馬曉波，張　杰，戴　冉

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

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基于AIS數(shù)據(jù)的油船壓載吃水的確定

馬曉波，張杰，戴冉

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

考慮到油船壓載吃水在壓載工況下的系泊船舶作用力計(jì)算、橋梁凈空高度設(shè)計(jì)等工作中是十分重要的參數(shù)，但在港口工程中尚無(wú)完善的計(jì)算方法，現(xiàn)行規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的船型資料中亦未提及，通過(guò)對(duì)大量油船船載AIS數(shù)據(jù)中壓載吃水值的統(tǒng)計(jì)分析，得到不同噸級(jí)油船不同累計(jì)頻率下的壓載吃水值。將得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外幾種油船壓載吃水計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，為船舶壓載吃水的取值和規(guī)范修訂提供參考。

油船；壓載吃水；AIS；累計(jì)頻率

港口工程現(xiàn)行規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的船型資料中給出了基于一定保證率的船舶滿載吃水，但對(duì)船舶壓載吃水并未提及[1]。而這一參數(shù)對(duì)于壓載工況下的系泊船舶作用力計(jì)算、橋梁凈空高度設(shè)計(jì)有重要的意義[2]。船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)是在甚高頻海上移動(dòng)頻段，采用時(shí)分多址接入技術(shù)，可自動(dòng)廣播和接收船舶航次相關(guān)信息的系統(tǒng)[3]。SOLAS公約第V章規(guī)定，航行于國(guó)際航線的300總噸以上船舶和公約國(guó)航行于國(guó)內(nèi)航線的500總噸以上的船舶，從2002年7月1日起至2008年7月1日止，分段執(zhí)行配備AIS船載設(shè)備[4]。AIS應(yīng)用廣泛，幾乎所有船舶配備AIS設(shè)備[5-6]。因此，嘗試收集船舶AIS提供的壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)研究1 000余艘油船的壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)，給出不同噸級(jí)油船基于一定保證率的船舶壓載吃水值。為解決船舶壓載吃水的取值問(wèn)題提供一種新的解決思路。

1　船舶壓載吃水取值研究現(xiàn)狀

1.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

1)經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)海運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，船舶空船壓載后的吃水，至少應(yīng)該達(dá)到夏季滿載吃水的50%，冬季航行因?yàn)轱L(fēng)浪較大，應(yīng)使其達(dá)到夏季滿載吃水的55%以上[7]。該參考數(shù)據(jù)是船舶駕駛員在生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，也是航海類圖書(shū)資料中給出的指導(dǎo)參數(shù)。但是該參數(shù)取值較粗糙，對(duì)不同的船型未區(qū)別對(duì)待。

2)依據(jù)船舶橫、縱向受風(fēng)面積AXW、AYW進(jìn)行分析。有學(xué)者根據(jù)照片與實(shí)物比尺相似原理[8]，依據(jù)受風(fēng)面積對(duì)港口系泊船舶受風(fēng)高度進(jìn)行了分析。同理，也可通過(guò)收集不同噸級(jí)的油船的圖片，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再結(jié)合AXW對(duì)船舶壓載吃水取值進(jìn)行分析。然而，船舶縱軸向斷面尺寸較復(fù)雜，并且不同船型的斷面尺寸變化較大，因而很難找到合適并且統(tǒng)一的AXW=f(h)函數(shù)[2]。

(1)

該方法相對(duì)于依據(jù)船舶橫向受風(fēng)面積AXW進(jìn)行分析的方法來(lái)說(shuō)，可行性更強(qiáng)、精確度更高。但是該方法在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，往往只是選取了船舶在一種載態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。而在船舶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，隨著外部自然環(huán)境和水域環(huán)境的不同，船舶的載態(tài)是不盡相同的。因此該方法的計(jì)算結(jié)果具有一定的局限性。

1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀

1)國(guó)際海事組織(IMO)公式。船舶空載航行時(shí)最小平均吃水

(2)

式中：Tmin——船舶最小平均吃水；

Lbp——船舶垂線間長(zhǎng)。

該公式計(jì)算較為簡(jiǎn)便,但僅涉及船舶垂線間長(zhǎng)一個(gè)參數(shù)，對(duì)不同類型的船舶未進(jìn)行區(qū)別計(jì)算，在港口工程設(shè)計(jì)中具有一定的局限性[1]。

2)日本港口研究所(PHRI)公式。船舶壓載吃水與最大吃水的關(guān)系式為

(3)

式中:TB——船舶壓載吃水；

Tmax——船舶最大吃水，取滿載吃水；

α、β——為系數(shù)。

該公式考慮了不同貨種和船舶噸位，對(duì)港口工程及相關(guān)研究具有重要意義。

2　船載AIS壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2.1壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)的收集

為了確保船舶壓載吃水選取值與實(shí)際相符，按照油船的不同噸位統(tǒng)計(jì)了大量當(dāng)前營(yíng)運(yùn)船舶實(shí)際壓載吃水情況。數(shù)據(jù)收集的方法主要通過(guò)船載AIS數(shù)據(jù)收集，船務(wù)公司數(shù)據(jù)收集和引航部門數(shù)據(jù)收集作為補(bǔ)充。

采用AIS數(shù)據(jù)的原因：首先，AIS設(shè)備提供船舶的航次相關(guān)信息，該信息由駕駛員手動(dòng)輸入，隨航次的不同而更新，其中包括船舶吃水。因此，AIS數(shù)據(jù)中的船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)可以真實(shí)反映出船舶的壓載狀態(tài)。其次，AIS在船舶上的應(yīng)用極為廣泛，為擴(kuò)大壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)收集樣本提供了便利。

船務(wù)公司通常需要了解其管轄船舶的航次信息，其中就包括船舶吃水信息。同樣，船舶申請(qǐng)引航時(shí)需提供船舶相關(guān)信息，其中也包括船舶實(shí)際吃水，以便引航部門做出引航任務(wù)決策和相關(guān)安排。因此，選擇船務(wù)公司數(shù)據(jù)收集和引航部門數(shù)據(jù)收集作為必要的補(bǔ)充。

2.2壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)的處理分析

通過(guò)船載AIS數(shù)據(jù)收集、船務(wù)公司數(shù)據(jù)收集和引航部門數(shù)據(jù)收集3種數(shù)據(jù)收集方法得到的各噸級(jí)油船的統(tǒng)計(jì)數(shù)量見(jiàn)表1。

共收集得到1 078艘各噸級(jí)油船的壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)。研究主要針對(duì)較大型船舶，50 000 t級(jí)及由圖1可知，不同保證率下的船舶壓載吃水值在載重量為10 000～30 000，30 000～80 000，80 000～120 000，120 000～300 000 t時(shí)變化規(guī)律基本一致。不同保證率下的船舶壓載吃水值在載重量為10 000～30 000 t時(shí)變化較快，在30 000～300 000 t時(shí)變化較慢。

表1　各噸級(jí)油船統(tǒng)計(jì)數(shù)量表

以上的船舶數(shù)量占到了統(tǒng)計(jì)總量的91.2%。

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析收集到的處于壓載狀態(tài)的各種噸級(jí)油船的吃水值數(shù)據(jù)，得出不同保證率下的壓載吃水值，見(jiàn)圖1。

圖1　各噸級(jí)油船不同保證率下壓載吃水對(duì)比

3　對(duì)比分析

綜合分析船舶壓載吃水取值的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，考慮到依據(jù)船舶橫向受風(fēng)面積AXW進(jìn)行分析以及依據(jù)船舶縱向受風(fēng)面積AYW進(jìn)行分析2種方法都存在一定的局限性，故選取行業(yè)認(rèn)可度較高且應(yīng)用較為廣泛的海運(yùn)經(jīng)驗(yàn)公式(以下簡(jiǎn)稱“50%T公式”)、國(guó)際海事組織(IMO)公式(以下簡(jiǎn)稱“IMO公式”)、日本港口研究所(PHRI)公式(以下簡(jiǎn)稱“PHRI公式”)3種計(jì)算方法與船舶壓載吃水實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

收集《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中的設(shè)計(jì)船型尺度數(shù)據(jù)，利用50%T公式、IMO公式、PHRI公式對(duì)各噸級(jí)船型數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　各噸級(jí)油船壓載吃水不同算法結(jié)果對(duì)比

在海運(yùn)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算中取滿載吃水的50%作為壓載吃水計(jì)算值。在國(guó)際海事組織(IMO)公式的計(jì)算中，本文以總長(zhǎng)近似代替垂線間長(zhǎng)代入計(jì)算獲得壓載吃水計(jì)算值。在日本港口研究所(PHRI)公式的計(jì)算中，油船的α、β分別取0.548、0.966計(jì)算壓載吃水值。

比較分析50%保證率、50%T公式、IMO公式、PHRI公式計(jì)算值，結(jié)果見(jiàn)圖2。

分析圖2的計(jì)算數(shù)據(jù)，可以看出：

1)50%保證率的曲線位于50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲線的上方，即實(shí)測(cè)壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)的50%保證率取值基本涵蓋了50%T公式、IMO公式、PHRI公式計(jì)算值的取值范圍。實(shí)際統(tǒng)計(jì)值普遍大于公式計(jì)算值。但在小于30 000 t級(jí)時(shí)，IMO公式的取值要大于50%保證率的取值；在大于300 000 t級(jí)時(shí)，50%T公式及PHRI公式的取值要大于50%保證率的取值。

2)50%、80%、85%、90%、95%的保證率曲線均位于50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲線上方。認(rèn)為50%T公式、IMO公式、PHRI公式曲線給出了船舶壓載吃水的理論計(jì)算取值下限，在船舶的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，根據(jù)實(shí)際情況的不同，船舶的壓載吃水值大于給定的理論計(jì)算取值下限。

3)50%T公式與PHRI公式曲線基本重合，IMO公式與50%T公式及PHRI公式曲線偏差較大。且船型越大，偏差越明顯。這說(shuō)明50%T公式及PHRI公式的取值比IMO公式的取值更保守。IMO公式曲線與50%保證率的曲線相比，也存在船型越大偏差越明顯的現(xiàn)象。這說(shuō)明船舶在實(shí)際的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，從保證船舶營(yíng)運(yùn)安全的角度考慮，壓載吃水的取值也比較保守。

4　結(jié)論

1)IMO公式給出的船舶壓載吃水是保證船舶航行安全的最低要求，船舶在實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，船舶壓載吃水的取值要大于該要求，且船型越大，船舶壓載吃水的取值越保守。

2)本文中各噸級(jí)船舶的壓載吃水樣本數(shù)據(jù)包括了船舶的各種載態(tài)情況，相比于依據(jù)船舶縱向受風(fēng)面積AYW進(jìn)行分析的方法更具有一般性和代表性。

3)本文收集的船舶壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)真實(shí)有效，是船舶生產(chǎn)和營(yíng)運(yùn)過(guò)程中壓載吃水的真實(shí)反映。通過(guò)對(duì)船載AIS數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到不同保證率下(50%、80%、85%、90%、95%)的壓載吃水值，可以為生產(chǎn)實(shí)踐中的船舶壓載吃水取值研究提供參考，在港口工程設(shè)計(jì)等工作中具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4)以油船為例，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析大量的AIS數(shù)據(jù)，給出了油船壓載吃水的取值。為解決船舶壓載吃水的取值問(wèn)題提供一種新的解決思路。在今后的研究中，可以借鑒該思路，按照雜貨船、散貨船、集裝箱船等不同船舶類型、不同噸級(jí)收集AIS數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析得出壓載吃水取值。

5)對(duì)于各船型船舶壓載吃水，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中尚未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。在將來(lái)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的編寫過(guò)程中，可以借鑒本文提出的研究方案。

[1] 杜安民,陳志強(qiáng).船舶壓載吃水估算方法探討[J].中國(guó)港灣建設(shè),2015,35(6)：38-40.

[2] 劉勝.港口系泊船舶壓載吃水取值研究[J].交通科學(xué)與工程,2013,29(3)：63-66.

[3] 胡菠.船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)特性的新要求[J].航海技術(shù),2010(6) ：37-39.

[4] 關(guān)政軍,劉彤.航海儀器[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2009：145-146.

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[10] 海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范JTS165-2013[S].北京:人民交通出版社,2014.

Determining the Tankers’ Ballast Draft Based on AIS Data

MA Xiao-bo, ZHANG Jie, DAI Ran

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

Considering the tanker ballast draft is a very important parameter in the ship mooring force calculation under ballast condition as well as clearance height of bridge design. But in port engineering, there is no perfect calculation method. Ship type information of the current specifications and relevant standards also does not mention. Through statistical analysis of ballast draft values from tankers carrying AIS, ballast draft values of different ton tankers under different cumulative frequency are gotten. The statistical results are compared with the calculated results of several domestic and foreign methods. It can provide a reference for the study of ballast draft and modification of codes.

tanker; ballast draft; AIS; cumulative frequency

2016-03-18

2016-04-03

交通運(yùn)輸部水運(yùn)局海輪船舶水上高度調(diào)查分析專題研究([2012]404號(hào))；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132013016)

馬曉波(1990—)，男，碩士生

U674.13；U662.3

A

1671-7953(2016)04-0064-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.016

研究方向:船舶智能化

E-mail:dmu_mxb@163.com