張進(jìn)峰 彭斯楊 馬偉皓 劉永森

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)(內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 武漢 430063)

南海海域超大型油船避臺航線優(yōu)化及安全評估*

張進(jìn)峰1,2,3)彭斯楊1,2)馬偉皓1)劉永森1,2)

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1)武漢 430063) (國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心2)武漢 430063)(內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3)武漢 430063)

臺風(fēng)是南海海域影響超大型油船VLCC航行安全的主要災(zāi)害性天氣，實(shí)現(xiàn)安全、科學(xué)、有效地避臺對保障VLCC航行安全具有重要的研究意義.在臺風(fēng)浪數(shù)值模擬和船舶失速計算的基礎(chǔ)上，建立了安全約束條件下航時最短為優(yōu)化目標(biāo)的航線優(yōu)化模型，設(shè)計動態(tài)規(guī)劃算法求解全局最優(yōu)的優(yōu)化路徑，以某VLCC規(guī)避2014年第9號臺風(fēng)“威馬遜”為例進(jìn)行了仿真，并運(yùn)用國際海事組織(IMO)推薦的指南分析了優(yōu)化航線的安全性.結(jié)果表明，提出的航線優(yōu)化模型達(dá)到了安全和航時最短等設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)，航線安全性分析結(jié)果表明，發(fā)生諧搖和大幅度橫搖的風(fēng)險主要集中在避臺后，不會對船舶航行安全構(gòu)成威脅.

超大型油船；航線優(yōu)化；避臺；南海；安全評估

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，原油的需求急劇增加，原油的進(jìn)口量逐年劇增.根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料，2014年我國原油進(jìn)口3.1億噸，進(jìn)口原油主要來自中東和北非，其中48%來自中東，承運(yùn)進(jìn)口原油的主力船型為30萬噸級的超大型油船(very large crude carrier，VLCC)，上述船舶航線均需通過南海海域，臺風(fēng)是該海域影響VLCC航行安全最大的自然災(zāi)害[1]，在VLCC避臺過程中，一旦發(fā)生事故，將會造成巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失和海洋污染事故，因此，如何安全、科學(xué)、有效地避臺是VLCC實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、保護(hù)海洋環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效益的基本保障，開展針對南海臺風(fēng)的VLCC避臺優(yōu)化航線研究具有重要的研究意義.

目前，針對VLCC的避臺航線的定量研究較少，主要為一些避臺實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[2].結(jié)合VLCC的吃水深、慣性大、操縱不靈活等特點(diǎn)，在船舶失速計算的基礎(chǔ)上，提出保障VLCC航行安全的最短航時航線，以最大程度地減小避臺過程中的繞航和船期損失.根據(jù)文獻(xiàn)[3]對優(yōu)化航線上VLCC發(fā)生騎浪和打橫、巨浪連續(xù)沖擊、諧搖和大幅度橫搖等風(fēng)險進(jìn)行定量評估，確保VLCC避臺航線的安全，研究工作可為我國南海海域VLCC避臺的自動化提供決策依據(jù).

1 風(fēng)浪中的船舶失速

船舶在大風(fēng)浪中航行時，由于波浪的擾動作用將使船舶產(chǎn)生縱搖、橫搖和首搖等各種運(yùn)動，從而引起船舶阻力的增加，使在主機(jī)功率不變情況下航速要比靜水中下降.

在進(jìn)行避臺航線優(yōu)化過程中，必須對風(fēng)浪中的船舶失速進(jìn)行精確的計算.由于失速計算方法的針對性，本文選用Kwon[4]提出的主機(jī)功率不變條件下、7級及以下風(fēng)速的風(fēng)浪中船舶失速計算公式，船舶失速百分比表示為

×100%=αμσ

(1)

ΔV=V1-V2

(2)

表1 船舶失速系數(shù)α

表2 船舶失速方向系數(shù)μ

表3 船型系數(shù)σ

2 航線優(yōu)化案例

2.1 臺風(fēng)個例和船舶概況

文中以2014年第9號臺風(fēng)“威馬遜”(Rammasun)為研究對象，“威馬遜”是2014年7月16日00時-19日00時(世界時)之間影響我國南海海域的一次超強(qiáng)臺風(fēng)天氣過程，其移動路徑見圖1.運(yùn)用WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式[5]對“威馬遜”產(chǎn)生的臺風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬，模式計算結(jié)果采用網(wǎng)格輸出，輸出參數(shù)為有效波高、平均波長、平均波周期、平均波向等.

實(shí)線為“威馬遜”的移動路徑；虛線為船舶計劃航線圖1 海浪模式計算區(qū)域

文中以我國一艘實(shí)際運(yùn)營于中東航線的滿載VLCC為例，船型主尺度見表4.所選航線為由我國臺灣海峽至馬六甲海峽方向VLCC通過我國南海的一段實(shí)際航線，見圖1中的實(shí)線，所選航段起點(diǎn)A的位置為119°00′02″E，23°30′01″N，所選航段終點(diǎn)位置為113°10′03″E，13°20′02″N，船舶通過起點(diǎn)A的時間為2014年7月16日06:00(世界時).

表4 船型主尺度

2.2 航線優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

在臺風(fēng)浪數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，根據(jù)船舶計劃航線、臺風(fēng)風(fēng)場和波浪場數(shù)據(jù)對船舶失速進(jìn)行了計算.在船舶失速分布的基礎(chǔ)上，建立的VLCC避臺過程中的船舶航行總時間的目標(biāo)函數(shù)可表示為

(3)

s.t.

(4)

(5)

(6)

(7)

為了保障VLCC的航行安全，根據(jù)航海實(shí)踐，優(yōu)化航線的安全限制條件為臺風(fēng)的7級風(fēng)圈(即風(fēng)速小于17.2 m/s)外通過.

2.3 航線優(yōu)化結(jié)果

采用動態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行求解[6]，優(yōu)化結(jié)果為安全限制條件下的航時最短航路，航線總航行時間為51.27 h，經(jīng)優(yōu)化的船舶航路點(diǎn)見表5，各航段的優(yōu)化航路見圖2.圖2a)～d)分別為船舶航行17.16，29.84，42.31和51.27 h對應(yīng)的航路點(diǎn)WP3，WP5，WP7和WP9(終點(diǎn))，圖2中背景為對應(yīng)時刻的海面有效波高分布.由圖2可見，求解的優(yōu)化航路為選擇從臺風(fēng)移動方向后方航行通過，優(yōu)化航線較好地避開了臺風(fēng)的大風(fēng)浪區(qū)，可達(dá)到安全避離臺風(fēng)的優(yōu)化目標(biāo)，也符合航海實(shí)踐.本優(yōu)化算法全面考慮了臺風(fēng)浪的動態(tài)變化，且每個階段的優(yōu)化目標(biāo)都是沿著時間最短的路徑，最終得到的路徑規(guī)劃方案是全局最優(yōu)的.

表5 經(jīng)優(yōu)化的船舶航路點(diǎn)

圖2 VLCC優(yōu)化航線和有效波高分布

3 航線安全性分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，在不利氣象和海況條件下，船舶順浪或偏順浪航行時存在較大的安全風(fēng)險.順浪航行雖然具有降低波浪對船的相對速度從而緩解波浪對船舶的襲擊，同時船舶在風(fēng)浪中可以保持較高的船速，有利于擺脫風(fēng)浪區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，但是順浪或偏順浪航行中仍然存在船舶穩(wěn)性降低、出現(xiàn)打橫、諧搖等危險[7].

3.1 騎浪和打橫風(fēng)險分析

船舶順浪或偏順浪航行時，處于陡峭大浪最前端而騎浪被加速，即發(fā)生騎浪(surf riding)，由于作用在船尾左右兩舷的波浪力不同，在船舶上作用一個使船舶轉(zhuǎn)向橫浪的力矩，從而會出現(xiàn)航向不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至突然產(chǎn)生首搖而橫于波浪中，即所謂打橫(broaching to).此時船舶瞬間產(chǎn)生很大的橫傾，襲來的波浪打到船上便會使船舶陷入非常危險的局面.

圖3 優(yōu)化航線的船舶航速和浪舷角分布

3.2 巨浪連續(xù)沖擊風(fēng)險分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，當(dāng)波浪的平均波長大于0.8L且有效波高大于0.04L時，船舶將面臨巨浪連續(xù)沖擊(successive high-wave attack)的風(fēng)險，具體危險區(qū)域?yàn)椴ɡ嗽庥鲋芷跒椴ㄖ芷诘?.8～3.0倍時，將產(chǎn)生完整穩(wěn)性損失、諧搖、大幅度橫搖運(yùn)動或各種危險組合而產(chǎn)生的危險.

優(yōu)化航線受巨浪連續(xù)沖擊影響的危險區(qū)域見圖4.

圖4 巨浪連續(xù)沖擊時的危險區(qū)域

根據(jù)VLCC的船舶資料，對本船造成風(fēng)險的臨界條件為浪的平均波長大于264 m且有效波高大于13.2 m時.根據(jù)臺風(fēng)浪數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化航線上的波長和有效波高最大值分別為117 m和4.62 m，因此在優(yōu)化航線上船舶將不受巨浪連續(xù)沖擊的影響.由圖4可見，本船航路存在個別階段位于危險區(qū)域，考慮到臺風(fēng)天氣過程中可能遭遇波浪極值，為避免可能產(chǎn)生的遭受巨浪連續(xù)沖擊的風(fēng)險，必要時船舶應(yīng)降低航速或改變航向.

3.3 諧搖和大幅度橫搖風(fēng)險分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，當(dāng)波浪遭遇周期TE與船舶的固有橫搖周期TR接近時，船舶將產(chǎn)生諧搖(synchronous rolling motion)；當(dāng)波浪遭遇周期接近于船舶的固有橫搖周期TR的一半時，船舶將產(chǎn)生大幅度橫搖(parametric rolling motion).其中波浪遭遇周期TE和船舶的固有橫搖周期TR分別可表示為

(8)

(9)

C=0.373+0.023(B/d)-0.043(L/100)(10)

當(dāng)波浪遭遇周期TE與船舶的固有橫搖周期TR接近的范圍一般為：TE=(0.7-1.3)TR，當(dāng)波浪遭遇周期TE接近于船舶的固有橫搖周期TR的一半時的范圍為：TE=(0.3-0.7)TR.根據(jù)VLCC的船舶資料，優(yōu)化航線中的波浪遭遇周期TE與船舶的固有橫搖周期TR關(guān)系見圖5～6.由圖5～6可知，優(yōu)化航線的部分階段存在諧搖和大幅度橫搖的風(fēng)險，但主要風(fēng)險區(qū)域位于船舶避臺后，船舶受大風(fēng)浪的影響均有所減弱，因此，本優(yōu)化航線發(fā)生諧搖和大幅度橫搖的風(fēng)險較小，必要時船舶應(yīng)及時調(diào)整航速或航向.

圖5 波浪遭遇周期與船舶固有橫搖周期接近時危險區(qū)域

圖6 波浪遭遇周期與船舶固有橫搖周期的一半接近時的危險區(qū)域

4 結(jié) 束 語

文中討論了VLCC避臺的優(yōu)化決策和航線安全性問題，針對南海典型VLCC航線的避臺需求，建立了安全限制條件下的航時最短為優(yōu)化目標(biāo)的航線優(yōu)化模型，采用動態(tài)規(guī)劃算法求解的優(yōu)化路徑為全局最優(yōu)解.對優(yōu)化航線的安全性進(jìn)行了風(fēng)險分析，結(jié)果表明，優(yōu)化的航線不具備發(fā)生騎浪和打橫、巨浪連續(xù)沖擊的發(fā)生條件，但航線在一定范圍內(nèi)具有發(fā)生諧搖和大幅度橫搖的風(fēng)險，主要風(fēng)險區(qū)域位于船舶避臺后，對船舶航行安全的影響有限，必要時在上述航段船舶應(yīng)及時調(diào)整航速或航向.文中提出的航線優(yōu)化方法可作為南海區(qū)域VLCC避臺的技術(shù)依據(jù)，為下一階段實(shí)現(xiàn)船舶自動化避臺打下基礎(chǔ).

[1]WANG J W, LI M C, LIU Y X, et al. Safety assessment of shipping routes in the South China Sea based on the fuzzy analytic hierarchy process[J]. Safety Science,2014,62:46-57.

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[3]IMO. Revised guidance to the master for avoiding dangerous situations in adverse weather and sea conditions: MSC/Circ.1228[S]. London:International Maritime Organization,2007.

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Optimization of VLCC Avoiding Typhoon Route and Safety Assessment in South Sea

ZHANG Jinfeng1,2,3)PENG Siyang1,2)MA Weihao1)LIU Yongsen1,2)

(School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan 430063, China)2)(Hubei Inland Shipping Technology Key Laboratory, Wuhan 430063, China)3)

Typhoon is the major weather disaster which affects the navigation safety of VLCC in the South China Sea. The important significance is considered for avoiding the typhoon safely and efficiently to ensure the navigation safety of VLCC. On the basis of typhoon wave numerical simulation and ship speed loss calculation, the ship route optimization model is established for minimum time route under safety constraints, which is solved by the dynamic programming algorithm for global optimization. Typhoon “Rammasun” (No.1409) is chosen as an example for the simulation. The recommended guidelines of the International Maritime Organization (IMO) are used to analyze the safety of the optimized route. The results show that the proposed route optimization model achieves the goal of safety and minimum time of the ship route. The safety analysis shows that the risk of synchronous rolling and parametric rolling motions is concentrated in the area after avoiding typhoon, so it will not pose a threat to the navigation safety.

VLCC; route optimization; avoiding typhoon; south sea; safety assessment

2017-04-22

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51209166)

U675.5+4

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.009

張進(jìn)峰(1980—)：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗辖煌ò踩c環(huán)境、航線優(yōu)化