1、本 科 毕 业 设 计船舶自动靠岸控制系统设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要伴随世界经济和国际贸易的快速发展，海上货物运输量在全球整个运输系统中所占份额不断增大，与此同时，为降低运输成本，船舶日趋向大型化方向发展。随着大型船舶数量的增多，不但改变港内船舶的密度，而且对船舶的安全靠岸造成很大影响。相对大型船舶船宽大、吃水深的特点，港口内一般水深相对较浅、宽度受限，同时港内水域面积不足，往往无法达到船舶自力靠岸最低标准的要求，给船舶安全靠岸带来隐患。同时，随着船舶货物运送周期的逐渐缩短，进出港口的船舶数量不断上升，从而使得港内船舶靠岸
2、操纵日益频繁，各个港口内的船舶通航密度相对提高，进而影响了船舶靠岸安全性。由于大型船舶本身操纵特点和港内船舶操纵存在困难的情况，为了更加安全和有效地完成大型船舶的靠岸过程，大型船舶在靠岸过程中对拖轮的要求不断提高。拖轮作为现有大型船舶靠岸的主要工具，已达不到大型船舶靠岸的要求。因而，综合分析大型船舶靠岸性能，设计一款大型船舶自动靠岸系统显得尤为重要。本文在前人研究的基础上，在综合现有船舶的操纵特性及靠岸的方式及影响靠岸因素，参考船舶驾驶人员的实际经验，比较现有船舶靠拖船靠岸和自动靠岸的优缺点，设计一款有侧推器提供船舶动力的自动靠岸系统，为船舶安全靠岸提供借鉴。关键词：船舶靠岸；侧推器；大型船舶
3、 IIAbstractWith the world economy and rapid development of international trade,maritime transport of goods throughout the transportation system of the global share is increasing,and at the same time,in order to reduce transport costs,increasing the ship to the large-scale direction. With the increas
4、ed number of large ships,not only change the maneuverability of the ship in the harbor,but also safety of the ship berthing greatly affected. Relatively large vessels large vessels,the characteristics of deep-draft port of the general water depth is relatively shallow,the width is limited. While ope
5、rating the ship in the harbor area of less than water,are often unable to meet minimum standards of self-operation requirements of the ship,to the safety of the ship berthing and security. Meanwhile,with the cargo ship cycle gradually shortened,the number of ships entering and leaving the port risin
6、g,making the port the ship berthing increasingly frequent manipulation,all harbor the relative increase ship traffic density,thereby affecting the ship out from Hong Kong and by Park security.Large-scale manipulation of the characteristics of the ship itself and the port ship handling difficult situ
7、ations,in order to more safely and efficiently complete the process of berthing large vessels,large vessels during berthing increasing demands on the tugboat. Tugboat berthing large ships as the main existing tools,has reached less than a large ship berthing requirements. Thus,comprehensive analysis
8、 of large vessels berthing performance,design a large ship automatic landing system is very important.In this paper,based on previous studies,the manipulation of existing ships in the integrated features and dock landing approach and impact factors,the reference of the actual experience of driving t
9、he ship,by comparison with the current tug alongside the ship,and automatic landing of the excellent Weaknesses,design a ship with thrusters to provide the automatic landing system of power,provide a reference for the safe landing ship.Key words: Berthing;Thruster ;Large shipsIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题
10、背景 .11.2 研究现状 .11.3 本文研究的内容 .2第 2 章 影响船舶靠岸安全因素分析 .32.1 船舶条件 .32.1.1 船舶的种类 .32.1.2 船舶操纵性 .32.1.3 总吨 .42.1.4 船龄 .42.1.5 船长 .42.1.6 吃水 .42.2 环境条件 .42.2.1 风的影响 .52.2.2 海浪的影响 .52.2.3 水流的影响 .52.2.4 能见度的影响 .62.2.5 码头前沿水深的影响 .62.2.6 码头前沿回旋水域尺度 .62.2.7 码头泊位长度的影响 .62.2.8 船舶密度的影响 .72.3 人为因素 .72.4 其他因素 .7第 3 章
11、传统靠岸和自动靠岸的比较 .83.1 传统靠岸现况 .83.2 传统靠岸的缺点 .83.3 自动靠岸的优点 .8第 4 章 自动靠岸系统主要组成 .94.1 侧推装置简介及选型 .9IV4.1.1 侧推装置组成 .94.1.2 侧推装置分类 .94.1.3 侧推装置用途 .94.1.4 侧推器的结构 .104.1.5 侧推器的工作原理 .104.2 侧推器的选择 .104.3 距离测量仪的比较与选择 .114.4 自动靠岸系统的组成 .134.4.1 指令单元 .144.4.2 总控制单元 .144.4.3 电力驱动单元 .144.4.4 液压伺服单元 .16第 5 章 系统设计及实现步骤 .
12、175.1 系统设计原理 .175.2 控制系统工作流程及步骤 .175.2.1 导标纵向对准控制的实现 .185.2.2 导标横向对准控制的实现 .20总结 .21致谢 .22参考文献 .231第 1 章 绪论1.1 课题背景随着世界经济和国际贸易的快速发展，舟山被国家规划为海岛新区，进出舟山群岛的船舶越来越多，越来越频繁，货物的运输量也越来越多，而海上货物运输量在全球整个运输系中所占份额不断增大，为适应国际海上贸易需求的不断增加，船舶日趋向大型化方向发展。船舶业是我国重要的基础产业，由于中国的劳动力廉价，国际船舶修造业近二十年一直持续向中国转移，中国的造修拆船业从吨位上一直位于国际前列。随
13、着舟山航运的不断发展，船舶的保养、维护就十分重要。船舶进出港口越来越频繁，船舶的保养和维护频率也越来越密集。船舶靠岸是船舶进港装卸货和修船停泊的主要步骤之一，船舶能否快速、安全地靠岸直接影响修造船的工作效率和经济效益。大型船舶在靠岸时受到各种环境条件的限制，如拖轮大小、拖轮数量、码头附近水流、波浪以及风等，这些环境条件在船舶靠岸时会产生安全影响。码头为了安全，必须保证船舶能够安全靠岸。近年来船舶靠岸过程中发生的一些安全事故，使得船舶靠岸快速性、安全性面临着新挑战。2006 年 4 月 22 日，阿波罗航运有限公司所有的佐迪艾克海运公司经营的英国籍现代独立号轮驶入舟山万邦永跃船舶修造有限公司 3
14、0万吨级的船坞时，该轮第 3 号燃油舱与船坞滚动护舷发生碰撞破损，导致 477t 燃油外溢。2006 年 9 月 26 日，宁波海事法院舟山法庭受理阿波罗航运有限公司、佐迪艾克海运公司诉舟山万邦永跃船舶修造有限公司赔偿船舶靠岸触碰漏油引起的经济损失及各类费用共计12，922，500 美元，此案标的折合人民币逾亿元。在我国，根据 1994 年 1 月-2009 年 2 月的水上交通事故统计，船舶因靠岸引起的碰撞事故占总事故的 23%，仅 1998 年一年因为靠岸碰撞事故造成的直接经济损失就高达 4 亿元，死亡 67 人。根据日本 1998 年海事审判统计，从 1985-1987 年的 3 年中发
15、生靠岸事故 661 起，涉及船舶 1309 艘，其中 1985 年 22 起，涉及船舶 446 艘；1986 年发生事故 202 起，涉及船舶 402 艘；1987 年发生 231 起，涉及船舶461 艘。然而，导致船舶靠岸主要是人为及环境因素引起了国际航运界的广泛关注，1995 年国际海事组织通过了对 1974 年国际海上人命安全公约的修正案，既船舶营运安全管理规定 ，在其大会决议中明确提出，船舶靠岸碰撞事故中，80%与人为因素有关，17%与环境因素有关。而船舶靠岸碰撞事故在各类海事中所造成的损失是相当大的。可见，采用可靠性高，安全性好的自动控制靠岸方法来代替传统的靠岸方法，是船舶靠岸操作发
16、展的必然趋势，也是修造船行业经济蓬勃发展的迫切要求。1.2 研究现状最近 20 年来，船舶交通环境发生了相当大的变化，船舶的新型化和大型化使海上交通更加复杂，这些变化使船舶密集水域的船舶靠岸更加困难。另外，船舶自动化程度越来越高，导致人在船舶驾驶过程中的能动性下降，注意力不集中，船舶发生触碰的次数并没有下降，因此，国内外有关船舶触碰事故发生原因的研究比较多，这其中绝大多数都是关于两船或多船之间避碰的研究，主要是船船相遇应该如何避碰，发生触碰事故的风险有多高，发生触碰事故的分析研究等。而关于船舶靠岸码头事故的系统研究很少，只有少量的超大型船舶靠岸2操纵安全评价，关于泊位发生触碰事故风险高低的研究
17、还很少。就现有资料而言，目前专家致力于影响船舶靠岸安全因素的研究还相对较少，缺乏对靠岸触碰事故系统的研究。本文根据船舶逐步向大型化方向发展和船员数量的不断减少，使船舶靠岸操作更加复杂化的现况，设计一套主要有侧推器和计算机控制台组成的船舶自动靠岸系统。为船舶安全、快速的靠岸码头提供理论参考价值，减少船舶在靠岸时发生触碰的机率。1.3 本文研究的内容本文在前人研究的基础上，在综合现有船舶的操纵特性及靠岸的方式及影响靠岸因素，参考船舶驾驶人员的实际经验，比较现有船舶靠拖船靠岸和自动靠岸的优缺点，设计一款有侧推器提供船舶动力的自动靠岸系统，为船舶安全靠岸提供借鉴。课题主要内容有：影响船舶靠岸安全因素、
18、侧推器的工作原理和自动靠岸系统的设计。3第 2 章 影响船舶靠岸安全因素分析船舶靠岸是由多因素构成的复杂系统。从人一船一环境的角度来理解船舶航行系统，那么该系统是由作为移动对象的船舶(即本船)本船航行中所遇到的环境(即航行环境)以及操船者(人)三方面组成。因此，船舶靠岸系统也可分为船舶(即本船)、本船靠岸过程中所遇到的环境(即航行环境)以及操船者(人)三个分系统。2.1 船舶条件船舶是一个有机的总体，由不同的设备、构件所组成和控制，并且对外表现一定的性质，这些性质由不同的指标来表达，通过分析这些指标就能够总体了解船舶自身的状况，包括载重性能、操纵性能等。影响船舶靠岸安全的船舶因素主要有船舶种类
19、、船舶操纵性能、吨级、船龄、船舶长度和吃水。2.1.1 船舶的种类本文主要是以船舶操纵性为标准来划分的船舶种类，因为不同种类的船舶操纵性也是有差异的，对靠岸安全性的影响也是不同的。从操纵性的差异来看，船型参数相似的船舶操纵性差别不大，例如：油船、散货船、散装化学品船以及液化气船等，而滚装船、客船和集装箱船的操纵性差别又很小。所以用途最广、数量最多、操纵性有明显差别的船型可分为三大类，即杂货船、液货船或散货船、集装箱船。三类有代表性的运输船的主要特征如下：1)杂货船也称为船，曾经是用途最广、数量最多的运输船舶类型。随着集装箱船舶运输业的发展，传统的杂货船已经逐渐被部分取代，逐渐向多用途方向发展，
20、如能运载散货、集装箱和杂货的多用途船舶，以及运载重大件货物的特种船舶等。一般杂货船的载重量在1000-20000 吨之间，方形系数在 0.65-0.75 之间。2）散货船指为运输散装颗粒货物设计的单层连续甲板船舶。散货船船速一般为 12-17kn，方形系数 0.80-0.85。油船是载运油类等液体货物的船舶。一般分为成品油和原油船两大类。油船船速一般在 12-16kn 之间，方形系数 0.80-0.85。3）集装箱船首次出现于 20 世纪 50 年代，在 60 年代后期得到迅速发展，此后国际海上集装箱运输曾经历几代的发展。集装箱船的船速在 14-25kn 之间，方形系数 0.50-0.70。2
21、.1.2 船舶操纵性船舶的操纵性指船舶按照操船者的操作保持或改变航速、航向或位置的性能主要包括航向稳定性和回转性两个方面。操纵性是保证船舶航行中少操舵、保持最短航程、靠离码头灵活方便和避让及时的重要环节，关系到船舶航行安全和营运经济性。操纵船舶所需的力和力矩由操纵装置(一般为舵、舵机和主机)来保证。现有少部分大型船舶增设首部侧推器或采用主动舵。拖船和顶推船有用转动导管或 Z 型推进器等。42.1.3 总吨船舶吨级通常用船舶总吨即 GT 来表示，船舶总吨用来表征船舶建造规模大小。通常情况下，船舶总吨越大表示该船舶规模越大，其惯性就越大，船舶操纵起来就越困难，靠岸时船舶触碰码头的风险就越高。2.1
22、.4 船龄船龄就是船的年龄、建造年限，它能大体上反应出该船的新旧程度和该船设备和构件的性能和可靠性的高低。通常情况下，老旧船舶的设备和构件性能没有船龄较短的船舶好，其中包括舵机、舵和主机性能，而这三个设备的性能决定了船舶的操作性能。船的操纵性能在很大程度上影响了船舶靠岸时的安全性，因此，船龄也是影响船舶靠岸安全的因素。2.1.5 船长船舶长度是指船舶总长，从一定程度上也能反应出船舶的规模，泊位长度是一定的，船舶长度越大，那么靠岸时船舶的操纵空间就越小，与码头发生触碰的风险也就越大。另外，码头前沿水面旋回尺度是一定的，船舶越长，其旋回空间就越小，船舶发生搁浅或触碰码头的风险就越大。2.1.6 吃
23、水船舶在浅水区航行，吃水对船舶操纵性能有较大影响。因为码头前沿水深是固定的，并且通常情况下是比较浅的，会发生浅水效应，如果出现这种情况对船舶操纵性是影响很大: (1)旋回性下降，由 K=N/M 可知，船舶在浅水区中航行，虽然伴流、涡流的增加使舵压力下降，但螺旋桨转速下降，滑失增大，即轴向诱导速度增大，舵压力又有所增加，故舵压力变化不大，则转船力矩变化也不大，而回转阻矩大大增加，故旋回性指数 K 值减小，旋回性能下降。(2)出现“跑舵”现象，上行船舶利用缓流航道航行而驶入浅水区时，船舷两侧的水深度往往不一样。在浅水一侧靠近船首部分，由于船首高压产生向前推进的波浪受河底的反射较深水一侧要强得多，因
24、而在船首靠近浅水一侧的压力升高较深水一侧大，使船首两侧产生指向深水一侧的压力差迫使船首向深水一侧偏转，这种由于河底反射叠加而形成水面升高的波浪称为复底浪。如果复底浪造成的船首偏转力矩较大，舵又不能很好地控制船舶而形成失控状态，使船首向深水一侧转动，这一现象船员称为“跑舵” 。为了避免搁浅，驾驶人员常让船“跑舵” ，必要时降低船速，使船向深水区航行一段距离后，再调顺航向，继续航行。2.2 环境条件 船舶靠岸时，环境在很大程度上影响着船舶靠岸的安全，纵观靠岸时发生的船舶与码头触碰事件有很大一部分都是由外在的环境因素造成的。恶劣的操船环境会使船舶设备的性能相对有所下降，特别是船舶操纵性能，如果对恶劣
25、环境不能做出适当的估计或者船舶不能抗拒环境的影响，那么这对船舶靠岸来说将是非常危险的。我们所研究的船舶靠岸环境可分为5自然环境和港口环境。自然环境因素主要包括以下几种因素:风、浪、流、能见度。港口环境包括:泊位长度、港池船舶密度、码头前沿水深、码头前沿回旋水域尺度。2.2.1 风的影响风是影响船舶靠岸安全的主要因素之一，原因如下:风对船舶的直接影响是相对风速作用在船体水线以上产生风动力及风动力的纵向分力，向漂移:使船舶的航速和冲程增加或降低；风动力的横向分力，使船舶向下风方风动力与船舶重心形成的风动力转船力矩，使船舶发生偏转运动；力与船舶横稳心高度形成横倾力矩，使船舶发生倾斜。船舶前进中受风，
26、风动如风从正横前吹来，则风动力、水动力作用点均在重心点之前。这时船首偏转方向要看风动力、水动力转船力矩哪一个大而定。前者大，船首顺风偏转；后者大，则船首逆风偏转。如风从正横后吹来，则风动力作用点位于水动力作用点之后。船舶在风动力、水动力转船力矩作用下，船首逆风偏转船舶后退中受风，如果风从正横前吹来，风动力作用点在水动力作用点之前。船舶在风动力、水动力转船力矩作用下，船尾迎风偏转。如风从正横后吹来，风动力作用点和水动力作用点均在船舶重心之后，由于船尾线形丰满，后退水阻力比前进水阻力大 14%-20%，加之螺旋桨、舵设备及舰纵倾等因素的影响，无论风舷角是大或是小，水动力作用点总在风动力作用点之后，
27、产生使船尾迎风偏转的转船力矩。船舶后退中受风影响，使船尾迎风偏转的现象，船员常称“舰找风” 。驾驶员在操纵船舶时，可充分利用倒车舰找风现象来实现其操纵目的。船舶靠岸时无论是发生了上述的哪种偏转情况，如果船舶操纵者未作出充分的估计，没有采取相应的措施，都将是非常危险的，增加了船舶触碰码头的风险。2.2.2 海浪的影响海浪容易造成剧烈的纵摇和垂荡，使船尾作剧烈的垂直上下运动，螺旋桨的一部分或全部就会周期性露出水面，形成螺旋桨空转，空转时，船桨露出水面的部分负荷减小，转速剧增，从而使推进效率显著下降，船速下降，从而舵效下降，船舶操纵性也会下降，影响船舶靠岸安全。2.2.3 水流的影响一般情况下在码头
28、短时间潮流可视未均匀流。船舶在均匀流中航行，无论逆流还是顺流，当螺旋桨转速不变时，船舶对水运动速度约等于船速。故就同一船舶而言，舵压力和舵压力转船力矩不变。但是，逆流或顺流航行船舶，操相同舵角在相同时间内，船舶回转相同的角度，因逆流船的纵距小于顺流船，因此，逆流船的舵效较顺流船好。另外，航行船舶正横前受流时，流速越快，流舷角越大，船速越慢，流压差角越大，横向漂移速度也越大；反之，流速越慢，流舷角越小，船速越快，流压差角越小，横向漂移速度也越小。驾驶员在操纵船舶时，应特别警惕横流的影响，尤其在通过急流、浅滩及桥区等航段时，应特别注意流舷角的调整。船舶在均匀水流中作旋回运动，由于受水流的影响，使船舶的旋回圈变成近似椭圆，船舶顺流旋回 360，旋回圈长轴垂直于流向；船舶逆流旋回 360，旋回圈长轴平行于流向。顺流旋回圈的纵距比静水中长，逆流则相反。因此，船舶有流水道内旋回或转向时应注意:顺流回转掉头，应估计下流方的安全漂移距离，顺流掉头所需纵距为漂移距离加船舶最
