船體水下壁面清污工作效率研究

林海燕 王皓

摘 ?要：為了減少船舶附著物造成的燃油損耗，以及船舶清污帶來(lái)的非運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加，提出一種船體水下壁面清污的工作方案。通過(guò)對(duì)船舶外形的特點(diǎn)、工作環(huán)境、水下壁面附著物特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)船舶清污機(jī)器人的不同工作模式進(jìn)行對(duì)比研究，論證了該方案既能達(dá)到船體水下壁面清污工作的質(zhì)量要求，又能提高船體水下壁面清污工作的效率，為船舶清污機(jī)器人的深入研究提供思路。

關(guān)鍵詞：船體;水下壁面;清污;效率

中圖分類(lèi)號(hào)：U672 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0058-02

Abstract： In order to reduce the fuel loss caused by ship attachment and the increase of non-operating time caused by ship decontamination， a working scheme for cleaning the underwater wall of ship is proposed. Based on the analysis of the characteristics of ship shape， working environment and underwater wall attachment， the different working modes of ship cleaning robot are compared. It is demonstrated that the scheme can not only meet the quality requirements of the hull underwater wall cleaning work， but also improve the efficiency of the hull underwater wall cleaning work， and provide ideas for the further research of the ship cleaning robot.

Keywords： hull; underwater wall; decontamination; efficiency

引言

船舶常年在水中航行，大量海洋生物會(huì)附著在船體上，使得船舶運(yùn)輸?shù)臒o(wú)效負(fù)荷增加。此外，船體附著生物和鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌會(huì)對(duì)船體表面的防護(hù)層產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，導(dǎo)致船體鋼板被強(qiáng)烈腐蝕。為了保證船舶安全航行，延長(zhǎng)船舶的使用壽命，船舶需要定期對(duì)船塢施行檢查。但這樣會(huì)存在船塢不足、修船時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，進(jìn)而增加了船舶的燃油損耗和非營(yíng)運(yùn)時(shí)間。所以開(kāi)展船體水下壁面清污效率的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家在船體清刷工具和壁面機(jī)器人方面做了大量的研究工作，本文將對(duì)船體水下壁面清污的工作方式進(jìn)行研究，以提高船舶水下壁面清污效率。

1 船體水下壁面清污系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計(jì)了一種船體水下壁面清污系統(tǒng)，示意圖見(jiàn)圖1。該清污系統(tǒng)由母船控制系統(tǒng)和無(wú)人船系統(tǒng)兩部分組成。母船的控制臺(tái)裝有數(shù)據(jù)接收器、圖像顯示器、控制器。母船控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收、處理和分析無(wú)人船系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)并對(duì)無(wú)人船和機(jī)器人進(jìn)行操作和控制。同時(shí)具有顯示采集的實(shí)時(shí)圖像和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。無(wú)人船系統(tǒng)包括太陽(yáng)能發(fā)電裝置、無(wú)人船工作站、供電電纜、信號(hào)電纜、水下清污機(jī)器人;無(wú)人船工作站具有為水下清污機(jī)器人充電和巡檢功能，與水下清污機(jī)器人進(jìn)行有線通信，與母船控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信的功能;水下清污機(jī)器人通過(guò)自帶攝像頭所獲得水下船體表面的深度立體圖像、被清除物面積大小和詳細(xì)位置數(shù)據(jù)傳給無(wú)人船工作站;無(wú)人船工作站通過(guò)對(duì)水下清污機(jī)器人傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，判斷出水下壁面附著污垢的位置、種類(lèi)及附著厚度，以及合適的清污工作方式，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳到母船控制臺(tái);母船操作人員觀察水下畫(huà)面信息進(jìn)一步確認(rèn)清污工作方式，若操作人員確認(rèn)無(wú)人船給出的判斷信息，則無(wú)人船會(huì)對(duì)清污機(jī)器人發(fā)出具體的控制指令;否則操作人員直接發(fā)出具體的清污工作指令。對(duì)于需要整體清洗類(lèi)型采用清污機(jī)器人并聯(lián)的工作方式進(jìn)行清污。對(duì)于局部清洗可以采用單獨(dú)方式進(jìn)行清污;對(duì)于貝殼類(lèi)污垢由破堅(jiān)機(jī)器人作業(yè)，前端鉆頭部分可以根據(jù)環(huán)境需要進(jìn)行-90°～+90°旋轉(zhuǎn);而對(duì)于海藻類(lèi)污垢，由切割機(jī)器人作業(yè)。通常采用先破堅(jiān)后切割的工作方式。

2 水上水下清污結(jié)合對(duì)提高水下清污工作效率的作用

船舶按照用途來(lái)分，有客運(yùn)船、普通貨運(yùn)、集裝箱船、散貨船、油船等，不同類(lèi)型的船舶其船體具有不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，船體外形也各不相同。但大體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

船舶在大海上航行時(shí)，船體一部分在海平面以上，另外一部分在海平面以下，分界線對(duì)應(yīng)的是設(shè)計(jì)水線，最容易被海水侵蝕的船體是設(shè)計(jì)水線以下壁面，即船體水下壁面部分。

海水中影響船體腐蝕的海生物可分為三類(lèi)。一類(lèi)是細(xì)菌和海藻類(lèi)，一類(lèi)是柔軟的海洋生物，第三類(lèi)是硬質(zhì)海洋動(dòng)物，如藤壺、貝類(lèi)等。船舶在海水中航行，各類(lèi)微有機(jī)體很快附著于船體水下壁面，進(jìn)而微生物繁殖，宏觀生物依附于微生物逐漸成長(zhǎng)，船體水下壁面被海藻、軟體生物、貝殼類(lèi)覆蓋，宏觀生物死亡腐爛處微生物大量繁殖，繼續(xù)附著第二代宏觀生物，其中，貝殼類(lèi)生物一般附著牢固，當(dāng)?shù)谝淮劳鲋螅渫鈿げ灰酌撀?，第二代則在其硬殼上繼續(xù)繁衍，造成船底附著生物增厚，經(jīng)過(guò)幾個(gè)繁殖周期，船底附著的生物可達(dá)一定厚度。

根據(jù)附著物種類(lèi)分析，船體水下壁面清污工作主要需要清除貝殼類(lèi)，清除海草類(lèi)，根據(jù)船體壁面保護(hù)的角度，需要進(jìn)行除銹、防腐層修復(fù)。如果清除貝殼類(lèi)、海藻類(lèi)、打磨銹跡、防銹修復(fù)四個(gè)環(huán)節(jié)都在船塢中進(jìn)行，會(huì)存在船塢不足的問(wèn)題，增加船舶非運(yùn)營(yíng)時(shí)間，如果四個(gè)環(huán)節(jié)都在船舶?？看a頭時(shí)水下進(jìn)行，則打磨銹跡的鐵銹會(huì)污染海水，并且在水中清除銹跡后不能進(jìn)行防腐層修復(fù)工作，很快會(huì)再次產(chǎn)生銹跡。通過(guò)對(duì)比分析和實(shí)地調(diào)研，在水下開(kāi)展貝殼類(lèi)、海藻類(lèi)清除工作，由于水下進(jìn)行附著物清除，船舶進(jìn)港停泊時(shí)間都可以讓清污機(jī)器人進(jìn)行附著物清除工作，時(shí)間上靈活性高，清理及時(shí)，避免船體水下壁面附著物過(guò)厚，造成的清理困難。進(jìn)船塢除銹和壁面防腐修復(fù)工作時(shí)間相對(duì)減少，可以合理安排船期和船塢排期，在保證工作質(zhì)量的同時(shí)，有效提高工作效率，延長(zhǎng)船舶壽命。

3 機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用對(duì)提高水下清污工作效率的作用

機(jī)器視覺(jué)在水下清污機(jī)器人上的應(yīng)用可以使人們更加清楚地了解船舶水下部分的附著物種類(lèi)和船體壁面腐蝕程度。比如，清污機(jī)器人在清除貝殼類(lèi)和海草類(lèi)附著物的過(guò)程中，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)拍攝船體附著物和腐蝕情況，將獲取圖像傳回?zé)o人船工作站，無(wú)人船工作站傳回母船控制室，讓管理人員了解船體不同位置附著物和腐蝕情況的差異，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行分區(qū)管理，區(qū)分重點(diǎn)清污區(qū)域和非重點(diǎn)清污區(qū)域，確定不同的清污方式和清污時(shí)間;了解貝殼類(lèi)、海藻類(lèi)生物附著周期，設(shè)置合理的清污周期;了解防腐層破損情況，繪制船體腐蝕情況曲線，結(jié)合船舶航行日程安排及船塢的排期，決定進(jìn)船塢開(kāi)展打磨銹跡和防腐層修復(fù)工作的時(shí)間。合理利用通過(guò)機(jī)器視覺(jué)獲得的圖像數(shù)據(jù)，在清污時(shí)間和清污區(qū)域方面都能有的放矢的開(kāi)展清污工作，避免了無(wú)效、低效清污工作，節(jié)省時(shí)間，有效提高工作效率。

4 分層并聯(lián)工作模式對(duì)水下清污工作效率的影響

為了提高清污機(jī)器人的工作效率，可將船體水下壁面分為若干層，靠近水面的是上層，靠近船底的是下層，船底為底層，多臺(tái)清污機(jī)器人并聯(lián)工作。第一，多臺(tái)清污機(jī)器人并聯(lián)工作的情況，完成指定的清污工作，可以成倍的縮短清污時(shí)間。第二，由于船體上寬下窄，船體表面附著物造成的船壁凸凹不平，清污機(jī)器人上下往復(fù)越障行走開(kāi)展清污工作，需要不斷調(diào)整位姿來(lái)進(jìn)避免傾覆，而按照上層、下層、底層來(lái)分，多個(gè)清污機(jī)器人同時(shí)在各自水平層繞船體一周或在船底開(kāi)展清污工作，位姿調(diào)整幅度和頻率明顯減少，機(jī)器人傾覆的可能性大大減少。第三，在船壁的不同水平層海洋污染物附著情況不同，清污方式可能不同，可根據(jù)本層附著物特點(diǎn)設(shè)定通過(guò)破堅(jiān)方式清除貝殼類(lèi)污染物的時(shí)間和通過(guò)切割方式清除海藻類(lèi)污染物的時(shí)間。以上三點(diǎn)均可在不同程度上提高清污機(jī)器人的工作效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)近年來(lái)在水下機(jī)器人領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績(jī)，為水下機(jī)器人技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但因?yàn)榇八虑逦坌枰紤]船舶材料、形狀，附著物特點(diǎn)及環(huán)?；厥盏纫蛩兀€要結(jié)實(shí)際需要對(duì)水下清污機(jī)器人進(jìn)行針對(duì)性的研究開(kāi)發(fā)，在清污機(jī)器人清污方式和工作效率方面有所改進(jìn)。目前，經(jīng)走訪調(diào)研多家船廠，結(jié)果表明水上水下清污結(jié)合、機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用、清污機(jī)器人分層并聯(lián)工作方式，均能有效提高船體水下壁面清污工作效率。

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