艨艟巨舰 海工中国（科技名家笔谈）
随着人类合理利用海洋资源能力的不断拓展，发展海洋科技已成为海洋国家提高综合国力的重大战略之一。海洋环境的特殊性决定了人类探索认识海洋、开发利用海洋资源、保护海洋环境、维护国家海洋安全等一切海上活动，必须依赖相应的海洋装备和技术，可以说，谁拥有了先进装备和技术，谁就在未来的海洋开发中占据优势，海上大型工程船是能完成水上水下各种施工任务的高投资、高技术的特种船舶，它是实现国家海洋强国战略目标的重大核心装备，其设计和制造技术是国家的核心关键技术。
中国的海上大型工程船研究与开发，由于涉及的领域众多，长期以来各自自行开发，力量分散，信息与设备共享率低。作为长期从事海上大型工程船的研究与设计者，笔者深感中国海上大型工程船研究、开发和使用正处在历史性的转折和快速发展时期，必须走高水平、高质量的发展道路，提高原始创新能力，集中力量攻克“卡脖子”难题，进行海上大型工程船方面的“陆海统筹”，实现海上大型工程及上下游产业的共同发展，为海洋强国建设作出更大贡献。
奋力赶超
部分技术达到国际领先
由于欧洲国家完整的工业体系和对海上大型工程船强大的研究和开发能力，许多新型的海上大型工程船是最先在欧洲发展起来的。欧洲大型造船集团设计、建造和配套实力雄厚，经营方式灵活多样，相关的建造市场目前仍被欧洲船厂主导。我国在海上大型工程船方面起步较晚，在设备核心技术方面仍然落后于欧美发达国家，但改革开放以来，特别是近20年来，我国工业体系逐渐完善，造船工业迅速发展，在海上大型挖泥船、大型起重船和风电安装船等方面取得了巨大进步，部分技术达到了国际领先水平。
在海上大型挖泥船方面，我国在主要船种绞吸挖泥船和耙吸挖泥船领域实现了国内设计制造，摆脱了对国外的依赖局面。尤其是进入21世纪以来，由于沿海港口航道疏浚、近海重大基础设施和工业基地建设、远海岛礁建设等战略需求，一大批具有自主知识产权的高技术、高附加值挖泥船相继问世。特别是海上大型绞吸挖泥船的发展，突破海上定位、岩礁挖掘、远距离输送和复杂系统集成等核心技术，自行设计建造了一批海上大型绞吸挖泥船，作业海域由沿海、近海延伸到远海，挖掘土质从淤泥、硬质沙土拓展到坚硬岩礁，单船作业能力由每小时2500立方米提高到6500立方米，形成了系列化产品，带动了疏浚行业装备技术与产业的高速发展。20年来，我国年疏浚能力从3亿立方米提高到17亿立方米，在世界疏浚市场占有约40%的份额。我国的大型挖泥船实现了从被封锁到出口管制的跨越发展，不仅满足了国内需求，而且在“一带一路”的港口航道建设中发挥了重要作用。
在大型起重船方面，根据不同的作业需求，国外已开发出单船体、多船体和半潜式等多种海上大型起重船，用于导管架平台的安装拆除、桥梁隧道的吊放安装、海底管道铺设、海上打捞和救助等。目前，世界上起重能力最大的半潜式起重船的起重能力为2万吨。与国外相比，国内大型起重船市场正处在快速发展阶段。随着国家能源战略的实施，深海油气田的勘探、开采进入具体实施阶段，对大型起重船的需求相当大。国内研究机构、设计单位、船舶制造企业近20年通过自主研发和引进、消化吸收相结合的方式，在船的抗风浪能力提高、船舶定位和移位技术、船舶运动对起重机设计影响、起重机控制与操作技术等一些关键技术上已取得了突破性进展，逐步形成了一批具有自主知识产权的产品，使我国的海上大型起重船的起重能力从几百吨提高到万吨级。我国自主设计制造了世界上最大的单船体起重船，起重能力达到1.2万吨。目前总体情况是，我国大型起重船数量较多，品种单一，起重能力大的仍然较少。
风电安装船是一种全新的海洋工程船，主要用于海上风电设备的运输和吊装，它将构件运输、海上作业、起重以及生活供给等各项功能融为一体，可独立完成上述运输安装作业。自1991年丹麦建成世界上第一个近海风电场以来，世界各国相继开始建设海上风电工程。风电安装设备经历了三代发展：第一代由现有的起重船和运输驳船等联合作业；第二代是具有自升功能的驳船或平台，但不具有自航能力；第三代具有自航、自升和起重功能的专用风电安装船。目前，国外专业海上风电安装公司的风电安装船均属于第三代，用于风力发电机安装、维护及其他海上作业。韩国三星重工2016年交付“Seajacks Scylla”号是目前较为先进的风电安装专用船，配备1500吨起重机，航速超过每小时13海里，能在超过65米水深的风场安装风机组件。目前国外有第三代风电安装船14艘，起重能力均大于800吨。从2011年开始，国内相关设计、建造企业对第二、第三代风电安装船进行了自主研发，目前我国在设计和建造技术方面有了长足的进步，专用设备配套能力大大增强，已自主设计建造了一批风电安装船，起重能力最大达到了2500吨，但具有齿轮齿条升降、有自航能力的第三代船较少。
进入深蓝
亟待实现共性技术突破
海上大型工程船又称为海上施工装备，更确切地说是漂浮在海上的重大工程装备。由于船体和施工装备的结合、作业水域向深远海延伸，对海上大型工程船的生存能力和作业能力提出了更高要求。
对于施工装备，由于安装在船上，受到船的运动影响。船在波浪上的高频运动如横摇、纵摇和垂荡运动等会对施工设备产生很大的附加载荷，会产生受迫振动，使作业安全受到威胁，甚至不能作业。在陆地上能安全、高效作业的装备，应用于海上大型工程船上，在设计时必须考虑附加载荷的影响，成了必须特殊设计的非标设备。
船的横荡、纵荡和艏摇等低频运动和水深增大会对船的作业定位、就位产生重大影响。对于在深远海作业的大型工程船，设置可靠的就位、定位和移位系统成为必不可少的重大技术措施，特别是动力定位系统，它利用自身推进系统就能保持一定的船位、艏向或使船按预定的轨迹运动，其控位精度高、灵活性好，成本不随水深增加而增加，对推动海上大型工程船的进步产生了重大影响。动力定位系统通常由环境和位置参考系统、推进系统、动力系统和控制系统等四个子系统构成。动力定位系统的设计、制造技术已成为海上大型工程船设计制造中的核心技术。
对于海上大型工程船，由于作业能力的提高，特别是动力定位系统被广泛应用，使得大型工程船的动力供应容量比相同尺度的运输船大了很多，甚至达到了3倍以上。近20年来，由于交流变频器的发展成熟，电力驱动在海上大型工程船获得了普遍应用。因此在海上大型工程船上建大功率电站，并进行能量综合管理已成必然趋势。在海上大型工程船上，动力定位系统及各种作业的自动控制都涉及多个子系统和设备的配合、协调，涉及状态参数的共享和传输，同时包括对外界信息的采集和必要判断、运算，这一切只能用计算机自动化网络系统来完成。利用计算机网络系统，对大功率电站进行综合管理，实现海上大型工程船在多工况下的能量优化配置，已成为海上大型工程船设计的核心技术之一。
由于在海上大型工程船上放置了重大工程设备，施工设备与船体连接部可能是固定连接，还可能有运动副（两个构件直接接触并能产生相对运动的活动连接）。除了多变的作业载荷经作业设备传给连接部，风浪流载荷及船的定位载荷亦经船体传给连接部，导致连接部受力处于十分复杂的多变状态，有可能产生各种形式的损坏。另外，大型作业设备在施工时产生的交变载荷（机械零件在工作过程中受到的大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用）或反复冲击会通过连接部传给船体，会产生局部或整个船体振动，影响作业效率，甚至会引起共振，产生结构破坏。连接部位的设计常是海上大型工程船结构设计的难点，而且没有现成的规范和标准，需要研究新的工程计算方法、建立新的设计标准、创造新的结构形式等。
在海上大型工程船上放置大型施工设备后，船的总体设计与运输船相比会发生重大变化。海上大型工程船的船型特殊、设备繁多、功率密度大、工况复杂，不能沿用运输船的总体设计方法。以运量和航速为基本要求的主要尺度论证转变为以作业能力为核心的主要要素确定；以货物装载和规范规定的各种布置地位要求进行总体布局设计转变为以作业流程为基础的布局设计；以航行要求为目的的动力配置转变为平衡和高作业能力为准则的动力配置；以实船统计规律为出发点的设计流程转变为以非标作业设备为出发点的设计流程。这些转变使海上大型工程船设计难度和风险大大增加。
瞄准“四化”
未来发展成就值得期待
为积极响应国家海洋强国战略，加强我国深远海资源开发和重大工程的建设能力，中国海上大型工程船可望在实现“四化”即大型化、智能化、主体多功能化和施工装备模块化方面取得更大成就。
我国海上工程船的作业水域正快速从沿海、近海向深远海拓展，深远海的海洋环境严酷，“小船经不起风浪，巨舰才能顶住惊涛骇浪”，海上工程船大型化是必然趋势。船舶大型化提高了抗风浪能力，增长了作业的气象窗口期，同时也为作业设备提高作业能力提供了更有效的平台，特别是大型化的工程船为深海作业系统开发和使用提供了具有更好保障功能的母船。深水油气开发、深水金属矿开采、深水铺管、深水疏浚和深水重大基础设施的建设等重大需求，将推动深水作业系统快速发展，深水作业能力提高将和海上工程船的大型化同步推进。
在我国自主开发的一些海上大型工程船的船种中，作业的自动化水平已相当高，能在人工不干预或极少干预的情况下按照设计的程序和步骤完成作业过程，但要在自动化基础上实现智能化还有相当长的路要走，在信息充分化、知识数据化、自我学习功能等方面还有大量深入工作要做。利用物联网技术实现海上大型工程船作业智能化不仅会大大提高作业效率，也会使海上大型工程船有更多的使用功能和更强的环境适应性。
海上大型工程船一般都造价昂贵，单一功能的船常常作业任务较少，不仅闲置不可避免，甚至出现一项重大工程完工，相应的工程船就不再使用，将一艘船的建造成本全部计入一项工程的情况。实际情况是很多不同功能的海上大型工程船对船体尺度、布置地位和动力设备配置的要求都很相近，若能在工程船设计时统筹兼顾各种使用功能，预留位置和接口，就可能使工程船主船体成为能满足多种使用功能的平台，实现工程船的多功能化。在主船体成为多功能化平台的同时，也要求施工装备模块化，实现施工装备模块与船体连接的标准化，最终提高海上大型工程船使用率和经济性。
（作者为上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院教授，长期从事海上大型工程船的研究和设计，曾以第一完成人获国家科技进步奖特等奖。）
本版携手科学出版社推出 【编辑:王禹】
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