船體下沉導(dǎo)致水尺計(jì)重誤差的修正方法研究

章文俊，高世龍，朱金善，金里韶

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連116023；2.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071；3.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300456)

船體下沉導(dǎo)致水尺計(jì)重誤差的修正方法研究

章文俊1，高世龍2，朱金善1，金里韶3

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連116023；2.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071；3.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300456)

為了進(jìn)一步提高水尺計(jì)重精度，減少由于流速導(dǎo)致船體下沉而引起水尺計(jì)重的系統(tǒng)誤差，并尋找合適的修正方法，運(yùn)用邏輯樹(shù)法分析水尺計(jì)重的誤差來(lái)源，在眾多的船體下沉量算法中遴選出5種適合低速船舶下沉量預(yù)報(bào)的計(jì)算公式，與實(shí)船下沉量測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)發(fā)現(xiàn)Barrass公式是最接近實(shí)測(cè)值的計(jì)算公式，可直接用于此項(xiàng)誤差的修正計(jì)算。提出修正平均吃水來(lái)抵消水尺計(jì)重過(guò)程中因船體下沉導(dǎo)致計(jì)量誤差的修正方法，以實(shí)例證明水尺計(jì)重過(guò)程中船體下沉誤差修正的必要性與可行性。

水尺計(jì)重；船體下沉量；流速；Barrass公式

隨著船舶大型化的發(fā)展，很多散貨船在錨地進(jìn)行駁卸，有些港口泊位前沿水域流速也較大，例如，阿根廷拉普拉塔河、巴拉那河沿岸港口，孟加拉吉大港等港口的最大流速可達(dá)7～8 kn；我國(guó)部分港口流速也較大，如寧波港、舟山港、曹妃甸港等港口的流速可達(dá)4～5 kn。因此，流速引起的船體下沉，致使水尺計(jì)重過(guò)程中六面吃水的讀數(shù)大于靜水中船體的實(shí)際吃水，從而影響到水尺計(jì)重的精度[1]，為此，有必要探索修正該項(xiàng)誤差的方法，以提高有流港口船舶水尺計(jì)重的精度。

1 沉量對(duì)水尺計(jì)重誤差的影響分析

散貨船水尺計(jì)重方法中包含4個(gè)操作步驟：測(cè)定有關(guān)數(shù)據(jù)、確定最終平均吃水、求取船舶排水量及計(jì)算貨物裝(卸)載量[2]。由于邏輯樹(shù)方法分析問(wèn)題時(shí)可將復(fù)雜的問(wèn)題分解為一系列簡(jiǎn)單問(wèn)題，逐層逐級(jí)建立問(wèn)題結(jié)構(gòu)，便于逐個(gè)解決分析[3]，因此，本文借助邏輯樹(shù)方法對(duì)可能導(dǎo)致水尺計(jì)重誤差的誘因進(jìn)行溯源分析，梳理誤差來(lái)源，得到圖1所示的邏輯樹(shù)。

圖1 水尺計(jì)重誤差邏輯樹(shù)

在水尺計(jì)重誤差邏輯樹(shù)中，經(jīng)分析得到26處可能導(dǎo)致水尺計(jì)重誤差的來(lái)源。在對(duì)這些誤差進(jìn)行分析與修正時(shí)，發(fā)現(xiàn)由流速導(dǎo)致的船體下沉量誤差是一項(xiàng)系統(tǒng)誤差，致使六面吃水值大于真值，隨著水尺計(jì)重的運(yùn)算，該項(xiàng)誤差會(huì)進(jìn)而影響最終裝(卸)貨量的結(jié)果，造成計(jì)算結(jié)果不滿足出入境檢驗(yàn)檢疫機(jī)構(gòu)所規(guī)定水尺計(jì)重±0.5%的允許誤差[4]。該誤差不能從誤差源上消除，亦不能通過(guò)改進(jìn)測(cè)量方法消除，有效的修正方法是在計(jì)算過(guò)程中增加修正項(xiàng)以抵消掉誤差值。

2 船體下沉量導(dǎo)致水尺計(jì)重誤差修正方法的選擇

2.1 船體下沉量的估算公式

世界上的計(jì)算下沉量的公式共有20余種，其中Hooft公式、Huuska公式、Barrass公式、Yoshimura公式和Millward公式用于計(jì)算低速時(shí)船體下沉量較為準(zhǔn)確[5-6]。

2.1.1 Hooft公式

1974年Hooft基于Tuck公式和Taylor公式提出了較兩者更為精確的公式[7]，并通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)Tuck公式進(jìn)行了驗(yàn)證。最終，Hooft對(duì)Tuck公式進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，并將下沉量(S)改為對(duì)船舶垂線間長(zhǎng)(Lbp)的百分值表示，可得出下列公式。

(1)

化簡(jiǎn)后為

(2)

式中：Frh——水深傅勞徳數(shù)，F(xiàn)rh=v/(gh)0.5，v為船舶航速，m/s；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

h——水深，m；

△——船舶排水量，t。

2.1.2 Huuska公式

1976年，Huuska提出了適用開(kāi)敞水域條件、挖槽航道以及限制性航道的公式[8]。Huuska公式引進(jìn)了修正系數(shù)Ks，因此通過(guò)上述分析，獲取船艏下沉量S為

(3)

Huuska公式與Tuck-Taylor公式相比，增加修正系數(shù)Ks。Ks=7.45S1+0.76(S1>0.03)；Ks=1(S1≤0.03)。在開(kāi)敞水域條件下，Ks=1；非限制性航道S1=0.03，限制性航道S1=S。因此，船舶在近岸航行時(shí)下沉量的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為

(4)

2.1.3 Barrass公式

1979年，Barrass在實(shí)船試驗(yàn)和模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，給出了適合船舶在開(kāi)敞水域和受限水域的船艏下沉量計(jì)算公式

(5)

式中：Cb——船舶方形系數(shù)，Q=As/Ac。

其中：As——船舶橫斷面面積(As≈0.98Bd)；

Ac——航道斷面面積。

1981年，Barrass對(duì)上式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，對(duì)于開(kāi)敞水域，使用下式計(jì)算，開(kāi)敞水域中修正系數(shù)K=1。

(6)

式中：v——船舶航速，kn。

2.1.4 Yoshimura公式

2009年，Yoshimura利用Tuck理論模型，兼顧淺水和深水時(shí)船舶不同下沉效果，得出了適用各種船型、數(shù)據(jù)分布穩(wěn)定、接近實(shí)船數(shù)據(jù)的船艏下沉量計(jì)算公式

(7)

式中：B——船舶型寬；

d——船舶吃水。

2.1.5 Millward公式

(8)

化簡(jiǎn)后為

(9)

2.2 船體下沉量的實(shí)測(cè)研究

為了探究港內(nèi)淺水區(qū)航行時(shí)超大型船舶下沉量的實(shí)際變化特征，大連海事大學(xué)研究人員利用組裝的實(shí)測(cè)設(shè)備分別對(duì)3艘散貨船進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)船舶的參數(shù)見(jiàn)表1[10]。

表1 實(shí)驗(yàn)船舶參數(shù)

在實(shí)測(cè)設(shè)備方面，研究人員選用由LEICA公司研發(fā)基于Dual-CodeTM專利跟蹤技術(shù)的LEICA-9400N型DGPS接收機(jī)作為位置傳感器、選用德國(guó)VEGA公司生產(chǎn)的VEGAPLUS雷達(dá)式液位傳感器作為船艏自水面距離的傳感設(shè)備。在測(cè)得船舶的航速、船艏到水面的距離、龍骨下的水深、船舶的位置(用于尋找每次測(cè)量時(shí)最淺的水深點(diǎn))共4個(gè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的求取、水流速度訂正、海水相對(duì)密謀訂正、測(cè)試結(jié)果回歸4步數(shù)據(jù)處理，得到了最終的船舶下沉量預(yù)報(bào)值，設(shè)備安裝示意見(jiàn)圖2。

圖2 船舶下沉量實(shí)測(cè)示意

2.3 修正下沉量誤差算法的研究

將5次實(shí)測(cè)每艘船舶對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算公式得到的估算值進(jìn)行比對(duì)，見(jiàn)圖3～7。

圖3 “德峰”輪船體下沉量的估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖4 “DIGNITY.T”輪船體下沉量的估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(桂山-沙角)

圖5 “DIGNITY.T”輪船體下沉量的估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(沙角-新沙)

圖6 “LOW LANDS GRACE”輪船體下沉量的估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(大嶼山-沙角)

圖7 “LOW LANDS GRACE”輪船體下沉量的估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(沙角-新沙)

在有流的港口區(qū)域，船舶進(jìn)行水尺計(jì)重時(shí)是對(duì)地靜止、對(duì)水低速運(yùn)動(dòng)，考慮到大多數(shù)有流港口的流速通常為0～6 kn，即船舶航速多為0～6 kn。通過(guò)5種估算公式與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Barrass公式與實(shí)測(cè)值在3種散貨船船型中的契合度最高，并且估算值始終微小于實(shí)測(cè)值，在應(yīng)用中不會(huì)出現(xiàn)修正量大于實(shí)際誤差的情況。

Barrass公式與其它公式相比，適用范圍廣，沒(méi)有太多的限制，計(jì)算式的方形系數(shù)和航速可根據(jù)船舶靜水力曲線圖和計(jì)程儀實(shí)時(shí)查得，算法簡(jiǎn)單易行，可操作性強(qiáng)。因此，筆者建議選取Barrass公式加入到散貨船水尺計(jì)重用來(lái)修正船體下沉量誤差。

3 修正下沉量誤差后的水尺計(jì)重算法

3.1 下沉量誤差的修正方法說(shuō)明

船舶在流速的影響下，出現(xiàn)一定的船體下沉，以致影響水尺計(jì)重中六面吃水的精度。

因此，在修正船體下沉量誤差時(shí)，應(yīng)將求得的下沉量修正到六面吃水的平均吃水中。具體的操作方法是：在根據(jù)觀測(cè)值確定平均吃水后，利用該平均吃水查得方形系數(shù)、利用計(jì)程儀測(cè)得流速，并利用Barrass公式求取船舶下沉量；再次修正平均吃水(得到“最終平均吃水”)，將此結(jié)果應(yīng)用到下一步“求取船舶排水量”的計(jì)算中。

在修正過(guò)程中，使用根據(jù)觀測(cè)值求得的平均吃水作為查表系數(shù)查取對(duì)應(yīng)吃水的方形系數(shù)，計(jì)算船體下沉量，進(jìn)而修正得到“最終平均吃水”。此過(guò)程中：使用了含有下沉量誤差的平均吃水作為查表系數(shù)，然后再去修正誤差。下面討論此種做法對(duì)結(jié)果的影響大小：雖然低速船舶的下沉量大小不等，但大型船舶每1 cm吃水對(duì)應(yīng)方形系數(shù)變化量數(shù)量級(jí)為0.000 1，且與船舶總噸成正比，將其代入Barrass公式，數(shù)量級(jí)降為10-5～10-6，最終對(duì)裝貨量的影響可以忽略不計(jì)。因此，此種修正方式自身的系統(tǒng)誤差可以忽略。

3.2 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證流速對(duì)散貨船水尺計(jì)重誤差的影響，同時(shí)證明進(jìn)行下沉量修正的必要性，選取10萬(wàn)t級(jí)散貨船PERUVIAN EXPRESS輪的水尺計(jì)重進(jìn)行實(shí)例分析。

本航次PERUVIAN EXPRESS輪裝載進(jìn)口的鐵礦石到某港，船舶參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 PERUVIAN EXPRESS輪船舶參數(shù)

裝貨前后觀測(cè)的六面吃水如表3，儲(chǔ)備量見(jiàn)表4。實(shí)測(cè)的港水密度為1.020 g/cm3，艏、舯、艉水尺標(biāo)志位置與理論位置的水平距離分別為lF=4.000 m，lM=0，lA=9.850 m。通過(guò)原方法和修正后方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比證明進(jìn)行下沉量修正的必要性。

表3 觀測(cè)吃水?dāng)?shù)據(jù)

表4 儲(chǔ)備總量數(shù)據(jù)

現(xiàn)行的水尺計(jì)重沒(méi)有考慮船體下沉影響，其計(jì)算裝(卸)貨量為無(wú)下沉狀態(tài)下得到；由于船期等因素的影響，實(shí)際中水尺計(jì)重時(shí)船體下沉現(xiàn)象很難避免。由于潮汐條件不同，在裝(卸)貨前后兩次水尺計(jì)重過(guò)程中出現(xiàn)不同的水流狀態(tài)很常見(jiàn)，因此船體下沉量可能不同，對(duì)最終裝(卸)貨量的影響也不盡相同，表5中分析了裝(卸)貨前后有無(wú)下沉量對(duì)最終裝(卸)貨量的影響。

根據(jù)Barrass公式可知：下沉量大小與航速、方形系數(shù)成正比，因此裝貨前無(wú)下沉裝貨后有下沉和卸貨前有下沉卸貨后無(wú)下沉誤差量最大，分別造成航次短貨和航次長(zhǎng)貨。在航海實(shí)踐中，短貨對(duì)于船方的影響巨大，極易出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)糾紛。為了直觀地辨明下沉量影響，以裝貨時(shí)出現(xiàn)短貨為例，分析裝貨前無(wú)下沉裝貨后有下沉的情況：設(shè)裝貨前流速為0，裝貨后流速分別設(shè)為2、4、6 kn，與未修正時(shí)水尺計(jì)重的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，其結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 裝(卸)貨前后有無(wú)下沉量對(duì)最終貨量的影響

在船舶出現(xiàn)下沉?xí)r，若仍按原方法進(jìn)行水尺計(jì)重，則所得的裝貨量包含下沉量誤差。依照3.1講述的方法，在計(jì)算得到“最終平均吃水”后進(jìn)行下沉量修正，計(jì)算得到的修正值與未修正值對(duì)比，誤差量分別為309.70、1 008.74、2 266.84 t，誤差比分別為0.41%、1.35%、3.03%。水尺計(jì)重計(jì)量允許誤差要求為0.5%，流速為2 kn時(shí)雖小于允許值，但如果考慮可能出現(xiàn)的其他隨機(jī)誤差、粗大誤差，其結(jié)果毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)不滿足要求；流速為4、6 kn時(shí)，僅下沉量一項(xiàng)誤差比就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0.5%的要求，將導(dǎo)致貨物無(wú)法正常地交接，甚至?xí)霈F(xiàn)法律糾紛。

表6 不同流速下的修正誤差對(duì)比

前述算例結(jié)果表明，在流速較強(qiáng)的港口，船體下沉量對(duì)散貨船水尺計(jì)重精度的影響顯著。但由于目前在國(guó)際航運(yùn)界認(rèn)可的水尺計(jì)重算法中沒(méi)有考慮船體下沉的誤差修正，當(dāng)船舶在流速較強(qiáng)的港口裝滿貨物進(jìn)行水尺計(jì)重作業(yè)時(shí)，船舶大副擔(dān)心船體下沉導(dǎo)致吃水增大，使得實(shí)際載貨量達(dá)不到水尺計(jì)重算出來(lái)的結(jié)果(卸貨港很可能會(huì)導(dǎo)致短貨)，因而在查看六面吃水時(shí)盡可能將吃水?dāng)?shù)值讀小，以彌補(bǔ)下沉量導(dǎo)致的誤差；而這一點(diǎn)目前尚未從規(guī)范層面得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可，因此，船舶大副與商檢人員經(jīng)常會(huì)在查看六面吃水或計(jì)算油水消耗時(shí)發(fā)生紛爭(zhēng)。為了使得散貨船水尺計(jì)重的結(jié)果更加客觀、公正，減少船方與貨方、商檢等機(jī)構(gòu)不必要的爭(zhēng)執(zhí)，在船舶日益大型化的今天，將船體下沉導(dǎo)致的誤差修正增加到水尺計(jì)重算法中去，既是海運(yùn)貿(mào)易實(shí)務(wù)的需要，也是“追求科學(xué)、精確”這一計(jì)量精神的具體體現(xiàn)。

4 結(jié)論

在水尺計(jì)重中，船體下沉量導(dǎo)致的水尺計(jì)重誤差是一項(xiàng)系統(tǒng)誤差，在水流較大的港區(qū)尤為明顯。本文在現(xiàn)有的船舶下沉量算式中，選擇Barrass公式作為誤差修正算法加入到水尺計(jì)重的計(jì)算過(guò)程之中，公式使用方便，各項(xiàng)參數(shù)皆可實(shí)時(shí)查取，提出的修正方法能夠提高水尺計(jì)重精度。在今后的研究中，可更多地應(yīng)用數(shù)字仿真、實(shí)船測(cè)量等手段，尋找更加精確的船舶下沉量算法，以便能夠更好地校正船體下沉導(dǎo)致的水尺計(jì)重誤差。

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Study on Correction Method for Draft Survey Error Due to Ship Squat

ZHANG Wen-jun1, GAO Shi-long2, ZHU Jin-shan1, JIN Li-shao3

(1 Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China;2 Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao Shandong 266071, China;3 Tianjin Branch of CNOOC (China) Co., Ltd., Tianjin 300456, China)

In order to further improve the draft survey precision, reduce the systematic error of draft survey caused by the squat due to the flow, and find the proper correction method, the method of logical tree is applied to analyze the error sources of draft survey. Five available squat algorithms are selected from lots of squat formulas. Comparing the results with the test data of real ships, it is found that the result of Barrass formula is closest to the measured one, and it can be used for this error's correction calculation. The modified method is put forward by adjusting the mean draft to offset the systematic error which causing by the squat during the process of draft survey. The necessity and feasibility of error correction are proved with practical example.

draft survey; squat; flow rate; Barrass formula

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.032

2014-09-11

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014025008)

章文俊 (1977-)， 男，博士,副教授

U695.2

A

1671-7953(2015)01-0126-05

修回日期：2014-09-27

研究方向:交通運(yùn)輸安全保障與防護(hù)技術(shù)

E-mail:13898478670@163.com