王涌 韓東 苑志江 蔣曉剛

摘要：錨鏈振動特征檢測研究旨在解決艦船走錨預警問題。利用專門實驗裝置模擬艦船走錨過程，實時檢測錨鏈振動加速度，并采用Matlab編制的專用程序對進行耦合計算等處理，進而得到錨鏈振動特征值并輸出相應的曲線圖形。實驗結果表明：在錨鏈繃緊、錨翻出底土、跳錨、走錨等狀態下，錨鏈振動頻率會發生突變。相同錨泊環境下，底質、船重一錨重比、鏈重均對錨鏈振動特征有影響：錨鏈振動頻率突變極值越大巨次數越多時，艦船越難走錨;泥沙底的突變頻率平均極值為砂礫底的1.1～1.4倍;隨著鏈重的增加，錨鏈振動平均頻率和突變頻率平均極值均隨之增大，艦船從正常錨泊演變到走錨的時間變長，錨鏈振動頻率突變的次數也越多。結論可為艦船錨泊安全狀態監測及走錨預警深入研究提供參考依據。

關鍵詞：安全;艦船;錨泊;走錨;振動頻率

中圖分類號：U675.92 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0159-05

收稿日期：2018-10-23;收到修改稿日期：2018-12-24

作者簡介：王涌（1974-），女，山東濰坊市人，講師，博士，主要從事軍事航海安全保障方面的研究。

通信作者：苑志江（1983-），男，河北邢臺市人，講師，博士，主要從事艦船安全防護方面的研究。

0 引言

艦船錨泊安全受風、浪、流等海洋環境因素的綜合影響，在惡劣海況條件下走錨風險通常顯著增大。如值班人員不能準確判斷和及時發現走錨，極易引發碰撞、觸礁、擱淺等次生事故，因而走錨的判斷和預警始終是錨泊安全領域研究的熱點[1-6]。錨鏈作為錨泊系統的重要組成部分，其底端所受錨泊力和頂端所受艦船外力間的平衡狀態直接影響艦船錨泊安全。諸多學者從這一視角開展了走錨判斷及預警研究[2，6-7]，但海洋環境要素影響的動態性和復雜性，使得實時獲取精確應力信息的難度加大，現有研究多局限于理論分析和模擬仿真層面，難以付諸實際工程應用。鑒于錨鏈所受應力變化將外化為其振動頻率等的變化[8-9]，本文擬開展錨鏈振動特征的檢測實驗，并探究其與艦船走錨的關系，以期用于錨泊安全狀態監測。

1 實驗原理

錨鏈兩端分別連接著錨和船體，按其狀態通常可分為鋪底段和懸鏈段兩部分。鋪底段是指直接鋪放在海底與錨連接的錨鏈，其摩擦力和錨抓力共同提供了艦船錨泊力[10]。懸鏈段是指懸垂于海水中的錨鏈，艦船所受外力作用于其頂端，在風浪流等海洋環境要素的作用下，其所受應力呈現動態變化[11]。懸鏈段與鋪底段的分界點將隨艦船所受外力、錨鏈渦激升力、水深和海流流速等的改變而改變。

艦船正常錨泊時，懸鏈段通常呈自然懸垂狀態，其振動主要因海流的渦激升力而產生。當艦船所受外力增大時，懸鏈段所受應力隨之增大因而不斷張緊，可能將鋪底段前端拉起而成為懸鏈段的一部分，進而引起鋪底段應力的相應變化。當鋪底段長度減小為零時，整個錨鏈被神直呈現繃緊狀態并伴隨劇烈抖動，此時將發生跳錨、拖錨、走錨等現象。這一演變過程中，錨鏈因所受應力變化而呈現出從自然懸垂→拉伸抻直→繃緊抖動的狀態變化，本文擬借助技術手段檢測錨鏈的振動頻率和幅值變化，進而探究錨鏈振動特征與艦船錨泊狀態的對應關系。

2 實驗環境的構建

為開展錨鏈振動特征檢測實驗，設計制作了原理性實驗裝置，主要包括模擬錨泊環境、實驗船模及模擬錨設備、振動特征檢測裝置三部分。

2.1 模擬錨泊環境

模擬錨泊環境由錨泊水域、模擬流場和模擬風場三部分構成。

錨泊水域采用6.0m×0.4m×0.5m的循環水池構成，在其底部沉入2.5m×0.36m×0.1m的鐵皮槽，用于盛裝泥沙等來模擬錨地底質。

模擬流場由定向流場和湍流場混合而成。定向流場借由循環水池的自身功能獲得，即通過調節水池進水和出水速度以獲得不同的流速。湍流場借由水池內適當位置安放的潛水泵形成，其與定向流場相混合，模擬出較為接近實際海況的流場。

模擬風場時，將電風扇置于循環水池附近的合適高度，以提供風速恒定風向規律變化的風場，同時配合使用1600r/min的大功率電吹風形成特定風向的瞬時強風。

2.2 實驗船模及模擬錨設備

實驗船模及模擬錨設備的選取需要考慮錨的類型、船模尺度縮比、船重：一錨重比、錨重一鏈重比等因素的影響。

目前艦船配置的錨主要有霍爾錨、斯貝克錨、AC-14錨等類型。鑒于霍爾錨抓重比相對較小、工藝簡單、結構合理等特點，定制了兩個分別重100g和40g的模型用于實驗。

限于水池條件等，實驗船模難以同時滿足船模尺度縮比和船重、錨重、鏈重之間的比例關系。實驗中，選取縮比為1：115的遙控驅逐艦模作為船模，并通過加載配重來調整船重。根據水池的深度，確定了統一的錨鏈長度，通過選用不同材質來改變錨鏈質量，并配合不同質量的霍爾錨模型，以探究船重一錨重比對艦船走錨的影響。同時，考慮到船模受風面積較小，在船模前部加裝擋風板增大其受風面積，以實現走錨的模擬。

2.3 振動特征檢測裝置

振動特征檢測裝置主要包括數據采集模塊和數據處理模塊。

數據采集模塊由傳感器模塊、單片機模塊和LCD顯示屏三部分組成。傳感器模塊的主要部件是ADXL345B三軸加速度傳感器[12]，經防水處理后安裝于懸鏈段頂端，用于實時采集X、Y、Z3個軸的運動加速度。傳感器采集到的數據通過I²C數據傳輸協議傳給單片機模塊，再由單片機控制LCD顯示數據，并轉換成串口信號無線發送給數據處理模塊。為減小傳感器自身質量對錨鏈振動特征的影響，對傳感器數據線做了延伸加長處理，使測量芯片相對獨立于傳感器模塊直接與錨鏈接觸。

數據處理模塊主要包括USB轉換模塊、上位機程序和輸出裝置。實驗采集到的數據通過專用的USB轉換模塊輸入上位機，利用Matlab編制的專用程序可對三軸振動加速度進行耦合等處理，從而輸出錨鏈振動特征曲線圖形。

此外，還設置圖像采集系統：一部攝像機用于全程拍攝艦船從正常錨泊到走錨的狀態變化，一個鏡頭用于專門監測錨的位置變化等情況，以配合后續的實驗結果分析。

3 檢測實驗結果

3.1 實驗方法

實驗中模擬了泥沙底和砂礫底兩種常見錨地底質。按照船重與錨重的比例關系，實驗船模設置兩組：裸船模（1360g）配合小霍爾錨（40g）模型、配重船模（1760g）配合大霍爾錨（100g）模型。限于水深條件，錨鏈長度確定為2.3m，與40g錨匹配的錨鏈質量分別為70g、105g、155g，與100g錨匹配的錨鏈質量分別為155g、325g、475g。

為探究底質、船重、鏈重等因素對艦船錨泊安全的影響，按底質和實驗船模的不同組合為4個實驗系列，每個系列又因錨鏈質量不同分為3組。每組實驗重復進行，直至有效數據達到10次。

3.2 實驗數據處理

為方便分析錨鏈振動特征與走錨的關系，對各組數據取平均值，獲得以下參數：正常錨泊狀態下的平均耦合加速度和平均頻率、走錨過程中的頻率特征變化極值和頻率平均極值、正常錨泊與走錨時的頻率差等，具體結果如表1～表4所示，由表1～表4的數據計算對應工況下的泥沙底與砂礫底的突變頻率平均極值之比，并分別求取裸船模和配重船模兩種實驗條件下的平均值，可知泥沙底的突變頻率平均極值為砂礫底的1.1～1.4倍。

4 分析與討論

4.1 總體規律

根據某組實驗的耦合加速度與振動頻率，繪制了圖1，其橫坐標為時間（s），縱坐標分別為耦合加速度（m/s²）和頻率（Hz）。由圖1可知，該組實驗共發生了四次加速度和振動頻率的顯著變化，且二者有高度一致的對應關系。結合實驗時采集的視頻資料分析發現：前兩次顯著變化發生在錨鏈繃緊狀態時，第三次顯著變化時錨發生了微小位移但并未走錨，第四次顯著變化對應著錨翻出底土，此后船模進入走錨漂移階段。實驗結果表明，從正常錨泊狀態到走錨的過程中，錨鏈的振動加速度和振動頻率在特定狀態下會發生顯著變化，初步驗證了基于錨鏈振動特征監測艦船錨泊安全狀態這一技術思想的可行性。

4.2 底質的影響

選取裸船模～40g錨～105g鏈組合，比對砂礫底和泥沙底兩種底質下的實驗結果。

由表5可知：各項數據值均表現為泥沙底大于砂礫底。泥沙底時，正常錨泊平均頻率為0.2799Hz，走錨頻率平均極值是其1.62倍;砂礫底時，正常錨泊平均頻率0.2123Hz，走錨頻率平均極值是其1.34倍。其主要原因在于泥沙底提供的錨抓力和鏈摩擦力均大于砂礫底，從而構成相對較大的錨泊力，相應地要打破這種平衡狀態就需要相對較大的懸垂段錨鏈應力，由此引起的平均振動頻率及走錨頻率極值也隨之相應增大。

由圖2、圖3可知：砂礫底錨泊的艦船更易發生走錨。相對于砂礫底而言，泥沙底錨泊的艦船從正常錨泊到走錨狀態持續的時間更長，走錨之前錨鏈的繃緊次數較多，振動頻率極值較大。

4.3 船重～錨重比的影響

為分析船重一錨重比的影響，選取泥沙底～155g鏈條件下的兩組數據進行比對：一組為配重船模～100g錨，一組為裸船模～40g錨，相應地分別稱之為大船、小船。

由表6可知：大船的各項數據值均大于小船。其主要原因在于：艦船的錨重通常依其與船重的比例配置，大船配置的錨重必然大于小船，相同錨泊情況下其提供的錨泊力相對較大，打破平衡狀態所需的錨鏈應力也相對較大。進一步計算發現，無論大船還是小船，走錨頻率平均極值與正常錨泊平均頻率之比均為1.73，若以此值作為走錨預警的閾值，后續研究可忽略船型的影響。

由圖4、圖5可知，相同錨泊環境下小船更易走錨。小船從正常錨泊到走錨狀態持續的時間較短，錨鏈繃緊次數較少。值得注意的是，此組實驗中大、小船的錨重～鏈重比分別為1.55和3.875，即大船組合配置的是最輕錨鏈，而小船組合配置的是最重錨鏈，仍然出現了小船更易走錨的現象。

4.4 鏈重的影響

為分析鏈重對錨鏈振動頻率和走錨的影響，選取配重船模～100g錨～砂礫底組合，分析比對155g、325g、475g3種不同鏈重時的實驗結果。

由圖6～圖8可知，鏈重對錨鏈振動頻率有顯著影響，隨著鏈重的增加，錨鏈振動平均頻率和頻率平均極值均隨之增大[13]。進一步觀察圖6一圖g可知，隨著鏈重的增加，艦船從正常錨泊演變到走錨狀態持續的時間越長，錨鏈振動頻率發生顯著變化的次數也越多。采用155g錨鏈時，錨鏈振動頻率顯著變化3次即進入走錨漂不刻犬態，持續時間不到40s。采用325g錨鏈時，錨鏈振動頻率第5次顯著變化后錨翻出底土并發生位移，第6次顯著變化后進入走錨漂移狀態，持續時間近60s。采用475g錨鏈時，錨鏈振動頻率第g次顯著變化時，錨才翻出底土發生位移，此后繼續受強風影響發生拖錨，150s后艦船仍未達到走錨漂移狀態。其主要原因在于：鏈重增大時其鋪底段提供的摩擦力較大，錨泊力也相應隨之增大，因而增加了走錨的難度。

5 結束語

本文采用專門設計的原理性實驗裝置，模擬了艦船由正常錨泊過渡到走錨狀態的整個過程并全程檢測了錨鏈的振動特征。通過改變底質、船重一錨重比、鏈重等實驗條件，研究了各因素對走錨及錨鏈振動頻率的影響。結果表明：艦船由正常錨泊到走錨狀態的演變過程中，錨鏈振動頻率會發生若干次顯著變化，且與錨鏈的繃緊、翻出底土、走錨等狀態變化相對應。錨地底質、船重、鏈重等對艦船錨泊安全均有影響。相同錨泊環境下，泥沙底比砂礫底更為安全，艦船錨重越大越難走錨，錨鏈越重也越難走錨，且難于走錨情況下的錨鏈振動頻率幅值通常大于易于走錨的情況，但并未發現數值上的明顯規律。后續將從原理上深入分析錨鏈振動頻率變化的深層原因，并進一步確定走錨預警的閾值，以期通過錨鏈振動特征實現艦船錨泊安全狀態監測和走錨預警。

參考文獻

[1]熊振南，林慶武，周少雄.提高GPS錨位監測報警可靠性的探討[J].集美大學學報（自然科學版），2000，5（4）：53-58.

[2]李偉，于洋，劉賢朋.基于錨鏈狀態監測的錨泊安全評估團.大連海事大學學報（自然科學版），2004，30（1）：55-57.

[3]薛仕中.雷達在船舶走錨判斷中的應用[J].船海工程，2010，39（3）：162-165.

[4]吳衛兵，尹建川.準確判斷船舶走錨方法[J].中國航海，2012，35（4）：124-127.

[5]何慶華，曹玉墀.利用ECDIS判斷船舶走錨探析[J].航海技術，2013（5）：40-42.

[6]孫大銘，洪碧光，李強，等.單錨泊船舶走錨預警系統的研究團.航海技術，2010（5）：2-4.

[7]OKAZAKI T，HIRAI Y.Development of a support system topredict dragging anchor phenomenon for mariner[C]//Intern-ational Conference on System of Systems Engineering.IEEE.2011：185-90.

[8]LU Y，BAI C.Dragging anchor event and theoreticalverification of single mooring ship[C]//International Confe-rence on Frontier of Computer Science&Technology，IEEE.2015：209-213.

[9]張聰，金良安，王涌.艦船走錨報警技術研究現狀與展望團.艦船電子工程，2017，37（5）：1-4.

[10]LIU H.Recent study of drag embedment plate anchors inChina[J].Journal of Marine Science and Application，2012，11（4）：393-401.

[11]于洋，蔣治強.海流對深水錨泊船錨鏈靜力特性的影響[J].中國航海，2013，36（1）：101-104.

[12]徐明，王涌，徐敬.基于ARM Cortex-M3的艦用無線振動檢測系統[J].艦船電子工程，2014，34（9）：129-132.

[13]金良安，張聰，王涌.錨泊時錨鏈的振動頻率與質量關系實驗研究[J].科學技術與工程，2017，17（24）：294-298.

（編輯：徐柳）