王紅梅 陳曉明 林慰 吳珂

摘要：目前航運(yùn)行業(yè)對(duì)航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的研究甚少，因此有必要加強(qiáng)對(duì)高速客滾船航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)及其評(píng)估方法的研究。結(jié)合某航線航行環(huán)境影響因素中自然環(huán)境和交通環(huán)境的實(shí)際情況，采用現(xiàn)代評(píng)價(jià)方法提出的科學(xué)有效的高速客滾船航行環(huán)境與穩(wěn)性、耐波性、操縱性、快速性有關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)估模型，以此確定了航線擬建高速穿浪雙體客貨運(yùn)輸船的最佳航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)；評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)估模型；高速穿浪雙體客貨運(yùn)輸船

中圖分類號(hào)：U655.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study on navigation environment standard and its evaluation Method for high-speed roll-on roll-off ships

WANG Hongmei1,CHEN Xiaoming1, LIN Wei2,WU Ke1

( 1.Beijing China Ship Dongyuan Technology Development Co. Ltd, Beijing, 1000242;2.Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641 )

Abstract: Since little research is done forthe navigation environment standard in shipping industry, it is necessary to strengthen the research on the navigation environmental standards and evaluation methods of roll-on roll-off ships.Under the actual situation of the natural environment and the traffic environment in a certain route environment, the best environmental standards fora planned high-speed wave piercing passenger and cargo catamaran is determined by using the evaluation index and evaluation modelfornavigation environment of roll-on roll-off ships,which is proposed by the modern scientific and effective evaluation methods and related to seakeeping, maneuverability and stability and the rapidity of roll-on roll-off ships.

Key words: Navigation environment standard;evaluation index and evaluation model;high-speed wave piercing passenger and cargo catamaran

1引言

當(dāng)前對(duì)于客滾船航行環(huán)境研究與評(píng)價(jià)工作，主要基于外部環(huán)境對(duì)船舶航行產(chǎn)生影響的客觀因素的分析和論證，無論是“天然的水上交通環(huán)境”還是“人為的水上交通環(huán)境”，譬如航行環(huán)境的氣象、水文條件和交通量、交通流等因素[1, 2 , 3]，都是屬于外界條件對(duì)航行船舶的影響。過往對(duì)于航行船舶的考慮是基于常規(guī)營(yíng)運(yùn)船舶的性能參數(shù)作模糊化處理，側(cè)重于分析船舶的航海駕駛因素，沒有計(jì)入航行船舶自身的具體技術(shù)性能，如安全性、快速性、操縱性與耐波性（或適航性）等，因此，無法準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)具體的船舶在特定航行環(huán)境中的適應(yīng)性。對(duì)于某一具體船舶或系列船型的船舶，其航行環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究除了考慮外界的環(huán)境、設(shè)施因素以及船舶的航海駕駛因素外，還應(yīng)著重從船舶自身的技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行分析與論證，包括安全性、快速性、操縱性與耐波性（或適航性）等內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、定量的評(píng)價(jià)。特別是對(duì)于客船或客滾船，安全性與舒適性應(yīng)將是制定航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容。

2客滾船航行環(huán)境安全的影響因素

影響高速客滾船航行環(huán)境安全的環(huán)境條件主要涵蓋以下要素 [4 - 7]：

（1）自然環(huán)境：風(fēng)、流、波浪、能見度等自然性的環(huán)境條件；

（2）交通環(huán)境：航道寬度、航道深度、障礙物狀況和助航標(biāo)志以及船舶交通密集度之類的海上交通方面的環(huán)境條件[6]。

為了正確評(píng)價(jià)當(dāng)前客滾船航行環(huán)境的安全狀況和程度，需要深入了解主要環(huán)境條件對(duì)航行安全的影響。

3客滾船航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)模型

3.1航行環(huán)境客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

參考日本學(xué)者原潔的層次化的航行環(huán)境評(píng)價(jià)體系 [1]，并且考慮到能將評(píng)價(jià)因素量化，以主要因素建立客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將自然環(huán)境分為水文氣象要素和航道地形狀況。

3.2航行環(huán)境技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

基于航行船舶的安全性、快速性與適航性，采用現(xiàn)代評(píng)價(jià)方法提出符合實(shí)際情況的高速客滾船航行環(huán)境指標(biāo)如下：

（1）與安全性有關(guān)的穩(wěn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要是對(duì)靜穩(wěn)性力臂下的剩余面積進(jìn)行評(píng)估[8]；

（2）與適航性和舒適性有關(guān)的耐波性評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要通過各個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)幅值和運(yùn)動(dòng)加速度幅值、砰擊概率、甲板淹濕和推進(jìn)器出水概率、暈船率等指標(biāo)評(píng)估波浪中航行的適航性和舒適性；

（3）與避碰有關(guān)的操縱性評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要是在風(fēng)和流作用下保持航向穩(wěn)定的能力、回轉(zhuǎn)性、應(yīng)舵性能等操縱性評(píng)估指標(biāo)；

（4）與適航性有關(guān)的快速性評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要是評(píng)估波浪中的失速問題，包括被動(dòng)減速與主動(dòng)減速，以及為滿足避碰要求的減速操作。

4客滾船航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制定與評(píng)估方法

4.1 航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制定

基于既定的高速客滾船的設(shè)計(jì)性能，將其置于某航線具體的航行環(huán)境中，以各項(xiàng)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體特征值作為輸入，計(jì)算船舶的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的具體指標(biāo)值作為輸出，譬如，穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)、垂蕩加速度和橫搖加速度、暈船率、最近會(huì)遇距離等指標(biāo)值。根據(jù)現(xiàn)行的船舶航行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸出值進(jìn)行分析和評(píng)估，以適航與否為標(biāo)志對(duì)航線的各級(jí)海況條件進(jìn)行分級(jí)。

4.2航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估內(nèi)容與方法

4.2.1穩(wěn)性評(píng)估

穩(wěn)性是船舶安全性評(píng)估中最主要的關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)合穩(wěn)性試驗(yàn)，對(duì)在風(fēng)浪的聯(lián)合作用，以及不同裝載狀態(tài)下船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，作為船舶穩(wěn)性分析、車輛綁扎和確定抗風(fēng)等級(jí)的依據(jù)?？紤]風(fēng)浪對(duì)船舶的影響，根據(jù)船舶不同狀態(tài)的受風(fēng)面積、初始橫傾角等參數(shù)，制定與船舶完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性有關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.2.2 耐波性評(píng)估

耐波性是船舶在風(fēng)浪中航行的舒適性評(píng)估的關(guān)鍵因素和核心技術(shù)性能。推薦以船舶的耐波性衡準(zhǔn)為目標(biāo)，篩選和優(yōu)化高速客滾船大風(fēng)浪中安全航行最重要的耐波性指標(biāo)，主要包括運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值、運(yùn)動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)值、甲板上浪與推進(jìn)器出水的概率、砰擊及暈船的概率等。耐波性具體指標(biāo)如下所列，各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算可由譜分析方法完成：

（1）運(yùn)動(dòng)幅值與運(yùn)動(dòng)加速度幅值；

（2）砰擊概率；

（3）甲板淹濕（或上浪）與推進(jìn)器出水的概率；

（4）暈船率（MSI）。

其中，按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631 - 3 （1985, 1997），MSI 主要取決于運(yùn)動(dòng)船舶上相應(yīng)處所的垂向加速度。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn) BS 6841, 1987 將垂向加速度響應(yīng)譜用于運(yùn)動(dòng)病發(fā)病問題，根據(jù)垂向加速度響應(yīng)譜可獲得某個(gè)頻率帶的垂向加速度幅值。本文采用Michael.E.McCAULEY的數(shù)學(xué)模型（1976）計(jì)算暈船率[9]。

4.2.3操縱性評(píng)估

高速客滾船的操縱性能主要涉及船舶的控向、控速性能和高速與低速的轉(zhuǎn)向性能。根據(jù)高速客滾船的操縱性分析，考慮與避碰有關(guān)的航行條件中各因素互相的影響，在不同風(fēng)和流混合作用狀態(tài)下進(jìn)行操縱性分析計(jì)算，展現(xiàn)本船“被動(dòng)的”、“客觀的”的操船響應(yīng)，從而評(píng)估本船的操縱性。

4.2.4快速性評(píng)估

船舶在波浪中的失速問題主要取決于船型的耐波性，包括被動(dòng)減速問題（波浪增阻）和主動(dòng)減速問題（通過減速降低砰擊、甲板淹濕和推進(jìn)器出水等問題的概率）。

5客滾船船型航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的研究

某滾裝運(yùn)輸航線具有巨大市場(chǎng)潛力。為了保障航線擬建的穿浪雙體高速客貨運(yùn)輸船的航行安全，本文基于航行船舶的安全性、快速性與適航性，通過對(duì)該目標(biāo)船型在航線各級(jí)海況條件下的性能評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行具體、定量分析，以適航與否為標(biāo)志對(duì)航線的各級(jí)海況條件進(jìn)行分級(jí)，提出該目標(biāo)船型最佳航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，為該船的營(yíng)運(yùn)提供客觀、準(zhǔn)確、定量的適航性判別參考。

5.1目標(biāo)船型

目標(biāo)船型為穿浪雙體船型，主船體和上層建筑為耐腐蝕鋁合金全焊接結(jié)構(gòu)，采用高速柴油機(jī)－噴水泵方式推進(jìn)，4 機(jī)、4 泵。目標(biāo)船型的基本尺度和主要操縱性能如表1所示。

表 1目標(biāo)船型的基本尺度和主要操縱性能

5.2航行環(huán)境客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)實(shí)際調(diào)研結(jié)果，航線穿浪雙體高速客貨運(yùn)輸船航行環(huán)境客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2航行環(huán)境客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

5.3穿浪雙體高速客貨運(yùn)輸船的航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)

根據(jù)穿浪雙體高速客貨運(yùn)輸船航行環(huán)境客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，按穩(wěn)性、耐波性、操縱性和快速性單項(xiàng)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)，提出航線最佳穿浪雙體高速客貨運(yùn)輸船的航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，具體如表3 所列。

由表3可知，擬建的穿浪雙體高速客貨運(yùn)輸船在6 級(jí)及6 級(jí)以下海況均有足夠的航行安全性，6 級(jí)以上海況不宜航行。5 級(jí)海況條件下的適航性可以接受，4 級(jí)海況條件下的適航性較好。以上結(jié)論符合航線實(shí)地調(diào)研結(jié)果。因此，建議以 6 級(jí)海況條件作為擬建穿浪雙體高速客貨運(yùn)輸船航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的臨界航行條件。

6結(jié)束語

本文通過穿浪雙體高速客貨運(yùn)輸船航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)制定與評(píng)估案例，研究了高速客滾船航行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制定及其評(píng)估方法。結(jié)果表明，該評(píng)估模型是科學(xué)合理的，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可為負(fù)責(zé)運(yùn)輸安全的海事部門、港口和航道管理人員、航運(yùn)公司和船舶駕駛?cè)藛T等提供了科學(xué)的決策和參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：王紅梅（1971-），女，工程師。主要從事船舶設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)工作。

陳曉明（1980-），男，工程師。主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力研究。

收稿日期：2014-01-10