狹水道中航行船舶間距控制的研究

摘 要:船舶在狹水道中航行，合理的船間距對于船舶的安全營運非常重要。本文通過分析新航向距離，并結合船間效應給出了船舶的最近會遇距離，得出了狹水道內航行的最小船間距的計算公式，為船舶駕駛員的進出港操縱及港口調度的人員提供參考。

關鍵詞:船舶;新航向距離;船間效應;最小船間距

中圖分類號:U661.336 文獻標志碼:A文章編號:16717953(2009)04000103

Research on Ship Space of Navigating in Narrow Channels

ZHANG Yuxi BENG Feng LI Guoshuai

(1.Navigation College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;2.Yingkou Pilot station，Yingkou Liaoning 115007，China)

Abstract: It is very important for ship proceeding in narrow channels. to control ship's space. This paper presents DCPA based on distance to new course and ship's interaction， a simple formula of minimum ship space for ship navigating in narrow channels. is developed，which is an important reference for the ship's navigators and personnel of port control.

Key words: ship;distance to new course;ship's interaction;minimum ship space

船舶間距的控制非常重要，船間距過小，增加了發生碰撞等危險;而船間距過大，導致狹水道的通航密度減小，降低了狹水道的利用率，使港口的運營效率降低。

近年來人們一直致力于港口及狹水道的通航密度的研究，而關于進出港船舶船間距的研究方面的研究很少。而本文通過分析船舶間的最近會遇距離的控制來闡述論證最小船間距，最后給出了最小船間距的估算公式。

1 船舶間距影響因素

1.1 概述

從安全科學^[1]的角度來考慮，影響船舶航行安全的因素可分為人、機、環境和控制四個要素。其中人的因素表現為人的心理、生理及行為能力等方面存在的缺陷和問題，主要表現為駕駛員在船舶航行中出現不良的心理狀態、生理上的疲勞和船員的專業技能的掌握不足，最終導致導致事故的發生成為可能。環境因素指天氣、海況、水域等，表現為能見度、風、浪流、潮汐等氣象海況的影響，同時航行水域的水深、寬度、交通流等狀況。船舶因素包括船舶本身和船舶管理兩個方面。船舶質量、船舶適航是船舶安全航行的前提。當然，船舶的自身因素還包括機艙、各種消防和救生、機械電氣設備、安全設施、駕駛室的導航設備及各種自動化系統等是否正常運行。

船舶間距，根據安全科學理論，其決定因素也可以從人、機、環境和控制四個方面來考慮，其中人、機、環境及控制管理因素對安全船舶間安全距離的影響非常重要，而掌握船舶的改向性能，對于緊急情況船舶避讓及安全操縱尤為重要。文章從船舶的轉向性入手，針對狹水道緊急情況采取滿舵轉向，對船舶間距進行了分析論述，最后得出了相應的結論。船舶的旋回性對船舶間距的影響

1.2 旋回性

旋回性能^[2]是指操滿舵使船舶進行回轉運動的性能，它是衡量船舶回轉性能所占最小水域范圍大小的性能指標。船舶以一定的速度直航中操滿舵并保持，船舶重心所描繪的軌跡，俗稱“旋回圈”。旋回圈的大小可經由實船實驗測得和MATLAB進行仿真。旋回圈的大小與船型、舵面積、所操舵角、操舵時間、載態、水深、船速、船舶的縱傾和橫傾、螺旋槳轉速等密切相關。另外，受風、流的影響，旋回圈的大小也有很大變化。

1.2.1 船舶水線下的船型因素的影響^[3]

1)方形系數越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越小。

2)船體水線下側面形狀就整體而言，船首部分分布面積較大如有球鼻首者，或船尾比較瘦削的船舶，旋回中的阻尼力矩小，旋回性較好，旋回圈較小，但航向穩定性較差;船尾部分分布面積較大者如船尾有鈍材，或船首比較削進的船舶，旋回中的阻尼力矩比較大，旋回性較差，旋回圈較大，但航向穩定性較好。

3)舵面積比A_R/(L_pp.d)

舵面積比是舵面積與船體水下側面積之比，增加舵面積將會使舵的轉船力矩增大，因而旋回性變好。增加舵面積的同時又增加了旋回阻尼力矩，當舵面積超過一定值后，旋回性就不能提高。總的來看，舵面積較高的船舶，其舵效較優。各類船舶因其實際的使用目的不同，舵面積比的選定除考慮船舶操縱性之外，尚需綜合考慮船尾結構、船舶阻力、舵機功率等多方面條件的實際限制。

1.2.2 船舶載重狀態因素的影響^[2]

1)吃水

吃水的變化影響舵面積比，隨吃水的增加，舵面積比降低，船舶通過重心G點豎軸的轉動慣量增加，初始旋回大大減慢。從旋回圈看，滿載的船舶的旋回初徑較輕載時大，而近距也較輕載時長。若縱傾狀態相同，吃水增加時，旋回進距增大，橫距和旋回初徑也將有所增加。

2)吃水差

吃水差較大程度地改變了船舶水線下船體側面積的分布狀態，因而對船舶旋回性能帶來明顯的影影響。尾傾增大，旋向圈也將增大，方型系數越高，其增加的比例也較高;相反，如果首傾增加，則旋回初徑按同樣比例減小，航向穩定性將變差。

3)橫傾

橫傾橫傾使得船舶左右浸水面積不同，兩側所受的水動壓力也不相同，改變了左右舷各種作用力的對稱性。低速時，推力-阻力轉矩起主要作用，推首向低舷側偏轉;高速時，首波峰壓力轉矩起主要作用，推船首向高舷側偏轉。總的來講，橫傾對旋回圈的影響并不大。

1.2.3 操船因素的影響

1)舵角

在極限舵角的范圍之內，操不同舵角時的旋回初徑變化情況，總的趨勢是，隨著舵角的減小，旋回初徑將會急劇增加，當然旋回時間也將增加。對于不同的船舶，隨著舵角的減小，旋回初徑的增加率是不一樣的，其中舵的高寬比小的船舶，其旋回初徑的增加率較大。

2)操舵時間

操舵時間主要對船舶的進距影響較大，進距隨操舵時間的增加而增加;操舵時間對橫距和旋回初徑的影響不大，旋回直徑則不受其影響。

3)船速

船速對船舶旋回時間影響顯著;船速對旋回初徑大小的影響呈現較為復雜的情況:急低速狀態旋回性明顯變差;停車進行旋回即減速旋回時，旋回圈將大大擴大;從船速極低狀態開始，進行加速旋回時，旋回圈將因而受到壓縮，旋回圈中心也將落在旋回前的船舶正橫之后。

2 船舶間距離控制

船舶在進出港的操縱過程中，合理的船間距離對船舶的操縱安全非常重要。船間距離過大，可能使港口的通航效率降低，而船間距離過小，可能導致發生碰撞等危險的可能性增加。

2.1 條件

船舶改向過程中，應注意旋回之后距離和新航向距離。由于船舶的轉動慣性，航向角對舵的反應有一個滯后時間，該時間稱為旋回滯后時間。如果旋回初始速度為V，則相應的旋回滯后距離可近似表示為:

D₀=V(T+t₁/2)(3.1)

船舶航向變化角為Ψ時，新航向延長線與原航向線的交點至轉舵時的距離稱為新航向距離，如圖3-1所示，其大小可近似表示為式子 (3.2):

式中:D_c——新航向距離(m);

V——船速(m/s)

T——追隨性指數(s)

t₁——操舵時間

K——旋回性指數(1/s)

δ_c——舵角(rad)

Ψ——航向變化角(°)

船舶停船過程中，應注意停車后某一時刻所對應的滑行距離，可根據經驗公式(3.3)得出停車后該時刻船舶所滑行的距離:

S=0.024CV₀(1-2_-t/2)(3.3)

式中:

S——停船后某時刻船舶所滑行的距離

C——減速時間常數(min)

V₀——初始船速(kn)

t——停船后某時刻(t)

2.2 船舶間最小距離的確定

船舶在進出港狹水道航行過程中，兩船間最近會遇距離(DCPA)主要影響因素是船間效應，為減少船間效應，控制DCPA為1.5~2.5倍船寬^[4]，結合新航向距離對DCPA的影響，此時能得出狹水道中航行船舶間的最小距離。在保證安全的DCPA情況下結合性航向距離和停船距離情況下可以得出船間最小距離的估算公式(3.4)。

L_min=D_c-S(3.4)

3 “STUYVESANT”集裝箱輪以V₀=8kn在某狹水道航行

該輪滿載排水量▽=224978t，L×B=286×50，根據當時環境及船舶數據可得操縱性指數K′=2.39 T′=4.09，前船初始速度為V0=8kn航行中前船突然主機故障停車，為保證兩船安全通過計算兩船間應保持的最小船間距。

1)將K′和T′轉化為K和T

K= K′(V₀/L)=2.39×8×0.514/286=0.034/s

T= T′ (L/V₀) =4.09×286/(8×0.514)=284.224s

2)新航向距離

考慮到避讓后兩船安全的DCPA，本船所操舵角為35°，航向改變至少為26°，可知航向改變26°所需時間t為3分鐘，因此可得出D_c:

D_c=V(T+t₁/2+tan(Ψ/2)/Kδ_c)=8×0.514(284.224+15+1.28/(0.034×35))=1436.3m

3)船舶停船后某時刻滑行的距離

S=0.024CV₀(1-2_-t/2)=0.024×19×8×(1-2^-3/2)=0.038nm=700.1m

4)兩船間最小距離

L_min=D_c-S=1436.3-700.1=736.2m

4 結論

本文通過分析狹水道內航行的船間效應的影響，結合了新航向距離對DCPA的影響，得出了在狹水道內航行船舶間距離的計算公式。下一步的研究工作是結合追越、交叉等情況下最小船舶間距的計算問題及不同情況下船舶操縱性指數K′、T′的計算。

參考文獻

[1] 陳偉炯.船舶安全與管理[M].大連:大連海事大學出版社，1998.

[2] 洪碧光.船舶操縱[M].大連:大連海事大學出版社，2008.

[3] 古文賢.影響旋回圈大小的因素[J].世界海運，1995(1).

[4] 古文賢.船舶操縱[M].大連:大連海運學院出版社，1993.