特定航線河海直達(dá)標(biāo)準(zhǔn)船型研發(fā)綜述

于全虎

（江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

至2022 年末，全國(guó)內(nèi)河航道總通航里程達(dá) 12.8 萬(wàn)km，等級(jí)航道占比為52.7%；內(nèi)河運(yùn)輸船舶數(shù)量為10.95 萬(wàn)艘、同比下降3.6%，而凈載重量 為15 249.73 萬(wàn)t、增長(zhǎng)3.9%，呈現(xiàn)水運(yùn)總量上升、船舶噸位大型化的趨勢(shì)[1]。京杭運(yùn)河江蘇段是江蘇省“兩縱四橫”干線航道網(wǎng)最重要的組成部分，是京杭運(yùn)河全線貨運(yùn)密度最大、通航里程最長(zhǎng)和運(yùn)輸效益最好的航段[2]。2017 年1 月，中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)開(kāi)通徐州港至上海外高橋及洋山港的京杭運(yùn)河班輪運(yùn)輸；2022年6 月，江蘇省政府辦公廳印發(fā)《江蘇省推進(jìn)多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展優(yōu)化調(diào)整運(yùn)輸結(jié)構(gòu)行動(dòng)計(jì)劃（2022—2025年）》，明確提出著力推動(dòng)江（河）海直達(dá)、江海河聯(lián)運(yùn)、120 標(biāo)準(zhǔn)箱以上集裝箱船海運(yùn)直達(dá)運(yùn)河沿線主要城市港口等航運(yùn)模式。相較于河江海換船轉(zhuǎn)運(yùn)模式，江（河）海直達(dá)運(yùn)輸可減少中間環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮內(nèi)河航運(yùn)優(yōu)勢(shì)，提高京杭運(yùn)河沿岸內(nèi)河港口、長(zhǎng)江黃金水道和上海國(guó)際航運(yùn)中心之間的物流效益。

1 特定航線江（河）海直達(dá)船舶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定情況

特定航線是指中國(guó)海事局發(fā)布的《特定航線江海直達(dá)船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2018）》中所述的由長(zhǎng)江至東海特定海區(qū)的“特定航線 1-1”或“特定航線 1-2”，且船型僅限于“150 m >船長(zhǎng)≥20 m”的新造鋼質(zhì)集裝箱船、散貨船及商品汽車(chē)滾裝船。本文所述的特定河海直達(dá)航線是指：

（1）京杭運(yùn)河蘇北段經(jīng)施橋船閘入長(zhǎng)江，再航行至長(zhǎng)江口進(jìn)入海區(qū)，最后經(jīng)海上特定航線到達(dá)洋山港；

（2）經(jīng)京杭運(yùn)河蘇南段、蕪申運(yùn)河、黃浦江和長(zhǎng)江口，最后進(jìn)入海區(qū)靠泊洋山港。

2 條航線均由“京杭運(yùn)河+特定航線1-1”構(gòu)成。京杭運(yùn)河目前尚無(wú)商品汽車(chē)運(yùn)輸需求，文中所述特定航線河海直達(dá)標(biāo)準(zhǔn)船型（以下簡(jiǎn)稱“特標(biāo)船型”）僅指集裝箱船和散貨船。由于特定航線河海直達(dá)船型與江海直達(dá)船型具有一定的相似性，所以本文綜合兩類船型進(jìn)行闡述。

特定航線未提出前，江海直達(dá)的典型運(yùn)輸模式為“海船進(jìn)江”或“江船出?！?。海船設(shè)計(jì)需遵循中國(guó)海事局發(fā)布的《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（簡(jiǎn)稱“海船法規(guī)”）以及中國(guó)船級(jí)社（China classification society,CCS）發(fā)布的《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（簡(jiǎn)稱“海船規(guī)范”），其基本要求一般高于內(nèi)河船適用的《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（簡(jiǎn)稱“內(nèi)河船法規(guī)”）和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（簡(jiǎn)稱“內(nèi)河船規(guī)范”）。按海船要求設(shè)計(jì)的船舶總體上滿足內(nèi)河船的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以“海船進(jìn)江”在技術(shù)層面較易實(shí)現(xiàn)，即在原已滿足海船法規(guī)和海船規(guī)范的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足內(nèi)河船法規(guī)和內(nèi)河船規(guī)范，主要體現(xiàn)在內(nèi)河船對(duì)船舶污染物控制及船舶操縱性要求高于海船。船舶噸位符合航道限制條件的海船，通過(guò)減載、減速及小部分設(shè)施改造等適應(yīng)性調(diào)整后，就可以通航于內(nèi)河干線航道。但海船的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和機(jī)電配置要求通常高于內(nèi)河船，因此同噸位的海船造價(jià)也較高。滿足海船和內(nèi)河船“雙規(guī)”要求的直航船舶只是原海船在航線上的擴(kuò)展而并非船型創(chuàng)新，其內(nèi)河航道的營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性較差，尤其是在單次航線中內(nèi)河占比較大的情況下，更難以體現(xiàn)直達(dá)運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)可行性[3]。

內(nèi)河船與海船在設(shè)計(jì)總體思想及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上完全不同，直接體現(xiàn)在主尺度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、干舷、穩(wěn)性及抗風(fēng)浪等方面差異很大；此外，內(nèi)河船機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)置要求也低于海船，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單改建達(dá)到海船技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此“江船出海”存在很大的安全隱患，研發(fā)具備適宜江（河）、適海特性的船舶必須在已有海船、內(nèi)河船“雙標(biāo)”技術(shù)體系的基礎(chǔ)上創(chuàng)新制定全新體系。

2008 年，CCS 發(fā)布的《特定航線江海通航船舶檢驗(yàn)指南（2008）》是基于《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范（2002）》對(duì)江海通航船舶的技術(shù)要求，針對(duì)特定海區(qū)的水文氣象條件、海況及波浪載荷進(jìn)行研究，以海船規(guī)范為基礎(chǔ)設(shè)立特殊規(guī)定或降低技術(shù)要求。2017 年，《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)特定航線江海直達(dá)運(yùn)輸發(fā)展的意見(jiàn)（交水發(fā)[2017]53 號(hào)）》提出“制定完善江海直達(dá)船舶法規(guī)規(guī)范”。同年，中國(guó)海事局發(fā)布《特定航線江海直達(dá)船舶法定檢驗(yàn)暫行規(guī)則（2017）》（簡(jiǎn)稱“特航法規(guī)2017”）及《交通運(yùn)輸部海事局關(guān)于發(fā)布特定航線江海直達(dá)船舶最低安全配員標(biāo)準(zhǔn)的通知（海船員[2017]478 號(hào)）》；CCS 發(fā)布《特定航線江海通航船舶建造規(guī)范（2017）》（簡(jiǎn)稱“特航規(guī)范2017”）。此后，綜合“特航規(guī)范2017”、《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2016）》及相關(guān)研究，CCS 于2018 年又發(fā)布了《特定航線江海直達(dá)船舶建造規(guī)范（2018）》（簡(jiǎn)稱“特航規(guī)范2018”）。

中國(guó)海事局通過(guò)對(duì)“特航法規(guī)2017”修訂和完善，發(fā)布了《特定航線江海直達(dá)船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2018）》（簡(jiǎn)稱“特航法規(guī)2018”）?！疤睾椒ㄒ?guī)2018”和“特航規(guī)范2018”在船體結(jié)構(gòu)、安全設(shè)備、載重線等方面兼顧內(nèi)河船和沿海船的特點(diǎn)，規(guī)定了特有的載重線標(biāo)志要求；噸位丈量、操縱性、艙室設(shè)備、輪機(jī)、電氣、消防、防污染等方面，則以內(nèi)河船規(guī)范為基礎(chǔ)，明確了計(jì)算風(fēng)壓穩(wěn)性、敞口集裝箱船浸水高度；艙室凈高、居住面積、餐廳和衛(wèi)生設(shè)施等，則在內(nèi)河船規(guī)范基礎(chǔ)上適當(dāng)提高了要求?！吨腥A人民共和國(guó)海事局關(guān)于發(fā)布特定航線江海直達(dá)船舶最低安全配員標(biāo)準(zhǔn)的通知（海船員[2019]289 號(hào)）》（簡(jiǎn)稱“特航配員2019”）對(duì)配員標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了修改。

2 內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列

2005 年，原交通部發(fā)布《京杭運(yùn)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》，歷經(jīng)不斷優(yōu)化和完善，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為2019 年國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)提出的《內(nèi)河過(guò)閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》（GB 38030—2019）。該標(biāo)準(zhǔn)系列 “第1 部分：長(zhǎng)江水系（GB 38030.1—2019）”適用于通過(guò)長(zhǎng)江干、支線船閘及升船機(jī)（不含三峽升船機(jī)）等通航建筑物的內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)船型；“第 2 部分：京杭運(yùn)河、淮河水系（GB 38030.2—2019）”（簡(jiǎn)稱“主尺度系列2019”）適用于通過(guò)京杭運(yùn)河、沙潁河—淮河干線船閘的內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)船型，表1 僅節(jié)選了其中尺度較大的幾種船型。

表1 京杭運(yùn)河、沙潁河—淮河過(guò)閘干散貨船、集裝箱船標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列

河海直達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化船舶僅航行于長(zhǎng)江下游且不通過(guò)長(zhǎng)江干、支線船閘及升船機(jī)，因此只需滿足“主尺度系列2019”。

3 京杭運(yùn)河江蘇段至洋山港航線通航 條件

3.1 京杭運(yùn)河江蘇段通航條件

目前京杭運(yùn)河蘇北段均達(dá)到二級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，航道底部寬60 m、維護(hù)通航水深4 m、航道最小彎曲半徑不小于450 m，通航凈空高7 m；共設(shè)主要船閘11 座，閘長(zhǎng)230 m、寬23 m、最小門(mén)檻水深5 m。蘇南段均達(dá)到三級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，航道底部寬 45 m、維護(hù)通航水深3.2 m、航道最小彎曲半徑不小于380 m，通航凈空高7 m；共設(shè)主要船閘1 座，閘長(zhǎng)230 m、寬23 m、最小門(mén)檻水深4 m。[4]

2017 年，交通運(yùn)輸部發(fā)布“交通運(yùn)輸部關(guān)于修訂《京杭運(yùn)河通航管理辦法（試行）》的通知（交海發(fā)[2017]73 號(hào)）”（簡(jiǎn)稱“通航管理辦法2017”），對(duì)在京杭運(yùn)河航行的集裝箱船和江海直達(dá)特定航線船舶主尺度限制進(jìn)行了調(diào)整，見(jiàn)表2。

表2 “通航管理辦法2017”對(duì)船舶主尺度的限制

3.2 長(zhǎng)江段航道條件

長(zhǎng)江航道局2023 年度長(zhǎng)江干線航道養(yǎng)護(hù)尺度計(jì)劃（部分）見(jiàn)表3。

表3 2023年度長(zhǎng)江干線航道養(yǎng)護(hù)尺度計(jì)劃（部分）

特定河海直達(dá)航線的入江口均位于南京新生圩下游，航道條件遠(yuǎn)優(yōu)于京杭運(yùn)河通航條件。長(zhǎng)江航線船舶水線以上高度主要受跨江橋梁的通航凈空高限制，本航線歷經(jīng)橋梁的通航凈空高見(jiàn)表4，最大通航高度遠(yuǎn)大于京杭運(yùn)河通航凈空高。

表4 特定河海直達(dá)航線上長(zhǎng)江橋梁通航凈空高

4 特定航線江（河）海直達(dá)典型船型 發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)于江海直達(dá)運(yùn)輸?shù)难芯科鸩接?0 世紀(jì)50 年代，當(dāng)時(shí)船舶噸位多為500～ 800 t；“七五”期間，研發(fā)了5 000 t 級(jí)運(yùn)糧船、4 000 t 級(jí)化學(xué)品船和268 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船等江海直達(dá)貨船。21 世紀(jì)，江海直達(dá)船舶噸位已逐漸發(fā)展到5 000～ 10 000 t，其中主流船型為干散貨船、集裝箱船、油船和少量化學(xué)品船等，集中運(yùn)營(yíng)于長(zhǎng)江干線上的武漢港—洋山港、蕪湖港—洋山港、南京港—洋山港、南通港—洋山港、太倉(cāng)港—洋山港等航線。長(zhǎng)江航線船舶集裝箱最大裝載量已超1 000 標(biāo)準(zhǔn)箱，而京杭運(yùn)河船舶裝載量通常只有36～ 96 標(biāo)準(zhǔn)箱[5]。

CCS 基于“物流決定航線，航線決定船型”理念研發(fā)江海直達(dá)引導(dǎo)船型，成功推出了散貨船、集裝箱船及商品汽車(chē)滾裝船等多種主流概念船型，并在船舶營(yíng)運(yùn)后進(jìn)行了大量后評(píng)估工作，驗(yàn)證了江海直達(dá)船型的安全、經(jīng)濟(jì)和綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)[6]。

2018 年3 月交付的“江海直達(dá)1”散貨船總長(zhǎng)154 m、型寬24 m、型深11.8 m、設(shè)計(jì)吃水9.1 m、載貨量2.2 萬(wàn)t，成為首艘按特定航線法規(guī)和規(guī)范建造的江海直達(dá)船舶（見(jiàn)圖1）。

圖1 “江海直達(dá)1”散貨船

2018 年6 月，上海漢唐航運(yùn)公司將“漢唐上海”124 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船（見(jiàn)圖2）投入國(guó)內(nèi)首條河海直達(dá)“蘇州—洋山”航線營(yíng)運(yùn)。該航線始于蘇高新港，途經(jīng)京杭運(yùn)河、蕪申運(yùn)河、黃浦江到長(zhǎng)江口，最后進(jìn)入海區(qū)靠泊洋山深水港?！皾h唐上?！笔?017 年交通運(yùn)輸部發(fā)布“交水發(fā)[2017]53 號(hào)”文件后建造的首艘河海直達(dá)集裝箱船，總長(zhǎng)84.9 m、型寬12.6 m、型深4.7 m、設(shè)計(jì)吃水2.5 m、最大航速18.5 km/h，采用柴油機(jī)動(dòng)力。

圖2 “漢唐上?！奔b箱船

2022 年7 月，上海江南造船廠有限公司為上海漢唐航運(yùn)公司建造的2 艘特定航線120 標(biāo)準(zhǔn)箱河海直達(dá)集裝箱船開(kāi)工。該船總長(zhǎng)79.98 m、型寬12.6 m、型深4.7 m、設(shè)計(jì)吃水3.0 m、內(nèi)河航速14 km/h。

2018 年11 月完成建造交付的“漢海1 號(hào)”（見(jiàn)下頁(yè)圖3），是營(yíng)運(yùn)于武漢陽(yáng)邏港—洋山港航線的5 艘江海直達(dá)1 140 標(biāo)準(zhǔn)箱敞口集裝箱船中的首制示范船。該船總長(zhǎng)129.8 m、型寬23.9 m、型深11 m、設(shè)計(jì)吃水6.6 m、航速11 kn、最大載重量13 600 t。

圖3 “漢海1 號(hào)”集裝箱船

2018 年12 月至2019 年1 月，中國(guó)海洋石油集團(tuán)使用“建功九號(hào)”貨船將24 個(gè)LNG 罐箱從山東日照港直達(dá)運(yùn)輸至南京龍?zhí)陡?，在?guó)內(nèi)首次完成LNG 罐箱江海聯(lián)運(yùn)。

2020 年12 月，國(guó)內(nèi)首艘萬(wàn)噸級(jí)特定航線江海直達(dá)（液化天然氣/柴油）雙燃料敞口集裝箱船“湘水運(yùn)26”（見(jiàn)圖4）完成湖南岳陽(yáng)港—洋山港首航。該船總長(zhǎng)118.9 m、型寬21.6 m、型深9.2 m、設(shè)計(jì)吃水6 m、最大載箱量653 標(biāo)準(zhǔn)箱、載重噸10 289 t、滿載排水量13 000 t。

圖4 “湘水運(yùn)26”集裝箱船

2021 年10 月，“江海直達(dá)17”與“江海直達(dá)19”從寧波舟山港分別首航湖北武漢港和黃石港。這2 艘江海直達(dá)散貨船總長(zhǎng)128 m、型寬22.6 m、型深9 m、設(shè)計(jì)吃水6.8 m、最大載貨量14 000 t。2022 年5 月，430 標(biāo)準(zhǔn)箱江海直達(dá)敞口集裝箱船在湖南沅江動(dòng)工建造。該船總長(zhǎng)96 m、型寬18.6 m、型深8 m、設(shè)計(jì)吃水5.3 m、航速18.5 km/h，航線從南京港到洋山港。

江（河）海直達(dá)船型的發(fā)展趨勢(shì)是大型化、標(biāo)準(zhǔn)化和綠色化，運(yùn)輸貨物種類也不斷擴(kuò)展，其中江海直達(dá)船型的研發(fā)投入遠(yuǎn)大于河海直達(dá)船型，京杭運(yùn)河至洋山港等沿海港口的河海直達(dá)運(yùn)輸尚處于試點(diǎn)后的初期發(fā)展階段。

5 特定航線河海直達(dá)標(biāo)準(zhǔn)船型技術(shù)特點(diǎn)

5.1 船型概述

“特標(biāo)船型”的主要航線是京杭運(yùn)河和長(zhǎng)江，內(nèi)河航道（尤其是京杭運(yùn)河）屬于典型的淺水限制性航道，季節(jié)性因素對(duì)水深影響較大且風(fēng)浪較小，船舶航行性能受淺水效應(yīng)影響大而受風(fēng)浪影響?。豢缭胶降赖臉蛄旱人辖ㄖ镙^多，船舶水線以上高度需控制；一般采用艏部駕駛室和艉部生活艙室布局；為滿足內(nèi)河低速下良好的操縱性要求，適宜采用雙機(jī)雙槳推進(jìn)。海上航行需重點(diǎn)考慮適航和耐波性以及降低艏部上浪等問(wèn)題，集裝箱船普遍采用淺吃水肥大型敞口船型，散貨船一般為大開(kāi)口貨艙加艙口蓋形式。

5.2 船舶主尺度

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2014）對(duì)內(nèi)河航行船舶的最大長(zhǎng)度、最大寬度及最大吃水有限制性規(guī)定。對(duì)于大部分航程是內(nèi)河干線航道的船舶，應(yīng)以京杭運(yùn)河蘇南和蘇北段航道等級(jí)對(duì)應(yīng)的航道、船閘尺度條件和橋梁限高等限制性條件，結(jié)合船舶總長(zhǎng)、船寬和吃水合理富余量為船舶主尺度確定的重要依據(jù)，同時(shí)在滿足貨艙開(kāi)口尺寸與船寬比例的規(guī)范限制前提下，盡可能提高貨艙容積或集裝箱裝箱量。船舶型深與干舷、穩(wěn)性要求直接相關(guān)：型寬較大，則大傾角穩(wěn)性富余量較局促，加大型深容易滿足“特航規(guī)范2018”對(duì)一定橫傾角范圍內(nèi)恢復(fù)力臂曲線下面積值的衡準(zhǔn)；但型深過(guò)大則會(huì)增加空船質(zhì)量并提高船舶重心，而且通航限高也限制了型深過(guò)大。此外，船舶總體布置、阻力推進(jìn)特性、操縱性、穩(wěn)性及適航性能等要求，也是確定主尺度必須綜合考量的重要因素。

5.3 艙室布置

船員人數(shù)配備與船舶總噸位、裝機(jī)功率、連續(xù)航行時(shí)間及機(jī)艙自動(dòng)化程度有關(guān)，“特標(biāo)船型”還 應(yīng)滿足“特航配員2019”要求。“特航法規(guī)2018” 對(duì)船員臥室面積、定額和設(shè)施及餐廳、休息與辦公處所、飲用與洗滌水及衛(wèi)生設(shè)施等方面都提出了較內(nèi)河船更高的要求。內(nèi)河航段通航凈空高對(duì)艙室高度布置造成了嚴(yán)重制約，“主尺度系列2019”又限制了船舶的總長(zhǎng)和總寬。涉及海上航區(qū)又不能采用單一儲(chǔ)電推進(jìn)方式，必須采用“儲(chǔ)電+柴電”混合推進(jìn)方式，同時(shí)需要柴電系統(tǒng)和儲(chǔ)能模塊布置空間。

為充分提高有限空間利用率，盡可能保障船員生活、工作的舒適性和便捷性，可采用艏艉升高甲板形式：艉甲板升高，以解決機(jī)艙內(nèi)機(jī)電設(shè)備布置；艏甲板升高，以便在甲板下增設(shè)船員艙室。駕駛室盡量增寬以充分利用艏甲板的平面空間，寬度尺寸大于艙口寬度的駕駛室兼作擋浪板以減小艏部波浪反射，降低船舶海上航行時(shí)側(cè)風(fēng)引起的局部上浪；外形和尺寸優(yōu)化后也可作為貨物處所的前置導(dǎo)流減風(fēng)阻裝置。艉部安放集裝箱式公用電池模塊（containerized utility battery module，CUBE）的 開(kāi)敞處所，在保證必要通道、安全距離的前提下布置部分生活和設(shè)備艙室。

5.4 船體結(jié)構(gòu)

5.4.1 基本結(jié)構(gòu)

“特航規(guī)范2018”規(guī) 定b≥0.70B1（b為艙口寬度，B1為甲板寬度）的甲板開(kāi)口為大開(kāi)口，“特標(biāo)船型”一般b≥0.79B1屬于大艙口船，適合采用雙底雙殼加抗扭箱的結(jié)構(gòu)形式，且須校核彎扭組合的總縱強(qiáng)度；集裝箱船的強(qiáng)力甲板b>0.85B（B為船寬）時(shí)，或散貨船的強(qiáng)力甲板b>0.80B時(shí)，其貨艙區(qū)域主要構(gòu)件應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算。干舷高度的選擇應(yīng)綜合考慮總縱強(qiáng)度和穩(wěn)性的需要，在滿足破損穩(wěn)性的前提下盡可能控制船長(zhǎng)。貨艙區(qū)域僅劃分2 個(gè)貨艙，以提高裝載率和裝卸效率；單貨艙長(zhǎng)度超過(guò)30 m 時(shí)，需采用有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)受力。

5.4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

海上惡劣的海況要求船舶結(jié)構(gòu)安全可靠，但提高船舶經(jīng)濟(jì)性又要求船體減重以增加裝載量，故必須尋求船舶結(jié)構(gòu)的合理輕量化設(shè)計(jì)。特定航區(qū)決定了船舶所受載荷顯著不同于海船和內(nèi)河船，“特航規(guī)范2018”是基于特定航線的實(shí)際波浪數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)船體梁波浪扭矩、波浪切力與波浪彎矩，以及船舯部的水動(dòng)壓力和垂向加速度等船舶波浪載荷要素進(jìn)行分析，按照“載荷第一”和“安全水平相當(dāng)”原則制定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7]。船體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步輕量化設(shè)計(jì)需根據(jù)航線波浪特性選取能反映航區(qū)特征的波浪譜進(jìn)行波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，得出等效設(shè)計(jì)波高后按等效設(shè)計(jì)波理論計(jì)算載荷，再將直接計(jì)算載荷的結(jié)果輸入整船結(jié)構(gòu)有限元模型，在考慮船與波浪間多種角度引起的最大水平彎矩、最大垂向彎矩和不同部位最大扭矩等不同工況下進(jìn)行計(jì)算，以確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可否滿足安全使用要求。此外，針對(duì)船體可能遭受的外載荷水平和結(jié)構(gòu)的極限承載能力進(jìn)行計(jì)算，也是保證船舶結(jié)構(gòu)安全性的重要手段。

5.5 船舶線型

5.5.1 艏部線型

內(nèi)河航道特點(diǎn)決定了“特標(biāo)船型”具有低弗勞德數(shù)、寬扁、艏艉部線型豐滿、中船體平行且相對(duì)較長(zhǎng)的船型特點(diǎn)。江（河）海直達(dá)船舶常見(jiàn)有球鼻 艏、直型艏及尖艏等。作為淺水航行的肥大船型，其型線豐滿使得濕表面積大、弗勞德數(shù)取值較小，所以興波阻力占比很小。船舶總阻力以黏性阻力為主，艏部型線優(yōu)化的目標(biāo)是降低艏部破波阻力和舭渦阻力。

低速肥大型貨船的球鼻艏可在滿載時(shí)降低甚至消除船首底部舭渦，減小舭渦阻力與黏壓阻力；壓載時(shí)，因艏部船體產(chǎn)生前伸，使其橫剖面積曲線陡度和艏部水線半進(jìn)流角減小，船首的水壓力分布得到改善，減少波浪破碎而隨之減小破波阻力，因而球鼻艏船型在低速肥大型船上應(yīng)用廣泛[8]。

直型艏是將艏柱前移，使艏部側(cè)投影輪廓呈垂直狀，艏部橫剖面形狀仍具有球鼻艏特征。艏柱前移可增加艏部排水量而減小肩部排水量，艏肩部水線較瘦削可改善該部位的壓力梯度，達(dá)到降低船體興波阻力目的。艏柱前移的同時(shí)可減小水線進(jìn)角并降低破波產(chǎn)生，降低湍流動(dòng)能損失及破波阻力。直型艏既保留了球鼻艏橫剖面形態(tài)的特點(diǎn)，又具有改善船首底部漩渦運(yùn)動(dòng)、減小舭渦、降低黏壓阻力的球鼻艏減阻優(yōu)點(diǎn)。直型艏使船舶排水體積前置也有利于改善后體線型的流態(tài)和降低船舶總阻力，建造工藝簡(jiǎn)單，也有較多應(yīng)用[9]。

球鼻艏和直型艏的性能較優(yōu)，尖艏則最簡(jiǎn)單且易于設(shè)計(jì)建造，但其興波阻力高于前兩者且艏部流線順暢性相對(duì)較差，故常見(jiàn)于運(yùn)河或中小型河海直達(dá)運(yùn)輸船舶。

5.5.2 艉部線型

“特標(biāo)船型”的方形系數(shù)較大，平行中體相對(duì)較長(zhǎng)，船舶總長(zhǎng)又受到限制，使得后體的線型收縮比較劇烈，艉部易發(fā)生舭渦而導(dǎo)致航行阻力增大，同時(shí)會(huì)致使螺旋槳盤(pán)面處的伴流更不均勻，影響螺旋槳推進(jìn)效率。雙尾鰭船型的2 個(gè)尾鰭在艉部起到類似雙體船的作用，降低了船舶的長(zhǎng)寬比并緩沖了艉部線型收縮烈度，尾鰭的偏轉(zhuǎn)還可對(duì)來(lái)流進(jìn)行預(yù)旋，以提高船槳的預(yù)旋效率[10]。方艉帶分水踵的艉部線型設(shè)計(jì)及建造簡(jiǎn)單，在目前運(yùn)河船舶中較為常見(jiàn)。

5.6 船舶推進(jìn)與航速

“特標(biāo)船型”的主要航程是內(nèi)河航道，彎曲狹窄且航船密度大，船舶通過(guò)跨河橋梁、相互超越和交匯現(xiàn)象極為普遍，且在運(yùn)河中屬于大型船舶，船舶的制動(dòng)、倒退和掉頭等都對(duì)船舶的操縱性和控制能力要求很高。較大的船舶長(zhǎng)寬比若僅靠線型優(yōu)化來(lái)改善操縱性，其效果并不會(huì)理想，加之內(nèi)河的低航速導(dǎo)致舵效低下，因此采用全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳的舵槳推進(jìn)方式比較適宜。全回轉(zhuǎn)舵槳同時(shí)具備螺旋槳的推進(jìn)能力和舵的操縱性能，可提供任意航向上的最大推力，極大提高了船舶操縱的靈敏度，在不設(shè)艏側(cè)推時(shí)仍能保證船舶航行和靠泊時(shí)的操縱靈活性，對(duì)轉(zhuǎn)槳相對(duì)于普通槳更小的槳徑可在內(nèi)河淺水區(qū)域保證螺旋槳的推進(jìn)效率[11]。

京杭運(yùn)河水深不足“特標(biāo)船型”吃水的2 倍，故船舶航行時(shí)淺水效應(yīng)明顯。水深弗勞德數(shù)（FNh=<1.0 時(shí)為亞臨界速度區(qū)，淺水緩流航道中船舶極限航速對(duì)應(yīng)的弗勞德數(shù)一般取為0.70～ 0.75，則航道水深3.0～ 5.0 m 的淺水效應(yīng)初始發(fā)生航速范圍為13.7～ 17.9 km/h。較高的船舶密度和待閘時(shí)間使船舶的經(jīng)濟(jì)航速被限制為13～ 15 km/h，但考慮到長(zhǎng)江中的航速及海區(qū)航行抗風(fēng)浪所需安全航速等因素，建議船舶最大航速取18～ 19 km/h 較為合適。

5.7 節(jié)能減阻技術(shù)

5.7.1 減阻技術(shù)

船舶在航行中需同時(shí)克服風(fēng)阻力和水阻力，其中水線下部分的水阻力是其承受阻力的最主要部分，對(duì)船舶節(jié)能及快速性影響較大。水阻力又可分為船舶在無(wú)風(fēng)浪靜水中航行時(shí)需克服的靜水阻力及由波浪所產(chǎn)生的波浪增加阻力。肥大型貨運(yùn)船舶的摩擦阻力通常占整體水阻力的60%～ 80%。由于中段船體長(zhǎng)且線型平直，故減阻只能通過(guò)優(yōu)化艏部和艉部線型，線型變化還受排水量及浮心位置等要素約束，使船體的濕表面積難有較大改變，所以總阻力中最主要的摩擦阻力變化不大。

降低船舶水阻力的有效方法是利用艏部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)以降低興波阻力，或通過(guò)在船體表面涂敷表面活性劑、高性能疏水性涂料以及采用氣體潤(rùn)滑減阻等改變船體浸濕表面的特性來(lái)減少摩擦阻力。CCS 發(fā)布的《船舶空氣潤(rùn)滑減阻系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》可為裝有空氣潤(rùn)滑減阻系統(tǒng)的船舶提供節(jié)能效果評(píng)估[12]。波浪增加阻力主要取決于航區(qū)的海況，呈周期性變化特性，因而一般取周期內(nèi)的平均值[13]。

風(fēng)阻對(duì)船舶功率估算、航行失速及穩(wěn)性也具有較大影響，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)船舶減風(fēng)阻的研究手段主要為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及可靠性較高，但周期長(zhǎng)且費(fèi)用較高；數(shù)值模擬則將計(jì)算流體力學(xué)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)原理綜合研究，可在更短時(shí)間內(nèi)完成多次不同參數(shù)實(shí)驗(yàn)，使驗(yàn)證創(chuàng)新和改進(jìn)船型的成本更低；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬最終可用于優(yōu)化船舶的型線和船體建筑結(jié)構(gòu)。通過(guò)加裝船首導(dǎo)流減風(fēng)阻裝置避免氣流和裝載貨物產(chǎn)生正面碰撞，數(shù)值模擬結(jié)果顯示可獲得約30%的減風(fēng)阻效果，穩(wěn)性驗(yàn)算也證明加裝導(dǎo)流減阻裝置不會(huì)明顯影響船舶穩(wěn)性[14]。

5.7.2 節(jié)能附體

目前散貨船采用的節(jié)能附體類型主要有導(dǎo)流鰭、前置預(yù)旋定子、前置節(jié)能導(dǎo)管及Mewis 導(dǎo)管等螺旋槳前節(jié)能附體；集裝箱船則更多設(shè)置轂帽鰭、扭曲舵和舵球等螺旋槳后節(jié)能附體；高效螺旋槳和節(jié)能附體的一體化設(shè)計(jì)尤為重要。

5.8 適航和耐波性

考慮“特標(biāo)船型”可能遭遇的惡劣海況，需要進(jìn)行船舶滿載出港、壓載出港及空箱到港等典型工況的耐波性能計(jì)算。通過(guò)全部浪向的耐波性計(jì)算，發(fā)現(xiàn)使船舶綜合運(yùn)動(dòng)性能較差的斜浪角度；進(jìn)行典型裝載工況和海況下包括靜水中橫搖自由衰減、規(guī)則波中零速橫搖、規(guī)則波中有速迎浪、不規(guī)則波中零速橫搖、不規(guī)則波中零速迎浪等的船模耐波性試驗(yàn)，可更好驗(yàn)證船型的海區(qū)適航性能。

5.9 船舶吃水與浮態(tài)

船舶設(shè)置壓載水系統(tǒng)的主要作用是保持船舶浮態(tài)，避免輕載時(shí)推進(jìn)器出水而降低推進(jìn)效率，提高空載穩(wěn)性和操縱性能，內(nèi)河船通過(guò)調(diào)節(jié)壓載水量可臨時(shí)性改變吃水以提高橋梁下的通過(guò)性。為改善船舶輕載性能，常規(guī)船舶壓載航行時(shí)一般使艏吃水達(dá)到0.025L～ 0.030L（L為船長(zhǎng)），艉吃水達(dá)到0.040L～ 0.045L并浸沒(méi)推進(jìn)器，壓載水量通常為船舶載重量的30%～ 50%?！疤貥?biāo)船型”通過(guò)適當(dāng)增加壓載水艙來(lái)加大吃水深度調(diào)節(jié)能力，降低水面高度，綜合船舶吃水和浮態(tài)要求，壓載水總量與排水量的占比應(yīng)達(dá)到50%～ 70%。此外，吃水設(shè)計(jì)考慮既可作為河海直達(dá)船也可作為內(nèi)河船營(yíng)運(yùn)，并適應(yīng)內(nèi)河季節(jié)性通航水位的變化。

5.10 綠色船舶技術(shù)

目前，提升船型綠色程度的主要技術(shù)路線有3種：一是通過(guò)船型方案技術(shù)革新，優(yōu)化總體布置和主尺度、優(yōu)化線型改善阻力推進(jìn)性能、減阻附體裝置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造材料輕量化等來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；二是控制船舶大氣污染物排放；三是廢熱回收。2017 年京杭運(yùn)河江蘇段船舶大氣污染物排放情況如表5 所示。

表5 2017 年京杭運(yùn)河江蘇段船舶 大氣污染物排放情況

其中船舶主機(jī)對(duì)各類大氣污染物的排放貢獻(xiàn)率均高于96%。目前國(guó)內(nèi)外控制船舶大氣污染物排放的手段如下：

（1）使用低硫燃油；

（2）設(shè)立船舶排放控制區(qū)；

（3）對(duì)較大功率和排量船用發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行更嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)；

（4）強(qiáng)制泊岸船舶使用岸電；

（5）使用液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）等清潔替代燃料；

（6）適當(dāng)降低船速；

（7）發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣處理技術(shù)。

我國(guó)從中央到地方政府都出臺(tái)了船舶大氣污染排放控制行動(dòng)方案和標(biāo)準(zhǔn)，其中LNG 替代、岸電、低硫油被優(yōu)先推廣[15]。當(dāng)前，我國(guó)內(nèi)河船舶標(biāo)準(zhǔn)化和大型化發(fā)展已取得成效，但在綠色、智能化方面與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的綠色低碳發(fā)展要求仍有一定差距。2022 年9 月，工業(yè)和信息化部等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快內(nèi)河船舶綠色智能發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》，提出至2025 年突破LNG、甲醇、氫燃料以及電池等綠色動(dòng)力關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。

內(nèi)河航運(yùn)是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和“3060”國(guó)家戰(zhàn)略的核心領(lǐng)域?！疤貥?biāo)船型”采用柴電與動(dòng)力電池模塊共同構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)河航段純電推進(jìn)，而且電力推進(jìn)技術(shù)能更好滿足智能化船舶所需的可靠性高、操控性好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及推進(jìn)功率冗余等要求。CUBE 具備通用化的尺寸和接口，可實(shí)現(xiàn)與船舶電網(wǎng)安全、便捷地快速連接、脫離，通過(guò)靠泊期間的“換電”模式能為船舶迅速補(bǔ)充電能，利用峰谷電差價(jià)可降低CUBE 充電成本。通過(guò)支付電費(fèi)、租賃CUBE 的用電模式可大幅降低整船造價(jià)，更有利于市場(chǎng)推廣。此外，LNG、氫燃料可在短時(shí)間內(nèi)完成再次充裝，船舶的續(xù)航能力基本等同于內(nèi)燃動(dòng)力船舶，LNG 動(dòng)力、氫燃料電池與儲(chǔ)能裝置共同構(gòu)成船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)研究也是一個(gè)重要方向[16]。

5.11 智能船舶與助航技術(shù)

2018 年4 月，國(guó)際海事組織（international maritime organization,IMO）在第99 屆海安會(huì)上明確提出發(fā)展水面自主航行船舶；2019 年6 月，IMO發(fā)布《水面自主船舶試航暫行指南》；2015 年12 月，CCS 發(fā)布《智能船舶規(guī)范（2015）》；2019 年至2022 年，CCS 發(fā)布《智能船舶規(guī)范（2020）》及2022 修改通報(bào)，持續(xù)提升智能船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系。

國(guó)內(nèi)外雖已完成一些船舶智能航行技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐，但目前智能船舶整體技術(shù)仍處于較為初級(jí)的探索和發(fā)展階段[17]。

2017 年7 月，南京板橋汽渡船上應(yīng)用了由船上智能輔助駕駛和岸基智能監(jiān)管系統(tǒng)組成的智能安全輔助駕駛系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)船舶對(duì)航行環(huán)境和自身狀態(tài)的感知，提高了碰撞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力。相對(duì)易于具備船岸協(xié)同技術(shù)支撐的河海直達(dá)船舶，其實(shí)現(xiàn)智能化航行更具可行性[18]。

目前，長(zhǎng)江電子航道圖已實(shí)現(xiàn)航道信息數(shù)字化、水位預(yù)報(bào)、航行預(yù)警及船舶智能指揮等功能，京杭運(yùn)河蘇南段數(shù)字航道應(yīng)用系統(tǒng)也已建設(shè)完成，但電子海圖與內(nèi)河電子航道圖無(wú)法相互銜接。研發(fā)具備內(nèi)河電子航道圖的基本數(shù)字化信息，并且能覆蓋河口及其臨近海域，可與電子海圖無(wú)縫對(duì)接的江（河）海直達(dá)運(yùn)輸電子航道圖十分必要[19]。舟山港區(qū)通過(guò)建立江（河）海直達(dá)運(yùn)輸海上航區(qū)氣象評(píng)價(jià)體系，形成氣象安全導(dǎo)航手機(jī)客戶端應(yīng)用，可幫助航行船舶在惡劣天氣下自主模擬導(dǎo)航功能并先行規(guī)劃行程，有助于船舶規(guī)避氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[20]。

2022 年國(guó)務(wù)院頒布《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，提出穩(wěn)步推進(jìn)北斗系統(tǒng)在公路、鐵路、水路、通用航空及全球海上航運(yùn)等領(lǐng)域的應(yīng)用。長(zhǎng)江流域在北斗平臺(tái)建設(shè)、終端推廣、數(shù)據(jù)服務(wù)和創(chuàng)新應(yīng)用等方面已具備規(guī)?；?yīng)，京杭運(yùn)河流域也逐步在船舶監(jiān)管、過(guò)閘等方面開(kāi)展北斗系統(tǒng)應(yīng)用，有望解決目前船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的海事監(jiān)管難題[21]。我國(guó)已在上海、寧波等港口基于5G 網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展智慧港口示范試點(diǎn)建設(shè)，其良好效果加快了5G 在內(nèi)河智慧港航建設(shè)中的應(yīng)用，長(zhǎng)江航道和江蘇淮安港等也已啟動(dòng)港航數(shù)字化升級(jí)改造。5G 超大帶寬和移動(dòng)通訊的靈活性可實(shí)現(xiàn)船岸之間大流量數(shù)據(jù)交換，自主的北斗系統(tǒng)能全天候可靠地提供高精度定位，這些為智能船舶與助航技術(shù)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)[22]。

6 特定航線河海直達(dá)標(biāo)準(zhǔn)船型方案簡(jiǎn)介

為進(jìn)一步充分發(fā)揮江蘇省內(nèi)河航運(yùn)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)內(nèi)河先進(jìn)運(yùn)輸模式發(fā)展，設(shè)計(jì)了4 種河海直達(dá)標(biāo)準(zhǔn)船型方案，如下頁(yè)表6 所示。

表6 特定航線河海直達(dá)標(biāo)準(zhǔn)船型方案主要參數(shù)

采用經(jīng)船模試驗(yàn)優(yōu)化的淺吃水、尖艏、方艉帶分水踵、寬扁肥大的淺水航道常用船型，以利于控制成本和市場(chǎng)推廣；動(dòng)力系統(tǒng)采用“CUBE +柴電”的混合動(dòng)力形式，內(nèi)河航段定期更換CUBE 供電，海上則使用柴油發(fā)電機(jī)，2 臺(tái)電動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)槳全回轉(zhuǎn)舵槳作為主推進(jìn)器；應(yīng)用有限元建模優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)從而降低船體造價(jià)。需要說(shuō)明的是，考慮到船舶大型化發(fā)展趨勢(shì)和不斷改善的航道實(shí)際通航條件，船型方案部分內(nèi)容突破了“主尺度系列2019”的限制而遵循了“通航管理辦法2017”。

7 結(jié)語(yǔ)

2021年5月，江蘇省交通運(yùn)輸廳聯(lián)合省發(fā)改委、省工信廳等九部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《江蘇省內(nèi)河集裝箱高質(zhì)量發(fā)展倍增行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023 年）》提出：2023 年實(shí)現(xiàn)內(nèi)河集裝箱作業(yè)區(qū)在所有設(shè)區(qū)市全覆蓋；內(nèi)河主要集裝箱作業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)三級(jí)以上航道可通暢直達(dá)沿江、沿海港口，蘇北和蘇南可裝載3 層集裝箱船舶的核心運(yùn)輸通道全線暢通，蘇南可裝載2層集裝箱的船舶運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)建成。

隨著政策發(fā)力和航運(yùn)市場(chǎng)需求的蓬勃發(fā)展，“特標(biāo)船型”的發(fā)展前景良好。基于生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment，LCA），運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)、滿足船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（energy efficiency design index,EEDI）的綠色節(jié)能型智能船舶是標(biāo)準(zhǔn)船型的重要發(fā)展方向。