海洋技术▏现代测量船的装船建造技术 - 海洋测量船

袁爱忠 · 发表于海洋技术发展 2024-5-1 00:28:22

测量

系统是测量船完成任务的核心设备。2003年挪威的专家登船安装大型测量装备，介绍该型号设备在全世界各国测量船上安装了38套，但使用效果各不相同，甚至有天壤之别。现场工程师通过测试发现，使用效果最好和最差的测量船，他们测量设备的技术性能没有差别。最终海上使用效果的巨大差异，主要是由测量船建造工程的差距造成的。深入的研究和大量的工程实践表明，要提升测量系统的技术性能，起决定作用的技术环节就是测量船的总体设计和测量系统的装船工程。本文主要讨论现代测量船中测量系统的装船工程对测量系统使用效果的影响。

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一、测量船船体总体设计

测量船的总体设计是以圆满完成测量任务为最终目标，首先要针对测量任务的海区(沿岸、近海、远海和无限海区)、测量任务的类型(浅海、深海、极地、岛礁、水声侦听和综合测量等)和测量系统的安装操作技术要求( 安装空间、安装位置、操作环境、测量航行状态等)，设计最合适的总体参数: 船型、总体尺度、排水量、自给力和续航力、正常吃水和满载吃水、标准乘员和最大乘员等。为承担预定的测量任务打好坚实的基础，构建效能最优秀的工作平台。

船体的总体参数确定以后，测量船动力选择是个关键。要根据测量作业的技术要求，结合安全航行的保障需求，进一步设计测量船的动力系统和其他各种配套保障系统。使其具备能够提供测量作业所需要的各种船速(高速测量、低速测量)、姿态(自然漂泊、定点布放和回收)、船体状态的控制性能(航速变化范围、航向操纵性和航行稳定性)和其他测量特需的保障能力。

二、测量船测量系统的装船工程

相对测量船来说，最大量的工作是要针对测量系统众多测量设备的安装、操作技术要求，设计各种测量设备所有技术部件的作业站位和技术配套工程，确保每一个测量设备都能够正常工作，各项测量成果都要达到规定的技术指标。测量系统的装船工程项目繁多，工程量比较集中的在船体的4个部位：船底、对空平台、前后甲板和测量舱室。

①船底：主要在1/3区域，进行系统探测海底声学部件的安装安装工程；

②对空平台：包括罗经平台、前后桅杆和上部甲板，进行对空测量设备的安装工程；

③前后甲板：是海上测量作业的外部活动空间，主要进行各种绞车和吊杆的安装工程；

④测量舱室：是测量系统海上作业控制和成果处理的空间，安装系统的室内高新设备。

为了保障测量系统各项设备的正常工作，在建造过程中还需要在船体实施特殊的技术工程，如动力系统的减振降噪工程和声学兼容技术工程。

⒈ 船底声学部件工程

船底工程是要完成测量系统的水下部件施工，主要是各种声学设备的换能器阵和导流罩的安装，该工程必须在船台或船坞内进行。船底安装工程是最苦、最累、压力最大、工期最紧的工程，工程效果直接关系到声学仪器、设备能否正常可靠工作。这就要求测量系统的施工建造的各个技术环节都要非常完善周密，才能获得理想的工程质量。船底安装的建造工程中有几个关键施工环节需要特别注意。

①换能器阵安装平面加工一定要光滑平整，换能器水箱焊接一定要控制变形。由于水箱是刚性材料，透声板(聚碳酸酯或ABS树脂或GPR3200复合材料等)是化学合成材料。控制不好，就会在透声材料上产生应力集中点，时间一长就会渗水、漏水。

②声学设备中有部分是要进行矢量测量，换能器阵的安装平面与大地水平面之间的误差、换能器阵的方向与船体首尾方向的误差都有较高的要求。在非水平的船台施工，一定要有高精度的测量设备控制施工误差。

③安装大型换能器阵时，施工范围大，一定要在换能器模块安装前完成水平和方向误差测量，提前进行误差修正比较安全。换能器模块安装后焊接封板，一定要控制焊接顺序和钢板温度，避免损伤换能器模块表面的聚胺酯保护膜。

船台施工千头万绪、复杂紧张，由于环境条件变化，人员不同，工艺流程和操作习惯不同，很难避免发生意外。只要有完善的施工技术设计和充足的技术准备，就能够在紧张而宝贵的船台工期内，完成高质量施工项目。

⒉ 对空测量设备安装工程

对空测量的探测范围是海平面以上的大气空间，设备的作用距离可以到上千公里甚至太空，但是部件安装是在船体顶部的有限空间。除测量系统外，船上的通讯系统、航海系统和侦察系统等众多设备都需要相同的工作空间。对空测量的安装工程，需要进行技术统筹设计和空间的统筹设计。

首先根据设备的技术特性和船体电磁兼容的技术要求，将测量系统的探空部件分别在安排发射和接收两个大范围内施工。在发射区的安装部件，需要特别考虑强信号阻塞的技术措施。

当前测量系统的探空部件绝大多数是在接收区进行安装，与众多通讯系统、航海系统和侦察系统的设备拥堵在对空作业有限的界面上，在建造施工的过程中，需要从上到下、从前到后进行进一步的空间的统筹协调。根据设备的专业重要性、工作时间以及物理参数，一般把不能遮挡的卫星接收机安装在主桅杆的最高端，其次安装测量系统探测雷达和航海雷达。

然后根据探空测量部件工作高度的要求，在不同高度的层次上，依次安装大气波导和气象仪的各种传感器。主要是风速、风向、气温、气压、湿度、红外等各种测量部件。对空测量的施工空间是立体三维的，在测量部件高度层次设计的同时，大型对空测量部件的平面施工设计必须同步考虑。要合理的安排卫星云图接收机、卫星遥感系统和风廓线仪的大型接收天线，充分保障探空设备的探测空间。风廓线仪需要360°× 45°的对空探测视角，当测量船在南北测线上航行时，卫星云图接收机天线要接收赤道上空同步气象卫星的信息，必须避开主桅杆的遮挡等。这些重要的技术要求都需要在建造工程中逐项调整落实，并进行严格的测试验证。

其他小型的对空测量设备如气象传真和信标差分GPS的天线，可以见缝插针在罗经平台的剩余空间进行安装。在罗经平台和飞机平台的前后檐，安装电视监控系统的摄像头，能够覆盖前后甲板的全部作业区域，可以获取最佳的作业监视空间。为了节省空间，测量系统的短波探测设备，可以通过偶合器与短波通信设备共用一根天线。

综上所述，测量系统的探空设备与通讯系统、航海系统和侦察系统的设备都是同类电磁设备，安装的技术要求都是针锋相对互不相让。需要在建造工程中科学设计，合理安排，其工程的重点是消除干扰，防止信号阻塞；消除遮挡，保障探测空间。

⒊ 甲板设备安装工程

测量船的甲板是测量系统海上作业室外平台，需要完成机动测量载体的的吊放和回收、各种测量拖曳体的布放和回收、海底底质取样和各种自容设备的垂直布放作业。为此就需要在测量船的前后甲板上，安装各种测量系统的舾装设备。

一般后甲板船舷比较低，不遮挡航行视线，作业面开阔，可以安装各种大型的A形吊架、折臂吊和伸缩门吊，安装各种大型液压绞车、电动绞车和各种拖曳绞车。用于完成走航测流、磁力仪和地貌仪的海洋拖曳作业；多频声源、多管取样和重力取样的海底取样作业；以及声学浮标和深海温盐密的吊放回收作业。前甲板船舷比较高，为了保障航行视线不宜安装大型设备。通常在前甲板左右两侧安装小型折臂吊和小型绞车，用于完成声速剖面仪、自动验潮仪和浅海温盐密等小型设备的吊放作业。

近代海洋开发事业的迅猛发展，导致测量船的作业项目成倍增加，甲板舾装设备尤为突出。现代勘察测量船上，单绞车的数量由几台猛增到十几甚至几十台，造成作业甲板排解不下的困难局面。北欧的发达海洋大国，率先设计了绞车群体模式。就是将数量众多的绞车，通过的导向机构连接成一个整体，在甲板以下的空闲舱室进行安装(又称埋舱绞车)，从而化解了测量船工作甲板寸土寸金的矛盾。

⒋ 测量舱室建造工程

不同国家、不同任务测量船的工作舱室和站位可以说是千差万别的，需要综合测量任务的类型特点、各种专业设备的站位布局、船体结构的保障条件及承受能力和海上测量任务的执行流程等多方面的因素，依据造船、测量等各种专业的技术规范进行科学计算和技术设计。当前，我们大型综合测量船工作舱室的典型布局如下。

①测量系统的控制和处理中心安排在船体的中心位置，房间要尽量大，测量专业设备的操作台集中安装在同一个房间内。有利于海上作业时的同步协调，也方便安排现场专业人员的测量值班。海洋重力仪要尽可能靠近船体的重心位置。

②在前甲板附近的大舱室，安装水文气象分系统的控制中心设备，相邻的小舱室可以分别安装风廓线仪、大气波导等对空测量设备和测波雷达、走航测流等高端水文设备。

③在靠近甲板的不同站位附近的工作舱室，安装对应的设备和部件：❶靠近后甲板的各个工作舱室分别安装声学浮标和拖曳声源，走航测流和深海温盐密的设备和水下系统，以及磁力、地貌等设备的拖曳系统和多管、重力等海底底质的采样机构；❷靠近前甲板的相关工作舱室可以安装验潮仪、声速剖面仪等自容式设备；❸在艇甲板测量工作艇附近的舱室，安装岛礁测量设备。

④当换能器和天线电缆长度不足时，要在合适的位置增加中间工作舱室，安装设备的发射接收系统。小型测量船可以参照大船的布局原则，根据现场条件进行压缩和裁减。

⒌ 动力系统的减振降噪工程

海洋水深、海底地形、海底地貌、表层底质和海洋环流是测量船最主要的任务剖面，探测这些要素必须依靠水声测量设备。为了保障水声测量设备的正常工作，必须降低船体的背景噪声，否则测量船的使命任务将无法完成。我们的第一艘中远海测量船在船体减振降噪上狠下功夫，主机两级隔振，发电机组实施浮筏，获得了15db以上的减振降噪效益。但是中修时，修船厂家没有能力恢复减振降噪工程的技术状态，反而造成该船噪声大幅度上升，导致多波束设备的声学效益降低了一倍多，实践充分证实了建造工程对测量效益的巨大影响。

现代造船技术已经发现，船体的机械振动噪声是最直接、最主要的噪声来源。减振降噪工程就是针对噪声来源，通过高新技术手段，有效地控制船体噪声。

①筛选性能好、噪声低的动力部件: 选用振动小的主机、发电机组、传动装置和低噪声大侧斜螺旋桨。

②船体布置减少噪声: 优选电力推进系统，适当增加船体与螺旋桨的间隙，采取双轴布置，船尾形状、尾轴架安装角度等方面要作相应调整，改善螺旋桨伴流场。

③采取有效的降噪技术措施: 主机两级隔振，发电机组实施浮筏，推力器导管采用阻尼材料，艏侧推加装活动导流罩。

⒍ 声学兼容技术工程

现代测量船上有大约1/3的项目需要通过声学设备来完成，声学设备的技术状态决定了测量船整体的工作效益。声学兼容技术工程是当代舰船建造工程的最新技术，工程实施的目标是要获取测量系统所有声学设备的最高工作效益。当前我们的声学兼容技术工程主要在以下3个方面实施。

①综合全船所有声学设备的技术要求，参加船总体设计。对关系声学设备技术发挥的船体形状、主机、发电机组和螺旋桨等方案设计提出保障要求。对影响声学设备正常工作的艏侧推和减摇鳍提出兼容技术措施。对障碍声学设备正常工作的方案提交整改意见。

②根据总体方案的初步设计，确定声学换能器船底安装的最佳区域。尽管流体试验和航行实践已经证明: 通常船长1/3左右的区域，是背景噪声最低的位置。但是每条船的结构和线形都各不相同，换能器的形状和大小都各异，具体的安装位置还需要具体分析论证。如果换能器的尺寸太大或是1/3的位置实在没有空间，而测量设备又必须安装，那就必须根据现场环境条件进行有针对性的工程设计，牺牲一定的信噪比，换取一个可以维持工作的空间。

③完成声学换能器的安装结构设计。现代测量船上的声学换能器数量众多，通常可达10个以上。这些换能器的结构尺寸差异很大，有8m×8m的矩阵，也有直径不超过200mm的小圆台。形状也是各不相同，有V形、T形、圆形、方形、马蹄形等。它们在空间站位和工作频率上还存在着对抗性的矛盾，如果只保障一个换能器能够正常工作，这并不困难。但是要消除它们之间的相互影响，获取所有换能器的最高效益，这就很不容易，必须要建立声学平台。

声学平台对外与船体线形相吻合，避免产生有害的涡流。对内为每一个声学换能器都营造了一个最佳的声学工作空间。为此就需要分析每个声学设备的声源级和灵敏度，研究所有声学换能器的工作频率波长和接收发射开角。通过科学计算和工程试验，设计透声材料的厚度和工作腔的空度等参数，确定对口的吸声材料，设计阻尼、减振隔振和水密结构，为所有的声学换能器，创造一个无混响、低损耗、安静高效的声学工作空间。建造声学平台，最低限度要实现两个目标：一是要保证每个声学设备在单机工作时，都能达到原定设计技术指标；二是当多台声学设备同时工作时，能够消除设备之间的相互干扰，实现部分声学设备同船同步工作。

三、结束语

现代综合测量船是一个高新技术密集的大系统，要想打造出优秀、理想的测量船，必须要把握好建造工程的各个环节。在建造工程中，最重要的是要把测量任务的需要放在首位，总体设计和施工建造都必须紧紧地围绕测量需要展开，设计最适合测量的船体，搭建最适合测量的布局，能够提高测量效益的技术措施都应该优先考虑，妨碍测量作业的工程环节都必须彻底改进。其次，要切实把握好船底、甲板、舱室和对空平台4 个建造工程，测量系统就是通过这4个工程界面容入船体的。还要通过特殊技术工程，保证船上水声测量设备和声学设备的正常工作，才能提高测量船整体的工作效益。只有精确的施工工艺和严格的质量保障，才能够使测量系统和船体有机结合，在海上测量作业的实际任务中发挥出巨大的威力。

“远望6号”测量船

【作者简介】本文作者陈宪刚赵先龙王川李广建，第一作者陈宪刚，男，1977年出生，河北定州人，工程师，主要从事海洋综合调查船的监造和测量设备安装的研究。本文来自《海洋测绘》（2014年第1期），用于学习与交流，转载务请备注作者及出处。

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