船舶自动系泊系统最新发展

智能船舶的发展已经成为世界范围内船舶工业和航运领域发展的热点，实现船舶智能化的最后一步就是实现船舶自动系泊，磁力式自动系泊与真空式自动系泊因其独特的优势被认为是最具应用前景的两种自动系泊技术。下面从原理、优缺点、产品等方面详细介绍磁力式自动系泊系统与真空式自动系泊系统，并与传统的缆绳系泊进行对比。

自动系泊是船舶完成自动靠泊控制后的重要步骤。传统的船舶系泊方式是用钢丝或尼龙缆绳将船舶固定在码头上，系泊作业时需要一定数量的带缆工人或带缆艇。这种依靠系缆工人的传统系泊方式，工作强度大、效率低、环境差，作业难度大，存在脱缆、断缆等安全隐患。近几十年来，海上运输的发展趋势是增加船舶尺寸和专业化码头的作业，这意味着离岸港口和系泊系统必须面对更具有挑战性的风、浪、流等条件。自动系泊技术的应用将极大地改善码头工人带缆、系缆的工作强度，解放生产力，让航运全程无人化的步伐再次向前迈进一步。在目前的科技水平下，磁力式自动系泊技术与真空式自动系泊技术被认为是实现自动系泊系统的两种主要技术手段。缆绳系泊、磁力式自动系泊与真空式自动系泊如图1所示。

图1 缆绳系泊、磁力式自动系泊与真空式自动系泊

磁力式自动系泊

1.工作原理

磁力式自动系泊系统由基座、控制箱、机械臂、液压缸、磁力吸盘、位移传感器与三向力传感器组成。船舶靠泊过程中，位移传感器测得其位置，经控制箱计算后，自动控制各液压缸，从而控制机械臂和磁力吸盘对船舶进行减震和系泊。系泊过程中，由三向力传感器测量船舶所受横、纵、垂向力的大小，经控制箱控制液压缸调整机械臂的位置，从而抑制船舶运动幅度和速度。两个系泊装置为一组，在船舶首尾各设一组，排水量大的船舶可增加组数，实现自动系泊。该装置结构简单，节省空间，系泊速度快，效率高，有效抑制船舶运动并避免船舶和码头的碰撞，提高安全性。

磁力式自动系泊主要原理在于其对磁力吸盘的使用。磁力吸盘有电磁式和永磁式等多种型式，而永磁式磁力吸盘按照退磁方式，又可以分为机械退磁、电力退磁和机械电力复合退磁的永磁式磁力吸盘。磁力吸盘是系泊装置的关键部件，正确选用合理型式，直接关系到船舶的安全。电磁式磁力吸盘在被系物(码头、船舶等)上使用时，需要电力才能产生磁力，在船舶停泊时，需要长时间通电才能保持磁力达到系泊要求，因此，这种形式的磁力吸盘经济型与可靠性较差，在出现电力故障时会失去系泊作用，所以不能在被系物上使用。

从考虑船舶安全的角度出发，应当采用机械电力复合退磁的永磁式磁力吸盘。这类磁力吸盘在不通电时具有额定的吸力，保证船舶的正常系泊。因此船舶在靠泊时，如遇特殊情况，吸盘的额定吸力不足以固定船舶时，可以通过控制设备反向通电，增加吸力，从而确保系泊安全。正向通电时，吸力消失，使船舶离泊。在某些危急情况下，船舶必须和被系物及时分离，而被系物又不能提供退磁电力时，能够通过机械(即人工)方式迅速退磁。磁力吸盘产生电磁场将用于船舶系泊，当船舶停靠在码头上时，船首被引导至两个凹陷松弛结构之间的码头登陆桥。

对于磁性系泊可能产生的有害性磁场，可使用磁性挡板等防止磁场损坏船上设备或系统。磁性挡板是一种有助于降低电磁铁磁场的超厚高效磁性合金板，特别为电路产品、并行计算机用户以及任何需要在墙上使用平面屏蔽材料的情况而设计，能提供卓越的屏蔽效果。尽管使用磁性挡板被认为是有潜力的磁场保护措施，然而在每艘钢制船舶的每个部分安装磁性挡板是难以实现的，如何合理地布置磁性挡板仍需进一步优化。

2.优缺点

相对于传统的缆绳系泊而言，磁力自动系泊具有显著的优点，如表1所示。

表1 磁性系泊和带绳系泊的优缺点对比

(1)主要优势

节省时间：系泊过程耗时减少，提高操作效率；

降低成本：无需配备系泊缆绳；

安全性高：使用磁力系泊，员工将在更安全、更高效的环境中工作；

减少人力：在船舶系泊期间，只需少量监控室人员协助。

(2)缺点和不足

磁力吸盘会产生强大的磁场，对船上的导航仪器等磁力设备产生巨大影响甚至造成损坏；在磁场作用下，作为大型钢结构的船舶也将成为感应磁铁，并对含有铁、镍等物质的货物产生吸引，甚至会导致货物位移以及货物与船壳的碰撞，除非造船材料发生变化，否则此影响无法消除，磁力自动系泊系统自身的优缺点如表2所示。 

表2 磁力自动系泊系统自身的优缺点

3.典型磁力自动系泊产品介绍

荷兰的Mampaey海洋工业公司致力于提供先进的集成牵引、系泊和靠泊系统，能为任何特定的综合停泊(停靠)和停泊要求提供最完整的产品和服务套件imoor系统(如图2所示)。Mampaey公司推出了自动磁力系泊系统(如图3所示)。该公司自动磁力系泊系统将能够在船对船或船对岸的情况下提供一个完全自动化的系泊过程。

图2 荷兰Mampaey公司imoor系统

图3 Mampaey电磁式自动系泊装置系统

Mampaey公司的磁力式自动系泊品已经在油轮、渡船上安装并进行了广泛的测试和应用(如图4所示)。Mampaey公司开发的智能系泊系统iDL是世界上第一个磁性停泊系统，它的成功应用使得渡轮停靠所需时间减少至10s。该系统由两个液压控制的手臂组成，每个手臂的末端都有一个磁板，尺寸约为1500×1500毫米，能将渡轮固定在码头。这种停靠方式降低了发动机的使用频率，减少了碳排放，节省了燃料，有助于环境保护。磁板由荷兰的Goudsmit Magnetics公司开发，每块磁板能提供8000公斤的吸引力，在液压机械的控制下，磁板能够抑制船舶运动，并将其牢牢固定。

图4 Mampaey电磁式自动系泊装置在渡轮上的应用

真空式自动系泊

1.工作原理

真空式自动系泊利用真空和液压技术消除对系泊缆绳的需求，从而提高靠泊过程的效率。通常情况下，船长将船沿码头对齐后，由拖轮将其推到防撞垫上。船舶因防撞垫的作用而反弹，这时自动系泊系统就会启动。大型真空垫附着在船体上，仅需按下驾驶台上的按钮，或通过码头上的遥控器就可以令其启动并接合。连接上真空垫后，在10-20秒后就能实现真空且完成船舶与系统的连接，船舶系泊作业所需的时间大大减少，且允许提前开始装载和卸载等操作。相反，要释放真空垫，只需按一下分离按钮即可。

真空式系泊系统通常由多个真空垫及辅助系统组成，可在几秒钟内对船舶进行真空处理。大型真空垫通过液压三轴臂吸附在船体上，真空垫和液压系统内设置了不同传感器，以实现系统能持续补偿船体的运动，并自动对船体的位置进行调整。传感器不仅不断提供着当前的信息，也提醒着用户不断变化的条件和潜在的或发展中的问题：真空垫中的传感器提供了有关真空百分比及对船舶作用力的信息，而液压系统中的传感器则提供有关船舶运动的信息。所有信息都会显示在驾驶台的计算机上。

真空式系泊系统的运行需要适度且持续的电力供应。如果没有可靠的电力供应，可以安装小型备用发电机，真空式系泊实例如图5所示。

图5 真空式系泊实例

真空式自动系泊系统可按真空垫布设位置分为两种布置形式，即船端布置和岸端布置。这两种布置形式各自有其优势。

岸端布置：真空垫系统及其液压装置被安装在码头上，此种型式不需要对船舶进行额外的改造，只需要保障有稳定的电力供应和安全的地基。

岸端布置最大的优势是，液压系统能最大限度地发挥其能力，系泊系统的动态跟随性能良好，并能使真空垫沿垂直、对角线和水平方向移动。因此，岸端布置可用于潮汐运动较大和天气较为恶劣的港口。

船端布置：在船端布设真空垫的最大好处是，船舶可以在没有岸端布置所需基础设施（稳定供电）的港口系泊，只需提供一个稳定的地基和一块大钢板供船上的真空垫吸附即可。

2.优缺点

表3 真空式自动系泊系统自身的优缺点

3.典型真空式自动系泊产品介绍

瑞士的Cavotec作为一家全球性的工程集团，在港口与海运领域，主要为港口起重机和船舶等设备的电气化和自动化提供相应系统。该公司生产的Moor Master真空系泊设备在多个港口得到了较广泛的应用。

● 轮渡

Cavotec为各种滚装船和渡轮应用提供MoorMaster自动系泊系统，减少了系泊时间，且降低了其巡航速度。系泊时间的缩短也相应地减少了燃料的消耗以及码头上的空气和噪音污染。在受潮汐和天气影响较大的港口，该公司的真空式自动系泊可确保操作安全可靠。

● 电动船舶

MoorMaster自动系泊系统可在几秒钟内系泊船只，将船只保持在适当位置以进行安全充电，并允许船舶关闭推进器，从而大大降低其能耗。挪威最大的杂货经销商ASKO就选择了该公司的New MoorMaster NxG实现了世界上第一艘全电动和自动驾驶船舶自动系泊。

● 集装箱船

MoorMaster自动系泊系统缩小了集装箱船与当今高度自动化设施之间的技术差距，并且逐渐被视为全自动港口设计的一部分。这种系泊系统甚至可以在几秒钟内保护容量超过20,000标准箱的超级巴拿马型船舶，使装载操作能够更快地开始。

● 散货船

MoorMaster自动系泊系统已在澳大利亚和欧洲的主要散货码头运行了十多年。这套系统在提高了安全性与生产力的同时，也减少了对基础设施投资的需求。

● 船闸

MoorMaster自动系泊系统正在彻底改变船闸的操作：缩短锁定时间、消除危险的缆绳处理操作、提高安全性并提高船舶吞吐量。

● 船间系泊

由于缺乏避风港等情况，将船舶系泊在一起通常会面临额外挑战。而使用 MoorMaster自动系泊系统，系泊时间减少到一分钟以内。且系泊过程完全安全。

MoorMaster自动系泊系统在轮渡、电动船舶、集装箱船、散货船、船闸及船间系泊上的应用如图6所示。

图6 MoorMaster自动系泊系统的应用

综上所述，就目前系泊情况而言，磁力式自动系泊与真空式自动系泊都是非常好的系泊替代方案。它们打破传统系泊模式，无需系泊缆绳，都可通过远程遥控在数秒钟内完成系泊，具有安全、可靠、经济、高效等优点，节约了人力的同时，提高了码头的使用率。

在两种自动系泊系统中，为确保系统的正常运行，需为其配备持续稳定的电源，为确保吸盘能够与船舶外舷紧密贴合并随着船舶动态小幅运动，都需要有高精度的位移传感器、压力传感器和精确的控制系统及能够提供足够吸附力的吸附单元，与传统缆绳系泊相比，船舶所受系泊力的位置由甲板上的系缆桩变为了舷侧外板，此处在进行船舶结构强度设计时需进行相应加强。

此外，使用磁力式自动系泊时，磁力吸盘产生的磁场会对船上的磁力设备产生一定的影响。

使用自动系泊系统替代传统缆绳系泊系统将增加港口建设成本，但是从长远来看，无论是磁力自动系泊系统还是真空式自动系泊系统都能提高港口使用率和系泊效率，降低人员成本，从而为港口产生可观的经济效益。

作者：沈文何 段雨萱 万高 刘佳仑

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本文来自：中国船检