新型40米级海道测量船的设计探讨

时间：2024-05-18

严明毛建辉陈晓华

摘要：海事测绘是我国航海安全链中至关重要的一个环节，由于海道测绘作业的特殊要求，需要专业的海道测量船来完成。根据新时期海道测量规范要求，本文在船舶主尺度选择时，根据测量等级要求，提出了依据多波束性能确定船长的方法;在动力系统设计上，海道测量船需在测量作业航速和调遣航速的选择上取得平衡;对于作业航速选取，本文提出了依据多波束性能确定最大航速的方法。此外，本文还通过模型试验等方法对海道测量船的耐波性和操纵性开展研究。在测量系统设计上，本文提出了新型40米级海道测量船的主要测量设备和安装方式，同时也提出测量系统不仅需要满足目前实际作业任务要求，并为未来设备和功能升级留有余量。

关键词：海道测量船;海道测量规范;多波束测深仪

0引言

海事测绘是国家经济建设不可缺少的前期性和基础性保障工作，是我国航海安全链中至关重要的一个环节。在《中国海事航海保障“十三五”发展规划—测绘专项规划》中提出了“测量范围由港口航道扩展到近海重点水域，重要港口的重要通航水域发生变化及时跟踪测量，重点港口和航道多波束扫测覆盖率达100%，突破传统港口航道测量业务，向多元化沿海航行地理信息的全要素采集、评测、加工和服务发展;全面开展沿海干线航路和定线制测量;强化通航尺度核定测量和通航水域水深监测”。因此，新时期作为开展测绘工作的重要装备，专业的海道测量船在保障水上运输主通道和港口的畅通，保障港口及沿海船舶航行安全方面具有十分重要的作用。

1新型测量船要求

由于海道測绘作业的特殊要求，需要专业的海道测量船舶来承担：一是与常规测量船不同，海道测量船需要在繁忙的航道内航行及测绘作业，需要船舶具有良好的操纵性，才能保障船舶安全;二是由于配备的测量设备安装要求比较高，因此其他船舶（如航标船）可能没有合适的测量设备安装位置和操控设备，影响测量效率和测量精度;三是测量船对振动噪声的要求较高，其他船舶可能无法满足要求;四是测量设备如果采用临时搭载的方式安装在其他船舶上，由于测量设备需要安装、校正，无法满足应急测量快速响应的需要;五是测量数据需要存储、处理、共享等，需要配备专业的数据服务器等存储与网络设施。因此随着我国海道测量和应急测绘的工作量的大幅增加，为保证完成测绘任务，需要配备专业的测量船舶。而现有的40米级海道测量船，船型较老，还存在以下问题：

（1）船型较为传统，采用艏艉升高甲板，两层甲板室的形式，工作和船员生活空间狭小。艏部甲板高度较低，在不利海况下容易上浪。

（2）原船作业航区为沿海，当作业范围需要拓展至近海时，耐波性较差，影响测量作业的精度和效率。

（3）随着测量任务对测量精度、可靠性、分辨率的要求大幅提高，原有测量设备相对落后，需要更新换代。

因此，为满足近海作业的需要，新建40米级测量船在船型、主尺度以及测量设备等方面进行了升级，在抗风能力、耐波性、续航力和自持力、测量作业能力等方面较原40米级测量船有较明显的提升。

2新版海道测量规范要求

根据新版IHO海道测量规范[1]（S-44）：航道、警戒区等重要水域的测量等级为特等，探测能力达到立方特征物>1 m3;水深在100 m以内对航行安全具有潜在影响的水域的测量等级为1a等，如水深<40m，探测能力达到立方特征物> 2 m3，如水深>40m，探测能力达到空间特征为水深值10%。以上这些水域全部要求多波束全覆盖扫测。显然，特等测量等级要求更严苛，故本文将主要讨论特等测量等级对船舶设计的影响。

全覆盖测量包括横向全覆盖和纵向全覆盖。横向全覆盖包括一呯内横向全覆盖，以及两条测线之间的全覆盖。由于多波束一呯内各个波束是无间隔排列的，因此一呯内是无间隙全覆盖。对于两条测线之间的全覆盖，如果覆盖面积过大，虽然保证了测量精度，却影响了测量效率，增加了工作量;覆盖面积过小，又无法满足S-44的要求。因此，测线间距成为影响横向全覆盖的一个重要因素，也是决定船舶长度和回转性要求的重要因素。纵向全覆盖是指沿测线的两呯之间声照区域的拼接无遗留，其主要取决于船速，该项要求决定了测量船作业时的最大航速。

根据文献2[2]方法，根据几何关系，如图1所示，最外缘波束的斜距为

那么，该波束脚印横向宽度为横向宽度

图中H为水深值，θ为波束的入射角，x为横向波束宽度。

根据S-44要求，以海底特征物的横向宽度必须大于波束脚印的横向宽度才能被探测到为前提，通过计算多波束有效覆盖宽度，确定合理的测线间距，从而使测量数据既能满足预定的精度要求，又能保持较高的测量效率。

以EM2040多波束测深仪为例，该测深仪配备双接收换能器时，正常工作模式下的波束最大覆盖角度可达210°，工作频率400kHz，波束宽度≤0.7°×0.7°。基于海底地形分辨率<1 m的测量，不同水深下的波束脚印宽度随入射角变化曲线见图2所示。其中横坐标为波束入射角，纵坐标为波束脚印的横向宽度。

由图可知，随着水深的增加，波束入射角逐渐变小。对于不同水深，对应的测线间距控制指标如表1所示。当80 m水深时，波束入射角只能限制在8?才能满足波束脚印宽度<1 m的要求，角度太小已没有意义，故舍去。因此特等测量等级的水深应小于70 m。

此外，为保证纵向全覆盖，根据文献3[3]的方法，测量船须满足在相邻两呯的最小测量时间t内保证收到最外缘波束的回波，即）。另外，以海底特征物的纵向宽度必须大于波束脚印的纵向宽度才能被探测到为前提，则测量船在t时间内实际航行距离不大于波束脚印纵向宽度，考虑到波束脚印纵向宽度，得到全覆盖的最大船速。

其中，C为声速，取1500m/s;θ为波束的入射角，为纵向波束宽度。

还是以EM2040多波束为例，满足纵向全覆盖的测量船速为9kn。基于海底地形分辨率<1m的测量要求，对应的最高航速限制如图3所示。由图3可知，当水深小于80m时，最高航速不大于9kn，当水深大于80m时，最高航速应随着水深增加而减小。

综上所示，根据S-44规范对特等测量等级要求，当水深小于70m时，测线间距50～80m比较合适，最大作业航速不大于9kn。

3船型选择

根据美国大学—国家海洋学实验室对调查船和测量船按船舶总长分类，本船属4类船[4]，目前国外该类型测量船数量不多，表2是收集的近几年国外同类型测量船的船型参数。

通过对上述国外船型分析可以看出，目前中小型测量船具有如下发展趋势[4]：

（1）船宽日趋加大，长宽比日趋降低，船型向肥大型发展

为提高船舶的抗风能力和适航性，船宽日趋加大。在船宽加大的同时，考虑到航道测量时掉头和回转作业的需要，船长基本没有同步增加。由于长宽比减小，方形系数增加，测量船船型日趋肥大化。

（2）自由航速较低

海道测量船以低速测量作业为主，但还要兼顾自由调遣航行，故从经济性上来说，一般自由航行航速不高，中小型船舶的航速一般在10～13kn。

（3）设置长艏楼、尾作业甲板

为更好地适应恶劣海况，减少首部甲板上浪，同时提高船舶空间利用率，现代测量船一般都设置长艏楼。主要测量设备布置在尾部主甲板上，减少风浪对测量作业的影响。

因此，本船根据实际测量需要，并借鉴国外测量船船型发展特点，采用单体船型[5]、长艏楼、艉作业甲板，既适应测量任务由沿海向近海发展的作业海况的需要，又增加了尾部作业甲板面积，也增大了甲板室的布置空间，改善船员的工作和居住环境，更具人性化。

4船舶主尺度选择

为更好地适应近海作业要求，进一步提高船舶的耐波性，将原40米级测量船主尺度尤其是船宽适当增加，排水量适当加大，方能更好地满足近海作业稳性、抗风浪能力的要求。

根据S-44规范对特等测量等级要求，当水深小于70 m时，测线间距50～80 m比较合适，考虑到低速时双机船舶的回转直径约1～2倍船长，因此选择不大于50m的船长，方能快速上线测量，获得较高测量效率。此外，考虑到有时作业区域离岸较近，因此船舶吃水应尽量小。综合考虑上述因素，本船总长约45.0 m，型宽约9.5 m，吃水约2.9 m。

5快速性

根据S-44规范对特等测量等级要求，当水深小于70m时，最大测量航速不大于9 kn，另外考虑到高航速带来的过大主机功率产生的振动和噪声对测量精度的影响，因此在测量规范中要求多波束作业航速应不大于8kn航速。如采用舷侧拖带侧扫声呐，则必须考虑水流对其的影响，作业航速应进一步降低至6kn。此外，如考虑到应急测绘需要，测量船还应具有一定的调遣航速。综合考虑上述因素，并借鉴国外同型船参数，本船调遣航速取13 kn。

为验证阻力性能，本船在拖曳水池中开展了船模阻力试验[6]，模型缩尺比11.7714，船模包括了舭龙骨、艉轴管、支架、舵等附体。阻力试验分析方法采用二因次法，采用1957年ITTC推荐摩擦阻力系数计算公式换算到实船，粗糙度补贴△f=0.0004，全附体下的有效功率曲线见图4所示。从图4可知，在12～13 kn时，有效功率曲线相对平缓，大于13 kn时有效功率曲线斜率很陡，船体阻力增加很快，说明调遣航速取在13 kn是合理的、经济的。

此外，根据模型试验结果，在8kn的测量航速时，船舶有效功率约90kW，此时螺旋桨吸收的主机功率已小于主机最低稳定转速时的功率。因此，为兼顾自由航行工况和测量作业工况，一般可通过可调螺距螺旋桨、滑差齿轮箱驱动螺旋桨、全电力驱动等方式来解决功率匹配问题。

可调螺距螺旋桨通过设置于桨毂中的操纵机构，使桨叶转动，以改变桨叶的螺距，使船、机、桨在各种工况下都能充分发挥主机的功率，对多工况的船舶，采用可调桨具有很大的优势。而滑差离合器与齿轮箱一起组成减速、调速传动装置，滑差离合器工作时，通过液压油对相对滑动的主、从摩擦片进行润滑和冷却，并建立具有一定剪切强度的油膜，通过油膜的黏性摩擦力做扭矩传递，并通过主、从动摩擦片之间的转速差异以达到调速目的[7]。但目前国内设备商还没有类似的产品，国外也仅有少数设备商能够提供成熟的产品，厂商选择比较困难。而全电力驱动由于造价昂贵，较少应用在中小型测量船上。综合考虑上述因素，本船动力系统采用技术成熟可靠的可调桨方案。

6耐波性

根据任务需要，本船要求在4级海况下能够进行测量作业，而船舶耐波性是影响测量精度的主要性能。根据航道测量技术要求，测深极限误差规定见表3。

由于多波束测量系统对船舶横摇、纵摇和艏摇都有修正功能，因此，为进一步研究在测量作业时垂向方向上运动情况（主要是升沉），本船开展了耐波性模型试验[6]。试验在深水拖曳水池中进行，船模缩尺比11.7714，如图5所示。根据试验结果可知，在航速3～14kn，有义波高1.0m海况下的升沉有义值如图6、图7所示。由图6可知，在6～8kn航速时，船舶最大升沉约0.067m，对测量精度影响较小。

7操纵性

根据《海道测量规范》[8]、《多波束测深系统测量技术要求》[9]、《沿海港口航道测量技术要求》[10]等规范文件的要求，目前海道测量方式主要有两种：

（1）采用多波束测深系统测量，主測线布设方向应选择平行于等深线的走向、潮流的流向、航道轴线方向或测区的最长边等其中之一布设。这种测量方式采集的是船舶航行轨迹上的横向条带数据，是属于面测量，能够全面反映海底地貌，障碍物、浅点一览无遗。按照要求，目前港口航道图测量时航道、锚地、障碍物、浅点加密、通航尺度核定测量必须使用多波束测量。

（2）采用单波束测深仪测量，主测深线方向应垂直等深线的总方向、垂直于航道方向，对于狭窄航道，测深线方向应与等深线成45°。这种测量方式采集的是船舶航行轨迹上的数据，能够比较完善地反映海底地貌，这是目前最常规的水深测量方法。

由上可知，多波束测量要求船舶平行于等深线方向开展作业，单波束测量要求船舶垂直于航道或等深线方向开展作业，因此测量船在作业区域的作业线较为复杂;此外，测量船作业时船速不高、定线测量作业时来回掉头频繁。由于航道内来往船舶众多，对海道测量船来说这两种作业方式都有安全风险，需要具备灵敏的应舵性能避让船只，迅速规避风险。另一方面，为保证和提高定线测量的测量效率，需要具备较小的回转半径和较短的回转时间。

为保证测量船良好的操纵性，首先，在主尺度和线型设计上综合考虑，提高回转性能;其次，在动力系统设计上，采用双机双桨的推进方式，以在打舵和回转时获得更高的动力;再次，在舵叶设计上采用襟翼舵，提高船舶在低速测量作业时的应舵性能，减小回转半径，从而提高船舶在航道内作业的安全性，有利于加快上线速度，提高测量作业效率。

8测量系统设计

8.1 测量设备配置选择

海图要素中的海部要素主要包括水深、航行障碍物、水文（如流速、流向）、底质、地貌等，目前大部分是通过测量船上的测量设备按照规范要求进行数据采集和处理后得到的。

根据测量任务需要，新型40米级海道测量船配置的主要测量设备包括多波束测深系统、双频测深仪、单频测深仪、多普勒流速剖面仪、水文气象站等测量设备。考虑应急测量的需要，船上长期配备侧扫声呐，并配备前视避碰声呐、红外光电稳像系统等（集成测量系统框图如图7所示）。下面简单介绍各设备的主要用途和性能，供读者参考。

（1）多波束测深系统

根据实际作业水深需要，本船配置浅水多波束测深仪（工作频率200～400kHz，波束覆盖扇区最大210°，波束角0.7°×0.7°@400kHz，测深量程0.5～600m，系统实际测深精度满足IHO SP44标准，在40m水深下最小物标分辨率0.5m×0.5m×0.5m）、GPS接收机、光纤惯导、声速剖面仪、表面声速仪，同时配有专业的数据采集导航软件和数据处理软件。可用于重点港口和航道的地形测量，具有高测量效率、高测量精度和高分辨率等优点，是本船的主要测量设备。

（2）双频测深仪

该设备工作频率200kHz时作业水深0.2～200m，测深精度≤0.01m±0.1%水深;33kHz时作业水深0.5～1500m，测深精度≤0.10m±0.1%水深，分辨率0.01m。该设备作业比较简单，用于普通水深测量。

（3）单频测深仪

该设备安装在本船携带的工作艇上，适用于母船无法进入的浅水区作业。工作频率200kHz，工作水深0.2～200m，分辨率0.01m，测深精度0.01m±0.1%水深。

（4）多普勒流速剖面仪（ADCP）

该设备工作频率150kHZ，量程≥300m，流速量程0～10m/s，流速分辨率≤ 0.01 m/s，流速精度为流速1%±1cm/s，用于测量沿固定端面流速、流向等。

（5）水文气象站

主要包括风速风向传感器、数据采取器、定位系统（GPS）、罗经、一体式气象传感器（包括温度、湿度、压力、降水等）、能见度传感器等，主要用于海上气象资料的采集。

（6）侧扫声呐测量系统

该设备为可移动设备，可采用舷侧1t液压伸缩/折臂吊进行拖带。最大作业水深2000m，声速传感器量程1375～1900m/s，声速传感器分辨率0.001m/s，声速传感器正确度±0.02m/s。该设备主要用于沉船、障碍物的应急扫测。

（7）前视避碰声纳

该设备最大测量距离150m，角度精度-1.6°，主要用于扫测障碍物时保障船舶自身安全。

（8）红外光电稳像系统

该设备主要用于在沉船或障碍物应急扫测时对水上目标进行全天候、全方位的观察、监视、搜索、跟踪、取证。

（9）其他测量设备

为预留未来海洋水文、地质测量的需要，本船在主甲板上可搭载1个测量用20ft集装箱模块，船艉设有0.8t液压门架以及1台水文绞车。

8.2 测量设备安装方式选择

目前，测量设备安装方式主要有舷侧安装、升降式平台安装、船底固定安装[11]。通过现场作业区域实际调研，发现有些测量水域水深较浅，而且经常有看不见的渔网或用于系网的钢缆或尼龙绳，可能会使突出船底或者非固定安装的换能器丢失、损坏。因此，本船主要测量设备如多波束测深仪、双频测深仪、多普勒流速剖面仪的换能器均采用船底嵌入固定安装。其优点一是可以保证测量设备的安装质量，在长时间内保障测量精度和测量工作效率;二是便于应急测绘的及时响应;三是换能器安全有保障，不受渔网、钢缆等影响;四是嵌入安装方式换能器与船底基本平齐，不会增加阻力，航行和作业经济性好。但船底固定安装也存在换能器检修不便，损坏需要进坞才能维修的缺点，但根据船东多年的使用经验，2年坞修期完全能够满足实际需要。

9结语

本文探讨了总体设计中几个方面：

（1）在船舶主尺度选择时，应考虑作业水域宽度、水深等限制条件外，还需考虑测量等级的要求，提出了根据多波束性能确定船长的方法，供读者参考。

（2）在动力系统设计上，测量船需要在测量作业航速和调遣航速的选择上取得平衡。通过模型试验确定合理的调遣航速，满足经济性;作业航速则需要满足测量等级要求，本文提出了根据多波束性能确定最大航速的方法，供读者参考。

（3）通过模型试验的方法，本文验证了40米级测量船的耐波性，可以满足测量作业的需要。

（4）与一般测量船不同，由于特殊的作业方式，海道测量船应具有十分灵活的机动性，需要在操纵性方面特别设计，保证作业安全;

（5）在测量系统设计上，本文提出了40米级海道测量船的主要测量设备和安装方式，供读者参考，同时提出测量系统不仅需要满足目前实际作业任务要求，并为未来设备和功能升级留有余量。

为满足海事系统40米级海道测量船的实际需要，本文从船舶操纵性、适用性、测量设备配置的专业性等方面做了充分探讨，为以后的新建、续建40米级海道测量船提供了参考方向及优化意见，为海事发展提供坚实的技术基础。

参考文献

[1]IHO.IHO Standards for Hydrographic Surveys，S-44，5th.

[2]成芳，刘雁春，金邵华等.于S-44不同测量等级的测线间距确定方法[J].海洋测绘.2011年第2期：28-30.

[3]金邵华，成芳，赵晋霞等.多波束测量船船速控制方法研究[J].海洋测绘.2015年第4期：33-35.