嚴(yán)明 毛建輝 陳曉華

摘要：海事測繪是我國航海安全鏈中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，由于海道測繪作業(yè)的特殊要求，需要專業(yè)的海道測量船來完成。根據(jù)新時期海道測量規(guī)范要求，本文在船舶主尺度選擇時，根據(jù)測量等級要求，提出了依據(jù)多波束性能確定船長的方法;在動力系統(tǒng)設(shè)計上，海道測量船需在測量作業(yè)航速和調(diào)遣航速的選擇上取得平衡;對于作業(yè)航速選取，本文提出了依據(jù)多波束性能確定最大航速的方法。此外，本文還通過模型試驗等方法對海道測量船的耐波性和操縱性開展研究。在測量系統(tǒng)設(shè)計上，本文提出了新型40米級海道測量船的主要測量設(shè)備和安裝方式，同時也提出測量系統(tǒng)不僅需要滿足目前實際作業(yè)任務(wù)要求，并為未來設(shè)備和功能升級留有余量。

關(guān)鍵詞： 海道測量船;海道測量規(guī)范;多波束測深儀

0引言

海事測繪是國家經(jīng)濟建設(shè)不可缺少的前期性和基礎(chǔ)性保障工作，是我國航海安全鏈中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。在《中國海事航海保障“十三五”發(fā)展規(guī)劃—測繪專項規(guī)劃》中提出了“測量范圍由港口航道擴展到近海重點水域，重要港口的重要通航水域發(fā)生變化及時跟蹤測量，重點港口和航道多波束掃測覆蓋率達100%，突破傳統(tǒng)港口航道測量業(yè)務(wù)，向多元化沿海航行地理信息的全要素采集、評測、加工和服務(wù)發(fā)展;全面開展沿海干線航路和定線制測量;強化通航尺度核定測量和通航水域水深監(jiān)測”。因此，新時期作為開展測繪工作的重要裝備，專業(yè)的海道測量船在保障水上運輸主通道和港口的暢通，保障港口及沿海船舶航行安全方面具有十分重要的作用。

1新型測量船要求

由于海道測繪作業(yè)的特殊要求，需要專業(yè)的海道測量船舶來承擔(dān)：一是與常規(guī)測量船不同，海道測量船需要在繁忙的航道內(nèi)航行及測繪作業(yè)，需要船舶具有良好的操縱性，才能保障船舶安全;二是由于配備的測量設(shè)備安裝要求比較高，因此其他船舶（如航標(biāo)船）可能沒有合適的測量設(shè)備安裝位置和操控設(shè)備，影響測量效率和測量精度;三是測量船對振動噪聲的要求較高，其他船舶可能無法滿足要求;四是測量設(shè)備如果采用臨時搭載的方式安裝在其他船舶上，由于測量設(shè)備需要安裝、校正，無法滿足應(yīng)急測量快速響應(yīng)的需要;五是測量數(shù)據(jù)需要存儲、處理、共享等，需要配備專業(yè)的數(shù)據(jù)服務(wù)器等存儲與網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。因此隨著我國海道測量和應(yīng)急測繪的工作量的大幅增加，為保證完成測繪任務(wù)，需要配備專業(yè)的測量船舶。而現(xiàn)有的40米級海道測量船，船型較老，還存在以下問題：

（1）船型較為傳統(tǒng)，采用艏艉升高甲板，兩層甲板室的形式，工作和船員生活空間狹小。艏部甲板高度較低，在不利海況下容易上浪。

（2）原船作業(yè)航區(qū)為沿海，當(dāng)作業(yè)范圍需要拓展至近海時，耐波性較差，影響測量作業(yè)的精度和效率。

（3）隨著測量任務(wù)對測量精度、可靠性、分辨率的要求大幅提高，原有測量設(shè)備相對落后，需要更新?lián)Q代。

因此，為滿足近海作業(yè)的需要，新建40米級測量船在船型、主尺度以及測量設(shè)備等方面進行了升級，在抗風(fēng)能力、耐波性、續(xù)航力和自持力、測量作業(yè)能力等方面較原40米級測量船有較明顯的提升。

2新版海道測量規(guī)范要求

根據(jù)新版IHO海道測量規(guī)范[1]（S-44）：航道、警戒區(qū)等重要水域的測量等級為特等，探測能力達到立方特征物>1 m3;水深在100 m以內(nèi)對航行安全具有潛在影響的水域的測量等級為1a等，如水深<40m，探測能力達到立方特征物> 2 m3，如水深>40m，探測能力達到空間特征為水深值10%。以上這些水域全部要求多波束全覆蓋掃測。顯然，特等測量等級要求更嚴(yán)苛，故本文將主要討論特等測量等級對船舶設(shè)計的影響。

全覆蓋測量包括橫向全覆蓋和縱向全覆蓋。橫向全覆蓋包括一呯內(nèi)橫向全覆蓋，以及兩條測線之間的全覆蓋。由于多波束一呯內(nèi)各個波束是無間隔排列的，因此一呯內(nèi)是無間隙全覆蓋。對于兩條測線之間的全覆蓋，如果覆蓋面積過大，雖然保證了測量精度，卻影響了測量效率，增加了工作量;覆蓋面積過小，又無法滿足S-44的要求。因此，測線間距成為影響橫向全覆蓋的一個重要因素，也是決定船舶長度和回轉(zhuǎn)性要求的重要因素?？v向全覆蓋是指沿測線的兩呯之間聲照區(qū)域的拼接無遺留，其主要取決于船速，該項要求決定了測量船作業(yè)時的最大航速。

根據(jù)文獻2[2]方法，根據(jù)幾何關(guān)系，如圖1所示，最外緣波束的斜距為

那么，該波束腳印橫向?qū)挾葹闄M向?qū)挾?/p>

圖中H為水深值，θ為波束的入射角，x為橫向波束寬度。

根據(jù)S-44要求，以海底特征物的橫向?qū)挾缺仨毚笥诓ㄊ_印的橫向?qū)挾炔拍鼙惶綔y到為前提，通過計算多波束有效覆蓋寬度，確定合理的測線間距，從而使測量數(shù)據(jù)既能滿足預(yù)定的精度要求，又能保持較高的測量效率。

以EM2040多波束測深儀為例，該測深儀配備雙接收換能器時，正常工作模式下的波束最大覆蓋角度可達210°，工作頻率400kHz，波束寬度≤0.7°×0.7°?；诤５椎匦畏直媛?1 m的測量，不同水深下的波束腳印寬度隨入射角變化曲線見圖2所示。其中橫坐標(biāo)為波束入射角，縱坐標(biāo)為波束腳印的橫向?qū)挾取?/p>

由圖可知，隨著水深的增加，波束入射角逐漸變小。對于不同水深，對應(yīng)的測線間距控制指標(biāo)如表1所示。當(dāng)80 m水深時，波束入射角只能限制在8?才能滿足波束腳印寬度<1 m的要求，角度太小已沒有意義，故舍去。因此特等測量等級的水深應(yīng)小于70 m。

此外，為保證縱向全覆蓋，根據(jù)文獻3[3]的方法，測量船須滿足在相鄰兩呯的最小測量時間t內(nèi)保證收到最外緣波束的回波，即）。另外，以海底特征物的縱向?qū)挾缺仨毚笥诓ㄊ_印的縱向?qū)挾炔拍鼙惶綔y到為前提，則測量船在t時間內(nèi)實際航行距離不大于波束腳印縱向?qū)挾龋紤]到波束腳印縱向?qū)挾?，得到全覆蓋的最大船速。

其中，C為聲速，取1500m/s;θ為波束的入射角，為縱向波束寬度。

還是以EM2040多波束為例，滿足縱向全覆蓋的測量船速為9kn?；诤５椎匦畏直媛?1m的測量要求，對應(yīng)的最高航速限制如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)水深小于80m時，最高航速不大于9kn，當(dāng)水深大于80m時，最高航速應(yīng)隨著水深增加而減小。

綜上所示，根據(jù)S-44規(guī)范對特等測量等級要求，當(dāng)水深小于70m時，測線間距50～80m比較合適，最大作業(yè)航速不大于9kn。

3船型選擇

根據(jù)美國大學(xué)—國家海洋學(xué)實驗室對調(diào)查船和測量船按船舶總長分類，本船屬4類船[4]，目前國外該類型測量船數(shù)量不多，表2是收集的近幾年國外同類型測量船的船型參數(shù)。

通過對上述國外船型分析可以看出，目前中小型測量船具有如下發(fā)展趨勢[4]：

（1）船寬日趨加大，長寬比日趨降低，船型向肥大型發(fā)展

為提高船舶的抗風(fēng)能力和適航性，船寬日趨加大。在船寬加大的同時，考慮到航道測量時掉頭和回轉(zhuǎn)作業(yè)的需要，船長基本沒有同步增加。由于長寬比減小，方形系數(shù)增加，測量船船型日趨肥大化。

（2）自由航速較低

海道測量船以低速測量作業(yè)為主，但還要兼顧自由調(diào)遣航行，故從經(jīng)濟性上來說，一般自由航行航速不高，中小型船舶的航速一般在10～13kn。

（3）設(shè)置長艏樓、尾作業(yè)甲板

為更好地適應(yīng)惡劣海況，減少首部甲板上浪，同時提高船舶空間利用率，現(xiàn)代測量船一般都設(shè)置長艏樓。主要測量設(shè)備布置在尾部主甲板上，減少風(fēng)浪對測量作業(yè)的影響。

因此，本船根據(jù)實際測量需要，并借鑒國外測量船船型發(fā)展特點，采用單體船型[5]、長艏樓、艉作業(yè)甲板，既適應(yīng)測量任務(wù)由沿海向近海發(fā)展的作業(yè)海況的需要，又增加了尾部作業(yè)甲板面積，也增大了甲板室的布置空間，改善船員的工作和居住環(huán)境，更具人性化。

4船舶主尺度選擇

為更好地適應(yīng)近海作業(yè)要求，進一步提高船舶的耐波性，將原40米級測量船主尺度尤其是船寬適當(dāng)增加，排水量適當(dāng)加大，方能更好地滿足近海作業(yè)穩(wěn)性、抗風(fēng)浪能力的要求。

根據(jù)S-44規(guī)范對特等測量等級要求，當(dāng)水深小于70 m時，測線間距50～80 m比較合適，考慮到低速時雙機船舶的回轉(zhuǎn)直徑約1～2倍船長，因此選擇不大于50m的船長，方能快速上線測量，獲得較高測量效率。此外，考慮到有時作業(yè)區(qū)域離岸較近，因此船舶吃水應(yīng)盡量小。綜合考慮上述因素，本船總長約45.0 m，型寬約9.5 m，吃水約2.9 m。

5快速性

根據(jù)S-44規(guī)范對特等測量等級要求，當(dāng)水深小于70m時，最大測量航速不大于9 kn，另外考慮到高航速帶來的過大主機功率產(chǎn)生的振動和噪聲對測量精度的影響，因此在測量規(guī)范中要求多波束作業(yè)航速應(yīng)不大于8kn航速。如采用舷側(cè)拖帶側(cè)掃聲吶，則必須考慮水流對其的影響，作業(yè)航速應(yīng)進一步降低至6kn。此外，如考慮到應(yīng)急測繪需要，測量船還應(yīng)具有一定的調(diào)遣航速。綜合考慮上述因素，并借鑒國外同型船參數(shù)，本船調(diào)遣航速取13 kn。

為驗證阻力性能，本船在拖曳水池中開展了船模阻力試驗[6]，模型縮尺比11.7714，船模包括了舭龍骨、艉軸管、支架、舵等附體。阻力試驗分析方法采用二因次法，采用1957年ITTC推薦摩擦阻力系數(shù)計算公式換算到實船，粗糙度補貼△f=0.0004，全附體下的有效功率曲線見圖4所示。從圖4可知，在12～13 kn時，有效功率曲線相對平緩，大于13 kn時有效功率曲線斜率很陡，船體阻力增加很快，說明調(diào)遣航速取在13 kn是合理的、經(jīng)濟的。

此外，根據(jù)模型試驗結(jié)果，在8kn的測量航速時，船舶有效功率約90kW，此時螺旋槳吸收的主機功率已小于主機最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時的功率。因此，為兼顧自由航行工況和測量作業(yè)工況，一般可通過可調(diào)螺距螺旋槳、滑差齒輪箱驅(qū)動螺旋槳、全電力驅(qū)動等方式來解決功率匹配問題。

可調(diào)螺距螺旋槳通過設(shè)置于槳轂中的操縱機構(gòu)，使槳葉轉(zhuǎn)動，以改變槳葉的螺距，使船、機、槳在各種工況下都能充分發(fā)揮主機的功率，對多工況的船舶，采用可調(diào)槳具有很大的優(yōu)勢。而滑差離合器與齒輪箱一起組成減速、調(diào)速傳動裝置，滑差離合器工作時，通過液壓油對相對滑動的主、從摩擦片進行潤滑和冷卻，并建立具有一定剪切強度的油膜，通過油膜的黏性摩擦力做扭矩傳遞，并通過主、從動摩擦片之間的轉(zhuǎn)速差異以達到調(diào)速目的[7]。但目前國內(nèi)設(shè)備商還沒有類似的產(chǎn)品，國外也僅有少數(shù)設(shè)備商能夠提供成熟的產(chǎn)品，廠商選擇比較困難。而全電力驅(qū)動由于造價昂貴，較少應(yīng)用在中小型測量船上。綜合考慮上述因素，本船動力系統(tǒng)采用技術(shù)成熟可靠的可調(diào)槳方案。

6耐波性

根據(jù)任務(wù)需要，本船要求在4級海況下能夠進行測量作業(yè)，而船舶耐波性是影響測量精度的主要性能。根據(jù)航道測量技術(shù)要求，測深極限誤差規(guī)定見表3。

由于多波束測量系統(tǒng)對船舶橫搖、縱搖和艏搖都有修正功能，因此，為進一步研究在測量作業(yè)時垂向方向上運動情況（主要是升沉），本船開展了耐波性模型試驗[6]。試驗在深水拖曳水池中進行，船?？s尺比11.7714，如圖5所示。根據(jù)試驗結(jié)果可知，在航速3～14kn，有義波高1.0m海況下的升沉有義值如圖6、圖7所示。由圖6可知，在6～8kn航速時，船舶最大升沉約0.067m，對測量精度影響較小。

7操縱性

根據(jù)《海道測量規(guī)范》[8]、《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求》[9]、《沿海港口航道測量技術(shù)要求》[10]等規(guī)范文件的要求，目前海道測量方式主要有兩種：

（1）采用多波束測深系統(tǒng)測量，主測線布設(shè)方向應(yīng)選擇平行于等深線的走向、潮流的流向、航道軸線方向或測區(qū)的最長邊等其中之一布設(shè)。這種測量方式采集的是船舶航行軌跡上的橫向條帶數(shù)據(jù)，是屬于面測量，能夠全面反映海底地貌，障礙物、淺點一覽無遺。按照要求，目前港口航道圖測量時航道、錨地、障礙物、淺點加密、通航尺度核定測量必須使用多波束測量。

（2）采用單波束測深儀測量，主測深線方向應(yīng)垂直等深線的總方向、垂直于航道方向，對于狹窄航道，測深線方向應(yīng)與等深線成45°。這種測量方式采集的是船舶航行軌跡上的數(shù)據(jù)，能夠比較完善地反映海底地貌，這是目前最常規(guī)的水深測量方法。

由上可知，多波束測量要求船舶平行于等深線方向開展作業(yè)，單波束測量要求船舶垂直于航道或等深線方向開展作業(yè)，因此測量船在作業(yè)區(qū)域的作業(yè)線較為復(fù)雜;此外，測量船作業(yè)時船速不高、定線測量作業(yè)時來回掉頭頻繁。由于航道內(nèi)來往船舶眾多，對海道測量船來說這兩種作業(yè)方式都有安全風(fēng)險，需要具備靈敏的應(yīng)舵性能避讓船只，迅速規(guī)避風(fēng)險。另一方面，為保證和提高定線測量的測量效率，需要具備較小的回轉(zhuǎn)半徑和較短的回轉(zhuǎn)時間。

為保證測量船良好的操縱性，首先，在主尺度和線型設(shè)計上綜合考慮，提高回轉(zhuǎn)性能;其次，在動力系統(tǒng)設(shè)計上，采用雙機雙槳的推進方式，以在打舵和回轉(zhuǎn)時獲得更高的動力;再次，在舵葉設(shè)計上采用襟翼舵，提高船舶在低速測量作業(yè)時的應(yīng)舵性能，減小回轉(zhuǎn)半徑，從而提高船舶在航道內(nèi)作業(yè)的安全性，有利于加快上線速度，提高測量作業(yè)效率。

8測量系統(tǒng)設(shè)計

8.1 測量設(shè)備配置選擇

海圖要素中的海部要素主要包括水深、航行障礙物、水文（如流速、流向）、底質(zhì)、地貌等，目前大部分是通過測量船上的測量設(shè)備按照規(guī)范要求進行數(shù)據(jù)采集和處理后得到的。

根據(jù)測量任務(wù)需要，新型40米級海道測量船配置的主要測量設(shè)備包括多波束測深系統(tǒng)、雙頻測深儀、單頻測深儀、多普勒流速剖面儀、水文氣象站等測量設(shè)備。考慮應(yīng)急測量的需要，船上長期配備側(cè)掃聲吶，并配備前視避碰聲吶、紅外光電穩(wěn)像系統(tǒng)等（集成測量系統(tǒng)框圖如圖7所示）。下面簡單介紹各設(shè)備的主要用途和性能，供讀者參考。

（1）多波束測深系統(tǒng)

根據(jù)實際作業(yè)水深需要，本船配置淺水多波束測深儀（工作頻率200～400kHz，波束覆蓋扇區(qū)最大210°，波束角0.7°×0.7°@400kHz，測深量程0.5～600m，系統(tǒng)實際測深精度滿足IHO SP44標(biāo)準(zhǔn)，在40m水深下最小物標(biāo)分辨率0.5m×0.5m×0.5m）、GPS接收機、光纖慣導(dǎo)、聲速剖面儀、表面聲速儀，同時配有專業(yè)的數(shù)據(jù)采集導(dǎo)航軟件和數(shù)據(jù)處理軟件?？捎糜谥攸c港口和航道的地形測量，具有高測量效率、高測量精度和高分辨率等優(yōu)點，是本船的主要測量設(shè)備。

（2）雙頻測深儀

該設(shè)備工作頻率200kHz時作業(yè)水深0.2～200m，測深精度≤0.01m±0.1%水深;33kHz時作業(yè)水深0.5～1500m，測深精度≤0.10m±0.1%水深，分辨率0.01m。該設(shè)備作業(yè)比較簡單，用于普通水深測量。

（3）單頻測深儀

該設(shè)備安裝在本船攜帶的工作艇上，適用于母船無法進入的淺水區(qū)作業(yè)。工作頻率200kHz，工作水深0.2～200m，分辨率0.01m，測深精度0.01m±0.1%水深。

（4）多普勒流速剖面儀（ADCP）

該設(shè)備工作頻率150kHZ，量程≥300m，流速量程0～10m/s，流速分辨率≤ 0.01 m/s，流速精度為流速1%±1cm/s，用于測量沿固定端面流速、流向等。

（5）水文氣象站

主要包括風(fēng)速風(fēng)向傳感器、數(shù)據(jù)采取器、定位系統(tǒng)（GPS）、羅經(jīng)、一體式氣象傳感器（包括溫度、濕度、壓力、降水等）、能見度傳感器等，主要用于海上氣象資料的采集。

（6）側(cè)掃聲吶測量系統(tǒng)

該設(shè)備為可移動設(shè)備，可采用舷側(cè)1t液壓伸縮/折臂吊進行拖帶。最大作業(yè)水深2000m，聲速傳感器量程1375～1900m/s，聲速傳感器分辨率0.001m/s，聲速傳感器正確度±0.02m/s。該設(shè)備主要用于沉船、障礙物的應(yīng)急掃測。

（7）前視避碰聲納

該設(shè)備最大測量距離150m，角度精度-1.6°，主要用于掃測障礙物時保障船舶自身安全。

（8）紅外光電穩(wěn)像系統(tǒng)

該設(shè)備主要用于在沉船或障礙物應(yīng)急掃測時對水上目標(biāo)進行全天候、全方位的觀察、監(jiān)視、搜索、跟蹤、取證。

（9）其他測量設(shè)備

為預(yù)留未來海洋水文、地質(zhì)測量的需要，本船在主甲板上可搭載1個測量用20ft集裝箱模塊，船艉設(shè)有0.8t液壓門架以及1臺水文絞車。

8.2 測量設(shè)備安裝方式選擇

目前，測量設(shè)備安裝方式主要有舷側(cè)安裝、升降式平臺安裝、船底固定安裝[11]。通過現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域?qū)嶋H調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有些測量水域水深較淺，而且經(jīng)常有看不見的漁網(wǎng)或用于系網(wǎng)的鋼纜或尼龍繩，可能會使突出船底或者非固定安裝的換能器丟失、損壞。因此，本船主要測量設(shè)備如多波束測深儀、雙頻測深儀、多普勒流速剖面儀的換能器均采用船底嵌入固定安裝。其優(yōu)點一是可以保證測量設(shè)備的安裝質(zhì)量，在長時間內(nèi)保障測量精度和測量工作效率;二是便于應(yīng)急測繪的及時響應(yīng);三是換能器安全有保障，不受漁網(wǎng)、鋼纜等影響;四是嵌入安裝方式換能器與船底基本平齊，不會增加阻力，航行和作業(yè)經(jīng)濟性好。但船底固定安裝也存在換能器檢修不便，損壞需要進塢才能維修的缺點，但根據(jù)船東多年的使用經(jīng)驗，2年塢修期完全能夠滿足實際需要。

9結(jié)語

本文探討了總體設(shè)計中幾個方面：

（1）在船舶主尺度選擇時，應(yīng)考慮作業(yè)水域?qū)挾取⑺畹认拗茥l件外，還需考慮測量等級的要求，提出了根據(jù)多波束性能確定船長的方法，供讀者參考。

（2）在動力系統(tǒng)設(shè)計上，測量船需要在測量作業(yè)航速和調(diào)遣航速的選擇上取得平衡。通過模型試驗確定合理的調(diào)遣航速，滿足經(jīng)濟性;作業(yè)航速則需要滿足測量等級要求，本文提出了根據(jù)多波束性能確定最大航速的方法，供讀者參考。

（3）通過模型試驗的方法，本文驗證了40米級測量船的耐波性，可以滿足測量作業(yè)的需要。

（4）與一般測量船不同，由于特殊的作業(yè)方式，海道測量船應(yīng)具有十分靈活的機動性，需要在操縱性方面特別設(shè)計，保證作業(yè)安全;

（5）在測量系統(tǒng)設(shè)計上，本文提出了40米級海道測量船的主要測量設(shè)備和安裝方式，供讀者參考，同時提出測量系統(tǒng)不僅需要滿足目前實際作業(yè)任務(wù)要求，并為未來設(shè)備和功能升級留有余量。

為滿足海事系統(tǒng)40米級海道測量船的實際需要，本文從船舶操縱性、適用性、測量設(shè)備配置的專業(yè)性等方面做了充分探討，為以后的新建、續(xù)建40米級海道測量船提供了參考方向及優(yōu)化意見，為海事發(fā)展提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

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