夏俞揚(yáng)

摘 ?要：減少船只傾覆與沉沒的研究對(duì)海上船舶航行安全可靠具有重要意義，文章從改進(jìn)船體穩(wěn)定性和改進(jìn)船體浮力兩大方面對(duì)減少船只傾覆或沉沒方法專利技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析。從專利文獻(xiàn)的視角對(duì)減少船只傾覆或沉沒的技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

關(guān)鍵詞：安全;翻;沉;浮力;穩(wěn)定;氣;壓載

中圖分類號(hào)：T-18 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0024-03

Abstract： The research on reducing the capsizing and sinking of ships is of great significance to the safety and reliability of navigation of ships at sea. In this paper， the development of patented technology for reducing ship capsizing or sinking is analyzed from two aspects： improving hull stability and improving hull buoyancy. From the perspective of patent literature， this paper makes a statistical analysis of the technical development routes to reduce the capsizing or sinking of ships.

Keywords： safety; overturning; sinking; buoyancy; stability; air; ballast

1 概述

船的發(fā)展具有悠久的歷史，從最初的獨(dú)木舟演變成現(xiàn)在的帆船、漁船、游/貨輪、軍艦等等，各式各樣，用途不一?；仡櫄v史，船只傾覆、漏水、沉沒事件時(shí)有發(fā)生，比較著名的海難有英國(guó)“泰坦尼克號(hào)”、韓國(guó)“歲月號(hào)”、中國(guó)“東方之星”號(hào)游輪等，每一次的船只傾覆沉沒事故都給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了重大的損失?，F(xiàn)實(shí)中多次沉船事故發(fā)生時(shí)，救援人員對(duì)于船體的下沉，大多數(shù)情況下只能束手無策，任由其沉沒。因此，研究減少船只傾覆或沉沒的方法是十分必要的。

目前，常用的減少船只傾覆或沉沒的方法主要通過改變船體負(fù)載的設(shè)置位置、大小，提高船只自身的穩(wěn)定性，或者通過改變船體自身浮力，增強(qiáng)其抗風(fēng)浪性兩種方式。

2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)專利申請(qǐng)狀況分析

減少船只傾覆或沉沒的方法有很多，在實(shí)際使用過程中，會(huì)根據(jù)船體的大小、船只的應(yīng)用領(lǐng)域、載重的多少以及船體上可用于設(shè)置減少船只傾覆或沉沒裝置的空間大小來選擇不同種類的裝置。

圖1顯示了五種常用的減少船只傾覆或沉沒方法的專利申請(qǐng)量之間的占比關(guān)系。使用弦外浮動(dòng)構(gòu)件和壓載水柜減少船只傾覆或沉沒的方法是目前世界各國(guó)的主要研究方向與常用手段。使用弦外浮動(dòng)構(gòu)件方法常用于體積較小的船只，該船只的艙內(nèi)可以用于設(shè)置減少船只傾覆或沉沒裝置的空間較小，只能通過在船體外設(shè)置弦外浮動(dòng)構(gòu)件，在不占用較多船艙體積的基礎(chǔ)上，達(dá)到減小船只傾覆或沉沒的技術(shù)效果。而使用壓載水柜則常用于大型貨船、運(yùn)輸船，該類船只處于空載和滿載時(shí)，船體載重量不一致的問題，常用的方法就是在船艙內(nèi)設(shè)置壓載水柜，根據(jù)船體載重量，調(diào)節(jié)壓載水艙內(nèi)的儲(chǔ)水量，使船體保持平衡。

2.1 世界相關(guān)專利申請(qǐng)狀況分析

如圖2所示，顯示了一百多年來，全世界在減少船只傾覆或沉沒方法方面的專利申請(qǐng)量發(fā)展情況。

由圖2可知，1900年起，世界各國(guó)開始致力于有關(guān)減少船只傾覆或沉沒方法的專利申請(qǐng)，并在此后的30年內(nèi)呈增加趨勢(shì)，這說明這一時(shí)間段內(nèi)，海上貨船、游輪、水上項(xiàng)目等處于快速發(fā)展階段，人們開始重視航海安全。在1930年至1960年這段時(shí)間里，申請(qǐng)量處于下降狀態(tài)，此時(shí)，整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)由于戰(zhàn)亂等因素，處于停滯不前的狀態(tài)，專利申請(qǐng)量也開始逐步下降。在1960年之后，隨著世界經(jīng)濟(jì)開始復(fù)蘇，在船舶領(lǐng)域方面的研究也逐步加深，相應(yīng)的專利申請(qǐng)量也進(jìn)入了一個(gè)井噴爆發(fā)的時(shí)代。21世紀(jì)以來，全世界處于知識(shí)爆炸的狀態(tài)，人們對(duì)于應(yīng)用科學(xué)技術(shù)、進(jìn)一步提高海上航行的安全性和可靠性，有了更加深入的認(rèn)識(shí)。

圖3顯示了世界上幾個(gè)主要進(jìn)行有關(guān)減少船只傾覆或沉沒方法的專利申請(qǐng)的國(guó)家，主要集中在日本、韓國(guó)、美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家。由于地域、經(jīng)濟(jì)實(shí)力等原因，英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家很早就開始了海上航行，相應(yīng)的對(duì)于海上航行安全方面的研究也較為突出。韓國(guó)具有三星重工業(yè)株式會(huì)社、大宇造船海洋株式會(huì)社兩家全世界主要的造船廠，日本具有三菱重工業(yè)株式會(huì)社一家全世界主要的造船廠，因此兩個(gè)國(guó)家占據(jù)該領(lǐng)域申請(qǐng)量的主導(dǎo)位置，在該方面具有較強(qiáng)大的研究基礎(chǔ)和積累。

下面將從改進(jìn)穩(wěn)定性和改進(jìn)浮力兩方面分析減少船只傾覆或沉沒方法專利申請(qǐng)量。

3 減少船只傾覆或沉沒方法發(fā)展路線

下面，將從改變船體負(fù)載的設(shè)置位置、大小，提高船只自身的穩(wěn)定性，以及改變船體自身浮力，增強(qiáng)其抗風(fēng)浪性兩個(gè)主要方面入手，對(duì)減少船只傾覆或沉沒的方法的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析。

3.1 改進(jìn)穩(wěn)定性

為了保證船只的穩(wěn)定性，通常會(huì)通過改變船體載重方式實(shí)現(xiàn)。特別是對(duì)于貨船，其在空載與滿載時(shí)，載重量會(huì)有很大差別，通常會(huì)在船體上設(shè)置壓載水艙，通過調(diào)節(jié)壓載水艙內(nèi)的儲(chǔ)水量，使船只可以可靠、穩(wěn)定地在海上航行?；蛘撸捎诖w在航行過程中無法使船體的船首、船尾之間、左舷、右舷之間始終處于載重相等，需要設(shè)置固體壓載物進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

改進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法，具體可以通過使用壓載水柜和移動(dòng)固體壓載物的方法來實(shí)現(xiàn)。

（1）使用壓載水柜

壓載水柜又可稱為壓載艙，大型游船、散貨船、散裝船、集裝箱船等都具有壓載倉(cāng)。壓載水柜分布在雙層底艙、首尖艙、尾尖艙、舷側(cè)邊艙或深水艙內(nèi)。用泵吸入或排出艙內(nèi)的水，使船舶保持壓載正常和縱傾度正常。例如，因左舷貨艙卸貨過多，左舷失去壓載，船只可能發(fā)生右傾，這時(shí)只需要向左舷側(cè)邊艙注水，就恢復(fù)了原來的壓載，使船只保持平穩(wěn)運(yùn)行。壓載艙的大小依據(jù)船的大小和艙的類型而不同。如圖4所示，船舶裝載、排放壓載水的過程。

20世紀(jì)初期（1910年），在船只上安裝壓載水柜GB191026572A來增加船舶穩(wěn)定性的方法就已經(jīng)出現(xiàn)，該方法主要是在船體的外側(cè)增加一層結(jié)構(gòu)，從而與船體表面形成一個(gè)空腔，放入海水后形成壓載水柜。為了裝載貨物，在目的港，船只需要將壓載艙內(nèi)的水排出。隨著人們對(duì)海洋資源的開發(fā)利用，海上平臺(tái)開始大面積使用，1968年挪威公開了NO135056C一種應(yīng)用于海上平臺(tái)的壓載水艙，例如鉆井平臺(tái)等，由于海上平臺(tái)上安裝鉆井設(shè)備等，會(huì)降低平臺(tái)的穩(wěn)定性，故設(shè)置壓載水艙。2009 年中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七零四研究所發(fā)明了一種壓載水艙降噪聲裝置CN101362507A，可有效降低濺水和艙板之間的撞擊噪聲。主要通過在兩舷之間加入了一個(gè)水泵，根據(jù)船舶的橫搖情況把一個(gè)水艙內(nèi)的水轉(zhuǎn)移到另一個(gè)水艙，一般通過兩水艙之間的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)。

（2）通過移動(dòng)固體壓載物

移動(dòng)固體壓載物的方法主要是解決船只的運(yùn)行過程中，船只兩側(cè)的載重不一致，導(dǎo)致船只容易出現(xiàn)翻沉的情況。最初的做法是在船只的甲板上放置一些重物，其可以在船只甲板上滾動(dòng)，從而使船只保持平衡狀態(tài)，或者在船體的兩側(cè)提供兩個(gè)壓載水艙，兩側(cè)的水艙中的水分別可以通過泵抽送至另一側(cè)的水艙中，用以保持船只平衡。以上方法都需要耗費(fèi)大量的人力資源來完成，自動(dòng)化程度不高。

在20世紀(jì)初期（1916年），US1339628A提供了一種可以由甲板上的小車帶動(dòng)重物在甲板上運(yùn)動(dòng)，從而使船只保持平衡的方法。在該技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，人們開始采用電機(jī)、液壓缸等裝置帶動(dòng)壓載物移動(dòng)?，F(xiàn)有技術(shù)還有通過在壓載物上設(shè)置齒輪，實(shí)現(xiàn)齒輪與齒條相互配合運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于測(cè)量船體傾斜狀態(tài)的裝置，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前，常用感知設(shè)備有傾角儀、慣性導(dǎo)航傳感器等設(shè)備。

3.2 改進(jìn)浮力

為了保證船只的穩(wěn)定性，通常還會(huì)通過改變船體浮力的方式實(shí)現(xiàn)。具體可以通過使用船內(nèi)空氣容器、使用弦外浮動(dòng)構(gòu)件和使用應(yīng)急堵漏裝置的方法來實(shí)現(xiàn)。

（1）使用船內(nèi)空氣容器

在船內(nèi)使用空氣容器主要是通過在船內(nèi)設(shè)置可充氣的裝置，當(dāng)需要增大船體浮力時(shí)，可對(duì)充氣裝置充氣。如圖5所示，船艙內(nèi)設(shè)置可充氣的裝置a、b，當(dāng)需要增加船體浮力時(shí)，可通過對(duì)船艙內(nèi)的可充氣裝置a、b充氣實(shí)現(xiàn)。

該技術(shù)方案屬于較為成熟的技術(shù)方案，主要對(duì)充氣方式及充氣裝置的設(shè)置位置等進(jìn)行改進(jìn)。如1900年，US655993A公開了一種使用船內(nèi)空氣容器減少船只傾覆或沉沒的方法，在船只部分艙體內(nèi)放置部分浮體，當(dāng)船只在滿載時(shí)，將其中充滿氣體放出，可以防止船只傾覆或沉沒。1965年FR1393433A公開了一種安裝在桅桿頂端的可充氣的浮體以改進(jìn)船體穩(wěn)定性的方法。1997年，EP19752499A公開了一種具有應(yīng)急堵漏功能的，設(shè)置于船體內(nèi)的空氣容器。該充氣裝置安裝于船艙內(nèi)和船艙外，當(dāng)船艙破損時(shí)，可通過向裝置充氣，使裝置在增加船體浮力的同時(shí)，還可以堵住漏洞，具有較好的技術(shù)效果。

（2）使用弦外浮動(dòng)構(gòu)件

在船體弦外設(shè)置浮動(dòng)構(gòu)架是較為平常的方法，通常在船舷上設(shè)置可充氣裝置，以調(diào)節(jié)船體浮力。

圖6中為1898年申請(qǐng)的US18980693350A，該方案中A、M為設(shè)置在船體上的中空浮體，位于船艙內(nèi)的中空浮體A，在船體傾斜時(shí)，可通過將浮體A設(shè)置于船舷外，或?qū)⑵涫沼诖搶?shí)現(xiàn)。浮體的體積不可調(diào)，存在占用船艙空間的問題。因此，后期人們開始大量的研究如何使弦外安裝的浮動(dòng)構(gòu)件在不使用時(shí)收回，達(dá)到既不增加船體體積，也不占用船艙空間的技術(shù)效果。于是在1913年GB191222271A公開了一種可以在使用時(shí)充氣，用以增加船體浮力的方法，該裝置在不使用時(shí)，船體外殼處設(shè)置了多個(gè)孔，該空內(nèi)放置有充氣袋，當(dāng)需要增加船體浮力時(shí)，向充氣袋內(nèi)充氣，由于充氣袋體積增加，其會(huì)自動(dòng)伸出船體外殼的孔，增加船只體積，改進(jìn)船體浮力。2015年，CN104986303A公開了一種隱蔽性船用安全氣囊系統(tǒng)，該系統(tǒng)在之前專利申請(qǐng)的基礎(chǔ)上，增加鎖扣和支撐架等裝置，將船體與系統(tǒng)整體牢固鎖定成一體，在極端惡劣氣候條件下，極大提高了安全氣囊的牢固性和安全性。

（3）使用應(yīng)急堵漏裝置

當(dāng)船只的航行過程中遇到船體破裂等問題時(shí)，使用應(yīng)急堵漏裝置、防止船體進(jìn)水是有效的應(yīng)急解決方案。目前，根據(jù)船體大小、類型、航區(qū)不同，配備有一定數(shù)量的各種堵漏器材、工具和材料，它們存放于水線上便于到達(dá)的艙室內(nèi)。

圖7中為1902年申請(qǐng)的US19020094969A，當(dāng)船體發(fā)生破裂時(shí)，可通過在船舷外運(yùn)送維修人員至船體破裂處，使用金屬對(duì)船體破損處進(jìn)行堵漏。但該方案僅適用于船體裂縫位于水線上，對(duì)于位于水線以下的船體裂縫，無法維修。于是，在1916年，GB101479A使用了在船舷兩側(cè)設(shè)置氣囊袋的方法。當(dāng)船體破裂時(shí)，氣囊?guī)湎?，貼合在船體外殼破裂處，并向氣囊袋充氣，使之將船體的破裂位置補(bǔ)齊，防止船體繼續(xù)進(jìn)水，從而翻沉。對(duì)于船體破裂較小的情況，可以使用堵漏螺桿堵中型洞或裂縫。如1930年DE343495公開了一種應(yīng)用于堵住船體裂縫的螺釘。1993年，US5735227A公開了一種應(yīng)急堵漏的方法，從船體內(nèi)側(cè)，使用彈性物質(zhì)或帶有磁性的物質(zhì)將船體與補(bǔ)漏的殼體固定連接來完成。2016年，JP2016196284A公開了一種應(yīng)用機(jī)器人在船體外側(cè)補(bǔ)漏的裝置，該機(jī)器人上安裝有攝像機(jī)，通過對(duì)攝像機(jī)確定船體破裂位置，從而有針對(duì)性的補(bǔ)漏。隨著科技的進(jìn)步，船體應(yīng)急堵漏裝置開始向智能化方向發(fā)展。

4 結(jié)束語

目前，減少船只傾覆或沉沒的方法在不斷向自動(dòng)化、精細(xì)化、智能化方向發(fā)展。我國(guó)在減少船只傾覆或沉沒方法方面雖然起步較晚，減少船只傾覆或沉沒方法的研究水平有待提高，但結(jié)合目前國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)與國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)在船舶領(lǐng)域的專利發(fā)展日新月異，在減少船只傾覆或沉沒方法方面的專利發(fā)展前景十分廣闊。

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