小清河綠色智能船舶關鍵技術研究

張道南，裴志勇，鄧超風，于華

（1.山東海運股份有限公司，山東 青島 266034；2.武漢理工大學綠色智能江海直達船舶與郵輪游艇研究中心，湖北 武漢430063）

小清河是橫貫魯中地區的一條東西向重要航道，其流域地處山東省腹地，發源于山東省會濟南市，經歷城、章丘、鄒平、高青、桓臺、博興、廣饒、壽光，在羊口以東注入渤海萊州灣，全長237km。

近年來，國家對內河航運發展十分重視。2011年，國務院出臺了“關于加快長江等內河水運發展的意見”；山東省政府也不失時機地出臺了“關于貫徹國發〔2011〕2 號文件加快內河水運發展的意見”，以及《山東省內河航道與港口布局規劃》，將小清河作為山東省內河“一縱三橫”水運主通道之一。2012 年10 月，省政府正式批復了《小清河流域生態環境綜合治理規劃方案》（以下簡稱《規劃方案》），計劃將小清河打造成一條集防洪、生態、航運、景觀旅游、文化于一體的黃金水道。

2019 年4 月10 日，山東海洋集團有限公司與中國鐵建投資集團組成的聯合體中標小清河復航工程PPP項目。項目合作期30 年，其中建設期3 年，運營期27 年，采用政府可行性缺口補貼+使用者付費回報機制，總投資137 億元。小清河復航工程于2020 年2 月29 日正式開工建設。

結合小清河復航工程的規劃設計，量身定制、創新研發通用性強、適貨性好，以節能、環保、經濟、高效為特征的適用船型，助推小清河航運蓬勃發展。攻克低速電動船型、高效電力推進、結構輕量化、箱式電源安全性，智能能效、智能機艙、智能桅桿等關鍵技術，打造節能高效、安全可靠、智能協同的生態運輸示范線，實現交通運輸新舊動能轉換，促進國家“山東半島藍色經濟區”、“黃河三角洲高效生態經濟區”兩大戰略區和省會城市群經濟圈建設。

1 小清河船舶設計理念

小清河船舶的開發要具有時代特征，符合當前經濟和社會發展的要求。結合作者們的科研經驗和總結體會，小清河船舶的設計開發基于“4E”設計理念，即以節能、環保、經濟、高效為船舶主要特征，這四個詞的首字母均是E，稱為“4E”船舶設計理念，如圖1 所示。

圖1 小清河船舶設計理念

（1）節能：船型開發關鍵，體現船舶優異性能；通過新技術研發及應用，提升船舶產品核心競爭力；

（2）環保：當前經濟和社會發展的需要，符合時代發展主旋律，“碳達峰·碳中和”戰略部署的需要；

（3）經濟：當前嚴酷的航運市場中，船舶生存發展之根本，立足市場之利器，更是復航工程成敗之關鍵；

（4）高效：提高運輸效率，降低物流成本，為沿線經濟和社會發展提供可靠的航運支撐，占據更多市場份額，促進小清河航運蓬勃發展。

2 小清河船型探討

小清河復航有其特殊性，使得小清河適航船舶也與眾不同。首先，復航后航道收費、增加一次裝卸等因素無疑為復航船舶運營增加了難度。其次，小清河沿線現有運輸方式為海港中轉公路的模式，公路運輸的快捷、便利在短距離運輸中占據一定優勢，復航后要從現有運輸格局中搶占部分市場，有一定難度和過程。

（1）江海直達船型。當前船舶規范體系有江船和海船之分，江船由于頻繁靠離碼頭，對操縱性有著較高要求，海船遭受的風浪較大，對耐波性和結構強度要求要高。為有序推進長江黃金水道建設，對長江口到大小洋山/寧波舟山的特定航線考慮海上波浪狀況基于江船出海理念制定有特定航線江海直達船舶建造規范，小清河出海至萊州灣波浪狀況及相應的江海直達船舶建造規范尚在研究中，暫沒有有效地江海直達船舶規范可依，須待相關規范和政策落實后方可進行該類船舶的設計建造。

（2）江船。江船的設計制造都比較簡單，且配置要求不高，造船成本較海船要低一些。但江船只能在小清河航道內航行，貨物須從沿海港口用海船運抵河港，再用江船轉運，航道收費、碼頭裝卸費等增加了船舶運營成本，降低了運輸效率，增加了損耗。綜合運輸分析表明，江船轉運方式的經濟性不佳。

（3）海船。航道水深及橋梁凈空高限制，使得能進入到小清河的海船尺度較小，最大載貨量2000 噸，造船成本較高，同時船員配員較多，船員工資標準也高，這些因素使得營運成本數倍于江船。綜合運輸分析表明，海船建造成本高，船員配員多，工資基準高，小清河航線采用海船運輸經濟性差。

（4）江船兼海駁船型。綜合考慮各種因素，充分發揮江船和海駁的優勢，創新研發江船兼海駁船型，實現江海聯運。在小清河內是電動江船，配4 名內河船員，在河口港跟海拖接駁，以一頂一方式航行，避免貨物二次轉運。該船型在小清河航道內可實現零碳排放，同時進行智能能效、智能倒升桅等智能技術示范應用，實現船舶智能化。經充分論證分析，該船型較適合用作小清河復航后的營運船舶。

3 小清河綠色智能船舶關鍵技術

為使小清河船舶具有強大生命力，需攻克低阻船型、綠色動力以及智能裝備等關鍵技術。

3.1 小清河低阻船型關鍵技術

為推進“碳達峰·碳中和”目標達早日成，內河船舶行業掀起電動船熱潮，集裝箱換電模式興起，一方面有效減少碳排放，也使得機艙區縮短，增大載貨量，另一方面機艙更簡潔，易于維保。集裝箱電池容量有限，為保證一定的續航力，低阻船型的研發要比常規燃油動力船舶重要得多。

（1）總布置優化。針對小清河電動船舶特性，進行模塊化分區劃分，通過布置優化分析，以重力與浮力差最小為目標，進行總布置優化研究。

（2）低阻高效首型優化。采用STAR CCM+軟件實現船舶/船槳繞流場的數值模擬并基于數值結果進行船舶阻力、螺旋槳敞水性征以及船舶快速性的數值預報。通過對浮心縱向位置、進水角以及中縱剖線抬升角的優化，獲取低阻高效首型。

（3）外旋雙尾鰭尾型優化。采用外旋雙尾鰭尾型，通過對尾鰭形狀、尾鰭間距、尾鰭角度的優化分析，獲取高效、低推力減額尾型。

（4）結構輕量化設計技術。開展載荷結構一體化分析、結構安全性評價以及結構優化設計技術研發，在安全可靠前提下實現結構輕量化，降低建造成本，增加載貨量，提升盈利能力。

3.2 綠色動力關鍵技術

（1）電力驅動系統優化設計。針對當前電池產業發展動態、船用電池產品相關技術標準和航道營運動力需求，在明確對電力驅動系統核心組成部件及設計要求前提下，完成電力驅動系統總體技術方案，安全可靠地使用電池動力輸出。

（2）船機槳匹配技術。對電動機各工況下電能供應過程進行分析，確保其安全可靠運行；對動力系統穩態、動態特性進行分析，確保電動機提供穩定的動力源；開展船機槳匹配特性研究，改善各工況下電動機動力系統的動態特性。

（3）電力系統拓撲結構設計。根據所選電池組以及電池管理系統，兼顧船舶整體工作性能的要求，結合智能信息處理技術，搭建實時電力微網系統、能量管理可視化系統、安保監控系統等，完成整船電力系統的拓撲結構設計。

（4）高安全性箱式移動電源。進行箱式移動電源安全可靠性、集成設計與接口匹配以及智能控制等研究工作，設計大容量、高安全、高穩定、易控制的箱式移動電源，為小清河船舶提供穩定、可靠動力源。

3.3 智能裝備關鍵技術

（1）智能能效系統。構建計及自由面、淺水效應、船舶航態以及船槳耦合的船舶阻力與浮態的數學模型，攻克淺水、多體耦合、粘性流等關鍵技術，實現船舶快速性及能耗預報，通過姿態傳感器實時感知船舶浮態，及時調整至最佳航態，以有效實現節能。

（2）智能倒升桅系統。將紅外測距、液壓自動控制等技術集成，開發智能感知、智能控制于一體的智能桅桿系統，視橋梁凈空和船舶狀況智能倒桅升桅，有效提升船舶航行安全可靠性。

4 結論

針對小清河航道、碼頭、貨源狀況，創新研發江船兼海駁船型，攻克限制航道電動船型技術、綠色動力技術和智能裝備等關鍵技術，成功研制小清河綠色智能船舶，具有節能、環保、經濟、高效的特點，推進內河船舶技術發展，形成內河電動船示范。