船載可移動實驗室的設計與應用探索

陳清滿， 王碩仁， 袁東方， 于化冰， 陳曉東

（1.中國極地研究中心“雪龍2”號，上海 201209；2.大連陸海科技股份有限公司，遼寧 大連 116085）

0 引 言

地球表面積約5.1億km2，其中海洋約3.61億km2，占據地球總表面積70.8%［1］。全世界超過半數人口居住在離海岸線200 km以內地區，而人類對于海洋的認知遠比頭頂上廣袤的星空匱乏。認識海洋是實現海洋可持續發展和國家海洋安全的重要基礎工作，而海洋科考船是認識海洋的必要工具，是海洋調查和研究的重要平臺、主要載體，是國家海洋能力建設最關鍵部分。參考美國科考船等級劃分標準可將海洋科學考察船分為：近岸級（Coastal Class）、區域級（Regional Class）、大洋級（Ocean Class）和全球級（Global Class）4個等級［2］。一國海洋科學考察船，尤其是全球（含極地）和大洋科學考察船數量和質量往往與綜合國力、科技水平、海洋導向性經濟模式等成正比。近年來許多發達國家均將海洋科學列為優先發展戰略領域，陸續建造大型、現代化綜合海洋科考船。針對我國大洋級和全球級海洋科考船數量較少，難以滿足未來對海洋探索和開發需求的現狀，近十幾年來我國建造了一批大洋級和全球級海洋科考船。如：“科學”號（2014年）、“向陽紅10”號（2015年）、“張騫”號（2016年）、“向陽紅1”號（2016年）、“向陽紅3”號（2016年）、“嘉庚”號（2017年）、“東方紅3”號（2018年）、“雪龍2”號（2019年）等。

大洋級海洋綜合科考船噸位大多介于1 000～3 000 t之間，全球級噸位一般大于3 000 t［3］，相對于動輒上萬噸的遠洋商業運輸船而言，體積均較小。船載實驗室一定程度上屬于開放實驗室［4-5］，且不同于常規陸地實驗室，船載實驗室主要以科研為主輔以教學［6］，這對實驗室種類、管理等提出較高要求。同時，大洋級和全球級科考船相對于區域級和近岸級，一次需搭載較多科學家進行長時間航渡及海上調查，是多學科實驗室使用需求與長航程舒適性、支撐設備多樣性的集合統一，一定程度上壓縮實驗室空間和功能；為支撐深海、遠洋調查，例如：多道海洋地震勘探系統、萬米地質絞車、深海拖曳觀測系統、水下機器人等，滿足大型海洋儀器設備的投放和回收，配備絞車系統纜繩較長，體積更為龐大，也將進一步壓縮實驗室空間；由于需長期在海上執行任務，考慮到國際勞工組織、海事勞工公約等對長期海上航行船員及科考隊員居住、生活空間要求等因素［7］，實驗室區域空間更為有限。

為緩解這一矛盾，提高科考船的使用效率，起源于陸地車載式快速反應站的移動實驗室逐漸在科考調查船上得到應用［8］。廣義可移動實驗室指為滿足特定使用需求，配備相應水、電、氣、暖通、通信、監控、消防等接口，主要由實驗艙、實驗設施和調查分析儀器設備組成，在可移動設施中進行檢測、校準或科學實驗等活動的實驗室。相對固定實驗室而言，移動實驗室是固定實驗室在空間、功能和靈活性等方面的拓展與延伸。傳統移動實驗室主要分布在工業、農業、交通、衛生、食藥、質監、安監、環保、建筑等系統領域，在應急監檢測、現場調查分析、特殊要求實驗設施等方面發揮著重要作用［9］。在移動監測車、應急反應站等為代表的陸基移動實驗室取得長足發展的同時，進入21世紀（海洋世紀）后，世界各國都把海洋經濟研究、開發和保護作為重要戰略目標，以科考船為主要載體船載可移動實驗室也逐漸發展起來［10-12］。

相對于常規調查船，極地科考破冰船具有航程長、遠離陸基支持、破冰震動強、環境溫度低、短期內跨越緯度大等特征，此類船舶對于可移動實驗室提出了更高的要求。“雪龍”號為應對我國不斷增長的極地科考需求，從2016年起也逐漸增配了?；穼嶒炇业瓤梢苿訉嶒炇?，但作為一艘由極地冰區運輸船改造而成的極地科考破冰船，本身科考能力受限較多。“雪龍2”號是我國第一艘自行建造的極地科考破冰船，在設計建造初期就充分考慮可移動實驗室的配備及配套設施，本文主要以“雪龍2”號為例闡述極地科考破冰船載可移動實驗室的需求與應用。

1 船載可移動實驗室需求

我國最大的2艘科考船均為全球級的極地科考破冰船，“雪龍”號噸位為21 000 t、“雪龍2”號為14 000 t，雖比一般大洋級和全球級科考船大2～3倍，但除去每年給南極考察運送建站及補給物資的需求，相對實驗室空間并不大［13］（見表1）。

表1 部分全球級及大洋級科考船實驗室面積統計

“雪龍2”號作為全球級綜合海洋科考船，兼顧大氣、海冰、海洋水體、生物生態、海洋化學、物理海洋、地球物理、底棲與沉積等多學科使用需求。我國從上海出發往返南極的航程較長，單程1萬n mile左右；每年均在南極夏季海冰消融較多的季節進行考察，一般為當年11月中下旬到次年4月中下旬，1年僅有1次機會。一個航次調查內容一般涵蓋大氣、冰川與海冰、水文與氣象、海底地形地貌、海洋浮游生物、游泳生物、微生物、細菌病毒、海洋化學等10多個學科領域［14］，搭載的人員和設備（見圖1）較多，對實驗室種類、功能、環境、空間等提出較高要求。此外，船載實驗室不同于陸基實驗室，具有需額外配備固定裝置、層高低限制設備垂向高度等特點，一定程度限制了實驗室總功能的發揮。

圖1 “雪龍2”號搭載的科考設備

在南極我國已建成長城站、中山站、昆侖站、泰山站。我國極地科考執行的是一船多站或雙船多站的運營模式（見圖2，以中國第36次南極考察為例），每個航次“雪龍”號或“雪龍2”號在惡劣的極地自然環境中和有限的工作時間段內，除了承擔極地科學考察的任務外，還需承擔給各科學考察站運送物資、人員、補給等重要任務?？瓶紝嶒炇铱臻g被大量壓縮。

圖2 “雪龍2”號第36次南極航線示意圖

針對上述情況，“雪龍2”號極地科考破冰船根據功能劃分區域，采用大格局、柔性化實驗室設計，盡可能在同一個實驗室內滿足較多學科專業的通用要求；又能做到根據航段調查任務側重，便捷調整實驗室布局以更好迎合使用需求［9］?！把?”號實驗室總面積約333 m2，共分為6個固定實驗室，其中物理實驗室、第1（干濕）通用實驗室和第2（干濕）通用實驗室面積均超過80 m2，采用大格局和柔性化設計思路，同一實驗室并不作為固定單一的學科使用，而是根據航次任務需求不同多學科共用一個實驗室，并可柔性化調整以更好適應航次重點調查學科使用需求，解決了上述通用性的問題；對于大氣和氣象觀測、重力觀測、低溫實驗等，因位置特殊或環境需求特殊的實驗仍采用常規小型實驗室設計（見表2）。

表2 “雪龍2”號固定實驗室統計

對于“雪龍2”號而言，這還不足以應對一些對環境條件有特殊或精細化要求的實驗，如暗反應實驗、潔凈實驗、有特殊溫度需求的溫控實驗、放射性元素實驗、對抗振有特殊要求的實驗等。此類實驗對實驗環境要求較高，但對面積需求卻較小，或一個航次中只有某個航段會涉及，或連續若干個航次均不使用。如設置船載固定的實驗室，①需要額外的獨立處所，對船舶空間需求高；②此類實驗室將較長時間空置，利用效率低。這將對船舶其他艙室，如住宿、公共活動、貨運、倉儲、作業甲板等空間造成直接影響，給船舶設計和使用均帶來更大困難。

船載可移動實驗室能較好解決這些問題。航次計劃制定時，可根據各航段的主要科考調查任務的不同，調配相應的可移動實驗室作為船載固定實驗室的輔助，航段結束時補給或交接時將已完成任務的可移動實驗室從船上運下，將下一航段中需要使用到的可移動實驗室裝船，將有限的船舶空間發揮到極致。

2 “雪龍2”號可移動實驗室

2.1 可移動實驗室的形式

現代大洋級和全球級綜合海洋科考船往往根據調查對象、調查區域、調查手段的不同，結合船舶續航、載員能力限制，將一個調查航次分為若干個航段進行。航段之間的銜接，往往伴隨著船舶靠港補給、人員交替、設備調配而進行。配套的船載可移動實驗室主要以移動集裝箱式為主，“雪龍2”號也不例外。采用集裝箱形式的可移動實驗室可以便捷地通過公路、鐵路運輸進行周轉調劑；到達碼頭后也可通過船舶集裝箱吊運方式進行裝卸；到船后可利用船體現有的固定集裝箱的馬腳進行有效固定。對現代實驗室進行高效的管理是將實驗室作用最大化的前提［15］，分航段后強化航段之間實驗室、設備調配等管理，可將可移動實驗室效能最大化。

集裝箱形式的可移動實驗室根據外形尺寸可分為：標準集裝箱尺寸、非標集裝箱尺寸。其中，標準集裝箱尺寸常規采用6.10 m和12.19 m 2種；非標集裝箱可以采用較為隨意的外形尺寸；也可采用類似“搭積木”的形式，將若干標準集裝箱尺寸或非標準集裝箱尺寸的可移動實驗室組合成一個大型的可移動實驗室?！把?”號綜合船長、露天甲板尺寸、貨倉平面尺寸等因素，大部分可移動實驗室采用6.10 m標準集裝箱外形（見圖3中間區域可放置8個6.10 m可移動實驗室），較少部分采用12.19 m集裝箱外形（見圖3上側區域，可放置2個6.10 m或1個12.19 m可移動實驗室），如海洋地震勘探系統控制實驗室。極個別可移動實驗室，由于內裝設備體積較大，常規集裝箱尺寸無法容納，仍堅持采用標準集裝箱固定馬腳尺寸，僅將箱體外形尺寸稍許增加。便于統一固定形式，提升現場安置調配、運輸周轉的機動性。

為配合可移動實驗室的使用，“雪龍2”號在艉部作業甲板（見圖3）上設計了能放置9個6.10 m、3個12.19 m、2個3.05 m移動實驗室的平臺，并在適當區域配套相應的水、電、氣標準快速接口。

圖3 “雪龍2”號艉部可移動實驗室布局示意圖

2.2 可移動實驗室的分類

可移動實驗室根據功能分類可分為：常規調查分析實驗室，如海洋化學、物理海洋實驗等；特殊實驗環境需求實驗室，如放射性實驗室、抗震實驗室、恒溫實驗室、低溫冰雪實驗室、潔凈實驗室等；集成模塊化設備及操作實驗室，如海洋地震勘探實驗、模塊化水下機器人設備本體及操作室等；特殊存儲需求實驗室。

作為極地科考破冰船，“雪龍2”號在船載固定實驗室的基礎上配備了多種可移動實驗室（見表3）。每一個移動式實驗室間相互獨立，可滿足自身特殊的實驗需求。由于極地冰雪實驗對溫度有較高要求，通用開敞式的大格局實驗室很難滿足局部－30～－20℃的低溫控制需求；一些實驗需要使用到放射性元素，如初級生產力的測量使用C14，此類實驗室需要一定專業的隔離措施等。在同一航次的不同航段，可根據該航段的作業內容，合理配置可移動式集裝箱實驗室的種類和數量，拓展“雪龍2”號的科考實驗調查支撐能力。

表3 “雪龍2”號可移動實驗室統計

3 移動實驗室設計要點

3.1 實驗室結構設計

極地科考破冰船可移動實驗室采用集裝箱形式，涉及公路、鐵路、船舶3種運輸及固定途徑，主要通過岸基吊車或船舶吊車實現各航段間的調配轉移，且需要滿足長期海上惡劣環境，需對船載可移動實驗室結構提出一定的要求。

“雪龍2”號可移動實驗室頂部4角均設有內凹式吊點，吊點的結構強度能夠承受整個實驗室的重量。吊運時按照常規集裝箱吊運方式進行吊裝。吊點設計既要滿足常規船舶、碼頭吊機的吊運能力也須考慮可移動實驗室重量和重心。

極地科考破冰船每航段均需要穿越南半球南緯40°～60°之間、終年盛行5～6級西風和4～5 m高涌浪的魔鬼西風帶［16］，且航行和調查作業過程中常常遭遇多個氣旋，可移動實驗室結構及系留需滿足惡劣海況環境要求?！把?”號可移動集裝箱實驗室采用加強框架結構，能夠有效抗擊南半球盛行西風帶惡劣海況下船舶顛簸搖擺和甲板上浪的抨擊載荷；在常規集裝箱底腳扭鎖固定的基礎上，增加斜拉等系留固定確保移動實驗室安全。

3.2 壁板設計

“雪龍2”號貨艙位于船艏區域，距離科考調查區域較遠，且艙內環境條件比較閉塞?！把?”號的可移動實驗室均布置于艉部作業甲板和艏部貨艙蓋上，完全暴露于長時間經受海上高鹽霧侵蝕、大風浪沖擊、雪打雨淋等惡劣海況環境中。同時，因為極地科考破冰船調查活動區域較廣，較短時間內將完成從炎熱的赤道到冰冷的兩極的航行切換，應對環境溫差大。此外，由于在航行過程中船載可移動實驗室操作人員將常態化使用，要求其須具備較高的安全系數。這對可移動實驗室的壁板提出新的要求，不能與普通集裝箱外殼等同。一般可移動實驗室的建造須投入較大人力、物力，因此需要其具備更長的使用壽命周期才能降低單位成本。綜合考慮上述因素，極地科考破冰船可移動實驗室的壁板須具備耐惡劣海況的特性，需要具備足夠的結構強度，并進行耐鹽、防腐、保溫絕緣等特殊考慮。

“雪龍2”號可移動實驗室壁板采用內、中、外3層設計。外壁板采用全316 L不銹鋼材質厚板，確保滿足海上高濕度、高鹽霧腐蝕的惡劣環境；內壁板也采用全316 L不銹鋼材質薄板，便于室內防腐及清潔；內外壁板間隔約70 mm，間隔進行全框架的結構加強，并暗敷線纜、水管、氣管等后，整體施作發泡保溫絕緣材料作為中間層。

針對極地科考破冰船破冰工況時帶來的劇烈破冰震動，“雪龍2”號船載可移動實驗室地板采用全浮動地板結構，有效減小來自船舶破冰震動對實驗的影響。

3.3 可移動家具

極地科考破冰船可移動實驗室家具與船載固定實驗室家具的需求類似［7-8］，面臨海上風浪顛簸搖擺、破冰時劇烈震動等搖擺振動影響；海上高鹽霧、高濕度等惡劣環境等［9］，需充分考慮實驗臺面上儀器設備固定需求、實驗室柜門抽屜停止位鎖止需求、可移動部件如實驗椅等臨時固定需求?！把?”號船載可移動實驗室在壁板、實驗臺面上采用均布的C型卡槽固定裝置。實驗臺面上C型卡槽，通過配套的卡扣螺絲采用夾或壓的形式有效地解決移動實驗室臺面物資的固定問題；與壁板的C型卡槽組合使用，可解決較高臺面設備的固定?！把?”號可移動實驗室采用的C型卡槽與全船其他固定實驗室均采用統一標準，后續新增、更換和調整更為靈活、快捷。

3.4 通用接口

移動實驗室的通用接口分水、電、氣、暖通等常規接口和智能化實驗室的配套接口等。一般在船載可移動實驗室使用區域附近布設相應數量的對接接口?！把?”號將各類接口集中安裝在防護等級為IP56的不銹鋼接口箱內，并布置在固定實驗室往艉部作業甲板過渡的半遮蔽區域及船艏貨艙蓋背風附近區域（見圖4）。

圖4 “雪龍2”號可移動實驗室對應接口箱

水、電、氣、暖通等常規接口，采用快捷接口；供電采用船用標準接口，1路220 V用作實驗室內常規設備供電（圖4中央插座），1路380 V主要給空調等大型設備使用（圖4黃色線纜）；暖通可在各可移動實驗室內采用獨立的船用空調進行溫度調節，采用通風櫥柜、萬向抽吸罩和常規布風器為主的獨立通風系統；上下水采用316 L不銹鋼通用快速接口。

3.5 安保設計

“雪龍2”號極地科考破冰船移動實驗室的安置位置，遠離控制中樞駕駛臺和集控室，智能化接口的設置是確保移動實驗室正常、安全、高效運行的重要前提。智能化接口管理也分為兩部分內容：①通信網絡、監控報警等接口，由于移動實驗室數量多、使用人員單一、遠離固定實驗室，“雪龍2”號在其內部設置電話、局域網、交互式廣播等通信網絡系統，并在合適位置布置視頻監控探頭接入全船視頻監控網絡，設置感溫、感煙、自動滅火系統等接入全船的通用報警系統中。②實現實驗室在線管理的接口。“雪龍2”號通過此部分接口的設置，可實現對科考項目全程跟蹤記錄、全程管理，跟蹤記錄移動實驗室內的儀器設備、試劑耗材、試驗樣品信息，便于科考項目團隊和實驗室管理者的全方位管理。實時監測實驗室環境及儀器設備的運行狀態，降低儀器設備發生故障的風險，提高樣品試劑保存的安全性，并能在故障發生后第一時間發出報警。

每個可移動實驗室均設置兩處開門，防止火災發生或意外碰撞后箱體結構變形，主通道大門無法正常開啟。且所有開門均可由內部打開，防止發生誤鎖導致人員被困。每個可移動實驗室內醒目位置放置二氧化碳滅火器、干粉滅火器、水基滅火器等消防設施，救生衣、EEBD等救生設施，并定期檢查有效期。

4 應用案例分析

4.1 現場應用情況

2019年10月～2021年5月期間，“雪龍2”號連續執行了中國第36次南極考察、中國第11次北極科學考察和中國第37次南極考察（見表4），可移動實驗室作為船載固定實驗室的重要補充，在極地考察現場為?；返陌踩鎯?、廢液的處理、放射性同位素實驗、微塑料預處理實驗等工作發揮了重要作用。尤其是在南極進行分航段作業，其可靈活機動調配的特性，有效配合通用性、大格局的船載固定實驗室，便捷實現航段調查任務側重的調整；合理的結構強度設計、固定系留裝置，在船舶穿越“魔鬼西風帶”時能經受甲板上浪的沖擊，并能穩定可靠固定使用；三層壁板的使用，有效提升了可移動實驗室在極地冰區和赤道地區的保溫絕緣性能，確保實驗人員的舒適度和燃油的經濟性；各類快捷接口的設置，使得可移動實驗室的使用更為安全、方便。

表4 S36th、N11th和S37th“雪龍2”號攜帶可移動實驗室情況

4.2 不足及改進方向

同時，在極地現場使用過程中，也發現一些待改進的部分：①外接上水管和下水管需注意保溫絕緣，避免出現極地冰區被凍住；②各類接口的材質建議使用316 L不銹鋼，避免腐蝕，影響絕緣和信號傳輸；③接口箱、接線插座等合理布置，避免連接電纜、上下水管橫穿作業甲板，與其他科考作業干涉的情況出現。

在后續的使用中，將根據使用經驗的積累進一步改進和調整上述問題。

5 結 語

隨著科技的發展與進步，人類對海洋、極地認知的逐漸加深，極地科考破冰船數量和質量將進一步提升。相對于常規30年左右的船舶使用壽命周期而言，對海洋、極地認知的發展速度將快于科考調查船的更新速度，而可移動實驗室恰好能彌補這一不足。其不僅可拓展科考調查、實驗的空間，也可便捷地將先進的調查裝備模塊化安裝在極地科考破冰船上，極大提升現場調查保障能力和響應外界變化的能力。

為方便航段間的調配、運輸和固定，可移動實驗室常以標準集裝箱的形式出現，但無論是結構還是壁板上均進行特殊的處理，以更好地滿足極地、海洋惡劣的使用環境；配備適合船用的實驗室家具和標準化的水電氣接口，提升使用的便利性和安全性。標準尺寸的可移動實驗室最突出的問題是尺寸大小恒定使用空間受限，但將若干移動實驗室組成一個大型的實驗室也是目前研究較多的發展趨勢之一，可為大型儀器設備在極地考察現場的使用提供了可能。尤其是進行像南北極這些遠離人類聚居點的大洋或冰蓋調查時，由科考破冰船攜帶至南極大陸或海上大塊冰蓋上的組合式移動實驗室將為現場調查提供一個靈活、舒適、便于移位、可回收的人性化實驗條件。

可移動實驗室需求正不斷提升，與之配套的法律法規、國家標準、行業標準等也需發展匹配［17］。我國船載可移動實驗室仍缺乏統一的評價和認證標準。而極地破冰船載可移動實驗室的結構和設施對于實驗人員、儀器設備等的安全，具有重大影響。如何發揮好船東、船級社、移動實驗室建造單位等各自的作用，是目前急需解決的問題之一。