高速客滾船航行環(huán)境標準及其評估方法研究

王紅梅 陳曉明 林慰 吳珂

摘要：目前航運行業(yè)對航行環(huán)境標準的研究甚少，因此有必要加強對高速客滾船航行環(huán)境標準及其評估方法的研究。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)境的實際情況，采用現(xiàn)代評價方法提出的科學(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)的評價指標及評估模型，以此確定了航線擬建高速穿浪雙體客貨運輸船的最佳航行環(huán)境標準。

關(guān)鍵詞：航行環(huán)境標準；評價指標及評估模型；高速穿浪雙體客貨運輸船

中圖分類號：U655.2文獻標識碼：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

當前對于客滾船航行環(huán)境研究與評價工作，主要基于外部環(huán)境對船舶航行產(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航行船舶的影響。過往對于航行船舶的考慮是基于常規(guī)營運船舶的性能參數(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，無法準確定量評價具體的船舶在特定航行環(huán)境中的適應(yīng)性。對于某一具體船舶或系列船型的船舶，其航行環(huán)境評價指標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)性能指標進行分析與論證，包括安全性、快速性、操縱性與耐波性（或適航性）等內(nèi)容，從而實現(xiàn)準確、定量的評價。特別是對于客船或客滾船，安全性與舒適性應(yīng)將是制定航行環(huán)境標準的核心內(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]。

為了正確評價當前客滾船航行環(huán)境的安全狀況和程度，需要深入了解主要環(huán)境條件對航行安全的影響。

3客滾船航行環(huán)境標準的評價指標與評價模型

3.1航行環(huán)境客觀評價指標的選取

參考日本學(xué)者原潔的層次化的航行環(huán)境評價體系 [1]，并且考慮到能將評價因素量化，以主要因素建立客觀評價指標體系，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)評價指標的選取

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

（1）與安全性有關(guān)的穩(wěn)性評價指標，主要是對靜穩(wěn)性力臂下的剩余面積進行評估[8]；

（2）與適航性和舒適性有關(guān)的耐波性評價指標，主要通過各個位置的運動幅值和運動加速度幅值、砰擊概率、甲板淹濕和推進器出水概率、暈船率等指標評估波浪中航行的適航性和舒適性；

（3）與避碰有關(guān)的操縱性評價指標，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)舵性能等操縱性評估指標；

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

4客滾船航行環(huán)境標準的制定與評估方法

4.1 航行環(huán)境標準的制定

基于既定的高速客滾船的設(shè)計性能，將其置于某航線具體的航行環(huán)境中，以各項客觀評價指標的具體特征值作為輸入，計算船舶的各項技術(shù)指標的具體指標值作為輸出，譬如，穩(wěn)性衡準數(shù)、垂蕩加速度和橫搖加速度、暈船率、最近會遇距離等指標值。根據(jù)現(xiàn)行的船舶航行標準對輸出值進行分析和評估，以適航與否為標志對航線的各級海況條件進行分級。

4.2航行環(huán)境標準的評估內(nèi)容與方法

4.2.1穩(wěn)性評估

穩(wěn)性是船舶安全性評估中最主要的關(guān)鍵指標。結(jié)合穩(wěn)性試驗，對在風(fēng)浪的聯(lián)合作用，以及不同裝載狀態(tài)下船舶橫搖運動的統(tǒng)計值進行計算，作為船舶穩(wěn)性分析、車輛綁扎和確定抗風(fēng)等級的依據(jù)?？紤]風(fēng)浪對船舶的影響，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)的評價指標。

4.2.2 耐波性評估

耐波性是船舶在風(fēng)浪中航行的舒適性評估的關(guān)鍵因素和核心技術(shù)性能。推薦以船舶的耐波性衡準為目標，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，主要包括運動統(tǒng)計值、運動加速度統(tǒng)計值、甲板上浪與推進器出水的概率、砰擊及暈船的概率等。耐波性具體指標如下所列，各項指標的計算可由譜分析方法完成：

（1）運動幅值與運動加速度幅值；

（2）砰擊概率；

（3）甲板淹濕（或上浪）與推進器出水的概率；

（4）暈船率（MSI）。

其中，按國際標準ISO 2631 - 3 （1985, 1997），MSI 主要取決于運動船舶上相應(yīng)處所的垂向加速度。英國標準 BS 6841, 1987 將垂向加速度響應(yīng)譜用于運動病發(fā)病問題，根據(jù)垂向加速度響應(yīng)譜可獲得某個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）計算暈船率[9]。

4.2.3操縱性評估

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)下進行操縱性分析計算，展現(xiàn)本船“被動的”、“客觀的”的操船響應(yīng)，從而評估本船的操縱性。

4.2.4快速性評估

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

5客滾船船型航行環(huán)境標準的研究

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

5.1目標船型

目標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－噴水泵方式推進，4 機、4 泵。目標船型的基本尺度和主要操縱性能如表1所示。

表 1目標船型的基本尺度和主要操縱性能

5.2航行環(huán)境客觀評價指標

根據(jù)實際調(diào)研結(jié)果，航線穿浪雙體高速客貨運輸船航行環(huán)境客觀評價指標如表2所示。

表2航行環(huán)境客觀評價指標

5.3穿浪雙體高速客貨運輸船的航行環(huán)境標準及評價

根據(jù)穿浪雙體高速客貨運輸船航行環(huán)境客觀評價指標，按穩(wěn)性、耐波性、操縱性和快速性單項技術(shù)評價指標的具體評估結(jié)果進行綜合分析與評價，提出航線最佳穿浪雙體高速客貨運輸船的航行環(huán)境標準，具體如表3 所列。

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

6結(jié)束語

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

參考文獻

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Motionsickness incidence: exploratory studies of habituation, pitch and roll, and

the refinement of a mathematical model. Technical report 1733-2, April 1976.

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

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

收稿日期：2014-01-10