论文专区▏无人水面测量艇技术研究(一)：船型及推进方式设计

【编者按】目前，无人水面舰船代表了海洋测量装备自动化、智能化的发展趋势，是海洋测量技术研究的热点。针对浅水区域水下地形复杂、暗礁众多、涌浪较大的特点，对无人水面测量艇水深测量技术进行研究，涉及的关键技术包括船型及推进方式设计、测量设备加装测试、无线数据传输功能、测量艇吊放回收技术等，本文主要围绕船型及推进方式展开研究，提出三体喷水推进无人水面测量艇设计方案，基于该方案实现的测量模式具有很强的机动性和高效性，必将极大地提高测量部门在浅水区域水深数据的快速获取能力。本文发表在《海洋测绘》2016年第2期上，现编发给朋友们阅读了解。黄贤源，1982出生，男，福建泉州人，工程师，博士，主要从事多波束水深测量数据处理研究。

文/黄贤源 陆秀平 邓凯亮 暴景阳 黄辰虎 陈长林

一、引言

海底地形测量是海洋测绘最基本的任务之一，也是海洋环境场建设的重要组成部分，特别是岛礁周边浅水区域的水下地形资料在建设海洋工程、开发海洋资源、发展海洋科学以及维护海洋权益等诸多方面都发挥了极其重要的作用^[1]。目前，岛礁周边浅水区域的海底地形信息快速获取手段过于单一，主要依赖大型测量船携带的测量艇或者租用地方渔船安装单波束测深仪或多波束测深系统进行测量作业，这种作业模式对测量人员的体力消耗大，安全隐患突出，并且因船只吃水的原因，通常需要选择高潮期间实施作业，导致作业效率不高。为了解决传统作业模式的弊端，提高测量作业效率，国内外多家研究机构相继提出了多种解决方案，如多光谱遥感技术^[2]、微波遥感技术^[3]、机载激光技术^[1,4]对岛礁周边浅水区域进行水深测量，上述几种方法不仅存在设备引进价格昂贵的问题，对普通作业单位而言并不具有可行性，而且多光谱遥感测深技术置信范围受限，无法满足海底地形测量的精度要求，而微波遥感测深技术必须要有较为理想的海流和风速支持，目前的技术尚未完全成熟。

在现代海洋高新技术的介入和支撑下，出现了许多新的探测手段，特别是以无人水面舰船(USV)为代表的各种无人搭载平台，在未来海洋环境场建设中扮演越来越重要的角色^[6]。为了快速、高效地实现浅水区域水深测量，国内外多家科研单位开展了无人水面测量艇的研制和试验，通过搭载测深设备实现海底地形测量，国外比较具有代表性的有英国ASV无人水面船公司、美国SeaRobotics公司，国内主要以武汉楚航测控科技有限公司、武汉劳雷绿湾、国家海洋局等科研单位为主。无人水面测量艇在岛礁周边等浅水区域水深测量的机动性和高效性特点，将极大地提高测量部门在岛礁周边等浅水区域水深数据的快速获取能力。

二、无人水面测量艇总体结构设计

基于无人水面测量艇的水深测量技术，从本质上对传统的测量手段进行了升级。通过在无人水面测量艇加装高精度GNSS定位设备、双频测深仪或多波束测深系统、浅水侧扫声纳等测量设备，测量人员在岸边或母船上，通过无线数传实现对无人测量艇的操控，进而达到浅水区域水深测量全过程的自动化、信息化、智能化，不仅可降低作业环境条件要求，而且可显著提高工作效率。

无人水面测量艇根据其设备分布可以分为两大部分：无人水面测量艇（船台部分）和控制无人水面测量艇的主控站（岸台部分）。无人水面测量艇用来外出执行任务，是由无人水面艇的艇体及其搭载的所有设备组成的集合。主控站部分即位于岸上或船上的指挥与控制系统。除去船体及辅助结构部件模块，根据功能设计，无人水面测量艇可分为以下几个组成模块，包括船台采集子系统模块（含GNSS、北斗导航定位模块）、串口转网口服务器模块、航行子系统模块、能源子系统模块、避障系统模块、通讯子系统模块、岸台采集子系统模块，见图1。

船体及辅助结构部件是最基本的组成部分。船体作为无人水面测量艇所有设备的搭载平台，必须确保设备的安全，同时其选择对无人水面测量艇的操控性能和可实现的功能有着较大的影响；航行子系统主要对无人水面测量艇的航向和航速进行实时控制，以实现无人水面测量艇的航行功能，具体设备包括发动机、舵机；能源模块提供测量艇所需能源，包括燃料箱和电池组；避障系统实现无人测量艇智能避障，主要包括视频监控、船用雷达和激光测距仪；船台采集子系统采集各种测量设备的数据并与串口转网口服务器对接，经过通讯子系统模块，实现船台与岸台的数据传输；岸台采集子系统用于接收船台发送的数据信息，并对船台测量设备进行实时监控，调整相关参数信息。

三、无人水面测量艇船型及推进设计

岛礁周边海况恶劣，暗礁众多、涌浪较大，因此在岛礁周边浅水区域实现水深测量，对无人测量艇的船型及推进方式设计要求严格。前期研制成功的小型无人水面测量艇测试平台，其船型选用轻型高强度组合式复合材料，同时采用双层双体保护设计，经过海上试验表明，在海况恶劣、涌浪较大的海况条件下，双体的船型结构仍然无法保证测量船的稳定性。三体船是以军事应用为目的而发展的一种新船型，起步迄今不过20年，该船型结构是对常规单体船、双体船的一次新船型革命，选用三体船型结构作为无人测量艇的设计船型可以增强船体的稳性和耐波性^[7-10]。

⒈ 三体船稳性和耐波性论证

国内已有无人驾驶多功能海事船的研制和试验表明，三体船在稳性、耐波性等方面具有以下优势^[9]：

⑴三体船横摇、纵摇幅值具有更好的稳定优势

三体船在对航行安全比较重要的横摇幅值方面与常规船型相比具有较大的优势，在对设备稳定工作比较重要的纵摇自由度上也有一定的优势。

⑵辅助船体安装位置对三体船耐波性有较大影响

辅助船体安装位置影响三体船的重量分布，而重量分布对三体船的固有周期有较大影响，从而影响其一定波浪环境下的耐波性。

⑶三体船耐波性能对重心高度不敏感

由于三体船的横稳性、纵稳性均比常规船型要高一个数量级，因此即使三体船的重心高度的改变会对船舶稳性产生变化，但影响很小，对三体船的运动响应影响也很小。

⒉ 无人测量艇动力及船型结构设计

为满足3级海况作业、4级海况安全航行的要求，兼顾运输的便利性，研制的无人测量艇采用长约3.6米的排水型无人船作为测量设备载体进行三体设计。设计的总体要求：船体采用高强度玻璃钢材料，载重200～300kg，具有手控及自治航行能力。

针对总体要求，设计的三体船主体长3.6m，宽0.9m，高0.5m，排水体积约占总排水体积的90%，两侧并肩各有一个大小相同的辅助船体，长1.9 m，宽0.4m，高0.25m，距离主体船的间隔为40cm，通过不锈钢杆与主体船进行连接，辅助船体严格按照论证的要求进行安装，位置距船尾1.2m，确保三体船具有良好的稳性和耐波性。见图2。

测量艇整体采用高强度的玻璃钢材料制作而成，如图3所示，整体吃水恒定在40cm左右，主体船设计三个舱室，整体的布局从左至右分别为发动机舱、油电舱和设备舱。无人测量艇使用柴油发动机作为测量艇的动力形式，同时为了保证发动机24h连续正常工作，采用闭环水冷的冷却方式进行降温散热；燃油箱容量设计为60L，保证测量艇在匀速6kn的情况下，续航能力达到8～12h。

⒊ 无人水面测量艇推进方式设计

浅水区域的海底地形多为硬底质礁石，电机螺旋桨推进方式并不合理，容易损坏电机、刮伤螺旋桨，同时在渔网密布的浅水区，电机螺旋桨容易出现拖挂现象。为了解决该难题，目前的技术方案可以采用涵道风扇螺旋桨^[7]推进或者喷水推进装置。

喷水推进装置是一种新型的特种动力装置，与常见的推进方式不同，喷水推进器是用水泵作动力，将水从船底孔吸入，经舷部管子，把水从船后方向排出，靠水的反作用力来推进船舶，并通过操纵舵及倒分配和改变喷流的方向来实现船舶的操纵^[8]。喷水推进器的特点：一是操纵性能好，机动性强，装有喷水推进器的船舶，可以方便的转向；二是喷水推进器不受吃水影响，可在浅水水域航行。

三体无人测量艇推进方式设计的总体要求：主推采用柴油动力，满载最高航速6～10kn，续航时间约8～12h（匀速6节），辅推采用蓄电池驱动的双电机方式，满载最高航速2～4kn，续航时间约8～12h。

针对总体要求，设计的三体无人测量艇主推采用带有倒车斗的单级轴流喷水推进方式，喷泵与发动机的匹配功率是10km/6000rpm，考虑设备用电功率，为达到理想的推进效果，选取功率为12kw/3000rpm的柴油发动机作为动力方式^[11-12]，并设计一倍增速传动机构，使喷泵的转速达到匹配功率6000rpm的要求，预计三体船的总重约500kg，满载最高航速预计在6～10kn。为了确保发动机可以长时间工作，在原水箱外层包裹了一个带加压泵的开环水冷系统，加压泵工作由船控软件根据发动机实际温度进行控制，使内水箱保持在发动机最佳工作温度范围。

在主推失效的情况下，为了保证无人测量艇能够正常工作，在辅助船体的尾部加装螺旋桨，实现电螺旋桨推进，同时为了防止在测量过程中出现拖挂现象，在螺旋桨的外围仿造涵道风扇螺旋桨的形式加设了一套保护圈。螺旋桨推进采用12V蓄电池供电，满载最高航速预计在2～4kn，其主要作用是保证无人测量艇在主推出现故障的情况下，可以通过螺旋桨推进的方式实现返航。

四、无人水面测量艇水深测量试验

为验证三体喷水推进无人水面测量艇进行水深测量的可行性，选择在天津海景游艇俱乐部码头的水域进行湖试试验，试验区位置和测线分布示意图见图4。测试试验区交通便利，试验码头方便无人水深测量艇吊放回收，同时试验区的水域宽阔，试验天气晴朗，气象条件良好。为了全面测试无人水面测量艇的各项性能及功能，测线布设采取灵活布设的方式，测线应留出足够的延长线，保证无人测量艇自主上线的要求，至于测线与测线的间距不做特殊要求，保证测量艇正常航行即可。

⒈ 试验过程

三体喷水推进无人测量艇重约500kg，为了试验吊装方便，在双排卡车上固定安装可360度自由旋转的车载小吊机，吊机工作电压24V，起吊重量500kg。小吊机的底座采用螺丝固定安装于双排卡车底板，并加可自由伸缩调节的钢管，钢管用U型扣固定安装于双排卡车底板，起到增加吊机稳定性的作用。吊装过程中，将三体测量艇按照主体船体及两侧辅体进行分别吊装，为防止起吊钢丝绳受力产生旋转的扭力，应保证起吊过程缓慢，并在船艏和船尾处对测量艇的平衡性进行控制。

现场进行联机调试完毕之后，即可对三体喷水推进无人测量艇进行船体载重航速测试、喷水推进性能测试、电螺旋桨推进性能测试以及左右回转半径稳定性测试。

无人水面测量艇动力推进设计的指标要求：主推满载最高航速6～10kn，续航时间约8～12h（匀速6kn），辅推满载最高航速2～4kn，续航时间约8～12h。经过实际的水深测量试验，得到具体测试结果：主推满载最高航速6.5kn，续航时间为10h；辅推满载最高航速2.5kn，续航时间为10h，均达到设计指标要求。

⒉ 试验结论

在调研分析的基础上，对无人水面测量艇的船型及推进方式进行了设计，并进行了实际的水深测量试验，结论如下：

⑴基于无人水面测量艇的浅水区域水深测量技术，是对传统测量方法的一次全方位的升级，该模式不仅改善了测量人员的作业环境，提供了人身安全保障，而且极大的提高了测量作业效率。

⑵在水深测量过程中，无人测量艇的三体设计可以增加船体的稳性和耐波性，更适合在岛礁周边浅水区域进行水深测量，经测试无人测量艇能快速平稳的在原地进行左右转弯回旋。

⑶喷水推进方式的设计，使得无人测量艇受吃水影响较小，更适合在浅水区域航行。两侧辅助船体加装的电螺旋桨，保证无人测量艇在主推出现故障的情况下，可以通过螺旋桨推进的方式实现返航。

五、结束语

在岛礁周边浅水区域利用单波束测深仪或多波束测深系统进行海底地形测量作业，由于受到船体整体吃水的影响，以大中型舰船为载体的海底地形测量技术无法在该类水域内进行作业，而租用地方小型渔船安装单波束测深仪或多波束测深系统进行测量作业的模式，人员劳动强度大、安全性差、作业区域制约因素多、作业效率低下，无法满足快速、高效海底地形测量的需求。通过在无人水面测量艇载体上加装高精度GNSS定位设备、双频测深仪、浅水侧扫声纳等测量设备，即可实现浅水区域的水深测量，该测量模式的机动性和高效性，必将极大提高测量部门在浅水区域水深数据的快速获取能力。测量艇的船型及推进方式设计是浅水区域水深测量技术实现的基础，后续文章将对无人测量艇加装的测量设备、无人测量艇吊放回收技术进行详细介绍。

参考文献

[1]翟国君,王克平,刘玉红.机载激光测深技术[J].海洋测绘,2014,34(2):72-75.

[2]黄文骞,吴迪,杨杨,等.浅海多光谱遥感水深反演技术[J].海洋技术,2013,32(2):12-15.

[3]许静.闽江下游干流水深遥感与河道演变分析[D].福建师范大学，2009.

[4]翟国君,黄谟涛,欧阳永忠,等.机载激光测深系统研制中的关键技术[J].海洋测绘,2014,34(3):73-76.

[5]陆秀平,边少锋,叶修松,等.机载激光测深精度外部检核方法[J].海洋测绘,2011,31(2):1-3.

[6]陈强.水下无人航行器[M].国防工业出版社,北京,2014:1-5.

[7]孙丽娜,詹成胜,冯佰威,等.三体船侧体布局及型线优化设计研究[J].船舶工程,2015,29(1):50-52.

[8]姚迪,卢晓平,王毅.三体船横摇模型试验及其特性分析[J].中国舰船研究,2010,5(4):25-28.

[9]杨赵华.高速三体船结构型化设计研究[D].武汉：武汉理工大学,2008.

[10]李培勇,裘泳铭,顾敏童,等.三体船阻力模型试验[J].中国造船,2002,43(4):80-83.

[11]吴元芝,杨传华,林晨光,等.设计航速下无人遥控测量船主机功率计算及选型[J].南京工程学院学报.自然科学版，2012，10(2):77-80.

[12]刘炜,应荣熔,闻虎,等.瘦型船浅水阻力及主机功率的一种实用计算方法[J].航海技术,2009,10(5):53-56.

■论文专区的文章均为在《海洋测绘》上刊发的论文，若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。

相关阅读推荐：