基于AIS數(shù)據(jù)的散貨船壓載吃水取值研究

馬曉波，戴 冉，首智宇，王漢弢

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

基于AIS數(shù)據(jù)的散貨船壓載吃水取值研究

馬曉波，戴 冉，首智宇，王漢弢

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

考慮到散貨船壓載吃水在壓載工況下的系泊船舶作用力計(jì)算、橋梁凈空高度設(shè)計(jì)等工作中是十分重要的參數(shù)，但在港口工程中尚無(wú)完善的計(jì)算方法，現(xiàn)行規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的船型資料中亦未提及。通過對(duì)大量散貨船船載AIS數(shù)據(jù)中壓載吃水值的統(tǒng)計(jì)分析，得到不同噸級(jí)散貨船不同累計(jì)頻率下的壓載吃水值。將得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外幾種散貨船壓載吃水計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，為船舶壓載吃水的取值和規(guī)范修訂提供參考。

散貨船；壓載吃水；AIS；累計(jì)頻率

0 引 言

港口工程現(xiàn)行規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的船型資料中，給出了基于一定保證率的船舶滿載吃水，但對(duì)船舶壓載吃水并未提及[1]。而這一參數(shù)在壓載工況下的系泊船舶作用力計(jì)算、橋梁凈空高度設(shè)計(jì)等工作中是必需的。該參數(shù)如何科學(xué)合理地取值是港工設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵性問題，該問題的研究對(duì)港口工程具有重要的意義[2]。因此，十分有必要結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)理論與成果，對(duì)船舶壓載吃水的估算方法進(jìn)行研究與討論。

船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是在甚高頻海上移動(dòng)頻段，采用時(shí)分多址接入技術(shù)，可自動(dòng)廣播和接收船舶航次相關(guān)信息的系統(tǒng)[3]。SOLAS公約第V章規(guī)定，航行于國(guó)際航線的300總噸以上船舶和公約國(guó)航行于國(guó)內(nèi)航線的500總噸以上的船舶，從2002年7月1日起至2008年7月1日止，分段執(zhí)行配備AIS船載設(shè)備[4]。AIS應(yīng)用廣泛，幾乎所有船舶配備AIS設(shè)備[5–6]。因此，本文嘗試收集船舶AIS提供的壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)，通過研究1 000余艘散貨船的壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)，給出不同噸級(jí)散貨船基于一定保證率的船舶壓載吃水值。為解決船舶壓載吃水的取值問題提供一種新的解決思路。

1 船舶壓載吃水取值研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究主要是經(jīng)驗(yàn)公式以及利用船舶的船型特點(diǎn)，以橫向、縱向受風(fēng)面積為切入點(diǎn)開展研究分析。

1）經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)海運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，船舶空船壓載后的吃水，至少應(yīng)該達(dá)到夏季滿載吃水的50%，冬季航行因?yàn)轱L(fēng)浪較大，應(yīng)使其達(dá)到夏季滿載吃水的55%以上[7]。該參考數(shù)據(jù)是船舶駕駛員在生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，也是航海類圖書資料中給出的指導(dǎo)參數(shù)。但是該參數(shù)取值較粗糙，對(duì)不同的船型未區(qū)別對(duì)待。

2）依據(jù)船舶橫、縱向受風(fēng)面積AXW，AYW進(jìn)行分析

有學(xué)者根據(jù)照片與實(shí)物比尺相似原理[8]，依據(jù)受風(fēng)面積對(duì)港口系泊船舶受風(fēng)高度進(jìn)行分析。同理，也可通過收集不同噸級(jí)的散貨船圖片，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再結(jié)合AXW對(duì)船舶壓載吃水取值進(jìn)行分析。然而，船舶縱軸向斷面尺寸較復(fù)雜，并且不同船型的斷面尺寸變化較大，因而很難找到合適并且統(tǒng)一的AXW=f（h）函數(shù)[2]。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1）國(guó)際海事組織（IMO）公式

船舶空載航行時(shí)最小平均吃水Tmin=0.02Lbp+2.0，式中：Tmin為船舶最小平均吃水，Lbp為船舶垂線間長(zhǎng)。該公式計(jì)算較為簡(jiǎn)便，但僅涉及船舶垂線間長(zhǎng)一個(gè)參數(shù)，對(duì)不同類型的船舶未進(jìn)行區(qū)別計(jì)算，在港口工程設(shè)計(jì)中具有一定的局限性[1]。

2）日本港口研究所（PHRI）公式

2 船載AIS壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2.1 壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)的收集

為了確保船舶壓載吃水選取值與實(shí)際相符，按照散貨船的不同噸位，本文統(tǒng)計(jì)了大量當(dāng)前營(yíng)運(yùn)船舶實(shí)際壓載吃水情況。數(shù)據(jù)收集的方法主要通過船載AIS數(shù)據(jù)收集，船務(wù)公司數(shù)據(jù)收集和引航部門數(shù)據(jù)收集作為補(bǔ)充。

采用AIS數(shù)據(jù)收集的原因有2個(gè)：首先，AIS設(shè)備提供船舶的航次相關(guān)信息。航次相關(guān)信息由船舶駕駛員手動(dòng)輸入，隨航次的不同而更新，其中包括船舶吃水信息。因此，AIS數(shù)據(jù)中的船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)可以真實(shí)地反映出船舶的壓載狀態(tài)。其次，AIS在船舶上的應(yīng)用極為廣泛，幾乎所有船舶都配備有AIS設(shè)備，這也為擴(kuò)大壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)收集樣本提供了便利。

船務(wù)公司通常需要了解其管轄船舶的航次信息，其中就包括船舶吃水信息。同樣，船舶申請(qǐng)引航時(shí)需提供船舶相關(guān)信息，其中也包括船舶實(shí)際吃水，以便引航部門做出引航任務(wù)決策和相關(guān)安排。因此，選擇船務(wù)公司數(shù)據(jù)收集和引航部門數(shù)據(jù)收集作為必要的補(bǔ)充。

2.2 壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)的處理分析

通過船載AIS數(shù)據(jù)收集、船務(wù)公司數(shù)據(jù)收集和引航部門數(shù)據(jù)收集3種數(shù)據(jù)收集方法得到的各噸級(jí)散貨船的統(tǒng)計(jì)數(shù)量如表1所示，本文共收集得到1 031艘各噸級(jí)散貨船的壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)。本次研究主要針對(duì)較大型船舶，35 000噸級(jí)及以上的船舶數(shù)量占到了統(tǒng)計(jì)總量的93%。

表 1 各噸級(jí)散貨船統(tǒng)計(jì)數(shù)量表Tab. 1 Statistical quantity table for each ton bulk carrier

對(duì)收集到的處于壓載狀態(tài)的各種噸級(jí)散貨船的吃水值數(shù)據(jù)，利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出不同保證率下（50%，80%，85%，90%，95%）的壓載吃水值，如表2所示。

由圖1可知，不同保證率下的船舶壓載吃水值在50 000～100 000 DWT，120 000～200 000 DWT，250 000～300 000 DWT變化規(guī)律基本一致。不同保證率下的船舶壓載吃水值在100 000～120 000 DWT，200 000～250 000 DWT產(chǎn)生了明顯的跳躍性。

表 2 各噸級(jí)散貨船不同保證率下的壓載吃水值Tab. 2 Ballast draft at different guaranteed rates for each ton bulk carrier

3 對(duì)比分析

綜合分析船舶壓載吃水取值的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，考慮到依據(jù)船舶橫向受風(fēng)面積AXW進(jìn)行分析以及依據(jù)船舶縱向受風(fēng)面積AYW進(jìn)行分析2種方法都存在一定的局限性。本文選取行業(yè)認(rèn)可度較高且應(yīng)用較為廣泛的海運(yùn)經(jīng)驗(yàn)公式（以下簡(jiǎn)稱“50%T公式”）、國(guó)際海事組織（IMO）公式（以下簡(jiǎn)稱“IMO公式”）、日本港口研究所（PHRI）公式（以下簡(jiǎn)稱“PHRI公式”）3種計(jì)算方法與船舶壓載吃水實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

通過收集《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中的設(shè)計(jì)船型尺度數(shù)據(jù)，利用50%T公式、IMO公式、PHRI公式對(duì)各噸級(jí)船型數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表 3 各噸級(jí)散貨船壓載吃水不同算法結(jié)果對(duì)比表Tab. 3 Results of different algorithms for the ballast draft of each ton bulk carrier

在海運(yùn)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算中取滿載吃水的50%作為壓載吃水計(jì)算值。在國(guó)際海事組織（IMO）公式的計(jì)算中，本文以總長(zhǎng)近似代替垂線間長(zhǎng)代入計(jì)算獲得壓載吃水計(jì)算值。在日本港口研究所（PHRI）公式的計(jì)算中，散貨船的α、β分別取0.551、0.993計(jì)算壓載吃水值。

將50%保證率、50%T公式、IMO公式、PHRI公式計(jì)算值進(jìn)行比較分析，得到如圖2所示的對(duì)比圖。

綜合分析表3及圖2的計(jì)算數(shù)據(jù)，可以看出：

1）50%保證率的曲線基本位于50%T公式、IMO公式曲線的上方，即實(shí)測(cè)壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)的50%保證率取值基本涵蓋了50%T公式、IMO公式計(jì)算值的取值范圍。50%保證率的曲線基本位于50%T公式曲線和PHRI公式曲線之間。但在小于50 000噸級(jí)時(shí)，50%保證率的取值要大于PHRI公式的取值。在250 000噸級(jí)時(shí)，50%保證率的取值大于PHRI公式的取值。

2）80%，85%，90%，95%的保證率曲線均位于50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲線上方?？梢哉J(rèn)為50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲線給出了船舶壓載吃水的理論計(jì)算取值下限，在船舶的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，根據(jù)實(shí)際情況的不同，大多數(shù)船舶的壓載吃水值大于給定的理論計(jì)算取值下限。

3）50%T公式與PHRI公式曲線的變化規(guī)律基本一致，IMO公式曲線與50%T公式及PHRI公式曲線偏差較大。且船型越大，偏差越明顯。這說明50%T公式及PHRI公式的取值比IMO公式的取值更保守。IMO公式曲線與50%保證率的曲線相比，也存在船型越大偏差越明顯的現(xiàn)象。這說明船舶在實(shí)際生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)過程中，從保證船舶營(yíng)運(yùn)安全的角度考慮，壓載吃水的取值也比較保守。

4 結(jié)論與建議

1）IMO公式給出的船舶壓載吃水是保證船舶航行安全的最低要求，船舶在實(shí)際營(yíng)運(yùn)過程中，船舶壓載吃水的取值要大于該要求，且船型越大，船舶壓載吃水的取值越保守。

2）本文中各噸級(jí)船舶的壓載吃水樣本數(shù)據(jù)包括了船舶的各種載態(tài)情況，相比于依據(jù)船舶縱向受風(fēng)面積AYW進(jìn)行分析的方法更具有一般性和代表性。

3）本文收集的船舶壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)真實(shí)有效，是船舶生產(chǎn)和營(yíng)運(yùn)過程中壓載吃水的真實(shí)反映。通過對(duì)船載AIS數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到不同保證率下（50%，80%，85%，90%，95%）的壓載吃水值，可以為生產(chǎn)實(shí)踐中的船舶壓載吃水取值研究提供參考，在港口工程設(shè)計(jì)等工作中具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4）以散貨船為例，通過統(tǒng)計(jì)分析大量的AIS數(shù)據(jù)，給出了散貨船壓載吃水的取值。為解決船舶壓載吃水的取值問題提供一種新的解決思路。在今后的研究中，可以借鑒該思路，按照雜貨船、散貨船、集裝箱船等不同船舶類型、不同噸級(jí)收集AIS數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析得出壓載吃水取值。

5）對(duì)于各船型船舶壓載吃水，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中尚未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。在將來規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的編寫過程中，可以借鑒本文提出的研究方案開展相關(guān)研究。

[ 1 ]杜安民, 陳志強(qiáng). 船舶壓載吃水估算方法探討[J]. 中國(guó)港灣建設(shè), 2015, 35(6): 38–40. DU An-min, CHEN Zhi-qiang. Discussion on calculation methods about ship ballast draught[J]. China Harbour Engineering, 2015, 35(6): 38–40.

[ 2 ]劉勝. 港口系泊船舶壓載吃水取值研究[J]. 交通科學(xué)與工程, 2013, 29(3): 63–66. LIU Sheng. Research on the port mooring ships’ ballast draft[J]. Journal of Transport Science and Engineering, 2013, 29(3): 63–66.

[ 3 ]胡菠. 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)特性的新要求[J]. 航海技術(shù), 2010(6) : 37–39. HU Bo. New requirements for the technical characteristics of the automatic identification system for ships[J]. Navigation Technology, 2010(6): 37–39.

[ 4 ]關(guān)政軍, 劉彤. 航海儀器[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2009: 145–146. GUAN Zheng-jun, LIU Tong. Navigation equipment[M]. Dalian: Dalian Maritime University Press, 2009: 145–146.

[ 5 ]蔡新梅. AIS應(yīng)用與發(fā)展[J]. 機(jī)電設(shè)備, 2011, 28(2): 28–30, 40. CAI Xin-mei. Application and development of AIS[J]. Mechanical and Electrical Equipment, 2011, 28(2): 28–30, 40.

[ 6 ]劉志剛. 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在船舶交通管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 船海工程, 2007, 36(2): 123–125. LIU zhi-gang. Application of the influence of the automatic identification system in the vessel traffic service system[J]. Ship & Ocean Engineering, 2007, 36(2): 123–125.

[ 7 ]杜嘉立, 姜華. 船舶原理[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2011: 75–76. DU Jia-li, JIANG Hua. Ship principle[M]. Dalian: Dalian Maritime University Press, 2011: 75–76.

[ 8 ]劉勝. 港口系泊船舶受風(fēng)高度取值問題研究[J]. 水運(yùn)工程, 2013(6): 46–48. LIU Sheng. Port mooring ship's wind height problem[J]. Port & Waterway Engineering, 2013(6): 46–48.

[ 9 ]JTS144-1-2010, 港口工程荷載規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2010. JTS144-1-2010, Load code for harbour engineering[S]. Beijing: China Communications Press, 2010.

[10]THORESEN Carl A. Port designer's handbook[M]. 3d ed. London: Thomas Telford Limited, 2014.

[11]JTS165-2013, 海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2014. JTS165-2013, Overall design code for sea ports[S]. Beijing: China Communications Press, 2014.

Determining the bulk carriers’ ballast draft based on AIS data

MA Xiao-bo, DAI Ran, SHOU Zhi-yu, WANG Han-tao
(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Considering the bulk carrier ballast draft is a very important parameter in the ship mooring force calculation under ballast condition as well as Clearance height of bridge design. But in port engineering, there is no perfect calculation method. Ship type information of the current specifications and relevant standards also does not mention. Through statistical analysis of ballast draft values from bulk carriers carrying AIS, ballast draft values of different ton bulk carriers under different cumulative frequency were gotten. Compare the statistical results with the calculated results of several domestic and foreign methods, then provide a reference for the study of ballast draft and modification of codes.

bulk carrier；ballast draft；AIS；cumulative frequency

U691

A

1672 – 7649(2017)08 – 0051 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.011

2016 – 07 – 14；

2016 – 08 – 02

交通運(yùn)輸部水運(yùn)局海輪船舶水上高度調(diào)查分析專題研究資助項(xiàng)目([2012]404號(hào))；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3132013016)；遼寧省東港市獐島碼頭工程通航安全評(píng)估資助項(xiàng)目(80815040-92)

馬曉波(1990 – )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇爸悄芑?/p>