張 聰 金良安 王 涌(.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì)大連608)(.海軍大連艦艇學(xué)院航海系大連608)
艦船走錨報(bào)警技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望?
張 聰1金良安2王 涌2
(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì)大連116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院航海系大連116018)
走錨嚴(yán)重威脅艦船的錨泊安全,對其盡早準(zhǔn)確報(bào)警至關(guān)重要。綜述了艦船現(xiàn)有的兩大類走錨報(bào)警技術(shù)及其在準(zhǔn)確性、及時性、工程化應(yīng)用等方面的主要不足,進(jìn)而針對性提出基于錨系統(tǒng)加速度變化、錨鏈振動特征變化的走錨報(bào)警新思路,并分析了其良好的可行性。研究結(jié)果對艦船走錨問題的解決,具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
艦船;走錨報(bào)警;加速度;振動特征
ClassNumber U675.92
走錨是指錨泊艦船受到的錨鏈張力大于錨抓力時,錨被拖動、自轉(zhuǎn)甚至錨爪翻轉(zhuǎn)出土從而無法起到固定的作用,導(dǎo)致艦船在海中連續(xù)移動的現(xiàn)象[1]。艦船一旦發(fā)生走錨,如果錨泊值更人員未能及時發(fā)現(xiàn)和采取有效措施,極易引發(fā)碰撞、擱淺、觸礁等事故[2~3],嚴(yán)重威脅艦船安全。錨泊艦船都有發(fā)生走錨的潛在風(fēng)險(xiǎn),為了保證錨泊安全,發(fā)展艦船走錨報(bào)警技術(shù)成為一項(xiàng)非常重要和迫切的工作。走錨的原因主要包括兩方面,一是艦船受到大風(fēng)、急流、波浪等各種外力綜合作用,二是由于錨地水深或底質(zhì)不合適、拋錨方式不當(dāng)、出鏈長度不足等造成的錨抓力不足[4]。根據(jù)上述原因和走錨過程的典型物理特征變化,國內(nèi)外學(xué)者從艦船受力分析和艦船狀態(tài)檢測等方面對艦船走錨報(bào)警進(jìn)行了相關(guān)研究,為及時發(fā)現(xiàn)走錨現(xiàn)象提供了參考。
本文將對艦船主要的走錨報(bào)警技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié),并分析其存在的主要不足,進(jìn)而針對性提出艦船走錨報(bào)警技術(shù)發(fā)展的新思路。
艦船在錨泊中要承受風(fēng)、浪、流等對其的沖擊力,沖擊力作用在錨鏈上體現(xiàn)為張力,當(dāng)錨鏈的水平張力大于錨抓力時,艦船就可能會發(fā)生走錨現(xiàn)象。因此,通過對錨鏈水平張力和錨抓力的實(shí)時獲取和對比,可以監(jiān)控艦船是否走錨[5]。近幾年,許多學(xué)者將走錨報(bào)警的研究重點(diǎn)放到這種思路上,并發(fā)展出基于艦船受力計(jì)算和艦船受力測量兩種方法。
2.1 基于艦船受力計(jì)算的走錨報(bào)警
基于艦船受力計(jì)算的方法應(yīng)用艦船操縱基本方程[6],得到錨泊船的運(yùn)動方程[7],在此基礎(chǔ)上,采用已有的水動力模型、流壓力模型、風(fēng)壓力模型、波浪力模型、錨鏈力模型和錨抓力模型,得到有關(guān)力和力矩的計(jì)算方程,并與運(yùn)動方程聯(lián)立,得到常微分方程組,根據(jù)船型參數(shù)、測定的風(fēng)、浪、流等要素、水深和底質(zhì)數(shù)據(jù)以及艦船的運(yùn)動參數(shù)初值,求解當(dāng)前艦船的運(yùn)動參數(shù),進(jìn)而計(jì)算錨鏈的水平張力和錨抓力,進(jìn)行受力比較,判斷是否走錨。運(yùn)動方程的形式通常如下:
式中,m、mx、my為艦船質(zhì)量及沿x、y軸方向的附加質(zhì)量;Izz、Jzz為艦船對垂直軸的慣性矩及附加質(zhì)量矩;u、v、r為艦船對于靜水的縱向、橫向速度及繞重心G的旋轉(zhuǎn)角速度;ú、v、r為相應(yīng)于u、v、r的角加速度;方程右邊下標(biāo)H、W、C、D、T的對應(yīng)項(xiàng)分別表示主船體、風(fēng)、流、浪、錨鏈等的外力及外力矩。
一些學(xué)者通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的理論正確性,惠子剛[8]利用運(yùn)動方程對艦船偏蕩運(yùn)動、走錨與偏蕩共存和走錨漂移三個狀態(tài)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了仿真,孫大銘[5]、Okazaki[9]、Yu Lu[10]等采用不同的力學(xué)模型,通過實(shí)船數(shù)據(jù)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所采用力學(xué)模型可以重現(xiàn)相對應(yīng)艦船的走錨情形。
2.2 基于艦船受力測量的走錨報(bào)警
基于艦船受力測量的方法是利用拉壓力傳感器直接測量錨鏈張力,并與錨抓力進(jìn)行比較。當(dāng)錨鏈水平張力大于錨抓力時,錨可能會被拖動,發(fā)出走錨預(yù)警信號,走錨的瞬間,錨爪離底,錨抓力會突降,錨鏈的張力也隨之突降,此時發(fā)出走錨報(bào)警信號。廖河樹[11]基于此方法提出通過在止鏈器與錨鏈孔之間的甲板上安裝測力機(jī)構(gòu)測定錨鏈的張力,從而求得錨鏈水平張力,然后根據(jù)錨型、錨重、鏈長和底質(zhì)等計(jì)算錨抓力,進(jìn)而進(jìn)行比較。劉芳貴[12]提出利用傳感器測量錨鏈張力的應(yīng)變信息,根據(jù)應(yīng)變力變化頻率或幅值來判斷是否走錨。當(dāng)錨爪抓牢海底,未出現(xiàn)走錨時,錨鏈承受的應(yīng)變力頻率較低,幅值較高。當(dāng)艦船走錨時,錨在海底拖動,錨鏈承受應(yīng)變力的頻率較高,幅值較低。杜宇[13]通過有限元分析研究了無助錨鏈橫向變形與軸向受力之間的線形關(guān)系,進(jìn)而針對深海結(jié)果測量環(huán)境的特殊要求,設(shè)計(jì)了利用LVDT(線性可變差動變壓器)作為傳感器元件的錨鏈張力計(jì),通過驗(yàn)證試驗(yàn)證明了其可行性。
2.3 基于艦船受力分析的走錨報(bào)警技術(shù)主要不足
基于艦船受力計(jì)算的方法使用的模型參數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求得,模型的準(zhǔn)確性和適用性不強(qiáng),錨的抓力與錨型、底質(zhì)、錨爪嵌入海底的程度等因素有關(guān)[14],拋錨后,錨抓力也很難準(zhǔn)確確定,影響對結(jié)果的分析?;谂灤芰y量的方法存在測量難度大的問題,隨錨拋入海底的檢測設(shè)備和信號傳送電路制造安裝比較困難,強(qiáng)度和可靠性較差。
艦船由正常錨泊變?yōu)樽咤^的過程中,錨鏈的水平張力會逐漸增大至大于錨抓力,力的變化會引起艦船和錨系統(tǒng)的物理特征發(fā)生變化,基于此,一些學(xué)者提出基于艦船位置變化、艦船運(yùn)動狀態(tài)和錨系統(tǒng)狀態(tài)檢測等走錨報(bào)警技術(shù)。
3.1 基于艦船位置變化的走錨報(bào)警
利用定位信息判斷艦船是否走錨是現(xiàn)今采用的主要方法之一,也是較為科學(xué)的方法。錨位正常時,船位應(yīng)在以錨位為圓心,出鏈長度和船長之和為半徑的錨位圓內(nèi),如果船位超出錨位圓則可能發(fā)生了走錨。應(yīng)用此方法時需要測定錨位和計(jì)算安全警戒半徑,錨位通常由拋錨時的船位確定[15],測定船位可以利用雷達(dá)定位、GPS定位或陸標(biāo)定位等。針對在大量程狀態(tài)下觀測船位精度相對較低的情況,薛仕中[16]提出了一種將雷達(dá)MAPS功能與錨位圓確定方法相結(jié)合的應(yīng)用方法,該方法利用雷達(dá)MAPS功能或等效功能將錨位圓繪制在雷達(dá)綜合態(tài)勢圖中,可以很直觀地看出船位此時是否在錨位圓內(nèi)。隨著電子海圖與信息顯示系統(tǒng)(Electronic Chart Display and Information System,ECDIS)在艦船上的普及,何慶華[17]提出利用ECDIS判斷艦船是否走錨,通過將衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取的船位實(shí)時疊加顯示在電子海圖上,并利用數(shù)據(jù)庫存儲的信息顯示艦船運(yùn)動軌跡,使判斷是否走錨更加直觀,該方法在本質(zhì)上屬于GPS定位法,使用時需將海圖比例尺設(shè)置最大。
3.2 基于艦船運(yùn)動狀態(tài)的走錨報(bào)警
錨泊中的艦船在風(fēng)、浪、流等外力的共同作用下將產(chǎn)生周期性的偏蕩運(yùn)動[18],偏蕩運(yùn)動引起的錨鏈張力同穩(wěn)態(tài)值相比有數(shù)倍之差,增加了走錨的可能性[19]。走錨后艦船的運(yùn)動不再是偏蕩運(yùn)動,因此,通過觀察艦船的運(yùn)動狀態(tài)可以判斷是否走錨。錨位正常時,當(dāng)風(fēng)、浪、流等的作用很小時,艦船運(yùn)動很小,船艏左右偏蕩角度很小。當(dāng)風(fēng)、浪、流等的作用較大時,艦船會做以錨位為中心、垂直于風(fēng)向的“∞”型的偏蕩運(yùn)動,且船艏向的變化基本符合正、余弦函數(shù)規(guī)律,如圖1所示。走錨時,艦船的偏蕩角度會減小,艦船會朝風(fēng)、浪、流等作用力方向運(yùn)動,運(yùn)動軌跡為“S”型,甚至偏蕩運(yùn)動消失,艦船基本做沿直線持續(xù)后退的運(yùn)動[20]。
3.3 基于錨系統(tǒng)狀態(tài)檢測的走錨報(bào)警
基于錨系統(tǒng)狀態(tài)檢測的走錨報(bào)警方法也是判斷艦船是否走錨所采用的主要方法之一,檢測的對象錨系統(tǒng)包括錨和錨鏈。通過儀器檢測或?qū)嵉赜^察錨系統(tǒng)的狀態(tài),如錨的位移、錨鏈的出水長度、緊繃狀態(tài)、抖動情況和響聲等,進(jìn)而判斷艦船是否走錨。劉芳貴[12]提出一種機(jī)械接觸式檢測方法,將接觸式轉(zhuǎn)輪埋設(shè)在錨頭突角兩邊,轉(zhuǎn)輪與海底接觸,走錨時接觸轉(zhuǎn)輪隨著錨的移動而轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)輪觸點(diǎn)使電路循環(huán)接通或斷開,觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),報(bào)警器報(bào)警。通過錨泊值更人員直接觀察也可以判斷是否走錨。錨位正常時,若風(fēng)、浪、流等的作用很小,錨鏈一般會基本垂直于海面,離開水面的長度大致為錨鏈孔距水面的高度。若風(fēng)、浪、流等的作用較大,錨鏈方向應(yīng)與風(fēng)、浪、流等的共同作用方向相反,錨鏈出水長度增加,和水面的夾角時大時小,出現(xiàn)有規(guī)律性地時緊、時松[21],并會上下緩慢抬動。走錨時,錨鏈持續(xù)張緊,與水面的夾角變化小,出現(xiàn)頻繁抖動,發(fā)出“格格格”的響聲[22],且船體會有震動[17]。此外,也可利用觀測信息進(jìn)行簡單的定量計(jì)算對走錨進(jìn)行判斷,李偉[23]提出根據(jù)觀測到的錨鏈在錨鏈筒處與鉛垂線的夾角,可以估算出錨泊船所受到的外力大小,然后將外力與錨泊力進(jìn)行比較,從而判斷錨泊船是否處于安全狀態(tài)。
3.4 基于艦船狀態(tài)檢測的走錨報(bào)警技術(shù)主要不足
基于艦船位置變化的方法中,將拋錨時的船位視為錨位,明顯存在誤差,影響判斷,此外,如果值更人員疏于定位或定位間隔過長,可能耽誤發(fā)現(xiàn)艦船走錨的時機(jī),造成危險(xiǎn)?;谂灤\(yùn)動狀態(tài)的方法中,艦船走錨后,錨位發(fā)生移動,但艦船可能仍然在做有規(guī)律的偏蕩運(yùn)動,且周期和幅度不變,如果不通過定位等其它手段,難以察覺艦船已經(jīng)走錨。
基于錨系統(tǒng)狀態(tài)檢測的方法中,通過儀器檢測錨系統(tǒng)狀態(tài)也存在測量難度大的問題,而實(shí)地觀察錨鏈狀態(tài)過于依賴值更人員主觀經(jīng)驗(yàn),存在誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象,且增加了值更人員的負(fù)擔(dān),具有一定的不便性和危險(xiǎn)性。
現(xiàn)有的艦船走錨報(bào)警技術(shù)雖然在理論上能判斷走錨是否發(fā)生,但實(shí)際應(yīng)用中往往是在走錨已經(jīng)發(fā)生一段時間,錨位發(fā)生明顯變化后進(jìn)行報(bào)警,難以為采取走錨應(yīng)對措施爭取時間。同時,準(zhǔn)確性不高、附屬設(shè)備復(fù)雜、實(shí)地操作受限等不足也限制了其廣泛應(yīng)用。基于以上不足,探究一種既能及時甚至提前對艦船走錨作出準(zhǔn)確判斷,又能廣泛應(yīng)用的方法尤為重要。本文認(rèn)為從錨泊船錨的受力情況出發(fā),綜合分析走錨前后外力變化導(dǎo)致的錨系統(tǒng)加速度和錨鏈振動特征的變化,對走錨報(bào)警的發(fā)展有一定意義。
4.1 研究基于錨系統(tǒng)加速度變化的走錨報(bào)警技術(shù)
艦船走錨的根本原因在于錨鏈的水平張力大于錨抓力,錨鏈張力和錨抓力的直接測量和計(jì)算較難實(shí)現(xiàn),而考慮在走錨的瞬間,力的不平衡將導(dǎo)致錨位發(fā)生變化,錨和錨鏈產(chǎn)生加速度的突變,且不同于錨位正常時的變化值,因此,通過實(shí)時測量錨和錨鏈的加速度,檢測出走錨瞬間的變化規(guī)律,從而對加速度設(shè)定閾值,可以判斷艦船是否走錨。實(shí)際應(yīng)用中,可以在錨系統(tǒng)制作過程中安裝加速度計(jì),檢測錨或錨鏈上某個加速度特征在走錨瞬間發(fā)生變化明顯的位置的加速度值,測量數(shù)據(jù)通過無線傳輸傳到艦船相應(yīng)處理單元,并與閾值對比,實(shí)現(xiàn)走錨報(bào)警。此種方法的優(yōu)勢在于能在走錨發(fā)生的瞬間判斷出走錨,具有較好的及時性,且判斷的準(zhǔn)確性高,但對錨系統(tǒng)的制作有要求,隨著材料科學(xué)和工業(yè)制造的進(jìn)步,此方法會有一定的發(fā)展空間。
4.2 研究基于錨鏈振動特征變化的走錨預(yù)警技術(shù)
錨鏈?zhǔn)沁B接船體與錨的重要設(shè)備,在走錨過程中,錨鏈一端受力來自艦船承受的風(fēng)、浪、流等對其的沖擊力,另一端受力來自錨抓力,二者作用在錨鏈上體現(xiàn)為張力,錨鏈兩端的受力變化會導(dǎo)致其運(yùn)動特性的變化,進(jìn)而直接影響其振動特性。這在一定程度上反映出艦船從錨位正常演變到走錨的過程中,錨鏈振頻和振幅等將相應(yīng)發(fā)生明顯變化。錨位正常時,若外力較大,錨鏈將繃緊拉直,產(chǎn)生一種具有固定振頻和振幅的特征性振動,走錨瞬間錨鏈將出現(xiàn)振頻和振幅的快速變化,進(jìn)入走錨階段后,錨在海底被持續(xù)拖動,錨鏈的張力變化幅度將大大減小,其振頻和振幅也將趨于穩(wěn)定狀態(tài)。艦船錨位正常與走錨之間錨鏈振動特征相對復(fù)雜但呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,如能對該階段錨鏈振動特征變化規(guī)律進(jìn)行深入研究,進(jìn)而分析確定出合理的振頻或振幅閾值,即可以此作為走錨報(bào)警和預(yù)警的判別指標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中,檢測錨鏈振動特征的模塊可以通過連接固定裝置安裝在錨鏈上,通過通信傳輸實(shí)現(xiàn)對錨鏈振動特征的實(shí)時顯示和分析,充分掌握艦船錨泊狀態(tài),并判斷其走錨的危險(xiǎn)程度,進(jìn)而及早提供可靠的走錨預(yù)警信息。與現(xiàn)有走錨報(bào)警技術(shù)相比,該方法既能降低對值更人員主觀經(jīng)驗(yàn)的依賴程度,又具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度和可靠性較高、能夠提前報(bào)警等優(yōu)點(diǎn),且振動檢測技術(shù)相對成熟,在錨鏈上安裝振動傳感器的可行性高,易于實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用,具有較大的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
為避免走錨及其次生事故的發(fā)生,對艦船錨泊狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和走錨的準(zhǔn)確、及時報(bào)警或預(yù)警至關(guān)重要。本文總結(jié)了現(xiàn)有的基于艦船受力分析和基于艦船狀態(tài)檢測兩大類走錨報(bào)警技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,分析了這些技術(shù)普遍存在著及時性、準(zhǔn)確性差和難以實(shí)際工程應(yīng)用等不足。為解決這些問題,提出基于走錨前后錨系統(tǒng)加速度變化和錨鏈振動特征變化的走錨報(bào)警新思路,通過研究錨系統(tǒng)加速度或者錨鏈振動特征的變化規(guī)律,進(jìn)而分析確定出合理的加速度或振動特征閾值,以此作為走錨的判別指標(biāo),為進(jìn)一步采取走錨應(yīng)對措施提供寶貴時間。這樣就有望解決現(xiàn)有技術(shù)存在的主要問題,確保艦船錨泊安全。后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)圍繞此思路展開理論分析和實(shí)驗(yàn)探究,并將其推廣到實(shí)際應(yīng)用中。
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Present Statusand Prospectof Ship Dragging Anchor W arning Technology
ZHANG Cong1JIN Liang?an2W ANG Yong2
(1.Administrative Division for Postgraduates,Dalian Naval Academy,Dalian 116018)(2.Departmentof Navigation,Dalian Naval Academy,Dalian 116018)
An early and accurate warning of dragging anchor is essential as it can ensure ship anchoring safety.Based on a brief introduction,the shortages of twomain existing dragging anchor warning technologies are summarized as lack of correctness,timeliness and having difficulties in the practicalapplication.Then advice is put forward on the basis of changes in acceleration and vibration characteristic ofanchorand chains,which ismore feasible.The research resultsprovide reference for developingnew drag?ging anchorwarning technology and have theoreticaland reality significance.
ship,dragging anchorwarning,acceleration,vibration characteristic
U675.92
10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.001
2016年11月7日,
2016年11月20日
張聰,男,碩士,研究方向:軍事航海安全保障與防護(hù)技術(shù)。金良安,男,博士后,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:軍事航海安全保障與防護(hù)技術(shù)。王涌,女,博士,副教授,研究方向:軍事航海安全保障與防護(hù)技術(shù)。