淺析淺水對港內(nèi)船舶操縱的影響

劉春陽

（渤海大學，遼寧 錦州 121013）

0 引言

港內(nèi)船舶在運輸行駛過程中，出現(xiàn)在淺水海域的機率相對較高，因此駕引人員必須采取科學完善的控制措施，全面充分發(fā)揮出車、舵、錨等有關(guān)裝置設(shè)備的價值，并通過與港內(nèi)拖輪的協(xié)作，進一步增強船舶在淺水海域中運行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

1 淺水域的基本概念

船舶有規(guī)格尺寸的劃分方式，精準地確定此范圍內(nèi)是否為淺水海域，必須根據(jù)水面的具體深淺和船舶的標準吃水比例h/d值加以判斷。目前，在國際上并不能針對淺水海域給出明確統(tǒng)一的概念界定，針對于普通運輸船舶，通常將水深分成以下4種范圍：標準深水（h/d＞3.0）、中等水深（1.5＜h/d＜3.0）、淺水（1.2＜h/d＜1.5）、超淺水（h/d＜1.2）。此外，從一海域?qū)Υ暗牟倏v以及船體運動的影響考慮，即可通過船舶的運動狀況來確定該海域是否屬淺水海域。

針對淺水海域?qū)Υ暗膶嶋H行駛所產(chǎn)生的影響，考慮以下方面：

1）研究艦船橫向飛行運動中的橫向水動能和橫向水運動距值問題 ；

2）研究船舶在實際運動過程中遇到的阻礙程度 ；

3）研究艦船控制穩(wěn)定性的作用問題。

2 淺水對港內(nèi)船舶運動狀況，以及船舶操縱的具體影響

2.1 增加橫向水動力和水動力力矩

港內(nèi)船舶在淺水海域行駛過程中，船舶周圍水體的流動性和在深海域中具有一定的區(qū)別。在深水海域行駛時，船舶的首部和尾部周圍水體流淌具有向三維空間上流淌的特點。船首水體流淌一般是向二側(cè)分散并直至后方向，具有明顯向下的流淌特征；而在船尾周圍水體的流淌則從二側(cè)向縱中剖面，并向后移動，能夠直觀發(fā)現(xiàn)其帶有明顯上升的特點。在淺水體上，由于船舶的首部位置和頭尾位置的流動性，經(jīng)常要受外部各種因素的阻礙與沖擊，包括空間、位置的制約等，在上述各種因素的共同作用下，根據(jù)較深水體的三維運動特性，將相對流動規(guī)律由三維空間流轉(zhuǎn)迅速地轉(zhuǎn)變?yōu)槎S平面式流動，會使作業(yè)人員呈現(xiàn)船舶前后方向不同的水流變化[1]。

2.2 增加船舶的縱向阻力

船舶在淺海域行駛階段，由于整條船體周圍的壓強形成了動態(tài)性改變，船底水流會因航速的提高而進一步增加摩擦阻力，同時由于船體周圍壓強的減小，導致了船舶速度下降，且吃水深度增加，擴大了濕海域面積。這體現(xiàn)出海域深淺和吃水以及行駛速率之間的互相關(guān)聯(lián)，在水深越淺，行駛速率也越大的狀況下，船舶的摩擦阻力便會愈來愈大。當船舶在淺海域行駛時，船中的低壓區(qū)域逐步朝向尾部區(qū)域擴展，從而導致船舶速度總體下降，且總體縱傾的情況逐漸加重[2]。在淺水域中發(fā)生興波的增加便提高了興波阻力，在淺水中使螺旋槳附近的渦流增加從而削弱了推進器的效能。上述各種因素的疊加結(jié)果，使船舶行駛時航速逐步降低，從中發(fā)現(xiàn)增加的摩擦力或減少推進器的效能均會使船舶發(fā)生降速現(xiàn)象。

2.3 加劇船體下沉和縱傾

在船舶的前進階段，將船首處的流速逐漸地向左邊和右邊2個方位排開，船首處和船中的水流態(tài)產(chǎn)生了急劇改變，使得整個河流的速度也產(chǎn)生了改變，在船頭和車尾處形成了高壓區(qū)，而在船中部位則形成了低溫區(qū)。在船舶加速的過程中，由于整個河流速度都比船舶正常行駛的速度要快很多，這也使得船舶附近的水位不斷降低，從而形成了船舶沉沒現(xiàn)象。但是在淺海水體中船舶沉沒的程度也比較劇烈，甚至出現(xiàn)了船底和潛艦接觸碰撞的情況。在淺水中船舶縱傾的改變，也較在深水中顯著。淺水中船舶沉降和縱傾改變的主要特征如下：

1）較低行船時間內(nèi)就開始出現(xiàn)了船舶的沉沒現(xiàn)象；

2）隨著行船時間上升，沉沒率增加率也較在深水中大；

3）當船舶到達首傾的最高點或有首傾后轉(zhuǎn)為末傾，要求船速降低。

從總體上來說，較深海域中的船舶在行駛過程中，由于周圍水氣壓系數(shù)的改變而導致二側(cè)水位逐漸降低，使得整個船舶沉降，原本的縱傾狀況亦有了相應的改變，而這種沉降和縱傾改變的程度則主要是受船型大小和船速影響，通常肥大型的艦艇船舶沉降和縱傾改變比較急劇，飛行速度越快，船舶沉降和縱傾的改變也越是劇烈。淺水中船舶出現(xiàn)沉沒和縱傾狀況，比在深海域中所發(fā)生的這些狀況更加劇烈，從而直接影響著艦艇的正常作業(yè)。在商船規(guī)定的行駛速率標準下，淺海域中一直保持恒定速率行駛會導致船舶沉沒，隨著行駛速率持續(xù)增加，沉沒的幾率將會愈來愈大。在進出港船舶經(jīng)過淺水海域的期間，有關(guān)人員必須重點觀察船舶沉沒和縱傾情況的出現(xiàn)，并結(jié)合有關(guān)計算方法，把剩余的平均水深和有關(guān)數(shù)值及時精確計算出來，以防止船舶發(fā)生擱淺現(xiàn)象，從而保證船舶上人員安全和船舶安全，同時必須適時減少行駛速度并經(jīng)過的淺水海域[3]。

2.4 旋回性能明顯下降，航向性能增強

駛?cè)霚\海域后，在舵力及初始回轉(zhuǎn)扭矩的共同作用下，隨著船舶逐漸駛?cè)肷钚?，船舶總體的旋回阻尼矩也會隨著增加，出現(xiàn)旋回性能指數(shù)K不斷下降，旋回特性也會由此下降。在深淺海域行駛期間，船舶的旋回直徑和深海域旋回直徑基本一樣，前者會略大一點，在水深吃水比低于2的情況下，旋回直徑也會繼續(xù)上升；在水深吃水比高于4的情況下，不會對船舶旋回直徑產(chǎn)生很大的負面影響。但是當港內(nèi)船舶在駛?cè)肷顪\水海域后，即使采用舵或加大舵角時，仍會發(fā)生艦首繼續(xù)維持不轉(zhuǎn)向的情況，而且一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)向后就十分難以精確控制其本身的艦首方向。

2.5 提高船舶的停船性能

出入港船舶在淺海海域行駛過程中，由于受興波增強、首部偏斜、船體沉沒等各種因素的直接影響，整個船體荷載和阻力急劇上升。另外，船舶在淺水中行駛，槳的推動效果減弱，船體的附加質(zhì)量增加。在停船后余留航速變化較大的時間里，在淺水海域中行駛阻力增大的幅度也很大，對減小沖程和行駛加速都有一定的幫助。當航速降至最低時，由于以上幾種效果的抑制，減慢情況有所遲緩?？偟脕碚f淺水對減小沖程比較有益，在淺水中倒車運行過程中，螺旋槳的側(cè)向致偏效果也較為顯著。

2.6 對舵力及舵效的影響

船舶在淺水海域行駛期間，由于船體的高度持續(xù)下降，導致船體底部進水斷面逐步下降，整個水體流動狀態(tài)較為混亂，直接對船只的舵力形成了不必要的影響。在船舶進入淺水海域之后，由于二維流動速度的不斷加快會導致船體下降情況越來越強烈，在縱傾上升的基底上，由于船體尾端位置流速向前傳播，增大了船體周邊旋渦數(shù)量，也就增大了船體尾端的伴流速，而旋渦和伴流的增多也影響了舵力。此外，當船舶的螺旋槳裝置一直維持在勻速水平時，滑失比增大，舵力增大[4-6]。在淺水海域中由于船體的最下方部位和水底相距較近，舵葉底端部受整流影響，形成了類似于擴大船舵面積的效應，從而導致舵力減小并得到了相應的補償。從整體視角考慮，舵力的減小過程并非很嚴格，在淺水中行駛時舵效變差，這是因為淺水底旋轉(zhuǎn)摩擦力增大的關(guān)系。根據(jù)有關(guān)實驗數(shù)據(jù)就可證實，當h/d=2時，回轉(zhuǎn)角頻率就會減少到水深的85%以下；而當h/d=1.25時，則回轉(zhuǎn)角頻率為水深的1/2以下。

2.7 跑舵

航海中的艦艇若出現(xiàn)了朝向某一方向偏轉(zhuǎn)的情況，被叫做跑舵。在實際行駛過程中，為阻止船首朝深水一側(cè)的偏移，并保證船沿航線正常行駛，往往需要向航線邊緣側(cè)壓舵。而航線長度越窄，行船速度越快，跑舵現(xiàn)象也越強烈。

3 在淺海水域港內(nèi)船舶作業(yè)期間的注意點

港內(nèi)船舶在行駛過程中，駕引人必須時時注意螺旋槳速度、旋轉(zhuǎn)性能、舵效以及船尾的泥沙翻騰等跡象，確定船舶是否已經(jīng)進入淺水海域。駕引人要保證船舶行駛的平穩(wěn)和安全性，必須根據(jù)船舶的操作技巧和裝承載能力以及水域深淺、航線狀況等因素要求，結(jié)合交通狀況及時制定合理的作業(yè)措施。

3.1 自主降低船速

船舶的降速可以大致分成2個類型，分別是全自動降速和0.5主動降速，但二者存在著一定的差異。自然空速一般指在淺海面的壓力數(shù)值大于輪船螺旋槳的推力值的情形下，使用同樣的速度自然減小輪船的前進速率。主動空速必須進行以下操作：

1）備車。船舶備車后，主機的最大輸出功率通常為最高限度輸出功率的50%～60%，而且對主機換車、進行船舶等機械性作業(yè)都有一定的幫助，這能夠更良好地適應深淺海域中交通環(huán)境等復雜多端的狀況，還能夠避免產(chǎn)生主機超負荷工作的不良現(xiàn)象。

2）極淺海域的水深降速最大。在h/d值接近1:1的情況下甚至更小時，規(guī)模巨大的船舶必須根據(jù)自身的下沉速度和縱傾變動情況精確到最具體的數(shù)值，在行進過程中要始終保持著警惕、警覺的態(tài)度，切勿為趕潮水過淺灘而用極高速度觸底或擦淺，從而形成巨大擱淺等重大安全事故。在極淺水海域行駛的船舶必須在上述備車處理的前提下，重點思量船舶主動減速的問題。

3.2 注意船舶旋回性能的變差

從整體角度考慮，船舶在淺水海域行駛期間會發(fā)生旋回性能下降的情況，為使船舶調(diào)頭旋回所涵蓋的海域范圍減少至最小，大多數(shù)司機和引航員會使用最普通的加速旋回操作步驟。在船舶做出調(diào)頭或旋回動作之前，先降低原本的前進速率，當開始進行旋回動作和調(diào)頭時，則利用高效率的螺旋槳速度，在增加滑失比的基礎(chǔ)上增加了船舵力。不過，使用這種加速回旋的操作方法必須全面考慮到在淺水面帶來的負面影響。

3.3 改善停船性能

對行駛在淺水海域中的船舶來說，由于二維流速、船舶傾斜等因素，其整體摩擦力將會大大增加，因此船舶所受摩擦力也會增大。但總的來說，船舶在停船流程中所實現(xiàn)的各種特性都將會有所改進。在停船形成沖程步驟中，由于淺水航道阻礙比較深水域的阻礙要高，更適合于減小流速以減小沖程影響。在余速較低的情形下，由于各種外部原因的干擾效應減小，也減輕了對船舶在停泊處理期間的沖程影響。

4 大數(shù)據(jù)在船舶港內(nèi)操縱避碰方面的應用

隨著中國海運和海港事業(yè)的蓬勃發(fā)展，港口內(nèi)行駛的船舶愈來愈多，交通運輸流日益復雜化，密度也愈來愈大，船舶互相撞擊的情況增多，導致船舶在港口內(nèi)的行駛和作業(yè)的危險系數(shù)增大，因粗心大意、人為操作失誤造成的交通事故頻發(fā)，由于人力資源成本的持續(xù)提高以及導航科技的不斷完善，大數(shù)據(jù)分析的應用、新一代人工智能的應用，輔助船舶操作與避免撞擊的方法因此日益成熟。大數(shù)據(jù)分析輔助操作的應用是個非常復雜和高度智能的集成系統(tǒng)，基于過去的資料與當前的信息自動計算結(jié)果，防止撞擊是這套體系的核心。安全可信的協(xié)助船舶防撞與預報系統(tǒng)需要同時符合下列要求：防止碰撞移動，或者不可移動的障礙物；當多個物標在港口內(nèi)或同一區(qū)域內(nèi)行駛時，可以幫助避碰，并保持在足夠駛出讓請的高度上；避碰后可以幫助船舶回歸，從原來的航道上走出；創(chuàng)建港口內(nèi)道路交通流與船舶運動數(shù)值模式，精度可靠，有效地貼近實際工作環(huán)境；考慮外部的相關(guān)要求；快速、高效且精確的提供系統(tǒng)回報[7]。

5 結(jié)語

淺水海域是港灣內(nèi)船舶行駛過程中碰撞頻次最多的地方，在實際船只行駛過程中，司機及引航員看到螺旋槳運轉(zhuǎn)速率下降、回轉(zhuǎn)特性變差等跡象即可認為船舶已進入淺水海域，必須予以充分的注意和重視。駕引人必須全面培養(yǎng)出優(yōu)秀的造船操作技能，確保進出港船能夠安全通過淺水海域。