灯浮标巡检作业机械化可行性研究设计.docx

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灯浮标巡检作业机械化可行性研究设计

灯浮标巡检作业机械化可行性研究设计

针对海上灯浮标数量迅猛增长，但“人爬标”的灯浮标巡检作业模式100多年来一直未变，存在安全风险高、劳动强度大、效率低与海事“三化”建设要求不适应现象。

为改进这种现象，工作室将本项目纳入年度工作计划，并用8个月的时间完成了项目的研究。

本项目仅需1-2名航标工就可完成巡检工作，至少可减少一半的航标工，提升作业效率5倍，每年节约燃油经费466.56万元（北方海区），将100多年来一直沿用的“人爬标”作业模式转变为具有智能技术的“灯上船”作业模式，航标工不再“爬标”作业，彻底消除作业时存在的显性安全隐患，可促进航海保障工作由汗水型向技术智慧型转变，也可在国内外浮标巡检作业中推广应用，意义重大，前景广阔。

本项目获得**青年岗位创新大赛”十佳创新成果奖”，并获得“青春梦想，海事未来”直属海事系统青年岗位创新大赛优胜奖，同时已向国家知识产权局申报实用新型专利,并获得受理。

具体研究设计报告：

一、现状分析

近年来，随着沿海港口建设步伐的加快，北方海区航标数量持续大幅增长。

截止2016年8月，北方海区航标数量已达到4162座，其中灯浮标就达2480座，占北方海区航标总量的59.6%。

按照《海区航标作业管理规则》规定，沿海航标管理部门应每月对所辖航标例行巡检一次。

经测算，海区年度巡检作业量已达27000余座次。

虽然海上灯浮标巡检作业任务在急剧增加，但是浮标巡检方式自近代有浮标以来100多年的时间里，一直是航标工人利用船舶等工具进行“爬标”开展维护保养工作，存在诸多弊端，难以适应海事“三化”建设要求。

（一）作业风险高，安全隐患多

现行灯浮标巡检工作流程主要由带缆、跳标、爬标和检修等一系列作业环节组成。

其中跳标环节就是航标工从船上跳到摇摆不定的浮标上，若身手不敏捷，很容易跌落海中或被浮标和船舶夹伤，尤其在风浪较大或冰冻雨雪天气更是危险，如图1、图2。

图1从船上跳到浮标上

图2风雪中检修浮标

由于浮标作业空间狭小，人爬到标顶用手检修灯器时需要用身体靠在标架护栏上，几乎每个航标工都被在风浪中摇摆的浮标撞伤过腰部，也曾出现因海况突变，船舶脱离浮标无法再次靠近，造成航标工长时间抱着浮标在风浪中随波逐流，非常危险，如图3。

虽然夹持船出现大大改变了浮标巡检工作条件，但并未从根本上解决航标工人登标作业的现状，仍需工人爬到浮标上进行巡检维护，安全隐患依然存在，如图4。

图3浮标脱离船舶

图4夹持船检修浮标

（二）劳动强度大，作业效率低

海上无风三尺浪。

能站在摇摆不定的浮标上就非常困难，航标工却要穿着救生衣在狭小的空间里一手抓栏杆、一手开展检修工作，如图5。

通常情况下检修一个浮标需要4-5人同时配合，用时约20分钟，若要更换太阳能板或顶标架需要7-8人，用时约40分钟（如图6），一天下来仅能完成10余座标的巡检维护，航标工却精疲力尽，非常辛苦。

图5擦拭有脏污的太阳能板

图6更换顶标架

（三）难以适应海事“三化”建设要求，航海保障装备水平亟待提升

作为提供海上航海保障服务的主体，装备水平的现代化与否直接决定着助航保障能力的高低。

这种一百多年来仍一直沿用的作业方式与信息技术高度发达的今天显得格格不入。

为满足日益增长的助航保障需求，落实海事“三化”建设要求，改进现有航标巡检方式，提升航海保障装备现代化水平尤为必要。

二、创新方案

（一）设计思路

为解决浮标巡检作业中存在的弊端以及提升航保装备性能，本方案以小型航标夹持船巡检作业为研究对象，采用逆向思维方式，对浮标现有结构进行模块化设计，并从动力实现的角度，利用现代机器人智能技术，实现巡检浮标由“人爬标”向“灯上船”作业模式转变。

主要涉及两大内容：

1.对现有浮标结构进行模块化设计；

2.研制专用拆装设备机器人机械臂。

（二）设计方案

1.对现有浮标结构进行模块化设计

本方案将浮标架分为两部分，其中将灯器、太阳能板、蓄电池和顶标架集成在一个独力可拆的模块上，将浮标支架作为支撑模块安装在浮标浮筒上。

（1）设计要求

可拆模块需要满足拆装容易，装复后牢固可靠，对现有浮标结构改动不大，兼顾人工巡检，满足浮标稳性要求。

（2）结构设计

如图7，在浮标支架顶部中央位置设置一个喇叭口形状的架子，口的边缘设有围挡，在围挡与支架护栏处仍留有人工检修空间。

如图7-图9，可拆模块由灯器、太阳能板、蓄电池、顶标架和拆装手柄组成，底部做成锥形架。

可拆模块中部与喇叭口围挡接触位置对称设置6个加固板，在加固板两边装具有轻微弹性并开有一定角度的钢板，用来加固放入喇叭口后的可拆模块，防止摇晃。

拆装手柄带有6个对称设置的挡板，用来拆装可拆模块，并具有锁紧功能。

图7装复可拆模块时状态图图8拆出可拆模块时状态图

1-灯器2-太阳能板3-蓄电池4-顶标5-拆装手柄6-挡板7-连杆

8-加固板9-轻微弹性钢板10-喇叭口11-喇叭口围挡12-浮标支架模块

图9新设计浮标整体结构图

图10新设计浮标架三维图

图11可拆模块支架收起

图12可拆模块取出时状态图

（3）工作方式

如图10-图12，当需要取下可拆模块时，用机械手抓住拆装手柄上提，通过连杆将挡板收起，可拆模块就能被取出。

当装复时，机械手抓住拆装手柄将可拆模块放入喇叭口，然后下压拆装手柄，通过连杆将挡板打开，挡板抵住喇叭口的围挡确保可拆模块在浮标摇晃时不被脱出。

由于本设计仅是在浮标支架顶部做了改进优化，整体尺寸基本没有变化。

太阳能板、灯器、顶标架本来就位于浮标支架顶部，蓄电池由中部提到顶部，重量仅2.6Kg左右，对浮标稳性没有影响。

其它的变化仅是增加了喇叭口架和少部分可拆模块架，其重量很小不足以改变浮标的稳性。

2、研制专用拆装设备机器人机械臂

（1）设计要求

安全、准确、快速拆装浮标可拆模块。

（2）结构设计

为满足实际工作需要及设计要求，本方案采用工业上比较成熟的机器人技术来研制拆装可拆模块的机械臂。

机器人机械臂是拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置，它可把任一物件或工具按空间位姿（位置和姿态）的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。

机械臂安装在夹持船的前甲板。

经估算，浮标可拆模块重量在80Kg左右，虽然重量不大，但作业时位在夹持船的前方，力矩和扭矩较大，因此机器人机械臂驱动采用液压驱动与电力驱动混合的方式，即在机械臂承受力较大的根部采取液压驱动，在机械臂末端机械手部分采用控制灵活的电力驱动。

如图13、14，本项目研制的机械臂为五轴机械臂并带有可执行机构机械手，其结构主要由4只机械臂、两只机械手和液压油缸组成，可折叠。

其中，机械臂A、机械B为液压驱动，机械臂C、机械臂D、机械手为电力驱动。

轴d可以使机械手左右旋转，用来调整机械手的角度，轴e使两只机械手开合抱住浮标可拆模块手柄。

为方便抓取可拆模块拆装手柄，两只机械手内侧做成V型槽。

机械臂控制系统为PLC控制，在机械手V型槽内加装图像识别传感器，在机械臂各关节处安装角度传感器。

图像识别传感器可帮助机械手准确抓到可拆模块拆装手柄，角度传感器可以记录取下可拆模块并放到船上的整个路径。

因为浮标被夹持船夹住后与船舶相对固定，没有发生相对运动，不存在角度变化，在装复时，可拆模块可按照原路径返回，实现自动装复，这也是机器人常见的一种动作原理。

图13机械手三维图图14机械臂结构图

1-机械臂A2-机械臂B3-机械臂C4-机械臂D5-机械手6-液压缸

7-轴a8-轴b9-轴c10-轴d11-轴e

（3）工作方式

如图15-16，当需要检修浮标时，首先用船舶夹持装置夹住浮标，然后通过人工操作将机械手靠近浮标可拆模块拆装手柄，并在图像识别传感器的配合下抓住拆装手柄，将可拆模块取出并放到船舶甲板上，航标工人站在甲板上对浮标设备进行检修维护。

当检修维护完成后，机械手将可拆模块自动放回浮标支架上，若可拆模块没有完全落入喇叭口内，可以人工控制机械臂进行调整。

整个浮标拆装检修过程预计4分钟。

检修浮标时，若在船上预先备用一个待检修浮标的可拆模块，当用机械手取下待检修可拆模块后，将备用模块换上，在航行过程中将取下的模块进行检修，依次类推，预计完成一个浮标的检修时间仅为2-3分钟。

图15机械臂抓取可拆模块示意图

图16将可拆模块放到船上检修示意图

三、重要意义及推广价值

（一）对航标巡检作业模式是一种全新变革

自有浮标至今100多年的时间里，一直是人工爬标检修浮标。

本项目采用逆向思维的方式，通过巧妙改进浮标结构，利用现代智能技术，可实现由“人爬标”到“灯上船”的历史转变，是对航标巡检作业模式的一种全新变革。

（二）可促进航海保障工作由汗水型向技术智慧型跨越转变

航标助航保障工作是航海保障的主要支撑，其巡检工作一直是典型的汗水型工作。

本项目将浮标检修保养工作取到了船上开展，不再需要高强度劳动，仅需1-2名技术人员在4分钟内就可完成，作业效率提升5倍，可实现航标作业由汗水型向技术智慧型转变，同时对今后航标人员队伍结构改善将会产生深刻的影响。

（三）航标安全作业水平将实现质的提升

本项目将使航标工不再跳标、爬标，彻底消除了作业中的显性安全隐患，安全作业水平将实现质的提升。

（四）经济效益巨大

航标巡检船（夹持船）每小时耗油约108Kg。

整个北方海区一年巡检灯浮标27000余座次，每座标平均节约16分钟，则每年节约燃油=27000*16/60*0.108=777.6吨。

每吨燃油6000元，则每年至少可以节约费用=777.6*6000=466.56万元。

本项目实施后，灯浮标巡检仅需1-2名航标工就可完成，航标工至少可以减少一半的航标工，节约的人员经费则相当可观。

（五）推广价值较高

本项目仅是对浮标顶部结构进行局部改进，整体尺寸没有明显变化。

新的浮标可以按照本方案制造，现有浮标只可对浮标支架顶部按照现有方案进行改造即可，不会造成浮标的浪费，可在国内外同类型航标中推广应用，具有广阔的应用前景。