大型郵輪進出海港所需通航寬度計算與軟件開發

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(1.武漢理工大學 a.航運學院；b.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063；2.長島海事處，山東 煙臺 265800；3.青島海業油碼頭有限公司，山東 青島 266000)

目前，對于郵輪所需通航寬度的計算籠統的按照普通商船尺度進行研究，缺乏針對郵輪的通航寬度確定方法，因大型郵輪具有受風面積大等特點，運用普通商船的方法來確定通航寬度，誤差較大，且《海港總體設計規范》(以下簡稱《規范》)并未給出風級大于7級，流速大于1.0 m/s時風、流壓差角和船舶漂移倍數的取值，進而無法利用《規范》求出上述通航環境下郵輪進出港所需的通航寬度值[1]。

以往的研究多集中于內河、沿海其他類型船舶的通航寬度的研究[2-7]。加拿大相關部門在確定通航寬度時，考慮了岸灘條件、船舶會遇、船舶操縱性、風流影響等因素，給出了在流速大于1.5 kn時的通航寬度計算方法[8]。關于大型郵輪進出海港所需通航寬度的研究較少。

為此，擬在《規范》中提出的船舶航道寬度計算公式的基礎上，綜合考慮郵輪自身操作特性、郵輪航行基本尺度所需通航寬度、風致漂移量、流致漂移量等影響因素，構建大型郵輪進出海港所需通航寬度計算模型。

1 模型建立

1.1 《規范》中船舶通航寬度的計算

《規范》中關于船舶通航寬度的理論計算[9]考慮了風速、流速的影響，但是對風的影響未做具體規定，只是將風的級數限定為小于7級，而對風級大于7級，流速大于1.0 m/s時風、流壓差角和船舶漂移倍數的取值沒有涉及。因此，無法利用《規范》計算以上條件下郵輪進出海港所需的通航寬度，而在郵輪進出港時，需要根據當時的風速、流速條件，對船舶進出港所需的航道寬度進行計算。

1.2 大型郵輪進出海港所需通航寬度建模

不同的規范準則針對船舶進出港時所需通航寬度計算方法各有不同，所考慮的影響因子也各有差異，對于郵輪所需通航寬度只是籠統采用普通商船尺度，缺乏針對性。

一般情況下郵輪的操縱性能要比普通貨船的操縱性能優越，但是大型郵輪受風面積很大，在進出海港的航行過程中，很容易受外界環境，尤其是風、流的影響，所以郵輪進出海港的通航寬度與普通貨船的通航寬度是不同的。

根據船舶操縱原理，認為郵輪進出海港所需通航寬度主要考慮三方面：郵輪航行基本尺度所需通航寬度、郵輪的流致漂移量和郵輪的風致漂移量。

基于此，改進在風和流影響下郵輪進出海港所需通航寬度BL計算公式。

BL=ΔBω+ΔBα+WB

(1)

式中：ΔBω為郵輪流致漂移量,m；ΔBα為郵輪風致漂移量,m；WB為郵輪航行基本尺度所需通航寬度。

1)郵輪航行基本尺度所需通航寬度計算原理見圖1。

圖1 郵輪航行基本尺度所需通航寬度示意

(2)

(3)

式中：L為郵輪長度，m；B為郵輪寬度，m；c為郵輪與航道邊界之間的安全距離，m。

2)郵輪流致漂移量的計算。郵輪進出海港航行時，在海流影響下，郵輪會產生流致漂移量。

ΔBw=vcTsinα

(4)

(5)

式中：vc為流速,m/s；α為流壓角,(°)；T為漂移時間,s；n為船長的倍數；Vs為郵輪航速,kn。

3)郵輪風致漂移量的計算。郵輪在航行中受風時，將向下風方向產生一定量的漂移量。由于郵輪水線面以上的受風面積大，在郵輪進出海港航行過程中，很容易受到風的影響而產生偏轉，郵輪向下風方向漂移，故而產生風致漂移量。風向與郵輪船舷之間存在夾角，簡稱風舷角，使郵輪的實際受風面積發生改變。因此風舷角不同，郵輪的實際受風面積也不同。實際受風面積與風弦角的關系見圖2，綜合考慮以上因素，改進后的風致漂移量計算為

(6)

Bw=L·d

(7)

(8)

圖2 船體水線上側實際受風面積與風舷角之間的關系

1.3 軟件設計

利用MATLAB開發郵輪進出海港所需通航寬度的計算軟件，進行通航環境參數為定值時的計算，可將通航環境參數中的某一項設置為變量，其他參數為定值，得到基于某項參數為變量時的一系列通航寬度值，同時可以根據一系列通航寬度值得到相應的直線圖像，軟件界面見圖3。

圖3 郵輪進出海港通航寬度計算軟件界面

2 算例

2.1 青島港郵輪碼頭介紹

青島港郵輪碼頭位于青島港老港區大港池口門處，6號碼頭西南側。碼頭建設規模為1個總噸位150 000 t郵輪泊位，碼頭長度490 m，陸域縱深95 m。碼頭結構按照總噸位220 000 t郵輪預留，地理位置見圖4。

圖4 青島港郵輪碼頭位置示意

2.2 郵輪碼頭設計船型

參考目前已統計的國內外最大船型及其他規范船型，設計船型尺度見表1。

表1 典型設計船型尺度表

2.3 自然環境

1)風況。根據團島氣象站風資料，常風向和強風向均為NW向，出現頻率為13.82%；次常風向為SE向和NNW向，出現頻率分別為12.26%和12.09%。全方位大于等于6級風出現頻率為4.04%。大于等于7 級風出現頻率為1.83%[10]。

2)水文情況。青島海域的潮汐屬于正規半日潮。潮位值從青島理論最低低潮面起算，根據驗潮資料計算得到結果見表2。

表2 青島港潮位特征值

膠州灣海流屬于規則的半日潮流。漲潮流速大于落潮流速，最大可超過40～50 cm/s。最大漲潮流速為55 cm/s，方向為345°。最大落潮流速為53 cm/s，方向為130°。

根據實測資料，常浪向NW向，頻率為10.43%。次常浪向為NE向，頻率為7.52%。強浪向為NNE向，該向H1/10>1.1 m的頻率為0.38%。

2.4 “天海新世紀”號郵輪進出青島港所需通航寬度計算

1)基于“規范”的“天海新世紀”郵輪進出青島港所需通航寬度計算。

郵輪進出青島港時，按照單向通航考慮，橫流流速取4種情況，見表3、4，而郵輪的航速取4種情況。

表3 固定航速“天海新世紀”號郵輪進出青島港航行所需的通航寬度(橫風≤7級、航速6 kn)

表4 不同航速“天海新世紀”號郵輪進出青島港航行所需的通航寬度(橫風≤7級、航速8、10、12 kn)

2)基于改進模型的“天海新世紀”號郵輪進出青島港航行通航寬度計算.

郵輪長度252 m，寬度32 m，吃水8 m，郵輪受風面積為7 862.4 m2。計算結果見表5。

表5 不同航行長度下郵輪的通航寬度統計 (流壓角27°，偏航角5°，海流流速0.8 m/s))

2.5 結果分析

數據分析可知：基于《規范》計算得到郵輪在風速為13.8 m/s、航速在6 kn時的通航寬度為167 m。而在同等環境條件下利用本文計算模型得出的郵輪通航寬度是一系列動態值。基于《規范》的計算結果與基于優化模型計算結果中航行長度在1倍船長的通航寬度值接近，驗證了優化模型的準確性和可信度，另外，當郵輪定向航行時所需要的通航寬度明顯增大，所以郵輪進出青島港航行時需要合理用舵，使郵輪航行在既定航道內，以免發生擱淺事故。

表6 不同風速下郵輪的通航寬度統計表(流壓角27°，偏航角5°，航速8 kn)

表7 不同海流流速下郵輪通航寬度統計(流壓角27°，偏航角5°，航速8 kn)

圖5 航速8 kn時不同風速下郵輪的通航寬度軟件計算界面

圖6 航速8 kn時不同海流流速下郵輪通航寬度軟件計算界面

風速和海流流速的變化會導致郵輪航行所需通航度的快速變化，所以郵輪進出青島港期間要密切注意風速和流速的變化，盡量選擇在二者影響較小的時刻進出港，以防因風流影響使郵輪漂移出航道發生擱淺事故。

3 結論

1)將利用郵輪進出海港通航寬度計算軟件的結果與利用“規范”中提出的船舶航道寬度計算公式的計算結果進行對比，結果基本相同，驗證了優化模型的準確性和可信度。

2)大型郵輪進出海港所需通航寬度計算的新方法。綜合考慮了郵輪自身操作特性、郵輪航行基本尺度所需通航寬度、風致漂移量、流致漂移量等影響因素，運用MATLAB設計了計算軟件，可方便、快捷的實現在不同郵輪航行長度、風速、海流流速下的通航寬度的計算，彌補了《規范》對郵輪所需通航寬度計算籠統的按照普通商船尺度進行研究及無法對超規范通航條件通航寬度進行計算的不足。

3)雖已將盡可能多的因素考慮進去，但未考慮駕駛員發現郵輪偏移反應過程、郵輪改向過程、受其他過往船舶影響的漂移量等，在以后的研究中，應對以上未考慮的因素進行深入研究，以對模型進行完善和改進。