船舶智能防撞气囊设计研究
摘 要：针对船舶碰撞造成物资、人员的损失及原油泄露污染环境等问题，我们创新设计新型船舶智能防撞装置。该装置引入智能控制理念，通过传感器与控制信号完成分布于船体舷侧和船体艏艉处的安全气囊充气，以缓冲船舶碰撞造成的巨大冲击力，减少船舶结构性的破坏；同时，增大船舶的抗沉能力，气囊打开后可提供部分浮力，大幅增加船舶碰撞后的施救时间。
关键词：船舶防撞；智能控制；安全气囊
中图分类号：U667 文献标识码：A 文章编号：103-5168（2017）09-0123-02
Abstract： In view of the material and personnel losses caused by ship collision， as well as the leakage of crude oil and the pollution of the environment， we design and design a new type of intelligent collision avoidance device for ships. The device introduced intelligent control idea， through the sensor and control signals to complete the inflatable airbags distribution on the hull side and hull at the bow and stern， the huge impact to the buffer caused by ship collision force， reduce the damage to the structure； at the same time， the increase of ship anti sinking capability， the airbags can provide some buoyancy， a substantial increase in the ship after the collision of rescue time.
Keywords： ship collision avoidance；intelligent control；airbag
1 研制背景及意义
1.1 研制背景
船舶交通作为目前全球最重要的交通运输方式之一，其在拉动各国经济发展的同时，改善了国民生活质量，然而，船舶交通事故也屡见不鲜。根据英国劳氏船级社对船舶交通事故的统计可知，全球范围内船舶碰撞事故的发生率每年均占海上交通事故的10%以上[1]。因此，减小碰撞事故所带来的危害势在必行。
1.2 研制意义
船舶是一个复杂的水上工程建筑物，保证其安全性尤为重要。目前，船舶普遍充当运输原油、杂货、人员的一种交通工具，一旦发生事故，人员、财物将会受到重大损失。在此前提下，我们团队提出了船舶安全气囊的理念，在船舶的吃水线以上设计安装船舶安全气囊，以缓冲船舶碰撞造成的巨大冲击力，减少船舶结构性破坏，同时也可以增大船舶的抗沉能力以增加船舶的抢救时间[2]。这能从根本上解决船舶在航行中遇到的突发问题，提高航行时的安全系数。
2 设计方案
2.1 设计原理
从多年来的船舶碰撞事故统计来看，船体舷侧与船艏这两部分是船舶发生碰撞的主要部位，而船艏、舷侧之间的横向范围内往往又是船舶比较薄弱的部分。因此，本设计考虑到既然不能增减少船舶相撞的可能性，可以减少船舶因相撞后产生巨大冲击力对船体本身造成的影响[3]。在事故发生时，安装在船体舷侧和艏部的安全气囊在碰撞传感器预警安全气囊电脑系统控制下迅速弹出，完全覆盖在船舶吃水线上方且快速完成充气，在船舶触礁或者是相撞之前做好安全防护措施，以减少船舶受到的损害。
2.2 防撞气囊的组成与预警系统
船舶安全气囊主要由传感器、微处理器、气体发生装置气囊储存管道和滑槽组成。船舶安全气囊在预警、防护方面的主要设计思路就是如何准确地提前预警，合理打开气囊。预警系统主要采用GPS技术、无线网络技术、因特网络、嵌入式系统技术、容错技术、预报控制技术等进行事故预警，以避免船舶撞击的突發性。
根据目前内河航区的通航船型的分析结果，我们采用两艘5 000t级的集装箱船进行试验。碰撞实验船型参数如表1所示。
设计的A船以3.7m/s的速度船艏垂直撞击静止的B船舷侧。计算采用双坐标系，为船舶碰撞点的坐标，为初始碰撞角度。如图1所示：
假设碰撞船为刚体，其动量方程为：
其中，为碰撞船的质量；分别为碰撞船在方向、y方向和旋转方向的加速度；分别为附水质量在浮动、摇摆、旋转3个分量的质量系数；为碰撞船只质量惯量绕重心旋转半径。
图2给出的船舶与船舶、船舶与气囊相撞时的受力与时间历程曲线。从图2可以看出：5 000t级船造成的撞击力最大为37MN，在安装气囊之后，最大力下降到了25.7%，起到了较好的防撞效果，同时也减少了船舶损伤。因此气囊起到了很好的保护效果。
从图3可以看出，1.5s时碰撞船舶变形吸收能量21MJ，船舶气囊装置吸收能量27MJ，而且在碰撞过程中，气囊吸量始终大于船舶变形吸能。由此可以看出，安装安全气囊防撞装置能吸收主要的碰撞动能，大大减轻船舶的变形损伤。
3 创新特色
①该装置大大提高了船舶航行的安全系数，填补了此项技术的空白，为船舶的安全航行奠定了基础。
②智能控制使该装置具有快速性和应急性，加之预警系统的应用，进一步提高了船舶航行的安全系数。
③创新设计多层气囊和新型充气共晶体，更加适用船舶大型安全设备需求。
④如遇毁灭性冲击，安全气囊可以减缓沉船时间，为救援争取了宝贵时间。
参考文献：
[1]王建平.无线网络技术[M].北京：清华大学出版社，2013.
[2]刘希恭.国产汽车安全气囊系统故障检修实用手册[M].北京：机械工业出版社，2007.
[3]王自力，顾永宁.船舶碰撞数值仿真的一种组合模型[J].华东船舶工业学院学报（自然科学版），2001（6）：1-6.