張曉宇胡開(kāi)業(yè)周雯雯（.中國(guó)石油渤海裝備研究院 海工裝備分院 盤(pán)錦400； .哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱5000）

我院主持召開(kāi)首屆國(guó)際噴水推進(jìn)技術(shù)研討會(huì)

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帶月池深海鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)性能分析

張曉宇1胡開(kāi)業(yè)2周雯雯2
（1.中國(guó)石油渤海裝備研究院 海工裝備分院 盤(pán)錦124010； 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

［摘 要］海上鉆井作業(yè)過(guò)程要求鉆井船具備良好的穩(wěn)定性能，而月池內(nèi)流體柱的不規(guī)則振蕩以及鉆井船細(xì)長(zhǎng)的船體外形都將對(duì)船體運(yùn)動(dòng)性能造成不利影響，從而限制其在惡劣海域的作業(yè)適應(yīng)性。文章基于三維勢(shì)流理論對(duì)帶月池鉆井船的搖蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，并通過(guò)船模試驗(yàn)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行有效性驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，提出鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)值，對(duì)鉆井船海上作業(yè)適應(yīng)性進(jìn)行研究，分析月池尺度和形狀對(duì)鉆井船運(yùn)動(dòng)性能的影響。

［關(guān)鍵詞］深水鉆井船；運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)；月池

胡開(kāi)業(yè)（1980-）,男，博士，講師，研究方向：水動(dòng)力性能分析。

周雯雯（1989-），女，碩士，研究方向：船舶工程。

引 言

與其他鉆井平臺(tái)相比，鉆井船的機(jī)動(dòng)性好、自持力強(qiáng)、具有自航遷移能力，更能適應(yīng)深水及超深水作業(yè)。截止2013年10月，全球現(xiàn)役鉆井船總量為91艘，另外還有88艘正在建造中。在91艘鉆井船中，83艘鉆井船具備在4 000 ft（約合1 219 m）以上深水作業(yè)的能力，比例為91.2%，68艘鉆井船適應(yīng)于10 000 ft（約3 048 m）以上的超深水海域作業(yè)，比例達(dá)74.7%［1］。與國(guó)外蓬勃的發(fā)展現(xiàn)狀相比，國(guó)內(nèi)鉆井船技術(shù)僅處于起步階段。由于鉆井船高附加值的特點(diǎn)，其相關(guān)技術(shù)壟斷嚴(yán)重，研究成果為商業(yè)秘密，增加了國(guó)內(nèi)鉆井船技術(shù)的發(fā)展難度［2］。本文從運(yùn)動(dòng)性能的角度對(duì)鉆井船技術(shù)進(jìn)行研究，為國(guó)內(nèi)自主船型的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

海上鉆井作業(yè)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能要求苛刻，過(guò)大的運(yùn)動(dòng)幅度不僅影響鉆井精度與作業(yè)效率，而且將縮短鉆桿、隔水管等鉆井設(shè)備的使用壽命，甚至導(dǎo)致皸裂、脫扣等安全事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。然而，鉆井船具有細(xì)長(zhǎng)的船體外型，受波浪的常態(tài)影響，對(duì)運(yùn)動(dòng)性能造成不良影響。另外，鉆井船中部布置有貫穿船底的月池結(jié)構(gòu)，月池內(nèi)流體振蕩規(guī)律復(fù)雜、產(chǎn)生漩渦等非線性現(xiàn)象，影響流體域的壓力分布及鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)幅度，限制了鉆井船在惡劣海域的作業(yè)適應(yīng)性［3］。因此，鉆井船在波浪中的搖蕩運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)與分析研究，對(duì)鉆井船的船型論證具有實(shí)際意義。

本文應(yīng)用基于三維零航速勢(shì)流理論的AQWA海洋工程水動(dòng)力分析工具，進(jìn)行鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，并完成鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，提出鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)，結(jié)合短期預(yù)報(bào)理論，對(duì)相應(yīng)海況下的作業(yè)適應(yīng)性進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算對(duì)比無(wú)月池及不同尺度月池下的鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，分析月池對(duì)鉆井船運(yùn)動(dòng)性能的影響。

1 鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)分析理論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維勢(shì)流理論日臻完善，在海洋工程結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［4］。

1.1 三維勢(shì)流理論基礎(chǔ)

對(duì)于無(wú)航速浮體，流場(chǎng)擾動(dòng)速度勢(shì)為：（1）式中：、分別為入射勢(shì)、繞射勢(shì)和輻射勢(shì)。

根據(jù)線性波浪理論，波浪入射勢(shì)可表示為：

、（2）式中：A為波幅，m；k為波數(shù)，rad/m；h為水深，m；g為重力加速度，m/s2；β為浪向與x軸正方向的夾角，°，規(guī)定β=180°為迎浪。

入射勢(shì)、繞射勢(shì)根據(jù)Green函數(shù)法求取：（3）式中：S為物體邊界，為分布于濕表面上的源強(qiáng)，為物面S上的動(dòng)點(diǎn)，為場(chǎng)點(diǎn)。

根據(jù)速度勢(shì)與Lagrange積分式（2）-式（4），即可獲得流場(chǎng)壓力分布。（4）

流體壓力沿結(jié)構(gòu)物表面積分，得到結(jié)構(gòu)物所受到的總體流體作用力，包括波浪激勵(lì)力、輻射力以及流體靜回復(fù)力，其中輻射力通常用附加質(zhì)量系數(shù)和輻射阻尼系數(shù)表征。因此，船體在頻域下的一階搖蕩方程表達(dá)式為：（5）式中：J和k為運(yùn)動(dòng)模態(tài) （j=1～6，k=1～6）；xj為船體運(yùn)動(dòng)位移；mkj為船體質(zhì)量；μkj為船體附加質(zhì)量；λkj為船體阻尼系數(shù)；ckj為船體回復(fù)系數(shù)；Fwk為船體的波浪干擾力。

1.2 鉆井船頻域運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型

將鉆井船與月池內(nèi)的流體視為一個(gè)體系中2個(gè)獨(dú)立又相互影響的組成部分［5］。相對(duì)于鉆井船而言，船體運(yùn)動(dòng)受到月池內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的影響，如以月池內(nèi)流體垂向運(yùn)動(dòng)為影響因素，建立鉆井船運(yùn)動(dòng)方程為：（6）式中：x8為月池內(nèi)流體垂向運(yùn)動(dòng)位移；ak8、bk8分別為月池垂向運(yùn)動(dòng)引起的附加質(zhì)量影響系數(shù)、阻尼影響系數(shù)。

鉆井船以及月池內(nèi)流體體系的運(yùn)動(dòng)示意如下頁(yè)圖1所示。

月池內(nèi)流體的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)可分解為：

圖1　體系運(yùn)動(dòng)示意圖

式中：x3為月池內(nèi)流體與船體一致的運(yùn)動(dòng)；x′為月池內(nèi)流體與船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

鉆井船運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)過(guò)程中，由于月池運(yùn)動(dòng)x8未知且量級(jí)較小，因此視x8≈x3，式（6）可表示為：

同理，計(jì)入月池六自由度運(yùn)動(dòng)影響的鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：akj、bkj分別為月池k自由度上的運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆井船j自由度上的附加質(zhì)量影響系數(shù)、附加阻尼影響系數(shù)。

據(jù)A·B·Aalbers研究成果顯示，ω＜0.3 rad/s范圍內(nèi)，附加質(zhì)量影響系數(shù)、阻尼影響系數(shù)均可視為常數(shù)。因此，為簡(jiǎn)化預(yù)報(bào)過(guò)程且提高預(yù)報(bào)精度，AQWA數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，將結(jié)合附加質(zhì)量影響系數(shù)、阻尼影響系數(shù)、鉆井船粘性阻尼系數(shù)進(jìn)行水動(dòng)力系數(shù)修正［6-8］。

1.3 搖蕩運(yùn)動(dòng)短期預(yù)報(bào)理論

為了獲得鉆井船在隨機(jī)波中的搖蕩運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值，根據(jù)譜分析理論對(duì)鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)幅度進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。主要過(guò)程為：

（1）搖蕩運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)函數(shù)（RAO）。

式中：ω0為譜峰頻率；γ為譜峰升高因子；σ為譜峰形狀參數(shù)；α為無(wú)因次常數(shù)。

（4）搖蕩運(yùn)動(dòng)位移單幅有義值：

1.4 鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)

鉆井船具有細(xì)長(zhǎng)的船體外形且水線面積較大，在波浪中運(yùn)動(dòng)幅值較大，將可能影響海上正常鉆井作業(yè)。因此，在船型設(shè)計(jì)階段，需要結(jié)合搖蕩運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)及運(yùn)動(dòng)幅值預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)不同海況下的鉆井船作業(yè)適應(yīng)性進(jìn)行分析。然而，目前尚無(wú)權(quán)威機(jī)構(gòu)規(guī)定明確的鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)選取標(biāo)準(zhǔn)，這是鉆井船作業(yè)適應(yīng)性分析的技術(shù)瓶頸。

然而，鉆井船是具有船體外形的海上鉆井平臺(tái)，本文在結(jié)合常規(guī)船舶耐波性要求及海洋平臺(tái)作業(yè)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出鉆井船作業(yè)過(guò)程中（安裝防噴器）的搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)如表1所示［9］。

表1　鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)值

1.5 月池特性分析方法

由于月池結(jié)構(gòu)貫穿船底，池內(nèi)流體柱與外部海水相連，在波浪作用下，流體柱將產(chǎn)生“活塞”和“晃蕩”兩種不規(guī)則的振蕩，影響流場(chǎng)壓力分布。目前，關(guān)于月池的研究均停留在以模型試驗(yàn)和理論研究為主的自身特性研究。Faltinsen、Fukuda、Molin等人給出的月池流體振蕩固有頻率經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型，Aalbers、Knott 和 Flower等人通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)月池的共振頻率下的附加阻尼或附加質(zhì)量進(jìn)行研究。English、Park J J等人以減小航行阻力提高遷移速度為目標(biāo)，對(duì)月池尺度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［10］。

Molin通過(guò)推導(dǎo)月池內(nèi)流體做活塞運(yùn)動(dòng)和晃蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度勢(shì)得到其固有頻率計(jì)算公式如式（13）和式（14）所示。

式中：d為月池吃水，m；l為月池長(zhǎng)度，m；b 為月池寬度，m；g為重力加速度，m/s2。式中：h為船體吃水，m；S為月池剖面面積，m2；λ=π/l，r=b/l，tanθ0=r-1。

由Molin經(jīng)驗(yàn)公式估算目標(biāo)船型月池固有頻率：活塞運(yùn)動(dòng)固有頻率=3.948）；晃蕩運(yùn)動(dòng)固有頻率ωsloshing=1.147 rad/s

為分析月池的存在及其尺度對(duì)鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)的影響，對(duì)不同尺度下的鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，月池尺度如表2所示［11］。

表2　月池尺度m

2 實(shí)例計(jì)算與分析

本文以1艘科研鉆井船型為例，對(duì)該鉆井船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)并開(kāi)展船模搖蕩運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，分析指定海況下的搖蕩運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性以及月池尺度對(duì)鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)的影響。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

實(shí)例鉆井船主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　鉆井船主要參數(shù)

數(shù)值計(jì)算幾何模型如圖2所示。

圖2　鉆井船幾何模型

2.2 搖蕩運(yùn)動(dòng)數(shù)值預(yù)報(bào)與船模試驗(yàn)

基于三維零航速勢(shì)流理論，應(yīng)用水動(dòng)力分析工具AQWA，獲得鉆井船在規(guī)則波中的搖蕩運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)。

下頁(yè)圖3表示不同浪向下的垂蕩幅頻響應(yīng)，縱坐標(biāo)為單位波幅的垂蕩位移。

下頁(yè)圖4和圖5分別表示不同浪向下的橫搖、縱搖幅頻響應(yīng)，縱坐標(biāo)表示單位波傾角的傾斜弧度。

圖3　垂蕩運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)

圖4　橫搖運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)

圖5　縱搖運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性，開(kāi)展該鉆井船作業(yè)裝載工況（作業(yè)吃水見(jiàn)表3）與典型浪向下的搖蕩運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)，浪向角β=180°時(shí)為正迎浪。圖6為船模試驗(yàn)過(guò)程截圖。

鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果如圖7 -圖9所示。數(shù)值計(jì)算值與模型試驗(yàn)值吻合度較好，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性及數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。

圖6　船模試驗(yàn)截圖

圖7　垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（β=90°）

圖8　橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（β=165°）

圖9　縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（β=180°）

2.3 鉆井船作業(yè)適應(yīng)性分析

根據(jù)譜分析理論，對(duì)不規(guī)則波中的搖蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，并結(jié)合表1中的搖蕩運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)值，分析該鉆井船在相應(yīng)海況下的作業(yè)適應(yīng)性。

圖10 -圖12分別表示不同海況下的垂蕩、橫搖、縱搖位移以及對(duì)應(yīng)的衡準(zhǔn)限界線玫瑰圖。

圖10　垂蕩運(yùn)動(dòng)位移玫瑰圖

圖11　橫搖運(yùn)動(dòng)位移玫瑰圖

圖12　縱搖運(yùn)動(dòng)位移玫瑰圖

圖13 -圖15分別表示不同海況下的垂蕩、橫搖、縱搖速度以及對(duì)應(yīng)的衡準(zhǔn)限界線玫瑰圖。

圖13　垂蕩運(yùn)動(dòng)速度玫瑰圖

圖14　橫搖運(yùn)動(dòng)速度玫瑰圖

圖15　縱搖運(yùn)動(dòng)速度玫瑰圖

由圖可知：若該鉆井船采用錨泊定位系統(tǒng)，迎浪方向隨機(jī)分布，則只有在有義波高h(yuǎn)1/3=1.25 m的低海況下才能滿(mǎn)足衡準(zhǔn)值要求，具備良好的作業(yè)適應(yīng)性。若鉆井船采用動(dòng)力定位系統(tǒng)，船首可控制在迎浪β=180°至首斜浪β=150°的范圍內(nèi)，則在有義波高上h1/3=5.0 m的高海況下，也能基本滿(mǎn)足衡準(zhǔn)要求，保持較好的作業(yè)適應(yīng)性。由于該鉆井船橫搖固有周期T=21 s，波浪周期范圍大多在15 s以下，因此，橫搖頻率響應(yīng)與波浪能量譜存在峰值偏移，鉆井船橫搖運(yùn)動(dòng)緩慢且搖蕩幅度小，不影響正常鉆井作業(yè)。

2.4 月池對(duì)鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)影響分析

建立不同尺度月池的鉆井船幾何模型，基于三維勢(shì)流理論得到不同尺度月池下的鉆井船垂蕩、橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（β=135°）如圖16 -圖18所示。

圖16　垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖17　橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖18　縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

由圖16可知，在月池的“活塞”運(yùn)動(dòng)固有頻率附近，鉆井船垂向運(yùn)動(dòng)與月池內(nèi)流體的活塞運(yùn)動(dòng)發(fā)生共振，鉆井船垂蕩運(yùn)動(dòng)曲線出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，且矩形月池和圓形月池的振蕩現(xiàn)象最為劇烈。

由圖17可知，月池的存在減小了鉆井船的橫搖固有周期，導(dǎo)致橫搖更加劇烈，且明顯增大橫搖峰值，矩形月池的增大幅度最為顯著。

由圖18可知，月池的存在對(duì)縱搖響應(yīng)無(wú)影響。

基于以上分析可知，月池結(jié)構(gòu)對(duì)鉆井船垂蕩和橫搖兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)造成影響，垂蕩方向上易于發(fā)生共振現(xiàn)象，橫搖方向上表現(xiàn)為增大橫搖幅度?；谧V分析原理，對(duì)不同尺度下鉆井船橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行短期預(yù)報(bào)如圖19所示。

圖19　橫搖運(yùn)動(dòng)短期預(yù)報(bào)值（h1/3=9.0 m）

3 結(jié) 論

通過(guò)以上計(jì)算與分析，得出如下結(jié)論：

（1）基于AQWA的鉆井船搖蕩運(yùn)動(dòng)數(shù)值預(yù)報(bào)方法較為可靠，鑒于月池存在引起型值和水動(dòng)力系數(shù)的修正，獲得的鉆井船在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與模型試驗(yàn)結(jié)果相吻合，從而驗(yàn)證了預(yù)報(bào)方法的可靠性。

（2）保持船首處于迎浪方向有利于鉆井船在惡劣海況下也能保持良好作業(yè)適應(yīng)性，且鉆井船橫搖方向運(yùn)動(dòng)緩慢、幅度又小，對(duì)正常作業(yè)并無(wú)不良影響。

（3）月池對(duì)鉆井船垂蕩和橫搖兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)造成不良影響。由于月池內(nèi)流體柱的“活塞”振蕩，鉆井船垂蕩方向上易于發(fā)生共振現(xiàn)象，橫搖方向上表現(xiàn)為橫搖幅度增大，并且矩形月池的增大效果最為明顯，其次為方形月池和圓形月池。

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我院主持召開(kāi)首屆國(guó)際噴水推進(jìn)技術(shù)研討會(huì)

日前，中國(guó)船舶海洋及工程研究設(shè)計(jì)院（MARIC,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我院”）聯(lián)合噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（JETLAB）、英國(guó)皇家造船師學(xué)會(huì)（RINA）和上海市船舶與海洋工程學(xué)會(huì)（SSNAOE）舉辦了首屆國(guó)際噴水推進(jìn)技術(shù)研討會(huì)（IWWP2015），來(lái)自芬蘭、伊朗、俄羅斯、瑞典、英國(guó)和中國(guó)的20家單位的48位代表參加了會(huì)議。

會(huì)上，我院副院長(zhǎng)兼JETLAB主任陳剛致歡迎辭；RINA首席執(zhí)行官T. Blakeley先生和SSNAOE副理事長(zhǎng)繆國(guó)平教授分別主持了專(zhuān)題研討會(huì)；瑞典Chalmers科技大學(xué)A. Eslamdoost博士作主題報(bào)告，詳細(xì)介紹了噴水推進(jìn)裝置與船體相互干擾水動(dòng)力的最新研究進(jìn)展。其他10位國(guó)內(nèi)外代表分別介紹了噴水推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)、分析、控制和應(yīng)用等方面的最新成果。與會(huì)代表討論熱烈，取得了令人滿(mǎn)意的效果。我院基礎(chǔ)研究部和船舶特種推進(jìn)事業(yè)部通過(guò)近半年的精心組織，順利完成了征文、評(píng)審、出版、邀請(qǐng)專(zhuān)家、接待代表和安排會(huì)議等工作，獲得了與會(huì)代表的好評(píng)。會(huì)議聯(lián)合主辦單位決定每?jī)赡昱e辦一次該項(xiàng)會(huì)議，使之逐步成為具有國(guó)際影響力的系列學(xué)術(shù)會(huì)議。

Motion performance of drillship with moonpool

ZHANG Xiao-yu1HU Kai-ye2ZHOU Wen-wen2
(1. Ocean Engineering Equipment Research Institute of CNPC Bohai Equipment Research Institute, Panjin 124010, China;
2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract:Great stability is demanded for a dillship during the offshore drilling operation. However, the irregular oscillation of the fluid cylinder of the moonpool and the elongated hull shape have adverse effect on the motion performance of the drillship, which may limit the drillship operation adaptability in rough sea states. The oscillation of a drillship with a moonpool is predicted by the three-dimension potential theory, and the results are validated by the ship model tests in order to put forward the criterion value of the drillship oscillation. On this basis, it analyzes the drillship operation adaptability in deep sea and the influence of the scale and shape of the moonpool on the motion performance of the drillship.

Keywords:drillship; motion prediction; moonpool

［作者簡(jiǎn)介］張曉宇（1972-）,男，碩士,高級(jí)工程師，研究方向：海工裝備。

［收稿日期］2015-01-30；［修回日期］2015-11-18

［基金項(xiàng)目］中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司攻關(guān)課題（2011B-1064）

［中圖分類(lèi)號(hào)］U661.1

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）01-0029-08