超大型船舶安全縱向間距計算模型

明 力, 劉敬賢 , 王先鋒

(1. 武漢理工大學 航運學院， 武漢 430063； 2. 內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室， 武漢 430063)

超大型船舶安全縱向間距計算模型

明 力1,2, 劉敬賢1,2, 王先鋒1,2

(1. 武漢理工大學 航運學院， 武漢 430063； 2. 內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室， 武漢 430063)

在分析船舶倒車沖程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用交通流跟馳理論，研究超大型船舶縱向間距，建立超大型船舶安全縱向間距計算模型，并分不同情形給出計算實例。運用該模型對渤海深水航路超大型船舶的安全縱向間距進行計算，并將結(jié)果與用其他模型計算的結(jié)果相比較。發(fā)現(xiàn)：在水深吃水比lt;1.5時，運用該模型算得的安全縱向間距較大，更能保證船舶安全；在水深吃水比≥1.5時，運用該模型算得的縱向間距較小，有利于提高船舶通過能力、充分利用水域資源。結(jié)果表明：該模型在計算船舶安全縱向間距方面更有優(yōu)勢。

水路運輸； 超大型船舶； 安全縱向間距； 倒車沖程； 交通流跟馳理論

隨著天津港、曹妃甸港等環(huán)渤海沿岸港口大型原油碼頭、散礦碼頭陸續(xù)建成投產(chǎn)，渤海海域超大型船舶(15萬噸級及以上且滿載吃水為16.5 m及以上的船舶)流量持續(xù)增加，通航風險也越來越大。

渤海海域水深大部分在30 m以下，根據(jù)2006年年底交通運輸部海事局對“老鐵山水道至天津新港”和“老鐵山水道至營口仙人島”兩條渤海海域超大型船舶深水航路進行掃測的結(jié)果，渤海海域內(nèi)存在24.5～25 m的淺水區(qū)，起止范圍為119°52′E～120°15′E，長度為35 km，對超大型船舶來說，水深吃水比lt;1.5，屬于淺水海域；在深水航路之外，水深更淺，只有23 m左右。目前,經(jīng)過掃測的深水航路寬度為1 000 m，超大型船舶在其中只能順次前行，不能追越。為了保障超大型船舶的航行安全，需確定順深水航路航行的超大型船舶的前后間距。

對于船舶縱向間距的研究，最早出現(xiàn)在參考文獻[1]提到的船舶領(lǐng)域的研究中，認為船舶領(lǐng)域與船速、交通密度和潮流等因素有關(guān)，大型船舶的船舶領(lǐng)域縱向距離應(yīng)取7倍船長；英國學者GOODWIN[2]對船舶領(lǐng)域作了進一步研究，認為船舶領(lǐng)域與船長、海域類型和交通密度等因素有關(guān)，船長300～400 m的船舶領(lǐng)域，船首部分為1.2 n mile，船尾部分為0.6 n mile；英國學者DAVIS[3]在船舶領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)上提出了動界(Arena)的概念，認為在船舶周圍存在一個超級領(lǐng)域，即直徑為5.4 n mile的圓，他船進入該領(lǐng)域時，駕駛員應(yīng)立即采取行動以避免緊迫局面；國內(nèi)許多學者[4-8]也已開始對船舶縱向間距進行研究，運用了不同的方法，并將其研究成果在內(nèi)河某些航道上進行了應(yīng)用，但目前的研究主要集中在內(nèi)河。按照我國航海界的習慣做法，一般船舶前后間距保持在2 n mile，對于超大型船舶,應(yīng)適當增加至2.5 n mile。

1 基于倒車沖程的縱向間距計算模型

1.1船舶倒車沖程

確定船舶航行安全縱向間距時，主要考慮在同一航路上行駛的兩船，當前船因采取措施制動或因其他原因制動時，后船是否因來不及停船而與前船碰撞。這種情形主要與船舶的倒車沖程有關(guān)。

船舶在全速前進中開“后退三”，從發(fā)令開始至對水停止移動船舶所行進的距離，稱為倒車沖程。倒車沖程又稱緊急停船距離或最短停船距離。[9]

倒車沖程的經(jīng)驗估算法為

(1)

式(1)中：Sc為倒車沖程，m；g為重力加速度，9.8 m/s2；W為船舶排水量，t；kx為船舶前進方向虛質(zhì)量系數(shù)，可經(jīng)實驗取得，超大型油輪(Very Large Crude Carrier, VLCC)或肥大型船舶可取1.07；Tp為螺旋槳倒車拉力，t，估算時可用Tp=0.01Np(倒車功率)來估算；V0為船舶倒車時船速，m/s。

根據(jù)上述公式，選取一些實船數(shù)據(jù)進行計算，結(jié)果見表1。

表1 船舶倒車沖程計算實例

1.2船舶安全縱向間距模型構(gòu)建

假設(shè)兩艘船舶在同一航道上一前一后同向航行，可根據(jù)交通流跟馳理論[10]確定船舶的安全縱向間距。

交通流跟馳理論來源于公路交通，主要研究在限制超車的單車道上行駛的車隊中，前車的速度變化引起的后車的反應(yīng)。在同一航道上順次航行的船舶不能追越時，前船的制動對后船的影響與公路交通的情形非常類似，因此可根據(jù)交通流跟馳理論的基本原理確定船舶安全縱向間距(見圖1)。

圖1 交通流跟馳理論示意圖

圖1中：前1和后1分別為前船和后船的初始位置；后2為后船開始采取制動的位置；前2和后3分別為前船和后船完成制動時的位置。

以前船開始制動的時刻為參考時刻，前船完成制動時與后船初始位置的距離S1為

S1=S0+Sb1

(2)

式(2)中：Sb1為前船的制動距離；S0為前船制動前兩船凈間距。

對于后船而言，從發(fā)現(xiàn)前船制動、后船作出反應(yīng)而發(fā)出命令到后船作出制動動作這段時間(反應(yīng)時間)內(nèi)，后船繼續(xù)航行的距離為St，后船的制動距離為Sb2，故從前船制動到后船完成制動，后船的移動距離S2為

S2=St+Sb2

(3)

式(3)中：St=Vt，V為前船制動時后船的速度，t為后船反應(yīng)時間，包括駕駛員對前船制動的反應(yīng)時間和制動動作時間。

在兩船先后完成制動時，兩船的距離應(yīng)大于安全余量Sm，即

S1-S2≥Sm

(4)

將式(2)、式(3)代入式(4)，整理可得船舶安全縱向間距模型為

S0≥Sb2+St+Sm-Sb1

(5)

式(5)中：S0為前船制動前兩船凈間距；St為反應(yīng)時間內(nèi)后船航行的距離；Sm為兩船先后完成制動時兩船應(yīng)保持的安全余量；Sb1為前船的制動距離；Sb2為后船的制動距離。

1.3模型計算實例

在船舶安全縱向間距模型中,后船的制動距離Sb2應(yīng)選用后船的倒車沖程，其值可從本船船舶資料中查得。當本船速度非表列引數(shù)時，可根據(jù)同一艘船舶的倒車沖程與船舶速度的平方成正比的關(guān)系算出(由式(1)可知)。

確定St和Sm時，對于St來說，主要在于確定反應(yīng)時間?，F(xiàn)代大型船舶都已配備自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)，前船的速度和航向信息會作為動態(tài)信息出現(xiàn)在后船的AIS中，船舶AIS動態(tài)信息的刷新時間為10 s，考慮到前船速度需要降低到一定的數(shù)值才能被發(fā)覺，駕駛員發(fā)現(xiàn)前船制動的時間取80～85 s，制動動作時間取3～5 s，反應(yīng)時間共計90 s?？紤]到雷達測距時未包括本船的長度和安全余量所提供的必要安全保障，安全余量Sm取1倍后船船長較合適。

為更好地詮釋船舶安全縱向間距模型，利用表1中提供的具體船舶資料，分不同的情形給出計算實例。

1.3.1前船出現(xiàn)“撞墻式”停船的情形

船舶依次順航路前行時，一旦前船發(fā)生擱淺事故，前船的制動距離Sb1就是所有可能發(fā)生的情況中的最小值(Sb1≈0)。因此，船舶安全縱向間距應(yīng)為S0=Sb2+St+Sm。

假設(shè)后船為船舶1,并以額定航速航行，可算得

St=676 m，S0=5 924 m

同理,可算出其他船舶與前船之間的安全縱向間距(見表2)。

表2 船舶安全縱向間距計算結(jié)果 m

1.3.2后船速度大于前船速度的情形

當后船速度大于前船速度時，由于不能追越，后船必須減到與前船相同的航速航行，此時后船的倒車沖程應(yīng)按照倒車沖程與航速的平方成正比的關(guān)系進行換算。

船舶3在船舶1后面行駛時，船舶3的航速必須減至14.6 kn，其倒車沖程也相應(yīng)地減少為4 858 m。由船舶安全縱向間距模型可得

S0=Sb2+St+Sm-Sb1=905.6 m

1.3.3后船制動距離小于前船制動距離的情形

當后船制動距離小于前船制動距離(即Sb2≤Sb1)時，按照船舶安全縱向間距模型計算有可能出現(xiàn)負值的情況。例如，當船舶1在船舶2后面航行時，船舶1的航速減至14.1 kn，其倒車沖程也相應(yīng)地減少為4 625 m。按照船舶安全縱向間距模型可得

S0=Sb2+St+Sm-Sb1=-427 m

結(jié)果顯然是錯誤的,當后船的制動距離小于前船的制動距離時，只要考慮后船在反應(yīng)時間內(nèi)所行使的距離和安全余量即可，即S0=St+Sm。

上例中，船舶1在船舶2后面航行時，其船舶安全縱向間距應(yīng)為

S0=St+Sm=943 m

2 模型應(yīng)用——渤海深水航路超大型船舶安全縱向間距的確定

渤海深水航路超大型船舶的縱向間距主要由后船控制，后船駕駛員對本船的倒車沖程資料可從本船的船舶資料中查得，即Sb2應(yīng)是已知的(見表3)。

為便于計算，不妨假設(shè)后船為前述船舶3。對于前船的制動距離Sb1，要視前船的船舶參數(shù)及其所采取的制動措施或發(fā)生的情況而定。根據(jù)船舶安全縱向間距模型分析，從安全角度考慮，Sb1應(yīng)取較小值。

表3 船舶在額定航速時的倒車沖程

2.1水深吃水比lt;1.5(深水航路淺水區(qū)段)

超大型船舶在淺水中航行時，容易發(fā)生擱淺事故。一旦前船發(fā)生擱淺事故，前船的制動距離Sb1就是所有可能發(fā)生的情況中的最小值(Sb1≈0)。因此，船舶安全縱向間距應(yīng)為

S0=Sb2+St+Sm

由“1.3.1”中的情形可知

S0=Sb2+St+Sm=6 905 m

2.2水深吃水比≥1.5

主要考慮前船采取其他制動措施或主機發(fā)生故障，其制動距離Sb1均應(yīng)大于倒車沖程。因此，后船在確定安全間距時，前船制動距離Sb1取其倒車沖程是最有利的。

為獲得比較準確的Sb1，在實踐中可通過甚高頻(Very High Frenquency, VHF)與前船聯(lián)系，或通過其他手段獲取前船的倒車沖程，從而確定Sb1的取值；然后根據(jù)上述模型算出船舶安全縱向間距。

當無法獲得前船倒車沖程的準確值時，可根據(jù)各類船舶在額定航速時的倒車沖程經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定前船的制動距離Sb1。

1) 當前船為15萬～20萬噸級的船舶時，由上述模型可得船舶安全縱向間距為

S0=Sb2+St+Sm-Sb1=3 005 m

2) 當前船為30萬噸級的船舶時，由上述模型可得船舶安全縱向間距為

S0=Sb2+St+Sm-Sb1=1 405 m

2.3應(yīng)用總結(jié)

將渤海海域深水航路中超大型船舶安全縱向間距計算結(jié)果與船舶領(lǐng)域理論及航海習慣做法關(guān)于船舶的縱向間距的要求進行比較(見表4)。

表4 船舶安全縱向間距計算結(jié)果比較 m

從表4中可看出，船舶動界給出的船舶安全縱向間距偏大，雖比較安全，但是船舶通過能力很低，水域資源浪費較大；水深吃水比lt;1.5時，即前船容易擱淺的情形，船舶領(lǐng)域和航海習慣做法給出的安全間距都偏小，不利于船舶安全航行；水深吃水比≥1.5時，船舶安全間距模型可在前船不同的情形下給出不同的計算結(jié)果，而其他方法都可給出同樣的計算結(jié)果。比較計算結(jié)果可知，運用船舶安全間距模型得出的船舶縱向間距可在保證船舶安全的前提下提高船舶通過能力，可充分利用水域資源。

3 結(jié) 語

運用交通流跟馳理論建立了船舶縱向安全間距模型，并運用該模型對渤海深水航路超大型船舶的安全縱向間距進行了計算，計算結(jié)果是可信的。經(jīng)過比對分析可看出，計算結(jié)果既可保證船舶安全、提高船舶通過能力，又能充分利用水域資源。但是從實際應(yīng)用的角度看，該模型主要適于在航道或?qū)挾仁芟匏蚝叫械拇伴g縱向距離的限定。在具體的船舶操縱過程中，還需考慮船舶倒車過程中船首會出現(xiàn)橫向偏移，而在停車階段采取向左操舵[11-12]的措施等，這些有待進一步研究。

[1] FUJII Y, TANAKA K. Traffic Capacity[J]. Journal of Navigation, 1971,24(4):543-552.

[2] GOODWIN E M. A Statistical Study of Ship Domains[J]. Journal of Navigation, 1975,28(3):328-344.

[3] DAVIS P V. A Computer Simulation of Marine Traffic Using Domains and Arenas[J]. Journal of Navigation, 1980, 33(2): 215-222.

[4] 何良德,姜曄,殷兆進,等.內(nèi)河船舶跟馳間距模型[J].交通運輸工程學報，2012,12(1), 55-62.

[5] 張玉喜,賁鋒,李國帥.狹水道中航行船舶間距控制的研究[J].船海工程，2009,38(4):1-3.

[6] 侯海強,李祎承,初秀民.長江繁忙水域船舶間距模型[J].大連海事大學學報，2013,39(4):21-24.

[7] 劉紹滿.內(nèi)河船舶擁擠水域通過能力的研究[D].大連：大連海事大學，2006.

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[9] 陸志材. 船舶操縱[M].大連：大連海事大學出版社，2000：34-36.

[10] 胡明偉. 交通工程學[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，2012：73-76.

[11] 沈定安,劉洪梅.大型船舶倒車制動性能實用預報方法[J].船舶力學，2011,15(10): 1097-1101.

[12] 劉勇,黃向陽,劉明俊.船舶的制動和保向性研究[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院學報，2009(1):9-11.

CalculationModelofSafeLongitudinalDistanceforVeryLargeVessels

MINGli1,2,LIUJingxian1,2,WANGXianfeng1,2

(1. Navigation school, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China)

The crash stopping distance of vessels, and the calculation model of safe longitudinal distance for very large vessels are studied by the following theory of traffic flow. Several calculation instances in different situations are given. The safe longitudinal distance of very large vessels in deep water route of Bohai Sea is calculated by the proposed model and the result is compared to the results calculated by other models. The comparison indicates that the safe longitudinal distance worked out by the proposed model is better than others: it is bigger, therefore, is safer when depth draft ratio is less than 1.5, while it is smaller when depth draft ratio is equal to or greater than 1.5, which means the vessel transit capacity can be higher, and good for effective use of the water resource.

waterway transportation; very large vessel; safe longitudinal distance; crash stopping distance; following theory of traffic flow

2014-08-21

國家自然科學基金(51179147，51479156)；交通運輸部2012年海事科技項目(2012-35)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2013-YB-004)

明 力(1973—)，男，湖北陽新人，博士生，主要從事水上交通環(huán)境與安全保障技術(shù)研究。E-mail: limingt12@163.com

1000-4653(2014)04-0040-04

U676.1

A