內(nèi)河船舶系泊布置設(shè)計(jì)研究

吳 彬 俞 赟 何夏茵

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

近年來(lái)，內(nèi)河水運(yùn)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)的重視，內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展將成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)有力的重要支撐點(diǎn)，也是我國(guó)一個(gè)整體的戰(zhàn)略目標(biāo)和重要的對(duì)策［1］。內(nèi)河水運(yùn)具有運(yùn)量大、運(yùn)價(jià)低、能耗省、占地少、污染輕以及安全等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，適合長(zhǎng)距離大宗貨物運(yùn)輸，是綜合運(yùn)輸中最符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求且最節(jié)約能源和資源的綠色運(yùn)輸方式，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)［2］。

內(nèi)河航運(yùn)不斷發(fā)展，在帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也使內(nèi)河船舶數(shù)量日益增多、航行密度不斷增大；而內(nèi)河河道彎曲、水文復(fù)雜，使內(nèi)河船舶航行安全日趨嚴(yán)峻，船舶碰撞事故時(shí)有發(fā)生［3］。保證船舶的安全，除保證其航行安全之外，也要保證船舶在碼頭時(shí)的系泊安全。在惡劣的環(huán)境條件下，系泊船舶對(duì)碼頭的撞擊既可能造成纜繩斷裂和船舶結(jié)構(gòu)損傷，也可能引發(fā)危及碼頭安全等相關(guān)事故［4］。

本文以某型三峽升船機(jī)船型滾裝船所設(shè)計(jì)的系泊布置的特點(diǎn)為例，探討內(nèi)河船舶系泊布置設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 限制條件

內(nèi)河船舶因其自身的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)系泊布置時(shí)，應(yīng)考慮以下限制條件：

（1）船舶設(shè)計(jì)的總體布局需求，即系泊布置功能區(qū)的范圍限定。

（2）船舶靠離碼頭的使用需求。內(nèi)河船舶?？康拇a頭多為浮式躉船碼頭，圖1所示為某型內(nèi)河船舶靠泊時(shí)船尾超出浮式躉船碼頭范圍。

圖1 某型內(nèi)河船舶靠泊時(shí)船尾超出浮式躉船碼頭范圍

（3）船舶通航船閘或通航升船機(jī)的使用需求。內(nèi)河船舶的營(yíng)運(yùn)航線可能會(huì)經(jīng)過(guò)船閘或升船機(jī)，如長(zhǎng)江流域的葛洲壩船閘和三峽升船機(jī)、珠江流域的長(zhǎng)洲船閘和巖灘升船機(jī)、閩江流域的沙溪口船閘和水口升船機(jī)等。圖2所示為按間距設(shè)置浮式系纜樁的船閘閘室，圖3所示為按間距設(shè)有系纜樁的升船機(jī)承船廂。

圖2 按間距設(shè)置浮式系纜樁的船閘閘室

圖3 按間距設(shè)有系纜樁的升船機(jī)承船廂

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 環(huán)境條件的確定

內(nèi)河船舶的系泊布置設(shè)計(jì)，與其靠泊碼頭的環(huán)境條件息息相關(guān)。

按中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016），以下簡(jiǎn)稱(chēng)《鋼內(nèi)規(guī)》，不同航區(qū)航段的水流和波浪情況見(jiàn)表1。［5］

表1 航區(qū)航段分級(jí)

按可查得的風(fēng)速與有義波高的關(guān)系表，有義波高2.0 m對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為10 m/s，有義波高1.25 m對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為8 m/s，有義波高0.5 m對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為4 m/s。

2.2 舾裝數(shù)計(jì)算

按《鋼內(nèi)規(guī)》，舾裝數(shù)計(jì)算的主要要求和公式如下：

各種航行裝載工況下船舶的舾裝數(shù)N應(yīng)按式（1）計(jì)算確定。

式中：Ls為計(jì)算工況下的水線長(zhǎng)度，m；B為船寬，m；ds為計(jì)算工況下船舯處的吃水，m；b為上層建筑、甲板室圍壁、裝載集裝箱等貨物（如有時(shí)）在船舶橫剖面上的最大投影寬度，m；H為在船體中縱剖面處計(jì)算工況吃水線以上主體及上層建筑（甲板室）各層寬度大于B/4艙室、裝載集裝箱等貨物（如有時(shí)）在船舶橫剖面上的投影高度之和（不重復(fù)計(jì)入），m；S為計(jì)算工況吃水線以上主體及上層建筑（甲板室）的側(cè)投影面積，m2；K1、K2為系數(shù)，按《鋼內(nèi)規(guī)》第1篇第3章第4節(jié)3.4.2.1，根據(jù)航區(qū)、船長(zhǎng)、船型、流域等的不同進(jìn)行選取。

跨航區(qū)船舶，舾裝數(shù)取不同航區(qū)計(jì)算值之大者。［5］應(yīng)特別注意 ：《鋼內(nèi)規(guī)》（2014）第 1篇第3章第4節(jié)3.4.2.1中，舾裝數(shù)計(jì)算公式的ds為滿(mǎn)載設(shè)計(jì)吃水，系數(shù)K1和K2的取值與《鋼內(nèi)規(guī)》有很大差異；而《鋼內(nèi)規(guī)》（2019修改通報(bào)），將系數(shù)K1和K2的取值又作了調(diào)整。

2.3 系泊設(shè)備的選型

按《鋼內(nèi)規(guī)》，系泊設(shè)備選型的主要要求如下：

（1）船上所配備的系船索應(yīng)根據(jù)舾裝數(shù)按《鋼內(nèi)規(guī)》第1篇第3章第4節(jié)3.4.3.1規(guī)定的最小破斷拉力選取。系船索的數(shù)量根據(jù)船舶種類(lèi)和營(yíng)運(yùn)條件確定，若船東要求，可適當(dāng)增加或減少。

（2）系船索可以是鋼絲繩、植物纖維繩或合成纖維繩。

（3）系船索的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)船舶種類(lèi)和營(yíng)運(yùn)條件確定。

（4）系纜樁的數(shù)量應(yīng)根據(jù)船舶種類(lèi)、營(yíng)運(yùn)條件和結(jié)構(gòu)形式確定。舷墻上應(yīng)開(kāi)設(shè)導(dǎo)纜孔，孔與樁之間需相互偏移足夠距離；如果無(wú)舷墻或舷墻較高，則應(yīng)設(shè)導(dǎo)纜鉗。

（5）系纜樁、導(dǎo)纜鉗等系泊設(shè)備應(yīng)根據(jù)所選配的系船索尺寸和破斷力選用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)尺寸。如若自行設(shè)計(jì)，則按所選配的系船索的破斷力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，其許用應(yīng)力應(yīng)不大于材料屈服極限的95%。［5］

針對(duì)上述要求，系泊附件建議優(yōu)選ISO標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)清晰、選型明確、給出強(qiáng)度計(jì)算方法。如帶纜樁標(biāo)準(zhǔn)ISO 13795，經(jīng)研究，帶纜樁設(shè)計(jì)可靠，在腐蝕和磨損方面均妥善考慮，從而提高船舶的安全性，減少船舶事故方面的經(jīng)濟(jì)損失。［6］

2.4 系泊布置設(shè)計(jì)和限制條件的匹配

內(nèi)河船舶的系泊布置，應(yīng)根據(jù)限制條件，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.4.1 與船型總體布局匹配

模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control, MPC)能夠有效處理非精確建模的多變量非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，被看作是處理隨機(jī)多階優(yōu)化問(wèn)題的有效手段之一，從而在供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域中得以有效應(yīng)用[1-8]。MPC可以通過(guò)一個(gè)優(yōu)化函數(shù)有效跟蹤渠道的庫(kù)存水平以滿(mǎn)足客戶(hù)需求，該被優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以是供應(yīng)鏈績(jī)效的一個(gè)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量值。在存在干擾和隨機(jī)需求下，模型預(yù)測(cè)控制可以實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性和魯棒性。

按《鋼內(nèi)規(guī)》的設(shè)計(jì)要求，以船舶相應(yīng)的航區(qū)、航段、船長(zhǎng)、船型和流域等信息，進(jìn)行舾裝數(shù)的計(jì)算和系泊設(shè)備的選型，確定系船索的數(shù)量和最小破斷負(fù)荷。

按船型進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)，確定系泊功能區(qū)的位置和大小，以確定的系船索數(shù)量和最小破斷負(fù)荷，初步設(shè)計(jì)船舶的系泊布置。一般說(shuō)來(lái)，船舶首尾區(qū)域在全船寬范圍內(nèi)都應(yīng)劃定為系泊功能區(qū)，系泊功能區(qū)的長(zhǎng)度按船型不同相對(duì)差異較大，但應(yīng)至少滿(mǎn)足較為適宜的系泊布置，并應(yīng)考慮系纜操作的方便性和船員通道的安全性。

2.4.2 與碼頭系泊匹配

內(nèi)河船舶的營(yíng)運(yùn)航線較為固定，應(yīng)充分了解船舶?？看a頭的允許系泊情況，對(duì)初步設(shè)計(jì)的系泊布置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。此時(shí)，應(yīng)充分考慮到如圖1所示的情況：浮式躉船碼頭因泊位空間有限，在多船同時(shí)靠泊碼頭時(shí)，易出現(xiàn)船舶?？繒r(shí)其船首或船尾超出碼頭范圍的情況。因此，有必要在船舯區(qū)域增設(shè)系泊功能區(qū)，使碼頭系泊更為可靠和穩(wěn)妥。

2.4.3 與通航船閘或升船機(jī)匹配

內(nèi)河船舶的營(yíng)運(yùn)航線在不同的水域，通航的船閘或升船機(jī)也不盡相同，船舶往往需要在船閘閘室或升船機(jī)承船廂內(nèi)進(jìn)行系纜操作。船閘閘室一般為垂直水泥壁，其內(nèi)按間距設(shè)置浮式系纜樁，如前頁(yè)圖2所示；升船機(jī)承船廂為自帶鋼質(zhì)護(hù)舷的鋼制結(jié)構(gòu)，其平臺(tái)上按間距設(shè)有系纜樁，如前頁(yè)圖3所示。按照船舶所通航的船閘閘室或升船機(jī)承船廂內(nèi)的系纜樁布置（如通航升船機(jī)，則應(yīng)匹配船舶主尺度），基于已匹配碼頭情況的系泊布置，再進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；對(duì)于船舯區(qū)域設(shè)置的系泊功能區(qū)，應(yīng)注重與系纜樁布置相匹配，從而兼顧船閘閘室或升船機(jī)承船廂內(nèi)的系纜操作的方便性，并充分考慮船閘閘室內(nèi)船對(duì)船臨時(shí)系泊的系纜操作的方便靈活。

2.4.4 系泊計(jì)算復(fù)核（可選）

《系泊設(shè)備指南》（MEG4）［7］中的系泊計(jì)算，是對(duì)船舶系泊布置設(shè)計(jì)與環(huán)境條件進(jìn)行的匹配計(jì)算，方法是通用的。雖然其描述是適用于液貨船，但對(duì)其他船型同樣具有指導(dǎo)意義。

按上述設(shè)計(jì)確定最終系泊布置后，以《鋼內(nèi)規(guī)》所要求的環(huán)境條件為基準(zhǔn)，復(fù)核系泊布置是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，《鋼內(nèi)規(guī)》對(duì)系泊計(jì)算，未有相關(guān)要求或計(jì)算公式。參照《系泊設(shè)備指南》（MEG4）中的相關(guān)內(nèi)容，公式如式（2）至式（7）所示［7］，坐標(biāo)體系見(jiàn)圖2。

式（2）至式（7）中：FXw和FXc為縱向風(fēng)力和縱向流力，N；FYw和FYc為側(cè)向風(fēng)力和側(cè)向流力，N；MXYw和MXYc為偏轉(zhuǎn)風(fēng)力矩和偏轉(zhuǎn)流力矩，N·m；CXw和CXc為縱向風(fēng)阻系數(shù)和縱向流阻系數(shù)；CYw和CYc為橫向風(fēng)阻系數(shù)和橫向流阻系數(shù)；CXYw和CXYc為偏轉(zhuǎn)風(fēng)力矩系數(shù)和偏轉(zhuǎn)流力矩系數(shù)；ρw和ρc為空氣密度和水密度，kg/m3；Vw和Vc為風(fēng)速和流速，m/s；AT和AL為船舶的正投影面積和船舶的側(cè)投影面積，m2；LBP為船舶的垂線間長(zhǎng)，m；T為船舶的吃水，m。［7］

圖4 《系泊設(shè)備指南》（MEG4）規(guī)定的系泊計(jì)算坐標(biāo)體系

綜上所述，內(nèi)河船舶因航區(qū)、航段、船長(zhǎng)、船型、流域等的不同，依自身特點(diǎn)，除了在船舶首尾區(qū)域設(shè)計(jì)系泊布置外，船舯的必要區(qū)域也應(yīng)按需設(shè)計(jì)系泊布置。

3 實(shí)船案例

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，下文以筆者參與設(shè)計(jì)的某型三峽升船機(jī)船型滾裝船實(shí)船案例，探討內(nèi)河船舶系泊布置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3.1 主尺度

該型船的主尺度見(jiàn)下頁(yè)表2。

3.2 舾裝數(shù)計(jì)算值及系船索的規(guī)范選型

根據(jù)《鋼內(nèi)規(guī)》的舾裝數(shù)計(jì)算公式，即式（1），該型船的舾裝數(shù)計(jì)算值為4862，在“序號(hào)37（4700～5000）”這一檔，按“系船索選型表”，其應(yīng)滿(mǎn)足的要求見(jiàn)表3。

表2 某型三峽升船機(jī)船型商品汽車(chē)滾裝船主尺度 m

3.3 系船索的實(shí)際選型及系泊布置設(shè)計(jì)

根據(jù)表3要求，該型船系船索的實(shí)際選型見(jiàn)表4，系船索均為鋼絲繩。

依據(jù)表4，以該型船確定的系泊功能區(qū)的位置和大小來(lái)設(shè)計(jì)系泊布置，該型船設(shè)計(jì)的系泊布置如圖5和下頁(yè)圖6所示。

表3 《鋼內(nèi)規(guī)》的系船索選型要求

表4 該型船的系船索的實(shí)際選型

圖5 船舯的系泊布置

3.4 系泊計(jì)算復(fù)核結(jié)果

該型船的系泊計(jì)算，按表1確定風(fēng)速為10 m/s；因內(nèi)河碼頭的環(huán)境條件不考慮表1中的灘上流速，參照中國(guó)船級(jí)社的《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《鋼規(guī)》）第2篇第3章第2節(jié)3.2.1.1中的假定最大流速2.5 m/s。按式（2）-（7）計(jì)算可得風(fēng)力和流力，對(duì)船舶進(jìn)行受力分析計(jì)算，碼頭情況的流力方向以正船尾或正船首考慮，風(fēng)力方向以每30°進(jìn)行考慮，對(duì)流力和風(fēng)力進(jìn)行疊加計(jì)算，以下頁(yè)圖7的典型碼頭系泊布置，得出該型船所需系船索（鋼絲繩）的最小破斷負(fù)荷為113.7 kN；查表4，選型滿(mǎn)足。

圖6 船尾和船首的系泊布置

圖7 典型碼頭系泊布置

4 案例分析

4.1 規(guī)范探討

規(guī)范要求是船舶設(shè)計(jì)輸入的重要準(zhǔn)則之一，其對(duì)設(shè)計(jì)系泊布置影響很大。除特別說(shuō)明外，內(nèi)河船舶的設(shè)計(jì)均應(yīng)適用《鋼內(nèi)規(guī)》，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到內(nèi)河船舶的設(shè)計(jì)與海船的設(shè)計(jì)存在顯著差異。依筆者經(jīng)驗(yàn)，《鋼內(nèi)規(guī)》對(duì)系船索選型的考慮主要可歸納為以下幾點(diǎn)，內(nèi)河船舶在設(shè)計(jì)系泊布置時(shí)應(yīng)知悉。

（1）由于內(nèi)河航道相對(duì)狹窄，內(nèi)河碼頭空間有限，需要保證船舶具備較好的碼頭定位能力；內(nèi)河船舶單程航行周期相對(duì)較短，空載靠泊碼頭的等待時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；故應(yīng)提高船舶所受的側(cè)向風(fēng)力的因子系數(shù)，并需核算輕載和滿(mǎn)載時(shí)的不同側(cè)投影面積的影響，保證船舶在碼頭靠泊時(shí)具有足夠安全性。

（2）《鋼內(nèi)規(guī)》指出，系船索的數(shù)量和長(zhǎng)度、系纜樁的數(shù)量，應(yīng)根據(jù)船舶種類(lèi)和營(yíng)運(yùn)條件確定；這意味著內(nèi)河的不同碼頭之間存在著硬件設(shè)施的差異，不同的船型所?？康膬?nèi)河碼頭也有很大區(qū)別。因此，內(nèi)河船舶的系船索選型應(yīng)考慮現(xiàn)有同類(lèi)型船舶的選型參考以及船東的用船經(jīng)驗(yàn)和船舶所靠泊碼頭的允許系泊情況。

（3）《鋼內(nèi)規(guī)》對(duì)系船索的選型區(qū)分了其中（一）、其中（二）和其中（三），內(nèi)河船舶的船長(zhǎng)，可基于自身豐富的操船經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)當(dāng)時(shí)船舶所靠泊碼頭的環(huán)境條件，選擇其中（一）或其中（二）或其中（三）中的系船索進(jìn)行帶纜操作，在極端惡劣的情況下可同時(shí)使用。

4.2 系泊布置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)實(shí)船案例中系船索的實(shí)際配置和設(shè)計(jì)的系泊布置，結(jié)合我們的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)內(nèi)河船舶系泊布置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）《鋼內(nèi)規(guī)》第1篇第3章第4節(jié)未指出錨泊設(shè)備和系泊設(shè)備選型所基于的環(huán)境條件，按其總則部分“航區(qū)航段分級(jí)表”中體現(xiàn)的有義波高（見(jiàn)表1）轉(zhuǎn)換的風(fēng)速為10 m/s，結(jié)合《鋼規(guī)》所假定的最大流速2.5 m/s，即為內(nèi)河船舶系船索選型所基于的環(huán)境條件。

（2）了解到內(nèi)河船舶的系船索情況，鋼絲繩被廣泛采用，設(shè)計(jì)系泊布置時(shí)應(yīng)充分考慮。鋼絲繩的伸長(zhǎng)率較小，在船舶帶纜多根鋼絲繩且均受力的情況下，船舶的位置基本上已被限定；而植物纖維或合成纖維的纜繩，由于伸長(zhǎng)率相對(duì)較大，哪怕是在多根同時(shí)受力的情況下，船舶的位置仍會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大移動(dòng)，這對(duì)于有限的內(nèi)河碼頭空間是不利的。

（3）可對(duì)內(nèi)河船舶系船索的實(shí)際選型進(jìn)行計(jì)算分析，復(fù)核系泊布置的設(shè)計(jì)安全性；也可進(jìn)一步基于設(shè)計(jì)的系泊布置，計(jì)算其可承受的最大環(huán)境條件，為船東的碼頭系泊提供指導(dǎo)。

（4）內(nèi)河碼頭多為浮式躉船碼頭，因碼頭泊位空間有限，常出現(xiàn)船首或船尾超出碼頭范圍的情況。此時(shí)，系泊布置的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注船首鋼絲繩首纜或船尾鋼絲繩尾纜，在條件允許的情況下，超出碼頭的船首或船尾也應(yīng)帶好鋼絲繩，進(jìn)一步提高船舶在碼頭上的定位能力。

（5）針對(duì)滾裝船型，在碼頭靠泊時(shí)，系泊布置的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮車(chē)輛裝卸的影響，包括車(chē)輛裝卸的方便性和軌跡、車(chē)輛裝卸時(shí)的船舶浮態(tài)等；且為了更好地提高船舶在碼頭上的定位能力，內(nèi)河船舶基本上都是頂流靠泊。

（6）《鋼內(nèi)規(guī)》指出：系船索的數(shù)量、長(zhǎng)度以及系纜樁的數(shù)量，均應(yīng)根據(jù)船舶種類(lèi)和營(yíng)運(yùn)條件確定；且如若船東要求，可適當(dāng)增加或減少系船索的數(shù)量。據(jù)此，在進(jìn)行系泊布置設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)船型特點(diǎn)，應(yīng)考慮船舶營(yíng)運(yùn)條件和所靠泊碼頭的情況，并與船東進(jìn)行充分的溝通交流，確定系泊布置。每位船東都可能會(huì)有依據(jù)船型而形成的系泊布置習(xí)慣和帶纜操作習(xí)慣，一般只要不出現(xiàn)明確的不合理性或與規(guī)范不符，都應(yīng)滿(mǎn)足船東的設(shè)計(jì)需求。

（7）內(nèi)河船舶除了在船舶首尾區(qū)域設(shè)計(jì)系泊布置外，船舯的必要區(qū)域也應(yīng)按需設(shè)計(jì)系泊布置，以更好地匹配碼頭系泊、船閘或升船機(jī)系泊和船對(duì)船臨時(shí)系泊，使系纜操作更加便利。

5 結(jié) 語(yǔ)

內(nèi)河船舶系泊布置的設(shè)計(jì)，應(yīng)首先滿(mǎn)足《鋼內(nèi)規(guī)》的要求，綜合考慮內(nèi)河碼頭情況，兼顧通航船閘特別是通航升船機(jī)的使用需求，遵循必要的操作習(xí)慣和帶纜方便性，可通過(guò)計(jì)算復(fù)核設(shè)計(jì)的安全性，同時(shí)也應(yīng)滿(mǎn)足船東的定制化需求。

作為設(shè)計(jì)者，應(yīng)充分考慮到內(nèi)河船舶航行水域的顯著特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)系泊布置，保證船舶的營(yíng)運(yùn)安全和操作便利，確保經(jīng)濟(jì)效益。