【文献综述】渔船操纵性研究

【文献综述】渔船操纵性研究
文献综述
船舶与海洋工程
渔船操纵性研究
水路运输是世界各国进行贸易往来的重要途径，所以运输载体---船舶也一直是世界各国船舶设计研究者们所关注的重心。

为了提高船舶运输的性能，确保船舶的运输安全性，他们分析研究各种会影响运输船舶的因素，并提出相关的解决办法。

尤其为大家所关注的是如何优化运输船舶的操作性，因为良好的操作性可以极大地减少运输船舶海难、海损事故。

然而，近些年来,运输船舶的操纵性研究比较广泛、深入, 也取得了很多研究成果,但关于渔船操纵性的研究却很少。

渔船，作为以捕捞和采收水生动植物的船舶，也包括现代捕捞生产的一些辅助船只，如进行水产品加工、运输、养殖、资源调查、渔业指导和训练以及执行渔政任务等的船舶。

近些年来，随着渔船使用数量的不断增加，其渔船海难、海损事故也时有发生。

每年由于渔船的海难、海损事故，使不少渔民失去了生命，并造成重大经济损失。

这使得世界各国的船舶设计研究者们将精力投注于对渔船的安全性的研究上。

他们分析了引起渔船事故的各种因素，如海域、海况、船员的驾驶技术以及渔船的结构设备等。

近几年来，越来越多的船舶设计工作者们开始对渔船的操纵性进行研究，以期待通过优化渔船的操纵性来提高渔船的经济性和安全性等性能。

但是在工作者们通过各种途径来优化渔船操作性的过程中，对于利用船舶航向控制系统中的关键装置——舵来的优化渔船操作性研究却较少。

所以通过几个月来的对相关船舶工作者的研究文献大量阅读，并对其进行了详细总结与分析，提出了利用舵来优化渔船操作性的课题。

在此将相关研究文献主要的内容做如下总结。

一、船舶的操纵性研究
郑中义在《船舶自动避碰决策系统的研究》中指出船舶操纵性的
研究范畴。

船舶操纵性是船舶重要航行性能之一，主要研究船舶保持和改变其航速、航向及位置的能力，与船舶航行的安全性和经济性密切相关。

而且还介绍了船
舶船舶操纵性的研究起始于20世纪30年代。

1946年，Davidson和Schiff的工作标志着船舶操纵性理论研究的开始，他们首次从运动稳定性理论出发，给出操纵运动方程，提出了航向稳定性和回转性相互制约、相互矛盾的概念，为船舶操纵性的研究奠定了理论基础。

孙立成在《船舶避碰决策数学模型的研究》中介绍了船舶操纵运动数学模型的研究一般分为水动力模型和响应模型两方面。

在水动力模型研究方面，主要有两大流派:一个是以Abkowitz为代表的整体式水动力模型，这种模型把船体、螺旋桨和舵看作一个整体，避免了处理三者之间干扰的困难。

这种模型预报出的结果相当好，但由于该模型包含船体、螺旋桨和舵等多种因素，不便于开展系列化的模型试验。

另一个是MMG模型。

即从1976年起，日本的操纵性数学模型小组(Mathematical Modeling Group，MMG)通过进行一系列的拘束模型试验，研究船体、螺旋浆与舵的水动力以及它们之间的干扰作用，提出一种分离式的船舶操纵运动水动力模型，一般称之为MMG模型。

响应模型方法是将船舶看成一个动态系统，引入运动响应模型，用控制理论来分析船舶运动。

利用船舶操纵运动的响应模型，能把握船舶在操舵时的操纵运动及其对操舵响应的快慢，即使采用一阶近似的简单响应模型也能求得相当近似度的操舵响应。

邱建华在《船舶转心位置的变化规律与操纵、避碰间关系的探讨》中分别从船舶的旋心和转心、静水中船舶转心的位置、船舶在水流影响下的转心位置、转心变化规律在船舶操纵中的应用四个部分介绍了船舶转心位置的变化规律与操纵。

且通过对船舶运动过程中转心位置变化规律的分析, 归纳出下列结航行船舶在流水中转向时, 若舵压力横向分力与船舶所受水动力横向分力方向相同, 则转心前移: 若舵压力横向分力与船舶所受水动力横向分力方向相反, 则转心后移, 即船首逆流向转动时转心前移, 船首顺流向转动时转心后移。

航速越慢, 流速越快、
越为显著。

二、渔船的事故分析
周祖逵在《渔船事故分析与提高其安全性的探讨》中，通过对我国北方三个国营海洋渔业公司和一个经济力量较强的渔业公社，以及东海、海南之滨各个单位作为典型的调查对象进行调查。

分析了造成渔船事故的原因，并指出渔船海难、海损事故的发生，通常与海域、海况、季节和气象有关，也与船员的
驾驶技术及渔船的结构、性能、设备、材料等有关。

就目前而言，除人力难以抗拒的自然造成的海难、海损事故外，可将海难、海损事故分为两大类：1、人质型海难、海损事故。

事故的成因主要可归结为职务船员航海驾驶技术不熟练；或缺乏必要的避碰知识，临阵又惊慌失措，避碰措施失当；或驾驶不慎；或值班员职责不明，未作负责的瞭望；或对航道不熟，测定船位不准等。

2、船质型海难、海损事故事故的成因主要牵涉到有关船舶与设备方面的一些问题，通过改进船舶构造和性能，规定装船的设备、材料必须满足的技术要求，掌握船舶技术性能，正确使用船舶，加强船舶的技术监督检验等，即可减少发生这类事故的可能性。

这样我明白了渔船海难、海损事故的两大主要类型，并让我明白了这些问题的严峻性，是我努力寻找一些解决办法的动力。

邹伟红, 唐议, 刘金红在《我国海洋渔业安全生产状况分析》中通过搜集了国内外有关海洋渔业安全生产事故的资料,结合实地的调查,从事故的数量、类型等方面分析了目前我国的海洋渔业安全生产事故状况,并通过与国内其他行业、国外同行业的比较,认为目前我国海洋渔业安全生产形势严峻,渔民死亡率较高,主要原因有:渔民的总体素质下降;渔船的适航状态差;渔港状况与安全生产现状不相符;渔场范围缩小;管理体制和手段落后、管理力量不足;资源恶化;数据统计不完全、不统一等。

最后对如何改善海洋渔业安全生产状况提出了几个建议: (1)完善渔业安全法律法规体系; (2)优化渔民结构; (3)提高渔船质量;
(4)加强渔港的监督管理与建设; (5)加强渔业事故的统计与分析; (6)建立合理高效的救援体系。

其中针对渔船的适航状态差，研究者给出
提高渔船质量的建议，对于我完成论文启示。

三、渔船操纵性的优化
江苏省长江驳运公司沈德良在《小型船舶液压操舵系统的设计》中对普通小船普通小船液压操舵系统的组成及工作原理进行了分析。

并指出了液压操舵系统对于优化船舶操纵性的意义。

其小船液压操舵系统的组成为普通小船液压操舵系统主要由动力源带动的液压泵、溢流阀、滤清器、单向阀、三位四通操舵阀、舵机液压油缸、拨叉、蓄能器及压力表、手动闸阀及联接油管等组成。

其液压操舵系统的工作原理为油箱中的液压油被液压泵通过滤清器巧吸人, 加压后经单向阀分成两路! 一路到蓄能器另一路经手动闸阀到手动三位四通阀。

操纵三位四通阀可使具有一定压力的液压油进人舵机液压油缸?的一端, 推动油缸的活塞)柱塞向另一端运动。

油缸的活塞上装有方形滑块, 该滑块卡在拨叉的槽中, 由于活塞的移动, 带动滑块一起移动,再带动拨叉转动。

由于拨叉的一端卡住舵杆, 所以它的转动也就带动舵杆一起转动, 完成舵杆、舵叶向一个方向的转动。

操纵三位四通阀改变进油的方向, 使液压油缸从另一端进油, 就能使舵杆、舵叶向另一个方向转动。

从而来改变小船的航向。

整个液压操舵系统的工作原理使得液压操舵装置具有轻巧、灵活、劳动强度低、转舵平稳、工作可靠, 寿命长等优点, 越来越受到船主的欢迎。

船舶液压操舵系统的设计不仅关系到韶舶航行的安全性, 涉及到能源的消耗量和充分利用。

刘程, 李铁山, 和陈纳新在《带有舵机特性的船舶航向自动舵实用设计》中指出船舶航向自动舵设计是自动控制理论应用得较早、取得成果比较显著的领域然而, 迄今为止,很多控制算法还不能应用于工程实际. 究其原因, 包括以下两个方面: 一方面, 船舶动态具有高度非线性、长时滞、大惯性等特性, 同时风、浪、流等外扰的随机性以及航行工况( 装载、航速等) 的频繁变化使船舶运动数学模型呈现明显的不确定性; 另一方面,一些控制算法本身由于算法复杂、计算负担重, 在线执行耗时明显, 限制了其在工程实践中的应用. 因此, 研发易于工程实现的自动舵控制算法正成为目前船舶控制领域的一个研究热点.本文针对带有舵机特性的非线性船舶航向控制系统, 提出一种计算量小、易于工程实现的
自动舵控制算法. 利用Lyapunov 方法证明闭环系统的稳定性, 并通过计算机仿真验证了方法的有效性.
赵希人, 唐慧妍, 彭秀艳, 王宪荣《利用航向舵减横摇控制研究》中指出利用航向舵减摇是近些年发展起来的一种新型的减摇技术。

舵减摇与减摇鳍、减摇水舱相比具有许多优点, 己受到许多国家的重视。

它可以利用船上现存的舵和操纵系统只需增添控制仪传感器等少数部件, 因此它造价低,体积适宜, 占空间小, 使用维修方便, 不仅可以在大中型的军船和民船上应用, 又便于对没有配备减摇控制装置的现役舰船进行加装改造等优点, 有着极其广阔的应用前景。

众所周知, 舵是用来完成舰船回转或保持航向等驾驶功能的装置。

舵减横摇的基本原理是，当舰船上的舵操某一个舵角以后,作用在舵上的水动力除了能产生一个艏摇力矩（改变航向）之外，还同时能产生一个横倾力矩（引起横摇）。

很明显，既然操舵具有使舰船产生横摇的潜在能力，那么反过来，只要能正确地控制转舵的方向、大小和相位，利用操舵来减小船的横摇运动当然也是可能的，又因为控制船的横摇周期一般在7s-15s之间，而艏摇一般在20s-40s之间，利用舵对横摇和艏摇响应的差异，控制舵角，以达到一定的减摇效果。

简要之，就是利用操舵产生的横摇力矩抵消波浪引起的横摇扰动力矩，又由于横摇响应周期和艏摇响应周期具有明显差异，故可以应用舵来减摇。

毕跃文在《4000DWT多用途船襟翼舵的设计与安装》中指出襟翼舵作为一种特殊舵，与普通舵相比，在提高舵效，改善船舶操纵性能等方面有着明显的效果，作为一种用在江海直达多用途船上的襟翼舵，其设计与安装显得尤为重要.通过以舵参数为设计基础，合理结构设计以提高舵效，细化其安装工艺、提高建造质量，从性能、结构、工艺上介绍了4000DWT多用途船襟翼舵的设计与安装情况，最后通过对该型船的试航情况分析证明其襟翼舵是成功的. 航向稳定性和回转性是船舶操纵性能好坏的重要考核指标，而舵设备就是保证船舶操纵性能的重要装置.近年来，襟翼舵已经越来越多地得到了广泛地认可和应用.襟翼舵设计与安装的好坏将直接影响船舶的性能和建造质量.4000DWT多用途船（以下简称4000DWT）属于江海直达，可载
散货也可装载集装箱的远洋多用途运输船.采用可调桨推进，配有导流管、襟翼舵等装置，满足E2 冰区加强要求，入级GL.该型船的襟翼舵装置全部由国内设计与制造，首次实现国产襟翼舵在国外远洋多用途运输船上的应用。

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