張 濤,王仕滿，張明杰

(中交天津航道局有限公司，天津 300450)

耙吸船匯出航道的安全距離分析

張 濤,王仕滿，張明杰

(中交天津航道局有限公司，天津 300450)

為進(jìn)一步保障耙吸船安全匯出航道，減少因人為因素造成事故的概率，對耙吸船匯出航道船舶流的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并以耙吸船“通程輪”為例進(jìn)行計(jì)算，確定安全匯出航道所需最小距離值，通過航海模擬器驗(yàn)證了最小距離值的安全有效性。

匯出；安全距離；船舶領(lǐng)域；耙吸船；會遇

耙吸船以其自身船舶特性，對于航道類工程，具有邊營運(yùn)邊施工的特點(diǎn)，在保障船舶安全的基礎(chǔ)上，既滿足了港口經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)實(shí)要求，又滿足了港口長期規(guī)劃發(fā)展的需求，因此在維護(hù)性、拓寬性航道類工程中，耙吸船扮演著越來越重要的角色。

對于船舶匯出航道所需安全距離的問題，很少有學(xué)者進(jìn)行研究分析[1]。大部分學(xué)者給出抽象的安全匯出建議，如建議船舶匯出時(shí)應(yīng)確認(rèn)距離是否足夠，這個(gè)“足夠”的概念較為模糊，不易掌握。另外，近幾年，有學(xué)者基于船舶安全會遇距離的理想狀態(tài)的所需安全距離進(jìn)行定量分析，為船舶大角度匯出，且駛?cè)胫Ш降?。文中針對非大角度的船舶安全匯出至陸域或碼頭前沿進(jìn)行研究，主要對耙吸船重載航行至吹填區(qū)時(shí)面臨的匯出進(jìn)行安全分析，總結(jié)出安全匯出領(lǐng)域、時(shí)間的計(jì)算公式。以天津港30萬t級航道工程的施工船“通程輪”為算例，為耙吸船安全匯出距離測算提供參考。

1 耙吸船施工概述

耙吸船施工可視為一系列的挖泥循環(huán)，一個(gè)循環(huán)由以下幾個(gè)過程組成：下耙，裝艙，起耙，運(yùn)泥到卸泥區(qū)，卸泥(卸泥區(qū)一般布置在航道外)，挖泥船輕載回航到挖泥區(qū)[2]。文中重點(diǎn)分析占用航道的挖泥船重載到卸泥區(qū)下線(匯出)時(shí)安全會遇船舶流的問題。

目前，船舶匯出時(shí)，一般根據(jù)航道內(nèi)船舶動態(tài)決定，當(dāng)船舶流影響小時(shí)，工程船接近吹填區(qū)下線；當(dāng)船舶流較多時(shí)，船舶根據(jù)附近自然、交通環(huán)境，選擇合適的時(shí)機(jī)下線，條件不允許時(shí)減速、停車在航道另一側(cè)等待。對下線需要穿越他船船頭時(shí)，一般根據(jù)航海經(jīng)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際情況判斷前后船距離是否允許船舶下線。不同駕駛員航行經(jīng)驗(yàn)、情境意識等個(gè)人因素不同，就會導(dǎo)致有不同的經(jīng)驗(yàn)值，人為因素影響很大。

耙吸船航行時(shí)操縱性能與一般機(jī)動船沒有區(qū)別，此類船也裝有一般船舶配備的助航設(shè)備，如雷達(dá)、電子海圖，但這些設(shè)備不能滿足船舶動態(tài)會遇安全判定要求，因此有必要考慮對船舶動態(tài)會遇過程進(jìn)行建模分析。

2 船舶流基本概念

1)匯出。即下線，進(jìn)港隊(duì)列中的船舶離開港口公共航道進(jìn)入碼頭泊位或者碼頭專用航道的行為稱為匯出。其中，當(dāng)船舶不需要跨越航道匯出時(shí)，稱為同側(cè)匯出，見圖1；當(dāng)船舶需要跨越航道匯出時(shí)，稱為異側(cè)匯出見圖2[3]。

圖1 同側(cè)匯出示意

圖2 異側(cè)匯出示意

本文主要分析異側(cè)匯出。

另外，根據(jù)船舶領(lǐng)域理論，如果航行中的船舶能各自維持其船舶領(lǐng)域，船舶的航行是相對安全的。船舶領(lǐng)域是一個(gè)動態(tài)的區(qū)域，它不僅與船速、通航密度和通航自然環(huán)境相關(guān)，實(shí)際上還應(yīng)該與船舶的運(yùn)動態(tài)勢相關(guān)。船舶在進(jìn)出港口公共航道的過程中，當(dāng)船舶處于不同的運(yùn)動態(tài)勢時(shí)，船舶應(yīng)具有不同的船舶領(lǐng)域。

2)船舶航行領(lǐng)域。對于在港口公共航道中航行的船舶，船舶在航行中為保障安全所需占據(jù)的通航水域范圍稱為船舶航行領(lǐng)域,見圖1。

3)橫越領(lǐng)域。在異側(cè)匯出情況下，船舶橫越港口公共航道中的進(jìn)港隊(duì)列或者出港隊(duì)列通航水域時(shí)，船舶隊(duì)列中距離匯出點(diǎn)距離最近的相鄰兩艘船舶需要保證異側(cè)匯出船舶安全橫越的通航水域范圍稱為橫越領(lǐng)域,見圖2。

3 建立模型

對于耙吸船同側(cè)匯出，除特殊情況外，其對航道內(nèi)其他船舶流影響很小，本文不展開論述。

對于耙吸船異側(cè)匯出，從安全上考慮，船舶應(yīng)盡量避免橫越他船船頭，選擇合適的時(shí)機(jī)下線。下面就將異側(cè)匯出局面分三種情況進(jìn)行計(jì)算分析，為船舶選擇時(shí)機(jī)提供理論參考，保障船舶安全匯出。

模型建立思路：根據(jù)匯出過程中至少保持船舶安全領(lǐng)域的距離，結(jié)合船舶運(yùn)動特性，確定匯出過程所需時(shí)間，進(jìn)而用時(shí)間反推安全匯出所需的匯出時(shí)本船與后船(目標(biāo)船)距離。結(jié)合航道設(shè)計(jì)規(guī)范[4]及船舶領(lǐng)域藤井模型[5]，船舶領(lǐng)域艏艉方向取6倍船長，橫向取3倍船寬。

3.1 直航模式

異側(cè)匯出過程中，目標(biāo)船出港航道航行，保持直航船態(tài)勢，保向保速，本船左轉(zhuǎn)下線，橫越目標(biāo)船船頭，見圖3。

圖3 直航模式匯出示意

匯出過程時(shí)間分析。本船速度為vo，目標(biāo)船速度為vt，則

so/vo=st/vt

D1=1.5Bo+1.5Bs

D2=1.5Bo+1.5Bt

st=sovt/vo

so=(D1+D2)/sinθ+mLo

S=st+socosθ

式中：o——本船；

t——目標(biāo)船；

S——船舶匯出航道所需安全距離；

s——安全匯出過程中本船或目標(biāo)船的航行距離；

L——船舶長度；

D——兩船軸線間距離；

D1——初始時(shí)本船與鄰船軸線間距離；

D2——本船與目標(biāo)船軸線間距離；

B——船舶寬度；

Bo——本船船寬；

Bs——初始時(shí)鄰船船寬；

Bt——目標(biāo)船船寬；

θ——艏向穩(wěn)定后航跡與航道夾角；

m——安全系數(shù)；

Lu——為本船船長；

mLo——本船轉(zhuǎn)向操作時(shí)間內(nèi)等效的船舶沿交角θ的航行距離。

取值。安全系數(shù)m取3(根據(jù)船舶操縱性能取值)；目標(biāo)船船長L為180 m，船寬B為30 m，船速為10 kn；鄰船船寬Bs為30 m；本船船長L為162 m，船寬Bo為28.5 m，船速6 kN；航道內(nèi)船舶領(lǐng)域船長方向取6L，船寬方向取3B。

θ取值15°,30°時(shí)，代入數(shù)值計(jì)算所需安全距離分別為：3.0、2.1 km。

3.2 對遇模式

目標(biāo)船位于航道右側(cè)(沿進(jìn)港方向)，與本船成“對遇”局面，目標(biāo)船保向保速，本船左轉(zhuǎn)下線，見圖4。

圖4 對遇模式匯出示意

本船速度vo，目標(biāo)船速度vt，則

st=sovt/vo

so=D/sinθ+mLo

D=1.5Bo+1.5Bt

S=st+socosθ=sovt/vo+socosθ

θ取值15°、30°所需安全距離分別為：2.2、1.7 km。

3.3 互動模式

此模式為一般模式，本船異側(cè)匯出行為影響進(jìn)出港船舶流時(shí)，應(yīng)提前聯(lián)系目標(biāo)船，目標(biāo)船采取轉(zhuǎn)向、減速等行為，配合本船左轉(zhuǎn)下線，以利安全，見圖5。

圖5 互動模式匯出示意

so=Do/sinθo+moLo

st=Dt/sinθt+mtLt

S=[Dt/sinθt+mtLt]cosθt+ [Do/sinθo+moLo]cosθo

且Do+Dt=3Bo+1.5Bs+1.5Bt

參數(shù)含義及取值參照3.1內(nèi)容。

θ均取15°時(shí)，安全距離為1.7 km；均取30°時(shí)，安全距離為1.2 km。

3.4 相關(guān)說明

匯出過程中，船舶與航道軸線成一定夾角，耙吸船中低速航行。不同尺度類型船舶的操縱性能也不同，m的系數(shù)應(yīng)注意取值，港區(qū)內(nèi)拋泥，小角度匯出20°～40°，以便更準(zhǔn)確地把定管線接點(diǎn)，港區(qū)外拋泥一般可以大角度匯出50°～80°。

雖然文中以耙吸船為主要分析對象，但并沒有受耙吸船特有裝備影響，故模型對一般船舶匯出過程均適用。

4 模擬器驗(yàn)證

模擬采取的是直航模式，模擬器船型尺度與直航模式中取值相近，船型為單車船，兩船距離3 km左右時(shí)，本船操左舵，待航向左轉(zhuǎn)近15°時(shí)，把定航向。最終兩船安全駛過時(shí)船間距約為60 m，見圖6。通過此次模擬船舶匯出，可以驗(yàn)證模型的正確性。

圖6 船舶匯出模擬

5 計(jì)算結(jié)果分析及建議

由建立的三種模型可以看出，本船與目標(biāo)船同時(shí)采取轉(zhuǎn)向措施可以更好地保障船舶會遇安全，并且本船轉(zhuǎn)向匯出時(shí)，在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向角度越大，船舶所需匯出橫越領(lǐng)域越小。耙吸船匯出時(shí)一般提前與對方船舶聯(lián)系，航道內(nèi)船舶間保持聯(lián)系，協(xié)調(diào)行動；船舶匯出時(shí)還應(yīng)注意航道邊界的浮標(biāo)等有礙耙吸船安全匯出的助航/礙航物，以利安全。

雷達(dá)等助航設(shè)備對于相對靜態(tài)的局面分析船舶匯入安全較為合適，對于動態(tài)中狀態(tài)不適合，相比而言本文中的公式分析(整體過程模擬分析)適合于過程中不斷調(diào)整航向的局面，雷達(dá)可以用來核查穩(wěn)定后航向能否安全會遇。

考慮不利情況下，比如目標(biāo)船不積極配合，本船獨(dú)自采取行動匯出航道，以此確定最低限值。即直航模式計(jì)算值為3 km，對比最低限值，“通程輪”距前船距離大于3 km時(shí)，船舶可以安全匯出。匯出過程也需要借助雷達(dá)及電子海圖核實(shí)船舶匯出安全性，并設(shè)置報(bào)警值，如果發(fā)生警報(bào)，船舶應(yīng)加大匯出角度，并加車以保證足夠舵效、船舶速度，使船舶盡快匯出航道，必要時(shí)及時(shí)聯(lián)系目標(biāo)船協(xié)調(diào)避讓，以策安全。

其他船舶也可根據(jù)本船特性確定參數(shù)，通過輸入?yún)R出船舶參數(shù)，得出安全距離參考值，為船舶安全匯出把關(guān)。

[1] 康與濤，朱大奇，陳偉炯.船舶避碰路徑規(guī)劃研究綜述[J].船海工程，2013，42(5)：141-145.

[2] 交通部上海航道局.疏浚工程手冊[M].上海：交通部上海航道局，1994.

[3] 劉敬賢.大型海港進(jìn)港主航道通過能力及交通組織模式研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2009.

[4] 交通運(yùn)輸部.海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2013.

[5] 田 鑫.特定水域內(nèi)船舶領(lǐng)域的研究[D].大連：大連海事大學(xué),2009.

Analysis of Safety Distance about Trailing Suction Dredger Sailing off Fairway

ZHANG Tao, ZHU Xi-he, ZHANG Ming-jie

(CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd., Tianjin 300450, China)

In order to ensure the security of trailing suction dredger sailing off fairway and reduce the accident influence caused by the officer's human factors. The process of the trailing suction dredger sailing off the vessel traffic flow in fairway is simulated numerically. The Tongcheng vessel is taken as an example to calculate and determine the required minimum safety distance when sailing off the fairway. The minimum safety distance is also verified to be effective by the marine simulator.

sailing off; safety distance; ship area; trailing suction dredger; encounter

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.034

2014-07-09

張 濤(1984-)，男，碩士，工程師

U698

A

1671-7953(2015)01-0134-04

修回日期：2014-08-12

研究方向:交通環(huán)境與安全保障及駕駛類船員培訓(xùn)

E-mail:275599142@qq.com