海洋綜合科考船模塊化裝備發展展望

湯清之，鄔旭東，陳英，歐陽梅花

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

隨著科學技術的進步，海洋綜合科考船需要搭載的科研儀器設備及相關的支撐裝備和實驗室數量都在逐步增加，然而海洋綜合科考船的空間、面積和排水量卻不能無限制地增加，在有限的空間內需要承載盡可能多的科研儀器、支撐裝備,以及實驗室是海洋綜合科考船的設計難點。首先被想到的是科考設備移動裝船，但是這種方法在備航階段需要大量拆裝設備，并進行試驗和調試以確保設備安全可用，耗時長進而不利于船時的有效利用。

為了解決備航時間過長、裝卸過程復雜的問題，集裝箱被引入到海洋綜合科考船的裝備體系之中。集裝箱及其固定件是非常標準的國際通用產品，其提供的空間和強度都要勝于一般承載平臺，而且其物流和倉儲標準化程度高，成本低。引入集裝箱后，一些海洋儀器裝備和實驗室被率先集成到了集裝箱內，而后一些大型的支撐設備也被集成到了標準集裝箱底座上，基于這些移動式裝船設備的接口要素，海洋綜合科考船可以針對性地預留一系列標準化的集裝箱固定底座以適應不同航次作業要求下不同位置不同數量的集裝箱布置，最終形成模塊化的設計思路。但是，在近10年模塊化裝備蓬勃發展的過程中也出現了一些問題，解決這些問題并提高模塊化能力成為了科考船設計的關鍵技術之一。

1 模塊化裝備的使用情況

1.1 模塊化裝備的分類

一般而言，模塊化裝備可分為3類：艙室類集裝箱、甲板機械類集裝箱和存儲類集裝箱[1]。艙室類集裝箱主要包括集裝箱化的實驗室、操縱室和工作室等，用于擴充本船艙室功能；甲板機械類集裝箱主要搭載收放系統，在國外被稱為LARS(launch and recovery system)，主要包括集裝箱化的絞車、A架等可執行機械運動的裝置，比如，在地震作業時用于炮纜收放的炮纜絞車；存儲類集裝箱按其存儲對象又可細分為科考裝置存儲箱、樣品存儲箱和工具附件存儲箱等。圖1所示為艉部搭載大量模塊化絞車、地震作業設備的綜合科考船。

圖1 艉部搭載大量模塊化絞車、地震作業設備的綜合科考船[2]

1.2 模塊化裝備優勢

1)提升船舶作業能力。海洋綜合科考船的作業能力取決于兩個方面：①船舶平臺的技術水平；②所搭載的科考設備的數量與質量。前者是船舶建成之后就已經定型了，而后者在引入模塊化概念之后可以利用集裝箱底座移動搭載絕大多數科考設備，在某個航次內提升該航次的作業能力。比如，海水中金屬濃度非常低，在監測過程中要測得海水中金屬的真實濃度比較困難，獲取這種海水的取樣作業稱為痕量金屬海水取樣，在取樣過程中為了避免污染樣品，往往會采用無金屬物質來包裹鋼絲繩。隨著科技進步，目前的專業痕量金屬絞車不但配置了非金屬鎧裝的纜繩，絞車的滾筒和兩側法蘭等和纜繩接觸的部位也被非金屬材料所包裹，這類絞車的造價較高、使用頻次低，但發揮的功能又是無可替代的，所以一般會被設計成模塊化裝船，提升船舶痕量金屬海水取樣的能力。

2)提高船舶作業效率。對于科考船的宏觀運營而言，1年中用于實際作業的時間為年度有效船時。科考船在1年中的主要用時除了在碼頭停泊修整之外還包括航次準備時間、航渡時間、作業準備時間和作業時間，這其中真正產生價值的是作業時間，所以統計1年中的作業時間是具備實際意義的，兩艘功能接近的科考船中年度有效船時高的科考船，說明其宏觀的作業效率也更高。只要任務飽滿，科考船在碼頭停泊修整的時間是可以盡可能壓縮的，從設計的角度出發，能夠壓縮航次準備時間、航渡時間和作業準備時間并延長作業時間是比較有意義的。

3)保持裝備先進性。科考設備的更新速度遠快于船體技術的更新速度，縱觀20～30年前的科考船船體技術并不十分落后，很多船型經過了長時間的驗證具備很好的安全性和經濟性。但是20～30年前的科考設備在當今時代里已不具備很強的競爭力了，當時建造的很多船舶都或多或少地進行了現代化改造，通過安裝新型科考設備的方式來保持競爭力。類似“雪龍”號這樣的老式科考船其實驗室設備、實驗室功能、實驗室結構形式和布置地位等方面存在先天不足，實驗室全部是固定的，內部設備無法更換，嚴重制約了該船的科考能力的發揮[3]，但是通過搭載現代化的模塊化實驗室可以快速地將“雪龍”號的實驗室能力提升到與目前先進科考船接近的水平。

1.3 模塊化裝備裝船的局限性

1)模塊化裝備周轉困難。隨著模塊化裝備的品類逐漸增多，導致海洋綜合科考船出現一個航次承接多個考察任務的現象也非常普遍，科考船上局限的空間與數量日益增多的模塊化裝備之間出現了矛盾。從空間上講，有些甲板機械類集裝箱裝載深海絞車，需和艉部A架或者舷側收放設備配合使用，安裝位置是有要求、受限制的；有些艙室類集裝箱承擔實驗室功能，比較合理的布置是與科考船原有的實驗室相連，布置位置合理與否直接影響科學家的工作效率。有些模塊化裝備在整個航次期間是持續工作的，有些模塊化裝備在航次期間工作的時間僅占一部分，剩余時間是閑置的。因此，為了提高海洋綜合科考船的使用效率，在有限空間內合理周轉模塊化裝備，將需要工作的設備在需要工作的時間放置在最合理位置，將閑置裝備移至他處成為了目前階段海洋綜合科考船亟需完善的一項能力。

2)模塊化裝備與母船的對接。在模塊化裝備發展的萌芽期，艙室類集裝箱都是以孤立的個體出現，母船給集裝箱提供了系固條件，但也僅能保證集裝箱與母船之間的安全系固。隨著時代的發展，母船開始可以給集裝箱提供電力、網絡和上下水的接口等，因此目前許多艙室類集裝箱都開始扮演特殊實驗室的角色，科學家和樣品也就需要頻繁進出，大量孤立系固于甲板上的集裝箱實驗室因為與母船實驗室不相連，科學家和樣品需要經過室外暴露環境進出實驗室，已顯然不能滿足使用需求，這一點在高海況和極地高寒環境下顯得尤為突出。

3)模塊化裝備載荷限制的突破。隨著海上作業能力的提升，集裝箱搭載的甲板機械負載也逐步提高，而由于集裝箱箱腳均為ISO標準件，其安全工作負荷(SWL)是受限的，一般為正向拉力不大于250 kN，水平切向力不大于210 kN，一旦甲板機械的拉力值超出了箱腳的受力上限，就會出現安全事故。目前大量使用的萬米鋼絲繩絞車，纜繩拉力不會低于200 kN，許多絞車的拉力甚至超過300 kN，再考慮到海上作業的船舶運動產生的慣性力，單純依靠標準化的ISO集裝箱系固系統已經制約了模塊化甲板機械的纜繩拉力值，也就限制了這些甲板機械的工作能力無法支撐水下更深、更重的設備。

2 提升模塊化能力的方案

2.1 轉運的高效化

考慮到單航次下模塊化裝備搭載數量日益增多，在執行特殊任務時，單航次的集裝箱搭載數量可能達到數十個之多，如果全部在甲板面上搭載勢必沒有足夠的空間，也不利于集裝箱展開工作。所以，部分科考船已經開始考慮增設集裝箱艙供周轉模塊化裝備，高效轉運集裝箱需要一套艙外轉運系統和一套艙內轉運系統來完成。

對于艙內轉運，集裝箱艙又可分為單層集裝箱艙和多層集裝箱艙，對于單層集裝箱艙而言，層高會比較緊張，可以使用地面形式的轉運，比如，托盤車；對于多層集裝箱艙，由于除了需要水平轉運還需要垂直轉運，所以托盤車不合適，可以單獨采用行車的方式來轉運，也可以采用行車轉運與托盤車轉運相結合的方式[4]。

對于艙外轉運，海洋綜合科考船可以參考集裝箱船的做法，采用海工型克令吊將集裝箱吊出集裝箱艙，也可以在上層空間有遮蓋的情況下配置專用行車來吊運出艙。由于海洋綜合科考船的甲板面空間寶貴，可能無法在集裝箱艙正上方開出全開口艙蓋，那么艙內轉運系統就需要先轉運至小艙蓋開口之下，再依靠克令吊和行車來逐個吊出集裝箱。當集裝箱數量過多時，可以通過計算機軟件來輔助堆棧、理貨。圖2所示為采用行車、托盤車和克令吊組合轉運的方案。

圖2 采用行車、托盤車和克令吊組合轉運的方案

2.2 艙室的對接化

承擔著實驗室功能的艙室類集裝箱，需要與母船船體直接實現對接，這樣科學家可以進出實驗室而不必暴露于室外環境。目前國外有些科考船采用有限遮蔽的對接方案，在布置位置上使集裝箱實驗室與主船體挨在一起，在接縫位置設置一圈橡膠起到形式上的密封，但實際上接縫處仍然存在漏風漏雨的可能。

國內目前有更優的解決方案，在橡膠密封條內設置充氣裝置，可以在集裝箱落位后對橡膠充氣進一步壓緊集裝箱與艙室之間的縫隙，保證一定程度的密性[5]。隨著模塊化裝備數量的增多，密封裝置的充氣操作也不可能都由人工來完成，因此在未來模塊化裝備形成一定規模后，對接裝置的充氣應當配有遙測壓力表并通過程序關聯充氣閥門的啟閉，使得密封圈內的氣壓式中保持在合理范圍內。

2.3 系固的多元化

模塊化裝備與海洋綜合科考船之間的系固長期以來依托的是ISO標準化的集裝箱緊固件，但是這類緊固件的安全工作負荷是固定的，對于超出這個負荷就需要定制專門的緊固件。從實際使用角度出發，模塊化裝備中出現重載的概率比較低，且使用場合是可以預先設計的，所以在可能用到重載集裝箱的位置，除了配置原先的ISO標準化的集裝箱緊固底腳，還可以在集裝箱底邊外側設置嵌入式法蘭板，見圖3。

圖3 嵌入式法蘭板

嵌入式法蘭板與甲板完成面齊平，預攻一定數量的螺孔，在搭載重載集裝箱的時候利用L形連接板和螺栓將集裝箱和嵌入式法蘭板連接，可以在ISO集裝箱緊固底腳的基礎上進一步加固集裝箱與船體之間的連接強度。

實際科考船作業期間，除了面臨大負荷的重載模塊，其實還有一些小體積、小負荷的輕載模塊，這些模塊如果安裝在集裝箱內就需要占用整個20 ft集裝箱的面積，非常浪費甲板面面積。所以在新建的海洋綜合科考船作業甲板上會新增矩陣式的地腳螺栓座，在使用時將設備底腳通過螺栓固定到地腳螺栓座之上即可，螺栓座之間的間距一般在600～800 mm之間，可以兼容非常小的設備。在安裝大型設備時，這些地腳螺栓座還可以和嵌入式法蘭板一樣對模塊化裝備的系固進行補充,見圖4。

圖4 嵌入式法蘭板和地腳螺栓示意

2.4 功能的集成化

未來若干年，無人裝備將朝著集群化的方向發展。目前許多水下和空中的無人裝備需要船上配置完善的保養體系，以無人機為例，以油為動力的無人機需要加油而以電為動力的無人機需要充電，其次還需要對無人機的任務載荷進行更換和設定，某些固定翼無人機還需要特殊的裝置進行回收，如果僅搭載1～2架無人機還能兼顧，一旦搭載機群出航上述這些工作都超出了科考船設計之初規劃的空間和功能。未來的模塊化裝備必然會走上集投放目標(如無人機)、保障系統(如加油系統)、操控系統、收放系統和存儲功能于一體的道路，這樣既可以減輕科考船基礎硬件的建設工作量，又可以充分利用集裝箱的每一寸空間。此外，功能集成化程度越高，那么需散裝上船的設備就越少，占用的碼頭搭載時長就越短，對船舶全年的作業效率提高也是有益的。

2.5 模塊的共享化

由于海洋科考裝備在下一階段必然要走國產化的道路，但是將來的海洋科考裝備的技術含量勢必會非常高，研發成本會占到最初幾臺設備采購價格的很大一部分，而且很多科考裝備在某個單位完成某些課題之后就被束之高閣，其裝備的使用率也不高，整體上產生了投資浪費。如果在裝備研發之初就由幾個執行海洋同類調查任務的單位合資采購或者研發國產化的科考裝備，然后產品以模塊化的形式裝船，并且可以在這幾個單位之間流通共享，分別搭載到不同的船舶上，及分攤了裝備采購成本，又提升了科考裝備的利用率。

即使是現存的模塊化科考設備，隨著將來作業任務的逐漸飽滿，各個單位之間的合作也會更為緊密，各個涉海科研單位將更多地負責管理船舶，人員和模塊化裝備會在單位之間充分流動，也形成了一種共享生態。美國海洋科考的大型海洋裝備管理就是采用三層體系架構來實現的，將大型海洋裝備(比如載人潛水器)的使用權、管理權和所有權分離，便于管理。圖5為美國大型海洋裝備的3層架構管理體系，模塊化的科考裝備可以作為借鑒。

圖5 美國大型裝備管理體系[6]

2.6 裝備的智能化

裝備的智能化和模塊的共享化是緊密關聯的，當實現模塊共享化之后模塊的所有者并不一定是其所搭載的船舶的所有者，在沒有構建智能化平臺之前這兩者是割裂的，但模塊的所有者和船舶的所有者都需要了解模塊的工作狀態，模塊的所有者還需要知道模塊所處的位置和航次作業計劃，以便規劃后續模塊的出租或者使用。因此，模塊化裝備應該從集裝箱框架+科考裝備的組合向集裝箱框架+科考裝備+網絡系統的組合過渡，利用船岸網絡系統傳輸數據，保證岸上基地可以實時獲得模塊化科考負載的作業情況。

近年來，已交付使用的深遠海綜合科考船均具備較好的數據開放接口和通信基礎條件，船舶系統有安全、穩定、可靠的數據中心及集中控制室，通信系統有ONU模塊及光纖主干網、軟件定義網絡、虛擬云桌面系統等，可以提供優質、經濟、高效、安全的網絡基礎資源保障，并具有較優異的基于網絡的平臺化系統集成條件和管理控制能力[7]。在具備以上條件的情況下，只需要在模塊化裝備中內嵌一套軟件，將裝備本身的運行數據(如絞車的纜長、纜速、張力等)和船舶位置信息打包以某種格式發回岸上，岸上基地可利用軟件解析數據之后實時監測該模塊的狀況。

3 結論

隨著船東對船舶作業效率、作業能力要求的不斷提升，船東對科考船的管理將逐漸從單船管理向船隊管理轉變，從針對船舶的管理向針對船舶、人員和裝備的多元化管理轉變，模塊化設計理念將會始終貫穿其中。而這其中當務之急就是提高海洋綜合科考船的模塊化能力。

最近10年，我國先后交付了一批現代化的新型海洋綜合科考船，在實際使用過程中發現了模塊化裝備預留數量不夠、集裝箱周轉困難、人員進出集裝箱不方便、普通集裝箱承載大負荷絞車強度不夠等問題。本文給出的方案很大程度解決了模塊化裝備使用過程中遇到的問題，使模塊化裝備在海洋綜合科考船上的使用效率大幅提高，也使得原先無法適配的一些模塊化裝備可以成功裝船，這些經驗可以為新一代海洋綜合科考船及其模塊化裝備的設計提供借鑒。而由于船載網絡系統的不斷升級，可以預見將來模塊化裝備智能化的發展潛力最為巨大，應當成為新一代科考船先進性的衡量標準之一。