0 引　言

舰船甲板排水系统作为船舶的重要组成部分，主要负责收集和排放船舶甲板上的雨水、冲洗水以及可能泄漏的油污等液体^[1]。如果排水系统设计不合理，不仅会导致污水积聚，影响船舶的正常运行和船员的生活环境，还可能造成污染物的泄漏，对海洋环境造成严重污染^[2]。因此，舰船甲板排水系统的设计，可以提高其排水效率和环保性能。

针对舰船甲板排水系统设计，众多学者展开相关研究，杨帆等^[3]在舰船甲板排水系统设计中引入真空黑水系统、优化重力灰水系统以及膜生物反应器污水处理系统，为船舶排水系统提供了可靠的卫生防护解决方案。该系统虽提供卫生防护，但系统复杂，成本高，维护难，对含油污水识别处理能力弱。蒋竹凌等^[4]采用MWorks平台构建甲板排水系统的积水收集、管道输送、应急排水等子系统模型，调试排水口布局、管道管径等设计参数，优化舰船甲板排水效率。但是却难以实时精准感知污水的变化，无法及时对突发污染做出有效应对。王文全等^[5]采用CFD进行甲板积水流动模拟，分析甲板不同区域积水的流动伴流特性，据此优化排水口位置与管道走向，确保甲板积水快速、无残留排放。但该方法仅提供了静态的布局方案，缺乏对排水过程进行在线自适应调控的能力。

绿色舰船理念不仅要求船舶具备更低的碳排放，更要求其具备对自身产生的污染物，尤其是最难控制的散排油污进行有效管控与处理的能力^{[6 - 7]}。现有典型舰船甲板排水系统中，重力式排水系统依赖自然重力实现流体输送，其排水效率受甲板坡度与管道走向影响显著。数据显示其平均排水效率约为65%～70%，能耗较低但年维护成本约8000元，且对含油污水无处理能力。真空式排水系统通过负压提升排水效率，可达80%～85%，但能耗较高约1.2～1.5W·h/m³，年维护成本约15000元，核心部件真空泵易受油污磨损。为此本文提出基于绿色理念的舰船甲板排水系统设计与验证，并分析其性能。本系统排水效率达90%以上，能耗控制在0.4～0.6kW·h/m³，年均维护成本降至5000～7000元，且具备油污高效处理能力，综合性能优于传统系统。

1 用户研究层面 1.1 用户场景分析与设计需求洞察

在舰船甲板这一高湿度、高腐蚀性且负载动态变化的作业生态中，甲板排水系统作为安全级保障设备，其使用行为高度依赖船员的任务节奏与操作心智模型。日常巡检过程中，船员需要在相对短的时间窗口内完成对积水分布、设备运行状态的快速判断与记录，这要求系统具备直观的状态反馈与可视化呈现能力，以降低认知负荷。在突发性油液泄漏场景下，操作处于高压力与高风险下，船员需在有限认知带宽内完成对污水油分的判断并执行排放路径切换，这对系统的智能识别、容错性与引导式交互提出了更高要求。而在周期性设备维护阶段，船员通常面对设备的检修与校准，良好的部件可达性、维护可替换性及接口简化策略，直接影响维护效率与学习成本。

同时，对于船舶运营方而言，系统需符合跨海域航行监管、港口停泊排放审查以及年度适航检测等多层级环保合规要求，因此对排放数据的可溯源性、可审计性与数据完整性提出了系统级需求。由此可见，该排水系统需在使用端、管理端与合规端之间构建完整的体验闭环。

1.2 用户需求分析与产品设计策略

在甲板排水场景下，用户需求涵盖功能可靠性、维护便捷性与环境合规等多维诉求。基于生命周期设计与模块化产品架构，本系统将液位传感器、油分传感器、排水泵、电动切换阀与旋流分离单元设计为独立模块，采用标准化接口与快速连接方式，提升维护可达性并缩短停机时间。控制系统通过将PLC划分为数据采集、执行控制与通信协调模块，可在局部故障时保持基本运行，提升系统整体稳定性。

针对不同作业环境，系统预留扩展接口，可添加辅助过滤单元或采用抗盐雾处理，实现针对性配置与场景适配。为减轻船员认知负荷并提高决策效率，系统构建可视化界面，提供实时监测、分级预警与历史数据追溯，为环保审查与年度检测提供可信依据。整体上，该设计通过模块化结构、可视化交互与可拓展能力，形成低维护成本、高环境适应性与合规友好的产品化解决方案。

2 舰船甲板排水系统设计 2.1 基于绿色舰船理念的舰船甲板排水系统结构

在绿色舰船理念的指导下，本系统采用自下而上的3层控制架构进行产品化设计，以实现污染物减量化、排放可控化与使用过程的可视化。整体架构由执行层、控制层与管理层形成闭环协同，如图1所示。

通过该3层式结构，本系统在有限舰载空间内实现了结构清晰、调度灵活与环境友好的产品化布局，为舰船甲板排水提供了可拓展、可维护与全流程可控的系统级解决方案。

2.2 液位传感器

为实现对甲板积水状态的实时监测，本系统选用了数字电容式液位传感器作为核心感知元件，其结构由感应极板、测量芯片以及抗干扰电路组成。传感器安装在排水区域，可持续读取积水高度并输出数字信号，为后端排水策略提供依据。数字电容式液位传感器结构如图2所示。

该传感器的工作原理基于一个简易可理解的逻辑：水和空气的电特性不同，当积水上升、浸湿传感器极板时，其电容数值会发生对应变化。系统正是通过捕捉这种数值变化来判断积水深度。

数字电容式液位传感器的电容变化量可通过平行板电容公式推导：

$ C=\frac{{\varepsilon }_{0}{\varepsilon }_{r}S}{d}。$

(1)

式中：$ {\varepsilon }_{0} $为真空介电常数；$ {\varepsilon }_{r} $为介质相对介电常数；$ S $为极板有效面积；$ d $为极板间距。

设$ {S}_{1} $为未浸水极板面积，$ {S}_{2} $为浸水极板面积，$ {\varepsilon }_{v} $为水的相对介电常数。当积水高度为$ h $时，传感器电容由空气介质电容$ C_1=\displaystyle\varepsilon_0S_1/d $与水介质电容$ C_2= \displaystyle\varepsilon_0\varepsilon_vS_2/d $串联组成，总电容为：

$ {C}_{\text{total}}=1/\frac{1}{{C}_{1}}+\frac{1}{{C}_{2}}。$

(2)

通过标定实验确定$ h $与$ {C}_{\text{total}} $的映射关系，建立液位计算模型：

$ h=k_1C_{\text{total}}+k_2。$

(3)

式中：$ {k}_{1} $、$ {k}_{2} $为标定系数，该模型可实现液位精准测量。

在完全无积水时，传感器处于空气环境，对应一个基准数值；当积水上升，将部分极板覆盖，传感器读数随之提高。随着积水高度不同，被水覆盖的区域与仍在空气中的区域会产生两部分不同读数，组合起来即可计算当前液位高度。该变化趋势可通过芯片进行自动处理与转换，并输出稳定的数字液位信号供PLC使用。

2.3 油分传感器

油分传感器采用双通道光学设计，通过2发光与感光元件分别采集“透过去的光”和“被散射的光”。这2光信号能够反映水体中油滴悬浮量的变化，从而判断污水是否需要进入油水分离通道。

传感器内部会轮流开启A、B两条光路：当A通道工作时，系统测得散射光强度$ {I}_{SA} $与透射光强度$ {I}_{IA} $；当通道B开启时，同理测量散射光强度$ {I}_{SB} $和透射光强度$ {I}_{IB} $。

通过计算2次测量下“散射光/透射光”的平均比值，可得到油污浓度指标$ RST $。该值越大，说明水中油含量越高，系统便会自动切换排水路径，使污水流入油水分离装置而不是直接排放。

2.4 基于旋流技术的油污水分离装置

系统在排水路径中配置了一套“两级旋流”油污水分离装置。其设计逻辑是通过水流旋转产生的离心力，让油、水与杂质在流动中自动分层分离。装置由一级除油模块与二级净化模块组成，形成类似“粗滤—精滤”的双层净化体系。

一级除油模块。对甲板积水中较明显的浮油设计，通过旋流让轻质油滴自动集中并被排出，有效完成油水的初步分离。

二级净化模块。一步处理一级后仍残留的细小悬浮物与微量杂质，使水体在进入污水舱前达到更干净、更便于后续排放判断的状态。

PLC会根据油分传感器的检测结果，自动决定污水的后续路径。如达到排放标准，则走“绿色排放”路线直接排出；如未达标，则自动进入深度净化模块处理，确保最终排放符合 IMO （国际海事组织）环保要求。基于旋流技术的油污水分离装置结构如图3所示。

旋流分离装置的分离效率基于离心沉降理论，油滴在旋流场中的沉降速度$ {v}_{s} $计算公式为：

$ {v}_{s}=\frac{\text{π} d_{o}^{2}({\rho }_{w}-{\rho }_{o})r}{18\mu L} 。$

(4)

式中：$ d_{o}^{} $为油滴直径；$ {\rho }_{w} $为水的密度；$ {\rho }_{o} $为油的密度；$ r $为旋流半径；$ \mu $为流体动力粘度；$ L $为分离通道长度。

本装置一级旋流半径$ {r}_{1} $=80 mm，二级旋流半径$ {r}_{2} $=40 mm，通过控制流体入口速度$ v $=3～5 m/s，使油滴在一级分离模块的沉降时间≤0.8 s，二级分离模块≤0.5 s，确保分离效率≥95%。

2.5 基于PLC的控制程序

本系统采用基于“液位+含油量”双判据的分级控制策略，以实现更智能、更安全且更符合绿色排放要求的甲板排水管理体验。该策略通过实时读取液位与水质状态，自动匹配最合适的排水模式，减少人工判断与误操作带来的风险。液位-油污双判据分层级控制流程如图4所示。

当系统启动后，液位与油污数据会被实时接入PLC进行综合判定，并触发相应排水策略：

1）在积水较少的情况下，系统会保持低能耗运行，仅启用单泵，避免设备空转。如果此时水体检测出油污，排水路径将暂不开放至外排通道，而是自动保持闭合状态，并提示船员检查积水来源。此举既保护设备，也避免因少量积水误排油污造成污染。

2）在正常积水状态下，排水转入稳定工作模式。系统对水质作出即时判断：清洁水直接排向舷外，含油水则由系统自行切换阀门并导入油污水分离装置进行净化，再完成排放。整个过程无需人工介入，使环保排放变成一种“无感执行”的体验。

3）当积水快速上涨或接近警戒高度时，系统会主动进入应急模式，自动提升排水能力，两台泵协同加速排放。同时，为确保高流量排水场景下仍不发生油污直排，系统会同步启用多级净化设备，并发出高液位提醒，促使船员关注潜在异常情况。

3 实验结果与分析

为验证所提出的甲板排水系统在真实使用环境中的有效性，本研究选取一艘现役舰船进行实地测试。测试重点关注使用安全性、排水效率与油污净化体验3项产品设计指标。

在系统布设过程中，将液位传感器安装于甲板排水口附近，用于持续记录积水变化（每30 s采集一次）；油分传感器安装在排水管道的关键节点（每1 min采集一次），用于识别污水是否含油；油污分离装置设置在靠近泵组的位置，以缩短水路路径，提升处理效率与维护便利性。

为了贴近甲板真实使用情境，本研究构建了一个常见而高风险的复合工况：“积水 + 含油污水混合”。这一场景常出现在暴雨夹带设备漏油时，既影响人员行走安全，又可能造成环境污染。实验持续10 min，重点观察系统在无人干预情况下，对积水、油污的识别、分流与处理表现。液压、油分传感器数据采集结果如图5所示。

可知，液位数据呈持续下降趋势（由约0.30 m降至0.05 m），油污浓度则从约350 mg/L逐步降至接近0 mg/L。过程反映出：系统能够主动判断排水性质，并在不同阶段自动调整泵速、切换排水路径及控制净化装置启停，实现从“识别问题 → 处理污水 → 排放达标”的全流程自动化操作。

选取油分去除率、污染物排放量、资源循环利用率以及积水排放效率为指标，衡量本文系统应用前后该舰船甲板的排水效果，结果如表1所示。可知，本文所设计舰船甲板排水系统有效实现了污染物减量化、资源化以及排放无害化，完全契合绿色舰船理念。油分去除率从不足60%跃升至95%以上，完全满足IMO环保排放标准，实现油污无害化处理；污染物排放量从大于20 kg/h降至0.5 kg/h以下，降幅超97.5%，极大降低了对海洋环境的污染；资源循环利用率从无回收提升至污油回收利用率≥30%、清水回用率≥40%，实现了资源再利用；积水排放效率的提升也显著增强了极端工况下排水时效性。

每组实验持续10 min，记录系统排水效率、油污去除率及响应时间，结果如表2所示。可知，在不同工况下，系统排水效率均保持在90%以上，油污去除率≥95%，稳定响应时间≤2.0 min，表明系统具备良好的工况适应性，可在复杂甲板环境中稳定运行。

4 结　语

本文围绕“绿色舰船”理念，本研究从产品系统设计视角对舰船甲板排水系统进行了全流程设计与验证。实验结果表明：

1）系统能够根据液位与油污浓度的实时变化自主调整排水策略，实现从识别异常到分流处理的智能化闭环管控体验，显著降低对船员判断与操作的依赖。

2）在污染物控制与绿色排放方面，系统可将油污去除率稳定保持在95%以上，排放浓度远低于IMO限值，较传统排水方式更符合绿色舰船对减污与无害化排放的核心要求。

3）系统实现了污油回收与清水再利用，提升了流体资源循环利用效率，契合绿色舰船的可持续理念。

4）积水快速排放能有效改善甲板行走安全性与作业环境，进一步强化了系统在复杂海况下的安全体验与运行韧性。