(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430050)

1 問題的提出

正如在陸地上行駛的汽車需要與前車保持安全距離一樣，船舶在海上航行時，同樣需要與周邊的船舶或其他物標保持一定的距離?？梢岳斫鉃?，當周邊的船舶或其他物標進入本船的該距離范圍之內(nèi)，將存在碰撞的風(fēng)險，我們把船舶的該距離范圍稱為船舶領(lǐng)域。船舶領(lǐng)域不僅影響船舶安全性，還影響著航道通航以及海事監(jiān)管等方面。國內(nèi)外關(guān)于船舶領(lǐng)域研究較多，其中最有影響力的是日本學(xué)者藤井。早在1963年，他就提出船舶領(lǐng)域的概念，并對船舶領(lǐng)域的邊界進行量化，最終把船舶領(lǐng)域確定為一個以本船位置為中心的橢圓。橢圓長軸為船長的8倍，短軸為船長的3.2倍。后人在藤井模型的基礎(chǔ)上進行了進一步的分析研究，并對船舶領(lǐng)域的邊界從不同角度進行量化。本文根據(jù)避碰規(guī)則及駕駛員習(xí)慣采用的避碰方式，對船舶不同方向的領(lǐng)域長度進行量化分析。

圖1 藤井船舶領(lǐng)域模型

2 船舶領(lǐng)域量化

船舶在海上航行進行避碰時，首先需要判斷兩條船舶所處的局面，并根據(jù)當前局面選擇采取的避碰時機與方式，行動的結(jié)果要求兩船能安全通過，也就是目標船的最近會遇距離(DCPA)大于安全值。在對船舶領(lǐng)域進行量化研究時，采取避碰的時機應(yīng)選擇在最晚時，此時兩船之間的距離則為船舶領(lǐng)域的邊界。在藤井的船舶領(lǐng)域模型之后的研究中，學(xué)者已經(jīng)開始對船舶不同方向的領(lǐng)域邊界進行不同方式的研究，甚至不將船舶置于模型的中心位置。本文將船舶領(lǐng)域模型分為船首方向、右舷45°方向、左舷45°方向、右正橫方向、左正橫方向及船尾方向，采用海員習(xí)慣方式進行操縱避碰，對此六種情況分別進行船舶領(lǐng)域量化分析。船舶領(lǐng)域在船首方向的長度可以通過對遇局面時的最近距離來確定。船舶領(lǐng)域在右舷45°方向、左舷45°方向、右正橫方向、左正橫方向的長度可以通過與他船在交叉會遇局面時的最近距離來確定，船舶領(lǐng)域在船尾方向的長度可以通過追越局面時的最近距離確定。

2.1 對遇

國際海上避碰規(guī)則第十四條規(guī)定，當一艘船舶看見另外一艘船在其正前方或接近正前方的位置，在夜間能看見他船的前后桅燈成一直線和(或兩盞)舷燈；在白天能看見他船的上述相應(yīng)形態(tài)時，則應(yīng)認為存在對遇局面。根據(jù)規(guī)則，對遇局面時，他船位于本船正前或接近正前方的位置，因此可以用此時兩船能夠避讓的最小距離作為船舶在船首方向的領(lǐng)域。當兩船處于對遇局面時，船員習(xí)慣采用各自向右進行避讓，緊急情況下，船舶將采取操滿舵、減速甚至停車、倒車等措施。本文將分別討論船舶滿舵旋回、停車、倒車時，導(dǎo)致的船首方向的沖程，即船舶在船首方向的船舶領(lǐng)域。

(1)旋回

船舶勻速直線航行時，向任一舷操滿舵后，將進入旋回狀態(tài)。船舶旋回性能是船舶操縱性的一個重要指標。操縱性好的船舶，其旋回性也較好，采取的避碰措施能夠達到更佳的效果。船舶旋回時，在操舵時的船首方向上航線的距離，稱為進距。進距越小，船舶旋回性能越好，進距越大，船舶旋回性能越差。船舶旋回時，我們可以把進距作為船舶領(lǐng)域在船首方向的邊界。一般情況，進距小于7倍船長。

(2)停車

船舶在航行時，因為緊急情況需要停車時，駕駛臺將通過車鐘給機艙發(fā)出主機停止運轉(zhuǎn)的指令。隨后螺旋槳會停止轉(zhuǎn)動，在慣性的作用，船舶將繼續(xù)前行滑行，由于水的阻力，船舶最終將停下來。停車后，船舶向前滑行的距離稱為停車沖程，可由以下公式計算得出。

式中：Δ為船舶排水量，單位為t；υ0為船舶發(fā)令停車時的初速度，單位為kn；υ為船舶停止時刻的速度，單位為kn；R0為船速為零時的船舶阻力，單位為9.81kN；S為停車慣性距離，單位為m。

雖然船舶在水的阻力作用下，船舶最終將停下來，也就是υ等于零，但是需要一個漫長的過程。因此上式中的υ，一般以能維持其舵效的速度計算。另外，從上式中可以得知，停車沖程與排水量成正比，并隨著船舶初速度變大而變大。一般情況下，船舶的沖程，為船長的8～20倍。船越大，慣性停車沖程越大。

(3)倒車

在電影泰坦尼克號中，為了躲避前方冰山，船舶采取了倒車制動的方法。在許多緊急情況下，船舶駕駛?cè)藛T都會采用此種方法，降低船舶速度，以避免或減輕船舶的損失。船舶在前進三中開后退三，從發(fā)令開始到船對水停止移動所需的時間及航進的距離，稱為倒車沖時和倒車沖程，其距離又稱緊急停船距離或最短停船距離。不同類型的船舶，倒車沖程的大小也不同。船舶噸位越大，倒車沖程越大。

倒車沖程可用下列公式估算：

式中：Δ為船舶排水量，單位為t；R0為船速為零時的船舶阻力，單位為9.81kN；υ0為船舶發(fā)倒車前的初速度，單位為kn；S為倒車沖程，單位為m。

根據(jù)統(tǒng)計，一般中型至萬噸級貨船的緊急停船距離可達6～8倍船長；載重量50000 t左右的船舶達8～10倍船長；載重量10萬t的船舶可達10～13倍船長；載重量15～20萬t的船舶可達13～16倍船長。

以上介紹了三種避讓船首方向的方法，不同的方法適用于不同的場景。旋回避讓的優(yōu)點是操縱方便，避讓效果比較明顯，缺點是需要寬闊的水域來進行旋回，旋回過程中雖然會有一定的降速，但是余速比較大；停車制動導(dǎo)致的沖程比較大，因此緊急情況下，船舶較少采用，但是當船舶主機失控，停車沖程即為船舶在船首方向上的安全距離；倒車沖程比停車沖程小，也不需寬闊的水域條件，采取倒車制動后的速度也較小，即使發(fā)生碰撞，損失也不大，但倒車時間較長。在決定船首方向安全領(lǐng)域大小方面，停車最大，倒車次之，旋回最小?，F(xiàn)假設(shè)船舶速度等于16節(jié)，船舶長度為162米，通過旋回避讓導(dǎo)致的沖程即船舶領(lǐng)域為1166米，停車避讓導(dǎo)致的沖程即船舶領(lǐng)域為2493米，通過倒車避讓導(dǎo)致的沖程即船舶領(lǐng)域為1296米。雖然停車方式導(dǎo)致的船首方向距離最長，實踐中緊急情況下駕駛員很少采用，但是如果考慮船舶失控的情況，就需要把此距離作為船首方向的領(lǐng)域，即2493米，約1.37海里。

2.2 交叉會遇

圖2 右舷45°

圖3 右正橫

交叉會遇時，避碰規(guī)則明確了雙方各自的責(zé)任與義務(wù)。規(guī)則規(guī)定，有他船在本船右舷的船舶應(yīng)給他船讓路。因此上面兩個圖中，本船都應(yīng)該給他船讓路，即本船為讓路船，他船為直航船。讓路船應(yīng)該盡早采取大幅度行動，寬裕地讓清他船，即“早、大、寬、清”。而直航船在不同階段應(yīng)該采取不同的避讓措施，早期應(yīng)該保持航向航速，配合讓路船的行動。避碰規(guī)則也規(guī)定了直航船可以獨自采取操縱行動的時機，例如，單憑讓路船的行動已經(jīng)無法避免碰撞的發(fā)生。本文討論的緊迫局面正是如此，船舶領(lǐng)域的含義即是船舶最小安全距離。我們在分析左舷來船時，應(yīng)該假設(shè)兩船已處于單憑讓路船已無法避免碰撞的情況，兩船需同時采取行動。因此左舷的船舶領(lǐng)域應(yīng)該與右舷的船舶領(lǐng)域相等，即船舶在左舷45°的領(lǐng)域大小為1765米，約0.95海里，船舶在左正橫方向的領(lǐng)域大小為1247米，約0.67海里。

2.3 追越

航行中的船舶在船尾方向的危險主要來自于追越船舶的碰撞，因此本文分析追越過程中船舶操縱對船舶領(lǐng)域的影響。追越是指一船正從他船正橫后大于22.5°的方向趕上他船。由此可判斷構(gòu)成追越的必要條件，后船位于前船正橫后22.5°，即尾燈范圍內(nèi)，速度需大于本船。追越過程中，無論船舶種類，追越船都是讓路船，必須采取避碰措施?，F(xiàn)假設(shè)追越船船速為20節(jié)，前船船速為15節(jié)，追越過程中，后船失控，那么，后船船速從20節(jié)降為15節(jié)的沖程即為船舶在船尾方向的領(lǐng)域大小，即：

計算得S為890米，約0.5海里。

2.4 船舶領(lǐng)域模型

船舶領(lǐng)域在船首方向的長度通過對遇局面時的最近距離來確定。船舶領(lǐng)域在右舷45°方向、左舷45°方向、右正橫方向、左正橫方向的長度通過與他船在交叉會遇局面時的最近距離來確定，船舶領(lǐng)域在船尾方向的長度通過追越局面時的最近距離確定。由此得出以下基于船舶操縱的船舶領(lǐng)域量化模型，如圖4所示。此模型的船舶領(lǐng)域的特點是在船首方向最長，然后向船尾方向逐漸變小。另一個特點是左右對稱，在很多學(xué)者的研究中，都強調(diào)基于避碰原則，右舷船舶領(lǐng)域的長度要比左舷大。本文主要從船舶操縱方面出發(fā)，當最緊急情況時，無論分析左舷還是右舷進行避讓時，船舶操縱性能都是一樣的。

圖4 基于操縱的船舶領(lǐng)域模型

3 結(jié) 語

本文基于船舶操縱方面，通過計算船舶在不同情境下的最小安全距離，從而對船舶領(lǐng)域進行量化分析，得出船舶領(lǐng)域模型。該模型對藤井船舶領(lǐng)域模型進行了改進，并對船舶航行中駕駛員決定安全距離有一定的指導(dǎo)作用。但在計算過程中，參數(shù)的取值是根據(jù)一般經(jīng)驗或統(tǒng)計方法確定；另外，本文未考慮外界諸如風(fēng)、流、能見度、航道等因素。因此計算結(jié)果難于適合所有情況，并有一定的偏差。船舶在航行中，駕駛員應(yīng)掌握船舶操縱性能，根據(jù)當時實際航行環(huán)境采取最佳措施。