馬曉波，戴 冉，首智宇，王漢弢

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

基于AIS數(shù)據(jù)的散貨船壓載吃水取值研究

馬曉波，戴 冉，首智宇，王漢弢

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

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

散貨船；壓載吃水；AIS；累計頻率

0 引 言

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，但對船舶壓載吃水并未提及[1]。而這一參數(shù)在壓載工況下的系泊船舶作用力計算、橋梁凈空高度設(shè)計等工作中是必需的。該參數(shù)如何科學(xué)合理地取值是港工設(shè)計中的一個關(guān)鍵性問題，該問題的研究對港口工程具有重要的意義[2]。因此，十分有必要結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)理論與成果，對船舶壓載吃水的估算方法進(jìn)行研究與討論。

船載自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是在甚高頻海上移動頻段，采用時分多址接入技術(shù)，可自動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，航行于國際航線的300總噸以上船舶和公約國航行于國內(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，本文嘗試收集船舶AIS提供的壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)，通過研究1 000余艘散貨船的壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)，給出不同噸級散貨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 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的相關(guān)研究主要是經(jīng)驗公式以及利用船舶的船型特點，以橫向、縱向受風(fēng)面積為切入點開展研究分析。

1）經(jīng)驗公式

根據(jù)海運經(jīng)驗，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%，冬季航行因為風(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)實踐中的經(jīng)驗總結(jié)，也是航海類圖書資料中給出的指導(dǎo)參數(shù)。但是該參數(shù)取值較粗糙，對不同的船型未區(qū)別對待。

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)照片與實物比尺相似原理[8]，依據(jù)受風(fēng)面積對港口系泊船舶受風(fēng)高度進(jìn)行分析。同理，也可通過收集不同噸級的散貨船圖片，進(jìn)行統(tǒng)計分析，再結(jié)合AXW對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]。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

1）國際海事組織（IMO）公式

船舶空載航行時最小平均吃水Tmin=0.02Lbp+2.0，式中：Tmin為船舶最小平均吃水，Lbp為船舶垂線間長。該公式計算較為簡便，但僅涉及船舶垂線間長一個參數(shù)，對不同類型的船舶未進(jìn)行區(qū)別計算，在港口工程設(shè)計中具有一定的局限性[1]。

2）日本港口研究所（PHRI）公式

2 船載AIS壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計分析

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際相符，按照散貨船的不同噸位，本文統(tǒng)計了大量當(dāng)前營運船舶實際壓載吃水情況。數(shù)據(jù)收集的方法主要通過船載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)收集作為補充。

采用AIS數(shù)據(jù)收集的原因有2個：首先，AIS設(shè)備提供船舶的航次相關(guān)信息。航次相關(guān)信息由船舶駕駛員手動輸入，隨航次的不同而更新，其中包括船舶吃水信息。因此，AIS數(shù)據(jù)中的船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)可以真實地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，幾乎所有船舶都配備有AIS設(shè)備，這也為擴(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，船舶申請引航時需提供船舶相關(guān)信息，其中也包括船舶實際吃水，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)收集作為必要的補充。

2.2 壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)的處理分析

通過船載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散貨船的統(tǒng)計數(shù)量如表1所示，本文共收集得到1 031艘各噸級散貨船的壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)。本次研究主要針對較大型船舶，35 000噸級及以上的船舶數(shù)量占到了統(tǒng)計總量的93%。

表 1 各噸級散貨船統(tǒng)計數(shù)量表Tab. 1 Statistical quantity table for each ton bulk carrier

對收集到的處于壓載狀態(tài)的各種噸級散貨船的吃水值數(shù)據(jù)，利用SPSS統(tǒng)計分析軟件對其進(jìn)行統(tǒng)計，得出不同保證率下（50%，80%，85%，90%，95%）的壓載吃水值，如表2所示。

由圖1可知，不同保證率下的船舶壓載吃水值在50 000～100 000 DWT，120 000～200 000 DWT，250 000～300 000 DWT變化規(guī)律基本一致。不同保證率下的船舶壓載吃水值在100 000～120 000 DWT，200 000～250 000 DWT產(chǎn)生了明顯的跳躍性。

表 2 各噸級散貨船不同保證率下的壓載吃水值Tab. 2 Ballast draft at different guaranteed rates for each ton bulk carrier

3 對比分析

綜合分析船舶壓載吃水取值的國內(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。本文選取行業(yè)認(rèn)可度較高且應(yīng)用較為廣泛的海運經(jīng)驗公式（以下簡稱“50%T公式”）、國際海事組織（IMO）公式（以下簡稱“IMO公式”）、日本港口研究所（PHRI）公式（以下簡稱“PHRI公式”）3種計算方法與船舶壓載吃水實測值進(jìn)行對比分析。

通過收集《海港總體設(shè)計規(guī)范》[11]中的設(shè)計船型尺度數(shù)據(jù)，利用50%T公式、IMO公式、PHRI公式對各噸級船型數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表3所示。

表 3 各噸級散貨船壓載吃水不同算法結(jié)果對比表Tab. 3 Results of different algorithms for the ballast draft of each ton bulk carrier

在海運經(jīng)驗公式的計算中取滿載吃水的50%作為壓載吃水計算值。在國際海事組織（IMO）公式的計算中，本文以總長近似代替垂線間長代入計算獲得壓載吃水計算值。在日本港口研究所（PHRI）公式的計算中，散貨船的α、β分別取0.551、0.993計算壓載吃水值。

將50%保證率、50%T公式、IMO公式、PHRI公式計算值進(jìn)行比較分析，得到如圖2所示的對比圖。

綜合分析表3及圖2的計算數(shù)據(jù)，可以看出：

1）50%保證率的曲線基本位于50%T公式、IMO公式曲線的上方，即實測壓載吃水?dāng)?shù)據(jù)的50%保證率取值基本涵蓋了50%T公式、IMO公式計算值的取值范圍。50%保證率的曲線基本位于50%T公式曲線和PHRI公式曲線之間。但在小于50 000噸級時，50%保證率的取值要大于PHRI公式的取值。在250 000噸級時，50%保證率的取值大于PHRI公式的取值。

2）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。可以認(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算取值下限，在船舶的實際生產(chǎn)運營中，根據(jù)實際情況的不同，大多數(shù)船舶的壓載吃水值大于給定的理論計算取值下限。

3）50%T公式與PHRI公式曲線的變化規(guī)律基本一致，IMO公式曲線與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。這說明船舶在實際生產(chǎn)和運營過程中，從保證船舶營運安全的角度考慮，壓載吃水的取值也比較保守。

4 結(jié)論與建議

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，船舶在實際營運過程中，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)真實有效，是船舶生產(chǎn)和營運過程中壓載吃水的真實反映。通過對船載AIS數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，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)計等工作中具有較強的實際應(yīng)用價值。

4）以散貨船為例，通過統(tǒng)計分析大量的AIS數(shù)據(jù)，給出了散貨船壓載吃水的取值。為解決船舶壓載吃水的取值問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、不同噸級收集AIS數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析得出壓載吃水取值。

5）對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)計研究。在將來規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的編寫過程中，可以借鑒本文提出的研究方案開展相關(guān)研究。

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Determining the bulk carriers’ ballast draft based on AIS data

MA Xiao-bo, DAI Ran, SHOU Zhi-yu, WANG Han-tao
(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Considering the bulk carrier 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 bulk carriers carrying AIS, ballast draft values of different ton bulk carriers under different cumulative frequency were gotten. Compare the statistical results with the calculated results of several domestic and foreign methods, then provide a reference for the study of ballast draft and modification of codes.

bulk carrier；ballast draft；AIS；cumulative frequency

U691

A

1672 – 7649(2017)08 – 0051 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.011

2016 – 07 – 14；

2016 – 08 – 02

交通運輸部水運局海輪船舶水上高度調(diào)查分析專題研究資助項目([2012]404號)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(3132013016)；遼寧省東港市獐島碼頭工程通航安全評估資助項目(80815040-92)

馬曉波(1990 – )，男，碩士研究生，研究方向為船舶智能化。