【版面頭條】艨艟巨艦 海工中國(guó)（科技名家筆談）

人民日?qǐng)?bào)報(bào)道 隨著人類(lèi)合理利用海洋資源能力的不斷拓展，發(fā)展海洋科技已成為海洋國(guó)家提高綜合國(guó)力的重大戰(zhàn)略之一。海洋環(huán)境的特殊性決定了人類(lèi)探索認(rèn)識(shí)海洋、開(kāi)發(fā)利用海洋資源、保護(hù)海洋環(huán)境、維護(hù)國(guó)家海洋安全等一切海上活動(dòng)，必須依賴(lài)相應(yīng)的海洋裝備和技術(shù)，可以說(shuō)，誰(shuí)擁有了先進(jìn)裝備和技術(shù)，誰(shuí)就在未來(lái)的海洋開(kāi)發(fā)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，海上大型工程船是能完成水上水下各種施工任務(wù)的高投資、高技術(shù)的特種船舶，它是實(shí)現(xiàn)國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的重大核心裝備，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是國(guó)家的核心關(guān)鍵技術(shù)。

中國(guó)的海上大型工程船研究與開(kāi)發(fā)，由于涉及的領(lǐng)域眾多，長(zhǎng)期以來(lái)各自自行開(kāi)發(fā)，力量分散，信息與設(shè)備共享率低。作為長(zhǎng)期從事海上大型工程船的研究與設(shè)計(jì)者，筆者深感中國(guó)海上大型工程船研究、開(kāi)發(fā)和使用正處在歷史性的轉(zhuǎn)折和快速發(fā)展時(shí)期，必須走高水平、高質(zhì)量的發(fā)展道路，提高原始創(chuàng)新能力，集中力量攻克“卡脖子”難題，進(jìn)行海上大型工程船方面的“陸海統(tǒng)籌”，實(shí)現(xiàn)海上大型工程及上下游產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展，為海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。

奮力趕超

部分技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先

由于歐洲國(guó)家完整的工業(yè)體系和對(duì)海上大型工程船強(qiáng)大的研究和開(kāi)發(fā)能力，許多新型的海上大型工程船是最先在歐洲發(fā)展起來(lái)的。歐洲大型造船集團(tuán)設(shè)計(jì)、建造和配套實(shí)力雄厚，經(jīng)營(yíng)方式靈活多樣，相關(guān)的建造市場(chǎng)目前仍被歐洲船廠主導(dǎo)。我國(guó)在海上大型工程船方面起步較晚，在設(shè)備核心技術(shù)方面仍然落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，但改革開(kāi)放以來(lái)，特別是近20年來(lái)，我國(guó)工業(yè)體系逐漸完善，造船工業(yè)迅速發(fā)展，在海上大型挖泥船、大型起重船和風(fēng)電安裝船等方面取得了巨大進(jìn)步，部分技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

在海上大型挖泥船方面，我國(guó)在主要船種絞吸挖泥船和耙吸挖泥船領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造，擺脫了對(duì)國(guó)外的依賴(lài)局面。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，由于沿海港口航道疏浚、近海重大基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)基地建設(shè)、遠(yuǎn)海島礁建設(shè)等戰(zhàn)略需求，一大批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)、高附加值挖泥船相繼問(wèn)世。特別是海上大型絞吸挖泥船的發(fā)展，突破海上定位、巖礁挖掘、遠(yuǎn)距離輸送和復(fù)雜系統(tǒng)集成等核心技術(shù)，自行設(shè)計(jì)建造了一批海上大型絞吸挖泥船，作業(yè)海域由沿海、近海延伸到遠(yuǎn)海，挖掘土質(zhì)從淤泥、硬質(zhì)沙土拓展到堅(jiān)硬巖礁，單船作業(yè)能力由每小時(shí)2500立方米提高到6500立方米，形成了系列化產(chǎn)品，帶動(dòng)了疏浚行業(yè)裝備技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。20年來(lái)，我國(guó)年疏浚能力從3億立方米提高到17億立方米，在世界疏浚市場(chǎng)占有約40%的份額。我國(guó)的大型挖泥船實(shí)現(xiàn)了從被封鎖到出口管制的跨越發(fā)展，不僅滿足了國(guó)內(nèi)需求，而且在“一帶一路”的港口航道建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。

在大型起重船方面，根據(jù)不同的作業(yè)需求，國(guó)外已開(kāi)發(fā)出單船體、多船體和半潛式等多種海上大型起重船，用于導(dǎo)管架平臺(tái)的安裝拆除、橋梁隧道的吊放安裝、海底管道鋪設(shè)、海上打撈和救助等。目前，世界上起重能力最大的半潛式起重船的起重能力為2萬(wàn)噸。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)大型起重船市場(chǎng)正處在快速發(fā)展階段。隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的實(shí)施，深海油氣田的勘探、開(kāi)采進(jìn)入具體實(shí)施階段，對(duì)大型起重船的需求相當(dāng)大。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位、船舶制造企業(yè)近20年通過(guò)自主研發(fā)和引進(jìn)、消化吸收相結(jié)合的方式，在船的抗風(fēng)浪能力提高、船舶定位和移位技術(shù)、船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)影響、起重機(jī)控制與操作技術(shù)等一些關(guān)鍵技術(shù)上已取得了突破性進(jìn)展，逐步形成了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，使我國(guó)的海上大型起重船的起重能力從幾百?lài)嵦岣叩饺f(wàn)噸級(jí)。我國(guó)自主設(shè)計(jì)制造了世界上最大的單船體起重船，起重能力達(dá)到1.2萬(wàn)噸。目前總體情況是，我國(guó)大型起重船數(shù)量較多，品種單一，起重能力大的仍然較少。

風(fēng)電安裝船是一種全新的海洋工程船，主要用于海上風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)輸和吊裝，它將構(gòu)件運(yùn)輸、海上作業(yè)、起重以及生活供給等各項(xiàng)功能融為一體，可獨(dú)立完成上述運(yùn)輸安裝作業(yè)。自1991年丹麥建成世界上第一個(gè)近海風(fēng)電場(chǎng)以來(lái)，世界各國(guó)相繼開(kāi)始建設(shè)海上風(fēng)電工程。風(fēng)電安裝設(shè)備經(jīng)歷了三代發(fā)展：第一代由現(xiàn)有的起重船和運(yùn)輸駁船等聯(lián)合作業(yè)；第二代是具有自升功能的駁船或平臺(tái)，但不具有自航能力；第三代具有自航、自升和起重功能的專(zhuān)用風(fēng)電安裝船。目前，國(guó)外專(zhuān)業(yè)海上風(fēng)電安裝公司的風(fēng)電安裝船均屬于第三代，用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝、維護(hù)及其他海上作業(yè)。韓國(guó)三星重工2016年交付“seajacks scylla”號(hào)是目前較為先進(jìn)的風(fēng)電安裝專(zhuān)用船，配備1500噸起重機(jī)，航速超過(guò)每小時(shí)13海里，能在超過(guò)65米水深的風(fēng)場(chǎng)安裝風(fēng)機(jī)組件。目前國(guó)外有第三代風(fēng)電安裝船14艘，起重能力均大于800噸。從2011年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)、建造企業(yè)對(duì)第二、第三代風(fēng)電安裝船進(jìn)行了自主研發(fā)，目前我國(guó)在設(shè)計(jì)和建造技術(shù)方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，專(zhuān)用設(shè)備配套能力大大增強(qiáng)，已自主設(shè)計(jì)建造了一批風(fēng)電安裝船，起重能力最大達(dá)到了2500噸，但具有齒輪齒條升降、有自航能力的第三代船較少。

進(jìn)入深藍(lán)

亟待實(shí)現(xiàn)共性技術(shù)突破

海上大型工程船又稱(chēng)為海上施工裝備，更確切地說(shuō)是漂浮在海上的重大工程裝備。由于船體和施工裝備的結(jié)合、作業(yè)水域向深遠(yuǎn)海延伸，對(duì)海上大型工程船的生存能力和作業(yè)能力提出了更高要求。

對(duì)于施工裝備，由于安裝在船上，受到船的運(yùn)動(dòng)影響。船在波浪上的高頻運(yùn)動(dòng)如橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)等會(huì)對(duì)施工設(shè)備產(chǎn)生很大的附加載荷，會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，使作業(yè)安全受到威脅，甚至不能作業(yè)。在陸地上能安全、高效作業(yè)的裝備，應(yīng)用于海上大型工程船上，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮附加載荷的影響，成了必須特殊設(shè)計(jì)的非標(biāo)設(shè)備。

船的橫蕩、縱蕩和艏搖等低頻運(yùn)動(dòng)和水深增大會(huì)對(duì)船的作業(yè)定位、就位產(chǎn)生重大影響。對(duì)于在深遠(yuǎn)海作業(yè)的大型工程船，設(shè)置可靠的就位、定位和移位系統(tǒng)成為必不可少的重大技術(shù)措施，特別是動(dòng)力定位系統(tǒng)，它利用自身推進(jìn)系統(tǒng)就能保持一定的船位、艏向或使船按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，其控位精度高、靈活性好，成本不隨水深增加而增加，對(duì)推動(dòng)海上大型工程船的進(jìn)步產(chǎn)生了重大影響。動(dòng)力定位系統(tǒng)通常由環(huán)境和位置參考系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已成為海上大型工程船設(shè)計(jì)制造中的核心技術(shù)。

對(duì)于海上大型工程船，由于作業(yè)能力的提高，特別是動(dòng)力定位系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，使得大型工程船的動(dòng)力供應(yīng)容量比相同尺度的運(yùn)輸船大了很多，甚至達(dá)到了3倍以上。近20年來(lái)，由于交流變頻器的發(fā)展成熟，電力驅(qū)動(dòng)在海上大型工程船獲得了普遍應(yīng)用。因此在海上大型工程船上建大功率電站，并進(jìn)行能量綜合管理已成必然趨勢(shì)。在海上大型工程船上，動(dòng)力定位系統(tǒng)及各種作業(yè)的自動(dòng)控制都涉及多個(gè)子系統(tǒng)和設(shè)備的配合、協(xié)調(diào)，涉及狀態(tài)參數(shù)的共享和傳輸，同時(shí)包括對(duì)外界信息的采集和必要判斷、運(yùn)算，這一切只能用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)完成。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)大功率電站進(jìn)行綜合管理，實(shí)現(xiàn)海上大型工程船在多工況下的能量?jī)?yōu)化配置，已成為海上大型工程船設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一。

由于在海上大型工程船上放置了重大工程設(shè)備，施工設(shè)備與船體連接部可能是固定連接，還可能有運(yùn)動(dòng)副（兩個(gè)構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)連接）。除了多變的作業(yè)載荷經(jīng)作業(yè)設(shè)備傳給連接部，風(fēng)浪流載荷及船的定位載荷亦經(jīng)船體傳給連接部，導(dǎo)致連接部受力處于十分復(fù)雜的多變狀態(tài)，有可能產(chǎn)生各種形式的損壞。另外，大型作業(yè)設(shè)備在施工時(shí)產(chǎn)生的交變載荷（機(jī)械零件在工作過(guò)程中受到的大小、方向隨時(shí)間呈周期性變化的載荷作用）或反復(fù)沖擊會(huì)通過(guò)連接部傳給船體，會(huì)產(chǎn)生局部或整個(gè)船體振動(dòng)，影響作業(yè)效率，甚至?xí)鸸舱?，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。連接部位的設(shè)計(jì)常是海上大型工程船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，而且沒(méi)有現(xiàn)成的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，需要研究新的工程計(jì)算方法、建立新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)形式等。

在海上大型工程船上放置大型施工設(shè)備后，船的總體設(shè)計(jì)與運(yùn)輸船相比會(huì)發(fā)生重大變化。海上大型工程船的船型特殊、設(shè)備繁多、功率密度大、工況復(fù)雜，不能沿用運(yùn)輸船的總體設(shè)計(jì)方法。以運(yùn)量和航速為基本要求的主要尺度論證轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰鳂I(yè)能力為核心的主要要素確定；以貨物裝載和規(guī)范規(guī)定的各種布置地位要求進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰鳂I(yè)流程為基礎(chǔ)的布局設(shè)計(jì)；以航行要求為目的的動(dòng)力配置轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶夂透咦鳂I(yè)能力為準(zhǔn)則的動(dòng)力配置；以實(shí)船統(tǒng)計(jì)規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)的設(shè)計(jì)流程轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑菢?biāo)作業(yè)設(shè)備為出發(fā)點(diǎn)的設(shè)計(jì)流程。這些轉(zhuǎn)變使海上大型工程船設(shè)計(jì)難度和風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

瞄準(zhǔn)“四化”

未來(lái)發(fā)展成就值得期待

為積極響應(yīng)國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，加強(qiáng)我國(guó)深遠(yuǎn)海資源開(kāi)發(fā)和重大工程的建設(shè)能力，中國(guó)海上大型工程船可望在實(shí)現(xiàn)“四化”即大型化、智能化、主體多功能化和施工裝備模塊化方面取得更大成就。

我國(guó)海上工程船的作業(yè)水域正快速?gòu)难睾！⒔Ｏ蛏钸h(yuǎn)海拓展，深遠(yuǎn)海的海洋環(huán)境嚴(yán)酷，“小船經(jīng)不起風(fēng)浪，巨艦才能頂住驚濤駭浪”，海上工程船大型化是必然趨勢(shì)。船舶大型化提高了抗風(fēng)浪能力，增長(zhǎng)了作業(yè)的氣象窗口期，同時(shí)也為作業(yè)設(shè)備提高作業(yè)能力提供了更有效的平臺(tái)，特別是大型化的工程船為深海作業(yè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和使用提供了具有更好保障功能的母船。深水油氣開(kāi)發(fā)、深水金屬礦開(kāi)采、深水鋪管、深水疏浚和深水重大基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等重大需求，將推動(dòng)深水作業(yè)系統(tǒng)快速發(fā)展，深水作業(yè)能力提高將和海上工程船的大型化同步推進(jìn)。

在我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的一些海上大型工程船的船種中，作業(yè)的自動(dòng)化水平已相當(dāng)高，能在人工不干預(yù)或極少干預(yù)的情況下按照設(shè)計(jì)的程序和步驟完成作業(yè)過(guò)程，但要在自動(dòng)化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能化還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，在信息充分化、知識(shí)數(shù)據(jù)化、自我學(xué)習(xí)功能等方面還有大量深入工作要做。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)海上大型工程船作業(yè)智能化不僅會(huì)大大提高作業(yè)效率，也會(huì)使海上大型工程船有更多的使用功能和更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

海上大型工程船一般都造價(jià)昂貴，單一功能的船常常作業(yè)任務(wù)較少，不僅閑置不可避免，甚至出現(xiàn)一項(xiàng)重大工程完工，相應(yīng)的工程船就不再使用，將一艘船的建造成本全部計(jì)入一項(xiàng)工程的情況。實(shí)際情況是很多不同功能的海上大型工程船對(duì)船體尺度、布置地位和動(dòng)力設(shè)備配置的要求都很相近，若能在工程船設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)籌兼顧各種使用功能，預(yù)留位置和接口，就可能使工程船主船體成為能滿足多種使用功能的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程船的多功能化。在主船體成為多功能化平臺(tái)的同時(shí)，也要求施工裝備模塊化，實(shí)現(xiàn)施工裝備模塊與船體連接的標(biāo)準(zhǔn)化，最終提高海上大型工程船使用率和經(jīng)濟(jì)性。

（作者為上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院教授，長(zhǎng)期從事海上大型工程船的研究和設(shè)計(jì)，曾以第一完成人獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。）

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