中国航海日 | 船建人有哪些应景的科创展示？

中国航海日特别策划

7.11

当前，金属资源的需求与陆地矿产储量及开采效益之间的矛盾不断激化，陆地金属资源的日趋短缺已成为世界上迫切需要解决的重大问题之一。发展高可靠、高环保的深海矿产资源开发技术，可以有效缓解矿产供需矛盾。在集矿方面，基于康达效应的附壁射流式水力集矿装置因结构简单、可靠性高及对海床扰动小等优点，受到了广泛的关注。

张登尧、张栢源、谢腾飞、蒋志豪四位同学在肖龙飞老师的指导下，利用物理实验和数值模拟方法，对基于康达效应的附壁射流集矿模型进行结构优化设计和验证分析，从采集率和流场扰动两个方面对集矿模型进行优劣评估，探索了集矿模型评价方法。他们提出并验证了基于双向凸曲壁结构和脉动射流特性的集矿新方法；研究了基于脉动射流特性集矿方法中不同射流流速、射流频率和射流幅值对颗粒受力、采集率的影响，并对深海采矿技术的综合评价体系提出了建设性意见。

实验系统

康达效应是指具有一定速度的附壁射流具有紧贴小曲率壁面流动的趋势，由法国工程师亨利康达发现，被命名为康达效应。团队基于该效应优化了集矿头表面型线设计和改变射流状态，显著提高了水力集矿头相同流量下的采集率。

康达效应

在集矿头表面型线优化设计方面，为改善第一代集矿头集矿过程中出现的后射流喷嘴附近漩涡区域阻碍矿粒提升等不足，创新研制了具有双侧圆弧面结构特征的第二代附壁射流式集矿头，对比分析了第一代和第二代集矿头的集矿性能差异；在改变射流状态方面，提出并验证了基于脉动射流特性集矿的新方法。同匀速射流相比，基于脉动射流特性集矿可显著提高颗粒采集率。

世界各国在深海采矿技术研发方面尚处于探索验证阶段，水力集矿领域仍有大量的制度空白和法律模糊。科学评估不同集矿模型的集矿性能是实现有效技术监管的前提。团队针对水力集矿作业环境和技术特点，建设性地提出集矿技术综合评价体系框架，从模式、方法、准则三个方面简要论述了评价体系中主要内容及各部分内容之间的关联，为水力集矿规章制度建设和完善提出参考。

评价体系

船舶在航行过程中会长期受到各种载荷的作用和恶劣环境的侵蚀，导致船舶关键部位状态异常，包括船体结构变形，以及传动轴系温度异常、振动、噪声等。为了避免船舶异常造成重大安全事故，对船舶状态进行多方位的实时监测十分重要，但是国内外对船舶状态监测系统的研究较少，基于此，蒋玮东同学在马少鹏老师的指导下，开始了对船舶状态监测物联网建立的研究。

项目过程

结合船舶状态监测物联网系统的需求，项目首先搭建了一套仿真船舶模型，用以模拟船舶的多类型运行状态。船模系统组成包括缩比船模、承托平台、电动千斤顶等，通过千斤顶的移动来摸拟变形过程。

船模三视图

其次，基于先进的光测力学方法，包括高时/空分辨测量方法和阵列式摄像测量方法，项目制定了用于观测船舶整体变形/位姿的光测力学系统方案，并完成光测系统的搭建。通过在船上各点处搭建相机和人工合作标志块组成的基站，利用像机链位姿传递摄像测量方法通过使用多个摄像机和标志物将不通视的待测目标和测量基准联系起来，采用位姿传递的方法实现了待测目标坐标系相对于基准坐标系的位姿关系测量。

再次，由于与传统数据采集系统相比，柔性数据采集系统具有轻、薄、柔、小，易于轴系共形贴附，不影响轴系运转等优势，因此项目制定了用于监测船舶推进轴系的温度/振动/噪声的多类型柔性电子系统方案，并完成系统搭建。通过在船舶轴系搭建一套柔性电子测量系统，检测船舶轴系状态异常，包括结构变形、温度异常、振动等。基于柔性电子器件，包括温度传感器、应变传感器、声传感器、压力传感器等，来实现推进轴系运行状态的全方位监测。

最后，实验项目研制了相应的数据采集控制、处理分析和传输网络系统，组成船舶运行状态的柔性无线传感与监测物联网系统。团队将光学传感器（相机）与柔性电子传感器进行联网，实现互联互通，构建一整套船舶状态监测物联网系统。其中运用的数字孪生概念，是指充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

数字孪生

船舶模型的初步数字模

波浪能是指海洋的表层海水在风力作用下形成的波浪所具有的动能和势能，其本质是海水吸收了风能，然后以机械能的形式呈现，并可以传播的很远。合理巧妙转换利用波浪能后，不仅仅可以推进船舶，对降低船舶在波浪中的运动响应也有一定效果，波浪动力船是一种能够利用船舶在波浪能的运动，将波浪能转化为推进动力的船舶。目前世界上主流的波浪动力船，其转化波能的技术核心在于振荡水翼装置。

基于此，项目成员池哲瀛、丁子龙、马骥锋在赵永生老师的指导下，采用数值计算与水池试验相结合的手段，完成了对目标双体船的静水阻力性能研究，以及振荡水翼的水动力特性研究；利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics ,CFD）方法完成对目标双体船的静水阻力计算，并验证了计算模型的可靠性；根据静水阻力曲线，完成振荡水翼装置的选型与设计，并进行水池试验研究其水动力特性；在STAR-CCM+中完成对试验工况的复现工作，并经过验证的计算模型，完成产生推进力的工况计算。

首先，试验采用全尺度模型，设计吃水条件下在拖曳水池进行。波浪动力船总体方案研究包括对目标船主尺度的选择、总布置设计规划、波能推进装置设计等工作，通过调研目前已成功研制的利用清洁能源的无人船，确定目标船的主尺度的选取范围。计划利用太阳能对波浪动力船上的电气设备供电。波能推进装置布置于船首尾下方，这是因为船舶首尾处垂荡和纵摇运动的影响最大，可转化为推进动力的波浪能最多；辅助推进器布置与船中处的下方，最大限度的减小其与波能推进装置的相互干扰。

总体设计方案

其次，团队在STAR-CCM+中完成三维数值水池目标船静水阻力数值模拟，主要内容包括：三维数值水池的建立、边界条件的设定、物理模型的选择、计算网格的划分、网格无关性验证、计算步长无关性验证、阻力计算结果汇总与分析。计算可视化自由液面波形。静水阻力试验结果不仅仅可用于研究目标船快速性，也可用于验证CFD计算结果，为后续开展的数值计算方案提供参考和依据。

阻力拖曳实验

然后完成振荡水翼的水动力试验，试验在循环水槽进行。试验主要分为三种类型：固定攻角、水翼垂荡、水翼纵摇。试验所得数据主要用于验证数值模型计算的可靠性。

振荡水翼水动力试验

同学们在实验过程中发现，采用双体船方案有着更加独到的优势。较大的甲板面积布置更多的太阳能板是有利的，而采用双体船恰有甲板面积大的独特有点。就利用波浪能而言，与同排水量的单体船相比，采用双体船型的好处在于可以布置更大的波能推进装置，以产生更大的推力。针对船舶的操纵性，双体船型可以利用双辅助推进器差速推进，比单独利用舵控制机动性强、灵活性高。采用双体方案后，甲板的布置面积增大为7.35m2，折算太阳能光伏发电系统额定发电功率提高了5倍，约为750W。无人船上可以布置更多的电器设备。

双体船自由液面波形图

海上风机是一种人类从自然界中获取绿色能源的新兴装备，其安装规模越来越大的同时，运营维护的压力也在不断变大。现有的人工巡检方式存在“三高问题”：高难度，高危险，高成本，且巡检效率低，巡检周期长，窗口期短，补给困难。无人巡检系统很好地弥补了人工巡检的不足，降低巡检成本，提高巡检效率。面对以上这些问题，一种由无人艇和旋翼无人机组成的智能巡检系统应运而生。项目成员王宇林、杨奕和秦胜乾三位同学在王鸿东、王检耀老师的指导下，开始了基于海上无人平台的无人机双稳态重复式收放装置的研究。

首先，为确保搭载设备与无人机的安全性，高海况条件下对接成功率，需要有高稳定性的水面支持母船。通过设计三体穿浪船有效提高耐波性，楔形压浪条抑制埋首，内倾式船艏有效减小阻力，有效改善了母船的稳定性问题。

“鹰栖一号”三体无人艇

其次，由于巡检过程是动态对接，双随机过程，因此高可靠性的回收方式不可或缺。在多种回收方式中，经过多方面比较，栖息网回收综合实力最佳。团队计算以不同偏差角降落时的对接完成情况，仿真0°、15°、30°、45°四种典型工况，研究发现偏差角度最大为45°时，0.8s完成对接，无人机姿态达到稳定，与船体等频运动，工作海况下对接高效率，高可靠。

不同回收方式多角度比较

再次，因为无人机下落姿态各异，所以锁紧方式需要具有适应性。项目团队采用高适应性的柔性锁紧装置，利用被动式柔性材料实现多角度缠绕式锁紧，气动式锁紧抓钩实现信号驱动的优良稳定性和低耗能，双稳态柱壳骨架增强结构强度，同时支撑柔性抓钩。样机制作经过多次改进，逐臻完善。

样机迭代

最后，在整体系统构想方面，考虑硬件系统与硬件间互联通信系统，无人机自主飞行与无人艇自主航行，并有效改进了无人艇自主避障巡航算法和巡检系统图像识别算法。

整体系统设计

目前项目的思路被用于华能集团风电场运营维护方案中，作品得到中国电建华东勘测设计院的认可，获得全国海洋航行器设计与制作大赛特等奖等一系列奖项，团队目前共申请了发明、实用新型专利 5 项。

近年来，我国海洋旅游蓬勃发展，海洋旅游城市的发展建设也如火如荼。项目成员谢佳宁、王钰文在曾一非老师的指导下，对我国热门海洋旅游城市——上海与厦门的海洋旅游发展状况于经济、资源、文化、产品与服务方面展开研究，运用SPSS以及SWOT分析对比两个城市的海洋旅游发展状况，并提出相应的建议与措施。

谢佳宁同学研究全国、上海、厦门不同年份游客总数，上海、厦门国内外游客总数，上海与厦门不同年份旅游收入情况等数据，发现两座城市海洋经济发展状况、旅游资源与文化、项目产品与服务的特点，运用SWOT分析的思路，探究两座城市旅游发展的优势和机遇，并基于科学研究提出发展建议：注重海洋旅游资源生态保护与可持续发展、继续加强整治海洋旅游环境、发挥资源优势、积极发展岛屿经济、推动邮轮旅游等建设等。

王钰文同学则致力于研究上海海洋旅游业智慧型创新发展策略。对海洋旅游业进行智慧型创新是大势所趋，王钰文同学通过阐述进行智慧型海洋旅游业创新的必要性，并结合上海发展海洋旅游业的自然条件和社会经济条件的特点和现状，从进行智慧型创新的视角出发提出上海海洋旅游业发展策略。上海海洋旅游业发展具有海洋旅游资源丰富，文旅融合紧密；海洋旅游规模较大，带动海洋经济的发展；海洋旅游政策发展环境好，安全性不断提高等特点。

虽然一些新兴技术如人工智能、大数据、5G 商用已融入海洋旅游业的应用中，并且为旅游业降低成本，改善服务质量，提高运行效率，但是这些运用并没有真正实现价值，还有很大的提升空间。基于目前上海海洋旅游业发展过程中的特点，依托智慧旅游，从管理、服务和营销三个层面提出上海海洋旅游业的智慧型创新策略。管理包括游客对自我出行的管理、景区负责人和海洋旅游行业从业者对旅游地的管理、政府部门对整个海洋旅游业的行业监管；服务有行前中后的智慧化；营销则包含体验、服务、渠道等方面的智慧化。

管理层面：

服务层面：

营销层面：

上海海洋资源丰富，国内外旅游者众多，且政策发展环境好，拥有发展海洋旅游业的优势。智慧旅游是未来旅游业发展的方向，将智慧型创新引入上海海洋旅游业能够促进上海海洋旅游业的数字化转型和智慧高效发展。基于当下的条件和存在的问题，今后应从管理、服务和营销三个层面出发，提升上海智慧海洋旅游建设水平。

亲海则兴，疏海则衰。海洋战略是国家战略中必不可少的有机组成部分之一，要推进海洋强国的建设，就必须要提高民众的海洋意识。大学生作为中国特色社会主义建设的预备力量，加强对大学生海洋意识的培养与教育有利于提高国家整体的海洋强国理念与海洋战略意识。董逸飞、娄曦文同学在曾一非老师的指导下，通过发放调查问卷收集大学生关于自身海洋意识的认知和对有关海洋意识调查问题相关信息，利用SPSS对所得数据进行统计分析，了解当代大学生海洋意识状况，整理影响大学生海洋意识及高校海洋教育展开的相关因素，并给出改进的建议。

项目成员以纸质版问卷和网络调查问卷形式对上海交通大学各年级、各专业学生海洋意识不同方面的状况进行抽样调查，通过SPSS整合此次调查问卷所得数据，并利用该软件内统计分析类工具对数据进行统计学分析，对主观题目进行信度检验后所得克隆巴赫系数为0.735，所有主观题目所得数据可信度较高，可以从一定程度上反映出当代大学生海洋意识状况。

从不同时期的数据看出，我国大学生普遍欠缺海洋意识，尤其是在海洋地理、法律方面存在明显不足，且通过多年间关于大学生海洋意识的调查，反映出这种现象在十余年间没有明显改善，当代大学生海洋教育情况仍令人担忧，中国的高校海洋教育可能仍存在一定的不足与问题。

虽然整体海洋意识偏弱，但大部分学生对于海洋意识教育的重要性有很明确的认识。大学生强烈的海洋主权意识亦是其一种爱国的表达形式，大部分大学生海洋主权意识强烈但对国情及相关知识缺乏了解，思想容易偏激。以此作为契机进一步开展海洋意识教育，引导大学生理性爱国，提高大学生海洋意识十分重要。大学生对于海洋意识教育抱有一定的热情与期待，能充分认识到其重要性，愿意通过学习丰富海洋知识，说明增强大学生海洋意识在可行而必要，但社会及大部分高校现阶段仍无系统培养大学生海洋意识的方法，存在一定的短板与缺陷，难以与大学生学习海洋的热情与趋势相配位，难以培养大学生自发长久的海洋意识。

研究还发现大学生对海洋重要性的认识程度与重视的实践程度不对等，海洋基本知识掌握欠缺，海洋知识各方面了解水平参差不齐。性别、家乡所在城市是否沿海对海洋意识也具有一定影响，且上课前后海洋意识增强趋势明显。

基于以上调查结果，团队提出建议：重视海洋教育师资团队建设与课程设置、推进有涉海专业和无涉海专业高校合作进行海洋教育、综合利用多种媒介激发大学生学习海洋的兴趣、组织多种活动，综合利用校内外资源提供海洋教育等措施。

整理参考：

[1]张登尧、张栢源、谢腾飞、蒋志豪(指导老师：肖龙飞)：第23期大学生创新计划项目研究论文：设计并验证一种基于康达效应的低扰动高采集率深海水力集矿头

[2]蒋玮东(指导老师：马少鹏)：第22期“ 船舶状态监测物联网计划”项目研究论文：船舶状态监测物联网

[3]池哲瀛、丁子龙、马骥锋(指导老师：赵永生)：第23期“大学生创新计划”项目研究论文：波浪动力船振荡水翼水动力数值计算与试验研究

[4]董逸飞(指导老师：曾一非)：上海交通大学第39期PRP学生研究论文：基于SPSS分析的大学生海洋意识现状调查

[5]娄曦文(指导老师：曾一非)：上海交通大学第39期PRP学生研究论文：上海交通大学学生海洋意识调查报告

[6]王钰文(指导老师：曾一非)：上海交通大学第 40 期 PRP 学生研究论文：上海海洋旅游业智慧型创新发展策略研究

[7]谢佳宁(指导老师：曾一非)：上海交通大学第 40 期 PRP 学生研究论文：上海与厦门海洋旅游发展状况比较与分析

[8]王宇林 、杨奕、秦胜乾(指导老师：王鸿东、王检耀)：基于海上无人平台的无人机双稳态重复式收放装置汇报