耙吸船航道內(nèi)掉頭安全距離分析

張濤，米中彪，張明杰

（中交天津航道局有限公司，天津 300450）

耙吸船對(duì)于航道類(lèi)疏浚工程，具有邊營(yíng)運(yùn)邊施工的特點(diǎn)，在保障航道船舶通航安全的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工，既滿(mǎn)足了港口經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)實(shí)要求，又滿(mǎn)足了港口長(zhǎng)期規(guī)劃發(fā)展的需求，所以在維護(hù)性、拓寬性航道類(lèi)工程中，耙吸船扮演著重要的角色[1]。耙吸船航道內(nèi)施工總伴隨著航道內(nèi)掉頭，對(duì)于船舶流較大的航道工程，其不僅要保障施工安全，更要及時(shí)聯(lián)系航道內(nèi)船舶以保障船舶航行安全。目前，大多數(shù)學(xué)者對(duì)船舶掉頭的研究局限在掉頭方法及掉頭所用水域上[2-3]，對(duì)本文涉及的掉頭模型及所需安全距離未開(kāi)展研究分析。

本文主要針對(duì)耙吸船航行施工至施工區(qū)端部時(shí)的船舶掉頭，建立船舶掉頭模型及分析掉頭所需安全距離，以保障船舶航行安全。運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法，列出船舶掉頭各種模型所需安全領(lǐng)域的計(jì)算公式，并以天津港30萬(wàn)噸級(jí)航道工程的施工船“通力”輪為算例，為耙吸船掉頭安全提供一定的理論依據(jù)。

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)，一般情況下每個(gè)循環(huán)由以下幾個(gè)過(guò)程組成：下耙—裝艙—起耙掉頭—下耙施工—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)[1]。本文重點(diǎn)分析耙吸船施工區(qū)端部起耙掉頭階段。

目前，船舶掉頭時(shí)，一般根據(jù)船舶掉頭水域大小及航道內(nèi)船舶動(dòng)態(tài)決定，當(dāng)船舶流影響小時(shí)，工程船施工至端部附近時(shí)，船舶選擇時(shí)機(jī)掉頭。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)掉頭，條件不允許時(shí)船舶繼續(xù)前行施工以等待合適時(shí)機(jī)。

耙吸船掉頭需要占用他船航道時(shí)，一般根據(jù)航海經(jīng)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際情況判斷與來(lái)船距離是否允許船舶掉頭。由于該操作由駕駛員發(fā)布命令，因此不同駕駛員會(huì)有不同操作、不同時(shí)機(jī)發(fā)令，具有一定的主觀性、隨機(jī)性。不同駕駛員航行經(jīng)驗(yàn)、情境意識(shí)等個(gè)人因素起了重要影響。

耙吸船起耙掉頭時(shí)操縱性能與一般機(jī)動(dòng)船沒(méi)有區(qū)別，此類(lèi)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(mǎn)足船舶動(dòng)態(tài)會(huì)遇安全判定要求，因此有必要考慮對(duì)船舶動(dòng)態(tài)會(huì)遇過(guò)程進(jìn)行建模分析。

2 船舶流相關(guān)概念

船舶航道內(nèi)航行，船舶行為表現(xiàn)為進(jìn)港、出港、匯出、匯入、穿越、掉頭，有學(xué)者根據(jù)所定義的船舶行為特征，將港口公共航道船舶交通流抽象為進(jìn)港交通流、出港交通流、匯出交通流、匯入交通流、穿越交通流5種基本模型，并定義了船舶航行領(lǐng)域、橫越領(lǐng)域、匯入領(lǐng)域，分別記為：船舶航行領(lǐng)域Domnav、橫越領(lǐng)域Domcross、匯入領(lǐng)域Domadd[4]。

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(duì)安全的。船舶領(lǐng)域是一個(gè)動(dòng)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(dòng)態(tài)勢(shì)相關(guān)。船舶在進(jìn)出港口公共航道的過(guò)程中，當(dāng)船舶處于不同的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)時(shí)，船舶應(yīng)具有不同的船舶領(lǐng)域[4]。

耙吸船施工一般循環(huán)為船舶掉頭后繼續(xù)下耙施工，單船施工區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)往往結(jié)合船舶、土質(zhì)、航道等情況。但由于土質(zhì)等條件的復(fù)雜多變，耙吸船施工時(shí)，很大程度取決于船舶裝艙效果，如果船舶裝艙效果好，掉頭后施工效果不理想，則耙吸船可提前結(jié)束挖泥，甚至掉頭時(shí)便結(jié)束挖泥，如果這樣，耙吸船應(yīng)掉頭匯入進(jìn)港航道，以減少施工時(shí)間，保障有效挖泥量。

根據(jù)上述分析，結(jié)合船舶流現(xiàn)有概念，將船舶掉頭歸納為兩種情形：掉頭占用領(lǐng)域，記為Domturn-occ；掉頭匯入領(lǐng)域，記為Domturn-add。第一種即為耙吸船施工一般情形，第二種即為耙吸船掉頭時(shí)結(jié)束挖泥情形。

3 建立模型

目前并沒(méi)有針對(duì)掉頭占用航道或掉頭匯入航道這種掉頭形式的研究，本人采取過(guò)程建模的方式，運(yùn)用數(shù)值模擬，對(duì)船舶掉頭所需安全距離進(jìn)行分析。

模型建立思路：根據(jù)掉頭過(guò)程中至少保持船舶安全領(lǐng)域的距離，結(jié)合船舶運(yùn)動(dòng)特性，利用船舶掉頭過(guò)程、變速所需時(shí)間，進(jìn)而用時(shí)間反推掉頭時(shí)所需的本船與后船（目標(biāo)船）最小安全距離。根據(jù)船舶領(lǐng)域藤井模型，船舶領(lǐng)域首尾方向取6倍船長(zhǎng)[5]。

根據(jù)掉頭所需水域與航道寬度的關(guān)系，分下列幾種情形分析。

常態(tài)下，耙吸船掉頭沿原出港航道施工：所需水域不占用進(jìn)港航道的，影響微小，不需要進(jìn)一步安全分析；所需水域占用進(jìn)港航道的，屬于掉頭占用，對(duì)航道船舶流有影響，需要進(jìn)行安全分析。

非常態(tài)下，耙吸船掉頭匯入進(jìn)港航道航行：所需水域在航道內(nèi)的，以及所需水域超出航道范圍的，均屬于掉頭匯入，對(duì)航道船舶流有影響，需要進(jìn)行安全分析。

3.1 掉頭占用模型

耙吸船施工期間，航道一般為單向通航。本船掉頭占用航道過(guò)程中，目標(biāo)船進(jìn)港航道航行，保持直航船態(tài)勢(shì)，保向保速，本船左滿(mǎn)舵掉頭。

圖1為常態(tài)下耙吸船掉頭施工模型，耙吸船掉頭后沿原出港航道施工，如果在掉頭過(guò)程中占用部分進(jìn)港航道，則需要安全分析。

圖1 耙吸船掉頭占用航道模型圖Fig.1 Model of the trailing suction dredger turns round occupying fairway

掉頭占用航道過(guò)程分析：

因此：Domturn-occ=vt（T+t）+Do

參數(shù)含義：Domturn-occ為船舶掉頭占用航道所需安全距離；ST+t為目標(biāo)船在本船掉頭過(guò)程中航行距離；Do為掉頭前本船與本船駛出航道時(shí)目標(biāo)船所在位置的縱向距離；T為船舶掉頭時(shí)間；t為本船完成掉頭至對(duì)進(jìn)港航道妨礙明顯減弱所需時(shí)間。

說(shuō)明：參照?qǐng)D1所示的模型，公式中的Do為負(fù)值。

3.2 掉頭匯入模型

本船掉頭匯入過(guò)程中，目標(biāo)船進(jìn)港航道航行，保持直航船態(tài)勢(shì)，保向保速。本船左轉(zhuǎn)掉頭，匯入航道且位于目標(biāo)船船首方向。非常態(tài)下，耙吸船會(huì)出現(xiàn)掉頭匯入航道局面。

耙吸船掉頭匯入進(jìn)港航道航行，所需水域在航道內(nèi)的，參照?qǐng)D2。

圖2 船舶掉頭匯入航道模型1圖Fig.2 Model 1 of the trailing suction dredger turnsround into fairway

耙吸船掉頭匯入進(jìn)港航道航行，所需水域超出航道范圍的，參照?qǐng)D3。

圖3 船舶掉頭匯入航道模型2圖Fig.3 Model 2 of thetrailing suction dredger turnsround into fairway

比較圖2和圖3，其他相同條件時(shí)，圖2掉頭所需時(shí)間小于圖3。

掉頭匯入航道過(guò)程分析：

時(shí)間t過(guò)程中目標(biāo)船速度vt=ft（t）；本船速度vo=fo（t）；

參數(shù)含義：下標(biāo)t為目標(biāo)船，o為本船；Domturn-add為船舶掉頭匯入航道所需安全距離；S1為目標(biāo)船在本船掉頭過(guò)程中航行距離；S2為本船完成掉頭后增速、目標(biāo)船減速過(guò)程中，包含了船舶領(lǐng)域的富余距離；Do為本船掉頭前后的縱向距離；vo為本船速度；vt為目標(biāo)船速度；L為船舶長(zhǎng)度；t為本船速度由vo加速到va與目標(biāo)船速度vt減速到va所需時(shí)間的較大值；St為掉頭后目標(biāo)船時(shí)間t內(nèi)航行距離；So為掉頭后本船時(shí)間t內(nèi)航行距離；T為船舶掉頭時(shí)間。

說(shuō)明：參照?qǐng)D2中的模型，公式中的Do為正值；參照?qǐng)D3中的模型，公式中的Do為負(fù)值。

如果此過(guò)程需要目標(biāo)船減速，本船提前聯(lián)系目標(biāo)船，目標(biāo)船在本船掉頭過(guò)程中開(kāi)始減速，則目標(biāo)船可提前將速度減為va。則公式表示為：

除耙吸船外，一般商船因改變航行計(jì)劃、港內(nèi)移泊等情況，出現(xiàn)航道內(nèi)掉頭匯入情形時(shí)，均可以參考此模型。

3.3 實(shí)船參數(shù)取值

1）耙吸船掉頭占用航道模型（耙吸船常態(tài)）

以“通力”輪天津港30萬(wàn)噸級(jí)航道工程為例。施工至施工區(qū)端線(xiàn)，掉頭前控制速度至1.5 kn左右，一般情況下操作車(chē)鐘，雙車(chē)船，旋回方向的車(chē)鐘為倒車(chē)，旋回方向的反向?yàn)檫M(jìn)車(chē)，使用漿角大小不固定，以進(jìn)車(chē)30%倒車(chē)40%為例加輔助掉頭水橫向，掉頭開(kāi)始至結(jié)束一般需要3.5 min。雙進(jìn)車(chē)加輔助水橫向進(jìn)行前期旋回，后期雙倒車(chē)加水橫向，掉頭時(shí)間一般為3.3 min。雙進(jìn)車(chē)加輔助水橫向，掉頭時(shí)間約3 min（以雙車(chē)進(jìn)50%）。掉頭時(shí)間與太多因素有關(guān)，一般情況掉頭時(shí)間即為3~4 min之間。

其它參數(shù)取值：目標(biāo)船船長(zhǎng)L為160 m，船速8 kn；“通力”輪船長(zhǎng)L為112 m；航道內(nèi)船舶領(lǐng)域船長(zhǎng)方向取6L；Do取0；t取3 min，并假設(shè)目標(biāo)船速度v不需改變，即vt=va。

掉頭時(shí)采用雙車(chē)雙槳，T取值3 min、4 min時(shí)，代入數(shù)值計(jì)算所需安全距離分別為：1.48 km、1.73 km。

2） 一般船舶掉頭匯入航道模型1（包括耙吸船非常態(tài)）

一般船舶掉頭匯入航道，本船船長(zhǎng)L為104 m，船速取4 kn；Do取1倍船長(zhǎng)L；t取3 min；其它參數(shù)同上。

掉頭時(shí)采用單車(chē)單舵，T取值5 min、6 min時(shí)，代入數(shù)值計(jì)算所需安全距離分別為：2.13 km、2.37 km。

3.4 相關(guān)說(shuō)明

風(fēng)對(duì)船舶掉頭時(shí)間有影響，順風(fēng)掉頭，時(shí)間長(zhǎng)；頂風(fēng)掉頭，時(shí)間短。流對(duì)船舶掉頭區(qū)域有影響，順流掉頭，區(qū)域增大；頂流掉頭，區(qū)域減小。參考船舶操縱教材，順流或頂流掉頭區(qū)域變化幅度約為0.8vcT（其中：vc為流速；T為掉頭時(shí)間）[6]。

本文對(duì)船舶掉頭過(guò)程進(jìn)行了建模分析，暫未全面考慮風(fēng)、流等環(huán)境因素對(duì)船舶航道內(nèi)掉頭的影響，有待于進(jìn)一步研究分析。

雖然本文以耙吸船為主要分析對(duì)象，但并沒(méi)有受耙吸船特有裝備影響，故船舶掉頭匯入航道模型對(duì)一般船舶均適用。

4 模擬器驗(yàn)證

本次模擬采取了一般船舶掉頭匯入模型1，模擬器船舶參數(shù)與掉頭模型1中取值相近，船型為單車(chē)船，兩船距離2.1 km左右時(shí)，本船操左滿(mǎn)舵，根據(jù)轉(zhuǎn)向率數(shù)值及時(shí)操正舵或右舵，準(zhǔn)確把定航向，掉頭時(shí)間為5 min。最終兩船航速相同時(shí)，船舶安全船間距約為700 m，如圖4。通過(guò)此次模擬船舶掉頭匯入航道，可驗(yàn)證模型的正確性。

圖4 船舶掉頭匯入航道模擬圖Fig.4 Simulated diagram of the trailing suction dredger turnsround into fairway

5 計(jì)算結(jié)果分析及建議

由建立的模型可以看出，本船與目標(biāo)船同時(shí)采取變速措施可以更好地保障船舶航行安全，并且本船掉頭時(shí)，掉頭時(shí)間越短，船舶掉頭匯入/占用航道所需領(lǐng)域越小。耙吸船掉頭時(shí)一般提前與對(duì)方船舶聯(lián)系，航道內(nèi)船舶間保持聯(lián)系，協(xié)調(diào)行動(dòng)；船舶掉頭時(shí)還應(yīng)注意航道邊界的浮標(biāo)等有礙耙吸船安全掉頭的助航/礙航物，以利安全。

雷達(dá)等助航設(shè)備對(duì)于相對(duì)靜態(tài)的局面分析船舶匯入安全較為合適，對(duì)于動(dòng)態(tài)中狀態(tài)不適合，相比而言本文中的公式分析（整體過(guò)程模擬分析）適合于掉頭及之后變速的整體局面，雷達(dá)可以用來(lái)核查航向航速穩(wěn)定后兩船間距離是否足夠。

根據(jù)不同情況計(jì)算得出的結(jié)果，考慮不利情況下，目標(biāo)船不積極配合時(shí)，本船獨(dú)自采取行動(dòng)掉頭占用航道，以此確定最低限值，耙吸船常態(tài)模型取值1.48 km。對(duì)比最低限值，大于該限值情況下，船舶可以安全掉頭占用航道，掉頭過(guò)程也需要借助雷達(dá)、電子海圖核實(shí)船舶掉頭安全性，并設(shè)置報(bào)警值，如果發(fā)生警報(bào)，船舶應(yīng)縮小掉頭時(shí)間，并加車(chē)以保證足夠舵效，盡快完成掉頭，必要時(shí)及時(shí)聯(lián)系目標(biāo)船協(xié)調(diào)避讓?zhuān)圆甙踩?/p>

[1] 交通部上海航道局.疏浚工程手冊(cè)[M].上海：交通部上海航道局，1994.CCCC Shanghai Dredging Co.,Ltd.Dredging engineering manual[M].Shanghai:CCCCShanghai Dredging Co.,Ltd.,1994.

[2] 章連富.淺談船舶在狹窄水道中的掉頭操作[J].南北橋，2009（5）：156.ZHANG Lian-fu.Discussion on ship turning operation in narrow waterway[J].South North Bridge.2009(5):156.

[3] 夏國(guó)忠，史國(guó)友.超大型船舶旋回性能的探討[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（3）：48-50.XIA Guo-zhong,SHIGuo-you.Discussion on turning performance of super-large ships[J].Journal of Dalian Maritime University,2000(3):48-50.

[4] 文元橋，劉敬賢.港口公共航道船舶通過(guò)能力的計(jì)算模型[J].中國(guó)航海，2010（6）：35-39.WEN Yuan-qiao,LIU Jing-xian.Computing model of traffic capacity of harbor public channel[J].Navigation of China,2010(6):35-39.

[5]劉敬賢.大型海港進(jìn)港主航道通過(guò)能力及交通組織模式研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.LIU Jing-xian.Research of the through capacity and traffic organizational model in main channel of large sea harbor[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2009.

[6] 薛滿(mǎn)福，杲慶林.船舶操縱[M].北京：人民交通出版社，2012.XUEMan-fu,GAOQing-lin.Ship maneuvering[M].Beijing:China Communications Press,2012.