用新航向計算79號燈浮轉向出口

陳志堅 毛曉琳

摘 要：船舶在狹窄和彎曲航道內順利完成轉向是引航員的基本功，轉向早了可能侵入它船航道;轉向晚了可能沖出航道，由此造成擱淺、觸礁。本文基于船舶常用的船速、轉向角、轉向角速度，用新航向計算，得出比較容易實現崇明航道79號燈浮轉向出口的方法。

關鍵詞：船舶;船速;轉向角;轉向角速度;轉向方法

隨著船舶助航儀器的進一步優化，除了借助于雷達、GPS等傳統導航設備，現今電子海圖與信息系統（ECIDS）和船舶自動識別系統（AIS）也被廣泛運用到導航中。船舶轉向操縱僅依靠傳統的雷達觀測、GPS定位、肉眼觀測航標輔助、經驗等方法已經相對落后。如何更好地、系統地計算出轉向過彎時機，從而避免崇明航道出口轉向點（即79號燈浮）轉向時，本船轉不過來沖出航道擱淺、與航道外錨地船舶發生碰撞;或本船在轉向過早與長江口深水航道延伸段內進口船舶發生緊迫危險乃至發生碰撞。本文研究的內容是將轉向操縱轉化成量化的概念，這是本文學習研究的重點。

1新航向的計算方法

船舶的轉向運動分為兩個部分：一是船舶重心沿著新航向軌跡的線性運動，二是船舶自身轉過一定角度的旋轉運動。線性運動和旋轉運動是同時進行的，所以航行時間和轉向時間是相等的。

由于大型船舶的應舵時間和船舶慣性，在操一定舵角后，船舶將保持原航線前進，可以將船舶旋回圈做以下合理簡化[1]：

（1）假定船舶在操舵后從A點到B點前，保持原航線航行，航向未改變。

（2）假定船舶駛過B點后，隨著角速度的不斷提高，船舶旋回的阻尼力矩不斷增大，角加速度漸次降低，向定常旋回階段過渡，斜航中船舶降速加劇。

觀測圖1可知：船舶在A點開始操舵后，船尾出現明顯的向操舵相反一舷的橫向移動，隨后船舶開始發生船首偏轉并開始轉向。船舶從點A經過點B，到達新航向線的點D，并把定進入新航向。轉向開始階段，轉向角速度較慢，船舶重心點軌跡近似看作是直線AB航行，長度為轉向距離的一部分。假設轉向軌跡BD是一段以E為圓心、BE為半徑的圓，與B和D兩點相切的圓弧，用R表示半徑BE。可得公式：

一般從操舵開始到船首轉過90°左右船舶快要進入定常旋回，速度不再下降[2]。旋回性越好，減速越明顯。船舶轉向中旋回減速，其幅度一般為操舵前船舶速度的25%至50%，超大型油船最大降速幅度甚至可以達到65%。一般來說，船速對船舶旋回所需時間長短具有明顯影響，但對旋回初徑大小的影響比較小。所以船舶在轉向過程中的失速變化大小對轉向距離不會產生太大影響，假設減少速度為20%[3]。

2崇明水道出口實際應用計算

以船舶出崇明水道進入寶北航道轉向點（即79號燈浮）轉向角度計算為例，利用算式（4），使用船舶在通過該轉向點時常用的船速和轉向角速度，X值取3個有代表性數值0.25、0.5和0.67，計算Dnc和Q值數據結果。

根據上述圖2、圖3可知：在寶北航道北邊線位置，初始航向為218°（以直角穿越態勢做最初的航向），最終航向為135°（順航道走向），最大轉向可航寬度為1000米（航道寬度）。

根據表1可以得出結論：船速較快時的自力轉向，如果不能達到一定的轉向角速度γ，船舶很難在1000米以內成功轉向出口。轉向角取最大值85°，轉向角速度取10°/分鐘，或者15°/分鐘。Q值隨著X的增大而增大，速度與Q沒有直接聯系，但是轉向所需距離與速度成正比。即得出：

（1）當X值較小時，即保向距離AB較短，船舶在開始操舵后快速開始旋轉，所需值較小， Dnc也較小;

（2）當X值較大時，即保向距離AB較長，船舶在開始操舵后需要一定時間開始旋轉，所需值較大， Dnc 也較大;

（3）轉向角度Ψ對Q值的影響成正比例關系，轉向角度Ψ越大，Q值就越大。

對于出口崇明水道的船舶，多以大型船舶或者對舵響應較慢的船舶為主（崇明出口的船舶由于水深限制，常要求保持較小吃水，舵葉面常露出水面一部分，影響舵效），大型船舶因為慣性大，不能在較短的時間內獲得較大的轉向角速度γ。在有了較大的轉向角速度γ后，把定航向也會相應困難，大型船舶容易產生轉過頭等現象。然而小型船舶不一定要取小的Q值，大型船舶則一定要取較大的Q值更為安全。X值取太大和太小都不符合實際的轉向操縱，合適的數值是在0.25—0.67之間。這樣，Q值在17—24之間[4]。表2是船長和Q取值對照表。

對比崇明水道出口的情況，可知進入轉向前的速度和轉向角速度γ是我們能否在規定的航道內轉向出口成功的關鍵。79號燈浮的航道轉向點處的航道寬度小，轉向距離受到限制，要靠提高轉向角速度γ或者降低航速才能完成轉向。轉向前減速，轉向時加車，增加舵力，是常見的大角度轉彎的方法。減速航行后，所需要的轉向角速度也相對較低。或者合理運用79號燈浮北面水域，提前轉向保持進入航道邊線時轉向角小于85°或者接近預計出口航道的角度，提高轉向出口的成功率。

3風流對轉向的影響

從崇明水道出口船常安排急落水頂流出口，假設潮水流速為3節，轉向時間為180秒，根據公式可得下漂距離為222米。頂流轉向，要推遲轉向或者降低轉向角速度γ。因為船舶在前期受到流壓易于船舶轉向，當船舶與流向成垂直夾角時，轉向變困難。如果初始航速快，轉向中由于流速的疊加作用船舶失速情況小，航速幾乎維持掉頭前的速度，甚至更快。如果遇到突發情況往往后期很難再行自力調頭。所以建議船舶盡量低速靠近79號燈浮北面水域后開始轉向，后期如果遇到轉向角速度小于10°時，通過加車增加舵效或者使用拖船協助。如果是順流掉頭，順流掉頭初始航速很難控制，所以要長時間保持維持舵效的速度。順流掉頭中需要提前轉向，適當的情況下要求拖船協助。船舶在轉向過程中，在AB時間段應該保持航速盡量慢，在BC時間段根據轉過的船頭角度合理控制轉向角速度γ，在后期CD應該減緩轉向角速度，保持能夠迅速把定船頭。

4航行中注意事項

4.1轉向中注意事項

航行過程中會有種種突發情況，穿越航道轉向出口時存在多種風險。應當根據當時船位計算出轉向角速度和本船航速關系，保持船舶穩定轉向。在航行過程中，通過操舵和回舵等運用，結合AIS信息和駕駛臺設備等核對船位與實時船舶航速，調節適合的轉向角速度，并牢牢控制好航速。應該把轉向角速度控制在理想值以上確保安全。如果遇到前期轉向困難，AB的距離過大，就會造成整個轉向過程僅僅是急轉和急停兩個階段。此時，要迅速啟用一切有利于加快轉向的措施，如加大舵角、提高主機轉速以及拖船協助等方法，為CD把定航向爭取時間。否則最終可能偏出航道而擱淺或與錨地里他船發生碰撞。

4.2拖船的使用

崇明水道出口船舶常備有拖船護航，保持低航速才能讓拖船在航行中協助取得最大效果。一般左轉向的出口，可以配置拖船在左后方或右前船首附近。順流掉頭時，為控制航速也可以在船尾吊纜，用以制動，必要時拋短錨固定船艏，協助掉頭。

4.3遇到船舶流密集情況的措施

在崇明水道出口時應該連續觀測60號燈浮附近的進口船舶，在航經205燈浮時還應連續觀測寶山大燈浮附近出口的船舶。保持良好的甚高頻溝通船位通報，應避免在轉向過程中有他船對本船有影響，盡量選擇合適的檔距。如果遇到長時間大批量船舶進出，可以選擇在79號燈浮北面區域拋短錨等待。

4.4合理運用船上設備

根據國際海事組織（IMO）第73次會議對SOLAS公約第V章修正案的規定：2002年7月1日以后建造的50000總噸及以上的船舶必須安裝轉向率指示器，此前1984年9月1日以后建造的100000總噸及以上的船舶也必須安裝轉向率指示器。上海港是潮流港，在過79號燈浮時要正確判斷潮流的流速，根據上述公式（6）估算出漂移的距離。在船舶轉向過程中，需要多次調整舵角，適當調整轉向角速度，并在壓反舵階段加大舵角以穩定在新航向。應結合航行設備，根據當時航速和轉向角速度控制船舶轉向，用舵情況不定。現階段多種AIS移動設備端都自帶轉向角速度（rot）的顯示，比如：Cenkin cp4-rot、KSN11-C。可以在轉向過程中數值的變化用做參考值。

5結論

本方法是基于船舶常用的航速、轉向角、轉向角速度，運用簡單的數學公式得出的結論。在轉向過程中，轉向角速度γ起著決定性作用。操縱者需要實時比較轉向角和轉向角速度。因為轉向角速度γ變化快，如果無法達到計算公式中的恒定值，需要運用一切有效手段來保持轉向角速度的數值，完成整個航行過程。

參考文獻：

[1]傅大平，邵志偉.滿載超大型船舶在彎道突遭濃霧時的安全轉向[J].航海技術，2019（01）：43-47.

[2]洪碧光.船舶操縱原理與技術[M].大連：大連海事大學出版社，2007.

[3]李宗波，張顯庫，賈云.船舶轉向過程中速度下降問題的研究[J].航海技術，2008（03）：2-4.

[4]李祖飛. 一種新航向距離的簡易算法及應用[A].中國引航協會、中國航海學會引航專業委員會.中國引航論文集 2017[C].{4}：上海浦江教育出版社有限公司，2018：5.