基于虛擬仿真和實船驗證的惡劣天氣下LNG船舶靠離泊操作分析

黃 明 竇佩軍 王裕平 游 旭

(武漢理工大學智能交通系統研究中心1) 武漢 460063) (青島引航站2) 青島 266011)

0 引 言

LNG船舶是運輸-163 ℃低溫液化天然氣的專用船舶，是高技術、高難度、高附加值的“三高”產品，被稱為海上超級冷凍車.由于LNG在運輸過程中的特殊性，不僅僅具有原油類似的危險性，還有其獨特的低溫危險性.一旦運輸過程中出現任何意外，對于船員、船舶、碼頭及相關設施均易造成極大危害，因此LNG船舶先天性地對安全有著更高的要求[1].

董家口港區位于青島西海岸新區瑯琊臺灣西南端，靠近青島市和日照市分界處，西起沐官島、董家口，東至胡家山.董家口港區LNG接收站作為中國石化和山東省首個LNG接收站項目，近年來，到港LNG船舶數量增長迅速，2021年青島港董家口港區液化天然氣(LNG)船舶結轉量位居全國前三，船舶平均接卸效率居全國首位[2].由于港區水域大風、大霧等惡劣天氣現象時有發生，對LNG船舶靠離泊安全造成不利影響，為了保障船舶和港口安全，需要了解惡劣天氣對LNG船舶靠離泊操作的影響，制定有針對性的安全操作方案.本文總結引航機構的靠離泊操作經驗，分析惡劣天氣下的LNG船舶靠離泊安全風險，提出風險管控措施.

1 問題描述及模型構建

1.1 靠離泊操作規程及風險因素分析

LNG船舶一般體積較大，在靠離泊時速度較低，舵效較差，如果沒有配置側推裝置，往往不能自行有效地控制船舶轉向，需要配備拖輪增加外部動力，實現整體從欠驅動轉化為全驅動的形式，以使船舶能夠平行靠泊或離泊.根據相關行業標準對LNG船舶的要求，LNG靠泊時應至少配備3艘拖輪協助作業，離泊時應至少配備2艘拖輪[3-4].

使用拖輪靠離泊的基本方式是側拉和頂推.側拉是通過纜繩將拖輪與大船連接，利用拖輪施加拉力協助大船移動或轉向.為了保障拖輪航行的靈活性和拖力有效性，需控制拖纜和近岸艏面的夾角不低于15度[5].頂推形式是拖輪直接將船頭頂推到大船上施加外力，從而使其迅速改變或保持一定的航速和航向.

除LNG船舶本身存在的欠驅動特性外，其他影響因素如交通流、航道、港口基建、人為因素，以及惡劣天氣等均易造成安全風險[6].

1.2 以青島董家港區為例的環境影響分析

1.2.1自然環境

1) 風 董家口港區強風向為ENE向，最大風速12.8 m/s，次強風向為NE向，風速11.8 m/s.曾出現過23 m/s的大風，20 m/s以上的大風多由臺風和冬季寒潮造成，港區東南面向黃海，自東南向西北移動的臺風對本港區影響較大.

2) 浪 ①董家口港區水域實測海浪是以涌浪為主的風涌混合浪，觀測期間最大H1/10波高為3.53 m，同時刻對應的平均周期是8.43 s，觀測到的最大平均周期為8.67 s，同時刻對應的H1/10波高為2.50 m；②強浪向和常浪向均為ESE向，頻率為48.96%，次強浪向和常浪向為SE向，頻率為33.63%.年實測最大風速18.7 m/s，風向為NNE，常風向為NNW向，頻率為16.83%；③全年平均H1/10在0.5～0.6 m，其中，2—9月略大，10—次年3月略小.全年平均T1/10在4～6 s；④大浪的主要方向為E～SE向，方向分布集中度較好，平均散角約為10°～30°.大浪過程的能譜分布特征為單峰，與JONSWAP譜的譜型符合較好，但尖度因子取值有所不同；⑤碼頭區域實測最大有效波周期為13.25 s，對應有效波高為2.02 m，出現在臺風期間.

3) 流 董家口港區航道海域流速較快，水流動力條件及海況復雜.通過觀測站觀測得出：①測區內流速較小.漲潮平均流速最大值出現在C2垂線的大潮期，為0.37 m/s；落潮平均流速最大值同樣出現在C2垂線的大潮期，為0.30 m/s；②C1垂線大、小潮平均漲潮期平均流速與落潮期平均相當(平均落漲比均=1)、C2、C3兩垂線大、小潮平均漲潮期平均流速均大于落潮期平均(平均落漲比均<1)；③潮平均流向：漲、落潮平均流向各垂線大、小潮差異不大.測區內潮流具往復流特性.

4) 霧 董家口港區年平均有53 d屬于霧天，且多以平流霧為主，有連續的霧日天數長、時間跨度大、濃度大等特點.霧季為4—7月，月平均霧日在2.6～2.9 d；11月到次年4月，月平均霧日在0.9～1.9 d，8月到10月霧日數相對較少,月平均霧日在0.3～0.4 d.

1.2.2港區環境

董家口港區為新港區，岸線及水域為天然狀況，水深條件優越，水下地形穩定，近海自然水深平均-15 m，距岸1 000 m水深可達-20 m，港池規劃包括東港池、中港池、北港池、南港池四大專業港池；規劃碼頭岸線長約35.3 km，碼頭包括：液體化工碼頭、散貨碼頭、通用雜貨碼頭、集裝箱碼頭等，規劃總泊位數112個.

目前，董家口港區碼頭岸線5.45 km，包括華能通用碼頭，青島港集團40萬噸級，30萬t級、20萬t級的鐵礦石專業化碼頭已經建成投產，中石化LNG接收站工程，大唐3.5萬和5萬t級的通用碼頭均已投產.總計22個生產性泊位.

1.3 LNG船舶靠離泊協助拖輪配備

考慮LNG船舶的運動特性，選取MMG(mathematical modeling group)模型，采用兩個右手坐標系分別為地球坐標系和隨船坐標系.其模型如下[7].

(1)

XR+XWD+XWV+XC

YH+YR+YWD+YWV+YC

NH+NR+NWD+NWV+NC

(2)

除船舶本身的特性外，外部環境影響主要包括風、浪、流等因素.船舶所受風動力及正橫方向的投影的計算公式為

(3)

(4)

(5)

式中：ρa=1.226 kg/m3為空氣密度；Ca為風動力因素，受風舷角以及載重決定；Aa為水線上船體受風正面積；Ba為水線上船體受風側面積；；va為相對風速，在風速較小時取均值，6～8級時取1.25倍均值，8級以上時取1.5倍均值.

船舶所受橫流阻力的計算公式為

(6)

式中：ρw=1 025 kg/m3為水密度；Cw為水動力系數；Bw為水線下船體側面積；vw為水流速.

通過計算船舶的運動狀態，可以得出船舶所需拖輪的推力總和，結合港口拖輪類型和數量合理配備.

2 基于虛擬仿真的LNG船舶靠離泊操作實驗

2.1 實驗環境

1)進出港航路及泊位 采用瓦錫蘭航海模擬器Navi Trainer Professional-5000開展虛擬仿真.實驗范圍設置包括董家港區進出港主航道、LNG支航道和部分港池，航道總長約20 n mile.其中，主航道長約15 n mile，航道走向為318°39′16″～138°39′16″；LNG支航道服務于董家口港區LNG碼頭，走向為162°21′～342°21′.航道見圖1.

圖1 董家口港區LNG航道構成

2)氣象、海況條件 試驗選取的氣象、海況條件為：①風 風力：6級以上；風向：北風、東南風、東北風；②能見度 能見度不良，低于2 000 m；③潮流和流場 高/低潮前后30 min開航離泊，高/低潮前后2.5 h；選擇2021年8月24日的潮汐和流場作為測試環境，正高潮0730；④船舶模型及拖輪 根據董家口港區到港船舶情況，模擬實驗選擇的船舶模型資料見表1.

表1 船舶模型資料

通過計算選取合適的拖輪配備方案，當風力由5級逐漸加強至6級和7級，能見度良好，協助拖輪4艘，功率分別相當于拖力5 900 kW 1艘、5 180 kW1艘、3 900 kW2艘.風力7級以上，能見度不良逐漸降至0.5 n mile以下，協助拖船5條，馬力分別相當于拖力5 900 kW1艘、5 180 kW 1艘、3 700 kW 2艘.輔助拖船1艘相當于3 700 kW.

2.2 仿真實驗過程

結合董家口港區實際環境開展惡劣天氣下的靠離泊實驗仿真，選擇具備豐富經驗的船長、引航員在航海模擬器上進行模擬操縱靠離泊實驗，實驗程序如下：

1) 結合實際環境情況制定LNG船舶靠離泊模擬實驗方案 根據董家口港區LNG船舶靠離泊和碼頭、航道情況，選擇在平潮前后30 min進出防波堤口.

①受大風影響 在靠泊過程中突遇大風，風力大于6級且增強趨勢明顯，可預估防波提的風流壓差，如果風流壓差大于15°及風力大于7級以上應選擇在141號浮之前掉頭出港，取消進港計劃；如船舶已經駛過141號浮進入LNG支航道，采取船舶應急操縱方案并及時加大協助拖輪數量；在離泊過程中風力大于6級且增強趨勢明顯，則中止離泊.如船舶無法回靠或預估防波提口門處風流壓差大于15度可選擇在掉頭區拋錨，并及時增加協助拖輪數量.

②受濃霧影響 如在進港時突遇濃霧且能見度小于0.5 n mile，選擇合適水域掉頭出港，如果船舶已進入LNG支航道，需謹慎操縱應急靠泊；如果能見度小于2 000 m但大于0.5 n mile，可根據防波提口門處的風流壓差選擇操縱方案，風流壓差大于10度應選擇出港；如離泊時能見度小于0.5 n mile，選擇掉頭區拋錨，能見度小于2 000 m但大于0.5 n mile時，要根據防波提口門處的風流壓差確定繼續離泊還是選擇合適位置拋錨，風流壓差大于10度時選擇合適水域拋錨.

2)根據不同的風力、風向、能見度等組合反復在模擬器上進行實驗 在6級、7級東北風時均能順利完成靠、離泊作業；在落流時段，6級～7級西北風，靠泊難度大、風險程度高.在常風向下，在風力達到7級及以上時，安全靠離泊難度較大，需要時刻關注風致偏移對本船的影響，并根據風向和風力增加拖輪(大于5 000匹)配備數量.靠泊時一般將增加的1條拖輪帶于左舷船首，另一條拖輪保持機動，以備風力突然增大時減輕對本船的不利影響；離泊時如果突遇能見度不良，至少增加1條拖輪，置于離LNG船舶0.5 n mile處，用以保持航道清爽并時刻關注能見度的變化情況.

2.3 仿真實驗結果

根據仿真實驗，董家口港區LNG船舶靠離泊作業，在6級、6～7級東北風時，高/低潮前后30 min和高/低潮前2.5 h開航，能夠順利完成靠離泊作業；在7級風力以下且確定風力不會突然加大時，靠離泊作業是可行的；7級以上風力、能見度不良時進行靠離泊操縱，由于水域受限和風致偏明顯，靠離泊操縱困難，風險程度高.

3 LNG船舶靠離泊風險管控

3.1 LNG船舶靠離泊風險

3.1.1惡劣天氣條件界定

考慮董家口海事、碼頭、輪駁等單位安全管理要求，通過LNG船舶實際操作和模擬實驗分析，下列條件可視為惡劣天氣.

1) 能見度小于2000 m.

2) 風力大于10.8 m/s.

3) 涌浪大于等于1.5 m且小于2.5 m時，視泊位條件實際評估確定能否進行靠離泊作業；涌浪大于等于2.5 m時，停止船舶靠離泊作業.

4) 高低潮時不能通過防波堤 海面風級和能見度可由船舶實測取得，或通過氣象部門、海事管理機構設置的測量儀實測取得.當由船舶實測取得時，應盡量以同一海域的至少3艘船舶報告數據的平均值作為實施交通管制的依據.涌浪數據以董家口港區D12泊位涌浪測量最大值為依據.

3.1.2靠泊風險及控制措施

1) 靠泊風險 LNG船舶抵達口門前風力突然加大至7級以上或能見度變差低于0.5 n mile，風致偏效果明顯且能見度不良看不到泊位位置，視線不清難以判斷船位，風力大船舶操作困難，靠泊作業風險高.

2) 風險控制措施 隨時關注風向、風力,以及能見度的變化趨勢，在明顯估計到這些變化會影響靠泊方案的執行時，立即中止靠泊作業.

考慮到天氣變化的不確定性，對拖輪配備安全冗余的充分性和有效性要有準確估計，運用拖輪和車舵配合及時降低大風和能見度不良對大船操作的影響，使用雷達等設備幫助確認船位，并根據實際情況做出相應的靠泊計劃及帶纜繩計劃.

惡劣天氣影響加重，船舶已經不具備中止靠泊計劃駛往掉頭區拋錨的情況下，應安排額外的拖輪處于戒備狀態，以便在需要時隨時可用，船舶應加強首尾的瞭望戒備，并在船首安排足夠人手以便在需要時隨時可以使用雙錨.風力大于7級靠離泊應首先考慮增加拖輪以控制船舶的船位和姿態；能見度小于0.5 n mile時應首先考慮降低船速加派瞭望人員及時調整雷達的工作狀態等措施來幫助辨認參照物.

3.1.3離泊風險及控制措施

1) 離泊風險 船舶在離開碼頭前沿100 m后，如果風力加大、風舷角發生變化，會造成船位和航向偏離，在船舶低速時船舶控制變得困難，增加車舵的使用和拖輪協助決策難度；如果能見度不良、低于0.5 n mile，會給船位和距離判斷帶來更大的困難，離泊作業風險高.

2) 風險控制措施 在風力增強至7級以上時，如無法改變離泊計劃，應時刻關注并判斷風力增強對船舶操縱帶來的影響，并根據實際情況迅速確定船位并采取相應的控制措施.由于此時船速較低無法自力保持船位，應果斷使用拖輪幫助擺正船位和航向.

能見度不良且低于0.5 n mile時，應使用雷達等設備協助確認船位，并根據實際情況做出相應的離泊計劃及解開纜繩方案，安排額外的拖輪處于戒備狀態，以便在需要時隨時可用，加強首尾的瞭望戒備來幫助辨認船位和參照物的位置，并在船首安排足夠人手，以便在需要時隨時可以使用雙錨固定船位.

3.2 安全保障措施

3.2.1LNG船舶靠離泊作業安全保障措施

1) 船舶應對惡劣天氣影響予以更充分的關注，包括風向、風力以及能見度的可能變化，在明顯估計到這些變化會影響靠離泊方案的執行時，果斷做出中止實施靠離泊計劃的決定.

2) 考慮到氣象等條件變化的不確定性，針對LNG船舶的特點，在拖輪配備安全冗余的充分性和有效性上應有準確的估計，應充分運用拖輪和車舵配合，降低大風和能見度不良對LNG船舶操縱的影響，充分使用雷達等助航設備協助確認船位，并根據實際情況做出相應的靠離泊計劃及帶(解)纜方案.

3) 大天氣，需適當增加拖輪，并將拖輪布置在最合理、最有效的位置上，為控制船舶的轉向和橫移提供足夠的作用，掌握風向角與風壓及船舶操縱的關系；濃霧天氣，要加強浮標的識別和航道的清理，也可充分利用岸基的支持.

4) 如果惡劣天氣影響加重，船舶不具備中止靠離泊計劃、駛往掉頭區拋錨的情況下，應安排額外的拖輪處于戒備狀態，以便在需要時隨時可用，同時加強首尾的瞭望戒備，并在船首安排足夠人手以便在需要時隨時可以使用雙錨.

5) 船舶在碼頭前沿100 m左右位置時速度較低，如果風力加大、風舷角發生變化，會發生船舶偏航，控制船舶較為困難，應重點考慮拖輪的協助配合.

在風力有明顯增強時，應及時判斷風力增強對于船舶操縱帶來的影響，根據實際情況迅速確定船位，及時采取相應船位和船舶態勢調整措施，由于此時船速較低無法自力保持船位，應果斷使用拖輪協助擺正船位和航向.

4 實船驗證

通過船舶操縱模擬實驗，明確在惡劣環境下的LNG船舶靠離泊可控性極限，開展LNG船舶在董家口港區靠離泊操作方案驗證與風險分析.

1) “巴布亞”輪靠泊 ①環境情況 天氣陰有小雨，東北風4～5級陣風7，10～12 ℃；能見度大于1 000 m.潮汐：高潮0848/463；低潮1506/119.②靠泊過程 配備5艘拖輪協助靠泊，在304號浮前帶好3艘拖輪，其余1艘船頭巡航，1艘右舷伴航；按照計劃時間通過防波堤；船舶進入防波堤后，帶好第4艘拖輪；按照計劃靠好碼頭，帶纜；帶纜數量10根纜繩，方式為4-4-2，帶纜順序為：倒纜、橫纜、頭纜和尾纜；纜繩全部帶好后，解離拖輪，靠泊完畢.

2)“中能天津”輪離泊 ①環境情況 晴轉多云，西北風4～5級陣風7級，17～25 ℃；能見度大于1 000 m.潮汐：高潮1616/476，低潮1041/117.②操縱過程 配備4艘拖輪離泊，兩艘拖輪分別在船舶首、尾外擋帶纜，其余兩艘船舶首、船尾待命；按照計劃通過防波堤，船舶擺正船位出防波堤前解清拖輪；4艘拖輪護航至119號浮，引航員在第一登輪點離船，離泊作業結束.

3)實船實驗結果 LNG船舶靠離泊董家口港區，根據制定的拖輪配備方案和船舶操作方案，可完成在確定的惡劣天氣下完成靠離泊作業，驗證了操作方案的可行性和安全保障措施的有效性.

5 結 束 語

文中面向惡劣天氣下青島港董家口港區LNG船舶靠離泊存在的安全風險問題，開展LNG船舶靠離泊安全風險管控研究.分析了董家口港區LNG船舶航行環境，梳理了影響安全的主要因素，利用大型船舶操縱模擬器開展LNG船舶在惡劣天氣下靠離泊操縱仿真實驗，梳理了LNG船舶靠離泊存在的安全風險，提出了惡劣天氣條件下安全靠離泊的邊界條件.針對LNG船舶靠離泊過程中存在的主要安全風險，提出了風險管控措施，制定了董家口港區LNG船舶靠離泊操作方案.通過實船靠離泊實驗，驗證了操作方案的可行性和風險控制措施的有效性.