適用于高海況的智能搜救艇研究

林玉璋，劉森林，劉偉平

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

1 前言

針對海上惡劣環(huán)境導致救援人員難以到達現(xiàn)場的難題，以及救援時間緊迫的需求，利用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，開展海上無人智能救援裝備及相關(guān)配置儀器的實用化研究。重點突破搜救艇的抗風浪自主導控、目標快速定位與漂移預測、惡劣海況下遙控救助等關(guān)鍵技術(shù)，大幅提升我國海上應(yīng)急無人智能搜救力量。

失事后的生命搜救，關(guān)鍵在于實現(xiàn)五急：急找、急估、急到、急救、急返。智能搜救艇是急救環(huán)節(jié)的核心裝備，具有適應(yīng)高海況的艇型，集成救助吊籃、拋纜云臺、收纜絞車、攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、基礎(chǔ)生命支持等各項智能遙控設(shè)備。

當智能搜救艇接近救助目標后，先拋射救生纜讓目標靠近，再利用柔性救助系統(tǒng)將目標轉(zhuǎn)移上船：對于有人的無動力救生筏，拋拖帶纜并將纜繩固定，通過搜救艇上的絞車將其拖帶返航；對于落水人員，拋救生纜，呼叫落水人員將纜綁在腰上，用收纜絞車拉至救助吊籃轉(zhuǎn)移上船，提供保暖、供氧、營養(yǎng)等生命支持。

2 船舶簡介

該智能搜救艇（以下簡稱本艇）的設(shè)計、建造參考《國際救生設(shè)備規(guī)則》(LSA)的要求，結(jié)構(gòu)滿足CCS《游艇入級與建造規(guī)范》（2012）對玻璃鋼艇的要求，穩(wěn)性滿足中國海事局《沿海小型船舶檢驗技術(shù)規(guī)則2016》的相關(guān)要求。

本艇采用快速救助艇的船型，裝有智能搜救系統(tǒng)集成與監(jiān)控設(shè)備，艇體為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，中部設(shè)置有柴油發(fā)動機，尾部設(shè)有噴水推進裝置、自扶正裝置，可適應(yīng)惡劣海況。

本艇艇體長5.67 m、寬2.02 m、深0.97 m、吃水0.5 m、滿載排水量約3 t；主機功率96 kW；在高海況下具有正常航行的能力，航速約4 kn，在靜水中航速不小于10 kn，續(xù)航力不小于50 km。

本艇結(jié)構(gòu)采用優(yōu)質(zhì)樹脂及玻璃纖維增強材料，艇體、甲板、甲板室采用玻璃鋼模具成型；肋骨、實肋板等骨架芯材采用聚氨酯泡沫；在局部應(yīng)力較大的部位，如尾封板等處進行局部結(jié)構(gòu)加強；本艇艇體、舾裝及設(shè)備的安裝，具有高強度和抗風浪的能力，滿足高海況的要求。

本艇兩側(cè)設(shè)有護舷，艇尾上方設(shè)有自扶正裝置；其框架由鋼管制成，浮體采用充氣氣囊，使用時可自動張開；在艇的首部布置有數(shù)據(jù)傳輸天線，中前區(qū)域布置2 個救生吊籃，在吊籃下方設(shè)有2 臺救生牽引用收纜絞車； 2 套拋纜云臺布置在尾部兩側(cè)，拋纜繩與收纜絞車相連，實現(xiàn)拋纜和收纜功能。當搜救艇到達救生區(qū)域時，由云臺拋繩裝置拋出救生纜繩，同時下放救助吊籃，落水人員抓住救生纜繩后，由收纜絞車拖到搜救艇旁邊，在絞車的協(xié)助下將落水人員拖到吊籃上，然后通過救助吊籃將落水人員運轉(zhuǎn)到艇甲板面。本艇的總布置圖，如圖1 所示。

圖 1 智能搜救艇總體布置圖

3 穩(wěn)性

本艇需在惡劣海況中進行搜救行動，自扶正能力是安全救生的必備能力，即艇體在惡劣海況下能夠自身扶正維持不沉不翻，確保安全救生。

本艇翻轉(zhuǎn)倒扣180°可以自動翻轉(zhuǎn)扶正到0°初始狀態(tài)，即具有自扶正功能。其復原力臂GZ 曲線圖，如圖2 所示：在翻轉(zhuǎn)180°時，由于風浪作用浮心偏離重心，浮力與重力又重新形成力偶使艇繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，直至浮心與重心重新達到同一垂線，最終艇回復到初始正浮的位置。

圖2 復原力臂曲線圖

根據(jù)對自扶正時間的計算，其時間T 與橫傾角的關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 自扶正時間圖

4 動力系統(tǒng)

本艇選用柴油機作為推進動力源，相比于電池儲能等其他動力源，柴油機具有功率大、響應(yīng)速度快、適應(yīng)惡劣工況等特點。

本艇的主機選用適用于高海況的高速柴油機，功率96 kW。如果航行時本艇發(fā)生一定角度的縱傾和橫傾，柴油機內(nèi)設(shè)置的傳感器感知到姿態(tài)發(fā)生變化，會給出停機信號自動停機；柴油機姿態(tài)恢復后，內(nèi)置傳感器感知到姿態(tài)恢復正常，會給出起機信號自動重新起動柴油機。

本艇采用噴水推進，相比于螺旋槳推進、噴水推進，其結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，不易對獲救人員造成二次傷害。

本艇的任務(wù)設(shè)備，如救助吊籃、拋纜云臺、收纜絞車都包含液壓執(zhí)行機構(gòu)，在機艙設(shè)置液壓泵站為上述設(shè)備提供液壓源；主機通過軸系驅(qū)動噴泵，軸系上設(shè)置PTO 驅(qū)動液壓泵站的液壓泵。

表1 為“柴油機+噴泵”與“電池儲能+電推”兩種推進形式的對比。

表1 兩種推進形式對比

5 任務(wù)設(shè)備

（1）拋纜云臺

拋纜云臺將氣動拋纜器和二自由度云臺集成在搜救母船的船尾，主要針對有生命意識的落水人員。拋出纜繩后，落水人員將纜繩固定，由搜救艇絞車、吊籃拖回搜救艇甲板上；氣動拋纜器自帶高壓氣瓶，通過液壓油缸遙控扳機，切換氣路，拋射帶細纜的橡膠彈頭；細纜的另一端是收纜絞車。圖4 為拋纜云臺三維圖。

圖 4 拋纜云臺

（2）收纜絞車

采用變量馬達驅(qū)動單卷筒，通過自動排纜機構(gòu)將拋出去的纜繩有序地排列在卷筒上，將目標物體拉回到搜救艇附近；自動排纜采用鏈傳動，帶動往復絲桿進行布纜，如圖5 所示。

圖 5 收纜絞車

（3）救助吊籃

救助吊籃安裝在搜救艇前端兩側(cè)，采用四個油缸控制收放裝置運動，如圖6 所示：吊籃伸出船舷外，落水人員拉到吊籃上，吊籃升起把落水人員營救到搜救艇上。

圖 6 吊籃裝置救援伸出狀態(tài)

（4）電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要通過定位系統(tǒng)、搜尋系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)航路規(guī)劃與實時避障，進而實現(xiàn)輔助母船進行海面落水人員的遠程施救工作。其中：（1）定位系統(tǒng)，采用新型的無線超寬帶定位技術(shù)，基站安裝在母船，信標安裝在搜救艇，可全方位測量搜救艇的精確相對位置；（2）搜尋系統(tǒng)，配置四臺高精度攝像頭及一臺激光雷達，攝像頭采用三軸防抖穩(wěn)態(tài)，以保持畫面的穩(wěn)定性；基于搜尋設(shè)備圖像信息的融合結(jié)果，凝煉背景與目標信息，快速重構(gòu)失事海域的動、靜背景，定位失事目標，預測目標漂移的速度方向，評估涌浪變化趨勢，進行全局路徑規(guī)劃和局部路徑修正，實時調(diào)整搜救艇的路徑，控制搜救艇救生全程迎浪前進、高效往返；（3）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用高精度的無線圖傳模塊，保證搜救艇與母船之間的高速、遠距離、實時的無線視頻與數(shù)據(jù)混合傳輸；建立搜救艇與母船、岸基指揮部間的信息紐帶，同時與多站點進行數(shù)據(jù)傳輸，接收母船遙控指令和搜救艇周轉(zhuǎn)的環(huán)境信息，上傳搜救艇位姿信息，縮短延時，共享搜救信息，擴大工作范圍，提高通訊可靠性，實現(xiàn)搜救信息的實時廣播，保障搜救艇的安全性、可控性和搜救效果。

6 結(jié)語

智能搜救系統(tǒng)中的裝備必須具有以下能力：快速定位目標，預測涌浪變化趨勢；對抗強風、巨浪快速接近目標，配置生命維持、柔性救助等裝置；穩(wěn)定可靠的通訊、運輸和收放能力。

基于智能無人搜救艇等海上救助作業(yè)平臺，集成無人機、雷達、紅外光電、北斗示位標、激光雷達等搜尋定位設(shè)備，以及拋纜云臺、救助吊籃、保暖、供氧、營養(yǎng)等救助與生命保護設(shè)備；通過多設(shè)備的協(xié)同搜尋、圖像融合、動靜背景重構(gòu)、目標識別與定位，實現(xiàn)綜合監(jiān)視；遠程控制多套救助設(shè)備協(xié)同救助；最終建立基于無人機→岸基指揮部→救助船→搜救艇的聯(lián)合智能搜救系統(tǒng)，能在岸、船基監(jiān)控干預下，在高海況下自主釋放智能無人搜救艇，搜救目標、自主回收、快速撤離。本艇于2021 年9 月交付，并在海上救助部門示范應(yīng)用。