǒng)跳標作業(yè)方式存在人員作業(yè)安全無保障、勞動強度大、船和浮標的碰撞損傷大、航標維護作業(yè)效率低和質(zhì)量難達標等諸多問題。特別是當風浪較大或北方海區(qū)冬季標體結(jié)冰時，無法開展航標維護保養(yǎng)作業(yè)。

針對上述航標船的工作特點，設(shè)計一種新型航標夾持裝置（見圖5）[4]。該裝置能將浮標捕捉夾持在夾持平臺中，使其與浮標船連成一體，創(chuàng)造一個相對平穩(wěn)的連接橋，使航標工人能直接通過航標夾持裝置從船首登上浮標，顯著提高人員的安全性和作業(yè)效率，徹底解決航標工人跳標作業(yè)的問題，明顯降低航標維護成本（包括人工成本、能源消耗和船舶維護費用等）。

圖5 夾持裝置作業(yè)方式

根據(jù)小型航標船的特點，夾持裝置一般布置在船首。為保護夾持裝置，一般在船舶航行期間將其放置在船體主甲板上，作業(yè)時通過擺動油缸將翻轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)放下，伸出船體，利用2個夾持油缸實現(xiàn)夾持臂夾持浮標動作。為使浮標順利進入夾持鉗內(nèi)，將翻轉(zhuǎn)平臺設(shè)計成“U”形。當船舶接近浮標時，主機停機，利用船舶的慣性使其緩慢對準航標，通過翻轉(zhuǎn)平臺“U”形開口的導(dǎo)向使浮標順利進入夾持臂內(nèi)。2個夾持油缸分別推動2只夾持臂夾持浮標。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，又不損壞浮標。為便于操作，在駕駛室內(nèi)和作業(yè)現(xiàn)場均可操縱夾持裝置動作。

為保證人員安全通行，在匹配浮標的登標位置，翻轉(zhuǎn)平臺工作時需離水面約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個擺動油缸安裝在下沉的主甲板上，與翻轉(zhuǎn)平臺的左右臂連接，實現(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，在計算干舷時應(yīng)進行修正，干舷修正值為

式(4)中：l為開口長度；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，該夾持裝置適用于直徑為φ1800mm和φ2400mm的航標，可滿足目前沿海主要浮標的維護需要。

3 艏部小型吊機

近年來，隨著航標事業(yè)的不斷發(fā)展，大量的新設(shè)備、新材料、新技術(shù)和新能源在航標領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如：太陽能LED（Light Emitting Diode）燈、風光互補LED燈、波光互補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)控平臺在燈浮標上的應(yīng)用，不僅能為燈浮標提供安全防護監(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)。

當在巡檢中發(fā)現(xiàn)這些新設(shè)備、新裝置有損壞時，若能在海上通過吊機進行及時維修更換，而不用更換整座浮標，則能大大提高航標搶修效率。但是，即使是在平靜的海況下，雖然能通過航標夾持裝置將浮標與船連成一體，減小航標的自由運動幅度，但航標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。如在航標船與浮標之間傳遞蓄電池、燈具和作業(yè)工具等比較困難，工作效率比較低。若沒有吊機輔助，維修保養(yǎng)工作一般需4～5個人配合才能完成；若要更換太陽能板（見圖6）或頂標架[3]（見圖7），則需7～8個人配合才能完成。若能在艏部夾持裝置“U”形槽內(nèi)設(shè)置1臺小吊機，用于實現(xiàn)物料的起吊和輔助定位，則可降低航標工人的勞動強度，提高其作業(yè)效率。

圖6 擦拭有臟污的太陽能板

圖7 更換頂標架

此外，當出現(xiàn)沉船和航標效能失常等事故需應(yīng)急響應(yīng)時，若航標船不在事發(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[6]（見圖8），以保證航道安全。待航標船完成其他任務(wù)之后再到事發(fā)地收回應(yīng)急燈浮標，重新布設(shè)鋼質(zhì)的燈浮標。應(yīng)急燈浮標拋設(shè)也需小吊機輔助才能完成。

圖8 復(fù)合材料彈性體應(yīng)急燈浮標

綜上所述，小型航標船可在主甲板艏部“U”形夾持裝置內(nèi)設(shè)置1臺小型吊機[7]，最大吊重不大于1t，跨距約5m，除了用作常規(guī)物料的吊運工具以外，還可進一步在吊臂上加裝機械手，利用其靈活的機械臂輔助開展航標維護作業(yè)[6]。為避免遮擋艏部夾持作業(yè)時的視線，吊機應(yīng)采用折臂式，不工作時收起吊臂。通過對起吊時船舶的浮態(tài)和穩(wěn)性進行核算，考慮起吊重物時船舶的傾側(cè)力矩，船舶作業(yè)時的最大橫傾角約為2.5°；考慮風壓和起吊重物的影響，船舶的穩(wěn)性衡準數(shù)大于3，完全能滿足起重機作業(yè)和中國海事局《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》對起重作業(yè)穩(wěn)性衡準數(shù)大于1的要求。

4 艉部拋石裝置

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

在小型航標船艉部設(shè)置拋石器裝置[7-8]（見圖9），就可完成拋設(shè)單個浮標的任務(wù)。該裝置主要由機架、移動裝置總成和翻板機構(gòu)組成，其原理是：當需拋設(shè)浮標時，先將浮標吊入海中，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相連接，同時將錨鏈放置在甲板上；當船舶航行到浮標拋設(shè)位置時，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，從而完成浮標拋設(shè)。該控制器操作簡便，僅通過操縱4個按鈕即可控制移動裝置的伸出、收回和翻板的打開、收回，在幾十秒內(nèi)就可完成浮標拋設(shè)。通過在小型航標船艉部設(shè)置拋石器裝置，可在沒有大中型航標船的航標站開展應(yīng)急設(shè)標或拋設(shè)少量浮標作業(yè)，充分發(fā)揮小型航標船的作用，提升航標的整體應(yīng)急保障能力。

在開展拋石作業(yè)時，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，通過對小型航標船進行總體設(shè)計并為其配置航標夾持裝置、小型吊機和拋石器裝置，挖掘了該型航標船的作業(yè)潛力，使其成為了集航標巡檢、夾持和拋設(shè)作業(yè)等功能于一體的多功能航標巡檢船。