集裝箱船墜箱風(fēng)險(xiǎn)分析及安全對策研究

姜偉 劉開龍 程斌 裴志勇 吳衛(wèi)國

摘 要：以保障集裝箱的安全運(yùn)輸，本文從理論分析和實(shí)驗(yàn)研究兩方面，對內(nèi)支線集裝箱船發(fā)生墜箱時對應(yīng)的臨界橫搖角度和角加速度展開研究，建立集裝箱墜落臨界狀態(tài)下船舶橫傾角度和角加速度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)出集姿態(tài)感知、信息傳輸、風(fēng)險(xiǎn)評估及臨界預(yù)警于一體的集裝箱船墜箱預(yù)警系統(tǒng)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域國內(nèi)外技術(shù)空白，對集裝箱船運(yùn)輸安全可靠性具有積極意義。

關(guān)鍵詞：集裝箱船;墜箱實(shí)驗(yàn);臨界狀態(tài)

中圖分類號：U169? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0058-02

1 背景

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷發(fā)展，大型集裝箱貨輪活動日益頻繁，越來越多的物品以集裝箱的形式運(yùn)輸。然而水面環(huán)境復(fù)雜多變，船舶集裝箱落水事故時有發(fā)生。據(jù)世界海運(yùn)委員會（WSC）的統(tǒng)計(jì)，平均每年約有1390個集裝箱墜海（不包括海難事故）（2013 -2016年平均值）。內(nèi)支線集裝箱船航行至長江口時，由于風(fēng)浪作用使其發(fā)生六自由度的運(yùn)動響應(yīng)，在橫搖、縱搖和首搖的共同作用下，綁扎桿和花籃螺絲會逐漸失去作用，最終導(dǎo)致墜箱事故發(fā)生。另外，裝卸控制不當(dāng)，也會造成集裝箱的墜落。

墜箱事故不僅給航運(yùn)企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，還給航道安全帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)，集裝箱裝載的危險(xiǎn)化學(xué)品還會對水域環(huán)境造成嚴(yán)重污染。墜箱事故也會導(dǎo)致航運(yùn)企業(yè)的聲譽(yù)受損并影響企業(yè)的競爭力，因此需要高度重視集裝箱船舶的安全運(yùn)輸問題。同時建立相關(guān)的墜箱預(yù)警系統(tǒng)，在出現(xiàn)集裝箱墜落風(fēng)險(xiǎn)時，發(fā)出警報(bào)信號，同時提供安全航行建議，輔助船長決策，以減少或避免墜箱事故的發(fā)生，提高船舶運(yùn)輸?shù)陌踩裕Ｕ习踩珷I運(yùn)。

本文從理論分析和實(shí)驗(yàn)研究兩方面，對內(nèi)支線集裝箱船發(fā)生墜箱時對應(yīng)的臨界橫搖角度和角加速度展開研究，確定集裝箱墜落臨界狀態(tài)。實(shí)際應(yīng)用時姿態(tài)測量模塊實(shí)時感知船舶姿態(tài)，傳輸至安全監(jiān)測程序，實(shí)時處理得到每一時刻對應(yīng)的橫搖角度和角加速度，對比集裝箱墜落臨界狀態(tài)，設(shè)定警報(bào)閾值，存在墜箱危險(xiǎn)時發(fā)出警報(bào)音，提示船長作出決策，以消除墜箱危險(xiǎn)。將上述各項(xiàng)技術(shù)研究成果及模塊、程序、警報(bào)系統(tǒng)集成，開發(fā)出內(nèi)支線集裝箱船墜箱預(yù)警系統(tǒng)，用以保障集裝箱的安全運(yùn)輸。

2 集裝箱臨界墜箱狀態(tài)力學(xué)分析

集裝箱墜箱形式有兩種，一種為摩擦力不足導(dǎo)致的滑動脫落，考慮到最上層集裝箱的慣性力最大，假定最上層集裝箱脫落為最危險(xiǎn)狀況，如圖1所示;另一種為力矩不平衡導(dǎo)致的轉(zhuǎn)動脫落，如圖2所示。

針對兩種脫落情況進(jìn)行力學(xué)分析，分別列出臨界狀態(tài)的力學(xué)方程，整理得到臨界墜落時橫搖角加速度與橫搖角度的關(guān)系，可計(jì)算得到各橫搖角度θ下的臨界角加速度值α，如圖4所示，曲線與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)即靜態(tài)最小墜落角，曲線和坐標(biāo)軸所包圍的區(qū)域表示理論值情況下的安全區(qū)，曲線下方為危險(xiǎn)區(qū)。

3 集裝箱墜箱實(shí)驗(yàn)研究

為真實(shí)再現(xiàn)集裝箱墜箱過程，對力學(xué)分析中未能全面系統(tǒng)考慮的各影響因素進(jìn)行分析，還進(jìn)行了集裝箱墜箱實(shí)驗(yàn)研究。采用縮比為1：50的船模和集裝箱模型來模擬實(shí)船和實(shí)際裝載集裝箱，集裝箱模型的布置以及最高層集裝箱模型中心到水線的垂直高度H和最外側(cè)集裝箱模型中心距中縱剖面的距離B也采用相同的比例。在最外側(cè)頂層集裝箱和甲板正中分別布置姿態(tài)測量模塊，同時測量集裝箱橫搖角度和船舶橫搖角度，實(shí)驗(yàn)布置示意圖如圖5所示。測量模塊與電腦采用藍(lán)牙通訊方式，數(shù)據(jù)傳輸速率采用的是100Hz。

先進(jìn)行了靜態(tài)墜落實(shí)驗(yàn)，以測量靜態(tài)臨界掉落角。使船舶緩慢橫傾直至集裝箱掉落，測得靜態(tài)臨界掉落角，實(shí)驗(yàn)時取三次實(shí)驗(yàn)的最小值為靜態(tài)臨界掉落角。在零度和靜態(tài)臨界掉落角之間，做系列角度的角加速度墜落實(shí)驗(yàn)。將船舶橫搖角固定在某一角度，通過調(diào)整橫搖力矩使得船模及集裝箱模達(dá)到一定的角加速度，如集裝箱模型發(fā)生墜落，記錄此時的橫搖角度及角加速度。這樣可得到系列橫搖角下臨界墜落角加速度的關(guān)系曲線，如圖6所示。曲線上方為安全區(qū)不發(fā)生墜箱，曲線下方為墜箱危險(xiǎn)區(qū)，船模實(shí)驗(yàn)值較理論值更加安全。實(shí)際使用時，為將墜箱風(fēng)險(xiǎn)降到最低，將實(shí)驗(yàn)值一次擬合線向安全范圍內(nèi)保留10%裕度，得到實(shí)際應(yīng)用的警戒值。

由式（2）和（4）可知，船模和實(shí)船臨界角加速度值滿足尺寸比例n，故將船模警戒值再除以比例n，針對本目標(biāo)實(shí)船，其橫傾角和臨界墜落角加速度的關(guān)系為，

4 集裝箱墜箱預(yù)警系統(tǒng)

按照前述建立的船舶橫傾角和臨界墜落角加速度警戒值的函數(shù)關(guān)系，基于MATLAB語言開發(fā)了集裝箱船墜箱預(yù)警系統(tǒng)，將該函數(shù)關(guān)系置于系統(tǒng)內(nèi)，作為判斷集裝箱是否存在墜箱危險(xiǎn)給出警報(bào)的依據(jù)。在船上安裝姿態(tài)傳感系統(tǒng)，以實(shí)時獲取船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過通訊模塊傳輸至集裝箱船墜箱預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到船舶橫傾角度和橫傾角加速度達(dá)到警戒值，可能導(dǎo)致墜箱危險(xiǎn)時，發(fā)出警報(bào)蜂鳴音，同時給出操作建議，以便船長及時作出決策，改善船舶集裝箱的安全狀態(tài)。集裝箱船墜箱預(yù)警系統(tǒng)計(jì)算流程如圖6所示。

5 結(jié)論

本文對集裝箱臨界墜箱狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，建立集裝箱墜落臨界狀態(tài)下船舶橫傾角度和角加速度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)出集姿態(tài)感知、信息傳輸、風(fēng)險(xiǎn)評估及臨界預(yù)警于一體的集裝箱船墜箱預(yù)警系統(tǒng)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域國內(nèi)外技術(shù)空白，對集裝箱船運(yùn)輸安全可靠性具有積極意義。