王鎧 牛百龍

摘 要：基于野本一階控制運動原理，結(jié)合駕引人員實際操舵策略計算大型散貨船操縱運動。結(jié)果表明，該方法具有一定的準確性，可為船舶安全航行提供理論依據(jù)和技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：散貨船 操縱運動 控制策略 安全航行

隨著航運事業(yè)的發(fā)展，船舶朝著大型化、高速化、智能化方向發(fā)展。大型船舶航行時，具有很大的慣性，船舶操控難度較大。由于航運量的不斷增大，船舶航行密度越來越大，航行的安全性得到人們的日益重視。因而，采用控制理論和技術(shù)，研究船舶的操縱運動，特別駕引人員操舵策略下船舶運動響應對于保證船舶安全航行有著重要的意義。

傳統(tǒng)的研究方法，如實時模擬，主要通過大型視景全功能船舶操縱模擬實現(xiàn)，即讓有一定船舶操縱經(jīng)驗的駕引人員在模擬器所設置的環(huán)境中實時操縱通航設計中的代表船舶，最后根據(jù)多人次模擬的結(jié)果給出論證結(jié)果。由于這種研究方法耗時和投資大。本文結(jié)合引航實際工作，通過一艘大型散貨船實船操作數(shù)據(jù)，基于KT方程計算出船舶運動軌跡。

基本方法

日本學者野本謙作通過大量的實船試驗，認為船舶的受控運動基本上是一個質(zhì)量很大的物體在慣性力矩、阻尼力矩和舵力作用下進行的一種緩慢的轉(zhuǎn)首運動。在這種情況下對于單純因改變舵角而引起的各種操縱運動，可看作是對“輸入”舵角的響應而產(chǎn)生的“輸出”操縱運動，因此船舶運動具有低頻特征。在低頻下由舵角到航向角之間的模型簡化為式1，即野本（Nomoto）模型。

(1)

式中K，T即通常說的操縱性指數(shù)，可以通過實船Z形操舵試驗的數(shù)據(jù)計算得到。?追為船舶與目標航向的偏差，即偏航角，表示偏航角變化率，即船舶轉(zhuǎn)動角速度（Rate of turning ）。

從上述模型出發(fā)，不難畫出船舶操舵控制原理如圖1所示。其中的控制器，可以是常用的人的大腦、PID控制器等?？刂破髦饕ㄟ^反饋的航向信息（如偏航角大小及其變化率）輸入給控制器，經(jīng)過運算得到相應的舵角，以實現(xiàn)對船舶航向的控制。

實船數(shù)據(jù)

計算船舶的原型為意大利籍散貨船“尤麗愛娃”。船舶尺度與實測K,T指數(shù)如表1所示，控制對象船舶動力模型如式（1）所示。

根據(jù)引航時實測，在30秒處給出轉(zhuǎn)向5度和10度轉(zhuǎn)向命令，舵工操舵情況如下表2和表3所示。

計算結(jié)果

1、航向響應

根據(jù)控制方程，和表2和表3中的輸入數(shù)據(jù)，可計算出得駕引人員操舵后的船舶5度和10度時轉(zhuǎn)向船首向的變化趨勢如圖2、圖3、圖4所示。

2、軌跡分析

根據(jù)計算，5度和10度人工操作轉(zhuǎn)向船舶偏航距離分別為25.3米和43米。綜合考慮船寬，航跡帶寬度分別為：76.4米和112.9米。在轉(zhuǎn)向過程中，船舶重心軌跡如圖5和圖6。

對比引航的實際經(jīng)驗和上述各圖中各計算，計算精度較好。因為，在海況較好的情況下，小角度轉(zhuǎn)向，KT方程可以很好用于實際計算。

結(jié)論

通過大型散貨船的實船操縱運動計算研究，筆者發(fā)現(xiàn)：基于野本一階方程的船舶運動計算，可有效地應用于駕引人員小角度轉(zhuǎn)向時的船舶艏向變化和軌跡演變，這對于實際駕引船舶可以起到很好的指導作用，同時也可為港口航道設計、事故回演和機理探索、優(yōu)秀引航經(jīng)驗的歸納總結(jié)等工作提供重要的技術(shù)手段。

(作者單位：營口引航站)