散裝谷物船自動配載方案分析

饒本順，鄭云峰，周校彬，于俊迪

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116085)

散裝谷物是占有世界散貨運輸10%以上貨運量的貨種，在海運市場中占有很重要的地位。散裝谷物船的配載通過計算船舶在全航程中對穩性最不利狀態時的穩性、強度、吃水、吃水差等指標，并判斷其是否滿足規范要求，以確保散裝谷物船安全營運。對于目前開發的散裝谷物船配載軟件在輸入窗口上還需要人工輸入各貨艙的裝載重量，計算船舶的實時穩性、強度、吃水、吃水差等指標，當其中某項指標不符合要求后，則需重新配載，直至各項指標符合要求。此過程對經驗不足的配載人員來說，對各具體航次任務的配載需在對各配載方案的輸入與選取的過程中花費大量時間。

1 配載時的穩性、浮態要求

1.1 谷物的特性

谷物散裝運輸比包裝運輸更能提高裝載量，利于機械化裝卸，縮短裝卸作業時間，節省裝卸和包裝費用。由于谷物的下沉性和散落性，對裝載散裝谷物的船舶而言，在航行時受船舶搖擺的影響，當搖擺后谷物表面的傾側角超過其固有休止角，各貨艙內的谷面會出現下沉及向一側傾斜，使船舶重心下移及橫向移動，對船舶的穩性產生不利影響。當在惡劣海況下，當船舶各艙內谷物移動產生的傾側力矩超過一定限度時，就會導致船舶發生傾覆。

常運谷物的積載因數SF見表1。

表1 常運谷物及相應的積載因數SF m3·t-1

1.2 穩性要求

1.3 浮態要求

《1966年國際載重線公約》對除兩種情況外，船舶兩舷相對于該船所在季節及其所在地帶或區域的載重線不論船舶在出海、航行中或到達時都不應被水浸沒。散裝谷物船的配載，需保證船中吃水小于載重線公約所要求的載重線下的吃水。

吃水差對于船舶的操縱、快速性、適航性,以及抗風浪性能都有關系。當船舶滿載航行時，若存在艏傾，則由于船在波浪中運動致使艏部容易上浪，嚴重者會破壞船體結構；若艉傾過大時，將使某些船的進水角較平浮時為小，且艉部干舷減少,不利于動穩性。因此，船舶航行時一般都要求有一定的艉傾。

1.4 谷物積載因數與艙容系數的關系

船舶滿艙不滿載時，裝運谷物艙容近似等于船舶貨艙容積，裝運谷物重量小于凈載重量，使得谷物積載因數大于船舶艙容系數；船舶滿載不滿艙時，裝運谷物重量近似等于凈載重量，谷物所占艙容小于貨艙容積，使得谷物積載因數小于船舶艙容系數。

2 散裝谷物船配載方案建模

以3.6萬t級散裝谷物專運船“S”為對象進行程序編寫。“S”共有5個艙，散裝艙容分別為7 895.3、10 382.1、10 284.2、10 427.9、9 658.5 m，總計為48 648 m。航次任務為，油水在始發港全部裝滿，船舶常數183 t，船員、行李、備品及供應品等重量44 t，采用夏季載重線。在該航次情況下的艙容系數為1.351 2 m/t。

船舶主要參數見表2。

表2 “S”主要參數表

根據船舶的靜水力參數表、貨艙容積表、油水艙(滿艙)及其他重量重心計算表、到港油水狀態表、壓載水重量分布表、滿載艙谷物移動橫向傾側體積矩表、部分裝載艙谷物移動橫向傾側體積矩表、谷物許用傾側體積矩表等船舶資料，建立散裝谷物船穩性計算表格，只需輸入船舶的油水等數據、每個貨艙的谷物裝載重量，就能生成船舶的吃水、吃水差、計算傾側力矩、許用傾側力矩等船舶的浮態、穩性數據。

滿艙不滿載和一艙部分裝載方案下的每個貨艙谷物裝載重量，由裝載谷物的積載因數、所選定的載重線等因素下確定。基于滿艙不滿載和一艙部分裝載方案下穩性計算表格所得到的數據，通過設定所需的吃水差差范圍、目標吃水差，即可確定其他配載方案各貨艙的谷物裝載重量。

3 散裝谷物船配載方案分析

3.1 滿艙不滿載方案

當裝載谷物的積載因數大于艙容系數時，即大于1.351 2 m/t時，船舶達到滿艙不滿載，散裝谷物船的每個貨艙都達到滿載艙，船舶的吃水差是固定的。若船舶的吃水滿足要達到要求，再按此方案判斷穩性是否符合要求，若符合則直接生成配載圖。取不同谷物積載因數下的滿艙不滿載配載方案，經程序計算得與吃水差、許用傾側力矩與計算傾側力矩之間的關系見圖1。

圖1 滿艙不滿載時積載因數與浮態、穩性之間的關系

圖1a)中，船舶吃水差隨積載因數增大而減小。由于達到滿艙，隨著積載因數增大，船舶載貨量不斷減少，使得船舶排水量減少，船舶靜水力參數改變，以致吃水差發生變化。若設定吃水差范圍在-1～0 m之間，從圖中可以看出，積載因數在1.36～1.56 m/t之間，船舶吃水差是符合要求的；當積載因數大與1.56后，則需通過調整船舶的壓載水使船舶吃水差達到規定的值。

圖1b)中，滿艙不滿載方案，5個貨艙均裝滿，按滿載不平艙計算谷物總傾側力矩恒為39 490 kN·m，計算傾側力矩始終小于許用傾側力矩，船舶穩性滿足《國際散裝谷物安全裝運規則》要求。

3.2 一艙部分裝載方案

當裝載谷物的積載因數小于于艙容系數，即小于1.351 2 m/t時，船舶達到滿載不滿艙，此時散裝谷物船在夏季載重線下達到滿載而船舶貨艙艙容沒有充分裝滿，為了減少谷物傾側力矩和獲得最大的裝載量，一般根據具體情況留1～2個分艙。若選定一艙部分裝載，此時每種方案船舶所達到的吃水差是固定的。若船舶的吃水差滿足要達到要求，再按此方案判斷穩性、強度是否符合要求，若符合則直接生成配載圖。取不同谷物積載因數下的一艙部分裝載方案與吃水差、許用傾側力矩與計算傾側力矩之間的關系，見圖2。

圖2a)中，當積載因數大于1.07 m/t時，NO.2、NO.3、NO.4部分裝載方案，出現一艙部分裝載艙；當積載因數大于1.09 m/t時，NO.5部分裝載方案，出現一艙部分裝載艙；當積載因數大于1.14 m/t時，NO.1部分裝載方案，出現一艙部分裝載。若設定吃水差范圍在-1～0 m之間，從圖中可以看出，選取NO.3艙作為部分裝載方案滿足吃水差要求；若設定目標吃水差范圍在-0.6～-0.4 m之間，當積載因數在1.07～1.31 m/t范圍內時，一艙部分裝載方案均達不到配載要求，則可以通過選兩艙部分裝載以調節吃水差。據平行力移動原理，船舶兩艙部分裝載方案所能調節達到的吃水差，在所選定的貨艙以一艙部分裝載的兩種方案所達到的吃水差范圍之內。當積載因數接近1.35 m/t時，一艙部分裝載方案船舶吃水差逐漸趨于滿載滿艙時的吃水差-0.23 m，若達不到說設定的吃水差范圍，此時兩艙部分裝載方案也無法調節吃水差，此時可通過選擇一艙部分裝載方案的部分裝載艙作為減載艙減載和加壓載水使船舶吃水差達到配載要求。

圖2b)中，在一艙部分裝載方案下，5個一艙部分裝載方案的計算傾側力矩曲線始終在許用傾側力矩曲線之下，船舶穩性均滿足《國際散裝谷物安全裝運規則》要求。

圖2 一艙部分裝載時積載因數與浮態、穩性之間的關系

3.3 兩艙部分裝載方案

船舶一艙部分裝載時，若吃水差達不到所設定的吃水差取值范圍，可通過選定兩艙部分裝載，通過調節兩艙的裝載量，使船舶吃水以達到預設的吃水差。根據設定的吃水差和裝載量以及預先輸入的空船重量，船舶常數，油水等重量，并根據該排水量下的浮心縱向坐標()和每厘米縱傾力矩()，反求出貨物的重心縱向坐標，并可以求出貨物的分布方案。

設定的吃水差為

(1)

即

∑=100··+Δ·

(2)

所以有

(3)

式中：為各滿載艙的裝貨量，其值為各滿載艙艙容積載因數；為各滿載艙的縱向坐標；、為部分裝載艙的裝貨量；、為部分裝載艙的縱向坐標；0為空船、油水、船舶常數的重量；0為空船、油水、船舶常數的重心；為貨艙裝貨量，按選選取的載重線下所能裝載的最大貨量計算。式(3)中，除了未知艙的裝貨量、是未知的，在選定好兩部分裝載艙的位置后，其余參數都是已知的，即解一個二元一次方程組。

通過列舉所有能達到預設的吃水差兩艙部分裝載的配載方案，通過解方程組(3)可得兩部分裝載艙的載貨量，小于其艙容限制的方案即為達到目標吃水差的配載方案。

以積載因數1.25 m/t，目標吃水差-0.5 m為例，得出兩部分裝載艙確定的載貨量，見表3。對于5貨艙船，對兩部分裝載方案的選取共有10種2部分裝載方案，經計算得能達到該條件下目標吃水差-0.5 m的兩艙部分裝載方案共有6種。再將6種配載方案，輸入穩性計算表內，船舶穩性均滿足《國際散裝谷物安全裝運規則》要求。經程序依次判斷配載方案能否達到配載的要求，若符合要求，則直接采用該配載方案并填制散裝谷物運輸穩性計算專用表格。

表3 兩艙部分裝載方案下部分裝載艙重量

圖3為選取NO.1、NO.3兩艙部分裝載方案，經EXCEL VBA編程自動生成的配載圖。對配載圖表格標繪出船舶側視圖的大致框架后，對5個貨艙分別導入其各艙裝載重量的數據。利用單元格IF函數判斷貨艙的是否滿載及平艙形式(PF部分裝載、F-UT滿載不平艙)，兩部分裝載艙的位置、重量和所占艙容比例確定后，利用VBA中單元格的Offset屬性，找到部分裝艙頂部位置的單元格，并給其標注上框虛線，并對從部分裝載艙底部單元格至部分裝載艙頂部單元格插入雙箭頭形狀，即可對部分裝載艙進行標注。部分裝載艙谷物裝艙深度由谷物裝艙重量查部分裝載艙的谷物移動橫向傾側體積矩表內插得到。通過VBA編輯代碼，將生成的配載圖再復制、粘貼至美國穩性計算表內，基于Excel實時更新的數據，即可自動生成打印對于散裝谷物運輸穩性計算專用表格。

圖3 NO.1、NO.3 2艙部分裝載方案配載示意

4 結論

1)散裝裝谷物裝運船航次采用夏季載重線在滿載不滿艙的情況下，一艙部分裝載艙的選取對船舶的穩性影響不大，主要影響船舶的吃水差。

2)兩艙部分裝載方案可通過調整兩部分裝載艙位置及裝貨量以此調節吃水差，可調整的吃水差范圍隨著谷物積載因數增大而減小，直至趨于滿艙滿載時的吃水差。

3)基于EXCEL建立的散糧船穩性、吃水衡準程序后，通過EXCEL結合VBA各配載方案所達到配載結果，通過程序選取出符合要求的配載方案，自動生成配載圖、散裝谷物穩性計算表。