高峰，唐友剛，聶曉彤，于濱，胡克，3

（1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，港口水工建筑物技術國家工程實驗室，天津 300456；3.燕山大學機械電子工程系，河北 秦皇島 066044）

當船舶抵達港口后，需要船岸人員密切配合系好纜繩固定船舶，并隨潮位、吃水、風浪流動力條件的變化而隨時關注和調整各纜繩的松緊，這種傳統(tǒng)的系泊作業(yè)方式一直沒有隨著船舶與碼頭技術的發(fā)展而改變[1]。即使纜繩從最初的單一材質已發(fā)展到了現(xiàn)在有眾多類型的高分子聚合物材料可選，其力學特性也今非昔比，但是船舶在港內系泊作業(yè)方式依然保持著最初的人工作業(yè)狀態(tài)[2]。現(xiàn)代航運注重效率，由于裝卸作業(yè)快速導致船舶吃水頻繁變化等情況，系泊船舶必須不斷調整纜繩長度，以保證船舶良好的靠泊，這不僅增大了船員的勞動強度，而且增大了事故發(fā)生的幾率和風險[3]。歐洲港務委員會（European Harbour Masters’Committee）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，95%的人身傷害事件是由繩索和鋼絲引起的，其中的60%發(fā)生在系泊作業(yè)期間。隨著船舶大型化、裝卸效率提升、頻繁的系靠泊作業(yè)已成常態(tài)，傳統(tǒng)系泊方式下的纜力不平衡分配現(xiàn)象也日益明顯，從而導致更嚴格的系泊規(guī)定與加強的安全措施，如2018年發(fā)布的第四版系泊設備準則（MEG4），引入了針對系泊系統(tǒng)管理計劃（MSMP）；2020年挪威船級社（DNV GL）推出了包括3個模塊的助力安全系泊操作的安全系泊連接應用（Safe Mooring Connect）[4]等。一系列新規(guī)定要求意味著對系泊操作和設備進行更嚴格的管理和跟蹤，建立已久的系泊程序與系統(tǒng)設計正面臨考驗。

在傳統(tǒng)的港口中引入自動化系泊設備的研究始于20世紀70年代，但直到80年代中期配備電子控制自動裝置的絞車誕生，這意味著應用電子技術的自動裝置開始替代傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)，碼頭系泊向自動化控制邁出了第一步。隨著大數(shù)據(jù)、自動化和人工智能技術的快速發(fā)展，使得無人化智能港口已成為現(xiàn)實，而利用高新技術保證船舶系泊期間的作業(yè)安全以代替多年來的傳統(tǒng)帶纜方式也已成為可能。目前，自動化系泊設施已在國外從研究到成品應用，安裝此類系統(tǒng)的港口也在實現(xiàn)自動化、安全性上更加先進與從容。實現(xiàn)智能化自動系泊，其優(yōu)勢在于增加了可靠性和安全性，盡量減少靠泊期間人員的參與操作和消除失誤與風險隱患，消除人為錯誤是顯著的好處。同時，港口運轉迫切需要提高港口效率，自動化系泊技術也將減少停機等待的時間，不僅系泊時間縮短了，也精簡了泊位操作程序，使得中轉時間短，進而提升碼頭作業(yè)效率和吞吐量。因此，開展系統(tǒng)的研發(fā)具有重要的理論研究意義與實踐應用價值。

自動系泊問題涉及船舶、碼頭與水三者間的相互作用，風、浪、流干擾較大，系統(tǒng)變量較多，實現(xiàn)精細化控制十分困難。隨著港口智能化的發(fā)展與國外類似技術的行業(yè)應用，自動系泊也在國內引起了較大的關注，但相關的研究剛剛起步[5]。港口船舶自動系泊系統(tǒng)研究的科學問題是自主研發(fā)系統(tǒng)的結構創(chuàng)新設計、機構荷載計算、流固強耦合多體動力系統(tǒng)的聯(lián)合建模與仿真以及多系統(tǒng)協(xié)同控制策略等。本文將港口船舶自動系泊中的系泊任務和研究難點進行歸納、梳理，探討主要問題的解決方法，結合研究與發(fā)展現(xiàn)狀，分析船舶自動系泊系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢。

1 系泊任務要求

1.1 船舶運動收斂到期望的范圍

系泊狀態(tài)下的船舶運動量是反映系泊狀態(tài)與衡量碼頭泊穩(wěn)條件的重要指標。國際航運協(xié)會（PIANC）于1995年對船舶安全作業(yè)所允許的船舶運動量范圍建立給出了推薦值。英國規(guī)范BS 6349-1-21（2013）中，基于PIANC推薦值進行了修訂，提出了更加嚴格的運動量允許值[6]。我國于2009年系統(tǒng)性地開展了以船舶運動量表示的作業(yè)標準專題研究，確定了適合于我國實際情況的大型碼頭船舶運動量作業(yè)標準，并列入設計規(guī)范[7]。

1.2 船舶與碼頭荷載安全可控

根據(jù)我國港工荷載規(guī)范，系纜力的標準值不應大于纜繩的破斷力，纜繩破斷力應按纜繩材質和規(guī)格確定。船舶作用在系船柱、系船環(huán)上的系纜力標準值不應小于規(guī)范所列出的系纜力標準值。擠靠力應考慮風和水流產(chǎn)生的橫向分力總和，撞擊力則根據(jù)有效撞擊能量確定，與船舶質量和法向靠岸速度有關[8]。國際上普遍根據(jù)石油公司國際海事論壇（OCIMF）推薦的風荷載、水流力等計算公式計算得到碼頭前船舶受力，并針對不同材質纜繩規(guī)定了所受拉力的上限要求，即系泊船舶在風、浪、流綜合作用下，能夠保證系纜力不超過纜繩材料自身的破壞強度是船舶安全系泊的重要因素之一[9]。

2 研究難點

自動系泊系統(tǒng)具有較高的技術壁壘，是典型的高技術和高智力密集型產(chǎn)品。目前，國內由于起步晚，智能自動系泊系統(tǒng)的設計原理方法、流固耦合多體動力系統(tǒng)聯(lián)合建模與仿真、系泊多機器人系統(tǒng)協(xié)同控制等相關理論研究較為缺乏，與國外差距比較大。同時，實現(xiàn)自動化甚至智能化的系泊系統(tǒng)是一個充滿挑戰(zhàn)的復雜問題，此類系統(tǒng)的研發(fā)屬于跨專業(yè)融合的系統(tǒng)工程，需要綜合運用傳感器技術、信息化技術、自動控制技術、船舶工程技術、機器人技術乃至人工智能技術等，需要同時兼?zhèn)涔I(yè)技術知識、計算機系統(tǒng)軟件開發(fā)的能力以及一定程度的集成化思維。正是由于理論體系尚未完善、技術應用存在可探索性，港口船舶自動系泊系統(tǒng)的研究還存在難點。

3 研究發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 無系泊纜方式的自動系泊系統(tǒng)

無系泊纜方式即使用磁力吸盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)纜繩使船舶達到系泊的目的，省略了系纜和解纜的傳統(tǒng)作業(yè)。這類船舶磁力系泊裝置，能將2～3人手工系纜靠離泊需要30～50 min的時間降低到了只要十幾秒鐘，而且只需1名操作員就能直接操作完成，在節(jié)約人力的同時極大地提高了效率。吸附方式所采用的磁力吸盤，已經(jīng)廣泛應用在冶金、起重、機械加工等行業(yè)，技術已經(jīng)相當成熟，能產(chǎn)生600～1 200 kN/m2的吸力，且磁力線很短，離開吸盤表面很短的間距（約10 cm）就幾乎感應不到磁力[10]，在保障船舶安全的同時，不會對船舶電子儀器設備等造成影響。以瑞士凱伏特公司（Cavotec）應用在澳大利亞杰拉爾頓港No.7泊位的MoorMasterTM系列下的MM200D型自動系泊產(chǎn)品為例，在泊位長度僅為196 m的條件下可系泊最大船長為225 m的船舶，而不需要任何纜繩?？稍趲资雰认挡椿蜥尫糯埃踩院托拭黠@優(yōu)于傳統(tǒng)纜繩系泊的方式。首個MoorMasterTM系統(tǒng)于1996年投入使用，至今完成系泊操作超過97 500次，并保持100%安全無事故的記錄。提升效率的同時還可達到節(jié)能減排的目的，MoorMasterTM自從在赫爾辛基港使用至今，每年減少近8 000 t的二氧化碳排放量，節(jié)能減排效果顯著。目前，MoorMasterTM系統(tǒng)主要產(chǎn)品系列如圖1所示。

圖1 MoorMasterTM系統(tǒng)主要產(chǎn)品系列Fig.1 Main products of MoorMasterTM system

瑞典特瑞堡公司（Trelleborg）在SmartPort概念下開發(fā)的AutoMoor系泊系統(tǒng)也是實現(xiàn)智能化系泊作業(yè)的一種成功解決方案，如圖2所示。該系統(tǒng)已在澳大利亞墨爾本港成功試驗，該系統(tǒng)能夠將船舶快速、穩(wěn)固地固定至泊位（可以在1 min內固定船舶，在30 s內脫放船舶），抑制船舶的移動，做到無繩系泊的同時，持續(xù)監(jiān)控影響停泊船舶的所有系泊負載，并提供實時數(shù)據(jù)，可提升系泊作業(yè)的速度和港口內部的安全性，有助于優(yōu)化碼頭與港口實現(xiàn)綠色運營。

圖2 SmartPort概念下開發(fā)的AutoMoor系泊系統(tǒng)Fig.2 AutoMoor mooring system developed under SmartPort concept

荷蘭Mampaey公司也是靠泊、系泊和拖曳系統(tǒng)設計制造及調試的全球性企業(yè)，其代表性產(chǎn)品Dock Locking System（如圖3）分為船對船、岸對船2種類型，也是一種基于磁力的自動系泊裝置。該裝置在船頭船尾配置帶磁力板的雙系纜臂，由液壓缸帶動，實現(xiàn)船體與系泊裝置的連接，可以穩(wěn)固可靠地連接到任何船體，無論平整或起伏，船漆干凈或受過腐蝕。這些磁力板可沿船體水平面自動移動以適應船體移動發(fā)生的變化。每個液壓缸均配備行程和壓力傳感器，以便于計算不同條件下的系泊力。

圖3 Mampaey公司的Dock-Locking系統(tǒng)Fig.3 Mampaey's Dock-locking System

3.2 有系泊纜方式的自動系泊系統(tǒng)

這類系統(tǒng)立足于現(xiàn)有纜繩系泊方式，通過調節(jié)纜力或纜繩性能實現(xiàn)改善船舶系泊條件，如碼頭兩端布設船用雙筒電動系泊絞車[11]，或是利用緩沖吸能組合纜技術以均衡由風浪流等環(huán)境動荷載引起的船舶系纜力[12]。隨著自動調節(jié)張力的控制技術日趨成熟，研發(fā)能夠適應復雜海況的恒張力絞車使得船舶系泊控制成為現(xiàn)實，采用恒定范圍張力系統(tǒng)進行系泊作業(yè)的優(yōu)點是可以將系泊纜繩張力控制在一個固定范圍內，從而確保纜繩絕不發(fā)生斷裂，通常這個固定范圍遠小于纜繩的許用張力[13]。

2014年荷蘭皇家帝斯曼集團的ShoreTensionR開發(fā)一種獨立的液壓控制系泊系統(tǒng)，其不需要外部供能，通過吸收在風浪中移動的船舶能量并儲存起來，在放松系泊纜索時將其存儲于內部。當高峰負荷結束時，系統(tǒng)用存儲的能量收回纜索，恢復初始狀態(tài)。該系統(tǒng)不需要任何外部能量，所以能夠提供一種有效的、可持續(xù)的系泊解決方案。TRELLEBORG公司也研發(fā)類似的裝置DynaMoor系統(tǒng)，該裝置結合了其快速釋放掛鉤與創(chuàng)新的恒張力系統(tǒng)，以平衡船舶系泊索上的載荷，使系泊更加安全可靠。

麥基嘉公司（MacGregor）的MOOREX自張緊系泊裝置，該系統(tǒng)可安裝在碼頭或船上，以最佳的繩索角度和縱向位置，使船舶在復雜的天氣和潮汐條件下也能安全地系泊在縱向和橫向船舶上。該裝置安裝在船的一側，并將相應的系泊系柱設置在船的側殼中。該系統(tǒng)可增加系泊能力，保持系泊繩的恒定張力，并保持船舶的位置?？梢栽诙虝r間停靠的港口進行快速系泊作業(yè)，減少了船員對船只可能移動的監(jiān)督。其控制絞車具備自動化和遠程控制功能，有電動和液壓驅動2種，能夠承受從最高運行溫度到最低運行溫度的最極端環(huán)境條件，能夠根據(jù)船舶和甲板機械的可用空間，為每一種類型船舶提供各種系泊應用。

3.3 自動系泊的仿真研究

目前港口船舶的自動系泊作業(yè)系統(tǒng)相對較新，沒有太多理論性研究成果可詢，相關研究性文獻也極少。由于智能系泊系統(tǒng)涉及流固耦合場力與機器人控制的多體動力系統(tǒng)建模復雜，通常采用理論簡化、數(shù)值仿真或模型試驗的方法來獲得經(jīng)驗性的結論。Terblanche等[14]利用Delft Quaysim模擬了MoorMasterTM200型自動系泊系統(tǒng)，得出系泊船舶運動顯著減少的結論。de Bont J.[15]通過數(shù)值解算的方法驗證了MoorMasterTM系泊系統(tǒng)對船舶水平運動的抑制效果?？铝秩A以AutoMoor構型為例，開展了某港自動系泊系統(tǒng)結構設計及有限元計算分析。曹凱平等[16]根據(jù)自動系泊系統(tǒng)的受力特點假定力學模型，推導出自動系泊系統(tǒng)的簡化受力計算方法。趙鐵石[17]、丁實興[18]等基于雙并聯(lián)欠驅動系泊機器人進行了數(shù)值仿真計算與試驗驗證，通過自動調節(jié)系統(tǒng)阻尼研究對碼頭船舶水平方向3個自由度運動量的影響。

4 展望

港口船舶實現(xiàn)自動化系泊作業(yè)將具有更加安全、經(jīng)濟、環(huán)保、高效的特點，也更加符合“智慧、綠色、安全”的港口發(fā)展理念?？v觀我國，水運交通發(fā)達，港口設施現(xiàn)代化推進很快，從無人化的全自動集裝箱碼頭的推廣與普及看，智能化的自動系靠泊系統(tǒng)開發(fā)應用也將快速發(fā)展。由于自動系泊系統(tǒng)具有技術復雜度高、價值量高的特點，是推動我國船舶、海洋與港口產(chǎn)業(yè)轉型升級的重要方向之一，對推動行業(yè)的技術進步和轉型發(fā)展具有重要意義。未來相關研究將逐步向著模型一體化、控制智能化、靠系泊全程化與實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

1）模擬仿真技術的提升，由于整個系統(tǒng)涉及船舶、碼頭和機械機構，研究者往往側重在不同角度建立數(shù)學模型，如船舶運動、機構運動仿真、荷載有限元分析等，但缺少綜合船、岸、系泊機構三體耦合的動力系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。如何將碼頭岸壁效應、船舶運動響應等因素予以考慮，將是未來完善構建港口船舶自動系泊系統(tǒng)仿真模型的重點。

2）控制智能化，港口船舶系泊作業(yè)屬于實踐性很強的工程任務，利用人工智能算法復制人類系泊操作的經(jīng)驗，是實現(xiàn)自動系泊的研究方向?；谀：刂扑惴軌蜉^好地模擬人工系泊時的思維與決策，構成模糊控制的規(guī)則庫，由于實際作業(yè)的影響因素眾多，對應的規(guī)則將十分復雜，如何概化出實用的模糊規(guī)則將是未來開展人工智能訓練的關鍵。

3）靠系泊全程化，船舶在貼近碼頭的過程中，如果自動化系泊系統(tǒng)還能夠輔助船舶靠泊，將極大地提升作業(yè)效率。因此結合船舶在泊位外穩(wěn)定后平行靠攏到一定程度，自動系泊系統(tǒng)能夠主動吸附船舶并拉至系泊位置后穩(wěn)固船舶，實現(xiàn)靠系泊全程化，這將對系統(tǒng)的整體機構行程、荷載能力的設計提出新的要求。

4）實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，建立與完善港口船舶自動系泊系統(tǒng)研究理論體系，結合港工設計規(guī)范的船舶與碼頭相關荷載計算方法的修編以及檢測評估指標的建立等，隨著研究的深入，上述問題也必將成為自動系泊系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化研究的方向。

5 結語

本文針對國內外港口船舶自動系泊系統(tǒng)的研究發(fā)展與應用情況，按照有系泊纜和無系泊纜進行了分類梳理與總結，提出了目前研究工作面臨的難點現(xiàn)狀，并展望船舶自動系泊系統(tǒng)研究的模型一體化、控制智能化、靠系泊全程化與實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展的研究趨勢。通過拋磚引玉，相信隨著自動系泊理論、仿真模型和樣機測試的不斷深入，我國自主研發(fā)的港口自動系泊系統(tǒng)將得以實現(xiàn)。