摘要：针对海洋垃圾分布广，难清理的特点，本文提出了一款能够自主清理海面垃圾并监控海面环境的无人船。该船采用
双体船结构，具有较大的甲板面积和较高的航行稳定性；船身搭载的机械云台能有效降低摄像头画面的抖动性；前置传送
带将漂浮垃圾传送至后置垃圾袋中；船身多采用圆弧边直角连接件和钝角连接件，连接牢固且制作简单。该船能有效提高
清理效率降低成本。
关键词：海藻治理，双体船，机械云台
1 项目应用背景
如今，海洋垃圾遍布海生物栖息领域，据悉，每年漂流、倾倒入海的塑料垃圾就达 800 万吨，而且 90%
未被回收。这些海洋垃圾诸如废旧渔网、绳索等已成为“暗杀武器”，每年致使超过 10 万头鲸、海豚和海豹
死亡[1]。
目前近海漂浮垃圾常采用人工打捞作业的方式进行清理，针对水面垃圾的复杂多样的特点，缺少专用清
理技术和装置，导致清理水面垃圾不彻底、效率低，而且劳动强度大、经济代价大等诸多问题，成为海面污
染治理一个亟待解决的难题。海面清污船是专门清除水面垃圾多功能工作船，解决现行打捞作业存在的问题。
2 国内外相关研究现状
国内外相关研究现状：水面垃圾自动清理打捞船针对水面坏境污染的坏境的问题，致力于中小型湖泊河
流等水域的固定垃圾清理，如塑料袋，饮料瓶，树枝树叶以及其它易清理的水面垃圾。它将水上漂浮的垃圾
（主要是树枝、白色塑料、生活垃圾等）从水面打捞后，直接装运或者经压缩后装运到垃圾处理厂进行处
理。关于水面垃圾自动打捞船，目前国内外已有成熟的商品和深厚的研究基础[2]。韩国海洋水产部在2000
年投资 23.5 亿韩元，委托南韩海洋研究院开发一种能在浅滩和港口进行垃圾清除作业的垃圾打捞船。目前，这
种海上垃圾打捞船已经打造完成，并通过了性能测试。这艘命名为“海洋清扫号”的船，长 30m, 宽 10m,高
2.3m,可只在水深只有 2 米的浅滩和港口清除漂浮垃圾。近年来，国内也渐渐自主研发了具有高效率的水面
垃圾自动打捞船[3]。
3 项目主体功能
实现近海 50mm-500mm 漂浮垃圾的精确识别与清理收集，同时接收用户指令及检测环境信息。
4 实现方案描述
清洁船主船身采用双船体构造，具有极高的稳定性：双体船船体分为左右两个，横摇时回复力矩是同样
排水量的单体船的若干倍，更能稳定支撑全船重量，保持航行稳定，防止侧翻甲板开阔；甲板开阔，方便布
置：甲板面积比同排水量的单体船大出许多，船上设备的布置方便许多[4]。
船体采用流线型曲线构造，通过对水中生活的鱼类的模仿， 排水、流线型敞水船体能够极大地减少风的
阻力，把风的阻力转变为向上的牵引力，使船受到的阻力减小，动力增大，行驶的越快。能够装载规定数量
的载重而浮在水面上； 当受风浪冲击，货物在船上移动时，船只产生一定的倾侧而不致倾覆；当外力作用消
失时，舰船有恢复到原来正浮状态的能力。舰船在海上发生触礁、碰撞或损伤，保持不沉不翻的浮
1态。能够装载规定数量的载重而浮在水面上；该设计将流线型理念应用到船外观造型上,整体形态流畅、赋予
整船自然、协调的视觉美感,体现了空气动力学和运动美学的完美结合[5]。
本船上的摄像机云台采用全新创意机械构造，通过连杆机构以及重心集结几何原理，得出此机械设计结
构，使得摄像头重心、云台重心、固定支点重心、船体重心集结于一点，从而实现云台摄像头的极度稳定，
当云台向前运动，云台支架就向后运动，保持云台上固定的仪器前后位置不变。左右运动也是相同的原理。
同时，摄像机位于杆结构的重心位置 ，能够有效消除晃动对摄像的影响，从而使我们观测海面情况更加清晰，
对垃圾的识别分类也极具帮助。
云台所采用的轴承，径向游隙比较小，向心角接触轴承可用预紧力消除游隙，摩擦阻力小、功率消耗小、
机械效率高、易起动、结构紧凑，重量轻，轴向尺寸小，精度高，负载大，磨损小，使用寿命长。从而保证
云台和摄像头的使用时间更长 。摄像机云台所采用的三角立体式夹紧支架，稳定性好，使云台固定于船体更
加便捷、强度更高。
5 项目详细设计与制作描述
本清洁船船身采用双船体构造，具有极高的稳定性。双体船横摇时回复力矩是同排水量的单体船若干倍，
更能稳定支撑全船重量，保持航行稳定，防止侧翻；甲板面积比同排水量的单体船大出许多，使得船上设备
的布置更方便。
图 1 双体船船体
船体采用流线型曲线构造，通过对水中生活的鱼类的模仿， 排水、流线型敞水船体能够极大地减少风的
阻力，把风的阻力转变为向上的牵引力，使船受到的阻力减小，动力增大，行驶的越快。能够装载规定数量
的载重而浮在水面上；当受风浪冲击，货物在船上移动时，船只产生一定的倾侧而不致倾覆；当外力作用消
失时，舰船有恢复到原来正浮状态的能力。舰船在海上发生触礁、碰撞或损伤，保持不沉不翻的浮态。能够
装载规定数量的载重而浮在水面上；该设计将流线型理念应用到船外观造型上,整体形态流畅、赋予整船自然、
协调的视觉美感,体现了空气动力学和运动美学的完美结合。
图 2 流线型船身
本船上的摄像机云台采用全新创意机械构造，通过连杆机构以及重心集结几何原理，得出此机械设计结
构，使得摄像头重心、云台重心、固定支点重心、船体重心集结于一点，从而实现云台摄像头的极度稳定，
当云台向前运动，云台支架就向后运动，保持云台上固定的仪器前后位置不变。左右运动也是相同的原理。
同时，摄像机位于杆结构的重心位置 ，能够有效消除晃动对摄像的影响，从而使我们观测海面情况更加清晰，
对垃圾的识别分类也极具帮助。[6]
2云台所采用的轴承，径向游隙比较小，向心角接触轴承可用预紧力消除游隙，摩擦阻力小、功率消耗小、
机械效率高、易起动、结构紧凑，重量轻，轴向尺寸小，精度高，负载大，磨损小，使用寿命长。从而保证
云台和摄像头的使用时间更长 。摄像机云台所采用的三角立体式夹紧支架，稳定性好，使云台固定于船体更
加便捷、强度更高。
图 3 机械云台
云台固定装置两侧所采用的三角式连接板，通过自行设计的连接原件连接于两侧船身，在三角式云台固
定装置的稳定前提下，又通过此三角式连接板固定于船身不仅再一次提高了摄像机云台的稳定性，更提高了
摄像机的画面稳定性，使得云台所具备的重心汇聚于一点独特设计理念能更好地体现。
水泵和发动机所使用的固定支架也具有独特的设计原理，使得水泵和发动机便于安装，装入后产生过盈
配合从而牢牢夹紧，以改善发动机启动力量和水泵抽水所引动的振动对发动机和水泵的固定性的影响， 从而
更好的保护发动机和水泵。
图 4 水 泵
图 5 发动机
船身各连接板处所采用的圆弧边直角连接件和钝角连接件，使得连接件与所设计的角度连接板能够很
好的贴合，不同的连接板夹角不同，所采用的连接件角度也不同，真正地实现了一对一紧密连接，通过在连
接件上设计梯台，从而使螺钉能够陷于连接件中部，不仅实现了对螺钉的保护，更增添了船体的视觉美观。
双船体的上侧和尾部通过固定形状板开槽，实现了便利地在船体内增加漂浮物或者配重物， 从而来
3适应各种浮力状况 ，达到在海面上能够稳定自由航行的目的 。
图 6 板间连接
船体中后部通过大街直角平台放置超大元件、接线容纳盒，从而实现对船体各方面操控的电子元件以及
接线的收纳，使船体看起来整洁有次序。
图 7 元件盒
船体尾部设计流线叶片螺旋桨，使得叶片推水能力得到更好的体现。螺旋桨发动机也通过圆柱式过盈配
合连接件，实现了即使在水中航行时间长，也不会脱落的优点，使得叶片能够更好的工作 。
图 8 尾 部
本水面垃圾自动打捞船执行作业时传送带通过动力系统转功，利用传送带进行垃圾的回收处理。本传送
带采用链轮传动。传动机械链轮与带传动相比平均传动比准确，传动时功率较大而且轮廓尺寸小。与齿
4轮传动相比，传动中心距大。能在环境恶略条件下工作。工作效率高，最大可达 0.99。并且在两侧链轮中间
设置连接板条，从而使垃圾能够稳稳地呆在传输带上，绝对不会脱落，从而提高垃圾打捞效率。并且在整条
链轮传送带上，通过自主设计的倾斜式垃圾固定大挡板机构，从而使不管大垃圾还是小垃圾都能够稳稳地被
打捞至传送带上，并向上运行。
图 9 传送带
本船所采用的垃圾收纳装置，采用高强度材料制作而成，所带有的孔洞式间隙大，能够很好的排水 ， 不
会给船的航行带来很大的阻力，并且高强度的质地和超高的容纳量。使得垃圾存储量大大提高，并且耐用性
强。
太阳能电池系统供电，电池位于侧边的两个船体表面，可以节约空间，利用电池板进行发电，电存储在
蓄电池中，从而进行利用。真正的实现了环保、节能、清洁、智能、高利用率于一体。
两船体中部采用的三块异形挡板，不仅合理的利用了双船体中间的大空间，并且挡板之间带有通槽，
这使板间连接更加牢固，并且在船中部挡板组水面的交接处又设计了两侧收纳板，从而使垃圾能够更好地聚
集在输送带前，从而提高垃圾的打捞率。
本项目中船所采用的所有机械设计结构，均体现了牢固性、高强度、耐用性、高利用率、适用船体结构
的特性，真正的实现了智能技术与巧妙的机械结构完美结合。
6 项目应用与市场
目前许多国家的河流、海域漂浮物污染十分严重，给人们的生存环境、投资环境和开发利用旅游资
源等带来负面影响。水葫芦在我国和北美、亚洲、大洋洲和非洲十分肆虐，使得许多水域原有生物大量
灭绝，严重地破坏了生物多样性和生态平衡，导致河水发黑、发臭，河流、湖泊淤塞，相关海域赤潮频
发。
秋冬季节里，成片的水葫芦随风飘荡，严重地影响到水域水面清扫船的航运安全、水利设施和水电
站机组的安全，对环保灌溉、水产养殖、旅游等造成的经济损失更大。
对水面垃圾进行清捞与治理，可为航运及旅游事业的发展提供良好的环境基础，保持水路交通畅通，
提高水上交通的安全系数可改善水域的环境卫生面貌，美化流域的景观确保水体生物物种的生态平衡同
时可以保证良好的供水条件，提高有限水资源的利用率，减少水体的淤泥，促进生态环境良性发展，产
生显著的社会、环境和经济效益。
在航行作业困难的水域，主要还是靠人工打捞。随着我国经济的进一步发展，对环境保护日益重视，
机械化水面清扫船的种类日趋增多人类对于自身健康的重视也加快了对于水域清扫船的需求，并呈现出
快速增长的趋势。
水面清扫船作为清理垃圾、维持环境的工具，其需求范围是全球性的但是高性能的水面清扫船集中
在船舶建造工业的少数国家，但是需求量却是全球性的。因此，水域水面清扫船企业在分享全球市场的
5同时也将面临来自世界各地的竞争。
中国水域水面清扫船是船舶行业的细分行业，在实际生产过程中清扫船在制造规模和技术上均低于
大型运输船舶。但是从行业数据来看，清扫船应用性更加贴近人们日常生活中，其社会作用更加明显。
本项目初步进入市场打算先于地方高校合作，对其内的景观湖进行作业，不断进行打磨与优化。其次与
当地市政部门协商在污染水域进行投放作业。效果显著后与沿海地区城市政府以及水利、水质等科研机构合
作在近海地区进行开发，做出能够实在、实时、实用的海面清污船集群。最后与高校科技园或者科技公司合
作，开发出彻底成熟的生产线并且投放市场。
